Пятиугольная телескопическая штанга с быстрозажимным соединением

Полезная модель относится к отрасли машиностроения и может быть использовано в приборостроительной области, в частности, в устройствах, где требуется использование телескопических механизмов с быстрой фиксацией в промежуточных и крайних положениях, например в мобильных компактных поисковых и сканирующих приборах, штативах, манипуляторах металлоискателях и т.д.
Известно телескопическое соединение (Патент SU 1513257, опубликован 07.10.1989, МПК F16B 7/10), которое включает в себя внутреннюю цилиндрическую трубу 1 и внешнюю трубу 2, составную втулку из двух, соединенных посредством резьбы, частей 3 и 4 и кольцевой упругий элемент 5 и распорное кольцо 6 (фиг. 1). Фиксация труб 1 и 2 друг относительно друга осуществляется за счет деформации кольцевого элемента 5 при стягивании резьбой обоих частей втулки 3 и 4.
Недостатком рассматриваемого аналога является низкая надежность телескопического соединения, что обусловлено износом и разрушением кольцевого упругого элемента в условиях циклического деформирования. В процессе эксплуатации уменьшается сила трения, необходимая для фиксации труб, что приводит к потере работоспособности телескопической штанги. Кроме того, в случае использования рассматриваемого аналога в телескопических штангах портативных приборов (например, поисковый металлоискатель) круглый профиль труб не ограничивает их поворот друг относительно друга в процессе стягивания резьбой и не исключает возможность перекручивания, что может привести к разрушению коммутационных проводов и других элементов, размещаемых внутри штанги. При этом происходит нежелательное изменение взаимного расположения рабочих органов на разных концах штанги. Кроме того рассматриваемое резьбовое телескопическое соединение не эргономично - при эксплуатации требуется значительное время для приведения штанги в рабочее положение и на сборку в транспортное положение.
1
2
Известно телескопическое устройство (Патент RU 2112891, опубликован 10.06.1998, МПК F16B 7/10) содержащее внутреннюю трубу 7 и наружную трубу 8, фиксирующую втулку 9, пружину 10 и кольцевой элемент 11 (фиг. 2). Фиксация труб происходит следующим образом: кольцевой элемент 11 вручную прижимается к внешней поверхности трубы 7 и торцевой поверхности 12 трубы 8 под действием, передающейся через втулку 9, силы F сжатой пружины 10 и ее составляющих f, на сопрягающихся конических поверхностях 13 и 14, и f на сопрягающихся торцевых поверхностях 12 и 15. Дополнительно на внутренней трубе 7 могут быть выполнены кольцевые проточки 16 для фиксации в крайних и заданных промежуточных положениях.
Недостатком рассматриваемого аналога является ненадежная фиксация соединения вследствие недостаточного прижимного усилия. С учетом расположения на противоположных концах телескопической штанги конструктивных элементов даже небольшой массы уровень внешних нагрузок может значительно превышать силу сжатия пружины, что может привести к деформированию и ослаблению фиксирования. При этом использование пружины высокой жесткости невозможно, так как она должна сжиматься усилием от руки. К недостаткам также можно отнести низкую сопротивляемость к радиальному смещению труб друг относительно друга, так как вследствие того, что торцевые сопрягаемые поверхности 12 и 15 расположены в плоскости, перпендикулярной оси, а между трубами имеется технологический зазор. Следует отметить в качестве недостатка отсутствие защиты от самопроизвольного поворота труб относительно друг друга и неразборность соединения. Кроме того, эффективность данного телескопического соединения снижается при эксплуатационной потере жесткости пружины 10, износе, деформации и разрушении кольцевого элемента 11.
Известно также устройство Lock arrangement for telescoping poles (пер. с англ. - Фиксатор положения для телескопических труб) (патент US 2004/0101351 A1, опубликован 27.05.2004, МПК F16B7/10), которое состоит из внутренней цилиндрической трубы 17, внешней цилиндрической трубы 18, эксцентрика 19, установленного в корпусе 20 и имеющего ось вращения, и перпендикулярную к оси труб, образованную парой цилиндрических выступов 21 (фиг. 3). В закрытом положении эксцентрик 19 фиксирует внутреннюю цилиндрическую трубу 17 за счет ее прижатия к корпусу 20, жестко соединенного с внешней трубой 18. В открытом положении прижимающая грань 22 эксцентрика 19 повернута на 90° и внутренняя труба 17 беспрепятственно перемещается относительно корпуса 20 и внешней трубы 18.
Недостатком данного устройства является то, что в процессе открытия/закрытия рассматриваемого фиксатора поворот труб друг относительно друга ничем не ограничен, так как используются трубы круглого сечения без каких-либо ограничителей, что может привести к перекручиванию функциональных элементов, расположенных внутри штанги, а также к нежелательному нарушению расположения конструктивных элементов на концах телескопической трубы-штанги. К недостаткам рассматриваемого аналога относится и то, что при использовании такого соединения в телескопических штангах, имеющих три и более сегментов, доступ к рычагу эксцентрика каждого последующего зажима 23 затруднен, поскольку он вплотную прилегает к торцу предыдущего зажима 24 (фиг. 4). Кроме того в данном устройстве отсутствует механизм ограничивающий свободный выход внутренней трубы из внешней в процессе развертывания штанги.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство Clamp (пер. с англ. - Зажим) (патент US 8702339 В2, опубликован 22.04.2014, МПК F16M 11/14), с помощью которого осуществляется фиксация телескопических труб различного профиля с использованием эксцентрикового механизма с профильными прижимными элементами. Рассмотренное устройство принято за прототип.
Рассмотрим вариант устройства в виде телескопического соединения квадратных труб (фиг. 5). Устройство включает в себя внутреннюю трубу 25 и внешнюю трубу 26, корпус 27, эксцентрик 28, прижимной элемент 29. Корпус 27 жестко соединен с внешней трубой 26. Эксцентрик 28 имеет ось вращения 30, смещенную относительно его внешней цилиндрической поверхности и закрепленную в корпусе 27. Прижимной элемент 29 с одной стороны имеет цилиндрическую поверхность 31 для сопряжения с цилиндрической поверхностью эксцентрика 28, на противоположной его стороне расположены две плоские взаимоперпендикулярные поверхности 32 для сопряжения со смежными внешними гранями внутренней квадратной трубы 25.
max
min
max
min
В закрытом состоянии зажима (положение 1), расстояние D между смещенной осью вращения 30 и максимально удаленной точкой цилиндрической поверхности 31 принимает максимальное значение D, за счет чего прижимной элемент 29 плотно придавливает контактными поверхностями 32 внутреннюю трубу 25 к корпусу зажима 27, что способствует взаимной фиксации телескопических труб. В процессе поворота эксцентрика 28 (положение 2) расстояние D уменьшается таким образом, что D<D<D. В открытом состоянии (положение 3) расстояние D принимает минимальное значение D, а вблизи сопрягаемых поверхностей 32 образуется зазор и внутренняя труба 25 беспрепятственно перемещается относительно корпуса 27.
Недостатком устройства-прототипа является то, что надежная фиксация труб относительно друг друга сильно зависит от геометрии сопрягаемых поверхностей прижимного элемента и труб - они должны быть строго параллельны. Нарушение геометрии рабочих прижимных поверхностей приводит к неравномерному распределению прижимного давления эксцентрика и концентрируется вблизи ребра 33 внутренней трубы 25 или вблизи углов 34 прижимного элемента 29, что приводит к ненадежной фиксации сегментов штанги друг относительно друга. Необходимо отметить, что в реальных условиях производства обеспечить высокую точность изготовления контактных поверхностей затруднительно. Наряду с этим в процессе эксплуатации неизбежен износ и деформация контактных поверхностей прижимного элемента 29; притом, что в процессе открытия/закрытия зажима (положение 2) возникает конструктивно обусловленный перекос прижимного элемента 29, что дополнительно приводит к искажению геометрии сопрягаемых поверхностей 31 и 32. Таким образом, рассматриваемый прототип быстро теряет свою эффективность и с его помощью осуществить надежную фиксацию положения труб становится невозможным.
Кроме того, в рассматриваемом устройстве-прототипе не предусмотрен ограничительный механизм, предотвращающий свободный выход внутренней трубы 25 из зажима при достижении максимально выдвинутого положения. В реальных условиях эксплуатации сложно правильно оценить и проконтролировать достижение крайнего выдвинутого положения, что может привести к нежелательной самопроизвольной разборке устройства и выходу его из строя. Кроме того, представленное конструктивное расположение прижимного элемента значительно увеличивает габариты и ухудшает эксплуатационно-эргономические характеристики соединения, что особенно важно для компактных устройств с телескопическими штангами. Также следует отметить наличие большого числа составных технологических деталей устройства (внутренняя втулка эксцентрика, шпонка, упругий элемент и т.д.), что существенно усложняет производство и снижает ремонтопригодность такого изделия.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания новой компактной конструкции телескопической штанги из труб специального профиля с механизмами быстрой фиксации и предотвращения свободного выхода сегментов штанги при достижении максимально раздвинутого положения, обеспечивающей высокие эргономические и эксплуатационные характеристики телескопического устройства.
Решение поставленной технической задачи осуществлено с помощью использования профильной штанги и оригинальной конструкции эксцентрикового прижимного механизма. В отличие от прототипа, контур сечения труб пятиугольник с тремя прямыми углами и двумя тупыми, образованными наклонной стороной (стенкой) с прилегающими вертикальной и горизонтальной сторонами (стенками). Эксцентриковый механизм фиксации с прижимным элементом расположен в пространстве над наклонной стенкой трубы. Внутренняя поверхность наклонной стенки труб, за исключением последней, снабжена продольным сквозным пазом, а наружная поверхность наклонной стенки тех же труб, кроме первой, снабжена ограничительным выступом, входящим в паз таким образом, что при продольном перемещении труб их ход ограничен. Особый профиль труб и прижимный элемент с параллельными сопрягаемыми поверхностями, обеспечивают равномерное распределение давления по контактным поверхностям и, как следствие, обеспечивают высокую эффективность зажима, даже при некотором износе прижимного элемента. Расположение эксцентрика в пространстве над наклонной стенкой обеспечивает компактные габариты корпуса зажима, не выступающих за профиль труб частей. В отличие от прототипа прижимной элемент - плоскопараллельная плита-пластина, которая не содержит криволинейных поверхностей. А сопрягаемая поверхность эксцентрика имеет такую форму, что перемещение прижимного элемента (сила сжатия) достигает максимального значения в промежуточном положении рычага поворота эксцентрика, а не в конечном.
Заявленное устройство - телескопическая штанга состоит из систем входящих друг в друга профильных труб 35, контур сечения которых представляет собой пятиугольник с тремя прямыми углами (фиг. 6). Для такого профиля характерно наличие наклонной стенки 36, расположенной под тупыми углами α и β к двум соседним стенкам. В поперечном сечении размеры труб определяются параметрами H, L и F, таким образом, что в составе телескопической штанги каждая следующая труба свободно входит в предыдущую. При этом с внутренней стороны наклонной стенки труб выполнен сквозной паз 37, а на внешней стороне расположен ограничительный выступ 38, размеры и форма которого соответствуют пазу.
Между собой любая пара соседних труб 39 и 40 соединяются с помощью зажимного эксцентрикового механизма, который состоит из эксцентрика 41, прижимной плиты-пластины 42, оси вращения 43, закрепленной в корпусе 44 (фиг. 7). При этом корпус 44 жестко соединен с внешней трубой 40 таким образом, что внутренние сопрягаемые поверхности корпуса 44 выполнены вровень с внутренними поверхностями трубы 40.
1
2
2
1
1
сж
1
2
2
сж
3
1
Рабочая поверхность эксцентрика 41 состоит из плоской поверхности прижима 45, свободной поверхности 46 и поверхности скругления 47. Поверхность прижима 45 удалена от оси вращения 43 на расстояние D, а свободная поверхность 46 на расстояние D, причем D<D. При этом размер эксцентрика D превышает расстояние от оси вращения 43 до внешней поверхности прижимной плиты 42, за счет чего формируется сила F (и ее составляющие F и F), прижимающая внутреннюю трубу 39 к корпусу 44, которая обусловлена упругой деформацией и жесткостью системы в поперечном сечении зажимного механизма. При повороте эксцентрика 41 в направлении 48 поверхность прижима 45 выходит из контакта с прижимной плитой 42, а между свободной поверхностью 46 и внешней поверхностью прижимной плиты 42 формируется зазор, так как размер эксцентрика D меньше расстояния от оси вращения 43 до поверхности прижимной плиты 42. В этом случае, сила прижима отсутствует (F=0), и труба 39 может свободно перемещаться относительно корпуса 44. Радиус скругления 47 подбирается таким образом, что расстояние D от оси вращения 43 до максимально удаленной точки поверхности скругления 47 больше чем D.
сж
откp
1
3
Такая форма и размеры рабочих поверхностей (45, 46, 47) эксцентрика 41 в закрытом состоянии обеспечивают силу сжатия F. А при открытии зажима необходимо преодолеть силу F, величина которой определяется разницей размеров D и D, что обеспечивают устойчивость зажимного механизма к самопроизвольному открытию. Таким образом, в процессе поворота эксцентрика от закрытого положения в открытое, изменение силы действия зажима (кривая 49) происходит в соответствии с графиком функции F(ϕ), где ϕ - угол поворота эксцентрика (фиг. 8).
При открытом зажиме в процессе развертывания телескопической штанги внутренняя труба 50 перемещается относительно внешней трубы 51, так что ограничительный выступ 52, расположенный на внутренней трубе 50, движется в пазу 53 внешней трубы 51 (положение 1 на фиг. 9). При достижении максимально раздвинутого положения штанги (положение 2 на фиг. 9) выступ 52 упирается в прижимную плиту 54, установленную внутри корпуса 55.
Все сегменты телескопической штанги однотипны и имеют идентичные механизмы эксцентрикового зажима, радиальных смещений и предотвращения свободного выхода труб в крайних раздвинутых положениях, с учетом их различий по размерам. При этом на трубе последнего наименьшего сегмента отсутствует сквозной паз, а на трубе первого наибольшего сегмента отсутствует ограничительный выступ.
Примером осуществления заявляемой полезной модели является телескопическая штанга портативного металлоискателя, которая состоит из сегментов 56, 57, 58 (Вид Д, фиг. 10). Сегмент 56 включает в себя кронштейн 59 для крепления штанги к корпусу прибора, торцевую крышку 60, трубу 61 и эксцентриковый зажим 62. Сегмент 57 содержит трубу 63 и эксцентриковый зажим 64. Сегмент 58 состоит из трубы 65 и держателя поискового элемента 66. В начальный момент времени устройство находится в собранном состоянии (вид А). Процесс перевода устройства в рабочее положение (вид Д) осуществляется следующим образом. Эксцентриковый зажим 64 открывается, после чего сегмент 58 передвигается в промежуточное или крайнее положение, в котором фиксируется закрытием зажима 64 (вид Б). Далее открывается эксцентриковый зажим 62 (вид В), после чего сегмент 57 передвигается в промежуточное или крайнее положение, в котором фиксируется закрытием зажима 62 (вид Г). При этом в процессе развертывания телескопической штанги в рабочее положение свободный выход сегмента 58 из сегмента 57 и сегмента 57 из сегмента, 56 исключен за счет того, что ход выступа внутренней телескопической трубы в пазу внешней конструктивно ограничен прижимной плитой. Процесс перевода устройства из рабочего положения в собранное осуществляется в обратном порядке.
Возможные варианты изготовления телескопической штанги:
1. Профильная труба штанги и корпус прижимного механизма изготавливаются монолитно из одного материала (сталь, пластмасса, композиционные материалы и др.);
2. Профильная труба штанги и корпус прижимного механизма изготавливаются раздельно с последующим соединением (например, с использованием клея, сварки, пайки и т.д.). При этом профильные трубы и корпус прижимного механизма могут быть изготовлены из композиционных материалов (в том числе полимерных, как углепластики, стеклопластики и т.д.), а непосредственно эксцентрик и прижимная плита-пластина из пластмасс и металлов.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности взаимной фиксации сегментов телескопической штанги, ее общей жесткости и устойчивости к нежелательному открытию зажимов при случайных внешних воздействиях, в том числе вибрациях. При этом конструкция устройства позволяет обеспечить удобное и быстрое развертывание штанги в рабочее состояние с исключением случайного выхода сегментов друг из друга в максимальных выдвинутых положениях. Заявленное устройство не имеет значительно выступающих частей и обладает компактными габаритами.
Технический результат достигается за счет использования труб в виде пятиугольного профиля с тремя прямыми углами и наклонной стенкой, над которой расположен зажимной эксцентриковый механизм со специальной формой контактной поверхности, а также за счет конструктивного ограничения хода выступа внутренней телескопической трубы в пазу внешней.