Устройство для соединения под углом двух цилиндрических тел вращения

Предлагаемое устройство относится к соединительным изделиям, применяемым при производстве медицинского, спортивного оборудования, оборудования используемого для занятий адаптивной физической культурой, изделий иного назначения. Наиболее значимой областью применения предлагаемого устройства является область медицины, где, например как для лечения, так и для реабилитации пациентов страдающих различными патологиями, приводящими к частичному обездвижению, нарушению равновесия, а также пациентов с мышечными контрактурами необходимо использовать такие устройства, которые бы предотвращали возможность их травматизации. В связи с этим при производстве и в дальнейшей эксплуатации подобного оборудования, возникает необходимость надежного соединения его элементов, выполненных в виде цилиндрических тел вращения, под углом, включая прямой угол, исключая возможность взаимного проворота этих деталей, поскольку именно это приводит к неустойчивости всей конструкции в целом и, соответственно, к дальнейшей травматизции.
Известен патент СССР №3733 (353512) от 1948 г, патент RU 60957 U1 2006 г, патент на полезную модель RU 19368 U1 2001. Все описанные в них изделия предназначены для соединения под прямым углом двух цилиндрических деталей, как правило, выполненных виде труб, и, как правило, используемых в строительстве. Общим недостатком является возможность соединения деталей только под прямым углом, а не под любым, и невозможность исключения проворота цилиндрической детали вокруг своей оси внутри тела устройства для их соединения.
Так, например, в патенте на полезную модель RU 19368 U1 зажим цилиндрической стойки в теле соединительного элемента, названного автором - муфта, достигается за счет усилия возникающего между торцевой поверхностью винта и боковой поверхностью цилиндра. Таким образом, появляется лишь точечный контакт. Известно, что пятном контакта в таком соединении является линия, размер которой определяется диаметром самого винта. Ясно, что в данной конструкции достаточно небольшого усилия, чтобы провернуть одну деталь вокруг другой.
Наиболее близко к предлагаемой полезной модели находится широко известный хомут для узлового соединения стержней патент СССР №3733 (353512) от 1948 г., т.е. крепления между собой двух перпендикулярно расположенных труб, используемый при монтаже строительных лесов. Но данные изделия также не гарантируют исключение проворота трубы в соединении с хомутом, т.к. такие требования к ним не предъявляются в силу отсутствия крутящих моментов в создаваемых с их применением конструкциях и элементах. В подобных изделиях фиксация происходит благодаря возникновению контакта между частью цилиндрической поверхности фиксируемых труб и соответствующей поверхностью хомута, т.е. создания трения между двумя поверхностями за счет усилия зажима.
Говоря о трении как о сопротивлении перемещению, возникающему между двумя телами в зонах соприкасания поверхностей по касательной к ним, 1-й закон Кулона не работает. Более точным считают закон трения, который принимает во внимание силы притяжения между молекулами тел, которые подвергаются трению:
0
0
где S - общая площадь контакта тел, р - добавочное давление, которое вызывается силами молекулярного притяжения, μ - истинный коэффициент трения.
Значительным этапом развития в учении о трении было признание возможности наличия упругих деформаций контактирующих неровностей, выдвинутое впервые И.В. Крагельским еще в 1939-1941 годах. С учетом современного развития учения о трении и двух основополагающих работ по внешнему трению И.В. Крагельского и А.В. Чичинадзе, была разработана молекулярно-механическая теория трения, которая получила наибольшее признание.
При создании тренажеров, ходунков, вертикализаторов и других изделий, приспособлений используемых как в медицине, работе с людьми с ограниченными возможностями, так и при занятиях адаптивной физической культурой, могут возникнуть ситуации, когда исключение проворота вокруг своей оси цилиндрических тел вращения в корпусе устройства для соединения труб или хомута является крайне важным. И их, провороты, крайне необходимо исключить как таковые, поскольку, как уже говорилось, провороты являются причиной неустойчивости конструкции в целом и, как следствие, получения травматизации.
В соединении предлагаемого мною устройства, площадь контакта на несколько порядков больше, чем в патенте на полезную модель RU 19368 U1. И, тем не менее, даже это не является достаточным условием для исключения проворота, если не использовать в конструкции устройства дополнительные элементы, которые будут работать на срез или смятие.
Технический результат достигается за счет создания такой конструкции устройства, при которой проворот одной детали внутри другой не возможен. От этого явления страхуют не только силы трения в соединениях, которые возникают в результате создания усилия зажима, но и условия работы на срез или смятие фиксирующего элемента. Примером соединения работающего на срез является шпоночное/штифтовое соединение. Методы расчета таких конструкций широко известны.
Предлагаемое устройство для соединения двух цилиндрических тел вращения выполнено из цельного материала и используется для закрепления под углом в плане цилиндрических тел вращения, проходящих через корпус устройства. Данные тела могут отличаться между собой по диаметру. При этом угол, под которым соединяются цилиндрические тела вращения, определяется углом осей отверстий в самом устройстве под соединяемые цилиндрические тела вращения, которые выполняются в устройстве при его производстве, т.е. задаются техническими требованиями. Сам же способ зажима и фиксации не зависит от выбранного угла, под которым пересекаются оси соединяемых цилиндрических тел вращения, если смотреть на них в плане. В теле предлагаемого устройства имеются пропилы, направленные от его торцевых поверхностей в сторону отверстий под цилиндрические тела вращения, соединяющие их и выполненные таким образом, что в плоскости пропила находится продольная ось отверстия под закрепляемые цилиндрические тела вращения. Около торцов с каждой стороны устройства имеются отверстия для зажимного крепежа и сам зажимной крепеж. Благодаря чему тело устройства деформируется таким образом, что поверхности отверстий устройства, выполненные для соединения цилиндрических тел вращения, имеют возможность обжимать наружние поверхности цилиндрических тел вращения проходящих через само устройство. В результате этого, возникающая площадь контакта тел имеет существенный размер, что впрямую влияет на размер силы трения, о чем было сказано выше. Кроме того, имеются еще два отверстия, которые расположены на разных концах устройства, проходящие через корпус устройства и зону отверстий под цилиндрические тела вращения. Через эти два отверстия устанавливаются фиксирующие элементы, проходящие как через корпус устройства, так и отверстия в закрепляемых цилиндрических телах вращения.
Отверстия, выполненные для фиксирующих элементов, могут быть как сквозными, так и не сквозными. Кроме того отверстия для фиксирующих элементов могут быть резьбовыми.
Фиксирующие элементы, проходящие как через корпус устройства, так и через сами закрепляемые цилиндрические тела вращения, работают на срез или смятие, гарантируя, таким образом, исключение проворота в соединении. Проворот сможет произойти только после разрушения самих элементов, для чего необходимо приложить такие усилия, которые человек не в состоянии воспроизвести даже с учетом возникающих в конструкции медицинского или иного оборудования рычагов.
Важнейшими показателями технических характеристик предлагаемого устройства для соединения цилиндрических тел вращения являются простота конструкции, надежность закрепления, долговечность и устойчивость. Рекомендуемые диаметры соединяемых цилиндрических тел вращения находятся в пределах от 10 до 50 мм. Допускается использование  диаметров, но в таких случаях рекомендуется провести прочностной расчет конструкции в целом.
На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг 4 представлено устройство для соединения под углом двух цилиндрических тел вращения, которое состоит:
1 - Корпус устройства
2 - Отверстия зажимного крепежа
3 - Зажимной крепеж
4 - Фиксирующие элементы
5 - Отверстия под фиксирующие элементы
6 - Положение 1-го соединяемого цилиндрического тела вращения
7 - Положение 2-го соединяемого цилиндрического тела вращения
Устройство работает следующим образом:
См. Фиг. 1, Фиг 3, Фиг 4. Вводим в корпус устройства поз. 1 соединяемые цилиндрические тела вращения, в которых предварительно выполнены отверстия под фиксирующие элементы поз 4. Совмещаем отверстия под фиксирующие элементы поз. 5 и отверстия в соединяемых цилиндрических телах вращения. Вводим в них фиксирующие элементы поз 4. В корпусе устройства с 2-х сторон выполнены пропилы, которые проходят от торцевых поверхностей корпуса в сторону отверстий для соединяемых цилиндрических тел вращения таким образом, что в плоскости пропила находится продольная ось одного цилиндрического тела вращения. Данная плоскость расположена под углом к продольной оси второго из соединяемых цилиндрических тел вращения. Сам пропил может, как доходить до отверстия под первое соединяемое цилиндрическое тело вращения, так и выходить за его пределы. См. Фиг. 3. Не рекомендуется доводить пропил до отверстия, сделанного под второе соединяемое цилиндрическое тело вращения. Для примера был выбран диаметр 25 мм.
В каждой из частей корпуса устройства имеются отверстия поз. 2, состоящие из двух частей и выполненных для зажимного крепежа поз. 3. Они расположены на одной оси. В качестве зажимного крепежа могут использоваться резьбовые соединения, эксцентриковые и другие. Этот выбор обусловливается удобством работы соединения в изделии. Например, используя резьбовые зажимы поз. 3, мы деформируем корпус устройства. За счет этой деформации создаем силу трения и, как следствие, производим фиксацию цилиндрического тела вращения внутри одной части корпуса устройства. Повторяем данные действия и со второй стороны устройства. В полученном соединении дополнительные фиксирующие элементы поз. 4 исключают возможность проворота в соединении заявляемого устройства, а резьбовые зажимы фиксируют изделия относительно друг друга, а также выбирают зазоры, которые могут возникнуть в соединениях.
На Фиг. 4, где корпус устройства выполнен в виде цилиндра, показано, что оси «а» и «в» соединяемых устройством цилиндрических тел могут находиться под любым углом «L» в плане, см. Вид А., а сами изделия имеют разные диаметры.
Технический результат достигнут.
Отверстия поз. 5 под фиксирующие элементы поз. 4 могут быть не сквозными.
Отверстия поз. 5 под фиксирующие элементы поз. 4 могут быть резьбовыми.
Допускается нанесение резьбы в отверстиях под фиксирующие элементы, выполненных в соединяемом цилиндрическом теле вращения.
Принимая во внимание уровень техники, разработчиком данного технического решения учтено, что концепция, заложенная в конструкцию заявленного устройства, состоит не только в исключении проворотов цилиндрических тел вращения при их использовании в устройствах в области спортивной и/или адаптивной медицины, но и в самом соединении цилиндрических тел вращения для их использования в объектах иной области применения.
Таким образом, предлагаемая полезная модель относится к такому техническому решению, которое позволяет соединить цилиндрические тела вращения под любым углом в плане и полностью исключить провороты цилиндрических тел вращения во избежание травматизации человека с ограниченными двигательными функциями и/или с различными нарушениями как вестибулярного аппарата, так и костно-мышечного скелета при использовании им различных конструкций, в которых воплощено данное решение.