ШАРНИРНОЕ СОЕДИНЕНИЕ С ФИКСАЦИЕЙ ПОЛОЖЕНИЯ
POSITION LOCKING HINGE

Изобретение относится к области машиностроения в части создания шарнирных соединений с устройствами для угловой фиксации его относительно друг друга, применяемых в узлах и деталях машин, а также в других технических устройствах различного назначения.
Известна конструкция шарнира для регулирования угла наклона спинки сидения, преимущественно, транспортного средства, состоящего из взаимодействующих через ось вращения кронштейнов, один из которых, неподвижный, закреплен на подушке сиденья, другой, подвижный - на спинке сиденья, и механизма фиксации. Неподвижный кронштейн имеет сквозной радиусный паз с конусными лунками для взаимосвязи с механизмом фиксации, выполненным в виде резьбового пальца с плавающим конусным фиксатором и маховичком, установленным на резьбовом пальце. Данный шарнир обеспечивает фиксацию наклона спинки сиденья в трех основных положениях (посадочное положение, наклон вперед, наклон назад для отдыха) и промежуточных, учитывающих индивидуальные особенности водителя и пассажира (Патент RU 1670, МПК B60N 2/02, 16.02.1996).
Недостатком данной конструкции является невозможность плавного регулирования углового положения между кронштейнами, что ограничивает область ее применения.
Известна монтажная система, состоящая из монтажного кронштейна с направляющими криволинейными пазами большого радиуса, кронштейна адаптера с направляющими криволинейными пазами большого радиуса, криволинейные пазы большого радиуса монтажного кронштейна и кронштейна адаптера совмещены так, что в них размещены штифты с возможностью поворота кронштейна адаптера относительно монтажного кронштейна, при этом регулировочные винты фиксации положения кронштейна адаптера входят в отверстия в монтажном кронштейне и во фрикционные прорези в кронштейне адаптера (Патент US20070090250, МПК F16M 11/10, 26.04.2007).
Недостатками рассмотренного устройства с отсутствием физической оси вращения в его шарнирном соединении являются сложность конструкции, а также сравнительно низкая величина момента фиксации поворотных частей монтажной системы относительно друг друга, так как она зависит от усилия затяжки регулировочных винтов фиксации и коэффициентов трения сопрягаемых элементов в узле фиксации. Кроме того, монтажная система не удобна в использовании, поскольку для изменения положения кронштейна адаптера необходимо сначала ослабить регулировочные винты фиксации, причем с двух сторон, затем повернуть кронштейн адаптера, после чего вновь затянуть регулировочные винты фиксации с двух сторон.
Известна конструкция опорной подставки, содержащая основание с боковыми сторонами, в каждой из которых выполнено поворотное отверстие и окружной паз относительно поворотного отверстия, трубу с поворотным отверстием и с фиксирующими отверстиями с резьбой, которая размещена между боковыми сторонами основания, а также поворотный компонент, размещенный в поворотных отверстиях основания и трубы, и фиксирующие компоненты в виде винтов, помещенные в окружных пазах основания и в фиксирующих отверстиях трубы с возможностью фрикционной фиксации ее углового положения относительно основания при завинчивании винтов (Патент US20120211632, МПК H01Q 1/1207, 23.08.2012).
В данной конструкции шарнирное соединение трубы с основанием также неудобно в использовании при частом изменении углового положения трубы относительно основания, а его несущая способность, определяемая предельным моментом, который может быть приложен к трубе без изменения ее углового положения относительно основания, сравнительно низка, поскольку зависит от ограниченных по величине сил трения в узлах фиксации.
Известно устройство механического кронштейна, содержащее шарнирное соединение, состоящее из стержня со свободным концом, установленного на оси между параллельных пластин основания с окружными пазами относительно оси, при этом стержень имеет сквозное отверстие круглой формы, а фиксирующее средство в виде болта с гайкой размещено в окружных пазах и в отверстии стержня с возможностью поворота стержня относительно основания при ослаблении болтового соединения и с возможностью блокирования углового положения стержня относительно основания при затягивании болтового соединения (Патент US5029799, H01Q 1/1228, 09.07.1991).
Недостатком рассмотренной конструкции является необходимость раскручивания и закручивания болтового соединения для изменения углового положения стержня относительно основания и фиксации его положения, что снижает удобство пользования устройством, особенно если требуется использование специального инструмента для создания значительных моментов на болтовом соединении. Несущая способность данного шарнирного соединения по отношению к внешним силовым воздействиям здесь определяется зажимным усилием болтового соединения и может быть недостаточной, особенно при ручном завинчивании, например, гайки и болта с барашками. Кроме того, рассмотренная конструкция обеспечивает фиксацию поворотных звеньев относительно друг друга в обоих направлениях вращения, тогда как в ряде устройств может требоваться фиксация взаимного положения звеньев лишь при приложении внешних усилий в одном из окружных направлений и свободное вращение звеньев при приложении внешних усилий в обратном направлении.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрана конструкция шарнирного соединения с фиксацией положения, описанная в патенте US5029799, как наиболее близкая к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату.
Задачей изобретения является повышение надежности фиксации поворотных звеньев шарнирного соединения относительно друг друга и повышение удобства пользования шарнирным соединением при изменении взаимного углового положения поворотных звеньев, а также обеспечение, при необходимости, возможности фиксации взаимного положения поворотных звеньев лишь в одном окружном направлении.
Поставленная задача достигается тем, что шарнирное соединение с фиксацией положения, также как в прототипе, содержит первое и второе звенья, механически связанных между собой с возможностью поворота относительно друг друга, фиксирующее средство, размещенное в отверстии первого звена и в пазу второго звена с возможностью блокирования взаимного поворота первого и второго звеньев в выбранном угловом положении относительно друг друга по меньшей мере в одном из окружных направлений.
Согласно изобретению форма отверстия первого звена и форма паза второго звена выполнены с возможностью защемления фиксирующего средства между боковыми сторонами отверстия и паза при приложении внешних усилий к первому и второму звеньям по крайней мере в одном из окружных направлений.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в замене принципа фиксации поворотных звеньев шарнирного соединения относительно друг друга путем создания фрикционных усилий на их торцевых поверхностях с использованием болтового соединения на принцип торможения взаимного поворота звеньев шарнирного соединения путем защемления фиксирующего средства между поворотными звеньями при закрытии или раскрытии шарнирного соединения.
Эффект защемления предмета между звеньями шарнирного соединения широко известен и достаточно подробно описан применительно к ножницам (например, статья «Анализ работы ножниц по металлу», Гарелина С.А., Латышенко К.П., Холостов М.А.). Результаты исследований данного явления показывают, что предельный угол раскрытия лезвий, при котором предмет не выскальзывает из ножниц во многом определяется коэффициентом трения предмета о лезвия.
Следовательно, в случаях когда угол раскрытия лезвий меньше или равен величине предельного значения, обеспечивается статическое состояние защемления предмета между лезвиями за счет сил трения при любых усилиях, действующих в направлении уменьшения угла раскрытия (в пределах прочности предмета и ножниц).
В силу большого числа количественно неопределенных и меняющихся факторов при резании (форма лезвий и разрезаемого предмета, физические свойства материалов контактирующих элементов, микрогеометрия контактирующих поверхностей, наличие промежуточных пленок и микрочастиц различного рода и др.) величину предельного значения угла раскрытия лезвий на практике определяют экспериментальным путем. Для ножниц по металлу предельное значение угла раскрытия лезвий составляет около 28 градусов при резании металла.
Таким образом, если между поворотными звеньями шарнирного соединения разместить фиксирующее средство и обеспечить угол раскрытия не более предельного значения, то будет обеспечено защемление фиксирующего средства между поворотными элементами при силовом воздействии на него со стороны поворотных звеньев.
Если данный принцип применить к шарнирному соединению 1 с фиксацией положения, аналогичному конструкции-Прототипу, то отверстие 6 первого звена 2 может быть выполнено, например, трапециевидной формы с образованием линейной боковой стороны 8, контактирующей со средством фиксации 5, например, в виде цилиндра (фиг. 1, 2, 3). При этом угол ϕ между касательными к боковым сторонам 8, 9 первого звена 2 и второго звена 3 в точках касания со средством фиксации 5 (угол выталкивания) может быть обеспечен меньшей величины в сравнении с предельным углом раскрытия (выталкивания) боковых сторон 8, 9, что приводит к защемлению средства фиксации 5 между боковыми сторонами 8, 9 в процессе поворота первого звена 2 по часовой стрелке относительно второго звена 3 (фиг. 3).
Соответственно, становится невозможным изменение углового положения первого звена 2 относительно второго звена 3 при приложении к ним внешних усилий, смещающих первое звено 2 по часовой стрелке относительно второго звена 3. Причем при действии внешних усилий в обратных направлениях защемления средства фиксации 5 в устройстве на фиг. 1, 2, 3 не будет происходить, поскольку угол ϕ между боковой стороной 9 паза 7 второго звена 3 и правым основанием трапециевидного отверстия 6 будет превышать предельное значение угла выталкивания, и первое звено 2 сможет свободно перемещаться против часовой стрелки относительно второго звена 3. Для предотвращения поворота первого звена 2 против часовой стрелки относительно второго звена 3 соприкасающееся со средством фиксации 5 основание отверстия 6 также должна быть выполнено с наклоном по отношению к боковой стороне 9 меньшим по величине в сравнении с предельным углом выталкивания.
Следовательно, целенаправленно формируя формы отверстия первого звена и паза второго звена шарнирного соединения можно достигать фиксации их взаимного поворота по меньшей мере в одном из окружных направлений благодаря возникновению эффекта защемления средства фиксации между соответствующими боковыми сторонами отверстия и паза. Причем фиксация взаимного положения поворотных звеньев при этом будет обеспечиваться при любых внешних усилиях (в пределах прочностных ресурсов составных элементов соединения), так как с их увеличением автоматически возрастают силы трения между контактирующими элементами узла фиксации. В подобной конструкции существенно упрощается процесс фиксации шарнирного соединения в новом положении, поскольку в этом случае не требуется отвинчивать болтовое соединение перед поворотом звеньев и завинчивать его после их поворота, а достаточно переместить средство фиксации вдоль паза второго поворотного звена в требуемое положение (в ряде случаев одновременно повернуть первое поворотное звено).
На фиг. 1 показано шарнирное соединение с фиксацией положения в одном окружном направлении с окружным пазом в поворотном звене в процессе сборки.
На фиг. 2 изображено шарнирное соединение на фиг. 1 в собранном виде.
На фиг. 3 проиллюстрировано взаимодействие средства фиксации с боковыми сторонами отверстия и паза в поворотных звеньях конструкции на фиг. 1, 2 с образованием угла выталкивания меньшего предельной величины.
На фиг. 4 представлено звено шарнирного соединения с пазом в виде участка логарифмической спирали.
На фиг. 5 продемонстрированы углы выталкивания средства фиксации для шарнирного соединения со звеньями на фиг. 4.
На фиг. 6 приведено шарнирное соединение с пазами в форме логарифмической спирали на фиг. 5 с установленным средством фиксации.
На фиг. 7 показано шарнирное соединение на фиг. 6 с движком в положении сведенных звеньев.
На фиг. 8 изображено шарнирное соединение на фиг. 6 с движком в положении разведенных звеньев.
На фиг. 9 проиллюстрировано шарнирное соединение на базе конструкции на фиг. 6 со специальными вставками для фиксации звеньев лишь в одном направлении их взаимного смещения.
На фиг. 10 представлено звено шарнирного соединения с разной кривизной боковых сторон паза.
На фиг. 11 продемонстрированы углы выталкивания средства фиксации для шарнирного соединения со звеньями на фиг. 10.
На фиг. 12 приведено шарнирное соединение с разнесенными пазами вдоль оси вращения у одного из звеньев.
На фиг. 13 показана возможная конструкция системы управления средством фиксации с двумя движками.
На фиг. 14 изображено звено шарнирного соединения с глухим пазом и средство фиксации с движками, выполненными в виде единой детали.
На фиг. 15 проиллюстрировано шарнирное соединение со звеньями на фиг. 14.
Сущность предлагаемой конструкции шарнирного соединения с фиксацией положения и достигаемые с ее помощью результаты можно пояснить на ряде примеров ее возможного осуществления.
Предлагаемое шарнирное соединение 1, как и Прототип, может содержать первое и второе звенья 2, 3, соединенные осью 4, например, в виде заклепки с потайной головкой (фиг. 1, 2). Здесь второе звено 3 как и в Прототипе имеет сквозной паз 7 с постоянным радиусом его средней линии в продольном направлении относительно оси вращения 4 (паз 7 выполнен по окружности). Первое звено 2 в отличие от Прототипа имеет отверстие 6 не круглой, а трапециевидной формы. Одна его боковая сторона 8 выполнена линейной и наклонной относительно оснований, а вторая боковая сторона представляет в данном варианте часть окружности с меньшим радиусом в сравнении с боковой стороной 9 паза 7 (фиг. 3). В отверстии 6 и пазу 7 размещено средство фиксации 5 в виде цилиндра, на одном конце которого имеется опорная головка большего диаметра, а на другом его конце выполнена резьба. На резьбовом конце средства фиксации 5 навинчен движок 10, служащий для управления положением средства фиксации 5 вдоль паза 7. Здесь угол выталкивания ϕ между касательными к боковым сторонам 8, 9 первого звена 2 и второго звена 3 в точках их касания со средством фиксации 5 обеспечивает его защемление между боковыми сторонами 8, 9.
Работает шарнирное соединение на фиг. 1, 2, 3 следующим образом. При повороте первого звена 2 в направлении средства фиксации 5 (по часовой стрелке) происходит соприкосновение последнего с боковой наклонной стороной 8 отверстия 6 и защемление средства фиксации 5 между боковыми сторонами 8, 9, после чего дальнейшее смещение первого звена 2 в указанном направлении становится невозможным. Для изменения углового положения звена 2 по часовой стрелке следует переместить средство фиксации 5 воль паза 7 путем приложения усилия к движку 10 в указанном направлении. В результате поворот первого звена 2 по часовой стрелке будет ограничен новым положением средства фиксации 5 в пазу 7. Поворот первого звена 2 против часовой стрелки осуществляется в рассматриваемой конструкции свободно путем приложения усилия непосредственно к первому звену 2, поскольку защемления средства фиксации 5 при этом не происходит. Поворот нагруженного внешним усилием первого звена 2 в указанном направлении движком 10 не всегда представляется возможным в данной конструкции, поскольку будет происходить заклинивание средства фиксации 5 в клиновидном пространстве между боковыми сторонами 8, 9. В случае выполнения конструкции шарнирного соединения 1 по типу на фиг. 1, 2, 3 с фиксацией положения в обоих направлениях (с образованием в отверстии 6 стреловидной формы второй наклонной боковой стороны 8 для торможения вращения первого звена 2 против часовой стрелки) для изменения углового положения звеньев 2, 3 синхронно с движком 10 потребуется смещать и первое звено 2 для исключения защемления средства фиксации 5.
В целях достижения возможности управления взаимным положением звеньев 2, 3 шарнирного соединения 1 в любом направлении с использованием лишь движка 10 могут быть реализованы конструкции с переменным радиусом паза 7 относительно оси 4 и отверстием 6 также в виде паза с переменным радиусом (под пазом понимается отверстие продолговатой формы). Например, пазы 6, 7 могут быть выполнены со средней линией в виде логарифмической спирали, у которой касательная в любой точке пересекается с радиус-вектором из оси вращения под постоянным углом, как это показано на примере первого звена 2 на фиг. 4. Здесь отверстие 6 в виде паза выполнено по логарифмической спирали относительно осевого отверстия 11. Концевые части звена 2 могут иметь различную форму и быть соединенными с элементами устройства, в котором применяется шарнирное соединение 1. Шарнирное соединение 1 с использованием звеньев по типу звена на фиг. 4 образует из отверстия 6 и паза 7 полость для размещения средства фиксации 5, у которой углы между касательными к боковым сторонам 8, 9 в произвольных точках касания со средством фиксации 5 будут меньше предельного угла выталкивания как при повороте первого звена 2 против часовой стрелки (угол ϕ1), так и по часовой стрелки (угол ϕ2) относительно второго звена 3 (фиг. 5). Соответственно, при размещении в указанной полости средства фиксации 5, например, по типу на фиг. 1 и повороте первого звена 2 по часовой стрелке относительно второго звена 3 будет реализовано касание верхней боковой стороны 8 отверстия 6 и нижней боковой стороны 9 паза 7 со средством фиксации 5 с углом выталкивания ϕ2 (фиг. 6). При перемещении средства фиксации 5, например, с использованием движка 10 по типу на фиг. 1 вдоль паза 7 не будет происходить его защемление, а будет изменяться угловое положение звеньев 2, 3 относительно друг друга (в силу незначительных сил трения в сравнении с создаваемыми моментами, сдвигающими звенья 2, 3). Например, при смещении движка 10 от оси 4 будет происходить сближение концевых частей с пазами 6, 7 (фиг. 7), а при приближении движка 10 к оси 4- их расхождение (фиг. 8).
Работает шарнирное соединение 1 на фиг. 5-8 аналогично конструкции на фиг. 1-3. При приложении внешних усилий к поворотным звеньям 2, 3 происходит защемление средства фиксации 5 между боковыми сторонами отверстия 6 и паза 7 и изменение углового положения звеньев 2, 3 в любом направлении при этом становится невозможным. Для регулирования углового положения звеньев 2, 3 необходимо передвинуть средство фиксации 5 в пазу 7 (соответственно и в отверстии 6) с помощью движка 10.
Для того, чтобы была возможность фиксировать положение звеньев 2, 3 относительно друг друга лишь при их смещении в одном направлении в звеньях 2, 3 конструкций по типу на фиг. 5-8 могут быть, например, выполнены вставки из материала, отличающегося по величине коэффициента трения в паре с материалом средства фиксации 5 в сравнении с базовым материалом звеньев 2, 3 (фиг. 9). Так, например, звенья 2, 3 и средство фиксации 5 могут быть выполнены из стали, а вставки 12, 13- из бронзы, которая имеет почти в два раза меньший коэффициент трения по стали чем пара «сталь по стали». В результате при повороте первого звена 2 против часовой стрелки относительно второго звена 3 будет происходить соприкосновение средства фиксации 5 с боковыми сторонами 8, 9 отверстия 6 и паза 7, выполненными из бронзы. Соответственно, при одном и том же угле выталкивания, что и при вращении по часовой стрелке (ϕ1=ϕ2), не будет обеспечиваться защемление средства фиксации 5 из стали между боковыми сторонами 8, 9 из бронзы, поскольку предельный угол выталкивания для пары трения «бронза-сталь» меньше, чем предельный угол выталкивания для пары трения «сталь-сталь». Следовательно, поворот первого звена 2 против часовой стрелки может происходить под действие внешних сил на звенья 2, 3, либо путем воздействия на движок 10, а по часовой стрелке первое звено 2 может переместиться только благодаря смещению движка 10.
В целях обеспечения избирательной фиксации шарнирного соединения 1 по отношению к направлению поворота звеньев 2, 3 возможны и другие технические решения, например, отверстие 6 и паз 7 могут быть выполнены с разной кривизной боковых сторон 8, 9, как это продемонстрировано на фиг. 10, 11. Здесь звенья 2, 3 имеют отверстие 6 и паз 7 с углом ϕ1 между касательными к боковым сторонам 8, 9 в произвольных точках касания со средством фиксации 5 меньше предельного угла выталкивания для направления вращения звена 2 против часовой стрелки, а аналогичный угол ϕ2 для вращения звена 2 по часовой стрелке превышает предельный угол выталкивания. В результате первое звено 2 не может фиксироваться от поворота по часовой стрелке. Отверстия 14, 15 в приведенной конструкции служат для соединения одних из концевых частей первого звена 2 и второго звена 3 с элементами устройства, в котором предполагается использование шарнирного соединения 1.
В общем случае число механических связей (жестких или гибких) предлагаемого шарнирного соединения 1 с элементами механизма может быть различным, например, равно четырем (четыре концевые части звеньев 2, 3 соединены с различными элементами) или, например, единице (одно звено само является частью устройства, а одна из концевых частей другого звена соединена с элементом механизма).
Звенья предлагаемого шарнирного соединения 1 могут являться сборочными единицами, а боковые стороны отверстия 6 или паза 7 могут быть разнесены в пространстве, как это, например, проиллюстрировано на фиг. 12. В данном случае первое звено 2 может быть собрано из двух составных частей (зеркальных относительно средней продольной плоскости звена 2), взаимное положение которых может фиксироваться осью 4 в виде заклепки и соединительной осью (не показана) в отверстии 14. Второе звено 3 размещено с возможностью поворота между составными частями звена 2, а средство фиксации в виде цилиндра размещено в полости, образованной двумя отверстиями 6 и пазом 7. Подобная конструкция предполагает контакт средства фиксации 5 с двумя боковыми сторонами 8 отверстия 6 и одной боковой стороной 9 паза 7 при любом направлении поворота звеньев 2, 3, что практически исключает перекос средства фиксации 5 под действием контактных усилий со стороны звеньев 2, 3. Соответственно здесь требуются меньшие компенсирующие усилия со стороны системы управления перемещением средства фиксации 5 (в выше рассмотренных конструкциях шарнирного соединения 1 эту функцию выполняли опорная головка средства фиксации 5 и движок 10).
Система управления перемещением средства фиксации 5 в общем случае может быть исполнена в виде средства фиксации 5, на концах которого установлены движки 10, которые, в свою очередь, могут быть сборочными единицами (фиг. 13). Возможно использование в качестве средства управления выступающие части (или часть) самого средства фиксации 5.
Средство фиксации 5 в области возможного контакта с боковыми сторонами 8,9 в своих поперечных сечениях могут иметь различную форму, например, прямоугольную, ромбовидную, овальную, многогранника или иную. Само средство фиксации 5 также может представлять собой сборочную единицу, например, по типу винтов стяжек с гайкой Эриксона.
Отверстие 6 или паз 7 шарнирного соединения 1 могут быть не сквозными, а глухими, как это, например, показано на фиг. 14, 15. Первое звено 2 (как и второе звено 3) может иметь глухое отверстие 6 в виде криволинейного паза (фиг. 14). Средство фиксации 5 может быть выполнено в виде цилиндрических выступов с противоположных сторон планки 16 с движками 10. Средство фиксации 5, планка 16 и движки 10 могут быть выполнены как единое целое, либо представлять собой сборочную единицу. В собранном виде шарнирное соединение 1 на фиг. 15 может выполнять аналогичные функции, что и конструкция, например, на фиг. 12. Возможно также выполнение одного из пазов звеньев 2,3 глухим, а другого- сквозным.
В общем случае отверстие 6 и паз 7 могут быть выполнены криволинейными по тем или иным математическим зависимостям, в том числе описываться составными нелинейными или кусочно-линейными функциями. Возможно выполнение линейного паза в одном звене и нелинейного паза в другом звене и т.п. При этом в любом положении средства фиксации 5 форма пазов должна обеспечивать его защемление в регулируемом направлении смещения звеньев 2, 3 (направление смещения звеньев 2, 3 при котором обеспечивается их взаимная фиксация в заданном положении).
Оси вращения 4 также могут иметь различное конструктивное исполнение, например, в виде болтового соединения, а также иметь распределенную конструкцию, когда в месте фактической осевой линии вращения звеньев отсутствует физическая ось, как это, например, имеет место в Патенте US20070090250.
Элементы конструкции шарнирного соединения 1 могут быть выполнены из различных материалов, различной формы с применением разнообразных технологий в зависимости от решаемых задач с учетом того, что физические свойства применяемых материалов во многом определяют предельный угол выталкивания средства фиксации 5.
Представленные конструкции предлагаемого шарнирного соединения с фиксацией положения и его элементов не исчерпывают всего многообразия вариантов их выполнения в рамках существа предлагаемого изобретения.
Реализация возможных модификаций предлагаемой конструкции шарнирного соединения позволяет повысить надежность фиксации поворотных звеньев шарнирного соединения относительно друг друга, при необходимости выполнить избирательную фиксацию взаимного смещения звеньев лишь в одном из направлений их взаимного смещения, а также упростить процесс регулирования положения поворотных звеньев и их фиксации, что повышает удобство пользования предлагаемым устройством.