ПОЛИСПАСТНО-КАТУШЕЧНАЯ СИСТЕМА АРБАЛЕТА С ВАРЬИРУЕМОЙ ЭНЕРГИЕЙ НАТЯЖЕНИЯ ДУГИ

2. Описание полезной модели.
2.1. Область техники, к которой относится полезная модель.
Областью применения полиспастно-катушечной системы арбалета с варьируемой энергией натяжения дуги являются арбалеты, предназначенные для отдыха и развлечения физических лиц, а также для спортивной стрельбы. Полезная модель может применяться при конструировании и изготовлении арбалетов в соответствии с требованиями ГОСТ Р51905-2002 «Арбалеты спортивные, арбалеты для отдыха и развлечения и снаряды к ним» [1], принятым и введенным в действие постановлением Госстандарта России от 25.06.2002 №251-ст.
2.2. Уровень техники.
1
Аналогами полезной модели являются современные полиспастные системы передачи усилия натяжения тетивы на дугу (лук) арбалета, в которых, как правило, применяются блоки-эксцентрики на концах дуги (полудуг) и две тетивы: «боевая» и «техническая» [2]. С помощью «боевой» тетивы осуществляется непосредственно натяжение дуги (лука) арбалета, а «техническая» тетива является отдельной для каждой из полудуг и используется для создания кинематической обратной связи между блоками-эксцентриками (либо круглыми блоками) на концах дуги (полудуг) с целью обеспечения дополнительного момента силы натяжения дуги. Совокупность и взаимное расположение конструктивных элементов современных арбалетов с полиспастной кинематической схемой: дуги или полудуг (полудуги, как правило, являются съемными), эксцентриков либо круглых блоков на концах дуги (полудуг), боевой тетивы и технической тетивы - образуют полиспастную систему. В этом аспекте соответствующие современные арбалеты называются также арбалетами с полиспастной системой.
Полиспастные системы арбалетов характеризуются следующими основными признаками:
1
Ю.В.Шокарев. «Луки и арбалеты», М.; ООО «Издательство ACT», ООО «Издательство Астрель», 2004, с.159-167.
а) наличием боевой и технической тетивы;
б) блоки-эксцентрики либо круглые блоки на концах дуги (полудуг) в процессе натяжения дуги (полудуг) изменяют свое положение относительно своих осей вращения менее чем на 360 градусов (как правило, примерно на 180 градусов), т.е. совершают менее одного оборота;
в) техническая тетива является отдельной для каждой из полудуг дуги арбалета, т.е. техническая тетива состоит из двух отдельных частей, соединяющих один эксцентрик (круглый блок) с другим, расположенным на противоположном конце дуги, без каких-либо дополнительных блоков. При этом как в исходном положении, так и в процессе натяжения дуги, а также при производстве выстрела техническая тетива и боевая тетива расположены и движутся в разных плоскостях;
г) перпендикулярная проекция каждой из отдельных частей технической тетивы на плоскость движения боевой тетивы в первоначальном (предварительно натянутом) положении дуги образуют к оси ложа арбалета угол, близкий к прямому (90 градусов);
д) момент силы натяжения дуги определяется суммой моментов силы натяжения боевой тетивы и моментов силы, прикладываемой к концам дуги за счет использования технической тетивы;
е) моменты силы, прикладываемой к концам дуги при ее натяжении за счет использования технической тетивы, при определенных параметрах дуги (длины дуги, ее жесткости и упругости) ограничены максимальным радиусом эксцентриков (либо круглых блоков в полиспастных системах без эксцентриков);
ж) в момент выстрела, т.е. в момент времени, непосредственно предшествующий возврату дуги в исходное положение - начальная скорость метаемого снаряда (стрелы, «болта») зависит, в том числе, от угловой скорости вращения эксцентриков (либо круглых блоков в полиспастных системах без эксцентриков).
При этом признаки б), в), г) отличаются от соответствующих признаков полезной модели, а признаки д), е), ж), но не их количественные параметры, совпадают с ее существенными признаками.
Следует отметить, что арбалеты с полиспастной системой появились сравнительно недавно: в 1967 году гражданин США Аллен изготовил в своем гараже и запатентовал полиспастную систему для луков и арбалетов ([2], с.157).
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является полиспастная система арбалета «Дакота», выпускаемого фирмой «Хортон», США ([2], с.165-167).
Аналогом (прототипом) полезной модели в части признака «варьируемая энергия натяжения дуги» является «Арбалет с варьируемой силой дуг для отдыха и развлечения». На полезную модель этого арбалета по заявке №2006111776 Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ был выдан патент №56585.
2.3. Раскрытие полезной модели.
2.3.1. Сущность полезной модели.
Основными техническими результатами полезной модели являются:
- возможность улучшения соотношения между силой натяжения дуги и усилием натяжения боевой тетивы по сравнению с арбалетами, в которых применяется традиционная полиспастная система. Т.е. при определенных параметрах дуги и полиспастно-катушечной системы необходимая сила натяжения дуги достигается при меньшем усилии натяжения боевой тетивы;
- возможное увеличение начальной скорости метаемого снаряда (стрелы или «болта») при определенных параметрах дуги и полиспастно-катушечной системы, если конструкцией полезной модели (например, в промышленном образце) будет предусмотрено:
относительное (в сравнении с традиционной полиспастной системой) увеличение хода боевой тетивы, например, за счет относительного увеличения длины ложа арбалета;
определение параметров полиспастно-катушечной системы исходя из условия увеличения начальной скорости метаемого снаряда;
- возможность варьирования энергией натяжения дуги, т.е. дифференциации энергии натяжения дуги, например, при развлекательной стрельбе в закрытых помещениях и спортивной стрельбе - на открытом воздухе.
Сущность полезной модели выражается совокупностью следующих существенных признаков, достаточных для достижения указанных технических результатов:
1). Блоки на концах дуги (полудуг) являются круглыми и могут совершать в процессе натяжения боевой тетивы и, соответственно, дуги, до нескольких оборотов.
2). Техническая тетива является единой для обеих полудуг арбалета.
3). Перпендикулярная проекция технической тетивы на плоскость движения боевой тетивы образует к продольной оси ложа арбалета (оси движения метаемого снаряда) острый угол, что обеспечивает существенное увеличение момента силы технической тетивы при натяжении дуги в сравнении с традиционными полисластными системами. При этом центр технической тетивы располагается в прорези отдельной катушки (барабана), ось которой закрепляется в ложе арбалета в точке, максимизирующей момент силы технической тетивы.
4) В отличие от традиционных полиспастных систем, на каждом из концов дуги (полудуг) устанавливается не один круглый блок либо эксцентрик, а две круглые блок-катушки различного диаметра: «большая» (поз.14, фиг.4) и «малая (поз.16 фиг.4), которые при натяжении дуги или производстве выстрела вращаются на одной оси и могут совершать до нескольких оборотов.
5) Соотношение диаметров «большой» и «малой» блок-катушек определяет передаточное число, с которым усилие натяжения боевой тетивы через «большую» и «малую» блок-катушки передается на техническую тетиву и, соответственно, на дугу (полудугу) арбалета.
6) Скорость движения середины боевой тетивы вдоль оси ложа арбалета и, соответственно, начальная скорость метаемого снаряда при определенных параметрах дуги (длины дуги, ее жесткости и упругости) зависит, в том числе, от угловой скорости вращения «большой» блок-катушки, т.е. от соотношения диаметров «большой» и «малой» блок-катушек.
7) Кинематическая связь между «большой» и «малой» блок-катушками, установленными на концах дуги (полудуг), обеспечивается соединительной муфтой (поз.15 фиг 4), установленной на той же оси вращения, что и блок-катушки. При этом блок-катушки могут разъединяться с соединительной муфтой при снятии шайбы-защелки (поз.18 фиг.4), что необходимо для регулировки энергии натяжения дуги.
Все признаки 1) - 7) являются отличительными от наиболее близкого аналога.
2.3.2. Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель.
Заявляемая полезная модель направлена на решение задачи совершенствования конструкции арбалетов с полиспастными системами в целях обеспечения лучшей эргономичности развлекательной и спортивной стрельбы, повышения ее точности в пределах, достаточных для отдыха и развлечения физических лиц и для спортивной стрельбы.
Полезная модель обеспечивает получение не только основных технических результатов, упомянутых в разделе 2.3.1 настоящей заявки, но и ряда дополнительных, частных результатов, которые являются позитивными в аспекте осуществления полезной модели.
К таким частным техническим результатам относятся:
- снижение динамических нагрузок на техническую тетиву и, соответственно, увеличение ее долговечности при снижении требований к сопротивлению на разрыв (при конкретных параметрах дуги). В традиционных полиспастных системах арбалетов техническая тетива является «слабым» звеном;
- значительно большая простота установки и предварительного натяжения боевой и технической тетивы, т.е. предварительного натяжения дуги. В полезной модели установка технической тетивы и ее крепление к «малым» блок-катушкам осуществляется с предварительным «провисанием» (фиг.9); для предварительного натяжения дуги достаточно завести техническую тетиву в прорезь блок-катушки ее удержания (фиг.5). В традиционных полиспастных системах для предварительного натяжения дуги, как правило, необходимо использовать специальные приспособления (например, «фальш-тетиву»);
- снижение требований к механических характеристикам замка арбалета, поскольку при конкретных параметрах дуги усилие, с которым боевая тетива удерживается в замке арбалета, является относительно меньшим.
К совокупности признаков, обеспечивающих получение основных технических результатов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, относятся:
- перпендикулярная проекция технической тетивы на плоскость движения боевой тетивы образует к продольной оси ложа арбалета (оси движения стрелы или «болта») острый угол, что обеспечивает максимизацию момента силы технической тетивы;
- на каждом из концов дуги (полудуг) устанавливается не один круглый блок либо эксцентрик, а две круглых блок-катушки различного диаметра, которые при натяжении дуги или производстве выстрела вращаются на одной оси и совершают до нескольких оборотов;
- соотношение диаметров «большой» и «малой» блок-катушек определяет передаточное число, с которым прикладываемое к одному из концов дуги (полудуги) усилие натяжение боевой тетивы через «большую» и «малую» блок-катушки передается на техническую тетиву и, соответственно, дугу (полудугу) арбалета;
- кинематическая связь между «большой» и «малой» блок-катушками, установленными на концах дуги (полудуг), обеспечивается соединительной полумуфтой, установленной на той же оси вращения, что и блок-катушки. При этом блок-катушки могут разъединяться с соединительной муфтой, что обеспечивает возможность регулировки энергии натяжения дуги.
Остальные из упомянутых выше признаков 1) - 7) характеризуют полезную модель в частных случаях.
Кинематическая схема полезной модели поясняется фигурами 1 и 2, на которых представлено схематическое изображение боевой и технической тетивы в двух положениях:
- в исходном положении (фигура 1);
- в положении, необходимом для производства выстрела, когда боевая тетива заперта в замке арбалета, т.е. при максимальном натяжении дуги (фигура 2).
На фигурах 1 и 2 даны следующие условные обозначения:
1 - боевая тетива;
2 - техническая тетива;
3 - ось вращения «большой» и «малой» блок-катушек, установленных на конце левой полудуги (левом конце дуги);
4 - ось вращения «большой» и «малой» блок-катушек, установленных на конце правой полудуги (правом конце дуги);
5 - продольная ось ложа арбалета (ось движения метаемого снаряда). В исходном положении дуги эта ось перпендикулярна оси боевой тетивы;
С - точка, в которой центр технической тетивы опирается на барабан катушки удержания технической тетивы;
D - точка на оси желоба ложа арбалета, в которой боевая тетива при полном натяжении дуги запирается в замке арбалета;
Е - центр боевой тетивы;
L - угол между перпендикулярной проекцией технической тетивы на плоскость движения боевой тетивы и продольной осью ложа арбалета.
Общая конструкция (компоновка) арбалета с использованием полезной модели иллюстрируется фигурой 3, на которой даны следующие условные обозначения:
6 - дуга арбалета;
7 - ложе арбалета;,
8 - желобок (направляющая) ложа;
9 - узлы блок-катушек полиспастной системы;
10 - узел удержания технической тетивы;
11 - замок арбалета;
12 - приклад;
1…5 - то же, что на фигурах 1 и 2. В исходном положении дуги:
- боевая тетива 1 с предварительным натяжением уложена (намотана) в несколько слоев (оборотов) - например, 2 или 3 - в пазы «больших» блок-катушек левой и правой полудуг;
- техническая тетива 2 закреплена концами в пазах «малых» блок-катушек левой и правой полудуг, а ее середина с необходимым предварительным натяжением заведена в точку С.
В процессе натяжения боевой тетивы для стрельбы:
- центр боевой тетивы Е перемещается к замку арбалета, т.е. к точке D;
- точка С как точка опоры середины технической тетивы остается неподвижной;
- боевая тетива раскручивается с «большой» блок-катушки левой полудуги - против часовой стрелки, а с «большой» блок-катушки правой полудуги - по часовой стрелке;
- техническая тетива накручивается на «малые» блок-катушки левой и правой полудуг на такое же количество оборотов, которое совершают «большие» блок-катушки, что обеспечивает основное усилие натяжения дуги.
При полном натяжении боевой тетивы:
- центр боевой тетивы запирается в замке арбалета, т.е. точка Е совпадает с точкой D (фигура 2);
- боевая тетива раскручена с «больших» блок-катушек левой и правой полудуг;
- техническая тетива накручена на «малые» блок-катушки левой и правой полудуг на такое же количество оборотов, какое в исходном положении было дано боевой тетиве на «больших» блок-катушках.
Как в исходном положении дуги, так и при полном натяжении боевой тетивы ее перпендикулярная проекция на плоскость движения боевой тетивы образует с осью ложа арбалета острый угол (фигуры 1 и 2)
В процессе выстрела:
- центр боевой тетивы освобождается из замка арбалета;
- центр технической тетивы остается фиксированным на катушке удержания (точка С фиг.1 и 2);
- натянутая дуга вместе с «большими» и «малыми» блок-катушками на ее концах (концах полудуг) начинает возвращаться в исходное положение;
- под воздействием силы дуги техническая тетива раскручивается с «малых» блок-катушек; соответственно, «малые» блок-катушки вращаются (левая - по часовой стрелке, правая - против часовой стрелки);
- от «малых» блок-катушек крутящий момент через соединительные муфты (поз.15 фиг.4) передается на «большие» блок-катушки;
- боевая тетива накручивается на «большие» блок-катушки с той же угловой скоростью, с которой вращаются «малые» блок-катушки до момента их возвращения в исходное положение;
- линейная скорость перемещения центра боевой тетивы обусловливается как линейной скоростью концов дуги (полудуг) при ее возвращении в исходное положение, так и угловой скоростью вращения «больших» блок-катушек;
- начальная скорость метаемого снаряда определяется линейной скоростью перемещения центра боевой тетивы по оси желоба ложа арбалета.
В кинематической схеме полезной модели направление вращения «больших» и «малых» блок-катушек может быть и противоположным вышеуказанному.
Схема узла блок-катушек на концах дуги арбалета (концах полудуг) дана на фигуре 4.
В арбалете с использованием полезной модели основные детали конструкции могут выполняться из следующих материалов:
- дуга - из клееного шпона древесины либо композитных материалов;
- боевая и техническая тетива - из кевларовых либо дакроновых нитей;
- «большие» и «малые» блок-катушки - из композитных материалов, пластмасс;
- ложе и приклад - из твердых лиственных пород дерева;
- замок - из металлов либо их сплавов.
2.3.3. Краткое описание чертежей и других материалов.
В настоящей заявке приведены следующие фигуры и другие материалы:
1) Фигура 1 - схема боевой и технической тетивы в исходном положении, при предварительно натянутой дуге;
2) Фигура 2 - схема боевой и технической тетивы в положении, необходимом для производства выстрела, когда при максимальном натяжении дуги боевая тетива заперта в замке арбалета;
3) Фигура 3 - схема общей компоновки арбалета с использованием полезной модели, вид сверху;
4) Фигура 4 - чертеж узла блок-катушек полиспастной системы;
5) Фигура 5 - чертеж узла удержания технической тетивы;
6) Фигура 6 - схема замка арбалета;
7) Фигура 7 - фотография опытного образца арбалета с использованием полезной модели при исходном положении дуги, т.е. при предварительно натянутой дуге;
8) Фигура 8 - фотография опытного образца арбалета с использованием полезной модели при максимальном натяжении дуги, когда боевая тетива заперта в замке арбалета;
9) Фигура 9 - фотография опытного образца арбалета с использованием полезной модели при ненатянутой дуге, с «провисанием» технической тетивы, необходимым для варьирования энергии натяжения дуги.
Условные обозначения к фигурам 1…3 даны разделе 2.3.2 настоящей заявки.
На фигуре 4:
13 - съемная скоба узла блок-катушек полиспастной системы;
14 - большая блок-катушка;
15 - соединительная муфта;
16 - малая блок-катушка;
17 - шайба-«стакан»;
18 - съемная шайба-защелка;
19 - ось, на которой вращаются «большая» и «малая» блок-катушки.
На фигуре 5:
20 - цевье ложа с прорезью для технической тетивы;
21 - катушка (барабан) удержания технической тетивы;
7, 8, 10 - то же, что и на фигуре 3.
На фигуре 6:
22 - «орех» - вращающаяся деталь замка, в прорези которой запирается боевая тетива при максимальном натяжении боевой тетивы;
23 - кожух замка;
24 - спусковая скоба («курок»);
25 - фигурный штехель, вращающийся при нажатии курка по часовой стрелке, что обеспечивает высвобожддение боевой тетивы из замка арбалета;
26 - предохранитель от несанкционированного спуска тетивы.
2.3.4. Осуществление полезной модели.
Для осуществления полезной модели заявителем спроектирован и изготовлен опытный образец арбалета для отдыха и развлечения с ее использованием. Фотографии опытного образца представлены на фигурах 7…9.
Боевая и техническая тетива опытного образца изготовлены из дакроновых нитей. Блок-катушки (поз.14, 16 фиг.4), катушка (поз.21 фиг.5) изготовлены из капронита. Скоба узла блок-катушек (поз.13 фиг.4) изготовлена из холоднокатаного стального листа. Ось вращения «большой» и «малой» блок-катушек (поз.19 фиг.4) выполнена из высокоуглеродистой стали. Соединительная муфта, съемная шайба-защелка изготовлены из алюминиевого сплава. Дуга опытного образца полезной модели выполнена из клееного ореха. Ложе, приклад и цевье выполнены из клена. Вращающиеся на осях детали замка арбалета (поз.22, 24, 25 фиг.6) выполнены из алюминиевого сплава. Дуга опытного образца арбалета крепится к ложу двумя болтами и является съемной, что обусловлено общепринятым требованием удобства транспортировки арбалета. Узлы блок-катушек полиспастной системы (поз.9 фиг.3) смонтированы на скобе (поз.13 фиг.4) и являются съемными, т.е. могут быть одеты на концы дуги либо сняты с них. Это необходимо для удобства предварительного закрепления концов боевой и технической тетивы соответственно на «большой» и «малой» блок-катушках.
Параметры основных деталей полиспастно-катушечной схемы опытного образца арбалета с использованием полезной модели рассчитаны и изготовлены таким образом, что обеспечивают соотношение усилия натяжения дуги и усилия натяжения боевой тетивы примерно 3,5: 1. Данное соотношение подтверждено экспериментально, но, в принципе, может быть в 2-3 раза больше.
В опытном образце арбалета с использованием полезной модели максимальная сила натяжения дуги не превышает 196 ньютон (20 килограммов силы). Т.е. для полного натяжения дуги и запирания боевой тетивы в замке арбалета, к боевой тетиве достаточно приложить усилие около 60 ньютон.
В опытном образце арбалета с использованием полезной модели процедура предварительного натяжения дуги для физических лиц -пользователей арбалета - в сравнении с арбалетами, в которых применяются традиционные полиспастные системы - не требует больших усилий, специальных приспособлений и в этом аспекте является более совершенной.
Для предварительного натяжения дуги необходимо:
- в узлах блок-катушек вынуть шайбы-защелки (поз.18 фиг.4);
- сдвинуть соединительную муфту (поз.15 фиг.4) по оси (поз.19 фиг.4) таким образом, чтобы паз соединительной муфты вышел из шипа «большой» блок-катушки;
- поворачивая «большие» блок-катушки (левую - по часовой стрелке, правую - против часовой стрелки) уложить в их прорези до 2-3 слоев боевой тетивы;
- повернуть «малые» блок-катушки (левую - против часовой стрелки, правую - по часовой стрелке) примерно на 0,5-1 оборот;
- вернуть соединительную муфту в исходное положение;
- вставить шайбы-защелки в исходное положение;
- приложив усилие к технической тетиве, вставить ее в прорезь катушки (барабана) удержания технической тетивы (поз.21 фиг.5) через прорезь в цевье.
При этом, поскольку боевая и техническая тетива через блок-катушки являются механически связанными, боевая тетива натягивается автоматически, а дуга, соответственно, принимает состояние исходного натяжения.
Данная процедура предварительного натяжения дуги используется при варьировании энергии ее натяжения. Однако, в этих целях «малые» блок-катушки поворачиваются не на 0,5-1 оборот, а, например, на 1,5 или 2 оборота. Ход технической тетивы при натяжении дуги соответственно увеличивается. Соответственно, увеличивается и энергия предварительного натяжения дуги, а энергия, сообщаемая метаемому снаряду при выстреле, уменьшается (чем более сильно предварительно натянута дуга, тем больше энергия, которая при выстреле гасится технической и боевой тетивой; соответственно, тем меньше энергия, сообщаемая метаемому снаряду).
На фигуре 7 предварительное (исходное) натяжение дуги опытного образца соответствует примерно максимальной угловой скорости «больших» блок-катушек при выстреле, т.е. соответствует максимальной начальной скорости метаемого снаряда, что получено экспериментально. При иных параметрах дуги либо иных материалах, из которых она изготовлена, оптимальное исходное натяжение дуги может быть иным.
В арбалете с использованием полезной модели некоторое увеличение массы деталей на концах дуги (в сравнении с традиционными полиспастными системами) компенсируется увеличением угловой скорости блок-катушек.
На фигуре 9 представлено фото опытного образца при исходном положении ненатянутой дуги.
Для дальнейшего осуществления полезной модели необходимо изготовление промышленного образца арбалета с ее использованием, что предполагает:
а) улучшение дизайна опытного образца;
б) изготовление дуги арбалета из фибергласса, иных современных композитных материалов либо клееного шпона ясеня, вяза;
в) совершенствование конструкции сочленения дуги и ложа опытного образца;
г) замену деталей из стали или алюминиевых сплавов на детали из титана;
д) установку на промышленном образце с использованием полезной модели механического либо оптического прицела, а также мушки.
Параллельно с изготовлением промышленного образца арбалета с использованием полезной модели, целесообразно разработать бизнес-план организации производства полиспастно-катушечного арбалета с варьируемой энергией натяжения дуги. В последующем этот бизнес-план может быть реализован, например, в рамках соответствующего малого бизнеса.