Элемент конструктора развивающего крупных моделей

Область техники.
Полезная модель относится к области конструкторов крупных моделей, предназначенных для развития у детей пространственного мышления и приобретения опыта создания функциональных конструкций и моделей.
Предшествующий уровень техники.
Известен крупногабаритный сборно-разборный игрушечный конструктор (патент RU2670152, A63H 33/00 (2006.01), 2017), включающий основные детали в виде брусков из древесины с одинаковым квадратным поперечным сечением и разными типоразмерами по длине, и некоторое количество соединительных деталей, содержащих соединительные пары элементов болт - гайка, по меньшей мере один из которых в каждой паре имеет головку в форме "барашка", приспособленную для соединения и разъединения брусков без использования специальных инструментов, при этом в каждом бруске выполнены сквозные поперечные отверстия для размещения цилиндрических частей болтов соединительных пар элементов. Сквозные поперечные отверстия для размещения цилиндрических частей болтов соединительных пар элементов могут иметь несколько больший диаметр, чем диаметр каждого болта. Это позволят свободно вставлять болты в отверстия.
При эксплуатации модели (изделия), собранной из элементов конструктора, большинство пар соединений брусков испытывают боковые нагрузки, при которых на один брусок действуют внешние силы нагрузки (например, вес сидящего на модели стула ребенка), а на другой - силы реакции опоры. При этом соединительный элемент пары брусков, вставленный в их отверстия, испытывает нагрузки, стремящиеся повернуть его в плоскости, в которой лежат оси этих отверстий. Это приводит к тому, что максимальное давление приходится на концы отверстий. Увеличенный диаметр отверстий по сравнению с диаметром соединительного элемента, увеличивает это давление. В результате край отверстия деформируется, появляется боковой люфт в соединении и оно перестает быть жестким. Появление бокового люфта еще больше усиливает деформацию края отверстия, что может привести к разрушению брусков в области их крепления друг к другу. Бруски с деформированными отверстиями или разрушенные бруски подлежат полной замене. В этом состоит недостаток аналога RU2670152.
Известен элемент конструктора (патент RU183666, МПК A63H 33/10 (2006.01), 2018) в виде бруска квадратного сечения, имеющего сквозные отверстия, выполненные по длине бруска в соответствии с расчетными размерными соотношениями. Отверстия по краям имеют конические углубления. Для соединения элементов конструктора используются стержни, с одной стороны которых изготовлена шляпка, а с другой стороны нарезана резьба (болт), а также гайка. Сквозные отверстия выполнены на одинаковом расстоянии между собой по всей длине на всех боковых гранях по оси бруска, при этом сквозное отверстие на соседней боковой грани расположено точно посередине между сквозными отверстиями данной грани, причем размерное соотношение бруска при выполнении сквозных отверстий определено следующим соотношением: X=Z=В=Y/2=А*2=F/n,
где X - расстояние между сквозными отверстиями, находящимися рядом, расположенными в разных боковых гранях бруска, мм;
Z - высота бруска, мм;
В - толщина бруска, мм;
Y - расстояние между сквозными отверстиями, находящимися рядом, расположенными на одной грани бруска, мм;
А - расстояние от крайнего отверстия со стороны бруска с большим количеством отверстий до торца бруска;
F - длина бруска, мм;
n - общее количество отверстий в бруске.
Боковые нагрузки в месте соединения брусков, механизм действия которых описан выше, приводят к деформации краев отверстий. Наличие углублений в отверстиях уменьшает плечо силы, с которой стержень резьбового соединения действует на края отверстий. Это приводит к увеличению давления соединительного элемента на край отверстия (на дне углубления). Бруски с деформированными отверстиями или разрушенные бруски подлежат полной замене. В этом состоит недостаток аналога RU183666.
Известен сборно-разборный мебельный конструктор (патент RU97255, МПК A47B 96/20 (2006.01), 2010), имеющий бруски меньшей и большей длины, ширина которых равна толщине, снабженные в заданных местах отверстиями одинакового размера. Вокруг каждого отверстия в брусках выполнено кольцевое углубление для размещения в нем упругой уплотнительной шайбы или головки гайки или винта, высота которой меньше или равна высоте кольцевого углубления. Шайбы 2 предназначены для увеличения плотности соединения, путем нивелирования деформации брусков под воздействием стягивающего усилия резьбовых крепежных элементов. Это позволяет увеличить срок, на протяжении которого соединение будет оставаться жестким. Шайбы выполнены из резины и имеют высоту несколько превышающую высоту кольцевого углубления и диаметр, соответствующий диаметру этого углубления.
Недостатком известного из RU97255 аналога является выполнение кольцевых углублений вокруг отверстий в брусках без учета боковой нагрузки на отверстие. Боковые нагрузки в месте соединения брусков, механизм действия которых описан выше, приводят к деформации краев отверстий. Наличие углублений под головки гайки и винта, а также потайное их размещение в этих углублениях уменьшает плечо силы, с которой стержень резьбового соединения действует на края отверстий. Бруски с деформированными отверстиями или разрушенные бруски подлежат полной замене. Выполнение шайб эластичными из резины высотой, немного превышающей высоту углублений вокруг отверстий не предотвращают боковые нагрузки на края отверстий на дне углублений. Наличие двух резиновых шайб в месте соприкосновения соединенных брусков приводит к возможности скольжения брусков друг относительно друга под нагрузкой.
Указанный аналог RU97255 является по совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом того же назначения к заявляемому техническому решению. Поэтому он принят в качестве прототипа.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является увеличение срока службы основных несущих элементов конструктора крупных моделей.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым техническим решением, является обеспечение возможности использования сменных элементов в нагруженных местах основных несущих элементов конструктора.
Сущность заявленного технического решения состоит в том, что элемент конструктора развивающего крупных моделей представляет собой брусок с выполненными в нем сквозными поперечными отверстиями с цилиндрическими углублениями вблизи каждой грани бруска. Отличается тем, что брусок имеет поперечное сечение, вписанное в квадрат со стороной от 20 до 60 мм, отверстия расположены вдоль бруска через равные расстояния и имеют диаметр от 4,8 до 12,5 мм. Углубления выполнены с возможностью размещения в них втулок, 3 воспринимающих деформирующие усилия соединительных элементов. Диаметр углублений в 1,6 - 3,2 раза превышает диаметр отверстия. Глубина углублений равна от 0,6 до 1,8 диаметра отверстия.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
Выполнение бруска с поперечным сечением, вписанным в квадрат со стороной от 20 до 60 см, и выполнение отверстий с диаметром от 4,8 до 12,5 мм обеспечивают достаточную прочность бруска при игре детей с конструктором, и при этом не перерасходует материал и позволяет детям оперировать с брусками. Такие характеристики позволяют иметь достаточно большой срок службы брусков.
Выполнение отверстий в брусках через равные промежутки является характерной особенностью конструкторов моделей, позволяющей унифицировать приемы крепления элементов друг к другу и реализовать произвольный замысел ребенка по созданию модели без необходимости дорабатывать элементы конструктора, выполняя в них дополнительные отверстия. Это способствует повышению срока службы брусков.
Выполнение углублений с возможностью размещения в них втулок, воспринимающих деформирующие усилия соединительных элементов и указанные диаметр углублений, в 1,6 - 3,2 раза превышающий диаметр отверстия, и глубина углублений, равная от 0,6 до 1,8 диаметра отверстия, позволяют реализовать достаточные по размеру промежуточные элементы, которые будут на себя принимать нагрузки от соединительных элементов конструктора, предотвращая пластическую деформацию брусков, и в то же время не снижать прочность этих брусков чрезмерным удалением части их материала для размещения втулок. При этом втулки являются расходным материалом в конструкторе. Указанное приводит к увеличению срока службы брусков.
Ввиду того, что глубина углублений меньше длины отверстия, суммарное отклонение от нормали у углублений меньше. По этой причине соединительный элемент устанавливается с бóльшим зазором, чем втулки. В результате соединение между собой брусков с углублениями с использованием втулок является более точным.
Выполнение углублений цилиндрическими позволяет вставить в них втулки в произвольном положении, что способствует увеличению срока службы брусков и втулок, так как позволяет при наличии пластической деформации втулки вставить 4 ее в брусок так, чтобы эта деформация находилась в ненагруженной области втулки. Это способствует развитию у детей инженерной интуиции.
В частных случаях допустимо выполнять техническое решение следующим образом.
Поперечное сечение бруска предпочтительно имеет форму квадрата со скругленными углами, может иметь форму квадрата или восьмиугольника. Брусок квадратного сечения со скругленными углами имеет больший срок службы, так как не имеет острых ребер, прочность бруска в которых низкая и поэтому может расколоть брусок при повреждении ребра, например, зацепившегося за какое-то ворсовое покрытие.
Два соседних вдоль длины бруска отверстия желательно расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях.
Автором заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана схема элемента конструктора, на фиг. 2 - схема неподвижного крепления двух элементов, на фиг. 3 - схема крепления консоли к элементу, на фиг. 4 - схема подвижного крепления двух элементов, на фиг. 5 - вариант крепления к элементу деталей, способных повредить элемент.
Варианты осуществления технического решения.
Элемент конструктора развивающего крупномодельного представляет собой брусок (1) из древесины, фанеры, пластика, металла или аналогичного материала с похожими свойствами с сечением, вписанным в квадрат со стороной от 20 до 60 мм (фиг. 1). Далее в описании размер стороны квадрата, в который вписано поперечное сечение бруска, будет именоваться шириной или толщиной бруска. Предпочтительное сечение бруска - квадрат со скругленными ребрами. Сечение может иметь другую форму, например, форму восьмиугольника. Ребра брусков могут быть выполнены с фасками различной формы. Использование для крупномодельного конструктора брусков с толщиной меньше 20 мм нецелесообразно ввиду низкой нагрузочной способности такого бруска. Использование брусков с толщиной больше 60 мм приводит к увеличению массы брусков и составленных из них моделей, что вызывает трудности во время игр, повышает вероятность травм.
Элементы конструктора выполнены с возможностью сборки крупногабаритных моделей, внутри которых допустимо размещение детей.
Брусок имеет сквозные поперечные отверстия (2), расположенные нормально к плоскостям граней, на которые эти отверстия выходят. Отверстия имеют диаметр от 4,8 до 12,5 мм и расположены на расстоянии от 20 до 62 мм друг от друга. Расстояние между соседними отверстиями предпочтительно равно или немного больше толщины бруска. В частности, при размер бруска 31×31 см, отверстия могут выполнять на расстоянии 32 друг от друга ввиду того, что при равных размерах шарнирные соединения могут работать с бóльшими ограничениями. Отверстия могут выходить на одну пару параллельных граней бруска или на разные такие пары граней. Предпочтительно оси отверстий расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях с чередованием вдоль длины бруска - два соседних вдоль длины бруска отверстия расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Допустимо выполнять отверстия под иным углом друг к другу (например, 60°) и к плоскостям граней брусков. Крайние по длине бруска отверстия расположены на расстоянии от 10 до 31 мм от торца бруска. Предпочтительно это расстояние соответствует половине толщины бруска. Диаметр отверстий соответствует диаметру соединительных элементов конструктора, в качестве которых используются болты с гайками.
Сквозное отверстие вблизи обеих граней бруска, на которые оно выходит, снабжено цилиндрическими углублениями (3) диаметром, в 1,6-3,2 раза превышающим диаметр отверстия, и глубиной, равной от 0,6 до 1,8 диаметра отверстия. Углубления предназначены для размещения сменных втулок, предохраняющих края отверстий от деформаций. При этом выполнение углублений с меньшим диаметром или глубиной, чем указано выше, приводит тому, что размещаемые в них втулки имеют малую прочность, чаще выходят из строя и требуют замены. Выполнение отверстий диаметром или глубиной, больше вышеуказанных, приводит к перерасходу материала втулок, не приводящему к повышению защиты отверстий от деформаций. Дополнительным эффектом использования углублений является возможность реализации подшипников скольжения. Углубления также могут использоваться для размещения головок болтов и гаек соединительных элементов в случаях крепления брусков без значительных смещающих нагрузок, то есть без значительных нагрузок, направленных вдоль поверхности соприкосновения брусков. К таким случаям относятся, например, крепления балок в качестве опорных элементов 6 конструкций, воспринимающих вертикальную нагрузку, направленную перпендикулярно плоскости соприкосновения брусков. Примеры выполнения
Пример 1.
Брусок выполнен из берёзовой древесины с квадратным сечением со стороной 31 мм и скруглением 4 мм. Сквозные отверстия в брусках имеют диаметр 8,2 мм. Углубления имеют диаметр 18,6 мм и глубину 5,5 мм. Расстояние между отверстиями 32 мм, расстояние от торцов до ближайшего отверстия 15,5 мм.
Пример 2.
Брусок выполнен из дубовой древесины с квадратным сечением со стороной 22 мм. Сквозные отверстия в брусках имеют диаметр 4,8 мм. Углубления имеют диаметр 10 мм и глубину 7,6 мм. Расстояние между отверстиями 23 мм, расстояние от торцов до ближайшего отверстия 11 мм.
Пример 3.
Брусок выполнен из берёзовой древесины с восьмиугольным сечением со стороной 58 мм и скруглением 4 мм. Сквозные отверстия в брусках имеют диаметр 12 мм. Углубления имеют диаметр 20 мм и глубину 12 мм. Расстояние между отверстиями 59 мм, расстояние от торцов до ближайшего отверстия 29 мм.
Порядок использования.
Для соединения брусков конструктора (фиг. 2, 4) используют втулки (4), внешний диаметр которых соответствует диаметру углублений, а внутренний - диаметру соединительных элементов. Соединительные элементы представляют собой болты (5) с гайками (6).
При использовании конструктора соединение двух брусков, нагруженных вдоль плоскости их соприкосновения, выполняют следующим образом (фиг. 2). Выбирают по одному отверстию в каждом бруске (1), где два бруска будут соединены. В углубления отверстий на смежных гранях соединяемых брусков вставляют втулку (4), высота которой несколько меньше суммарной глубины указанных углублений. Высота втулки по меньшей мере должна быть больше глубины наиболее глубокого углубления для обеспечения возможности крепления двух брусков по принципу «шип-паз». В оставшиеся два углубления отверстий размещают втулки (4), высота которых не меньше глубины соответствующего углубления. Затем в отверстия вставляют болт (5) и закручивают на него с другой стороны гайку (6), фиксируя соединение брусков. При использовании собранной модели конструктора вышеописанное соединение испытывает нагрузку, 7 стремящуюся скользяще сдвинуть бруски (1) друг относительно друга. Это приводит к тому, что болт (5) стремится повернуться в плоскости, проходящей через его ось. Возникающие при этом нагрузки от болта воспринимаются втулками (4). Нагрузки от втулок передаются стенкам углублений отверстий в брусках (1). Благодаря тому, что диаметр углублений больше диаметра отверстий под болт, брусок воспринимает нагрузку от болта через втулку, распределенную по большей площади поверхности. Это снижает давление на брусок, уменьшая его деформацию. Втулка, воспринимающая нагрузку непосредственно от болта, со временем при использовании модели пластически деформируется и может даже разрушиться. Тогда ее заменяют новой. Брусок при этом остается невредимым и продолжает использоваться.
При использовании конструктора соединение бруска с консольно закрепленным к нему нагруженным элементом выполняют следующим образом (фиг. 3). В оба углубления отверстия в бруске, в котором следует закрепить консольный элемент, размещают втулки (4) с высотой, не меньшей глубины углублений. Затем в отверстие вставляют болт (5) консольного элемента (7) и закручивают на него с другой стороны гайку, фиксируя соединение. При использовании собранной модели конструктора вышеописанное соединение испытывает нагрузку, стремящуюся повернуть болт (5) в плоскости, проходящей через его ось. Возникающие при этом нагрузки от болта воспринимаются втулками (4). Нагрузки от втулок передаются стенкам углублений отверстий в брусках (1). Благодаря тому, что диаметр углублений больше диаметра отверстий под болт, брусок воспринимает нагрузку от болта через втулку, распределенную по большей площади поверхности. Это снижает давление на брусок, уменьшая его деформацию. Втулка, воспринимающая нагрузку непосредственно от болта, со временем при использовании модели пластически деформируется и может даже разрушиться. Тогда ее заменяют новой. Брусок при этом остается невредимым и продолжает использоваться.
При закреплении элемента, способного повредить поверхности брусков, например, пружины (фиг. 5), между втулкой и гайкой желательно устанавливать шайбу и использовать втулку с высотой, большей глубины углубления. Шайба при этом располагается на расстоянии от поверхности бруска. Это исключает повреждение боковой поверхности бруска, как повреждающим элементом, так и шайбой, способной оставить вмятину при затяжке без втулки, если диаметр шайбы больше диаметра втулки (углубления).
При использовании конструктора соединение двух брусков с возможностью вращения один относительно другого выполняют следующим образом (фиг. 4). Выбирают по одному отверстию в каждом бруске (1), где два бруска будут соединены с возможностью вращения. В углубления отверстий на ближайших друг к другу гранях соединяемых брусков вставляют по одной втулке (4), высота каждой из которых больше глубины указанных углублений. В другие два углубления отверстий размещают втулки (4), высота которых не меньше глубины соответствующего углубления. Затем в отверстия вставляют болт (5) и закручивают на него с другой стороны гайку (6), фиксируя соединение брусков. При повороте брусков друг относительно друга смежные втулки трутся своими торцами, а бруски не соприкасаются. Возникающие нагрузки, стремящиеся повернуть болт в плоскости, проходящей через его ось, воспринимаются всеми втулками. Нагрузки от втулок передаются стенкам углублений отверстий в брусках. Благодаря тому, что диаметр углублений больше диаметра отверстий под болт, брусок воспринимает нагрузку от болта через втулку, распределенную по большей площади поверхности. Это снижает давление на брусок, уменьшая его деформацию. Втулка, воспринимающая нагрузку непосредственно от болта, со временем при использовании модели пластически деформируется и может даже разрушиться. Тогда ее заменяют новой. Брусок при этом остается невредимым и продолжает использоваться.
Промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение реализовано с использованием промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть изготовлено на любом промышленном предприятии и найдет широкое применение в области развивающих крупномодельных конструкторов.