Телескопическое соединение внешнего элемента со внутренним элементом по типу "труба в трубе с зазором"

Полезная модель относится к телескопическим соединениям полых труб круглого, прямоугольного и иных видов сечений по типу «труба в трубе с зазором», а также к соединениям по типу «стержень в трубе с зазором» с резьбовой фиксацией элементов соединения, которая может быть использована при изготовлении различного рода сборных конструкций, в том числе ручных инструментов для обработки почвы.
Известен узел телескопического соединения, используемый в сборной конструкции ручного культиватора, который представляет собой круглую трубу малого диаметра со сквозными отверстиями, вставленную в круглую трубу большего диаметра со сквозными отверстиями, соосными отверстиям в трубе малого диаметра, а взаимное перемещение труб в продольном и окружном направлениях ограничивается болтом с гайкой. При этом стержень болта размещен в отверстиях труб, а его головка и гайка опираются на внешнюю поверхность трубы большего диаметра (Электронный ресурс.URL: https://skidki-market,ru/magazin/product/kultivator-korneudalitel-tornado?utm_source=blizkoru_id1 4315662 Дата обращения: 11.04.2021).
Поскольку в культиваторе используются стандартные тонкостенные трубы, то их соединение имеет значительные зазоры между внешним диаметром внутренней трубы и внутренним диаметром наружной трубы. Это приводит к существенным люфтам сопрягаемых частей культиватора в процессе работы, что снижает удобство пользования инструментом, а также приводит к дополнительным «разбиениям» отверстий из-за увеличенных динамических воздействий в узле вследствие свободных относительных перемещений соединяемых конструктивных элементов.
Аналогичное телескопическое соединение применено в конструкции ручного комбайна рыхлителя (Патент RU №193648, МПК А01В 1/00, 07.11.2019 г.), которое имеет те же недостатки.
Известно телескопическое соединение двух опорных стоек каркаса между собой в конструкции стула, дискретно регулируемого по высоте, в котором внешний элемент круглого сечения имеет по меньшей мере одно глухое отверстие, во внутреннем элементе круглого сечения выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, отверстия во внешнем и внутреннем элементе совмещены между собой и в них размещен по меньшей мере один фиксирующий элемент, включающий резьбовой элемент в виде винта или болта и заглушку, которая входит в отверстия внешнего и внутреннего элементов и одевается на резьбовой элемент (Патент RU №19676, МПК А47С 3/20, 27.09.2001 г.).
Данная конструкция выбрана в качестве прототипа как наиболее близкая к заявленному устройству по технической сущности и достигаемому результату.
Рассматриваемый узел соединения также не исключает в полной мере наличие люфтов в сопрягаемых элементах, однако в нем внутренний элемент и стенка внешнего элемента с отверстием оказываются размещенными между головкой винта или болта и шляпкой заглушки. Это в принципе позволяет за счет плотного одевания заглушки на концевую часть резьбового элемента создать некоторое прижимное давление между сопрягаемыми деталями и тем самым ограничить их взаимные перемещения по крайней мере при слабых внешних силовых воздействиях на элементы узла.
Тем не менее, при увеличенных силовых воздействиях на элементы соединения они могут смещаться относительно друг друга и тем самым создавать неудобства для пользователей. Так, например, при приложении усилий к внутреннему элементу в продольном или окружном направлениях создается опрокидывающий момент на фиксирующий элемент, в результате чего возникает повышенное усилие на заглушке в направлении ее снятия с резьбового элемента. В итоге заглушка перемещается и происходит смещение внутреннего элемента относительно наружного элемента в пределах существующих между элементами узла технологических зазоров.
Кроме того, наличие лишь одного или нескольких глухих отверстий в стенке внешнего элемента делает невозможным применение в конструкции данного узла болтового соединения со стандартными гайками, поскольку для этого винты или болты должны выступать из отверстий внешнего элемента, а разместить их здесь в подобном положении технологически невозможно. Причем для дискретного регулирования взаимного положения внутреннего и внешнего элементов в данной конструкции телескопического соединения требуется закладывать несколько резьбовых элементов в отверстия внутреннего элемента, а это удорожает изделие.
Задачей предлагаемого технического решения является снижение люфтов в узле соединения в процессе эксплуатации, расширение номенклатуры используемых в узле резьбовых соединительных элементов и уменьшение числа фиксирующих элементов при дискретном регулировании взаимного положения внутреннего и внешнего элементов телескопического соединения в продольном направлении.
Поставленная задача достигается тем, что телескопическое соединение стержней или труб, также как в прототипе, содержит внешний элемент с по меньшей мере одним отверстием, в полости которого с зазором расположен внутренний элемент с по крайней мере одним сквозным отверстием, а также по меньшей мере одно фиксирующее устройство с по крайней мере одним резьбовым элементом, которое размещено в совмещенных отверстиях внешнего и внутреннего элементов.
Согласно техническому решению в телескопическом соединении образовано резьбовое соединение болтового типа между внутренним элементом и стенкой внешнего элемента, а соосно с по меньшей мере одним отверстием во внешнем элементе выполнено дополнительное отверстие с образованием сквозного отверстия во внешнем элементе, причем соединение выполнено с возможностью упора боковой опорной поверхностью фиксирующего устройства в поверхность дополнительного отверстия во внешнем элементе при взаимном перемещении внешнего и внутреннего элементов в пределах технологических люфтов и допустимых деформаций элементов телескопического соединения.
Сущность предлагаемого технического решения, во-первых, состоит в том, что создание резьбового соединения болтового типа между внутренним элементом и стенкой внешнего элемента путем использования вместо заглушки элемента с резьбой, например, стандартных гаек позволяет создавать большие усилия прижатия внутреннего элемента к стенке внешнего элемента, а также фиксирующих элементов к внутреннему и внешнему элементам, что препятствует их расхождению и сдвигу относительно друг друга благодаря возникающим силам трения в узле. В результате могут быть практически исключены люфты в телескопическом соединении при условии отсутствия деформаций элементов узла, возникающих при достижении значительных нагрузок. Во-вторых, наличие дополнительного отверстия во внешнем элементе, соосного с исходным (основным) глухим отверстием в Прототипе, позволяет использовать резьбовые элементы с длиной, превышающей внутренний диаметр полости внешнего элемента, в которой размещается внутренний элемент. При этом резьбовые элементы могут вставляться в совмещенные отверстия через дополнительное отверстие внешнего элемента с выступанием их концевых частей из противоположного отверстия внешнего элемента. Это, в свою очередь, делает возможным накручивать на выступающие концы резьбовых элементов гайки стандартной конструкции. В-третьих, при необходимости сместить внутренний элемент вдоль внешнего элемента достаточно будет вынуть резьбовой фиксирующий элемент из совмещенных отверстий, сместить внутренний элемент до совмещения новой группы отверстий и вновь разместить в них один и тот же резьбовой фиксирующий элемент. Следовательно, отпадает необходимость использования для каждого нового взаимного положения внутреннего и внешнего элементов новых резьбовых фиксирующих элементов. В-четвертых, наличие дополнительного отверстия во внешнем элементе позволяет подобрать такие параметры элементов телескопического узла, при которых обеспечивается создание дополнительного компенсирующего момента, препятствующего перемещению фиксирующего устройства. Это может быть достигнуто благодаря упору боковой опорной поверхности фиксирующего устройства в поверхность дополнительного отверстия во внешнем элементе при взаимном перемещении внешнего и внутреннего элементов в пределах технологических люфтов и допустимых деформаций элементов телескопического соединения. С этой целью могут быть выбраны соответствующие форма и размеры фиксирующего устройства, размеры внешнего и внутреннего элементов, форма и размеры дополнительного отверстия, введены дополнительные элементы в конструкцию и т.п. В результате вероятность появления недопустимых люфтов в телескопическом соединении может быть дополнительно снижена.
На фиг. 1 представлен возможный вариант выполнения телескопического соединения круглых тонкостенных труб с минимальным зазором между ними и с фиксирующим устройством в виде винта с полукруглой головкой и шестигранной гайкой.
На фиг. 2 приведен пример телескопического соединения круглых тонкостенных труб с минимальным зазором между ними и с фиксирующим устройством в виде винта и круглой гайки.
На фиг. 3 показано телескопическое соединение круглых тонкостенных труб с минимальным зазором между ними и с фиксирующим устройством в виде винта с потайной головкой и шестигранной гайкой.
На фиг. 4 представлен телескопический узел круглых тонкостенных труб с минимальным зазором между ними, с фиксирующим устройством в виде винта с потайной головкой и шестигранной гайкой и с выполнением зенковки отверстия под головку винта.
На фиг. 5 приведено телескопическое соединение квадратных тонкостенных труб с минимальным зазором между ними, с фиксирующим устройством в виде винта с потайной головкой и шестигранной гайкой и с выполнением отверстий в ребрах профилей.
На фиг. 6 показан телескопический узел квадратных тонкостенных труб с минимальным зазором между ними, с фиксирующим устройством в виде винта с полукруглой головкой и шестигранной гайкой, с дополнительной втулкой и с выполнением отверстий в ребрах профилей.
На фиг. 7 изображен вариант телескопического соединения квадратных тонкостенных труб с минимальным зазором между ними, с фиксирующим устройством в виде винта с потайной головкой и шестигранной гайкой, с выполнением отверстий в боковых гранях профилей и с прилеганием внутренней трубы к боковой стенке внешней трубы.
На фиг. 8 приведено телескопическое соединение квадратных тонкостенных труб с минимальным зазором между ними, с фиксирующим устройством в виде винта с круглой головкой и шестигранной гайкой, с выполнением отверстий в боковых гранях профилей и с прилеганием внутренней трубы к боковой стенке внешней трубы.
Сущность предлагаемой конструкции телескопического соединения стержней или труб можно дополнительно пояснить на различных примерах ее выполнения. В одном из вариантов (фиг. 1) телескопический узел 1 представляет собой соединение стандартных тонкостенных труб наиболее близких диаметров, обеспечивающих минимальный зазор между ними в собранном виде. Здесь внешний элемент 2 имеет полость 3, в которой размещен внутренний элемент 4 со смещением к стенке внешнего элемента 2. При этом образуется зазор 5 со стороны, противоположной направлению смещения внутреннего элемента 4. Фиксирующее устройство 6 состоит из резьбового элемента 7 в виде стандартного винта с полукруглой головкой 8 и стандартной шестигранной гайки 9. Винт 7 вставлен со стороны дополнительного круглого отверстия 10 во внешнем элементе 2, в сквозные круглые соосные отверстия 11 внутреннего элемента 4 и в основное круглое отверстие 12 во внешнем элементе 2 до упора головки 8 во внутренний элемент 4. На концевую часть винта 7, выходящую за габариты внешнего элемента 2, навинчена гайка 9 с моментом вращения, достаточным для создания усилий между сопрягаемыми элементами данного болтового соединения, обеспечивающих их неподвижность при возможных максимальных механических воздействиях на них в процессе эксплуатации. Диаметр дополнительного отверстия 10 выбран из соображений обеспечения минимального зазора между ним и диаметром головки 8 с учетом возможных технологических отклонений изготовления телескопического узла, т.е. выполнена посадка с зазором. Боковая цилиндрическая поверхность головки 8 в данном случае выполняет роль опорной поверхности 13 фиксирующего устройства 6, которая имеет возможность опираться на внутреннюю поверхность дополнительного отверстия 10 в случае смещения винта 7 при приложении повышенных усилий к элементам телескопического соединения. Для увеличения площади контакта головки 8 с внутренней поверхностью дополнительного отверстия 10 винт 7 выбран с достаточной высотой цилиндрической частью головки 8.
В качестве элемента с боковой опорной поверхностью может быть использована круглая гайка 9 с цилиндрической боковой поверхностью 13, как это продемонстрировано на фиг. 2. В данном случае винт 7 введен в соединение через основное отверстие 12 внешнего элемента 2, сквозные отверстия 11 внутреннего элемента 4 и дополнительное отверстие 10 внешнего элемента 2, а затем на его концевую часть навинчена круглая гайка 9. Между боковой опорной поверхностью 13 круглой гайки 9 и поверхностью дополнительного отверстия 10 также существует минимальный зазор, чтобы была возможность гайке 9 упереться во внешний элемент 2 при возникновении их взаимного смещения.
Работают узлы соединения на фиг. 1, 2 следующим образом. При воздействии внешних сил на элементы телескопического соединения болтовое соединение с использованием винта 7 и гайки 9 удерживает внутренний элемент 4 от смещения в сторону удаления от стенки внешнего элемента 2 вдоль винта 7. Вращение внутреннего элемента 4 вокруг оси винта 7 предотвращается как за счет сил трения между элементами болтового соединения, так и благодаря размещению внутреннего элемента 4 в вогнутой цилиндрической внутренней поверхности внешнего элемента 2, которая ориентирует внутренний элемент 4 вдоль оси внешнего элемента 2. При возникновении достаточных усилий, смещающих внутренний элемент 4 вдоль внешнего элемента 2, в общем случае, сначала могут быть выбраны технологические зазоры между сквозными отверстиями 11 и винтом 7, затем будут выбраны зазоры между винтом 7 и основным отверстием 12. После этого может происходить наклон винта 7 в пределах сквозных отверстий 11. В результате в местах контакта винта 7 с отверстиями 12, 11 возникают поперечные составляющие усилий, которые способствуют деформациями трубных элементов и еще большему наклону винта 7 с соответствующим дополнительным перемещением внутреннего элемента 4 вдоль внешнего элемента 2. На этапе взаимных перемещений с наклоном винта 7 стабилизирующую роль в рассматриваемых конструкциях играют созданные условия для ограничения существенного наклона винта 7. Так, при упоре головки 8 винта 7 (фиг. 1) или гайки 9 (фиг. 2) в поверхность дополнительного отверстия 10 возникает компенсирующее усилие со стороны внешнего элемента 2, которое дополнительно препятствует наклону винта 7 и тем самым уменьшает смещение внутреннего элемента 4 вдоль внешнего элемента 2.
В случае передачи на внутренний элемент 4 момента вращения вокруг продольной оси данного элемента возникает компенсирующий момент со стороны стенок внешнего элемента 2 и прижимного усилия болтового соединения, что предотвращает значительное окружное смещение внутреннего элемента 4. Наличие в конструкциях на фиг. 1, 2 возможности упереться элементами фиксирующего устройства 6 в поверхность дополнительного отверстия 10 также способствует снижению возможных смещений внутреннего элемента 4 относительно внешнего элемента 2 в окружном направлении.
Для снижения взаимного смещения внутреннего элемента 4 вдоль внешнего элемента 2 на стадии выборки технологических зазоров между сквозными отверстиями 11 и винтом 7 в фиксирующее устройство 6 могут быть введены элементы с конической частью, входящей, например, в отверстие внутреннего элемента 11 со стороны дополнительного отверстия
10 внешнего элемента 2, как это изображено на фиг. 3. В рассматриваемом примере в качестве резьбового элемента 6 применен стандартный винт 7 с потайной головкой 8, коническая часть 14 которой входит в отверстие 11 внутреннего элемента со стороны дополнительного отверстия 10 внешнего элемента 2. Тем самым существующий зазор между винтом 7 и отверстием 11 оказывается сразу же выбранным, что дополнительно уменьшает возможные взаимные смещения внутреннего элемента 4 и внешнего элемента 2. Головка 8 винта 7 в данной конструкции выступает за габариты внешнего элемента 2, поэтому отверстие 10 выполнено меньшего диаметра, чем диаметр головки 8 винта 7 с целью минимизации зазоров между конической боковой опорной поверхностью 13 и дополнительным отверстием 10. В данном случае также выполняется посадка с зазором между боковой опорной поверхностью 13 и отверстием 10 или даже применена переходная посадка, поскольку, при необходимости, за счет повышенной продольной силы сжатия болтового соединения конической частью головки 8 могут быть несколько деформированы края отверстия 10 и обеспечено смещение винта до вхождения его конической части в отверстие 11.
Для того чтобы роль боковой опорной поверхности 13 выполняла цилиндрическая часть потайной головки 8, отверстие 11 может быть выполнено с зенковкой, как это показано на фиг. 4. С этой же целью можно несколько увеличить диаметр отверстия 11 в сравнении с вариантом на фиг. 3 или выполнить его овальной формы с увеличенной шириной в продольном направлении соединения. Площадь контакта опорной поверхности 13 головки 8 с поверхностью 15 дополнительного отверстия 10 при этом возрастает, что снижает контактные давления.
Чтобы снизить взаимные смещения внутреннего элемента 4 относительно внешнего элемента 2 на стадии выборки технологических зазоров между винтом 7 и основным отверстием 12 может быть, например, реализован вариант болтового соединения с винтом 7 с потайной головкой 8 и цилиндрической гайкой 9. Для этого, например, достаточно в конструкции на фиг. 2 заменить винт 7 с полукруглой головкой 8 на винт 7 с потайной головкой 8. В подобной конструкции возможно также применение нестандартной цилиндрической гайки с конической частью, входящей в отверстие 11 внутреннего элемента 4. Использование двух конических частей 14 может в максимальной степени снизить вероятность взаимных смещений внутреннего элемента 4 относительно внешнего элемента 2.
Соединение труб, например, с квадратным сечением может быть выполнено, как это изображено на фиг. 5. Здесь во внешнем элементе 2 и внутреннем элементе 4 из квадратного профиля выполнены отверстия 10, 11, 12 в ребрах 17 профиля. Это позволяет надежней фиксировать внутренний элемент 4 от вращения вокруг винта 7. Работа данного соединения аналогична работе рассмотренных выше конструкций. Однако возможная площадь контакта опорной поверхности 13 головки 8 с поверхностью 15 дополнительного отверстия 10 при использовании винта 7 с потайной головкой 8 в этом случае мала. Для ее увеличения может быть использован винт 7 с полукруглой головкой 8, а также на винт 7 может быть одета опорная втулка 18 (фиг. 6).
Отверстия под фиксирующий элемент 6 могут быть выполнены и в гранях квадратного профиля, например, как это показано на фиг. 7. Для предотвращения вращения внутреннего элемента 4 вокруг оси винта 7 он в данной конструкции подвинут вплотную к боковой грани 19 внешнего элемента 2. Размеры квадратных профилей и винта 7 здесь выбраны такими, чтобы при наклоне винта 7 осуществлялся контакт боковой опорной поверхности 13 головки 8 с поверхностью 15 дополнительного отверстия 10. Дополнительно увеличить площадь подобного контакта можно, используя винт 7 с цилиндрической головкой 8 увеличенной высоты (фиг. 8).
В случае необходимости размещения внутреннего квадратного элемента 4 в средней части полости 3 внешнего квадратного элемента 2 требуется использовать по крайней мере пару фиксирующих элементов 6 и располагать их в группах соосных отверстий 10, 11, 12, разнесенных вдоль внутреннего элемента 4 для создания достаточного компенсирующего момента, противодействующего вращению внутреннего элемента 4 вокруг оси винта 7.
Предлагаемые телескопические соединения могут быть выполнены с функцией регулирования глубины проникновения внутреннего элемента 4 в полость 3 внешнего элемента 2. В дискретном варианте для этого требуется дополнительно выполнить по меньшей мере в одном из телескопических элементов 2, 4 по крайней мере одну группу отверстий для размещения фиксирующего устройства 6 со сдвигом в продольном направлении относительно исходной группы отверстий. Для плавного регулирования указанной глубины проникновения вместо отверстий 11 во внутреннем элементе 4 или отверстий 10, 12 во внешнем элементе 2 могут быть выполнены пазы в продольном направлении узла соединения. Однако вероятность смещения внешнего элемента 2 и внутреннего элемента 4 относительно друг друга в этом случае повышается и зависит от направления действия внешних сил на соединение.
Возможно использование в качестве внутреннего элемента 4 стержня того или иного сечения со сквозным отверстием. Внешний элемент 2 также может быть в виде стержня с полостью 3.
Форма отверстий 10, 11, 12 в общем случае может быть различной, например шестигранной, квадратной, треугольной, овальной. Форма и виды винтов, болтов или гаек так же могут быть различными, в том числе нестандартными. В качестве гайки 9 могут быть использованы гайки Эриксона для более компактного выполнения узла соединения, в том числе с полупотайной головкой для дополнительного снижения люфтов в соединении. Возможно использование шпилек с гайками, саморезов и т.д. Саморез может быть ввернут в фиксирующую шайбу, выполняющую роль гайки, или непосредственно в стенку внешнего элемента 2. В соединении могут быть использованы дистанционные шайбы и шайбы Гровера. Элементы телескопического соединения могут выполняться из разных материалов и их сочетаний.
Все рассмотренные конструкции телескопического соединения не исчерпывают всех возможных вариантов реализации заявленного технического решения.
Таким образом, предложенная конструкция телескопического соединения стержней или труб позволяет уменьшить люфты в узле, использовать различные виды соединений болтового типа, уменьшить число элементов при регулировании высоты соединения и может быть использована, например, в ручных инструментах для обработки почвы для передачи поступательных и вращательных движений на рабочий орган.