ЭЛЕМЕНТ ПОВОРОТА КРУГЛОГО ПОРУЧНЯ ИЗ ДЕРЕВА И ДЕРЕВЯННЫЙ ПОРУЧЕНЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ЭЛЕМЕНТ ПОВОРОТА
WOODEN HANDRAIL TURNING ELEMENT AND WOODEN HANDRAIL CONTAINING THIS TURNING ELEMENT

Группа изобретений относится к области строительства и может быть использована при изготовлении конструкций круглого поручня из дерева для балюстрад, перил лестниц, защитных ограждений, балетных хореографических станков, пристенных поручней, поручней для людей с ограниченными возможностями.
Известны элементы поворота круглого поручня из дерева, используемые для изготовления перил (http://www.bleskmet.ru/lastnews, см. Приложение 1).
Элементы поворота представляют собой часть открытого тора, ограниченные двумя торцами в плоскостях, проходящих через ось тора и образующих между собой угол заданного размера. Элементы поворота выполнены с центральными сверловками под шкант. Дальнейшая стыковка таких элементов осуществляется шкантом на клей или саморезом с резьбой вместо шляпки. А для придания конструкции поручня, для которого элемент предназначен, завершенного вида и сокрытия зазоров используются стыковочные кольца.
Использование таких элементов поворота в конструкции поручней не позволяет обеспечить достаточную надежность соединения, что особенно сказывается в общественных местах, так как в этом случае требуется значительный запас прочности.
Известен также элемент поворота круглого деревянного поручня из дерева, представляющий собой часть открытого тора, ограниченного двумя торцами в плоскостях, проходящих через ось тора и образующих между собой угол заданного размера, имеющий цилиндрические углубления в центре торцов и сквозное отверстие, направленное под углом к торцу (DE 102008063176 A1, 15.07.2010). Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Такое выполнение сквозного отверстия в элементе поворота существенно снижает жесткость конструкции поручня, в котором он используется, из-за того, что стягивание элементов происходит под углом к плоскости контакта.
Сборные конструкции из прямых и поворотных элементов деревянного поручня составляют склеиванием, склеиванием с упрочнением шипами (http://onsteps.ru/info/perila-dlya-lestnic-poruchni-i-balyasiny/, см. Приложение 2), а также соединением элементов при помощи резьбовых шпилек с дополнительным укреплением шкантами и клеем (http://www.allhomes.ru/shkola-remonta/1503/, см. Приложение 3).
Использование деревянных шипов в сочетании с клеем позволяет соединить детали между собой, однако шипы не обеспечивают плотного прижима деталей друг к другу, что необходимо для надежного соединения. Возможно использование специальных приспособлений для сжатия соединения на время схватывания клея, но такие приспособления, как правило, не универсальные, требуют высокой квалификации. Соединения в такой конструкции в процессе эксплуатации удерживаются только клеем.
Использование шпилек позволяет стянуть детали между собой, а использование вместе со шпильками деревянных шипов усиливает клеевое соединение и помогает точно совместить детали между собой, однако предлагаемый вариант имеет технологический паз для доступа к шпильке (гайке), чтобы ее затянуть. Закрыть паз так, чтобы это не бросалось в глаза на изделии из дерева, сложно. На круглом поручне закрывающий лючок будет еще заметнее, так как на круглом поручне вся поверхность лицевая. Доступ к крепежу во время монтажа осуществляется через паз и поэтому затруднителен.
В настоящее время полностью деревянный круглый поручень с поворотами из дерева используется только для домашней обстановки.
Недостатками известных приемов соединения элементов деревянного поручня является невысокая надежность их соединения, необходимость шлифовки, шпаклевки, подкрашивания места соединения элементов.
Известен также круглый деревянный поручень (DE 102008063176 A1, 15.07.2010), состоящий из прямолинейных частей с пазами, к которым крепятся элементы поворота с цилиндрическими углублениями и сквозными отверстиями в центре торцов для изогнутой резьбовой шпильки, при этом оси отверстий смежных элементов расположены под углом друг к другу, а соединяющая элементы изогнутая резьбовая шпилька имеет изгиб 135-180°, изгиб расположен в месте соединения элементов. Изогнутые резьбовые шпильки связаны между собой посредством резьбовой муфты, а торцы элементов отцентрированы посредством буксы. Прямолинейная часть поручня, к которой крепится поворот из элементов, имеет паз, а первый и последний в повороте элементы заканчиваются соединительной металлической деталью с планкой для крепления к пазу прямолинейной части и внешним кольцом, несущим две функции: оно совмещает и удерживает относительно друг друга прямолинейную часть и собранный из элементов поворот и выполняет декоративную функцию - закрывает соединительную деталь. Такой вариант конструкции поручня отличается наличием непрерывной на протяжении всего поворота металлической крепежной системой, это существенно увеличивает надежность конструкции в процессе эксплуатации и этим выгодно отличается от предыдущих методов. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Благодаря форме элементов поворота и системе крепежа конструкция прототипа позволяет создать плавный изгиб поворота. Конструкция отчасти обладает универсальностью, позволяет создавать повороты различной формы. Однако данная возможность сильно ограничена тем, что изгиб соединяющей шпильки находится в месте соединении деталей поворота, а следовательно, поворот одной детали относительно другой ограничен упругостью шпильки. Практически возможно создать конструкцию поворота только в одну выбранную сторону и в одной плоскости с небольшим отклонением за счет упругой деформации шпильки. Крепление поворота прототипа может осуществляться только к поручню с определенным пазом, что снижает универсальность конструкции. Деталь крепления поворота к прямолинейной части имеет сложную форму и, следовательно, высокую стоимость. Задача создания полностью деревянного поручня в прототипе решена лишь частично. Полностью деревянный поворот крепится к поручню с помощью соединительной детали, выступающей снаружи поручня в виде металлического кольца и планки. Соединение поворота и прямолинейной части осуществляется в нижней части поручня, на самом краю поперечного сечения, т.е. в стороне от центральной оси изделия, что увеличивает нагрузку на элемент крепежа при приложении силы на поворот сверху вниз, а такое приложение силы является основным для поручня. Эта особенность ограничивает сферу применения с точки зрения надежности. Данная сборная конструкция сложна в сборке - крепление элементов друг к другу осуществляется при помощи специального ключа в глубине изгиба, к прямолинейной части поручня крепится уже собранная из элементов поворота конструкция поворота.
Задачей и техническим результатом группы изобретений является повышение надежности конструкции, упрощение сборки, расширение возможностей формообразования конструкций поручня, повышение эстетических и эргономических свойств за счет отсутствия видимых металлических деталей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что элемент поворота для использования в конструкции круглого деревянного поручня выполнен в виде части открытого тора, ограниченной двумя торцами в плоскостях, проходящих через ось тора и образующих между собой угол α не более 90°, имеет сквозное отверстие, образованное двумя отверстиями, оси которых перпендикулярны к его торцам и пересекаются под углом 180° - α, и, при необходимости, цилиндрическое углубление в центре одного или обоих торцов, ось которого перпендикулярна торцу.
Заявляемый деревянный поручень содержит не менее одного элемента поворота, не менее одной прямолинейной части поручня, при необходимости, окончание поручня, при необходимости, для образования поворота поручня - один или более прямых элементов со сквозным отверстием и цилиндрическими углублениями в центре торцов, и крепежную совмещающую систему, включающую в себя прямые и изогнутые резьбовые шпильки, шайбы для совмещения элементов и установленные на них соединительные гайки, при этом элемент поворота выполнен в виде части открытого тора, ограниченной двумя торцами в плоскостях, проходящих через ось тора и образующих между собой угол α не более 90°, имеет сквозное отверстие, образованное двумя отверстиями, оси которых перпендикулярны к его торцам и пересекаются под углом 180° - α, и, при необходимости, цилиндрическое углубление в центре одного или обоих торцов, ось которого перпендикулярна торцу, а толщина шайбы, установленной в месте совмещения элементов, образующих поворот поручня, составляет более одной, но менее двух величин глубины цилиндрических углублений, а толщина шайбы, установленной в месте совмещения элемента поворота с прямолинейной частью поручня, не превышает одной глубины цилиндрического углубления, причем в торце прямолинейной части поручня установлена резьбовая шпилька в виде винт-шуруп, а изогнутая резьбовая шпилька, размещенная в сквозном отверстии элемента поворота, являющемся последним в повороте поручня и совмещаемом с прямолинейной частью поручня, выполнена укороченной.
Выполнение элемента поворота круглого поручня с заявляемой совокупностью признаков и использование такого элемента поворота в деревянном поручне позволяет совместить ось крепежной системы на всех участках соединения элементов, как между собой, так и на участке соединения с прямолинейной частью поручня с центральной осью изделия, что снижает нагрузку на элементы крепежной совмещающей системы, а соответственно, увеличивает надежность сборной конструкции.
Такие элементы крепежной совмещающей системы, как соединительные гайки и шпильки в виде винт-шуруп, являются стандартными.
Толщина шайбы, установленной в месте совмещения элемента поворота с прямолинейной частью поручня, не должна превышать глубины цилиндрического углубления в элементе поворота, так как в торце прямолинейной части, в отличие от торцов элементов, нет углубления для шайбы. В данном случае относительно прямолинейной части поручня шайба центрируется своим внутренним отверстием посредством шпильки винт-шуруп, установленной в прямолинейной части, а внешней поверхностью - цилиндрическим углублением в элементе поворота. Таким образом обеспечивается совмещение поверхностей прямолинейной части и элемента поворота.
Шайба для совмещения элементов, установленная в месте совмещения элементов, образующих поворот поручня - элементов поворота и прямых элементов, должна выступать из цилиндрического углубления в элементе, который она прижимает, однако величина выступающей части не должна превышать глубину цилиндрического углубления в элементе, который на нее надевается. В этом случае совмещение торцевых поверхностей элементов обеспечивается за счет совмещения цилиндрических углублений посредством внешней поверхности шайбы.
Изогнутая резьбовая шпилька отличается от прямой резьбовой шпильки изгибом на угол 180° - α, что обеспечит ее установку в элемент поворота.
Изогнутая резьбовая шпилька, размещенная в сквозном отверстии элемента поворота, являющегося последним в повороте поручня, выполнена укороченной по сравнению с остальными изогнутыми резьбовыми шпильками, если последний в повороте поручня элемент поворота совмещается с прямолинейной часть поручня, из торца которого выступает шпилька винт-шуруп. Такое совмещение элемента поворота с прямолинейной частью поручня позволяет быстро и надежно завершить сборку поручня, придав ему заданную форму.
Для элементов поворота с углом α до 30° изгиб шпильки может быть сделан в виде угла. Для элементов поворота с углом α более 30° изгиб шпильки может иметь форму дуги, при этом резьбовые части должны оставаться прямыми, а угол между осями резьбовых концов шпильки должен составлять 180° - α.
Для установки резьбовой шпильки в виде винт-шуруп в центре торца прямолинейной части поручня может быть выполнено глухое отверстие, ось которого перпендикулярна торцу.
Процесс сборки еще более упрощается, если длина части с метрической резьбой шпильки винт-шуруп равна сумме толщины шайбы, установленной в месте совмещения элемента поворота с прямолинейной частью поручня, и половины длины соединительной гайки.
Надежность конструкции и точность совмещения деталей поручня увеличится, если подобрать внешний диаметр шайбы для совмещения элементов таким образом, чтобы обеспечить ее плотную посадку в цилиндрическое углубление.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На Фиг. 1 представлен элемент поворота, на Фиг. 2 - чертеж, поясняющий определение максимально допустимого угла α, на Фиг. 3 - чертеж, поясняющий определение минимально допустимого угла α, на Фиг. 4 - поручень с двумя прямолинейными частями и элементами поворота, на Фиг. 5 - поручень с двумя прямолинейными частями, элементами поворота и прямым элементом поворота, на Фиг. 6 - поручень с двумя прямолинейными частями и склеенными элементами поворота, на Фиг. 7 - поручень с двумя прямолинейными частями и двумя группами склеенных элементов поворота, совмещенных между собой крепежной совмещающей системой - двумя изогнутыми шпильками в виде дуги, шайбой и гайкой, на Фиг. 8 - поручень с одной прямолинейной частью, элементами поворота и окончанием поручня.
Элемент поворота и конструкция круглого деревянного поручня с таким элементом содержат: 1 - элемент поворота, 2 - сквозное отверстие, 3 - цилиндрические углубления в торцах элементов, образующих поворот поручня, 4 - прямой элемент поворота поручня, 5 и 6 - прямолинейные части поручня, 7 - глухое отверстие в торце прямолинейной части поручня, 8 - шпилька винт-шуруп, 9 - тонкая шайба для совмещения элементов, 10 - шайба для совмещения элементов, 11 - соединительная гайка, 12 - изогнутая резьбовая шпилька, 13 - прямые резьбовые шпильки, 14 - укороченная изогнутая резьбовая шпилька, 15 - окончание поручня.
При помощи чертежей, представленных на Фиг. 2 и Фиг. 3, можно объяснить выбор максимально допустимого значения угла α для элемента поворота.
Формы элемента поворота 1, представляющего собой часть открытого тора, зависят от значения угла α между плоскостями, проходящими через ось тора. При этом значение максимального и минимального угла α различно для разных радиусов поворота R деревянного поручня. Например, на поручне маршей лестниц радиус поворота может составлять 100 мм, для винтовых лестниц R=700 мм и более, радиус поворота поручня для ограждения балкона в театре или концертном зале может составлять несколько десятков метров. В последнем случае значение угла α будет приближаться к нулевым значениям, а элемент поворота внешне будет мало отличаться от прямого элемента. Для каждого радиуса поворота R есть максимально допустимое значение угла α, а есть минимально допустимое значение угла α.
Для определения максимально и минимально допустимых значений угла α воспользуемся следующими математическими формулами.
Максимальное значение угла α элемента поворота ограничено требованием обеспечить достаточную толщину стенки элемента поворота в месте, где сквозное отверстие 2 ближе всего подходит к внешней поверхности элемента поворота, и можно определить по формуле:
,
тогда
,
где R - радиус поворота, d - диаметр сквозного отверстия 2 в элементе поворота 1, D - диаметр круглого поручня, δ - минимально допустимая толщина стенки элемента поворота в месте, где сквозное отверстие 2 ближе всего подходит к внешней поверхности элемента поворота. Фиг. 2 поясняет определение максимально допустимого значения угла α.
Минимальное значение угла α элемента поворота ограничено необходимостью разместить в элементе детали крепежной системы и можно определить по формуле:
,
тогда
,
1
2
где R - радиус поворота, d - диаметр сквозного отверстия 2 в элементе поворота 1, h - толщина тонкой шайбы 9, h - длина соединительной гайки 11. Фиг. 3 поясняет определение минимально допустимого значения угла α.
Подставив числовые значения в формулы, можно просчитать интервал, в котором может находиться значение угла α при заданных углах поворота поручня, различных диаметрах поручня и крепежной системы.
Минимально допустимая толщина стенки δ элемента поворота 1 в месте, где сквозное отверстие 2 ближе всего подходит к внешней поверхности элемента поворота 1 зависит от прочности материала (породы древесины). Для расчетов δ взято 3 и 5 мм.
Диаметр сквозного отверстия 2 в элементе поворота 1 зависит от размеров крепежной совмещающей системы - габаритного диаметра соединительной гайки 11. Например, для гаек М8 достаточным будет отверстие d=15 мм.
Диаметр поручня возьмем равным наиболее часто применяемому в настоящее время диаметру поручня из нержавеющей стали - D=50,8 мм, а также применяемым иногда диаметрам 40 и 60 мм.
1
Толщину тонкой шайбы 9 возьмем h=3 мм.
2
Длина стандартной соединительной гайки h равна трем диаметрам резьбы.
Проведенные расчеты и практика применения элементов поворота в конструкциях поручня показали, что угол α между плоскостями, проходящими через ось тора, частью которого является элемент поворота, может достигать 90 градусов только при малом радиусе поворота поручня (строка 6 Таблицы). При этом значение радиуса приближается к минимально возможному, так как радиус поворота поручня не может быть меньше радиуса самого поручня. В то же время при больших значениях радиуса поворота минимальное ограничение диапазона угла α стремиться к нулю (строка 4 Таблицы).
Применение поручня с малым радиусом поворота не всегда возможно, а также может быть нецелесообразно с эстетической точки зрения, в то же время поворот поручня с углом α=90° наиболее востребован на практике. Поворот с большим углом α можно собрать из нескольких элементов поворота, однако для упрощения монтажа конструкции удобнее соединить эти элементы заранее в промышленных условиях. Элементы поворота со сквозным отверстием, образованным встречным сверлением отверстий, оси которых перпендикулярны к его торцам и пересекаются под углом, равным углу 180° - α, склеиваются между собой таким образом, чтобы отверстие каждого элемента совместилось с отверстием смежного элемента. При условии, что обработка лицевой поверхности конструкции будет осуществляться после склейки, но в промышленных условиях, точное совмещение отверстий не требуется. В этом случае для совмещения элементов не используются шайбы для совмещения, а следовательно, на склеиваемых торцах элементов можно не делать цилиндрические углубления. На двух свободных торцах склеенной группы элементов поворота цилиндрические углубления необходимы. Полученная конструкция используется так же, как и одиночный элемент поворота, крепиться одной шпилькой, однако шпилька должна иметь форму дуги, т.к. сквозное отверстие будет иметь форму ломанной, приближенной к дуге.
Таким образом, поворот поручня может содержать элементы поворота, прямые элементы, а также склеенные группы элементов поворота в различных сочетаниях, при этом с точки зрения монтажа конструкции склеенная группа элементов поворота не отличается от единичного элемента поворота. Далее в описании по сборке поручня все, что относится к элементу поворота поручня, также относится и к склеенной группе элементов поворота.
Сборка поручня осуществляется следующим образом.
Прямолинейные части 5 и 6 круглого поручня из дерева нарезаются на необходимую длину. Рез прямолинейной части осуществляется под прямым углом к оси поручня. На торцах прямолинейных частей 5 и 6 по центру вдоль оси поручня сверлятся глухие отверстия 7. В отверстия 7 прямолинейных частей 5 и 6 вкручиваются шпильки винт-шуруп 8. На вкрученные шпильки 8 надеваются шайбы 9 и притягиваются соединительными гайками 11.
Прямолинейная часть поручня 5 крепится на опоры или ложементы в соответствии с проектом. В свободный конец соединительной гайки 11 на прямолинейной части 5 вкручивается резьбовая шпилька. Подбор шпильки осуществляется следующим способом: для элемента поворота, являющегося последним или единственным в повороте и совмещаемым с прямолинейной частью поручня 6, применяется укороченная изогнутая резьбовая шпилька 14, для элемента поворота, не являющегося последним, применяется изогнутая резьбовая шпилька 12, для прямого элемента поворота 4 применяется прямая резьбовая шпилька 13. Шпилька закручивается до упора, а затем отворачивается на угол от 0° до 360° таким образом, чтобы шпилька приняла направление, запланированное для поворота поручня.
На шпильку 12, 13 или 14 надевается элемент поворота 1 или прямой элемент 4.
Если элемент поворота 1 не является последним, с противоположного конца отверстия 2 элемента поворота 1 будет выступать конец шпильки 12. С противоположного конца отверстия 2 прямого элемента поворота поручня 4 всегда будет выступать конец шпильки 13.
На выступающий конец шпильки 12 или 13 надевается центрирующая шайба 10, которая частично заходит в цилиндрическое углубление 3 в элементах 1 или 4. Шайба 10 притягивается соединительной гайкой 11. Перед окончательной затяжкой гайки 11 необходимо обеспечить требуемое направление притягиваемому элементу.
В свободный конец соединительной гайки 11 вкручивается резьбовая шпилька 12, 13 или 14, соответствующая следующему присоединяемому элементу. Далее операции повторяются необходимое количество раз.
Крепление последнено элемента поворота 1 осуществляется следующим образом.
Укороченная резьбовая шпилька 14, на которую надет последний элемент поворота 1, не выступает из отверстия 2. Прямолинейная часть поручня 6 подводится к элементу поворота 1 таким образом, чтобы совместить гайку 11 и шпильку 14, после чего гайка 11 вместе с прямолинейной частью поручня 6 накручивается на шпильку 14. По мере закручивания шайба 9 заходит в цилиндрическое углубление 3, обеспечивая совмещение элементов поворота 1 и прямолинейной части поручня 6. При правильном выборе длины изогнутых шпилек 14 прямолинейная часть поручня 6 должна плотно прижаться к элементу поворота 1. После чего прямолинейная часть поручня 6 крепится на опоры или ложементы в соответствии с проектом.
Деревянный поручень заявленной конструкции с использованием заявленных элементов поворота надежен в использовании, прост в сборе и изготовлении, эстетичен, что обеспечивается возможностью четкого совмещения всех элементов и частей поручня, отсутствием внешних дополнительных элементов для крепления элементов поворота к прямолинейным частям и для сокрытия мест соединения элементов поворота поручня. Группа изобретений позволяет из готовых элементов собрать различные конфигурации поручней в зависимости от технического задания и особенностей объекта. Если в прототипе сборка осуществляется при помощи специального ключа в глубине изгиба, то в предлагаемой конструкции элементы стягиваются гайкой снаружи изгиба обычным ключом.