КАЧЕЛИ
SWING

Изобретение относится к качелям с элементами карусели, приводимой в движение пассажирами, с сиденьями, образующими балансирные качели. Качели предназначены для развлечения одновременно двух детей в возрасте от 5 до 12 лет и устанавливаются как на уличной детской площадке, так и в закрытом помещении.
Известны балансирные качели, которые содержат перекладину с сиденьями и рукоятками перед ними. Середина перекладины опирается на опорные вертикальные пластины, соединенные между собой осью, при этом нижняя пластина закреплена на основании качелей, а верхняя жестко соединена с перекладиной. С обеих сторон в непосредственной близости от опорных пластин установлены вертикально пружины сжатия, у которых нижний конец закреплен на основании качелей, а верхний жестко соединен с перекладиной (РФ, полезная модель №102894, A63G 11/00, 20.03.2011).
Конструкция известных качелей повышает безопасность их использования благодаря введению в узел качания пружин сжатия, которые не допускают ударов сиденья о землю, делают качание более плавным, а также демпфируют возможные удары о сиденье при резком переходе сиденья в нижнее положение. К недостатку известных качелей относится возможность качания только в вертикальной плоскости, что снижает интерес к качелям, снижает развлекательность.
Известна карусель, приводимая в движение пассажирами, которая содержит основание с вертикальной стойкой. Основание карусели имеет возможность вращения вокруг стойки, с которой консольно соединены сиденья. На верхнем конце стойки закреплено горизонтально колесо. На основании карусели шарнирно установлен горизонтальный вал с рычагом управления на одном конце и подпружиненными регулируемыми упорами на другом конце, соединенными с нижним концом вертикальной стойки. Пассажиры, отталкиваясь от неподвижного колеса, закрепленного на стойке, приводят сиденья в движение по кругу. Один из пассажиров произвольно поворачивает рычаг управления в ту или другу сторону. При этом одновременно поворачивается горизонтальный вал, а вместе с ним и жестко связанная с ним вертикальная стойка. При этом сиденья приобретают дополнительную степень свободы (авторское свидетельство СССР №993965, A63G 1/16, 07.02.83).
Недостаток известной карусели в том, что она требует много мускульных усилий как для приведения в движение сидений в горизонтальной плоскости, так и для их покачивания из стороны в сторону. Кроме того, непредсказуемость положения сиденья в результате произвольного использования рычага управления повышает опасность пользования известной каруселью. К тому же движения карусели однообразны. В результате снижается привлекательность карусели.
Наиболее близкими к предлагаемым являются качели с элементами карусели, содержащие неподвижно закрепленную вертикальную опорную стойку, коромысло V-образной формы углом вверх, состоящее из двух рычагов, жестко соединенных под углом друг к другу посредством распорки. На свободных концах рычагов закреплены сиденья с упорными ручками, под каждым из которых закреплен амортизатор. В верхней части вертикальной опорной стойки в опорном подшипнике закреплена ось вращения коромысла, на которую насажен один конец карданного шарнира, второй конец которого соединен с распоркой. Карданный шарнир имеет две оси вращения. Кроме того, на оси вращения коромысла под карданным шарниром жестко закреплена жесткая пластина в форме круга, выпуклая в сторону шарнира. Между пластиной и распоркой выше карданного шарнира размещен амортизатор из резины, у которого сторона, обращенная к выпуклой стороне пластины, конгруэнтна соответствующей поверхности последней. Амортизатор ограничивает движения верхнего конца карданного шарнира, но не мешает вращательным движениям карданного шарнира в области его осей вращения. Пластина и амортизатор вместе составляют демпфирующий элемент.(TW584007, A63G 1/28, A63G 1/32, 11.04.2004, HAGS МЕK АВ [SE], «Device for swinging and rotating playing equipment»).
Качели приводят в движение пассажиры, отталкиваясь ногами от основания. Поскольку второй конец карданного шарнира соединен с распоркой, то коромысло повторяет все движения шарнира, одновременно совершая вращательные движения на оси вращения качели. В результате в известных качелях коромысло совершает качательные и наклонные движения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и круговые движения в горизонтальной плоскости. При этом величина максимального отклонения плоскости коромысла от первоначального вертикального положения, а также максимальная высота подъема сиденья являются величиной случайной и зависят, в первую очередь, от веса пассажиров, от мускульной силы их ног и, в незначительной степени, от функционирования демпфирующего устройства. Последнее обусловлено тем, что в известных качелях конструкция демпфирующего устройства решает задачу увеличения срока службы карданного шарнира. В результате в известных качелях величина максимального отклонения плоскости коромысла от вертикального положения неконтролируемая и может приближаться к 90°, что снижает безопасность использования известных качелей. Этот недостаток усугубляется тем, что карданный шарнир имеет две оси вращения, что увеличивает количество вариантов положения коромысла в пространстве, а следовательно, увеличивает неопределенность в сохранении безопасной величины отклонения коромысла от первоначального вертикального положения. В результате в известных качелях повышается развлекательность за счет возможности увеличения степеней свободы коромысла, а именно: коромысло совершает качательные и наклонные движения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и круговые движения в горизонтальной плоскости. Однако отсутствие возможности обеспечения контролируемого безопасного положения коромысла одновременно с повышением развлекательности повышает опасность пользования известными качелями.
В известных качелях демпфирующее устройство состоит из резиновой прокладки, охватывающей верхний конец шарнира, и жесткой пластины в форме диска, выпуклого в сторону резиновой прокладки. В результате резиновая часть демпфирующего устройства защищает карданный шарнир от механических повреждений, смягчая удары, которые он получает в случае резкого приземления сиденья. Благодаря контакту с выпуклой стороной жесткой пластины, демпфирующее устройство выравнивает движения карданного шарнира при вращении с осью вращения коромысла. Таким образом, в известных качелях конструкция демпфирующего устройства для карданного шарнира лишь отрабатывает жесткие ситуации, возникающие в работе шарнира, реагируя на факт удара, но не позволяет заранее предотвратить или смягчить неблагоприятный режим работы для карданного шарнира, отслеживая положение шарнира. В результате снижается срок службы карданного шарнира, повышается вероятность его поломки, снижается безопасность пользования качелями.
Кроме того, устройство демпфирования практически не защищает пассажиров от неприятных ситуаций. Для пассажиров работают демпфирующие устройства под сиденьями. В результате также снижается безопасность пользования известными качелями.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания качелей, осуществление которой обеспечивает возможность достижения технического результата, заключающегося в повышении безопасности пользования качелями без снижения их развлекательности, в увеличении срока службы карданного шарнира путем улучшения условий его работы.
Сущность заявленного изобретения заключатся в том, что в качелях, содержащих неподвижно закрепленную вертикальную опорную стойку и коромысло V-образной формы углом вверх, состоящее из двух рычагов, жестко соединенных под углом друг к другу посредством распорки, на свободных концах рычагов закреплены сиденья с упорными ручками перед ними, под каждым из которых закреплен амортизатор, кроме того, в верхней части вертикальной опорной стойки в опорном подшипнике закреплена ось вращения коромысла, соединенная с карданным шарниром, при этом в состоянии, когда ось вращения коромысла совпадает с продольной осью карданного шарнира, вертикальная ось симметрии коромысла совпадает с осью вращения коромысла, новым является то, что ось вращения коромысла состоит из верхней и нижней частей, соединенных между собой карданным шарниром, при этом карданный шарнир имеет одну ось вращения, кроме того, введен пружинный узел, содержащий верхнее и нижнее основания, соединенные между собой идентичными вертикальными пружинами сжатия, которые жестко закреплены на основаниях радиально относительно продольной оси узла, с одинаковым радиусом и через равные промежутки, при этом нижнее основание узла жестко соединено с нижней частью оси вращения коромысла, верхнее основание узла жестко соединено с верхней частью оси вращения коромысла выше карданного шарнира, а распорка коромысла жестко закреплена на верхнем основании пружинного узла таким образом, что в состоянии, когда нижнее и верхнее основания пружинного узла параллельны друг другу и продольная ось пружинного узла совпадает с осью вращения коромысла и продольной осью карданного шарнира, плоскость, проходящая через коромысло, развернута на острый угол по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения карданного шарнира. Кроме того, в пружинном узле основания могут быть выполнены в форме диска. При этом верхнее и нижнее основания пружинного узла могут быть соединены между собой шестью пружинами сжатия.
Существенные признаки заявленного изобретения: «Качели, содержащие неподвижно закрепленную вертикальную опорную стойку и коромысло V-образной формы углом вверх, состоящее из двух рычагов, жестко соединенных под углом друг к другу посредством распорки, на свободных концах рычагов закреплены сиденья с упорными ручками перед ними, под каждым из которых закреплен амортизатор, кроме того, в верхней части вертикальной опорной стойки в опорном подшипнике закреплена ось вращения коромысла, соединенная с карданным шарниром, при этом в состоянии, когда ось вращения коромысла совпадает с продольной осью карданного шарнира, вертикальная ось симметрии коромысла совпадает с осью вращения коромысла…» - являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а следовательно, обеспечивают соответствие заявленного изобретение критерию «промышленная применимость» и достижение заявленного технического результата.
Технический результат достигается следующим образом.
В предложенное устройстве введен пружинный узел, у которого нижнее основание жестко соединено с нижней осью вращения коромысла, а верхнее основание жестко соединено с верхней осью вращения коромысла выше карданного шарнира. В результате пружинный узел закреплен в качелях с возможностью синхронного вращения его оснований с осью вращения коромысла. Соединение оснований пружинного узла между собой идентичными вертикальными пружинами обеспечивает закрепление оснований на расстоянии друг от друга, а также параллельность оснований друг другу в исходном состоянии. В пружинном узле пружины жестко закреплены на основаниях радиально относительно продольной оси узла, с одинаковым радиусом и через равные промежутки. Это, а также идентичное выполнение пружин, обеспечивает для пружин равные условия работы и позволяет равномерно распределять воздействие пружин на ось вращения. Выполнение оснований пружинного блока в форме круга упрощает размещение на них пружин радиально. Количество пружин определятся размером оснований. Оптимальным является шесть пружин, так как в этом случае между центрами пружин расстояние составляет 60°, что обеспечивает широкий диапазон выбора диаметра пружин и толщину проволоки, а также достаточное расстояние между пружинами, позволяющее им функционировать, не мешая друг другу.
В предложенных качелях карданный шарнир имеет одну ось вращения. При этом распорка коромысла жестко закреплена на верхнем основании пружинного блока таким образом, что в состоянии, когда нижнее и верхнее основания пружинного блока параллельны друг другу и продольная ось пружинного узла совпадает с осью вращения коромысла и продольной осью карданного шарнира, плоскость, проходящая через коромысло, развернута на острый угол по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения карданного шарнира. При этом выполнение оси вращения коромысла из верхней и нижней частей, соединенных между собой карданным шарниром, обеспечивает возможность изменения положения в пространстве верхнего основания пружинного узла в соответствии с вращением карданного шарнира на собственной оси, одновременно выполняя вращательные движения на оси вращения коромысла. В результате, при одновременном вращении шарнира на собственной оси и на оси вращения коромысла, плоскость, проходящая через коромысло, а следовательно, и само коромысло, будет отклоняться от вертикального положения в ту или иную сторону во взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременно совершая вращательные движения вокруг собственной оси.
Таким образом, несмотря на использование карданного шарнира с одной собственной осью вращения, благодаря предлагаемому закреплению коромысла относительно карданного шарнира, коромысло совершает сложные вращательно-колебательные движения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях аналогично прототипу.
Кроме того, поскольку коромысло закреплено так, что плоскость, проходящая через коромысло, развернута на фиксированный острый угол по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения карданного шарнира, то для коромысла максимальный угол отклонения от вертикального положения для данного угла закрепления фиксирован и всегда меньше 90°.
Таким образом, предлагаемое закрепление коромысла на верхнем основании пружинного узла фиксирует величину максимального отклонения коромысла от вертикали, исключая неконтролируемое положение коромысла в пространстве как при выполнении качательных движений на оси вращения карданного шарнира, так и отклонение от вертикали при одновременном вращении карданного шарнира на собственной оси и на оси вращения коромысла.
Таким образом, в предлагаемых качелях, несмотря на использование карданного шарнира с одной собственной осью вращения, благодаря предлагаемому закреплению коромысла относительно карданного шарнира, обеспечивающему фиксированный угол максимального безопасного отклонения коромысла от вертикального положения, коромысло совершает сложные вращательно-колебательные движения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях аналогично прототипу, что сохраняет развлекательность качелей, одновременно повышая безопасность пользования качелями по сравнению с прототипом.
Для соединения карданного шарнира с верхней и нижней осью вращения обычно соответствующие концы шарнира насаживают на ось вращения, что их усиливает, поскольку в этом случае ось вращения коромысла выполняет одновременно роль усиливающей арматуры, что продлевает срок службы карданного шарнира.
В пружинном блоке верхнее и нижнее основания соединены между собой вертикальными пружинами сжатия, которые жестко закреплены на основаниях радиально относительно продольной оси узла, с одинаковым радиусом и через равные промежутки. Использование в пружинном блоке пружин сжатия позволяет использовать их как на сжатие, так и на растяжение, что, в совокупности с предлагаемым закреплением пружин, позволяет отслеживать все движения карданного шарнира и обеспечивает демпфирование шарнира в любом положении адекватно положению шарнира в пространстве.
При закреплении пружин в соответствии с заявленным каждая пружина растягивается только на величину, соответствующую усилию, воздействующему на шарнир во время движения качели. В результате положение шарнира отслеживается пружинами автоматически при любом положении коромысла, что обеспечивает демпфирование шарнира в следящем режиме. Кроме того, поскольку распорка коромысла закреплена на верхнем основании пружинного блока, то пружинный блок связан через рычаги коромысла с укрепленными на них сиденьями. Поэтому усилие, формируемое мускульной силой пассажиров для приведения в движения качелей, воздействует не непосредственно на карданный шарнир, а распределяется между пружинами и карданным шарниром. Возможность предварительного расчета параметров пружин обеспечивает щадящий режим работы карданного шарнира, увеличивая срок его службы, а также позволяет фиксировать максимальную высоту подъема сидений, что повышает безопасность пользования качелями.
В результате в предложенных качелях демпфирующее устройство ограничивает нагрузку на шарнир, снижает вероятность резких изменений нагрузки в виде ударов, толчков, в том числе и из-за действия пассажиров. Одновременно демпфирующее устройство выполняет свою прямую функцию и по отношению к сиденьям пассажиров, одновременно демпфируя и сиденья, в отличие от прототипа, обеспечивая плавность хода карданного шарнира, фиксируя высоту подъема сидений, что повышает безопасность пользования качелями.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что предложенные качели при осуществлении обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении безопасности пользования качелями без снижения их развлекательности, в увеличении срока службы карданного шарнира путем улучшения условий его работы.
На фиг. 1 изображен общий вид качелей в положении, когда нижнее и верхнее основания пружинного блока параллельны друг другу, а продольная ось пружинного узла совпадает с осью вращения коромысла и продольной осью карданного шарнира: фиг. 1а - вид спереди; фиг. 1б - вид с боку; на фиг.2 - общий вид качелей в движении: фиг. 2а - вид спереди; фиг. 2б - вид сбоку; на фиг. 3 - пружинный узел, закрепленный на оси вращения коромысла: фиг. 3а - пружинный узел, общий вид; фиг. 3б - пружинный узел, вид А-А; фиг. 3в - пружинный узел, вид сверху; фиг. 3г - пружинный узел в сборке.
Качели содержат неподвижно закрепленную вертикальную опорную стойку 1 и коромысло 2 V-образной формы углом вверх, состоящее из двух рычагов 3, 4, жестко соединенных под углом друг к другу посредством распорки 5. На свободных концах рычагов 3, 4 закреплены сиденья 6, 7 с упорными ручками 8, 9 перед ними. Под каждым сиденьем закреплен амортизатор 10, 11. Ось вращения коромысла состоит из верхней 12 и нижней 13 частей, соединенных между собой карданным шарниром 14. Карданный шарнир 14 имеет одну ось вращения. Нижняя часть оси 13 закреплена в верхней части вертикальной опорной стойки 1 в опорном подшипнике 15 и соединена с нижним концом карданного шарнира 14. Верхняя часть оси 12 соединена с верхним концом карданного шарнира 14. В состоянии, когда ось вращения коромысла 2 совпадает с продольной осью карданного шарнира 14, вертикальная ось симметрии коромысла 2 совпадает с осью вращения коромысла 2.
1
6
1
6
Пружинный узел 16 содержит верхнее 17 и нижнее 18 основания, соединенные между собой идентичными вертикальными пружинами сжатия 19-19, которые жестко закреплены на основаниях 17, 18 радиально относительно продольной оси узла 16, с одинаковым радиусом и через равные промежутки. В примере выполнения верхнее 17 и нижнее 18 основания пружинного узла 16 соединены между собой шестью пружинами сжатия 19-19.
Нижнее основание 19 узла 16 жестко соединено с нижней частью оси 13 вращения коромысла 2. Верхнее основание 17 узла 16 жестко соединено с верхней частью оси 12 вращения коромысла 2 выше карданного шарнира 14. Распорка 5 коромысла 2 жестко закреплена на верхнем основании 17 пружинного узла 16 таким образом, что в состоянии, когда нижнее 18 и верхнее 17 основания пружинного узла 16 параллельны друг другу и продольная ось пружинного узла 16 совпадает с осью вращения коромысла 2 и продольной осью карданного шарнира 14, плоскость, проходящая через коромысло 2, развернута на острый угол α по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения 19 карданного шарнира 14. В примере выполнения угол α составляет 30°. В пружинном узле основания 17, 18 могут быть выполнены в форме диска.
1
Стойка 1 может быть выполнена, например, из стальной трубы, неподвижно закрепленной в вертикальном положении. Рычаги 3, 4 коромысла 2 могут быть выполнены из профильной трубы. Распорка 5 коромысла 2, которая жестко закреплена на верхнем основании 17 пружинного узла 16 (на фиг. 3в, позиция 5 - место закрепления распорки 5), может быть выполнена из П-образной балки и приварена к рычагам 3, 4.
Качели работают следующим образом.
1-3
4-6
Два человека садятся на сиденья 6, 7 и держатся руками за упорные ручки 8, 9. В исходном состоянии сиденья уравновешены. Пассажир 6 отталкивается ногами от поверхности земли, карданный шарнир 14 начинает вращаться на своей оси и рычаг 3 коромысла 2 начинает двигаться вверх. Пружины, например 19, распложенные со стороны пассажира 6, который оттолкнулся, растягиваются, а противоположные пружины 19 сжимаются.
Одновременно второй пассажир, находящийся на втором сиденье 7, начинает двигаться вниз. Когда пружины со стороны второго пассажира сжаты до упора, а со стороны первого пассажира растянуты, достигаются верхняя и нижняя «мертвые точки».
4-6
1-3
Под действием силы тяжести первого пассажира и силы упругости пружин, первый пассажир начинает движение вниз, а второй - вверх. В этом случае пружины 19 растягиваются, а пружины 19 сжимаются. При этом второй пассажир может оттолкнуться от поверхности земли, придав дополнительное ускорение и амплитуду качаниям.
Если во время отталкивания присутствует тангенциальная составляющая силы, то коромысло 2, а вместе с ним и карданный шарнир 14 начинают совершать вращательное движение вокруг оси за счет корпусного подшипника 15. При этом карданный шарнир 14 одновременно вращается на своей оси 20.
В предлагаемых качелях распорка 5 коромысла 2 жестко закреплена на верхнем основании 17 пружинного узла 16 таким образом, что в состоянии, когда нижнее 18 и верхнее 17 основания пружинного узла 16 параллельны друг другу и продольная ось пружинного узла 16 совпадает с осью вращения коромысла 2 и продольной осью карданного шарнира 14, плоскость, проходящая через коромысло 2, развернута на острый угол по отношению к вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения карданного шарнира 14. В результате при вращении коромысло 2, а вместе с ним и качающиеся совершают сложные вращательно колебательные движения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Пружинный узел 16 одновременно выполняет функции демпфера колебаний и ограничивает максимальную и минимальную высоты качания.
Была изготовлена опытная партия качелей с пружинами, рассчитанными на средний вес детей от пяти до двенадцати лет. Испытания показали, что при заявленном закреплении коромысла 2 на верхнем 17 основании пружинного узла 16 и при заявленной конструкции пружинного узла 16 пружинный узел 16, выполняя функцию демпфера, обеспечивает вращение коромысла 2 вокруг оси вращения на 360° в любую сторону, а также в соответствии с положением карданного шарнира 14 на своей оси 20 вращения. Кроме того, для шести пружин, при рассчитанных экспериментальных параметрах пружин и значении угла α=30°, наклон коромысла 2 в вертикальной плоскости при вращении не превышает 20°. При этом благодаря выбранной в эксперименте длине рычагов 3, 4 коромысла 2 изменения положения сидений в трех взаимно перпендикулярных плоскостях достаточны для получения соответствующих ощущений. В результате повышается безопасность качелей при сохранении их развлекательности.