ЗАЖИМАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК A44B11/00 

Изобретение относится к обеспечению жизненных потребностей человека, например к производству галантереи, а именно к зажимающим устройствам для непрерывного регулирования длины и удержания натяжного элемента типа стропы, ленты, ремня и т.д. Изобретение может быть использовано в производстве фурнитуры, пряжек, застежек, зажимных приспособлений, товаров для спорта и отдыха.

Известны зажимающие устройства, состоящие из неподвижной рамки и планки, свободно перемещающейся в плоскости рамки, оставаясь параллельной одной из ее сторон (опоре), имея возможность прижиматься к ней [1]. Ремень в таком зажимающем устройстве сначала изогнут вокруг планки на угол 3π/2, а затем - вокруг опоры на угол π/2 в обратном направлении.

Известны также усложненные варианты подобного зажимающего устройства [2-5] , содержащие помимо выполненных на планке и опоре заходящих друг за друга выступов, увеличивающих силу трения ремня об элементы зажимающего устройства под нагрузкой, то или иное подпружинивающее устройство, дополнительно прижимающее планку прижатой к опоре (как под нагрузкой, так и в отсутствие нагрузки).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является зажимающее устройство [6] (без вышеуказанного подпружинивающего устройства), состоящее из рамки с опорой и планки, имеющей возможность свободно скользить по направляющим рамки, оставаясь параллельной опоре.

На опоре рамки и планке выполнены выступы, обращенные друг к другу, причем расстояние между выступами планки больше ширины выступа опоры рамки. Ремень огибают внешнюю поверхность планки, продевается между планкой и опорой, огибает опору и выходит в направлении, обратном входу. Ремень огибают планку на угол, несколько менее 2π, опору - почти на π.

Сила удержания ремня в зажимающем устройстве складывается из силы трения в месте сжатия ремня между опорой и углом выступа планки и силы трения при огибании кромок опоры и планки.

При затягивании ремня за свободный конец создается сила, несколько отодвигающая планку от опоры и позволяющая протаскивать ремень между ними. Сила трения ремня при затягивании складывается из трения при огибании радиусов закругления планки и опоры.

Основными недостатками известной конструкции являются следующие: малая надежность устройства вследствие возможности ускользания ремня через зажимающее устройство при ослаблении или снятия нагрузки; приспособленность зажимающего устройства к ремням фактически с одной конкретной толщиной, либо толщиной в узком диапазоне величин.

Целью изобретения является повышение надежности зажимающего устройства и расширение эксплуатационных возможностей зажимающего устройства.

Указанная цель достигается путем пространственного разделения охватываемых на большой угол в положении удержания ремнем острых кромок планки и опоры таким образом, что оказывается выделенной протяженная в пространстве внутренняя область планки, в которой обернутая ремнем кромка опоры расположена только в положении удержания.

Предлагаемое зажимающее устройство для натяжения и удержания ремня содержит опору, тем или иным образом соединенную с остальными частями рамки, и планку, содержащую основу и два длинных выступа. Планка может свободно двигаться в направлении к и от опоры.

Внутренние поверхности выступов планки либо клиновидно расходятся, либо являются поверхностями сложной формы. Внешняя поверхность планки имеет большие радиусы закругления.

В отличие от прототипа, длина по крайней мере одного из выступов планки превышает характерный размер поперечного сечения, например, диаметры закругления кромок этого выступа, планки и опоры. Угол расхождения от опоры внутренней поверхности выступов планки сделан по возможности близким к 0 (по крайней мере меньше π/2).

Кроме того, длина внутренней поверхности выступов такова, что позволяет производить клиновидное зажатие внутренними стенками этих выступов цилиндра с радиусом, как совпадающим с радиусом закругления кромки опоры, так превышающем его в несколько раз.

Расстояние между внутренними поверхностями выступов существенно различно в области основы и других областях, если в области основы оно может быть сделано сколь угодно малым (реально не превышает диаметра закругления кромки опоры), то в силу протяженности выступов, несмотря на небольшой угол их расхождения, на некотором удалении от опоры это расстояние превышает в несколько раз диаметр закругления кромки опоры.

Таким образом техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показано, что выполнение выступов на плане, клиновидной их внутренней поверхности, достаточно острых кромок, значительных углов перегиба поверхности известны (хотя зажимающие свойства клиновидных стенок в известных решениях [2-6] под нагрузкой не использовались, поскольку зажатие ремня в них происходит углом выступа планки, а не заклиниванием обернутой ремнем опоры рамки стенками выступов).

Главным же в данном случае представляется то, что как применение в отдельности протяженных выступов на планке, так и вместе с вышеуказанными признаками является новым, и кроме того, применение этих признаков в указанной совокупности приводит к проявлению нового свойства зажимающего устройства, а именно формирование и использование остаточной деформации того зажимного элемента (ремня), для которого предназначено зажимающее устройство.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлено зажимающее устройство, в сборе; на фиг. 2 и 3 - зажимающее устройство в положении затягивания и удержания соответственно; на фиг. 4 - явление формирования остаточной деформации ремня в зажимающем устройстве и его использование; на фиг. 5 и 6 - результаты исследования зависимости формирования остаточной деформации ремня от параметров конструкции зажимающего устройства.

Одна из простейших реализаций описанного зажимающего устройства приведена на фиг. 1. Она состоит из V-образной планки 1 (например согнутой из прямоугольного листа) и опоры 2, соединенной с направляющими 3 рамки 4, например, согнутой из круглого прутка.

Планка состоит из выступов 5 и 6, соединенных основанием 7, так, что расстояние между ними в районе основания меньше размера (диаметра сечения) опоры. В его основании 7 просверлены отверстия 8 под направляющие 3 рамки такого радиуса, что планка может как свободно перемещаться вдоль направляющих, так и вращаться вокруг продольной оси основании 7 и "ложиться" на направляющие рамки внутренними поверхностями выступов 5 и 6. Кромки выступа 6 планки 1 и опоры 2 рамки обозначены как 9 и 10 соответственно.

Под нагрузкой ремень огибает внешнюю поверхность планки 1 (на угол, близкий к π, охватывает кромку 9 одного из выступов (6) - охватываемого (на угол, близкий к π, и затем огибает кромку 10 опоры 2 (на угол, близкий к π).

В положении затягивания (фиг. 2) рамень 11 скользит по внешней поверхности планки 1, по кромке 9 и, не заходят во внутреннюю область планки, по кромке 10 опоры 2. В этом положении кромки 9 и 10 практически совмещены.

В положении удержания нагрузки (фиг. 3) ремня 11 силой F₀ обернутая ремнем кромка 10 опоры 2 заходит во внутреннюю область планки 1. Кромки 9 и 10 при этом разделены расстоянием порядка разности длины выступа 6 и толщины ремня. Ремень зажат между внутренними стенками выступов планки 5 и 6 и опорной 2 силами F₁ и F₂, которые зависят от приложенной нагрузки F₀ и угла раствора α внутренней поверхности выступов планки.

Если пренебречь малым углом ν между направляющими рамки и направлением приложенной нагрузки и считать небольшой силу трения, то сила реакции опоры (направляющих 3 рамки ) в отверстиях 8 - N - примерно равна F₀, таким образом оценочно можно записать
N = F₀, F₁= F₀/sinα, F₂= F₀(1+ctgα). (1)
Видно, что сила клинового зажатия ремня может быть сделана значительно превышающей F₀ путем уменьшения угла α. Например, для α = π/6; F₁+F₂≈ 4,7.
Рассмотрим теперь технический эффект формирования памяти ремня в зажимающем устройстве типа фиг. 1.

После снятия нагрузки с зажимающего устройства типа фиг. 1 ремень 11 остается деформированным (фиг. 4) подобно его положению под нагрузкой вокруг планки 1 с выступами 5 и 6, причем для его распрямления требуется некоторое усилие. Такая остаточная деформация является явлением, зависящим, в частности, от толщины, материала ремня, структуры и плотности его плетения, промежутка времени нахождения под нагрузкой и величины нагрузки.

Все используемые плетеные ремни почти не сопротивляются изгибу вокруг большого радиуса и на небольшой угол. При таких условиях ремень можно считать как бы не имеющим толщины и ассоциирующихся с ее наличием свойств. Это является следствием того, что волокна в ремне связаны относительно слабо, незначительное (менее размера волокон) смещение волокон друг относительно друга в толще ремня почти не требует затрат энергии и можно считать безфрикционным. Именно это происходит при изгибе ремня вокруг большого (по сравнению с толщиной ремня) радиуса. Разность длин α внешнего и внутреннего слоев ремня толщины τ, огибающего угол α с радиусом r
α = α•τ, (2)
т.е. на единицу длины изогнутой зоны ремня эта разность составляет
α/(r•α) = τ/r. (3)
Таким образом, при больших радиусах поворота, r ≫ τ, и относительное смещение волокон ремня невелико, если же диаметр сравним либо меньше толщины ремня, то смещение волокон велико и сила остаточной деформации заметна.

Поэтому описываемое зажимающее устройство целесообразно использовать с ремнями с толщиной, меньше, либо сравнимой с характерным размером поперечно сечения, например, диаметром закругления, по крайней мере одной из кромок опоры и выступов планки. Если кроме того потребовать для ограничения силы затягивания, чтобы толщина ремня не была значительно больше этих замеров (диаметров), то в результате получим, что толщина ремня по порядку величины совпадает с характерным размером поперечного сечения (диаметром закругления) по крайней мере одной из кромок опоры и выступов планки, и меньше как длины внутренней поверхности выступов, так и диаметров закругления внешней поверхности планки, и кроме того, обернутая ремнем кромка опоры имеет возможность входить между выступами планки.

Влияние нагрузки сказывается в следующем. При небольшой (не сильно растягивающей ремень) нагрузке все усилие проходится на внешний от огибаемой кромки слой, а волокна внутренних слоев лишь изгибаются и сминаются, не смещаясь друг относительно друга. В таком случае в качестве толщины ремня в отношении τ/r выступает толщина некоего внешнего слоя, а в качестве r-r+τ, и относительное смещение волокон ремня невелико. Напротив, под сильно растянувшей ремень нагрузкой все слои ремня воспринимают усилие, смещение волокон друг относительно друга значительно, затрагивает не только всю зону перегиба, но и окружающие зоны ремня, и волокна остаются в таком виде и после снятия нагрузки, если ремень не распрямить приложением вытягивающей силы (иллюстрацией этого служит известный способ распрямления стальных тросов рывком - большой нагрузкой). Некоторые плетеные изделия - стропы, веревки и пр. - под значительной нагрузкой склонны даже необратимо утоньшаться, удлиняться, и таким образом увеличивать плотность плетения, твердость, сопротивление изгибу.

Как показывает опыт, для взаимного смещения волокон требуется некоторое время. Именно поэтому при равномерном протягивании ремня вокруг изгиба силы остаточной деформации малозаметны.

Были проведены количественные исследования описываемого эффекта для пряжек типа фиг. 1, изготовленных из алюминиевого листа 1105 АМ и нержавеющей проволоки 12Х18Н10Т с радиусом закругления кромок 1 мм и капроновых ремней различного плетения и толщины. На фиг. 5 - 6 приведены результаты для ремня Арт.2С-289 толщиной 2 мм.

Измерялась сила F, требующаяся для обратного (направлению нагрузки) протягивания ремня через зажимающее устройство после приложения и снятия небольшой нагрузки (5 кг, 100 с) и отведения планки от опоры на расстояние 30 мм (максимальная длина выступов планки составляла 15 мм).

На фиг. 5 приведена указанная сила F в зависимости от угла между выступами α, а на фиг. 6 - в зависимости от длины выступа 1. За F_c обозначена сила протягивания ремня через зажимающее устройство без предварительного приложения нагрузки.

Видно, что для того, чтобы в зажимающем устройстве указанный эффект был заметен, помимо тех требований, что диаметр закругления кромок должен быть порядка или меньше толщины ремня, и чтобы угол поворота ремня на кромке превышал π/2, оказалось необходимым еще и чтобы длина выступов превышала толщину ремня. Как указывалось выше, это достигается в том случае, если толщина ремня по порядку величины совпадает с диаметром закругления по крайней мере одной из кромок опоры и выступов планки.

Последнее требование можно объяснить тем, что когда зоны прямого и обратного перегиба (вокруг кромок планки и опоры) ремня расположены последовательно, как в рассматриваемом зажимающем устройстве, волокна внешние для одной зоны являются внутренними для другой и при их близком расположении и редко плетении ремня волокна могут просто сместиться из одной зоны в другую, поэтому силы остаточной деформации оказываются ослаблены. Для того, чтобы этого не происходило, следует дистанционно разность зоны прямого и обратного перегиба ремня (или кромки планки и опорной части рамки для данной конструкции) в положении удержания.

Кроме того (это представляется также очень важным), разнесение этих кромок при наличии сил остаточной деформации и небольшого угла в вершине внутренней поверхности планки приводит к некоторому "застреванию" ремня внутри планки (даже после вывода опорной части планки из внутренней области планки - фиг. 4). Видно, что чем меньше угол α между выступами планки 5 и 6 и больше их длина, тем лучше "застревает" ремень. Причем оказывается, что, если опять приложить нагрузку к ремню, то зоны прямого и обратного перегибов точно попадают на прежние места выступов 5 и 6.

Поэтому описанная конструкция зажимающего устройства позволяет формировать и эффективно использовать остаточную деформацию ремня. Ремень после снятия нагрузки и даже после выведения кромки опорной части рамки из внутренней области планки остается изогнутым внутри пряжки примерно в том же положении, что и под нагрузкой, и для его распрямления требуется некое усилие, что затрудняет его проскальзывание и обозначает устойчивость к ослаблению и снятию нагрузки.

Кроме того, пока кромка опоры находится во внутренней области планки, можно считать зажимающее устройство находящимся в положении удержания нагрузки, и для того, чтобы перейти из положения удержания в положение затягивания, опора и пленка должна сместиться на расстояние порядка длины выступа планки.

Таким образом, положительным эффектом являются: надежное удержание ремня в зажимающем устройстве заклинивающими стенками под нагрузкой, возможность использования широкого диапазона ремней, повышения по сравнению с прототипом "естественная" надежность по отношению к случайному относительному сдвигу частей зажимающего устройства друг относительно друга в отсутствие нагрузки, а также к многократному ослаблению, либо снятию нагрузки.

Этой "естественно" надежности, как показал 5-летний опыт использования зажимающего устройства хватает для всех тех случаев, когда зажимающее устройство не используется как средство страховки.

Кроме того, положительным эффектом являются простота и технологичность зажимающего устройства, невысокие требования к допускам изготовления деталей зажимающего устройства, поскольку их соединения можно изготовлять с зазором. Помимо понижения уровня требований к изготовлению зажимающего устройства, это также означает малую чувствительность функционирования устройства к различного рода условиям, отличным от расчетных - перекосам, боковым направлениям усилий, неоднородностям ремня и т.д.

Таким образом, экспериментальные исследования и расчеты зажимающего устройства показали, что по сравнению с устройством аналогичного названия (прототип) заявляемое устройство обеспечивает: более надежное удержание ремня как под нагрузкой, так и при ее отсутствии, а также при многократном приложении/снятии нагрузки; расширение эксплуатационных возможностей устройства вследствие возможности использования широкого по толщине диапазона ремней. Кроме того, заявляемое устройство является более технологичным.

Зажимающее устройство относится к устройствам непрерывного регулирования длины и удержания натяжного элемента типа стропы, ленты, ремня с образованием на нем петли и содержит рамку с опорой и подвижную относительно опоры планку с выступами. Длина внутренней поверхности по крайней мере одного из выступов планки превышает характерный размер поперечного сечения, например диаметр закругления, по крайней мере одной из кромок опоры и выступов планки. Конструкция зажимающего устройства обеспечивает высокую надежность и широкие эксплуатационные возможности. 6 ил.

Зажимающее устройство, содержащее рамку с опорой и подвижную относительно опоры планку с выступами, отличающееся тем, что длина внутренней поверхности по крайней мере одного из выступов планки превышает характерный размер поперечного сечения, например диаметр закругления по крайней мере одной из кромок опоры и выступов планки.