К теории решения изобретательских задач

Размещено на сайте 24.06.2009.

 

 

Ключевые слова: изобретения, метод инверсии, индуктор, дозатор, переключатель, манипулятор.

В теории решения изобретательских задач есть метод инверсии (перестановки) известных в устройствах элементов для получения новых свойств. Ниже предлагается метод «выворота наизнанку», расширяющий или дополняющий возможности инверсии.

Суть метода можно проиллюстрировать на примере использования шкуры с мехом в качестве шубы. Позаимствованная у животных идея теплой одежды спасла многих людей от холода. Однако намокший в дождь мех теряет свои теплоизоляционные свойства, шуба уже не греет так, как сухая. Кроме того, добавляются проблемы сушки и поддержания теплоизоляционных свойств слипающегося меха. Вот и придумали люди вывернуть шубу наизнанку кожей наружу. Дождь, стекая с плотной поверхности кожи, оставляет мех сухим. Новое изделие «выворотка» обладало очевидными преимуществами. Так была изобретена дубленка.

Этот метод можно применять в технике, получая порой не просто новое качество, но и неожиданное расширение функциональных свойств изделий и устройств.

Пример 1-й использования метода в статическом изделии.

Многогнездный индуктор для термообработки,

пайки и наплавки

Такие индукторы иногда называют многоочковыми, многоместными, многопозиционными и даже многоячеичными.

Многогнездные индукторы, позволяющие обрабатывать одновременно несколько деталей на одной установке, применяются для повышения производительности. Конструкция известных устройств показана на фигурах 1-4. Здесь в индуктирующем контуре выполнены отверстия (гнезда) для размещения в них нагреваемых деталей. Гнезда соединены между собой пазами, расположенными внутри контура индуктора вдоль линии размещения деталей. При этом крайние позиции имеют по одному пазу, в

 
 

отличие от средних, имеющих по два паза. При различном количестве пазов в ячейках угол охвата током изделий, расположенных в крайних позициях, несколько больше, чем в средних. Поэтому последние нагреваются медленнее. Если число гнезд нечетное, то появляется еще отверстие с тремя пазами (фиг. 4).

Для выравнивания нагрева применяют следующие приемы:

– Крайние отверстия делают несколько большего диаметра, чем средние, снижая тем самым КПД процесса, ибо эффективность нагрева максимальна при минимальном зазоре между изделием и индуктором;

– На средние позиции устанавливают дополнительно П-образные магнитопроводы (фиг. 2), что усложняет устройство и не всегда приемлемо по конструктивным особенностям изделий;

– В крайних гнездах делают дополнительные пазы (фиг. 3). Это выравнивает условия, но увеличивает время нагрева деталей.

А теперь попробуем вывернуть индуктор пазами наружу. Благодаря методу «выворота наизнанку» можно получить многогнездный индуктор с обеспечением одинаковых условий нагрева всех деталей, повышения КПД и упрощения конструкции.

На фигуре 5 показана реализация индуктора, в котором отверстия размещены в два ряда в шахматном порядке, а пазы всех отверстий направлены не внутрь, а наружу индуктора перпендикулярно направлению рядов.

Такая конструкция обеспечивает одинаковый угол охвата током изделий, расположенных во всех отверстиях, позволяет использовать индуктор с максимальным КПД за счет применения минимального зазора между изделиями и индуктором.

Здесь конечно не достаточно было просто вывернуть замкнутый контур с полукружьями отверстий наизнанку, надо было найти форму расположения отверстий, обеспечивающую в развернутом контуре условия аналогичные простому одногнездному индуктору. Но толчек к поиску дал метод выворота.

Пример 2-й использования метода в дозирующем устройстве.

Дозатор порошкообразных материалов

Известны тарельчатые дозаторы (см. фиг. 6) для подачи порошковых масс, состоящие из бункера, вращающегося диска (тарелки) и скребка.

Функциональные возможности такой конструкции показаны на схеме и заключаются в подаче порошка в определенную точку. Регулирование количества осуществляется за счет изменения, в основном, оборотов диска и зазора под горловиной бункера. Порошок сбрасывается скребком за пределы наружного диаметра диска. И все.

 
 

Можно ли вывернуть такой дозатор наизнанку, и что это даст?

Ниже приведена конструкция дозатора Мозжухина, в котором порошок сбрасывается не за пределы, а в пределах диска в любой его точке через отверстия разной формы. Диск при этом не вращается, а вращаются скребки.

Здесь тоже для реализации замысла понадобилось дополнительно не только решить проблему сводообразования, то есть преодолеть склонность сыпучих материалов образовывать своды над отверстиями, но и использовать их для дозирования. Так родился способ подачи сыпучих материалов, использующий «бегущий свод» (см. фиг. 7, Авт. свид. СССР № 1349924).

На фигуре 7-а изображено исходное положение процесса, когда над отверстием порошковый материал 5 образовал свод 6. На фигуре 7-б изображено начало дозирования, когда благодаря перемещению порошка относительно отверстия 3 в дне 2 бункера свод 6 обрушивается. На фигуре 7-в изображен пример равномерного перемещения порошка относительно отверстия и насыпание сквозь него на объект дозирования. На фигуре 7-г изображено образование нового свода 6 при остановке движения лопаток относительно отверстия в дне бункера – это конец процесса.

 
 

Общая принципиальная схема конструкции дозатора представлена на фигурах 8-10. Дозатор имеет бункер 1, сменное дно 2 с отверстиями 3 и размещенные над дном лопатки 4, которые имеют возможность передвигаться параллельно дну. Бункер содержит в себе порошковый материал 5 – предмет дозирования.

Конструкция дозатора повторяет тарельчатую с точность до наоборот. Порошок из бункера не высыпается через горловину на диск, а покоится на диске, который неподвижен и запирает снизу бункер. Скребок выполнен подвижным в виде нескольких лопаток, радиально расходящихся от оси бункера, и связанных с приводом вращения.

На фигуре 9 показано сечение по отверстиям в дне, на котором видно взаимное положение лопаток и отверстий дна во время дозирования. На фигуре 8 дан пример дозирования порошкового флюса через круглые отверстия на кольцевую деталь для паяния. Отверстия могут располагаться по двум концентрическим окружностям, а объект дозирования может вращаться для равномерности распределения порошка вдоль контура засыпки.

На фигуре 10 показан вариант исполнения дозатора со щелевыми отверстиями в сменном дне.

На фигурах 11-14 показаны формы щелей и конфигурация формы засыпки материала на объекты дозирования. Стрелками показано направление движения под дозатором объекта, на который подается сыпучий материал во время дозирования.

Дозатор работает так. В исходном положении в бункере 1 находится порошковый материал 5, который в состоянии покоя над отверстиями 3 в дне 2 бункера образует своды 6 как показано на фигуре 7-а. При включении привода (не показан) лопатки 4 начинают оборачиваться вокруг общей оси равномерно и параллельно дну 2. При этом порошковый материал 5 перемещается относительно отверстий 3 и своды 6 обрушиваются (фиг.7). Равномерное передвижение лопаток и порошка относительно отверстий, вызывает благодаря силе тяготения высыпание порошка 5 сквозь отверстия (фиг.7-в). При этом своды не успевают сформироваться, так как их опорная часть все время, свисая над отверстием, беспрерывно обрушивается. При окончании движения лопаток 4 над отверстиями 3 снова образуются своды, и подача порошкового материала 5 прекращается (фиг. 7-г). Форма щелей позволяет подавать разное количество порошка на фигурные поверхности объекта дозирования (фиг. 11-14).

Такая конструкция обеспечивает широкие функциональные возможности дозатора и повышает производительность процесса благодаря тому, что сквозь щели подается больше материала, чем через круглые отверстия, а форма щелей дает широкий диапазон фигурной засыпки. Изгиб лопаток относительно формы щелей содействует тому, что лопатка ни в какой момент не перекрывает щель полностью и не прерывает подачу порошка даже на короткое время своего нахождения над профилем отверстия.

Пример 3-й использования метода при создании малогабаритного механизма.

Переключатель с цилиндрическим кулачком

и способ его изготовления

Изобретение относится к механизмам, где необходимо переключать положение отдельных деталей, например к коробкам передач типа редукторов со сменным передаточным числом, в которых регулируются обороты выходного вала, в частности к манипуляторам сварочного производства, но может быть применено в других механизмах, где возникает потребность малогабаритного переключателя.

В известных конструкциях переключателей с цилиндрическим кулачком, как правило, кулачковый паз выполнен со стороны внешней поверхности цилиндра. Такие и подобные механизмы довольно распространены, и органы, которые взаимодействуют с пазом, всегда расположены за пределами цилиндрического кулачка.

Такая конструкция имеет развитые габариты и ограничивает возможности создания малогабаритных устройств.

В основу изобретения поставлена задача расширить функциональные возможности за счет уменьшения габаритов переключателя.

Суть изобретения заключается в том, что в переключателе с цилиндрическим кулачком, который имеет паз, выполненный на наружной стороне цилиндрической поверхности, и орган, который взаимодействует с пазом, согласно изобретению кулачок выполнен с внутренней полостью, концентричной цилиндру кулачка, а паз выполнен со стороны внутренней цилиндрической поверхности полости кулачка, при этом орган, который взаимодействует с пазом, расположен внутри кулачка и не выходит за его габариты в радиальном направлении. То есть известная конструкция вывернута наизнанку.

Суть изобретения состоит также в способе выполнения переключателя с цилиндрическим кулачком. Он предусматривает изготовление цилиндра с пазом, сначала с внешней стороны, потом на него надвигают втулку с радиальным отверстием диаметром не меньшим ширины паза и приваривают втулку к цилиндру. Потом в цилиндре делают концентрическое отверстие диаметром большим, чем внутренний диаметр паза, таким образом, что паз открывается в цилиндрическую пустоту отверстия. После этого в отверстие вставляют вал с резьбовым гнездом для штыря, выставляют гнездо напротив отверстия во втулке и сквозь него ввинчивают штырь в вал. Таким образом создают орган, который взаимодействует с пазом, расположен внутри кулачка и не выходит за его габариты в радиальном направлении.

 
 

Общая принципиальная схема конструкции переключателя представлена на фигурах 15-17, на которых изображена, в качестве примера, 4-х ступенчатая коробка передач 1 с переключателем 2 и вилками 3. На фигуре 15 дано сечение коробки, на котором показаны червячный вал, от которого обороты двигателя передаются валам 5 и 6 через блоки шестерен 7 и 8. На фигуре 16 – разрез по А-А с фиг. 15. На фигуре 17 – место I с фиг. 16. Переключатель 2 связан с валом 9, который имеет штыри 10, размещенные в пазах цилиндрических кулачков ступиц вилок 3. Вилки 3 размещены в пазах муфт 11 (фиг. 16-17), которые имеют отверстия 12 оппозитные пальцам 13, жестко закрепленным в шестернях 8. Муфты 11 посажены на вал 5 на шпонке 14 с возможностью передвижения вдоль вала 5. Шестерни 7 и 8 посажены на валы на подшипниках и имеют возможность свободно вращаться вокруг них. На фигуре 18 дана развертка цилиндров кулачков с пазами, на которой показано смещение активной зоны цилиндрических кулачков относительно друг друга для последовательного включения-отключения соответствующих шестерен при изменении передаточного числа редуктора.

Схема реализации способа изготовления переключателя представлена на фигурах 19-22.


Сначала на цилиндре 15 диаметром D с внешней стороны изготавливают фигурный паз 16 шириной d и глубиной h. Потом на цилиндр надвигают втулку 17 (фиг. 20) с радиальным отверстием 18 диаметром не меньшим ширины паза (d1≥d) и приваривают втулку к цилиндру. На втулке сразу может быть выполнена вилка 3. Потом в цилиндре 15 делают концентричное отверстие диаметром D1 (фиг. 21) более внутреннего диаметра паза (h1<h), таким образом паз 16 открывается в цилиндрическую полость отверстия. После этого в отверстие вставляют вал 9 с резьбовым гнездом для штыря 10, выставляют гнездо напротив отверстия 18 во втулке 17 и через него ввинчивают штырь в вал за пределы внутреннего диаметра втулки, таким образом создавая орган, который взаимодействует с пазом, расположен внутри кулачка и не выходит за его габариты в радиальном направлении.

Переключатель работает так. В собранном виде в зависимости от положения вала 9 штыри 10 могут размещаться как в кольцевой прямой части паза 17 так и на изгибе. Кольцевая фаза является пассивной, при поступлении в нее штыря муфта 11 отдалена от соответствующей шестерни и ее пальцы 13 не входят в отверстия 12 муфты. Вместо пальцев и отверстий могут быть применены и другие конструкции муфт. При повороте вала 9 штырь 10, который попадает в изгиб, передвигает ступицу с вилкой 3 вдоль вала 9, одновременно передвигая муфту 11 вдоль вала 5. Благодаря тому, что все шестерни 8 вращаются относительно муфт 11, пальцы 13 попадают в отверстия 12 той муфты 11, которая движется к пальцам. Благодаря тому, что муфта 11 связана с валом 5 шпонкой 14, через нее передается обращение шестерни 8 на вал 5. От того какая муфта будет включена, зависит передаточное число и скорость оборотов исходного вала 5. Как показано на фигуре 18 пазы могут быть выполнены таким образом, что при переключении ни одна муфта не пойдет на включение пока рабочая не будет выведена из зацепления. Промежуточные положения отвечают холостому ходу двигателя и остановке выходного вала.

 
 

На фигуре 23 изображен компактный сварочный манипулятор, выполненный с коробкой передач с переключателем, в пределах габаритов блоков шестерен. Такой манипулятор грузоподъемностью 60 кг весит 60 кг.

Выводы. Описанный метод позволяет получать не просто новое качество, но порой и неожиданное расширение функциональных свойств изделий и устройств.

В тексте сохранены авторская орфография и пунктуация.


RSS-материал