Компланарные двери «Весна». Конструкция

Я надеюсь, что за описанной здесь вполне конкретной реализацией вы сможете увидеть общую формулу проекта. Возможность воплощения какой-либо идеи подчас сомнительна, и поэтому вместо изящной абстракции я проиллюстрировал рабочий прототип.

Рисунок 1. «Весна» в закрытом и открытом состоянии.

На рисунке 1 изображена дверь, закрепленная на «Весне» в закрытом (слева) и полностью открытом (справа) состояниях. Рама двери, которая может быть, к примеру, корпусом платяного или встроенного шкафа, не показана.

К двери 1 привинчена рельса 14. Вся масса двери через эту рельсу передается через опорные ролики на нижнюю каретку, которая через карточную петлю шарнирно прикреплена к валу 2.


Рисунок 2. Кареточные узлы.

На рисунке 2 снизу эта каретка показана подробнее. Ось карточной петли обозначена штриховой линией B. Опорные ролики 22 и 23 соединены с кареткой коромыслом 21, поэтому давление двери распределено между роликами равномерно. Форма роликов и направляющего паза рельсы такова, что под массой двери плоскости вращения роликов и плоскость симметрии паза стремятся совпасть. Таким образом, нижняя каретка не может поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Верхняя каретка показана на рисунке 2 сверху. Она жестко соединена с корпусом (внешней частью) направляющей полного выдвижения 10 и подвижно — через карточную петлю с валом 2. На рисунке 1 видно ползун (внутреннюю часть) направляющей полного выдвижения 9, которая жестко соединена с дверью. Ясно, что корпус 10 и соединенная с ним верхняя каретка могут двигаться вдоль двери.

Вал 2 через кронштейны 5 и 6 подвижно соединен с опорами 12 и 13. При этом ось вращения вала в опорах показана на рисунке 2 внизу штриховой линией A. Опоры 12 и 13 привинчены к раме.

Вал

Прослеживая связь «опоры — вал — каретки — направляющие — дверь», можно заметить, что дверь соединена с рамой через две (сверху и снизу) двойных карточных петли, поворот которых согласован валом 2. Двойная карточная петля (англ. «floating hinge») характерна тем, что расстояние между плоскостями её крайних карт меняется при том, что эти плоскости могут оставаться параллельными. В рассматриваемом случае это попросту означает, что расстояние от плоскости рамы до плоскости двери может меняться, позволяя «вытянуть» дверь из рамы. Этот факт можно увидеть на рисунке 1, сравнивая закрытое и открытое состояния двери.

Синхронизатор

Верхняя и нижняя каретка могут двигаться параллельно горизонтальным ребрам двери. Если их перемещения не будут одинаковыми, синхронизированными, дверь сможет вращаться вокруг оси, перпендикулярной её плоскости. Проще говоря, дверь будет перекашивать под собственной массой. Произойдет то же самое, как если бы у распашной двери оторвалась одна из двух петель.

Чтобы синхронизировать перемещения кареток, можно применять разные способы, простейший из которых — тросовый синхронизатор. Похожие механизмы можно найти в чертежных кульманах и автомобильных подъемниках на станциях ТО.


Рисунок 3. Система синхронизации кареток.

На рисунке 3 в механизме «Весны» скрыта часть деталей и синхронизатор хорошо виден. Он состоит из четырех якорей 16, крепящих тросы 17 и 18 к двери. Тросы перекинуты через шкивы 3 и 4, которые прикреплены к каретками, что можно видеть на рисунке 2. На рисунке 3 также подробно показано, как тросы проходят в канавках шкивов.

После недолгих размышлений станет ясно, что трос 17 предотвращает поворот двери по часовой стрелке (рисунок 3), а трос 18 — против неё.

У читателя может возникнуть сомнение в надежности такой системы. В дополнение к убедительным, на мой взгляд, видеоматериалам здесь я приведу простой расчет прочности троса.

Пусть масса двери равна m, расстояние между роликами по вертикали равно a и ширина двери равна b. Тогда величина максимальной растягивающей силы F, действующей на трос, равна:


, где g — ускорение свободного падения.

Двери платяных и встроенных шкафов, как правило, имеют ширину, не превышающую половины высоты. Их масса варьируется от 5 кг (для пластиковых дверей) до 70 кг (из массива дерева).

Для примера проведем расчет двери с шириной 1 м, высотой 2,2 м и массой 20 кг (она больше и тяжелее той, что изображена на рисунках). Расстояние между роликами равно 2 м, поскольку механизм «Весны» уменьшает расстояние между роликами относительно высоты двери примерно на 0,2 м. Тогда, подставляя в формулу 1 значения a=2 м, b=1 м и m=20 кг, получим F=49 Н. При этом стальной трос общего назначения DIN 3055 диаметром 2 мм имеет рабочую нагрузку 470 Н. Это значит, что трос для рассматриваемой двери прочнее требуемого почти в 10 раз. Даже дверь массой 100 кг не превысит его рабочей нагрузки. Если же взять диаметр троса 1 мм, то при его рабочей нагрузке в 117 Н для двери массой 20 кг мы всё равно получим прочность с большим запасом.

Приведенный расчет показывает, что даже с обычным стальным тросом возможно построение системы синхронизации для дверей с тросами небольшого диаметра (т.е. тросами с небольшими радиусами изгиба и требуемыми диаметрами шкивов). Не стоит также забывать о существовании более совершенных тросов, например, арамидных. Добавлю: сделанные прототипы показали, что для 16-килограммовой двери достаточно натянуть тросы голыми руками, чтобы полностью исключить люфты дверного полотна.

Шкивы 3 и 4 передают на каретки противоположно направленные нарузки. Их горизонтальные проекции, направленные так же противоположно, «скручивают» вал 2. Здесь я не буду приводить расчета прочности вала на кручение, сказав лишь, что по моим оценкам для двери массой до 80 кг размеры сечения алюминиевого вала останутся приемлемыми.

«Параллелограмм» и «парковщик»

Описанные составные части «Весны» всё ещё позволяют двери вращаться вокруг вертикальной оси. Для устранения этой степени свободы корпус направляющей полного выдвижения 10 связан с рамой шарнирным параллелограммом.


Рисунок 4. «Параллелограмм» и «парковщик» в действии.

На рисунке 4 показаны четыре стадии открывания двери на виде сверху. Напомню: опоры 11 и 12 привинчены к раме, рычаги 7 и 8 шарнирно соединены с корпусом направляющей полного выдвижения 10 и опорами p::11 и 12. Такая конструкция образует шарнирный параллелограмм, сторонами которого являются корпус 10, рама и рычаги 7 и 8. Понятно, что корпус 10 будет всегда параллелен раме, и вместе с остальными частями «Весны» это ведет к параллельности плоскостей двери и рамы.

В механизм параллелограмма добавлена тяга 15, предотвращающая искажение геометрии параллелограмма при прохождении им состояния, когда все его стороны выстраиваются в одну линию.

В механизм параллелограмма добавлена тяга 15, предотвращающая искажение геометрии параллелограмма при прохождении им состояния, когда все его стороны выстраиваются в одну линию.

На рисунке 4 также можно видеть детали «парковщика». Он нужен для того, чтобы согласовать движения двери вдоль линейных направляющих с её «вытягиванием» из рамы за счет поворота вала 2 (смотрите рисунок 1). Без этого механизма траектория движения двери будет неопределенной, дверь при закрывании будет попадать мимо рамы. Дверь без «парковщика» можно увидеть под номером 1 на видео прототипа.

На рисунке 4а пунктирной линией показана фигурная канавка A с обратной стороны рычага p::8 (на неё указывает соответствующая стрелка). В эту канавку входит управляющая бобышка (ролик) 24. Бобышка 24 неподвижно закреплена на ползуне 9, который, в свою очередь, привинчен к двери. Рычаг 8 при повороте контролирует положение ползуна 9 относительно корпуса 10, другими словами, контролирует перемещение двери на линейных направляющих. Поскольку рычаг 8 и вал 2 поворачиваются синхронно, поворот вала и движение двери по направляющим оказываются однозначно связаны. Характер этой связи определяется формой канавки A. Меняя форму этой канавки, можно «запрограммировать» желаемую траекторию движения двери.

Сравнивая рисунки 4а и 4b, можно увидеть, что на этапе «вытягивания» из рамы дверь движется по нормали к её плоскости.

В тот момент, когда вал 2 поворачивается так, что рычаги 5 и 6 (смотрите рисунок 1) оказываются под прямым углом к плоскости рамы, поворот вала блокируется стопором 25. Бобышка 26 неподвижно закреплена на ползуне 9 и через фигурную прорезь в стопоре контролирует его поворот. Рычаг 7 на обратной стороне имеет «стопорную» бобышку. На рисунке 4d обозначен коаксиальный этой бобышке винт 27. В момент, когда вал достигает упомянутого угла блокировки, крючок (на него указывает стрелка B на рисунке 4c) на стопоре 25 захватывает стопорную бобышку. Во время дальнейшего движения двери бобышка 26 выходит из прорези стопора и он может удерживаться в закрытом состоянии даже силой трения, поскольку при любой нагрузке на дверь никаких крутящих моментов на него не действует. Бобышка 24 также выходит из канавки A. Так как поворот рычагов заблокирован стопором, в процессе закрывания двери бобышка 24 беспрепятственно вернется в канавку A.

Бобышки 24 и 26 могут быть заменены цилиндрическими роликами для уменьшения износа и шумности.

Send me a letter:) amshannikov@yandex.ru

© 2012-2017 Стас Амшанников