ТЕХНИКУ ДВИГАЮТ НЕДОВОЛЬНЫЕ

В. М. Герасимов и И. В. Герасимов

 

 Иван Владимирович Герасимов

Родился в 1975 году, студент Санкт-Петербургского государственного технического университета. С ТРИЗ познакомил отец в раннем детстве. Будучи школьником, окончил ВНУНТТ, где защитил дипломную работу на тему «Развитие методики объединения альтернативных систем».

 

Приведенный ниже материал – фрагмент, учебного примера совершенствования старой, простой и всем известной технической системы. Фактически, это практикум для начинающих. Авторов интересовал не столько конечный результат, сколько сам процесс работы с системой. Если кому-то понравятся сами предложения, авторы готовы помочь всем желающим продолжить эту работу.

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ И СТУДЕНТОВ

На рис. 1 и 2 показаны чертежные приборы — кульманы, которые обычно используют в конструкторском бюро. Первый выпускали в 60-е годы на заводе ЗМИ в Харькове. Второй, чертежную машину РЕЙСС с подвижной кареткой «Ординат III», производила в конце 70-х годов фирма Роботрон из бывшей ГДР. Оба аппарата, если их хорошо отрегулировать, достаточно удобны в работе. Правда, у немецкого есть некоторые преимущества: он гарантирует высокую точность на всей поверхности доски (у его харьковского «коллеги» точность на периферии доски хуже, чем в центре); с помощью специальных тормозов можно перемещать линейки только в горизонтальном или вертикальном направлениях, а это, в свою очередь, позволяет точно настроить прибор; на поворотной головке имеются упоры для быстрого поиска часто встречающихся углов. Удобнее и стол, на котором установлена чертежная доска — ее можно закрепить на разной высоте и практически под любым углом. И еще один плюс — немецкий прибор красиво оформлен, на нем приятно работать.

Есть у него и недостатки: не используется часть чертежной доски с левой стороны, т.к. ее заслоняют вертикальная стойка кульмана и поворотная головка; прибор «тяжеловат», по мнению старых конструкторов; стоимость в 1,5—2 раза выше, чем нашего (по стоимости из доперестроечных времен).

Обратимся к инструментам подешевле и попроще. Например, рейсшина, показанная на рис. 3, представляет собой

длинную линейку с двумя поперечными перекладинами. Одна перекладина жестко соединена с линейкой под прямым углом, а другая надета на болт с гайкой-барашком и может быть закреплена под любым углом к линейке.

Передвигая линейку вверх-вниз и прижимая одновременно одну из перекладин к боковой стороне чертежной доски, можно получить ряд параллельных линий (горизонтальных либо наклонных). Для того чтобы проводить линии под углами, кратными 15 градусам (такую возможность в кульмане обеспечивает поворотная головка), в придачу к рейсшине нужно иметь несколько треугольников (минимально необходимы два треугольника с углами 30, 60, 90 и 45, 45, 90 градусов; углы 15 и 75 градусов в этом случае можно получить, используя оба треугольника). Кроме того, необходим транспортир — приспособление для установки линейки под любым промежуточным углом в диапазоне от 0 до 15 градусов.

Основным преимуществом рейсшины является ее низкая стоимость. Вместе с чертежной доской она раз в 20 дешевле немецкого кульмана. Подставку может заменить письменный стол, а угол наклона легко отрегулировать, подложив под край доски несколько учебников.

Теперь о недостатках. Так как линейка закреплена консольно, точность обеспечивается только вблизи перекладины. Рейсшину нужно все время одной рукой прижимать к краю доски, при этом второй рукой приходится манипулировать сразу и карандашом и треугольником (а то и двумя), что неудобно. Поверхность доски используется не полностью, т.к. приблизить линейку к верхнему и нижнему ее краям не удается, потому что перекладина в этом случае теряет опору.

В журнале ИР № 1 за 1985 год опубликована заметка «Рейсшина с магнитом». В ней предлагается к краю доски прикрепить на потайных шурупах железную полоску, а на перекладинах установить мебельные магнитные, защелки (рис. 4, см. на рис. 3). При этом не нужно прижимать рейсшину к доске рукой и, как сказано в заметке, «параллельность линий гарантируется». Однако это предложение снимает только один недостаток рейсшины, а остальные остаются.

Известна еще одна рейсшина — роликовая (рис. 5). Достоинством ее является то, что линейка, закрепленная с двух сторон, перемещается по туго натянутым нитям строго параллельно, причем легко; поверхность доски перекрывается линейкой почти полностью, поэтому ее габариты могут лишь немного превышать размеры листа ватмана формата А1 (594 X 841 мм). Впрочем, если чертежной доски нет (это сейчас дефицит), подойдет любая ровная поверхность необходимого размера — стол, столярный щит, лист фанеры. Качество краев этой поверхности не играет роли. Стоимость же самой рейсшины меньше, чем у чертежного прибора Роботрон, на два порядка. Недостатки: возможность наклона линейки отсутствует вообще, поэтому, как и в предыдущем случае, необходимы в придачу треугольники, получить при этом можно только линии под углами, кратными 15 градусам.

ОБЪЕДИНЕНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ

Подытожим сказанное выше. Известны чертежные приборы для профессиональных конструкторов. Лучшим по функциональным возможностям является кульман фирмы Роботрон, но он же и самый дорогой. Известны также простые рейсшины для чертежных работ. Самая дешевая — роликовая, но она же и самая неудобная в работе. Налицо пара ТС, попадающих под определение альтернативных — у них одна и та же главная функция и взаимно противоположные достоинства и недостатки.

Будем конструировать прибор, обладающий преимуществами прототипов, но без их минусов. В качестве базовой системы выберем роликовую рейсшину с треугольниками, а то, чего не хватает, позаимствуем из альтернативной. Построим  модель усовершенствованной ТС, своеобразный «портрет ответа». В модель, прежде всего, войдут роликовая рейсшина и треугольники. Рейсшину можно легко и точно перемещать в пределах практически всей доски, получая параллельные горизонтальные линии. С помощью треугольников можно проводить линии под углами, кратными 15 градусам. То, что треугольников нужно много, отметим как недостаток, который следует устранить.

Теперь рассмотрим подробнее возможности кульмана. Его поворотная головка позволяет проводить горизонтальные, вертикальные и наклонные линии с шагом в 15 градусов (все это может и рейсшина с треугольниками). Кроме того, пользуясь нониусом, можно установить линейки на любой промежуточный от О до 15 градусов угол, а с помощью зажимного рычага — закрепить их в этом положении. Необходимо при минимальных изменениях в базовой системе «научить» ее делать то же самое.

Повернуть линейку в роликовой рейсшине можно, только оборвав или освободив нити. При этом станет невозможно проводить параллельные линии. Получается противоречие: если нити туго натянуты, можно проводить параллельные линии, но нельзя поворачивать линейку; если нити освобождены, то поворачивать линейку можно, но проводить параллельные линии нельзя. Противоречие это разрешается, если концы двух оборванных нитей связать между собой, а с помощью какого-то зажима эту связанную нить то освобождать, то фиксировать (рис. 6). Рядом со связанной нитью можно разместить шкалу, а на месте узелка прикрепить стрелку-указатель. Останется только добавить зажимной рычаг для фиксации линейки, а на углах доски поставить ролики, чтобы нить не перетиралась (рис. 7, см. на рис. 6). (Просматривается вариант, в котором стрелка-указатель может быть совмещена с зажимом).

Сделаем остановку. Хотя анализ и учебный, стоит посмотреть, что уже придумано другими. В патентной библиотеке среди множества решений, улучшающих чертежные приспособления, удалось обнаружить одно, довольно свежее (а.с. 1722892), аналогичное показанному на рис. 7. (В самом начале работы выйти сразу же на передний край изобретательской мысли в такой древнейшей области, как черчение,—  это радует!) С удивлением обнаруживаем, что в патентованном устройстве отсутствует за жим, защемляющий нить — поворачивать линейку можно, а проводить параллельные линии нельзя. (Недоглядели автор с экспертом.) Кроме того, значительное отклонение линейки (на шкале показаны углы в 30 градусов) заставляет нить сильно удлиняться (при общей длине в 4,5 м удлинение — 58 мм), поэтому рядом со стрелкой пришлось установить пружину-компенсатор. В углах чертежной доски при наклоне линейки образуются «мертвые зоны», куда не добраться, а чтобы их устранить, надо увеличить вертикальные размеры доски (при угле в 30 градусов почти на метр!).

ЗАГНАТЬ СЕБЯ В УГОЛ

Часть отмеченных недостатков практически исчезнет, если перекашивать линейку не сильно, не более чем на 5 градусов. Нить будет удлиняться всего на 0,1 мм, и пружина-компенсатор не понадобится; «мертвые зоны» сократятся более чем в 5 раз, при этом увеличивать размер доски не нужно. Однако, впридачу к линейке, потребуется несколько треугольников со всеми углами в диапазоне от 0 до 90 градусов, кратными 10 градусам. Итак, очередное противоречие. Хотелось бы его разрешить так: сохранить все преимущества линейки, отклоняющейся на небольшой угол, и сократить число треугольников, скажем, до одного.

Поход в библиотеку помог и в этом. Полтора года назад запатентован треугольник, в котором есть все углы, кратные 15 градусам.

Авторы изобретения воспользовались приемом «матрешки»: разместили один треугольник внутри другого (рис. 8). В одном из вариантов прямоугольный треугольник с углами 30, 60 и 90 градусов находится внутри остроугольного с углами 45, 60 и 75 градусов, в другом варианте — наоборот (Треугольник защищен двумя охранными документами (а.с. 1771991, 1771992) — заявителями являются сразу две организации: институт химии высокомолекулярных соединений АН УССР и Ленинградское оптико-механическое объединение им. В. И.. Ленина.) Угол 15 градусов получается, если пользоваться одновременно и наружной и внутренней кромками треугольника — и внешний, и внутренний — должны иметь углы, кратные 10 градусам. На рис. 9 показано одно из решений, другие варианты читатели могут легко получить сами, поворачивая треугольники друг относительно друга и меняя их местами. Углы 10, 20, 40, 50, 70 и 80 градусов получаются при использовании одновременно и наружной и внутренней кромок треугольника (рис. 10).

Оценим достигнутое. Удалось слегка усовершенствовать роликовую рейсшину и предложить в пару к ней универсальный треугольник. С их помощью можно получать углы, кратные 5 и 10, а также любые промежуточные, если воспользоваться нониусом и зажимом. На рис. 11 показан вариант, в котором зажим совмещен с указателем. К сожалению, скорее всего, на изобретение эти предложения не тянут — слишком уж мал изобретательский уровень.

ПО ВТОРОМУ КРУГУ

Модернизированная рейсшина стала сложнее — за удобства надо платить. Хорошо бы удобства сохранить, а цену уменьшить. Для начала попробуем избавиться от роликов на. углах доски, ведь они выполняют явно вспомогательную функцию.

Рассмотрим два варианта. Если нити охватывают оба ролика в рейсшине, то линейка перемещается строго параллельно самой себе, и наклонить ее нельзя (рис. 5). Представим, что каждая нить охватывает только один ролик (рис. 12). В этом случае наклонить линейку не составит труда, но проводить параллельные линии не удастся. Первый вариант реален, второй, казалось бы, не имеет практического смысла. Кому нужна рейсшина, с помощью которой нельзя проводить параллельные линии? Но ведь ее можно легко поворачивать на небольшой угол, а именно это нам и нужно.

Итак, есть пара систем, одна реальная, а другая гипотетическая, предназначенных для управления линейкой, со взаимно противоположными плюсами и минусами. В качестве базовой выбираем «поворачивающуюся» рейсшину, а недостающее ей свойство добавляем из альтернативной. Во время поворота линейки каждая нить должна охватывать один ролик, а при параллельном перемещении каждая нить должна охватывать два ролика. Или, другими словами, при повороте ролики должны быть разъединены, а при параллельном перемещении — связаны. Противоречие разрешается, если один из роликов сделать из двух частей (биролик) и эти части, по мере необходимости, соединять между собой или разъединять (рис. 13).

Направление решения задачи получено. Теперь нужно «дожать» его до практической реализации. Придется придумать, как соединять-разъединять половинки биролика, как измерять углы наклона линейки и как фиксировать ее в нужном положении.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...

При небольших отклонениях линейки в обе стороны от горизонтали одна из половинок биролика поворачивается на значительный угол, а вторая остается практически неподвижной. Если к первой половине прикрепить шкалу в градусах, а ко второй — стрелку-указатель, получится нониус (рис. 14). Установим на шкале упор для стрелки, получится фиксатор крайних углов наклона линейки (в нашем случае +5 градусов). На оси биролика поставим гайку-зажим. Если она отпущена, половинки ролика могут свободно поворачиваться друг относительно друга, отклоняя линейку; если гайка затянута, ролик становится цельным, и линейка удерживается в нужном положении.

Ну что же, вроде бы все, что хотелось,  достигнуто. Поменяв конструкцию только одного ролика на рейсшине, удалось разместить на нем, как на поворотной головке кульмана, и нониус, и зажим. Кроме того, не нужны стали дополнительные ролики на доске.

Есть ли недостатки у этого предложения? К сожалению, есть. Биролик сложнее, а значит и дороже просто ролика. Кроме того, у него оказались неожиданно большие размеры. Так, при повороте метровой линейки на 10 градусов биролик должен переместиться на расстояние L = 1000 х sin 10° = 174 мм. Он на этом отрезке может сделать только один оборот (даже меньше, если учесть стрелку и  упор),  поэтому диаметр  его составит

 

Нужно добавить еще 2 мм на реборды, удерживающие нить, и около 20 мм на шкалу. В сумме выходит недопустимо много. Хорошо бы уменьшить размеры биролика раза в два, но при этом вдвое уменьшится и угол наклона линейки. Компенсировать такую потерю нечем, т.к. резервы треугольника, похоже, использованы до предела. Увы, мы столкнулись с очередным противоречием.

К ИДЕАЛУ МОЖНО ТОЛЬКО ПРИБЛИЗИТЬСЯ

Вернемся назад и еще раз рассмотрим пару альтернативных систем. Если ролики рейсшины связаны нитью (рис. 5), линейку можно перемещать параллельно самой себе, если ролики связаны (рис. 12), линейку можно поворачивать. Объединим эти схемы в одну, воспользовавшись не одним бироликом, а двумя (рис. 15). В этом случае половинки роликов, на которых размещены шкалы, охвачены каждая своей нитью (№ 1 и № 2), а половинки роликов, к которым прикреплены стрелки, охвачены нитью № 3, замкнутой в петлю. Каждый из уменьшенных вдвое роликов позволяет отклонить линейку только на 5 градусов, но, т.к. их два, в сумме получается то, что нужно (рис. 16). Необходимо только помнить, что, отклоняя линейку в одну сторону от горизонтали, следует пользоваться зажимом левого ролика, а отклоняя линейку в другую сторону — зажимом правого ролика. Уменьшается и стоимость устройства: хотя оба ролика стали сложнее, номенклатура деталей сократилась, - ведь они теперь одинаковы.

 

Можно ли сказать, что все недостатки устранены? Конечно же, нет. Например, для нити № 3 (рис. 15) понадобится натяжное устройство, чтобы ролики не проскальзывали; совершенно не затронуты проблемы крепления роликов к линейке; стоило бы упростить конструкцию бироликов и продумать технологию их изготовления.