CN111058541B - 运用非木制材质的结构变型的榫卯结构 - Google Patents
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Abstract
一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，包括基本构件和连接件，至少在基本构件的一侧设有U形的沟槽，在沟槽的内侧壁设有相互对应的、并沿沟槽长方向的凸条，凸条朝该沟槽底部的一侧与沟槽的底部平行；在连接件的一端或两端设有凸榫，在凸榫顶端的两侧设有与所述的凸条对应的卡头，在该卡头对应于该沟槽内侧壁的侧面两边设有卡舌，在该卡舌的根部设有与该凸条对应的卡槽；所述的凸条背对该沟槽底部的一侧为斜面；所述的基本构件和连接件的材质包括：树脂、尼龙、塑料和金属。本发明的优点是：通过连接件可以实现过将多个基本构件连接组成各种形状的组件，如机器人、动物造型、各种玩具造型。具有结构简单，连接牢固，拆装方便的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，可用于建筑工程中的结构连接，也可用于结构连接的演示，还可作为玩具。属于教育、玩具、建筑工程技术领域。
背景技术
榫卯是一种拥有千年历史的结构体系，主要运用于建筑与家具，古人通过不断的实验与研究创造并总结出了非常多的牢固且合理的结构，这些结构同时蕴含着非常深厚的文化宝藏。但随着珍贵木制材料的稀缺与不可再生大量的精妙结构再也无法得到应用，因此传承和行业均面临着巨大的挑战。燕尾槽结构在连接时因为产品精度无法解决所以产生了复杂的难以测算的受力形式。
传统典型的榫槽结构如图29所示，作为连接对象的基本构件1和连接件2之间通过燕尾形的榫槽相互连接(俗称“银锭榫”)。燕尾榫槽结构使用中由榫槽的两对相对的斜面A、B进行限位，实现两个构件(基本构件1与连接件2)之间的相互连接。由槽底C对榫顶的压力，当将两个构件拆装相对移动时，则在两个连接构件之间的三个接触面A、B、C均存在摩擦力。由于上述燕尾榫结构会产生0.01-0.05mm的精度误差而产生多余的摩擦力。
基于上述两种受力形式，导致凸榫在燕尾槽内会因为生产时难以避免的精度误差而产生难以避免的复合受力形式，因此难以控制产品的手感与使用形式。因此，传统燕尾形式连接方式受到不同材质的构件在生产过程中产生的收缩性和精度误差问题，难以确定它的具体受力形式，同时榫卯文化讲究尊重材质本身的特性，借助现有对材质的特性研究容易得到塑料材质在不同力臂、厚度、生产工艺上的力学数据，从而根据产品的使用条件进行调整。
另外，常规的销结构同样是榫卯结构中常见的连接结构，主起到物体锁死的作用。但是销结构的限位一般需要与其他结构的配合支持。
本发明通过对常规燕尾榫结构的实际应用的分析，得到新的榫结构在非木质物体上的拓展应用。
发明内容
为了让更多的人可以接触到榫卯所蕴含的智慧与文化，本发明提供一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，通过树脂/尼龙/塑料/金属等材质复原结构，并制作为玩具与教具等消费品模式帮助文化传播。
本发明的技术方案是：一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，包括基本构件和连接件，至少在基本构件的一侧设有U形的沟槽，在该沟槽的内侧壁设有相互对应的、并沿该沟槽长方向的凸条，该凸条朝该沟槽底部的一侧与该沟槽的底部平行；在该连接件的一端或两端设有凸榫，在该凸榫顶端的两侧设有与所述的凸条对应的卡头，在该卡头对应于该沟槽内侧壁的侧面两边设有卡舌，在该卡舌的根部设有与该凸条对应的卡槽；所述的凸条背对该沟槽底部的一侧为斜面；所述的基本构件和连接件的材质包括：树脂、尼龙、塑料和金属。
本发明的优点是：通过连接件可以实现过将多个基本构件连接组成各种形状的组件，如机器人、动物造型、各种玩具造型；通过特殊的榫槽结构，能够使得基本构件与连接件之间的摩擦力更适合于连接操作，具有结构简单，连接牢固，拆装方便的优点。
附图说明
图1是本发明的两个基本构件通过一个连接件的组装结构示意图；
图2是图1中的基本构件的立体结构示意图；
图3是图2的基本构件一个侧面的结构示意图；
图4是图3的左(右)视图；
图5是图1中连接件的(第一实施例)立体结构示意图；
图6是图1中连接件的俯(仰)视图；
图7是图6的俯(仰)视图；
图8是图7的左(右)视图；
图9是本发明只有一个沟槽的基本构件实施例的结构示意图；
图10是本发明工字形基本构件与连接件相互连接的结构示意图；
图11是本发明四分之一球型形的基本构件实施例的立体结构示意图；
图12和图13是图11不同侧面的立体结构示意图；
图14是本发明阶梯形的基本构件实施例的立体结构示意图；
图15是本发明圆柱形的基本构件实施例的立体结构示意图；
图16是本发的连接件的第二实施例的立体结构示意图；
图17是本发的连接件的第三实施例的立体结构示意图；
图18是本发的连接件的第四实施例的立体结构示意图；
图19是本发的连接件的第五实施例的立体结构示意图；
图20是图19所示连接件与一个基本构件相互连接的结构示意图；
图21-图28是采用本发明组装的一些玩具或摆件的造型示意图，其中图21是前门楼，图22是吉普车，图23是楼房，图24是吊车，图25是小鸟，图26是北京天坛祈年殿，27是机器人，28是怪兽；
图29是常规的燕尾榫槽结构示意图；
图30是本发明的分解结构原理说明示意图；
图31和图32是本发明的结构特点分析说明示意图。
附图标记说明：1、基本构件，11、沟槽，12、凸条，13、扩展槽，2、连接件，21、横向隔离槽，22、卡头，221、卡槽，222、卡舌，23、纵向隔离槽。
具体实施方式
参见图1-图8，本发明一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构的第一实施例，包括基本构件1和连接件2，在正六面体的相对的侧面中间均设有相同的U形的沟槽11，相邻侧面的该沟槽11的方向相互垂直；在该沟槽11的内侧壁设有相互对应的、并沿该沟槽11长方向的凸条12，该凸条12朝该沟槽11底部的一侧与该沟槽11的底部平行；该连接件2的外形为与两个该沟槽11口部相对组成的空间吻合的长方体(其长度可根据需要设定，没有特别限制)，在该长方体的上下两侧的两边各设有与该凸条12相互卡接的卡头22，在该卡头22对应于该沟槽11内侧壁的侧面两边设有卡舌222，在该卡舌222的根部设有与该凸条12对应的卡槽221。
所述沟槽11的两端设有深度和宽度均大于沟槽11的扩展槽13；在所述的卡头22设有该卡舌222的背面设有纵向隔离槽23；该卡头22的两端短于连接件2的总长度，并在该卡头22的两端设有横向隔离槽21；所述的扩展槽13的深度略大于该横向隔离槽21至连接件2的两端的距离。
所述的连接件2的卡舌222与该沟槽11的内侧壁之间为过盈配合。
所述的凸条12背对该沟槽11底部的一侧为斜面(即：横截面形状为一个底角为直角的梯形)。
参见图9-图15，本发明的基本构件1也可是以下几种结构(不限于这些结构)：
如图9所示，所述的基本构件1是只有一个沟槽11的U形主体，其U形口为所述的沟槽11。
如图10所示，所述的基本构件1为工字形的主体，其相对的两个凹口为所述的沟槽11。图中表示了两个工字形的基本构件1之间通过一个连接件2相互连接的组件。
如图11-图13所示，所述的基本构件1为球体的一部分(图中为球体的四分之一，也可是整个的球体)，至少在其一个侧面设有所述的沟槽11(图中在其三个平面均设有沟槽11)。
如图14所示，所述的基本构件1为阶梯形状(L形)，在其背面、底面、两侧或顶面设有所述的沟槽11，也可只在其一个侧面设有沟槽11。
如图15所示，所述的基本构件1为圆柱体，至少在其一个侧面设有所述的沟槽11。该实施例在圆周面均匀设有四个沟槽11(相邻的沟槽相互垂直)，在两个端面各设有一个沟槽11。
参见图16-图20，本发明的连接件2也可有多种形状和结构，包括以下各种实施例：
如图16所示，该连接件2与第一实施例的区别是：两端的凸榫20为中空结构，相当于的上下的两个卡头22背面的纵向隔离槽23合并成一个中空结构。
如图17所示，该连接件2是最简单的结构，在六面体的主体两端的凸榫20的四周均设有卡槽221。该连接件2可用于图10所示的两个工字形的基本构件1之间的连接。
如图18所示，该连接件2的主体是一个体积较大的六面体，在其两端设有较小的凸榫20，该凸榫20的结构与第一实施例相同，也可采用图17所示的结构。
如图19和图20所示，该连接件2的主体是一个n形体，在其两端外侧中部各设有一个凸榫20，该凸榫20的结构与图17所示的结构相同。该连接件2可以与本发明任意的基本构件1连接，图20是与第一实施例的基本构件1连接的立体结构示意图。
通过本发明的连接件2可以实现过将多个不同形状和结构的基本构件1连接组成各种形状的组件，如机器人、动物造型、各种玩具造型(如图21-图28所示)。
参见图30和图31，本发明将图29所示的常规燕尾榫槽的两种结构(指的就是燕尾榫和燕尾槽的A、B、C三个面)的功能拆解，保留限位功能，消除了摩擦力的阻力。A、B、C三个面可以设计很多不同的功能，榫卯文化讲的不仅仅是常识，通过不同材质的比例与工艺运用不同的结构产生不同的结果是积累了近2500年的一代一代传承下来的知识。本身这样的“公差”与摩擦力的理论研究并不在榫卯体系研究的范围内，所以至今没有人认真的会去分析它的具体使用问题，这个问题的根本是因为每件榫卯器具在装配时都会在工匠手里面进行二次调试，设计人员在通过一些黄金受力比例来给出大方向，工匠根据自身磨炼与传承的手艺来对细节进行调整，而基于这样一个大环境榫卯的应用才被局限在了木质或者可进行二次加工的产品。对于尼龙、树脂、ABS等一次成型的量产产品没有办法进行二次纠正，所以我们才需要去认真的分析榫卯结构细节上的受力形式，因此才构成了这个发明的基石。
回到燕尾槽三个面A、B、C的话题，A、B斜面结构提供的功能是未知的摩擦和限位，我们将摩擦力消除剩下的是一个限位结构因此在立销的基础上增加了一个卡扣结构(图3中的凸条12)，原本卡扣结构也是燕尾式的但榫卯文化讲究大道至简最终形成了一个在真实产品中难以察觉的“梯形凸台”(图3中的凸条12)通过实际的使用得到了这个凸台的最佳视觉比例和受力长度。如图梯形凸台结构不仔细看是很难看出来的
图29中A、B、C三个面产生的摩擦力问题最终形成了图32中过盈配合区域H的结构，综上，将燕尾榫卯的结构功能完全拆解为了图3中凸条12和图32中过盈配合区域H两个结构的功能。在生产过程中无论使用任何手段或者材质均会产生公差问题，综合上述问题而导致两个连接物体(基本构件1与连接件2)之间摩擦力完全无法控制。
如图30，在非所需位置(即“非设计位置”，也就是图32中的黑色阴影区域G，为避让空隙)为公差留有足够的间隙余量，保证在MT2公差范围内“非设计位置”不存在摩擦力。图32中卡头22与基本构件1的沟槽11内壁之间的重合区域H为过盈配合区域。
如图31所示，在基本构件1与连接件2之间箭头F所指位置有宽度为0.5-0.7mm、长度为12mm左右的接触面，通过过盈配合使得卡头22(销)产生一个向内的形变(即连接件2上下两个卡头22相互靠近的形变，如弧线D所示)，该形变为接触面提供压力从而产生摩擦力，使得摩擦力在面积上有计算依据。
最终，通过控制弧线D的长度与材料的厚度控制在箭头F所指位置产生的压力，即摩擦力。
本发明基本构件1与连接件2之间通过合理的间隙控制连接的方式与力度，使用时通过连接件2的凸榫20的两根或四个侧面与基本构件1的沟槽11的对应面之间的过盈配合控制拆解时所需要用到的摩擦力，从而保证不会因为连接导致受力形式的改变。
基本构件1的沟槽11的内侧壁的凸条12(为梯形斜条)，使得销子可以从右侧进入槽口，但无法从右侧脱离从而保证连接结构的可靠性，可靠性取决于凸条12部分的宽度，与材质形变的系数。
通过树脂材料测算受力形式，树脂材料公差精度>0.1mm摩擦系数为普通光面ABS的2倍(受使用程度影响会有变动)经过多次测量，在拆装连接件2时，沿着其长方向的推力或拉力稳定在10-15N，推算出ABS受力可在5-10N，因此断定可达到使用要求。
经过实际使用，连接件2两端的拉力在树脂材料的凸条12的尺寸为0.25*2*12m3(高度×顶部宽度×长度)的情况下可承受30N的应力，满足玩具产品使用强度。
本发明最佳体验感为ABS材料MT2公差量产产品，可根据不同年龄感受力量的不同进行调整更改，更改方式如下：
当拆装连接件2时，拉力不足时可增大其凸条12的宽度，此处设计为0.25mm对应30N拉力，每增加0.05mm所承受拉力将为指数级增长，但最长不应超过整体沟槽11深度的1/6，否则将导致连接件的结构稳固性受损。
当拆装连接件2的摩擦力不足时可增加卡舌222的宽度，此处宽度过盈连接控制在0.05-0.1mm，摩擦力在整体连接时不承受应力，因此不宜过多调整此接触面的面积与通过弹性形变产生的下压力。
上述基本构件1与连接件2的连接方式在使用非ABS材质时，需要根据材料韧性、可控公差、以及表面摩擦系数根据上述两种方式调整设计方案。
本发明的基本构件1和连接件2的材质包括：树脂、尼龙、塑料和金属。
为了让更多的消费者爱上榫卯这种传统文化，采用本发明上述的基本结构那个设计并生产一系列的玩具教具。
但在推广的道路上并不顺畅，在一年的尝试之后发现了一个关键性问题：榫卯是一种基于实用主义的理论学科并非遵从数学计算的科学，且由于结构局限于木制材质，受到不同木材的纤维特性产生的摩擦系数和结构力学难以进行测算与实验。
因此在没有数据支持下的产品在量产化时面临了重重考验，其中最关键的问题在于大部分榫卯结构的受力形式无从确定，我们无法通过直观判断去确定量产化产品的力学模型，从而判断问题出处这直接导致了产品的质量完全无法控制。
而在设计过程中，为了让结构更适应材质，我们找到了一种适用于非木制材质的特殊连接方式，通过可控的公差与受力面积让新的结构更适合孩子和大众使用。从而在理论上保证了产品的量产化与产品质量。
Claims (7)
1.一种运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，包括基本构件（1）和连接件（2），至少在基本构件（1）的一侧设有U形的沟槽（11），在该沟槽（11）的内侧壁设有相互对应的、并沿该沟槽（11）长方向的凸条（12），该凸条（12）朝该沟槽（11）底部的一侧与该沟槽（11）的底部平行；所述的凸条（12）背对该沟槽（11）底部的一侧为斜面；所述沟槽（11）的两端设有深度和宽度均大于沟槽（11）的扩展槽（13）；
在该连接件（2）的一端或两端设有用于***该沟槽（11）内的凸榫（20），在该凸榫（20）顶端的两侧设有与所述的凸条（12）对应的卡头（22），在该卡头（22）对应于该沟槽（11）内侧壁的侧面两边设有卡舌（222），在该卡舌（222）的根部设有与该凸条（12）对应的卡槽（221）；在所述的卡头（22）设有该卡舌（222）的背面设有纵向隔离槽（23）；该卡头（22）的两端短于连接件（2）的总长度，并在该卡头（22）的两端设有横向隔离槽（21）；所述的扩展槽（13）的深度略大于该横向隔离槽（21）至连接件（2）的两端的距离；
所述的连接件（2）的卡舌（222）与该沟槽（11）的内侧壁之间为过盈配合；
所述的基本构件（1）和连接件（2）的材质包括：树脂、尼龙、塑料和金属。
2.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为正六面体，在其相对的侧面中间均设有相同的U形的沟槽（11），相邻侧面的该沟槽（11）的方向相互垂直。
3.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为U形主体，其U形口为所述的沟槽（11）。
4.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为工字形的主体，其相对的两个凹口为所述的沟槽（11）。
5.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为球体或球体的一部分，至少在其一个侧面设有所述的沟槽（11）。
6.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为阶梯形状，在其背面、底面、两侧或顶面设有所述的沟槽（11）。
7.根据权利要求1所述的运用非木制材质的结构变型的榫卯结构，其特征在于，所述的基本构件（1）为圆柱体，至少在其一个侧面设有所述的沟槽（11）。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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