Spiel am Scharnierende: Axiale Bewegung, Schubkontrolle und Messung

Ein Scharnier kann sich frei drehen, die Prüfung des Bolzendurchmessers bestehen und sich dennoch in eine Richtung bewegen, die in der Zeichnung nicht vorgesehen ist. Wenn man einen Flügel entlang der Bolzenachse schiebt und ihn wieder zurückzieht, kann die Baugruppe ein leises Klicken oder eine messbare Verschiebung erzeugen. Diese Bewegung ist Scharnier-Endspiel.

Bei einem herkömmlichen Stift-Gelenk-Scharnier besteht normalerweise ein geringes axiales Spiel, damit benachbarte Gelenke und Axialkraft-Schnittstellen sich ohne zu klemmen drehen können. Bei Präzisions- oder vorgespannten Scharnierkonstruktionen kann diese Bewegung anders geregelt werden, sodass das zulässige Axialspiel sich aus der jeweiligen Konstruktion ergeben muss und nicht aus einer allgemeingültigen Null-Spiel-Regel.

Eine zu starke axiale Bewegung kann dazu führen, dass sich eine Tür verschiebt, wiederholte Stöße zwischen den Druckflächen entstehen, der Rastmechanismus beeinträchtigt wird, Geräusche zunehmen oder sich ein ansonsten fest sitzendes Paneel locker anfühlt. Der Versuch, jegliche Bewegung vollständig zu unterbinden, führt hingegen zum gegenteiligen Problem. Fertigungstoleranzen, Beschichtungsaufbau, Abweichungen bei der Formgebung, thermische Ausdehnung, die Dicke der Druckunterlegscheibe oder ein verschobenes Halteelement können das vorgesehene Spiel aufzehren und den Drehzapfen in eine axiale Klemmung verwandeln.

Das Axialspiel ist axial, nicht radial.

Das Axialspiel wird häufig mit anderen Formen von Scharnierlockerheit in einen Topf geworfen, da ein Bediener all diese Phänomene als “Spiel” bezeichnen könnte. Diese Formulierung ist für eine Zeichnung oder eine Prüfanforderung zu weit gefasst.

Das Stiftspiel und das Seitenspiel hängen zwar zusammen, sind jedoch nicht identisch. Das Spiel zwischen Bolzen und Bohrung ist ein Maß innerhalb des Drehgelenks. Das Seitenspiel ist die daraus resultierende seitliche Bewegung, die zwischen den montierten Scharnierteilen beobachtet wird. Gelenklänge, Lagerspannweite, lokaler Verschleiß, Ausrichtung und die Position der einwirkenden Kraft können das gemessene Seitenspiel verändern, selbst wenn die Abmessungen von Bolzen und Bohrung unverändert bleiben.

Ein Scharnier kann daher ein akzeptables radiales Laufspiel aufweisen, während das montierte Scharnier dennoch ein übermäßiges axiales Spiel aufweist. Auch das Gegenteil kann der Fall sein: Die axiale Bewegung kann streng kontrolliert werden, während ein übermäßiges radiales Spiel oder verschlissene Lagerflächen eine seitliche Bewegung der Scharnierflügel zulassen.

Für die Maßpassung im Drehgelenk verwenden Sie die Leitfaden zum Spiel der Scharnierstifte. Auf dieser Seite werden die Grenzwerte für Stift- und Bohrungsdurchmesser, die Aufbaulage, das Betriebsspiel, das Freispiel und die Klemmgefahr behandelt. Für das Endspiel des Scharniers gelten eigene axiale Anforderungen.

Woher die axiale Bewegung stammt

Der sichtbare Spalt zwischen zwei benachbarten Gelenken kann zwar zum Axialspiel beitragen, ist jedoch selten der gesamte Grund dafür.

Ein Industrie-Scharnier kann mehrere in Reihe geschaltete axiale Schnittstellen enthalten. Wenn die bewegliche Baugruppe von einem Ende des Bolzens zum anderen geschoben wird, kann jede Schnittstelle einen Teil zur Gesamtbewegung beitragen.

• Abstand zwischen benachbarten Gelenkstirnflächen;
• Dicke und Kompression der Druckunterlegscheibe;
• Spiel zwischen einer Unterlegscheibe und einer Anschlagschulter;
• axiale Bewegung des Stifts innerhalb seiner Haltevorrichtung;
• zwischen einer Buchse und ihrem Gehäuse schwimmen;
• Abstandshalter- oder Unterlegscheibenvariante;
• Variationen beim Umformen, Abstecken, Stauchen oder Gesenkschmieden;
• Position der Sicherungsringnut;
• Verschleiß an einer belasteten Druckfläche;
• elastische Bewegung eines dünnen Clips oder eines Stützelements.

Dies ist von Bedeutung, wenn eine Zeichnung nur eine offensichtliche Abmessung vorgibt. Ein nomineller Spalt am Gelenkende beweist nicht, dass das montierte Scharnier das gleiche Spiel aufweist. Eine Unterlegscheibe, eine schwimmende Buchse, ein Bolzenhalter, ein Distanzstück oder ein geformtes Merkmal können an anderer Stelle im axialen Baugruppenaufbau für Bewegung sorgen.

Auch das Gegenteil ist möglich. Mehrere Nennabstände mögen in der Zeichnung großzügig erscheinen, doch schon eine verformte Unterlegscheibe oder eine schräge Stirnfläche berührt die Oberfläche vorzeitig und verhindert, dass sich der gesamte Stapel bewegen kann. Die Maßanalyse sagt den verfügbaren axialen Spielraum voraus. Das fertige Scharnier bestätigt, wie viel von diesem Spielraum tatsächlich nutzbar ist.

Axiale Belastung erfordert einen Druckweg

Das Axialspiel beschreibt eine Bewegung. Die Axialbelastung bestimmt, welche Fläche diese Bewegung stoppt.

Bei einer vertikal seitlich angeschlagenen Tür können die Schwerkraft und die Einbaulage dazu führen, dass ein Teil des Scharnierpakets an einem unteren Gelenkende, einer Unterlegscheibe, einer Schulter, einem Flansch oder einer Auflagefläche anliegt. Bei einer horizontalen oder geneigten Scharnierachse kann die aktive Schubrichtung abweichen. Transportbeschleunigung, Vibrationen, Federkraft, Belastung durch den Bediener, Seilzug oder die Verriegelungswirkung können ebenfalls vorübergehende axiale Reaktionskräfte verursachen.

Das Scharnier benötigt daher einen klar definierten Axialkraftweg. Gehen Sie nicht davon aus, dass das Ende einer Hülsenbuchse automatisch als Axiallager fungiert. Eine Buchse, die unter radialer Druckbelastung gut funktioniert, ist möglicherweise nicht dafür ausgelegt, wiederholte axiale Belastungen an ihrer Stirnfläche aufzunehmen.

Die gleiche Warnung gilt für geformte Gelenke. Eine dünne, gewalzte Kante mag bei geringer Belastung als geometrischer Anschlag akzeptabel sein, ist jedoch eine ungeeignete Langzeit-Abstützfläche, wenn eine schwerere, sich bewegende Baugruppe wiederholt daran anliegt.

Bei Gleitlagern gilt: Leitfaden für industrielle Scharnierbuchsen behandelt den Radialdruck, Buchsenwerkstoffe, die Schmierung, die Passung des Gehäuses sowie die Gründe, warum bei axialer Belastung ein Flansch, eine Druckunterlegscheibe, eine Schulter oder eine separate Abstützung erforderlich sein kann. Diese Seite knüpft an diese Grenze an und konzentriert sich auf die daraus resultierende axiale Bewegung.

Zu wenig und zu viel Axialspiel

“Möglichst geringes Axialspiel” klingt präzise. Tatsächlich kann es sich dabei jedoch um eine unvollständige Anforderung handeln.

Wenn der rotierende Stapel fast vollständig zwischen zwei axialen Flächen eingeklemmt ist, können normale Fertigungstoleranzen dazu führen, dass das Scharnier von einem frei laufenden in einen vorgespannten Zustand wechselt. Die Enddicke, Toleranzen bei den Unterlegscheiben, die Umformposition, Grate, Verformungen durch das Verstemmen oder die Temperatur können den verbleibenden Spielraum aufbrauchen.

Ein Scharnier kann sich bei einer manuellen Prüfung zwar noch bewegen, dennoch eine höhere Ausreißkraft, temperaturabhängige Reibung oder lokale Riefen aufweisen, da eine der Druckflächen bereits einer dauerhaften Belastung ausgesetzt ist.

Ein zu großes Axialspiel führt zu einem umgekehrten Versagensmechanismus. Die bewegliche Baugruppe durchläuft den verfügbaren axialen Spalt, bevor sie die gegenüberliegende Druckfläche erreicht. Wenn sich die axiale Belastung wiederholt umkehrt, kann der Kontakt zu einem Stoß statt zu einer gleichmäßigen Lagerreaktion werden.

Es gibt keinen allgemein gültigen Richtwert für das Axialspiel bei Industriescharnieren. Ein kompakter Instrumentendeckel, eine schwere Gehäusetür, eine Schienen-Revisionsklappe und ein Präzisions-Rastmechanismus können sehr unterschiedliche Grenzwerte erfordern, selbst wenn ihre Scharnierbolzen ähnlich aussehen.

Die axiale Toleranzsumme

Bei einem starren, nicht vorgespannten axialen Stapel werden bei einer sinnvollen Erstberechnung der verfügbare Abstand zwischen den maßgebenden Festlegungen und den Komponenten, die diesen Abstand einnehmen, voneinander getrennt.

Hierbei handelt es sich um einen Maßbereich, nicht um eine Garantie dafür, dass sich das fertige Scharnier genau um den berechneten Betrag bewegt. Es wird davon ausgegangen, dass die ausgewählten Begrenzungsflächen tatsächlich als funktionale Axialanschläge dienen und dass Vorspannung, Federelemente, elastische Unterlegscheiben, Verformung, Reibung, Bewegung des Halters, Grate und die Messkraft das Verhalten nicht beeinflussen.

Bei einem Scharnier, bei dem bewusst eine axiale Vorspannung oder eine einstellbare Axialkraft zum Einsatz kommt, spielt die geometrische Stapelung zwar weiterhin eine Rolle, doch muss das gemessene Axialspiel anhand des tatsächlichen Mechanismus und der Prüfbedingungen ermittelt werden und nicht allein anhand von A − S.

Der Stapel sollte die endgültigen funktionalen Abmessungen verwenden und nicht nur die Nennwerte der einzelnen Komponenten. Je nach Architektur kann dies Folgendes umfassen:

• Knöchellängen;
• Dicke der Unterlegscheibe und des Distanzstücks;
• Position der eingebauten Buchse;
• Lage an der Schulter;
• Kragendicke;
• Position der Sicherungsringnut;
• geformte oder abgesetzte Stiftendposition;
• Beschichtung auf den axialen Kontaktflächen;
• Einbaumaße nach dem Aufspicken, Pressen, Stauchen oder Umformen.

Es kommt auf die ungünstigsten Kombinationen an. Jede Komponente kann für sich genommen die Prüfung bestehen, während der gesamte Stapel außerhalb des vorgesehenen Bewegungsbereichs liegt.

Schubfunktionen zur Steuerung der Bewegung

Es gibt verschiedene Gelenkbauweisen, mit denen sich die axiale Bewegung steuern lässt. Sie weisen jedoch unterschiedliche Verschleißverhalten, Wartungsfreundlichkeit und Fertigungsanforderungen auf.

• Stirnflächen der Gelenkköpfe: Kompakt und einfach, doch das geformte Ende dient sowohl als axialer Anschlag als auch als potenzielle Verschleißfläche.
• Druckscheiben: schafft eine gezielte Schnittstelle zwischen den rotierenden Stirnflächen und kann den Verschleiß von den Scharniergelenken isolieren.
• Flanschbuchsen: kann eine Kombination aus radialer Abstützung und axialem Kontakt darstellen, wenn die konkrete Konstruktion für die Aufnahme von Axialkräften ausgelegt ist.
• Schultern und Kragen: ein präziseres axiales Bezugssystem schaffen und die Axialkraft von den dünnen, geformten Kanten des Gelenks wegleiten.
• Distanzstücke und Unterlegscheiben: ermöglichen eine Stapelanpassung, erfordern jedoch eine Kontrolle der Dicke und der Haltekraft.
• Sicherungsringe und Klammern: Position des Führungsstifts, wenn die Lage der Nut, das Axialspiel, der Zugang und die Einbaurichtung festgelegt sind.
• Gesteckte, gedrehte, geformte oder geprägte Stiftenden: sorgen für einen kompakten Sitz, wobei die endgültige axiale Position stark vom Umformprozess abhängen kann.

Ein Axiallager sollte nicht allein aufgrund seines Namens ausgewählt werden. Eine Unterlegscheibe kann zwar maßgenau sein, sich aber dennoch schnell abnutzen, wenn sie für die auftretende Belastung zu weich ist, unzureichend abgestützt wird, verunreinigt ist oder an einer rau geformten Kante reibt. Ein Paar aus Hartmetallen kann zwar die Geometrie erhalten, führt jedoch zu höherer Reibung, Riefenbildung, Geräuschentwicklung oder einer erhöhten Abhängigkeit vom Schmiermittel.

Die Anforderung an das Axialspiel muss nicht Gegenstand eines eigenen Artikels über Werkstoffe sein. Es muss jedoch festgestellt werden, welches Bauteil die Axialkraft aufnimmt und ob dieses Bauteil die beabsichtigte axiale Bewegung während der gesamten vorgesehenen Betriebsdauer aufrechterhalten kann.

Messen Sie die Baugruppe, nicht nur einen Spalt

Mit einer Fühlerlehre lässt sich ein zugänglicher Abstand zwischen zwei Oberflächen messen. Diese Messung ist nützlich, wenn in der Zeichnung genau dieser Abstand vorgegeben ist. Sie entspricht jedoch nicht automatisch dem funktionalen Scharnierspiel.

Bei einer vollständigen Prüfung des Axialspiels wird ein Teil der Baugruppe fixiert, die bewegliche Seite in beiden axialen Richtungen belastet und die daraus resultierende Verschiebung entlang der Achse des Gelenkbolzens erfasst.

1. Legen Sie den festen Bezugspunkt fest. Verwenden Sie das Scharnierblatt, die Montageplatte, das Gehäuse oder die Befestigungsfläche, die den vorgesehenen Einbaubezugspunkt darstellt.
2. Wähle das sich bewegende Ziel aus. Geben Sie an, ob der Indikator dem gegenüberliegenden Blatt, dem Gelenkstapel, dem Stift oder einer anderen gesteuerten Fläche folgt.
3. Richten Sie die Messachse auf die Achse des Scharnierstifts aus. Ist der Sensor nicht parallel zur Stiftachse ausgerichtet, entspricht der angezeigte Weg nicht direkt dem axialen Messwert und kann zudem durch seitliche oder Drehbewegungen beeinflusst werden.
4. Setzen Sie die Baugruppe in einer axialen Richtung ein. Üben Sie die festgelegte Kraft ohne Aufprall aus und notieren Sie die Position.
5. Kehren Sie die axiale Belastung um. Bewegen Sie die Baugruppe so lange, bis die gegenüberliegende Druckfläche einrastet.
6. Notieren Sie den Gesamtverschiebungswert. Der Unterschied zwischen den beiden kontrollierten Positionen besteht in dem unter dieser Prüfbedingung gemessenen Axialspiel.

Eine Messuhr, ein digitaler Wegsensor, ein Komparator, eine Höhenmessvorrichtung oder eine spezielle Fertigungsvorrichtung können alle geeignet sein. Die entscheidenden Faktoren sind der Bezugspunkt, die Kraft, die Richtung, die Ausrichtung des Sensors, die Auflösung des Messgeräts, die Steifigkeit der Vorrichtung und die Wiederholgenauigkeit.

Beleuchtungsbedingungen und Messbedingungen

Ein Wert für das Seitenspiel ohne Angabe der Befestigungsart kann irreführend sein. Ein Sicherungsclip, eine Kunststoffscheibe, eine dünne Halterung oder eine komplette Tür können sich je nach Größe der aufgebrachten Axialkraft unterschiedlich verformen.

Die Prüfkraft sollte ausreichend sein, um die vorgesehenen Druckflächen gleichmäßig aufzusetzen, ohne dass die Prüfung zu einer Verformungsprüfung wird. Eine Kraft, die für ein kompaktes Scharnier geeignet ist, kann bei einer anderen Konstruktion das Scharnierblatt oder die Halterung verbiegen. Der Wert sollte daher aus der tatsächlichen Baugruppe und einer Wiederholbarkeitsstudie abgeleitet werden, nicht aus einer allgemeingültigen Regel.

Auch die Ausrichtung spielt eine Rolle. Eine schwere Tür, die an einem vertikalen Scharnier hängt, kann bereits an einer der beiden Auflageflächen anliegen, bevor die Prüfkraft aufgebracht wird. Ein kleines Tischscharnier, das horizontal geprüft wird, kann zwischen beiden Auflageflächen schweben. Die Ergebnisse dieser beiden Bedingungen sind nicht direkt vergleichbar, es sei denn, die Prüfmethode berücksichtigt diesen Unterschied.

Die Bewegung der Stifte und die Bewegung der Blätter sind unterschiedlich

Ein Messwert des Axialindikators gibt nicht automatisch Aufschluss darüber, welcher Teil des Scharniers sich bewegt hat.

Ein Stift, der sich absichtlich oder unabsichtlich innerhalb seiner Haltevorrichtung frei bewegen kann, kann sich verschieben, während die beiden Flügel weiterhin an derselben Druckfläche anliegen. Die Messung nur des Stifts kann daher eine Bewegung anzeigen, die nicht dem von der Anlage erfassten Endspiel zwischen den Flügeln entspricht.

Das Gegenteil kann ebenfalls eintreten. Ein sicher gehaltener Stift kann fest sitzen bleiben, während sich der bewegliche Gelenkblock zwischen zwei Schultern oder Unterlegscheiben bewegt.

Wenn beide Funktionen wichtig sind, steuern Sie sie getrennt:

• Axiale Bewegung des Stifts: Bewegung des Stifts relativ zum Flügel oder Gehäuse, das ihn halten soll.
• Spiel am Scharnierende: Bewegung der beweglichen Scharnierbaugruppe relativ zur feststehenden Baugruppe entlang der Scharnierstiftachse.

Die Zusammenfassung beider Faktoren zu einem einzigen, nicht näher definierten Wert für das “Axialspiel” kann den tatsächlichen Ausfallmechanismus verschleiern. Ein lockeres Sicherungselement und eine verschlissene Druckscheibe können zwar einen ähnlichen Gesamtweg des Messgeräts bewirken, erfordern jedoch unterschiedliche Abhilfemaßnahmen.

Verschleiß, Temperatur und Betriebswechsel

Das Spiel am ersten Tag ist lediglich ein Ausgangszustand, wenn das Scharnier wiederholten Axialbelastungen ausgesetzt ist.

Die Stirnflächen der Gelenkköpfe können sich abpolieren oder abnutzen. Druckscheiben können an Dicke verlieren. Polymerelemente können sich je nach Material und Zustand unter Dauerbelastung verformen. Halterungen können zwar befestigt bleiben, sich jedoch in ihrer Sitzposition verschieben. Ein Distanzstück kann an einer angrenzenden Oberfläche reiben. Jede dieser Veränderungen beeinflusst den axialen Aufbau.

Die Temperatur stellt eine weitere Variable dar. Unterschiedliche Material- und Bauteil-Temperaturen können den effektiven Abstand zwischen Schultern, Unterlegscheiben, Buchsen und Halteelementen verändern. Die daraus resultierende axiale Bewegung kann sich vergrößern oder verringern.

Das Maßspiel ist nicht das einzige Problem im Zusammenhang mit der Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen kann ein positives Axialspiel entstehen, während das Verhalten von Schmiermitteln oder Polymeren die Betriebsreibung erhöht. Bei höheren Temperaturen können Materialausdehnung, Kriechen oder die Migration von Schmiermitteln sowohl das Sitzverhalten als auch das Verschleißverhalten verändern.

Die Anforderung hinsichtlich des Axialspiels muss daher die Bedingungen festlegen, unter denen der Grenzwert gilt. Bei manchen Geräten ist lediglich eine Eingangskontrolle bei Raumtemperatur erforderlich. Bei anderen Konstruktionen kann dieselbe Messung nach Zyklusprüfungen, Temperierung, Vibrationstests, Reinigung, Korrosionsbelastung oder einer anderen repräsentativen Betriebsbedingung erforderlich sein.

Sollte sich das Axialspiel nach der Wartung vergrößern, sollten Sie nicht nur die endgültige Verschiebung notieren. Überprüfen Sie die Druckflächen, die Dicke der Unterlegscheiben, die Stiftenden, die Position der Halterung, den Sitz der Buchsen, die Distanzstücke, das Kontaktmuster und eventuelle Fremdkörper. Die Messung zeigt, dass sich der Baugruppenaufbau verändert hat. Anhand der physikalischen Anhaltspunkte lässt sich feststellen, an welcher Stelle die Veränderung stattgefunden hat.

Legen Sie das Endspiel in die Zeichnung ein

Begriffe wie “minimales Spiel”, “festes Scharnier” und “keine spürbare axiale Bewegung” sind keine brauchbaren Abnahmekriterien.

Die Abmessungen der Bauteile sollten die Geometrie bestimmen, die bei der Herstellung des Scharniers zugrunde gelegt wird. Wenn das Axialspiel die Funktion des fertigen Geräts beeinträchtigt, ist eine separate Anforderung für den zusammengebauten Zustand hinzuzufügen, die die daraus resultierende Bewegung regelt.

Der Text in Klammern stellt keine endgültige Branchenspezifikation dar. Der zuständige Ingenieur muss die Werte anhand der tatsächlichen Geräteanforderungen, der Scharnierarchitektur, der Toleranzanalyse und der Validierungsnachweise festlegen.

Falls aus der Zeichnung des Lieferanten nicht eindeutig hervorgeht, welche Maße, Toleranzen und Anmerkungen für das Scharnier maßgeblich sind, verwenden Sie die Technisches Datenblatt für Scharniere und Leitfaden für Konstruktionszeichnungen um die nominelle Geometrie von den funktionalen und prüfungsabhängigen Anforderungen zu trennen.

Abgleich der Produktionsprüfung

Ein Entwicklungslabor kann das Spiel am Scharnierende mithilfe einer starren Halterung, einer kontrollierten axialen Belastung und eines hochauflösenden Wegsensors bestimmen. Für die Produktionsprüfung sind nicht unbedingt dieselben Geräte erforderlich.

Ein einfacheres Messgerät oder eine spezielle Vorrichtung kann geeignet sein, wenn Korrelationsversuche zeigen, dass damit konforme von nicht konformen Scharnieren zuverlässig unterschieden werden können. Dabei müssen weiterhin die Auflagekraft, Bezugspunkte, die Ausrichtung sowie ein bekannter Bezug zur technischen Messung kontrolliert werden.

Ersetzen Sie die Prüfung des montierten Axialspiels nicht durch die Überprüfung einer einzelnen Unterlegscheibe oder Distanzscheibe, es sei denn, aus Untersuchungsdaten geht hervor, dass die Abmessung des Bauteils die endgültige Bewegung zuverlässig vorhersagt. Umformung, Stiftbefestigung, Einbau, Abweichungen im Stapel sowie lokale Interferenzen können das Ergebnis der Montage beeinflussen.

Eine manuelle Prüfung ist nützlich, um grobe Spielräume festzustellen. Sie ist jedoch kein Ersatz für eine definierte Endspielmessung, wenn der zulässige Spielraum so gering ist, dass er die Ausrichtung, die Rastposition, Geräusche, die Dichtwirkung oder das Bediengefühl beeinträchtigt.

Den Axial-Stack zur Überprüfung einsenden

Häufig gestellte Fragen zum Scharnier-Endspiel