Speling aan het scharnieruiteinde: axiale beweging, stuwkrachtbeheersing en meting

Een scharnier kan vrij draaien, voldoen aan de controle op de pen-diameter en toch bewegen in een richting die in de tekening niet is vastgelegd. Duw één scharnierblad langs de penas, trek het terug, en het geheel kan een lichte klik of een meetbare verschuiving vertonen. Die beweging is speling aan het scharnieruiteinde.

Bij een conventioneel scharnier met pen en scharniergewricht is er doorgaans een kleine axiale speling aanwezig, zodat aangrenzende scharniergewrichten en drukvlakken kunnen draaien zonder vast te lopen. Bij precisie- of voorgespannen scharnierconstructies kan deze beweging op een andere manier worden geregeld; de aanvaardbare eindspeling moet dan ook worden afgeleid uit het daadwerkelijke ontwerp en niet uit een algemene regel dat er geen speling mag zijn.

Te veel axiale beweging kan ervoor zorgen dat een deur van positie verandert, herhaaldelijke botsingen tussen de drukvlakken veroorzaakt, de vergrendeling verstoort, geluidstoename veroorzaakt of ervoor zorgt dat een anderszins stevig paneel los aanvoelt. Proberen elk spoor van beweging volledig weg te nemen, leidt juist tot het tegenovergestelde probleem. Fabricagetoleranties, afzettingen van coatings, variaties in de vormgeving, thermische uitzetting, de dikte van de drukring of een verschoven bevestigingselement kunnen de beoogde speling opslokken en het scharnierpunt veranderen in een axiale klem.

De eindspeling is axiaal, niet radiaal

Zijdelingse speling wordt vaak onder één noemer gebracht met andere vormen van speling in scharnieren, omdat een operator al deze verschijnselen als “speling” kan omschrijven. Die formulering is te breed voor een tekening of inspectie-eis.

De speling tussen pen en boring en de zijdelingse speling hangen met elkaar samen, maar het zijn niet dezelfde parameters. De speling tussen pen en boring is een maatvoering binnenin het draaipunt. Zijdelingse speling is de daaruit voortvloeiende zijdelingse beweging die wordt waargenomen tussen gemonteerde scharnieronderdelen. De lengte van de scharnierknokkel, de lageroverspanning, plaatselijke slijtage, uitlijning en de positie van de uitgeoefende kracht kunnen de gemeten zijdelingse speling beïnvloeden, zelfs wanneer de afmetingen van de pen en de boring ongewijzigd blijven.

Een scharnier kan dus een aanvaardbare radiale speling hebben, terwijl het gemonteerde scharnier nog steeds te veel axiale speling vertoont. Het omgekeerde kan ook voorkomen: de axiale beweging kan strak worden geregeld, terwijl te veel radiale speling of versleten lagercontactvlakken zijdelingse beweging van de scharniervleugels mogelijk maken.

Gebruik voor de maatvoering binnen het draaipunt de richtlijn voor de speling van scharnierpennen. Op die pagina wordt ingegaan op de maximale afmetingen van pennen en boringen, de opbouw van het afwerkingsmateriaal, de werkingsspeling, de vrije speling en het risico op vastlopen. Voor de eindspeling van scharnieren gelden aparte axiale eisen.

Waar axiale beweging vandaan komt

De zichtbare spleet tussen twee aangrenzende scharniergewrichten kan bijdragen aan de speling, maar dit is zelden de volledige oorzaak.

Een industrieel scharnier kan uit meerdere axiale koppelingen in serie bestaan. Wanneer de bewegende eenheid vanaf het ene uiteinde van de pen naar het andere wordt geduwd, kan elke koppeling een deel van de totale beweging voor zijn rekening nemen.

• speling tussen aangrenzende eindvlakken van de scharnierpunten;
• dikte en samendrukking van de drukring;
• speling tussen een sluitring en een borgrand;
• axiale beweging van de pen binnen zijn bevestigingsmechanisme;
• zweeft tussen een bus en de behuizing daarvan;
• variant met afstandhouder of vulplaatje;
• variaties in het vormen, vastzetten, smeden of koppen;
• positie van de groef voor de borgring;
• slijtage aan een belaste drukvlak;
• elastische beweging van een dunne klem of steunelement.

Dit is van belang wanneer een tekening slechts één voor de hand liggende afmeting aangeeft. Een nominale speling aan het scharnieruiteinde bewijst niet dat het gemonteerde scharnier dezelfde hoeveelheid eindspeling heeft. Een sluitring, zwevende bus, penhouder, afstandhouder of gevormd onderdeel kan elders in de axiale opbouw voor beweging zorgen.

Het omgekeerde is ook mogelijk. Verschillende nominale spelingwaarden kunnen op de tekening ruim lijken, maar één vervormde sluitring of een schuin staand eindvlak kan al vroeg contact maken en zo voorkomen dat de volledige stapel kan bewegen. Een maatanalyse voorspelt de beschikbare axiale bewegingsruimte. Het voltooide scharnier bevestigt hoeveel van die bewegingsruimte daadwerkelijk functioneel is.

Axiale belasting vereist een drukpad

Zijdelingse speling geeft de beweging aan. De axiale belasting bepaalt welk oppervlak die beweging tot stilstand brengt.

Bij een verticaal aan de zijkant scharnierende deur kunnen de zwaartekracht en de inbouwgeometrie ervoor zorgen dat een deel van de scharnierconstructie tegen een onderste scharnieruiteinde, sluitring, schouder, flens of lageroppervlak komt te rusten. Bij een horizontale of schuine scharnieras kan de actieve drukrichting afwijken. Transportversnelling, trillingen, veerkracht, belasting door de gebruiker, trekkracht van de kabel of de werking van de vergrendeling kunnen eveneens tijdelijke axiale reacties veroorzaken.

De technische toepassing van scharnieren Bij de beoordeling moet daarom het axiale krachtenpad worden vastgesteld. Ga er niet zomaar vanuit dat het uiteinde van een huls automatisch als axiaal lager fungeert. Een huls die goed presteert bij radiale druk, is mogelijk niet ontworpen om herhaaldelijke axiale belasting op het eindvlak op te vangen.

Dezelfde waarschuwing geldt voor gevormde knokkels. Een dunne gewalste rand kan bij lichte belasting een aanvaardbare geometrische aanslag zijn, maar vormt op de lange termijn een ongeschikt drukvlak wanneer een zwaarder bewegend onderdeel er herhaaldelijk tegenaan komt.

Bij draaipunten met glijlagers is de handleiding voor industriële scharnierbussen gaat in op radiale druk, materialen voor bussen, smering, de passing van de behuizing en waarom bij axiale belasting een flens, drukring, schouder of aparte ondersteuning nodig kan zijn. Deze pagina sluit aan op dat punt en richt zich op de daaruit voortvloeiende axiale beweging.

Te weinig en te veel zijdelingse speling

“Zo min mogelijk eindspeling” klinkt nauwkeurig. In werkelijkheid kan het echter een onvolledige eis zijn.

Als de roterende stapel bijna volledig tussen twee axiale vlakken is ingeklemd, kan normale productievariatie ervoor zorgen dat het scharnier van vrijlopend naar voorgespannen verandert. De dikte van de afwerking, variaties in de ringen, de vormpositie, bramen, vervorming door vastzetten of de temperatuur kunnen de resterende speling opgebruiken.

Een scharnier kan tijdens een handcontrole nog steeds bewegen, maar toch een hogere losbreekkracht, temperatuurafhankelijke wrijving of plaatselijke groeven vertonen, omdat één drukvlak al voortdurend onder druk staat.

Overmatige eindspeling leidt tot het tegenovergestelde faalmechanisme. Het bewegende onderdeel verplaatst zich door de beschikbare axiale speling voordat het het tegenoverliggende drukvlak bereikt. Als de axiale belasting herhaaldelijk van richting verandert, kan het contact veranderen in een stootbeweging in plaats van een gelijkmatige lagerreactie.

Er bestaat geen algemeen geldende norm voor de juiste zijspeling bij industriële scharnieren. Een compacte instrumentenklep, een zware behuizingsdeur, een toegangsluik voor een rail en een precisievergrendelingsmechanisme kunnen zeer uiteenlopende toleranties vereisen, zelfs als de scharnierpennen er op het eerste gezicht hetzelfde uitzien.

De axiale tolerantietolering

Bij een stijve, niet-voorgespannen axiale stapeling wordt bij een nuttige eerste berekening de beschikbare afstand tussen de bepalende bevestigingspunten gescheiden van de componenten die die afstand innemen.

Dit is een dimensionaal berekeningskader, geen garantie dat het voltooide scharnier precies de berekende afstand zal afleggen. Hierbij wordt ervan uitgegaan dat de gekozen begrenzingsvlakken daadwerkelijk als functionele axiale aanslagen fungeren en dat voorspanning, veerelementen, elastische ringen, vervorming, wrijving, de beweging van de klem, bramen en de meetkracht het gedrag niet beïnvloeden.

Bij een scharnier waarbij bewust gebruik wordt gemaakt van axiale voorspanning of een instelbare stuwkracht, blijft de geometrische stapel van belang, maar de gemeten eindspeling moet worden bepaald op basis van het daadwerkelijke mechanisme en de testomstandigheden, en niet uitsluitend op basis van A − S.

De stapel moet uitgaan van de uiteindelijke functionele afmetingen, en niet alleen van de nominale waarden van de afzonderlijke componenten. Afhankelijk van de architectuur kan dit het volgende omvatten:

• knokkellengtes;
• dikte van de onderlegring en de afstandhouder;
• positie van de gemonteerde bus;
• schouderpositie;
• dikte van de kraag;
• positie van de groef voor de borgring;
• de plaats waar de pen is gevormd of waar deze uitkomt;
• coating op de axiale contactvlakken;
• afmetingen na het uitzetten, persen, smeden of vervormen.

Combinaties die tot het slechtst denkbare scenario leiden, zijn van belang. Elk onderdeel kan afzonderlijk de keuring doorstaan, terwijl de complete stapel buiten het beoogde bewegingsbereik valt.

Belangrijke functies die de beweging regelen

Er bestaan verschillende scharnierontwerpen waarmee axiale beweging kan worden geregeld. Deze verschillen wat betreft slijtagegedrag, onderhoudsvriendelijkheid en gevoeligheid voor fabricageafwijkingen.

• Eindvlakken van de knokkels: compact en eenvoudig, maar het gevormde uiteinde fungeert zowel als axiale aanslag als mogelijk slijtageoppervlak.
• Drukringen: zorgt voor een doelbewuste overgang tussen de roterende eindvlakken en kan slijtage aan de scharniergewrichten beperken.
• Flensbussen: kan radiale ondersteuning en axiaal contact combineren wanneer de specifieke constructie is ontworpen voor het opvangen van stuwkrachten.
• Schouders en kragen: zorgt voor een beter gedefinieerd axiaal referentiepunt en kan de stuwkracht wegleiden van de dunne, gevormde randen van de scharnier.
• Afstandhouders en vulplaatjes: stapelaanpassing toestaan, maar vereisen wel controle over de dikte en de retentie.
• Borgringen en klemmen: de positie van de stuurpen wanneer de plaats van de groef, de axiale speling, de toegankelijkheid en de montagerichting zijn vastgelegd.
• Gepinde, gedraaide, gevormde of gestanste penuiteinden: zorgen voor een stevige bevestiging, hoewel de uiteindelijke axiale positie sterk kan afhangen van het vormgevingsproces.

Een druklager mag niet uitsluitend op basis van de naam worden gekozen. Een ring kan qua afmetingen weliswaar correct zijn, maar toch snel slijten als deze te zacht is voor de uitgeoefende belasting, onvoldoende wordt ondersteund, vervuild is of tegen een ruw gevormde rand aanloopt. Een combinatie van harde metalen kan weliswaar de geometrie behouden, maar leidt tot hogere wrijving, krassen, geluid of een grotere afhankelijkheid van smeermiddel.

De eis inzake zijdelingse speling hoeft niet in een apart artikel over materialen te worden behandeld. Er moet wel worden aangegeven welk onderdeel de stuwkracht opvangt en of dat onderdeel de beoogde axiale beweging gedurende de vereiste gebruiksduur kan handhaven.

Meet het geheel, niet één enkele spleet

Met een voelermaat kan de toegankelijke ruimte tussen twee oppervlakken worden gemeten. Deze meting is nuttig wanneer die exacte speling in de tekening is vastgelegd. Dit komt niet automatisch overeen met de functionele speling van het scharnier.

Bij een volledige zijdelingse spelingtest wordt één onderdeel van het samenstel vastgezet, wordt de bewegende zijde in beide axiale richtingen belast en wordt de daaruit voortvloeiende verplaatsing langs de as van de scharnierpen geregistreerd.

1. Stel het vaste referentiepunt vast. Gebruik het scharnierblad, de montageplaat, de behuizing of het oppervlak van de armatuur dat het beoogde installatiepunt aangeeft.
2. Kies het bewegende doelwit. Geef aan of de indicator het tegenoverliggende blad, de knokkelstapel, de pen of een ander gestuurd oppervlak volgt.
3. Lijn de meetas uit met de as van de scharnierpen. Als de sensor niet parallel loopt aan de as van de pen, is de aangegeven verplaatsing geen directe axiale meting en kan deze ook gevoelig worden voor zijdelingse of draaiende bewegingen.
4. Plaats het geheel in één axiale richting. Oefen de vastgestelde kracht uit zonder stoot en noteer de positie.
5. Keer de axiale belasting om. Beweeg het geheel totdat het tegenoverliggende drukvlak goed aansluit.
6. Noteer de totale verplaatsing. Het verschil tussen de twee gecontroleerde posities is de gemeten speling onder die testomstandigheden.

Een meetklok, een digitale verplaatsingssensor, een comparator, een hoogtemeter of een speciale productieklem kunnen allemaal geschikt zijn. De belangrijke factoren zijn het referentiepunt, de kracht, de richting, de uitlijning van de sensor, de resolutie van het meetinstrument, de stijfheid van de klem en de herhaalbaarheid.

Belasting van de armatuur en leesomstandigheden

Een eindspelwaarde zonder informatie over de belasting kan misleidend zijn. Een borgclip, polymeerring, dunne beugel of complete deur kan anders doorbuigen naarmate de uitgeoefende axiale kracht verandert.

De testkracht moet voldoende zijn om de beoogde drukvlakken consistent in contact te brengen, zonder dat de controle uitmondt in een vervormingstest. Een kracht die geschikt is voor een compact scharnier kan bij een ander ontwerp het scharnierblad of de beugel doen buigen. De waarde moet daarom worden afgeleid uit de daadwerkelijke assemblage en een herhaalbaarheidsonderzoek, en niet uit een algemene regel.

Ook de oriëntatie is van belang. Een zware deur die aan een verticaal scharnier hangt, kan al tegen één steunvlak aanliggen voordat de testbelasting wordt uitgeoefend. Een klein bankscharnier dat horizontaal wordt getest, kan tussen beide steunvlakken zweven. De resultaten van deze twee situaties zijn niet direct vergelijkbaar, tenzij de testmethode rekening houdt met dit verschil.

De beweging van de speld en de beweging van het blad zijn verschillend

De uitlezing van een axiale indicator geeft niet automatisch aan welk deel van het scharnier is verschoven.

Een pen die – al dan niet opzettelijk – vrij kan bewegen binnen zijn bevestigingsmechanisme, kan verschuiven terwijl de twee vleugels tegen hetzelfde drukvlak blijven aanliggen. Als alleen de pen wordt gemeten, kan dit daarom een beweging aangeven die niet overeenkomt met de speling tussen de vleugels die door de apparatuur wordt waargenomen.

Het omgekeerde kan ook gebeuren. Een stevig vastgezette pen kan op zijn plaats blijven zitten terwijl de bewegende scharnierconstructie tussen twee schouders of ringen beweegt.

Als beide functies belangrijk zijn, regel ze dan afzonderlijk:

• Axiale beweging van de pen: beweging van de pen ten opzichte van het blad of het onderdeel dat bedoeld is om deze op zijn plaats te houden.
• Speling aan het scharnieruiteinde: beweging van de beweegbare scharnierconstructie ten opzichte van de vaste constructie langs de as van de scharnierpen.

Door beide factoren samen te voegen tot één onbepaalde waarde voor de “axiale speling”, kan het werkelijke storingsmechanisme aan het oog worden onttrokken. Een loszittend bevestigingselement en een versleten drukring kunnen een vergelijkbare totale indicatorverplaatsing tot gevolg hebben, maar vereisen verschillende corrigerende maatregelen.

Slijtage, temperatuur en onderhoudsbeurt

De eindstand op dag één is slechts een uitgangspositie wanneer het scharnier herhaaldelijk wordt blootgesteld aan axiale belasting.

De eindvlakken van de scharnierpennen kunnen worden gepolijst of slijten. Drukringen kunnen aan dikte inboeten. Polymeerelementen kunnen onder langdurige belasting gaan kruipen, afhankelijk van het materiaal en de toestand ervan. Bevestigingsringen kunnen vast blijven zitten terwijl hun positie verandert. Een afstandhouder kan tegen een aangrenzend oppervlak schuren. Elke verandering beïnvloedt de axiale opbouw.

De temperatuur vormt een extra variabele. Verschillende materialen en temperaturen van onderdelen kunnen de effectieve afstand tussen schouders, ringen, bussen en bevestigingselementen beïnvloeden. De daaruit voortvloeiende axiale beweging kan toenemen of afnemen.

De maatafwijking is niet het enige temperatuurprobleem. Bij lage temperaturen kan er een positieve axiale speling ontstaan, terwijl het gedrag van smeermiddelen of polymeren de bedrijfswrijving kan verhogen. Bij hogere temperaturen kunnen materiaaluitzetting, kruip of de migratie van smeermiddelen zowel het pasgedrag als het slijtagegedrag beïnvloeden.

In de eis inzake zijdelingse speling moet daarom worden aangegeven onder welke omstandigheden de grenswaarde van toepassing is. Voor sommige apparatuur volstaat een ingangscontrole bij kamertemperatuur. Bij andere ontwerpen kan dezelfde meting nodig zijn na cyclische belasting, temperatuurconditionering, trillingen, reiniging, blootstelling aan corrosie of een andere representatieve bedrijfsomstandigheid.

Als de zijdelingse speling na onderhoud toeneemt, noteer dan meer dan alleen de uiteindelijke verplaatsing. Controleer de drukvlakken, de dikte van de ringen, de uiteinden van de pennen, de positie van de klem, de passing van de bussen, de afstandhouders, het contactpatroon en eventuele vuildeeltjes. Uit de meting blijkt dat de opstelling is veranderd. Aan de hand van de fysieke aanwijzingen kan worden vastgesteld waar de verandering zich heeft voorgedaan.

Geef de tekening een eindspeling

Termen als “minimale speling”, “strakke scharnierverbinding” en “geen waarneembare axiale beweging” zijn geen bruikbare acceptatiecriteria.

De afmetingen van de onderdelen moeten bepalend zijn voor de geometrie die bij de fabricage van het scharnier wordt gebruikt. Wanneer de speling de werking van de voltooide apparatuur beïnvloedt, moet een afzonderlijke assemblage-eis worden toegevoegd die de daaruit voortvloeiende beweging regelt.

De tekst tussen haakjes is geen definitieve industriële specificatie. De verantwoordelijke ingenieur moet de waarden vaststellen op basis van de daadwerkelijke apparatuurvereisten, de scharnierarchitectuur, de tolerantiebepaling en de validatiedocumenten.

Als uit de tekening van de leverancier niet duidelijk blijkt welke afmetingen, toleranties en opmerkingen van toepassing zijn op het scharnier, gebruik dan de Specificatieblad voor scharnieren en handleiding voor technische tekeningen om de nominale geometrie te onderscheiden van functionele en testafhankelijke eisen.

De productiecontrole in kaart brengen

Een ontwikkelingslaboratorium kan de speling aan de scharnieruiteinden meten met behulp van een stijve opspanning, een gecontroleerde axiale belasting en een verplaatsingssensor met hoge resolutie. Voor productiecontrole is niet per se dezelfde apparatuur nodig.

Een eenvoudiger meetinstrument of een speciaal daarvoor ontworpen opspanning kan geschikt zijn wanneer uit daadwerkelijke correlatieonderzoeken blijkt dat hiermee op betrouwbare wijze onderscheid kan worden gemaakt tussen scharnieren die wel en die niet aan de eisen voldoen. Er moet dan nog steeds rekening worden gehouden met een gecontroleerde aanlegkracht, referentiepunten, oriëntatie en een bekende relatie tot de technische meting.

Vervang de gemonteerde eindspelingcontrole niet door inspectie van één ring of afstandhouder, tenzij uit onderzoeksgegevens blijkt dat de afmetingen van het onderdeel de uiteindelijke beweging betrouwbaar voorspellen. Vormgeving, pinbevestiging, montage, variaties in de stapeling en lokale interferentie kunnen allemaal het eindresultaat van de montage beïnvloeden.

Een handcontrole is nuttig om grove speling op te sporen. Het is echter geen vervanging voor een nauwkeurige meting van de eindspeling wanneer de toegestane beweging zo klein is dat deze van invloed kan zijn op de uitlijning, de vergrendelingspositie, geluid, afdichting of het gebruiksgevoel van de apparatuur.

Stuur de Axial Stack ter beoordeling

Veelgestelde vragen over de speling aan het scharnieruiteinde