Как рассчитать крутящий момент петли | Формула + примеры

Выбор динамометрического шарнира начинается с одного числа: момента затяжки, необходимого для вашей задачи. Правильно рассчитайте его, и панель останется там, где ее оставил пользователь, на весь срок службы изделия. Если ошибиться, панель либо опустится под собственным весом, либо будет жесткой и неудобной для перемещения. В этом руководстве показано, как рассчитать необходимый крутящий момент в пять шагов, с тремя рабочими примерами и коэффициентами безопасности, которые применяют опытные инженеры.

Эта статья является частью нашего полного направляющая для динамометрических петель. Если вам нужно освежить в памяти, что такое динамометрические шарниры и как они работают, начните с нашего обзора что такое динамометрический шарнир.

Физика: Почему крутящий момент, а не просто вес

Распространенной ошибкой является определение размера петли только по весу панели. Вес имеет значение, но то, что петля на самом деле выдерживает, - это крутящий момент - вращательная сила, создаваемая этим весом, действующим на расстоянии от шарнира. Легкая панель, установленная далеко от оси шарнира, может потребовать большего крутящего момента, чем тяжелая панель, установленная близко к ней.

Крутящий момент - это произведение силы и расстояния. Сила - это вес панели, действующий под действием силы тяжести. Расстояние - так называемое плечо момента - измеряется от оси вращения петли до центра тяжести панели, измеряемого в горизонтальной плоскости, когда панель находится в наихудшем (обычно горизонтальном) положении. Чем дальше центр тяжести находится от оси, тем больший момент должен выдерживать шарнир, чтобы удержать положение.

Единицы измерения: Н-м и кгс-см

Крутящий момент чаще всего указывается в ньютон-метрах (Н-м). В некоторых каталогах, особенно в Азии, используются килограмм-силовые сантиметры (кгс-см). Пересчет прост: 1 Н-м равен примерно 10,2 кгс/см. Значения крутящего момента в каталогах HSP указываются в Н-м, причем доступны модели от 0,1 Н-м для мини-петлей до 25 Н-м для тяжелых петель с регулируемым крутящим моментом.

Формула, шаг за шагом

Здесь приведен полный процесс расчета. Проработайте его один раз с собственными цифрами, и выбор крутящего момента станет повторяемым, обоснованным инженерным решением, а не предположением.

1. Измерьте вес панели (W). Взвесьте панель, крышку или экран, на который будет опираться петля, включая все, что на ней закреплено - дисплей, кабели, аксессуары или крышку. Используйте самую тяжелую реалистичную конфигурацию. Результат в килограммах.
2. Найдите расстояние до центра тяжести (d). Измерьте горизонтальное расстояние от оси вращения шарнира до центра тяжести панели в том месте, где сила тяжести создает наибольший крутящий момент (как правило, когда панель расположена горизонтально). Для однородной плоской панели центр тяжести находится в ее геометрическом центре. Результат в метрах.
3. Рассчитайте статический удерживающий момент (T). Перемножьте: T = W × 9,81 × d. 9,81 преобразует массу в гравитационную силу. Результат в ньютон-метрах.
4. Примените коэффициент безопасности. Умножьте статический крутящий момент на 1,5 для обычных применений или на 2 для применений с высоким циклом работы, высокой вибрацией или критически важных с точки зрения безопасности. Это учитывает потерю крутящего момента в течение срока службы петли и изменение нагрузки в реальных условиях.
5. При использовании разделите на несколько петель. Если в панели используются две петли, каждая из них несет примерно половину нагрузки - соответственно разделите требуемый крутящий момент на каждую петлю. В большинстве панелей для устойчивости используются как минимум две петли.

Три рабочих примера

Формула становится наиболее понятной, если ее применить к реальным случаям. Вот три из них, относящиеся к разным диапазонам нагрузок и отраслям.

Пример 1 - экран ноутбука или планшета (небольшая нагрузка)

Складной экран весит 0,4 кг, а его центр тяжести находится на расстоянии 150 мм (0,15 м) от оси шарнира в открытом состоянии.

• Статический крутящий момент: 0.4 × 9.81 × 0.15 = 0,59 Н-м
• С коэффициентом безопасности 1,5: 0,59 × 1,5 = 0,88 Н-м
• Через две петли: примерно 0,45 Н-м на каждый шарнир
• Выбор: мини-петли или петли с постоянным крутящим моментом в диапазоне 0,5-1,0 Н-м на петлю. Это вполне соответствует требованиям HSP диапазон минимоментных шарниров, который обеспечивает разрешение до 0,1 Н-м.

Пример 2 - Промышленная панель управления HMI (средняя нагрузка)

Панель управления оператора весит 3 кг, а ее центр тяжести находится на расстоянии 200 мм (0,2 м) от оси шарнира. Панель открывается и закрывается много раз за смену, поэтому она имеет высокий цикл работы.

• Статический крутящий момент: 3 × 9.81 × 0.2 = 5,89 Н-м
• С коэффициентом безопасности 2× (высокий цикл): 5.89 × 2 = 11,8 Н-м
• Через две петли: примерно 5,9 Н-м на каждый шарнир
• Выбор: петля с регулируемым моментом затяжки, рассчитанная на 5-6 Н-м на петлю. Сайт шарнир с регулируемым моментом затяжки это правильное решение - оно позволяет оператору точно настроить ощущения после установки по мере изменения нагрузки на панель или предпочтений.

Пример 3 - вращающийся дисплей киоска самообслуживания (более высокая нагрузка)

Дисплей для киоска весит 5 кг, центр тяжести находится на расстоянии 300 мм (0,3 м) от оси вращения. Он вращается для просмотра покупателями и операторами и должен выдерживать любой угол наклона.

• Статический крутящий момент: 5 × 9.81 × 0.3 = 14,7 Н-м
• С коэффициентом безопасности 1,5: 14,7 × 1,5 = 22,1 Н-м
• Выбор: На этом уровне требования приближаются к верхней границе стандартного диапазона крутящих моментов, поэтому практичным решением является распределение нагрузки на два шарнира (около 11 Н-м каждый) или изготовление специального узла с высоким крутящим моментом. A поворотный моментный шарнир подходит для вращательного движения, и HSP может разработать индивидуальные значения крутящего момента до 25 Н-м для применений в этом диапазоне.

Выбор правильного коэффициента безопасности

Коэффициент безопасности не является набивкой - он учитывает реальные инженерные эффекты, которые снижают момент удержания с течением времени и условиями эксплуатации. Правильный выбор этого коэффициента - это разница между петлей, которая прослужит весь срок службы изделия, и петлей, которая слетит через год.

Распространенные ошибки, которых следует избегать

• Размер по весу, без учета расстояния. Плечо момента имеет такое же значение, как и вес. Легкая панель на длинном рычаге может потребовать большего крутящего момента, чем тяжелая панель, установленная вплотную.
• Забудьте о факторе безопасности. При подборе размера по точному статическому моменту не учитывается потеря момента, которую испытывает каждый фрикционный шарнир в течение своего срока службы.
• Без учета добавочной массы. Кабели, более тяжелая ревизия дисплея или аксессуары, добавленные позже, - все это увеличивает нагрузку. Размер рассчитан на самую тяжелую реалистичную конфигурацию.
• Завышенные значения крутящего момента. Слишком большой момент затяжки делает панель жесткой и трудноподвижной, а также может вызвать напряжение в точках крепления. Стремитесь к расчетному значению плюс коэффициент безопасности, а не к максимальному моменту.
• Предполагается, что это одна петля. В большинстве панелей используется две или более петель. Разделите нагрузку - но при этом убедитесь, что каждая петля в отдельности сможет удержать панель при неравномерном открывании.

Когда следует использовать несколько петель

Распределение нагрузки на несколько петель является стандартной практикой для панелей весом более 1-2 кг или для любых панелей, ширина которых превышает их высоту. Две петли разделяют нагрузку на крутящий момент и улучшают стабильность выравнивания; три и более используются для длинных или тяжелых дверей. При использовании нескольких петель разделите общий требуемый крутящий момент на количество петель, чтобы определить номинальную нагрузку на каждую петлю - но указывайте каждую петлю так, чтобы она могла надежно удерживать панель, даже если нагрузка между ними не идеально сбалансирована.

Часто задаваемые вопросы