Hoe u de juiste scharnierbeugel voor uw toepassing selecteert: typen, ontwerp en fabricage

Een scharnierverbinding is een belangrijke categorie mechanische verbindingsstukken. Wanneer er sprake is van hoekbewegingen en draaibewegingen, biedt een scharnierverbinding uitkomst. Ze zijn bestand tegen trek-, druk-, buig-, schuif- en vermoeiingsbelastingen. Scharnierverbindingen zijn er in talloze soorten en uitvoeringen. Elk type is geschikt voor een specifieke toepassing. Er zijn talloze materiaalkeuzemogelijkheden om aan de behoeften van verschillende industrieën te voldoen. Laten we eens nader bekijken wat scharnierverbindingen precies inhouden!

Wat is een clevis?

Een scharnierverbinding is een bevestigingscomponent die wordt gebruikt in mechanische assemblages. Het zorgt voor een scharnierachtige verbinding. De draaifunctie van een scharnierverbinding biedt beperkte bewegingsvrijheid, terwijl de componenten stevig aan elkaar bevestigd zijn. Geometrisch gezien heeft het een U-vorm en bestaat het uit de volgende onderdelen:

• Gevorkt lichaam
• Pin Gaten
• Schroefdraad- of montage-uiteinde

Is Clevis een pin?

Nee. Een scharnierpen is iets anders dan een borgpen. Borgpennen worden namelijk gebruikt in scharnierverbindingen om de onderdelen vast te zetten. Deze borgpennen fungeren als draaipunten. Ze zorgen ervoor dat de onderdelen er in beperkte mate omheen kunnen draaien.

Clevis versus Clevis-gewricht

De onderstaande tabel vergelijkt de scharnierverbinding met de scharnierverbinding:

Soorten scharnierverbindingen

Klemverbindingen kunnen worden ingedeeld op basis van hun verbindingstype. De verschillende verbindingstypes bepalen de toepassingsmogelijkheden van klemverbindingen. Sommige klemverbindingen leggen de nadruk op sterkte, terwijl andere zich richten op verstelbaarheid of modulariteit. Ontwerpers kunnen zo de meest geschikte klemverbindingen voor hun toepassingen selecteren.

Schroefdraadklem

Schroefdraadklemmen bieden een eenvoudige installatie, montage en verstelbaarheid. Ze hebben een verstelbare verbinding waarvan de lengte eenvoudig kan worden aangepast door ze in of uit te schroeven. De borgmoeren worden vastgedraaid om de verbinding op zijn plaats te vergrendelen. Schroefdraadklemmen kunnen mannelijk of vrouwelijk zijn.

• Buitendraadklemmen: hebben een schacht met uitwendige schroefdraad.
• Binnendraadklemmen: hebben een inwendig schroefdraad.

Schroefklemmen worden vaak gebruikt in:

• landbouwafstelstangen
• automatiseringsarmatuurkoppelingen
• remkoppelingssystemen

Deze toepassingen profiteren van modulariteit en verstelbaarheid. Bij klemmen met binnenschroefdraad daarentegen is de schroefdraad verborgen en beschermd tegen vuil en vocht.

Lasklem

Lasverbindingen zorgen voor een permanente verbinding. Ze worden vaak gebruikt in toepassingen waar sterkte belangrijker is dan modulariteit. Door het lassen wordt de verbinding vastgezet, waardoor de positionering stabieler is. Deze verbindingen hebben de voorkeur op plaatsen waar frequent monteren en demonteren niet nodig is. Enkele veelvoorkomende toepassingen van lasverbindingen zijn:

• armatuurmontagestructuren
• steunbeugels voor kleine apparatuur
• industriële steunframes

Opboutbare scharnier

Boutbevestigingen hebben een afneembare montage. Deze eigenschap bevordert modulariteit. Boutbevestigingen kunnen vaak worden gemonteerd, gedemonteerd of vervangen. Daarom zijn boutbevestigingen geschikt voor toepassingen zoals:

• industriële robotarmaturen
• verpakkingsmachines
• modulaire machinesystemen

Soorten scharnieren op basis van geometrie

De geometrische vorm en configuratie van een klemverbinding bepalen het gebruik ervan in een specifieke omgeving. Deze kenmerken zijn bewust gekozen om aan verschillende montage-eisen te voldoen. Het belangrijkste doel is immers om klemverbindingen nauwkeurig uit te lijnen en te monteren. Laten we eens kijken naar enkele veelvoorkomende geometrische typen klemverbindingen.

Twist Clevis

Bij een twistlevis is het gevorkte uiteinde gedraaid ten opzichte van het bevestigingsuiteinde. Zoals op de afbeelding te zien is, kan een twistlevis twee componenten in verschillende vlakken met elkaar verbinden. Als onder dergelijke omstandigheden een rechte clevis wordt gebruikt, ontstaan ​​er ongewenste buigspanningen in de constructie.

Een twistclevis maakt extra beugels bij verkeerd georiënteerde verbindingen overbodig. Hierdoor kan een soepele lastoverdracht plaatsvinden tussen componenten die niet goed uitgelijnd zijn. Enkele veelvoorkomende toepassingen van een twistclevis zijn:

• Kettingschakelconstructies
• Kabelspansystemen
• Kleine sleepkoppelingssystemen

Offset Clevis

Bij een offset-scharnier is het bevestigingspunt zijdelings verschoven ten opzichte van de hartlijn. Dit creëert ruimte voor aangrenzende onderdelen of componenten die elkaar in de weg zitten.

Met behulp van offset-scharnieren kan de installatie worden verplaatst zonder dat de montage van andere componenten in de constructie ingrijpend hoeft te worden aangepast. Enkele typische toepassingen zijn:

• Auto-ophangingsmechanismen
• Op maat gemaakte gereedschapsarmaturen
• Mechanische verbindingssystemen

Dubbele trekhaak

Dubbele scharnieren hebben aan beide zijden gevorkte uiteinden. Dit zorgt voor rotatievrijheid aan beide uiteinden. Hierdoor worden de krachten bij belasting in beide richtingen gelijkmatig verdeeld. Enkele specifieke toepassingen van dubbele scharnieren zijn:

• Automatiseringssystemen voor zwenkarmen
• Precisie-koppelingssystemen
• Compacte industriële aandrijfmechanismen

Inzicht in het Clevis-verbindingssysteem

Het werkelijke belang van scharnierverbindingen kan pas echt worden aangetoond door het verbindingssysteem ervan te begrijpen. Een goede kennis van de belangrijkste onderdelen van een scharnierverbinding is daarom van groot belang. Inzicht in de rol van scharnierverbindingen in mechanische systemen is essentieel om het nut ervan te kunnen inzien.

Belangrijkste onderdelen van een scharnierconstructie

Een typische vorkverbinding bestaat uit een vork, een tegenstuk en vorkpennen. De vorkbehuizing biedt de belangrijkste structurele ondersteuning tijdens de lastoverdracht. Het tegenstuk zorgt voor de verbinding. De vorkpen zorgt voor het draaimechanisme van de verbinding. Borgmiddelen zoals splitpennen houden de vorkpennen op hun plaats.

Hoe scharnieren werken in mechanische systemen

Draaibeweging toestaan

Een van de belangrijkste functies van een scharnierpen is het mogelijk maken van een gecontroleerde rotatiebeweging van de verbonden onderdelen. In dit geval fungeert de scharnierpen als rotatieas. De verbonden componenten kunnen vrij rond deze as zwenken. Dit maakt kleine variaties in de buighoek tijdens gebruik mogelijk.

Mechanische belastingen overbrengen

Een soepele lastoverdracht is cruciaal in assemblages. Dit is vooral belangrijk in mechanische systemen waar starre bevestigingen ongewenste spanningsconcentraties kunnen veroorzaken. Scharnieren met scharnieren maken rotatiebeweging mogelijk, waardoor buig- en schuifspanningen worden verminderd. Ze verdelen de lasten bovendien gelijkmatiger.

Zorg voor een verwijderbare verbinding.

De verbindingsstukken maken het mogelijk om onderdelen regelmatig te vervangen. De verbindingsconstructie kan eenvoudig worden gedemonteerd en weer gemonteerd zonder grote verstoringen. Een verbindingsconstructie kan worden gedemonteerd door de borgclip te verwijderen en de verbindingspen eruit te trekken. Dit is in lijn met de doelstellingen voor regulier onderhoud.

Vereenvoudig koppelingssystemen

Klemverbindingen zorgen voor een gestandaardiseerde verbinding. Dit bevordert modulariteit. Klemverbindingen zijn ontworpen om variaties in uitlijning op te vangen. Het voldoen aan een strikt uitlijningscriterium is vaak niet vereist. Dit eenvoudige verbindingsmechanisme lost dus veel problemen op.

Materialen gebruikt voor de fabricage van klemmen

Een juiste materiaalkeuze is net zo belangrijk als het ontwerp van de scharnierverbinding. De bedrijfsomstandigheden bepalen de geschiktheid van een materiaal in een bepaalde omgeving. Enkele veelgebruikte materialen worden hieronder besproken.

Bevestigingsbeugels van koolstofstaal

Verreweg het meest gebruikte materiaal voor scharnierverbindingen is koolstofstaal. Het is sterk en kostenefficiënt. Bij veel scharnierverbindingen wordt de combinatie van sterkte en lage kosten als gunstig beschouwd. De gevoeligheid voor corrosie kan het gebruik ervan echter beperken in sommige specialistische toepassingen.

Roestvrijstalen scharnieren

Zoals de naam al doet vermoeden, worden roestvrijstalen klemmen voornamelijk gebruikt in corrosiegevoelige toepassingen. In zeer corrosieve omgevingen, zoals maritieme installaties of chemische fabrieken, functioneren andere materialen mogelijk niet naar behoren.

Aluminium scharnieren

Aluminium wordt vaak gekozen om het gewicht te verminderen. Het nadeel is echter de lage sterkte. Aluminium is daarom mogelijk niet geschikt voor het dragen van zware lasten. Een dikkere doorsnede kan de relatief lage vloeigrens echter compenseren. Kortom, bij aluminium scharnieren wordt een lage dichtheid boven sterkte verkozen.

Bevestigingsbeugels van gelegeerd staal

Bevestigingsbeugels van gelegeerd staal worden gebruikt in specialistische toepassingen. Hun prestaties overtreffen vaak die van andere beugels. Ze kunnen vaak uitzonderlijk hoge belastingen weerstaan. Hun hoge vloeigrens kan gunstig zijn voor gewichtsvermindering door de dwarsdoorsnede te verkleinen. Sommige soorten gelegeerd staal zijn kruipbestendig. Bevestigingsbeugels van deze soorten kunnen daarom worden gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen.

Veelvoorkomende toepassingen van scharnierverbindingen en scharnieren

In vrijwel elke branche worden wel klemmen gebruikt.

Hydraulische cilinders

Een typisch voorbeeld van een vorkverbinding die in een hydraulische cilinder wordt gebruikt, is die met de actuator. De vorkverbinding maakt de hoekbeweging mogelijk die optreedt tijdens het uitschuiven en intrekken van de zuiger. Gesmede vorkverbindingen worden gebruikt in toepassingen met hoge belastingen. Gefreesde vorkverbindingen worden gebruikt in toepassingen die hoge precisie vereisen. Warmtebehandelde vorkverbindingen hebben vaak verbeterde eigenschappen in vergelijking met onbehandelde exemplaren.

Industriële machines

Bevestigingsklemmen worden in industriële machines gemonteerd vanwege hun draaibeweging. Dankzij de verwijderbare pen maken ze snelle montage en demontage mogelijk. De geschiktheid van een bevestigingsklem hangt af van de industriële omgeving. Zo worden bijvoorbeeld bevestigingsklemmen van roestvrij staal (kwaliteit 304) gebruikt in toepassingen in de voedingsmiddelenindustrie.

Landbouwmachines

In de landbouw komen vaak zware belastingen, trillingen, modder, vocht en stof voor. Gezien deze omstandigheden worden scharnierverbindingen met een hoog draagvermogen gebruikt. Veelvoorkomende toepassingsgebieden voor scharnierverbindingen zijn:

• tractorwerktuigen
• trekhaaksystemen
• Sturen
• hefarmen
• hydraulische koppelingen

Robotica en automatiseringsapparatuur

Robotica en automatiseringsapparatuur maken veelvuldig gebruik van de draaibeweging van scharnieren. Zo worden scharnieren gebruikt in pneumatische cilinders, elektrische actuatoren, robotarmen en positioneringsmechanismen. CNC-gefreesde precisiescharnieren bieden bewegingsvrijheid in de gewenste hoek en zorgen tegelijkertijd voor een veilige bevestiging van de componenten.

Waarom CNC-bewerking wordt gebruikt voor op maat gemaakte scharnieren

CNC-bewerking sluit perfect aan bij de wensen voor maatwerk. Op het gebied van precisie, maatwerk en prototyping is CNC-bewerking zeer nuttig. Voor het maken van vervangende onderdelen zoals op maat gemaakte borgpennen is CNC-bewerking soms de enige optie.
Precisiegatbewerking

De precisie die met CNC-bewerking kan worden bereikt, is ongeëvenaard door andere processen. Door overmatige speling te vermijden, kunnen problemen zoals trillingen worden verminderd. Met CNC-bewerking kan een goede concentriciteit van het gat worden bereikt. Dit bevordert een nauwkeurige passing van de pen, wat resulteert in een gelijkmatige lastverdeling.

Afmetingen en geometrie op maat

In tegenstelling tot andere processen die afhankelijk zijn van vaste matrijzen en assemblages, biedt CNC-bewerking de mogelijkheid tot maatwerk. Dit is met name handig bij de productie van vorken met niet-standaard afmetingen. In toepassingen die gespecialiseerde vorken vereisen, kunnen aangepaste maten en geometrieën worden geproduceerd. Ontwerpkenmerken zoals vorkbreedtes, aangepaste vorkpennen, schroefdraadprofielen en montageconfiguraties kunnen eenvoudig worden aangepast.

Kleinschalige productie van Clevis-systemen

Het produceren van een kleine serie verbindingsstukken is vaak gewenst bij het prototypen. De pasvorm, functie en prestaties kunnen op deze kleine serie worden geëvalueerd voordat met de massaproductie wordt begonnen. Als vervangende onderdelen voor verbindingsstukken niet op de markt verkrijgbaar zijn, kunnen deze eenvoudig worden vervaardigd met behulp van CNC-bewerking.

Hoe kies je de juiste maat klem voor jouw project?

Bij de toepassing van een scharnierklem moet de geschiktheid ervan worden vastgesteld. Het draagvermogen, de afmetingen en de geometrie zijn hierbij belangrijk. Dit garandeert een goede pasvorm en functionaliteit. Als een standaard scharnierklem niet aan deze criteria voldoet, is maatwerk wellicht nodig.

Bepaal de benodigde draagcapaciteit.

Bij het ontwerpen van een scharnierverbinding is het essentieel om de vereiste draagkracht goed te begrijpen. Naast trek- en schuifkrachten moeten ook andere belastingsfactoren in overweging worden genomen. Tijdens gebruik kan de scharnierverbinding te maken krijgen met stoten of vermoeiing. De bedrijfstemperatuur beïnvloedt de sterkte van de scharnierverbinding. Al deze belastingsfactoren moeten daarom in het ontwerp van de scharnierverbinding worden meegenomen.

Controleer de vereiste vorkbreedte.

De breedte van de vork moet overeenkomen met de dikte van het bijbehorende onderdeel. Als de vork smaller is, kan het zijn dat het onderdeel niet goed aansluit. Als de vork te los zit, ontstaat er onnodige speling die kan leiden tot voortijdige slijtage.

Kies de juiste pinopeninggrootte.

De opening voor de borgpen moet groot genoeg zijn om de diameter van de pen te kunnen bevatten. Een dikkere borgpen betekent een groter draagvermogen. De opening voor de borgpen verandert echter het spanningsprofiel van de behuizing. Een te grote opening voor de borgpen kan de sterkte van de borgpenconstructie verminderen.

Zorg ervoor dat de grootte van het gaatje overeenkomt met de grootte van het pinnetje.

De speling tussen de pen en het gat moet geoptimaliseerd worden. Een grote speling zorgt voor bewegingsruimte tussen de pen en het gat. Dit kan een schokbelasting veroorzaken die de duurzaamheid van de scharnierverbinding negatief beïnvloedt. Een te kleine speling kan de beweging van de pen beperken, waardoor een soepele hoekbeweging wordt belemmerd.

Oppervlakteafwerking voor scharnieren

Nadat een efficiënt ontwerp voor een scharnierverbinding is gemaakt, wordt er gewerkt aan de duurzaamheid ervan. In dat opzicht is oppervlaktebehandeling een belangrijke stap voorwaarts. Het verbetert de esthetiek en de corrosiebestendigheid. Enkele veelgebruikte technieken voor oppervlaktebehandeling worden hier besproken.

Waarom is oppervlaktebehandeling nodig?

In de praktijk worden scharnieren blootgesteld aan vuil, vocht, zeewater en andere verontreinigingen. Zonder een beschermende coating kan zich een laag roest en verontreinigingen ophopen. Dit kan de afmetingen veranderen. Roest kan ook het wrijvingsgedrag van de scharnierpen beïnvloeden, waardoor de draaibeweging wordt belemmerd. Oppervlaktebehandeling kan ook nodig zijn om esthetische redenen. In sommige toepassingen kan een elektrisch isolerend oppervlak gewenst zijn.

Gangbare oppervlaktebehandelingsmethoden voor scharnieren

Zinkplaten

Zinkbeplating wordt aangebracht op verbindingsstukken van zacht staal. Zinkatomen beschermen het onderliggende staaloppervlak door middel van opoffering. Ze geven het staal een glanzende zilvergrijze kleur. Er moet echter wel voor worden gezorgd dat er geen maatafwijkingen optreden.

Zwarte oxide

Door zwartoxideren wordt een laag ijzeroxide aangebracht op de verbindingsstukken van zacht staal. Dit voorkomt roestvorming op het oppervlak en geeft de verbindingsstukken een professionele uitstraling. Een groot voordeel van zwartoxideren is dat er slechts minimale maatafwijkingen optreden.

passivatie

Passiveringsbehandeling wordt voornamelijk toegepast op roestvrijstalen verbindingsstukken. Visueel levert het geen grote veranderingen op. Aan de andere kant verwijdert het vrije ijzeratomen en versterkt het de chroomoxidelaag.

Klemverbinding versus andere mechanische verbindingen

Klemverbindingen worden vaak verward met andere mechanische verbindingsstukken. Kogelgewrichten en sluitingen zijn twee veelvoorkomende verbindingsstukken die mensen vaak verwarren met klemverbindingen. Het is belangrijk om hier een onderscheid tussen te maken. De onderstaande tabel vergelijkt klemverbindingen met sluitingen en kogelgewrichten.

Clevis versus Rod End

Klem versus sluiting

Tuofa Casestudy: Op maat gemaakte CNC-gefreesde scharnierbeugel voor hydraulische koppeling

Een klant had een op maat gemaakte schroefdraadbeugel nodig voor een hydraulische actuatorkoppeling in industriële apparatuur. De standaard beugels die op de markt verkrijgbaar zijn, pasten niet op de bestaande constructie omdat de vereiste vorkopening, montagepositie en aansluitafmetingen afweken van de standaardspecificaties.

Challenges

De grootste uitdaging was het waarborgen van de nauwkeurigheid tussen de twee vorkarmen en de penopeningen.

Tuofa-oplossing

• Na bestudering van de tekening van de klant adviseerde Tuofa om de vorkdikte te vergroten ten opzichte van het origineel. 10mm tot 14mm. Deze aanpassing verbeterde het draagvermogen van de scharnierverbinding, terwijl de compatibiliteit met de bestaande constructie behouden bleef.
• Om de spanningsconcentratie tijdens herhaalde belasting te verminderen, optimaliseerde Tuofa het ontwerp van de vorkwortel door een element toe te voegen. R2 filet in de binnenhoek van de scharnier.
• Tuofa heeft de dikte van de wapening rond het gaatje vergroot door 3 mm om de lokale sterkte te verbeteren en het risico op gatvervorming door herhaalde belasting met de pen te verminderen.
• Rekening houdend met de montage-eisen van de klant, heeft Tuofa het volgende toegevoegd: 1 mm afschuining rond de ingang van het pennetje. Deze aanpassing verbeterde de installatie van de pen en zorgde voor een soepelere montage met het bijbehorende onderdeel.

Conclusie

Een scharnier is een belangrijke mechanische verbinding. Naast de normale krachtoverdracht maken ze ook hoekbewegingen en rotaties mogelijk. Er bestaan ​​verschillende typen scharnieren, gebaseerd op uiteenlopende geometrieën, materialen en bevestigingsmogelijkheden. Talrijke industrieën, van robotica tot landbouw en nog veel meer, plukken de vruchten van deze verbinding. Een geoptimaliseerd ontwerp en zorgvuldige productie ontsluiten het ware potentieel van scharnieren. Alleen een goede leverancier kan hierbij helpen.

FAQ

Wat is een borgpen?

Een borgpen is een onderdeel van de borgpenconstructie. Hij heeft een cilindrische vorm en is geschikt voor schuif- en rotatiekrachten.

Hoe meet je de maat van een scharnierklem?

De afmetingen van de vorkbreedte, het pengat, de schachtlengte en de schroefdraad moeten worden opgemeten.

Wat is een klem met scharnierverbinding?

Klemmen met een scharnierpunt worden gebruikt om zware leidingen aan bovenliggende constructies te ondersteunen.