Industrielle Drehmoment-Scharniere mit Dämpfung: Halte-Drehmoment vs. Soft-Close-Steuerung

Industrielle Drehmomentgelenke mit Dämpfung werden oft so beschrieben, als handele es sich um einen einheitlichen Mechanismus. In der Praxis kann sich der Begriff auf ein Reibungsdrehmomentgelenk beziehen, das eine Platte in Position hält, auf einen viskosen Drehdämpfer, der die Bewegung verlangsamt, oder auf ein kombiniertes System, das sowohl ein statisches Haltemoment als auch einen geschwindigkeitsabhängigen Widerstand bereitstellt.

Diese Funktionen sind nicht austauschbar. Ein Reibungsscharnier kann zwar einen HMI-Bildschirm in einem bestimmten Winkel halten, ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, ein schnelles Schließen zu steuern. Ein Viskositätsdämpfer kann eine Abdeckung während der Bewegung verlangsamen, sie jedoch normalerweise nicht im Ruhezustand halten. Wenn ein industrieller Deckel oder ein Display sowohl diese beiden Eigenschaften benötigt, muss in der Spezifikation das Haltemoment vom Dämpfungsmoment getrennt und festgelegt werden, wie sich beide in Abhängigkeit von Winkel, Geschwindigkeit, Richtung, Temperatur und Lebensdauer verändern.

Dieser Leitfaden hilft Ingenieuren und Einkäufern dabei, den erforderlichen Bewegungssteuerungsfunktionsumfang zu ermitteln und eine testbare Spezifikation für eine Industrieabdeckung, einen Zugangsklappe, ein Anzeigefeld oder eine Bedienerschnittstelle zu erstellen.

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Wenn die Klappe an der Stelle verbleiben soll, an der sie abgelegt wurde, benötigen Sie ein statisches Haltemoment durch Reibung. Wenn die Klappe langsam oder stoßfrei schließen soll, benötigen Sie eine geschwindigkeitsabhängige viskose Dämpfung. Wenn beides erforderlich ist, benötigen Sie ein kombiniertes System, das jede Funktion separat bereitstellt. Passen Sie die Anforderung an den Mechanismus an, bevor Sie Produkte vergleichen.

Im weiteren Verlauf dieses Leitfadens wird dieser Ausgangspunkt in eine überprüfbare Spezifikation umgesetzt: Wie lassen sich die beiden Drehmomente voneinander trennen, das Öffnungs- und Schließverhalten definieren, die Dämpfung und die Schließzeit bemessen, Temperatur und Lebensdauer berücksichtigen, Lieferantendaten auswerten und die installierte Schalttafel validieren?.

Unterscheidung zwischen Halte- und Dämpfungsmoment

Haltemoment und Dämpfungsmoment wirken unter unterschiedlichen Bedingungen. Das Haltemoment spielt eine Rolle, wenn die Winkelgeschwindigkeit null oder nahezu null ist. Das Dämpfungsmoment spielt eine Rolle, während sich die Platte dreht. Eine aussagekräftige Spezifikation muss beide Bedingungen definieren, anstatt einen pauschalen Begriff wie “gleichmäßiger Widerstand” zu verwenden.”

Die Terminologie der Anbieter ist nicht einheitlich. Begriffe wie “gedämpftes Scharnier”, “Reibungsscharnier”, “Freistopp-Scharnier” und “Drehmomentscharnier mit Dämpfung” können in verschiedenen Katalogen unterschiedlich verwendet werden. Die Angabe „Free-Stop“ weist zwar auf eine Positionshaltung hin, beweist jedoch für sich genommen nicht, dass das Scharnier einen Viskositätsdämpfer enthält. Auch ein leichtgängiges, manuell betätigtes Muster ist kein Beweis für ein kontrolliertes Schließen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Temperaturen.

Eine umfassendere Definition, den Aufbau und die verschiedenen Arten von Drehmomentscharnieren finden Sie unter Drehmoment-Scharnierführung. Für die reine Reibungshalteseite, einschließlich der Dimensionierung und Überprüfung des statischen Haltemoments, verwenden Sie die Positionsgesteuerte Scharnierführung. Diese Seite konzentriert sich weiterhin auf die Grenze zwischen statischer Positionshaltung und geschwindigkeitsabhängiger Dämpfung und behandelt die Reibungshaltung lediglich als Referenzverhalten, mit dem die Dämpfung verglichen wird.

Legen Sie die Belastung der Platte und die erforderlichen Haltewinkel fest

Wenn die Verkleidung in einem bestimmten Winkel bleiben muss, beginnen Sie mit der gesamten beweglichen Baugruppe und nicht nur mit der bloßen Türverkleidung oder dem Display. Berücksichtigen Sie dabei Abdeckungen, Glas, Bedienelemente, Kabel, Griffe, Verriegelungen, Isolierungen, Halterungen und alle anderen Teile, die sich zusammen mit dem Scharnier drehen.

Das maximale Gravitationsmoment kann nicht unbedingt in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position auftreten, sondern auch bei einem Zwischenwinkel. Seilkräfte, Dichtungsreaktionen, Magnete, Dichtungen und ein versetzt angeordneter Bediengriff können ebenfalls dazu führen, dass das Drehmoment bei verschiedenen Winkeln zunimmt oder abnimmt.

Erhöhen Sie das Reibungsmoment nicht nur, um eine herabfallende Abdeckung zu verlangsamen. Übermäßige Reibung kann das Öffnen der Klappe erschweren, die Belastungen an Halterungen und Befestigungselementen erhöhen und ein abruptes Losreißen verursachen. Wenn das Hauptproblem in der Schließgeschwindigkeit oder dem Aufprall am Ende liegt, sollte die viskose Dämpfung separat geprüft werden.

Öffnungs-, Schließ- und Einwegverhalten festlegen

Ein einziger Nenn-Drehmomentwert reicht für ein bewegungsgesteuertes Scharnier nicht aus. Der Öffnungs- und Schließwiderstand kann aufgrund der Reibungsrichtung, Einwegkupplungen, Dämpfungsventilen, Dichtungen, der Kabelführung, Federunterstützung oder der Schwerkraft variieren. In der Spezifikation sollten die jeweiligen Richtungen und die Winkel, für die die Messung gilt, angegeben werden.

• Anlaufdrehmoment: der Spitzenwiderstand, der erforderlich ist, um aus dem Ruhezustand heraus mit dem Öffnen zu beginnen.
• Anlaufdrehmoment: den Widerstand, während sich die Platte innerhalb des nutzbaren Bereichs bewegt.
• Schließmoment: die Kraft, die erforderlich ist, um die Richtung umzukehren, nachdem die Platte zum Stillstand gekommen ist.
• Schließdrehmoment: der Bewegungswiderstand in Schließrichtung.
• Statisches Haltemoment: der Widerstand, der nach dem Loslassen der Platte in einem bestimmten Winkel auftritt.
• Einseitiges Verhalten: ob Reibung oder Dämpfung nur in einer Richtung wirkt, in einer Richtung stärker wirkt oder symmetrisch wirkt.

Eine Einwegdämpfung ist sinnvoll, wenn sich eine Abdeckung mit geringem Widerstand öffnen, aber langsam schließen soll. Eine Einwegreibung kann den Kraftaufwand in einer Richtung verringern und gleichzeitig eine Last in der anderen Richtung stützen. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Funktionen, die nicht lediglich als “Einwegdrehmoment” bezeichnet werden sollten.”

Die Einstellbarkeit ist ein weiteres eigenständiges Merkmal. Eine Einstellschraube kann die Reibungsvorspannung ändern, ohne die viskose Dämpfung zu beeinflussen, oder sie kann nur einen Teil des gesamten Bewegungsverhaltens beeinflussen. Für Definitionen und Begrenzungen von Einstellmechanismen verwenden Sie die Scharnierführung mit einstellbarem Drehmoment.

Geschwindigkeitsabhängige Dämpfung und Schließzeit definieren

Ein viskoser Dämpfer sollte anhand seines Bewegungsverhaltens spezifiziert werden und nicht durch eine ungenaue Formulierung wie “starke Dämpfung”. In einem vereinfachten linearen Modell lässt sich das Dämpfungsmoment wie folgt darstellen:

Der Benutzer nimmt in der Regel eher die Schließzeit, die Spitzengeschwindigkeit, den Rückprall und den Endaufprall wahr als den Dämpfungskoeffizienten selbst. Aus diesem Grund sollten im Rahmen des Projekts ein repräsentativer Startwinkel, die Plattenkonfiguration, die Auslösemethode, die Temperatur sowie ein akzeptables Schließverhalten festgelegt werden.

• Startwinkel: der Winkel, aus dem die Platte gelöst wird.
• Schlusszone: ob die Dämpfung über den gesamten Bewegungsbereich wirkt oder nur in der Nähe der geschlossenen Position.
• Schließzeit: die zulässige Zeitspanne zwischen zwei festgelegten Winkeln unter einer bestimmten Belastung und Temperatur.
• Maximale Winkelgeschwindigkeit: eine sinnvolle Begrenzung, wenn sich schnelle Bewegungen auf in der Nähe befindliche Geräte, Finger, Kabel oder Dichtungen auswirken können.
• Aufprall und Rückprall: das zulässige Kontaktverhalten an der Anschlag- oder Verriegelungsstelle.
• Manuelle Übersteuerung: die Kraft und Geschwindigkeit, die ein Benutzer aufwenden darf, ohne den Dämpfer oder das Scharnier zu beschädigen.

Ein Dämpfer gleicht das Gewicht eines schweren, von oben zu öffnenden Deckels nicht automatisch aus. Er kann zwar die Abwärtsbewegung verlangsamen, verringert jedoch möglicherweise nicht die Kraft, die zum Anheben des Deckels oder zum Offenhalten des Deckels erforderlich ist. Wenn die zum Anheben erforderliche Kraft das Hauptproblem darstellt, kann zusätzlich zur Dämpfung eine Feder, eine Gasfeder, ein Gegengewicht oder ein anderer Unterstützungsmechanismus erforderlich sein.

Berücksichtigung von Temperatur, Umgebungsbedingungen und Lebensdauer

Die Temperatur spielt in viskosen Dämpfungssystemen eine besonders wichtige Rolle, da sich die Viskosität von Flüssigkeiten mit der Temperatur ändert; die Viskositätsklassen für Industrieflüssigkeiten werden gemäß Normen wie beispielsweise ISO 3448. Eine Platte kann sich im kalten Zustand langsam und im heißen Zustand zu schnell schließen, oder es kann je nach Flüssigkeit, internem Strömungsweg und Dichtungsausführung das gegenteilige Verhalten auftreten. Das Reibungsdrehmoment kann sich zudem in Abhängigkeit vom Zustand des Schmiermittels, der Wärmeausdehnung, den Oberflächenwerkstoffen und der Vorspannung ändern.

Die Umweltprüfung muss den gesamten Mechanismus abdecken. Staub kann in freiliegende Reibungsflächen eindringen. Reinigungschemikalien können Dichtungen oder Schmiermittel beeinträchtigen. Korrosion kann den Widerstand erhöhen oder Wellen und Halteelemente beschädigen. Druckunterschiede, Höhe und Ausrichtung können sich auf bestimmte mit Flüssigkeit gefüllte Geräte auswirken. Keine dieser Bedingungen sollte ohne modellspezifische Nachweise zu einer allgemeingültigen Leistungsangabe verallgemeinert werden.

Veröffentlichen Sie keine allgemeinen Angaben zur Zyklenanzahl oder zum zulässigen Prozentsatz des Drehmomentverlusts, ohne dabei das Scharniermodell, die Belastung der Tür, den Bewegungsbereich, die Geschwindigkeit, die Temperatur, die Einbaubedingungen, Testunterbrechungen sowie die Kriterien für „bestanden“ bzw. „nicht bestanden“ anzugeben. Allgemeine Methoden zur Prüfung der Haltbarkeit und zur Zyklusprüfung werden von Normungsgremien wie beispielsweise ASTM International; das Projekt sollte dennoch ein eigenes repräsentatives Profil definieren.

Das Gesamtdrehmomentbudget erstellen und Lieferantendaten auslesen

Der Benutzer nimmt Reibungsmoment, Dämpfungsmoment, Schwerkraft, Seilwiderstand und Federkraft nicht als separate Größen wahr. Die Hand bzw. der Aktuator muss deren kombinierte Wirkung überwinden. Verwenden Sie für jede Richtung und jeden Winkel eine einheitliche Vorzeichenkonvention und erstellen Sie ein Gesamtdrehmomentbudget.

Diese Berechnung verhindert einen häufigen Fehler bei der Auslegung: die Auswahl eines Scharniers anhand seines Nennwiderstands unter Vernachlässigung der übrigen Baugruppe. Eine Tür kann zwar das richtige statische Haltemoment aufweisen, dennoch eine übermäßige Öffnungskraft erfordern, da Dämpfer, Dichtung, Kabelbündel und Feder dem Benutzer alle in derselben Richtung entgegenwirken. In die entgegengesetzte Richtung kann die Schwerkraft die Bewegung unterstützen und dazu führen, dass die Tür beschleunigt, sofern die Dämpfung nicht mit zunehmender Geschwindigkeit zunimmt.

Auch die Lieferantendaten müssen entsprechend den Prüfbedingungen ausgewertet werden. Ein als “Drehmoment” angegebener Wert kann ein Spitzenwert beim Anfahren, ein durchschnittlicher Betriebswert, ein statischer Haltewert oder eine Messung bei einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit sein. Diese Werte dürfen nicht ohne Überprüfung der Messmethode gegeneinander ausgetauscht werden.

Die Einheiten müssen zudem einheitlich sein. Das Drehmoment kann in N·m, N·cm, kgf·cm oder anderen Einheiten angegeben werden. Rechnen Sie den Wert vor dem Vergleich um und prüfen Sie, ob er sich auf ein Scharnier oder das gesamte Scharnierpaar bezieht. Wenn zwei Scharniere verbaut sind, sollten Sie nicht von einer perfekt gleichmäßigen Lastverteilung ausgehen, ohne die Ausrichtung, die Steifigkeit der Halterung und die Bewertungsmethode des Herstellers zu überprüfen.

Für die Serienfreigabe sollten Sie statt eines einzelnen Idealwerts eine Toleranzbandbreite festlegen. Diese Bandbreite sollte die relevanten Winkel, Geschwindigkeiten, Richtungen, Temperaturen und den Betriebszustand abdecken. Auf diese Weise können bei der Wareneingangskontrolle und der Prototypenzulassung alle Beteiligten dieselbe Leistungsdefinition als Maßstab heranziehen, anstatt sich erneut auf eine informelle Beurteilung nach Gefühl zu verlassen.

Wählen Sie die Motion-Control-Architektur aus

Nachdem das erforderliche Halte- und Bewegungsverhalten definiert wurde, wählen Sie den Mechanismus aus, der beides realisieren kann, ohne dass eine Komponente eine Funktion ausführen muss, für die sie nicht ausgelegt ist.

Bezeichnungen wie „fest“, „einstellbar“, „verdeckt“ oder „inline“ beschreiben die Konfiguration und die Bauform; sie legen nicht automatisch die Dämpfungsfunktion fest. Verwenden Sie die Vergleich zwischen festen, verstellbaren und verdeckten Drehmoment-Scharnieren erst nachdem das erforderliche Reibungs- und Dämpfungsverhalten festgestellt wurde.

Das Scharnier mit Anschlägen, Verriegelungen, Kabeln und Befestigungselementen integrieren

Das gemessene Scharnierverhalten kann sich nach dem Einbau ändern. Flexible Halterungen verdrehen sich, mehrere Achsen klemmen, Kabel erzeugen richtungsabhängige Drehmomente, Dichtungen wirken dem Schließen entgegen, und Verriegelungen ziehen die Klappe in eine Position, die das Scharnier nicht ungehindert erreichen kann.

• Achsenausrichtung: Sorgen Sie dafür, dass mehrere Scharniere und Dämpfer auf ihren vorgesehenen Achsen bleiben, ohne die Ausrichtung mithilfe der Platte oder der Befestigungselemente zu erzwingen.
• Steifigkeit der Halterung: Verhindern Sie, dass das Befestigungsband Bewegungen aufnimmt, das Drehmoment verändert oder die Verriegelungskante verschiebt.
• Mechanische Anschläge: Verwenden Sie keinen internen Dämpferanschlag als konstruktiven Endanschlag, es sei denn, der Hersteller hat ihn ausdrücklich für diese Belastung zugelassen.
• Kraftwerte für Verriegelung und Dichtung: Messen Sie den Schließwiderstand bei eingebauter Produktionsdichtung, dem Magneten, der Verriegelung oder dem Kompressionssystem.
• Kabelverlegung: Prüfen Sie den Öffnungs- und Schließwiderstand in jedem Winkel anhand serienüblicher Kabelbiegungen und Befestigungen.
• Hitze und Freiraum: die für den Reibungs- oder Strömungsmechanismus erforderlichen räumlichen und thermischen Bedingungen schaffen.
• Zugriff auf den Dienst: die Überprüfung, Einstellung oder den Austausch ermöglichen, ohne die kritische Ausrichtung zu beeinträchtigen.

Überprüfung von Drehmoment, Drehzahl, Temperatur und Zyklusleistung

Die Zulassung sollte auf der Grundlage einer repräsentativen Stichprobe erfolgen. Anhand eines manuell betätigten Scharniermusters lassen sich zwar offensichtliche Reibungs- oder Dichtungsprobleme erkennen, jedoch können damit weder die erforderlichen Haltewinkel, die Schließzeit, die Steifigkeit der Halterung, der Kabelwiderstand, das Zusammenspiel der Verriegelung noch die Leistungsfähigkeit über den gesamten Temperaturbereich und die gesamte Lebensdauer bestätigt werden.

Der Bericht sollte das geprüfte Modell oder Muster identifizieren und vorläufige technische Daten von der endgültigen Musterfreigabe unterscheiden. Eine Aussage des Lieferanten wie “gleichmäßige Dämpfung” oder “konstantes Drehmoment” reicht nicht aus, wenn die Betriebsdrehzahl, die Drehrichtung, die Temperatur, die Belastung und die Abnahmegrenzwerte nicht definiert sind.

Die Wiederholbarkeit ist genauso wichtig wie das Ergebnis einer einzelnen Probe. Testen Sie genügend Proben, um die Streuung in der Produktion aufzudecken, und halten Sie fest, ob das Scharnier neu, justiert, temperaturkonditioniert oder zuvor zyklisch belastet war. Wenn im Projekt ein Paar aus linkem und rechtem Scharnier verwendet wird, messen Sie sowohl die einzelnen Komponenten als auch das montierte Paar, damit eine starke Einheit keine schwache oder falsch ausgerichtete Einheit überdeckt. Im endgültigen Abnahmeprotokoll sollten außerdem die Messgeräte, die Halterung, die Winkelreferenz, die Nullstellungsmethode und die Methode zur Datenauswertung angegeben werden. Ohne diese Angaben können zwei Lieferanten unterschiedliche “Drehmoment”-Werte für denselben Mechanismus angeben, selbst wenn keine der Messungen absichtlich irreführend ist.

Häufige Fehler bei der Auswahl von Drehmoment-Scharnieren mit Dämpfung

Die meisten Probleme bei der Bewegungssteuerung auf industriellen Bedienfeldern sind eher auf eine kleine Anzahl wiederkehrender Spezifikationsfehler zurückzuführen als auf ein defektes Scharnier. Werden diese vor der Freigabe überprüft, lassen sich Nacharbeiten nach den Prototypentests vermeiden.

Checkliste für industrielle Drehmoment-Scharniere mit Dämpfung

• Geben Sie an, ob die Blende ihre Position beibehalten, langsam schließen oder beide Funktionen ausführen muss.
• Geben Sie die Gesamtmasse des beweglichen Teils, den Schwerpunkt, die Lage der Gelenkachse und den erforderlichen Winkelbereich an.
• Definieren Sie das Verhalten bei einem Ausbruch zu Beginn, beim Laufen zu Beginn, bei einem Ausbruch am Ende, beim Laufen am Ende und beim statischen Halten jeweils separat.
• Legen Sie fest, ob Reibung und Dämpfung symmetrisch, asymmetrisch oder einseitig sind.
• Geben Sie die Schließzeit oder die maximale Winkelgeschwindigkeit ausgehend von einem definierten Startwinkel und einer definierten Belastung an.
• Ermitteln Sie die niedrigen und hohen Betriebstemperaturen sowie eventuelle Belastungen durch Staub, Nassreinigung, Korrosion oder Chemikalien.
• Geben Sie an, ob es sich um einen reinen Reibungsmechanismus, einen reinen Dämpfungsmechanismus, eine Kombination aus Reibung und Dämpfung oder um einen Mechanismus handelt, der durch eine separate Feder oder ein Gegengewicht unterstützt wird.
• Geben Sie den Einbauraum, die Achse, die Drehrichtung, die Anschläge, die Verriegelung, die Dichtung und die Kabelführung an.
• Bitte fordern Sie die Daten zu Drehmoment, Drehwinkel, Drehzahl und Temperatur sowie die genauen Bedingungen des Zyklustests an.
• Nach Wiederholung der Funktionsmessungen die vollständig installierte Schalttafel abnehmen.

Nachdem die Bewegungsanforderungen definiert wurden, überprüfen Sie die verfügbaren Modelle von Drehmoment-Scharnieren für den industriellen Einsatz im Vergleich zur Produktzeichnung und den Prüfnachweisen. Wenden Sie sich an HTAN, um eine Überprüfung der Drehmoment-Scharnier-Bewegung zu erhalten mit der Masse der Platte, dem Schwerpunkt, der Scharnierachse, den erforderlichen Haltewinkeln, dem Öffnungs- und Schließverhalten, der Zielgeschwindigkeit, dem Temperaturbereich, der Montagezeichnung und den Zyklusanforderungen.

FAQ

Die richtige Industrielles Drehmoment-Scharnier mit Dämpfung lässt sich nicht allein anhand eines Produktetiketts erkennen. Es handelt sich um das Bewegungssteuerungssystem, dessen Haltekraft im Ruhezustand, Öffnungs- und Schließwiderstand, Geschwindigkeitsreaktion, Richtungsabhängigkeit, Temperaturverhalten, Befestigungsstruktur und Zyklusbeständigkeit mit denen eines echten Industriepanels übereinstimmen.