Шарнир как механическое соединение¶

Шарнир — подвижное соединение двух или нескольких твёрдых тел, допускающее их относительное вращение (или поворот) вокруг общей оси либо точки и препятствующее их поступательному смещению. В механике и технике шарнир относят к низшим кинематическим парам: он передаёт усилия и ограничивает число степеней свободы соединяемых звеньев, оставляя лишь вращательное движение. Шарнирные узлы встречаются в машиностроении, строительстве, анатомии, бытовых изделиях и ювелирном деле.

¶Общие сведения

Ключевая характеристика шарнира — число степеней свободы, которое он сохраняет. Простейший цилиндрический шарнир оставляет одну степень свободы (вращение вокруг оси), сферический — три (повороты в трёх плоскостях). В теоретической механике шарнир моделируют как идеальную связь, в которой реакция направлена так, чтобы исключить запрещённые перемещения. Реальные шарниры всегда обладают трением, зазорами и упругостью, поэтому при расчётах их либо идеализируют, либо учитывают потери на трение.

¶Классификация

По конструкции и назначению выделяют несколько основных типов.

Цилиндрический (осевой) шарнир — вращение вокруг одной оси; типичный пример — дверная петля.
Сферический (шаровой) шарнир — поворот в любом направлении вокруг центра; применяется в подвесках автомобилей, тягах рулевого управления.
Карданный шарнир (шарнир Гука) — передаёт вращение между валами, оси которых пересекаются под изменяющимся углом.
Шарнир равных угловых скоростей (ШРУС) — обеспечивает передачу крутящего момента при большом угле между валами, используется в приводе ведущих колёс.
Упругий и пластинчатый шарнир — работает за счёт деформации тонкой перемычки, без трения и смазки; применяется в точной механике и микроэлектромеханических системах.

По числу соединяемых звеньев различают двухзвенные и многозвенные (сложные) шарниры, по возможности разборки — неразъёмные и разъёмные.

¶Устройство и материалы

Классический шарнир состоит из двух сопрягаемых деталей с отверстиями и соединяющего их элемента — оси (пальца) или шара в гнезде. Для снижения трения применяют подшипники скольжения или качения, втулки из антифрикционных материалов (бронза, фторопласт, полиамиды), а также смазочные каналы. В нагруженных узлах используют закалённые стали, в коррозионной среде — нержавеющие сплавы и покрытия. В строительных конструкциях шарнирные опоры выполняют из металла и обеспечивают свободу поворота при температурных деформациях.

¶Применение

Шарниры универсальны и используются повсеместно:

в машиностроении — кривошипно-шатунные механизмы, подвески, рулевое управление, приводы;
в строительстве — шарнирные опоры мостов, ферм, рамных конструкций;
в быту — дверные и мебельные петли, ножницы, складные ножи, откидные механизмы;
в технике — карданные передачи, манипуляторы роботов, шарнирные соединения гусениц;
в медицине — эндопротезы суставов, воспроизводящие сферическую геометрию.

¶Шарнир в анатомии

В биологии шарниром называют сустав, обеспечивающий движение костей. Пример — локтевой и коленный суставы (блоковидные, с одной осью вращения), плечевой и тазобедренный (шаровидные, с тремя осями). Суставные поверхности покрыты хрящом, а синовиальная жидкость выполняет роль смазки, снижая трение. Такая аналогия широко применяется в биомеханике и при проектировании протезов.

¶Расчёт и надёжность

При проектировании шарнир рассчитывают на прочность (срез пальца, смятие отверстия), износостойкость и долговечность. Учитывают контактные напряжения, зазоры, температурные зазоры и возможность заклинивания. Отказ шарнира часто связан с износом, коррозией или потерей смазки, поэтому в ответственных узлах предусматривают доступ для обслуживания и замены.

¶История

Простейшие шарниры (петли, оси) известны с древности: их применяли в дверях, повозках, осадной технике. Карданный шарнир описан Джероламо Кардано в XVI веке, хотя использовался и раньше. Развитие машин и транспорта в XIX–XX веках привело к появлению ШРУСов и прецизионных шарнирных узлов, а современные технологии добавили упругие и микрошарниры для точной механики.

¶Интересные факты

Название «карданный» закрепилось за шарниром по имени Кардано, хотя приоритет оспаривается.
Упругие шарниры не требуют смазки, что делает их незаменимыми в космической технике и вакуумных приборах.
В робототехнике число шарниров определяет число степеней свободы манипулятора.

Источники: учебники по теоретической механике и деталям машин, технические справочники, материалы по биомеханике и строительным конструкциям.