Шарниры — типы соединений¶

Шарнир — подвижное соединение двух или более деталей (звеньев), допускающее относительное вращение и/или качание с сохранением связи между ними. Шарниры являются базовыми кинематическими парами и применяются в машиностроении, строительстве, мебели, дверной и оконной фурнитуре. В зависимости от числа степеней свободы различают шарниры с одной, двумя и тремя степенями свободы.

¶Классификация

По числу степеней свободы шарниры делятся на:

• Цилиндрические (поворотные) — одна степень свободы: вращение вокруг одной оси. Самый распространённый тип.
• Шаровые (сферические) — три степени свободы: вращение вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей.
• Карданные (крестовые) — две степени свободы, комбинация двух цилиндрических шарниров с пересекающимися осями.

По конструктивному исполнению различают:

• Винтовые (петли) — шарнир в виде петли и оси (штыря), применяемый в дверях, крышках, мебели.
• Шариковые — качение шариков между кольцами, снижающее трение.
• Роликовые — вместо шариков используются ролики.
• Кулачковые — сложные шарниры для передачи заданного закона движения.
• Эксцентриковые — смещённая ось вращения для регулировки зазора.
• Гибкие (карданчики) — вала из упругих элементов, передающие вращение при углах до 30–45°.

¶Устройство и принцип работы

Простейший цилиндрический шарнир состоит из вала (пальца) и втулки (подшипника скольжения). Вал вращается во втулке, воспринимая радиальные нагрузки. Для снижения трения применяют бронзовые, текстолитовые или полимерные втулки, а при высоких нагрузках — шариковые или роликовые подшипники.

Шаровой шарнир (сферическая пара) состоит из шара и сферической обоймы, между которыми возможны вращения во всех направлениях. В автомобилестроении шаровые шарниры применяют в подвеске для соединения рычагов со ступицей колеса, обеспечивая одновременный поворот колеса и его качание.

Карданный шарнир (шарнир Кардана, шарнир Гука) состоит из двух вилок и промежуточного креста (крестовины). Два карданных шарнира, соединённые промежуточным валом, образуют карданную передачу, способную передавать вращение при изменяющемся угле между валами. Карданная передача применяется в приводах автомобилей, судовых и авиационных двигателях.

¶Материалы и изготовление

Для ответственных шарниров используют конструкционные стали (40Х, 20Х, 12ХН3А), закаливаемые и цементируемые для износостойкости. Втулки изготавливают из бронзы (БрА9Ж3Л, БрА10Ж3Мц2), латуни, текстолита, капролактама, фторопласта. Шаровые шарниры автомобилей часто имеют пластмассовые или металлические вкладыши с полимерным покрытием.

¶Применение

¶Машиностроение

Шарниры применяются в приводах, трансмиссиях, манипуляторах, робототехнике. Карданные передачи обеспечивают соосность валов при её нарушении. Шаровые шарниры используют в подвеске легковых автомобилей, шасси самолётов, опорах мостов.

¶Строительство

В строительстве шарнирные опоры (шарнирно-подвижные, шарнирно-неподвижные) применяются в мостовых конструкциях, фермах, балках. Шарнирная опора воспринимает только вертикальную нагрузку, не передавая изгибающий момент. Шарнирные арочные конструкции позволяют перекрывать большие пролёты. В России шарнирные опоры широко применялись при строительстве мостов через Волгу, Днепр и другие крупные реки.

¶Дверная и мебельная фурнитура

Петли (дверные шарниры) обеспечивают открывание дверей, окон, крышек шкафов. Различают накладные, врезные, скрытые, петли-бабочки, петли с доводчиком. Мебельные шарниры (опорно-поворотные, наклонно-поворотные) применяют в системах тумб и шкафов.

¶Медицина

Эндопротезы суставов (тазобедренный, коленный) являются шарнирными конструкциями, имитирующими биологические суставы. Металлические компоненты изготавливают из титановых сплавов и кобальт-хромовых сплавов.

¶Расчёт шарниров

При расчёте шарниров определяют допустимые нагрузки, скорость вращения, ресурс. Для подшипников скольжения рассчитывают давление (p), скорость скольжения (v) и произведение pv — интегральный показатель нагруженности. Для шариковых подшипников применяют расчёт по статической и динамической грузоподъёмности.

¶Интересные факты

Карданный шарнир был описан итальянским математиком Джероламо Кардано в XVI веке, хотя механическое устройство существовало ранее — его применяли в китайских повозках и древнеримских конструкциях. Шарнир Гука назван в честь английского учёного Роберта Гука, предложившего в 1678 году конструкцию с перекрёстными вилками.