Для чего нужны шарниры
iSopromat.ru
Шарнир – это кинематическая пара вращательного типа, одно звено которой может поворачиваться относительно другого. 
Наиболее распространенным примером шарнирного соединения являются дверные петли.
Главным свойством шарнира, используемым в механике, является то, что соединенные им части конструкции имеют возможность углового перемещения. При этом необходимо помнить, что в отличие от силы, момент от одной части конструкции к другой, через шарнир не передается.
Изображение шарнирных соединений
На чертежах и расчетных схемах шарниры изображаются в виде окружности малого диаметра соединяющей две или более части конструкции (рис. 2) либо примыкающей к одной из них (рис. 3).
Особое внимание следует уделять изображению шарнира в расчетных схемах задач на изгиб. Шарнир, наложенный на линию балки (рис. 4) подразумевает, что здесь две или более отдельных частей балки соединены шарниром, при этом как отмечалось выше, изгибающий момент через данное соединение не передается.
Шарнир, примыкающий к линии балки (рис. 5), говорит о том, что в данном случае балка является сплошной и просто соединена шарниром с другими элементами.
Рис. 5 Фрагмент балки с шарнирной опорой
Классификация шарниров
По способу возможного взаимного перемещения частей шарнира различают:
Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах
Соединение шарнирное: виды и назначение
Если электричество, например, стали применять сравнительно недавно, то механика сопровождает человечество тысячелетиями. Древние познания в этой области не уступают знаниям современности, хотя, конечно, технологии наших дней во многом изменились. Но элементарные законы кинематики, лежащие в основе всех механических процессов, актуальны и теперь. А также актуальны узлы связи и передачи между механическими элементами. Одним из таких узлов является шарнир.
Что такое шарнир
В схемах и технических чертежах соединение шарнирное изображается в виде окружности небольшой в диаметре. Эта окружность может объединять два либо более элементов конструкции, иногда примыкать только к одной.
Если на изображение балки наложено изображение шарнира, значит, балка имеет составную конструкцию, собранную на шарнирах. Если шарнир только примыкает к ней на схеме, то такая балка является цельной, к ней подсоединен шарнир.
Виды шарнирных соединений
Если при помощи шарнира объединены не более двух элементов, то такое соединение получило название простой шарнир. Сложный шарнир предполагает взаимодействие трех и более элементов в одном узле.
Что такое шарнир неподвижный? Система, где вокруг шарнирной оси может быть осуществлен поворот стержня, но сама точка закрепления шарнира остается фиксированной. Подвижные – это такие связи, где и ось вращается на шарнире, и точка крепления шарнира может двигаться по направляющей.
Все шарниры классифицируются по возможному способу смещения друг относительно друга соединяемых деталей. Они бывают:
Жесткий шарнир
Жесткие шарнирные соединения представлены упругими полукарданными шарнирами. Это механизм, где крутящий момент от ведущего к ведомому валу, имеющих разный угол расположения, осуществляется деформацией звена их соединяющего. Звено упругое изготавливают из резины с возможным армированием.
Примером такого упругого элемента служит муфта Гуибо. Она имеет вид элемента шестигранной формы, в который вулканизированы вкладыши из металла. Муфта предварительно сжата. Такая конструкция отличается хорошим сглаживанием колебаний при кручении, а также стуков конструкции. Допускает сочленение валов с углом до 8 градусов расхождения и перемещении оси до 12 мм в обе стороны. Основная задача такого механизма – компенсировать неточности при монтаже.
К недостаткам узла можно отнести повышенный шум в работе, сложности в изготовлении и ограниченный срок службы.
Где применимо шарнирное соединение
Применить на практике соединение шарнирное возможно в соответствии с его степенью свободы. Сложный шарнир может иметь в узле до шести степеней свободы. Три степени приходятся на перемещение, а три на поворот. Чем больше степеней свободы, тем интереснее шарнир для процесса моделирования.
Простой цилиндрический шарнир распространен в бытовом и промышленном машиностроении: все виды дверных соединений, элементы сантехники (поворотные смесители), инструмент типа пассатижи, ножницы, любой, где смещаются плоские части и др.
Сферический (шаровой) шарнир используют в автомобилестроении в ходовом механизме, в пультах дистанционного управления, в машиностроении и робототехнике.
Кардан (шарнир Гука) в передаче вращательного движения от двигателя к заднему приводу автомобиля, от вала отбора мощности к навесному оборудованию в спецтехнике, везде, где передача идет между валами, расположенными под углом.
Подвижные шарнирные соединения типа ШРУС установлены в переднеприводных автомобилях.
Уход за узлом шарнирным
Шарниры являются элементами, которые подвержены механическому воздействию. Они претерпевают нагрузки в виде трения. Благодаря тому, что в современной конструкции шарниров применены подшипниковые узлы, трение значительно уменьшено. Но в процессе выработки смазочного материала увеличивается износ. Поэтому соединение шарнирное требует постоянной смазки.
В сложных шарнирах (автомобильный ШРУС), где применяются подшипниковые узлы открытого типа, фактором разрушающим является грязь и пыль. Они действуют как абразив и приводят к быстрому износу металла. В таких системах применяют защитные кожухи (пыльники), которые защищают весь шарнир в целом. Уход за такими узлами состоит в своевременной замене пыльников, так как резина имеет свойство разрушаться, также потребуется смазка шарнирных соединений.
Смазки, применяемые для шарнирных соединений
Заключение
Не стоит забывать, что среди великого разнообразия механических конструкций с разными шарнирными связями и способами кинематической передачи главным механизмом является все же человеческий аппарат. Который, кстати, содержит 187 природных шарниров, именуемых суставами. Поэтому своевременно заботясь о технике и продлевая ей жизнь, человек позволяет ей облегчать нагрузки на наше тело – ведь его, согласитесь, нечем заменить.
Шарниры. Виды и применение. Принцип работы и особенности
Шарниры – подвижные соединения двух или более деталей, обеспечивающие выполнение ими вращательного движения относительно друг к другу. Являются узлом различных механизмов и простых конструкций, к примеру, дверных петель, карданной передачи автомобиля и т.д. Соединение, состоящее из последовательно скрепленных нескольких шарниров, называется кинематической цепью.
Что такое шарнир
Шарниры являются неотъемлемой конструктивной частью механизмов, предусматривающих возможность вращения одной детали относительно оси или точки второй. Это движение возможно в одном или нескольких направлениях, что зависит от типа крепления. Механика такого соединения используется не только при производстве сложных механизмов. Она заложена в устройстве скелета любого высшего существа. Суставы локтя, кисти, колена работают по принципу шарнира. Скорей всего, именно анатомия послужила источником идей для разработки более сложных механизмов шарниров. Последние используются сейчас в разных направлениях, таких как автомобилестроение, производство промышленного оборудования, дверных петель и т.д.
Наличие шарнира в конструкции позволяет элементам соединенной пары перемещаться без изгибов, деформации или других конструктивных изменений. При этом сложность такого механизма напрямую влияет на ряд важных параметров:
Уход за шарнирами
Шарнирный узел поддается сильному механическому трению. Для снижения износа соединенной пары требуется обеспечение ее смазки. В зависимости от сложности системы она подается вручную или автоматически. В упрощенных шарнирах, типа дверных петель, используется жидкое масло, которое достаточно нанести раз в несколько лет. Оно заполняет зазор между трущимися деталями и не стекает за счет гигроскопичности. У более сложных шарниров для снижения трения предусматриваются подшипники, покрываемые густыми смазками. Смазка наносится на их обойму с шариками или роликами. Устройства с этим типом обслуживания более тихие, долговечные, и меньше подвержены трению. Высокооборотистые машины предусматривают принудительную автоматическую подачу масла для смазки. Их трущиеся детали могут находиться в масляной ванне или подача масла выполняется путем принудительного нагнетания с обмыванием контактной пары.
Для обеспечения тихой стабильной работы шарнирного механизма требуется выполнение его периодического обслуживания согласно техническим рекомендациям. Это сопровождается помимо добавления или замены смазочных материалов, также установкой новых защитных кожухов и пыльников, если они предусмотрены конструктивно. Данные составляющие препятствуют попаданию между трущейся парой пыли, грязи или прочих абразивных частиц. Они предотвращают насыщению смазки стирающим абразивом, ускоряющим износ. Защитные элементы изготавливаются из резины, поэтому подвержены эффекту старения, особенно при контакте с солнечным светом и смазочными материалами. Как следствие они склонны к растрескиванию. В связи с этим периодически выполняется их замена.
Какие шарниры бывают
Современные механизмы состоят из разных типов шарниров. Наиболее распространенными среди них являются следующие конструкции:
Цилиндрическая
Это очень простой тип шарнира. В нем предусматривается вращение двух элементов вокруг общей оси. Примером такой конструкции выступают дверные петли. Данный механизм представляет собой 2 полых цилиндра, в которых внутри находится общий штырь, выступающий осью вращения.
Они оборачиваются вокруг него. Это очень простая конструкция, для изготовления которой достаточно применения только токарного станка. Прочие шарниры требуют сложного литья и большего количества металла, вследствие чего более дорогие.
Шаровая
Это также достаточно простая конструкция. Она представляет собой палец, заканчивающийся шаром. Тот помещается внутрь полости корпуса, имеющей сферическую форму. Палец с шаром в корпусе сохраняет возможность двигаться вокруг своей оси, а также менять угол уклона. То есть, механизм рассчитан на движение вокруг одной точки, а не оси, как в случае с цилиндрической конструкцией. Это очень распространенная шарнирная схема, применяемая в различных механизмах автомобиля, к примеру, элементах рулевого управления. Особенность шаровой опоры в том, что на нее можно прикладывать большое давление. Шар при этом за счет своей массивности отличается достаточно большой стойкостью к износу, интенсивность которого зависит от способа подачи смазки и ее характеристик.
Аналогичным образом работает фаркоп для подсоединения автоприцепа. В этом случае он сам выполняет функцию шаровой опоры, а ответная часть прицепа работает как корпус. Это крепление позволяет выполнять повороты при движении. При этом шаровый фаркоп компенсирует и отклонения по вертикальному углу.
Опора винт для мебели также работает по принципу шарового шарнира. За счет этого она может подстраиваться под любую плоскость пола, действуя в качестве автоматически регулируемой ножки. Использование устройства этого типа гарантирует максимальную устойчивость мебели, и правильное распределение от нее давления на пол. Подобную конструкцию можно увидеть и на прижиме многих винтовых струбцин, специализированных домкратов.
Шарнирная головка
Это достаточно распространенные шарниры, используемые в различных узлах автомобилей, а также сельскохозяйственной технике, в частности для выполнения крепления подвесного оборудования. Она представляет собой полый корпус со сквозным отверстием, внутрь которого вставляется просверленный шар. Крепление шарнира с другими механизмами выполняется за счет установки пальца в шар. Тот позволяет компенсировать изменение угла за счет вращения последнего в любом направлении.
Этот узел подвергается трению с прикладыванием большого давления, так как устанавливается на силовые тяги. В связи с этим он имеет более сложную систему смазки, чем прочие шарниры. Устройство оснащается пресс-масленкой, позволяющей заливать масло прямо между корпусом и шаром. За счет этого уровень трения и шум при поворотах головки снижаются.
Карданный
Это шарнир, состоящий из крестовины, стороны которой соединены с парой вилок. Каждая из них имеет продолжение в виде валов – ведущего и ведомого. Такую конструкцию можно встретить в автомобилях на карданном валу, передающем крутящий момент от коробки передач на задний мост.
Карданный шарнир позволяет передать крутящий момент с соединенным валом под углом. Он применяется там, где прямое соединение валом невозможно. Это несложный механизм, но все же имеющий свои недостатки. Чем больше угол создаваемый между валами, тем неравномернее вращение ведомого вала. Это вызвано применением крестовины. Даже если ведущий будет оборачиваться плавно с одной скоростью, то ведомый будет его опережать, а затем отставать в разные промежутки времени. Такая неравномерность вызывает ускоренный износ последующих механизмов, так как те по сути начинают работать рывками.
Технический недостаток обычного карданного шарнира устраняется использованием двух крестовин. В таком случае вторая компенсирует ускорение первой, затем первая перекроет отклонение скорости второй. Таким образом, непосредственно на последующие механизмы передаются плавные обороты.
ШРУС
Это также очень распространенный вид шарниров, применяемый в тех случаях, когда необходима передача крутящего момента на подвижный механизм, к примеру, ведущие передние колеса автомобиля. ШРУС – это аббревиатура, расшифровываемая как «шарниры равных угловых скоростей». Устройства этого типа имеют несколько популярных конструкций, среди которых самыми распространенными являются шариковый и трипод.
Шариковый шарнир представляет собой корпус в виде кольца, внутри которого размещается обойма. Между ними закладываются стальные шарики, аналогичные что и в подшипниках, удерживаемые сепаратором. Корпус ШРУС соединяется с одним валом, второй стыкуется со вторым посредством штифтов. При изменении угла относительно друг друга, внутри узла происходит перекатывание шариков, и перенастройка крепления.
Трипод состоит из трех роликов, размещенных в массивной стальной чаше корпусе. К последнему присоединен один вал, а к самому шарниру с опорными роликами по бокам второй. За счет этого при вращении ведущего вала оборачивается и ведомый. При этом в случае изменения угла между ними произойдет смещение благодаря роликам, выступающими тремя точками опоры. Это позволит передавать крутящий момент при любом положении скрепляемых механизмов относительно друг к другу.
§ 2.6 Шарнир как вид подвижного соединения
Кинематические пары звеньев являются идеализированными твердыми телами. Но при создании реального робота вам придется работать не с теоретическими и абстрактными звеньями, а с настоящими деталями. Они могут быть изготовлены из разных материалов и однозначно имеют самую разнообразную геометрическую форму. Соответственно и по-другому называются.
Например, вращательная и сферическая кинематические пары реализуются в виде соединений деталей, которые называются шарнирами.
Шарнир — это такое соединение деталей, которое обеспечивает их вращение относительно друг друга. Бывают цилиндрический и сферический шарниры, исходя из количества степеней свободы вращающейся детали.
Цилиндрический шарнир — это самое распространенное и популярное подвижное соединение деталей. Без него невозможно обойтись ни в одной машине и ни в одном роботе.
Есть много способов собрать цилиндрический шарнир. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Начнем с самой простой конструкции, которую назовем базовой. Представляет она собой две детали, соединенные с помощью одного винта и гайки. Причем детали могут быть любыми. Если они соединены одним винтом через свои отверстия, то вокруг оси этого винта они могут вращаться. А такое соединение можно называть шарнирным.
Возьмите, например, две пластины 1х4 и соедините их согласно схеме сборки, показанной на рисунке 2.6.1. Необходимо использовать гайку с пластиковым контрением, чтобы она не раскручивалась при вращении деталей. Вы получите самый простой цилиндрический шарнир, какой только возможно. Когда требуется применить максимально простую конструкцию подвижного соединения деталей, он является подходящим вариантом.
Рис. 2.6.1. Пример сборки базовой конструкции шарнира
Давайте посмотрим, что получилось. С точки зрения конструкции и степени свободы он в чистом виде повторяет вращательную кинематическую пару. Каждая деталь может вращаться относительно второй только вокруг одной оси и никаких других движений совершать не может. Иным движениям препятствует винт, гайка и вторая деталь. Если закрепить воображаемую систему координат на одной пластине так, как изображено на рисунке 2.6.2 (ось Z совпадает с осью вращения, а начало координат находится между деталями), то по сути положение второй детали можно задать только одной координатой. Это угол γ, на который деталь №2 может поворачиваться относительно детали №1.
Рис. 2.6.2. Координата, которая описывает положение одной детали относительно второй
А теперь попробуйте повращать пластины относительно точки их соединения. И сразу станет понятно, какой главный недостаток у такого варианта шарнира. Если вы сильно затянули гайку на винте, то детали будут вращаться очень тяжело. И наоборот — если затянули слабо, то одна деталь будет болтаться относительно второй. Получается, что такой шарнир требует регулировки степени затяжки резьбового соединения, чтобы детали и вращались относительно свободно и не болтались. Причем регулируется соединение в зависимости от своего назначения.
Это не единственный недостаток базовой конструкции шарнира. О других поговорим позже и рассмотрим варианты их устранения. А пока для того чтобы потренироваться с регулированием базового шарнира, соберите модель из шуточного проекта №2 под названием «Гусеница» (рис. 2.6.3). Эта модель имитирует обобщенную гусеницу, которая питается листвой растений и из которой впоследствии рождается бабочка.
Проект №2 «Гусеница»
Схему сборки указанной модели можно найти в сборнике проектов, который является приложением к данному учебному курсу. Или на сайте Академии «Эвольвектор» в разделе «Проекты».
После соединения всех деталей вы получите модель с 5-ю цилиндрическими шарнирами (рис. 2.6.3).
Рис. 2.6.3. Модель гусеницы, имеющая 4 цилиндрических шарнира в своей конструкции
При сборке «гусеницы» появляется новая пиктограмма действия (рис. 2.6.4). Она обозначает выполнение регулировки шарнира. Для гусеницы при регулировке должна быть подобрана такая сила трения между деталями, чтобы с одной стороны детали поворачивались относительно друг друга без большого усилия, а с другой — гусеница сохраняла форму после поворота ее частей. В этом случае вполне можно имитировать движения настоящей гусеницы и придавать ей разные позы (рис. 2.6.5).
Рис. 2.6.4. Пиктограмма действия «Выполнить регулировку шарнира» в сборочной операции
Рис. 2.6.5. Положения деталей «гусеницы» относительно друг друга для имитации ползания
Попробуйте поэкспериментировать с получившейся моделью, подвигать звенья относительно друг друга. Порегулируйте затяжку шарниров и исследуйте как меняется в нем сила трения при этом. Обратите внимание, как при этом меняется усилие поворота деталей в зависимости от угла их поворота. Очень важно почувствовать работу шарниров и научиться их настраивать нужным образом. Это чувство многократно пригодится при выполнении более сложных проектов.
Написать отзыв
Ваш отзыв: Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.
Оценка: Плохо Хорошо
Введите код, указанный на картинке:
Что такое шарнир?
Механика окружала людей с давних пор. Именно благодаря ей удалось облегчить труд человека и привести ко многим открытиям в «доэлектрическую» эру. Хоть за это время изменились технологии и чаще стала использоваться компьютерная техника, без механики представить современную жизнь нельзя. В этой статье я расскажу о таком популярном механическом элементе как шарнир.
Что такое шарнир?
Посмотрите на свою входную или межкомнатную дверь. Ее петли, которые помогают двери открываться и закрываться являются, самым простым видом шарнира. Вообще, этот конструктивный элемент любого механизма, представляет собой соединение двух (или больше) элементов, один из которого вращается вокруг другого. Он может вращаться в одном направлении или в нескольких.
Важно: шарниры позволяют частям конструкции, которые объединяются ими, совершать перемещение без необходимости изменения конструкции ее элементов в следствие изгибов и других деформаций. Изгибающий момент через них не передается.
На чертежах и иных схемах такие соединения обозначаются небольшой окружностью. Они могут объединять два или несколько частей конструкции. Схематичный знак шарнирного соединения наносится на конструктивные элементы для облегчения их обслуживания. Так, такой знак может быть нанесен на балку имеющую шарнирную конструкцию. Также к такой балке может примыкать шарнир, но она сама будет цельной.
Виды шарнирных соединений
Существует несколько видов шарниров. Классификация этого механического элемента может производиться по числу объединенных конструктивных элементов:
Также шарниры могут быть подвижными и неподвижными:
Но самая большая классификация этих механических элементов заключается в способах смещения конструктивных элементов. Такая классификация делит их на шарниры:
Где применимо шарнирное соединение?
Сфера применения таких конструкций зависит от их вида. На практике применение того или иного шарнира зависит от степени свободы (количества независимых параметров). Системы сложного типа имеют три таких параметра на поворот и три на перемещение. Чем больше у шарнира этот показатель, тем он имеет больше возможностей в использовании.
Простые цилиндрические шарниры имеют огромное распространение в быту. Такой тип соединения элементов конструкции присущ ножницам, плоскогубцам, крану смесителя и т.п. Названные выше двери также имеют в своей конструкции такой элемент.
Шаровой шарнир хорошо представлен в автомобилестроении и в других сферах, где необходимо передать мощность от вала к различному оборудованию.
Карданы имеют схожую с вышеназванной конструкцией сферу использования. Они применяются там, где необходимо передать усилия между элементами, находящимися под углом друг к другу.
ШРУСы обязательный элемент переднеприводных автомобилей.
Уход за узлом шарнирным
Так как шарниры подвержены сильному механическому воздействию и нагрузкам, они нуждаются в особом уходе. Главную нагрузку такого узла составляет трение. Уменьшить ее можно за счет подшипников. А для того, чтобы продлить их долговечность необходим смазочный материал. В сложных системах смазка подается автоматически. Это обеспечивает постоянное нахождение смазочного материала в подшипнике.
При открытых шарнирах (типа ШРУС и др.) влияющем на их долговечность фактором является попадание в механизм пыли и грязи. Мелкие частицы этих масс, действуют как абразив. Попадая во внутрь, они начинают изнашивать металл. Защитные кожухи, которыми накрыты шарниры не всегда могут защитить механизм от такого пагубного воздействия грязи. Продлить жизнь трущемся элементам механизма можно благодаря периодической замене пыльников и обеспечении наличия смазки.
Основные виды смазок для описываемых соединений:
Шарнир – это простейший способ соединения двух подвижных деталей. Кто первым его изобрел неизвестно. Да и не могло быть известно, ведь многие основы механики были разработаны задолго до появления письменности. В известных нам цивилизациях древности уже вовсю использовались сложные шарниры. Которые помогали человеку на его нелегком пути развития. Сегодня без шарниров нельзя представить ни один механизм. Конструкция таких элементов постоянно усовершенствуется и помогает решить многие проблемы механики.