При конструировании механизмов для реализации требуемой кинематики очень часто используются шарниры. Надеюсь, если вы начали это читать, то вам не нужно объяснять, что такое шарнир, скажем только, что в основном они делятся на цилиндрические (вращение вокруг оси) и шаровые (вокруг точки), и здесь мы будем говорить больше про первые.
В зависимости от задачи, к шарниру предъявляются разные требования, как правило, основное – это предельная нагрузка по разным направлениям. Если это покупной шарнир, то нагрузка возможно будет указана в описании, если разработанный – нагрузка закладывается с десятикратным запасом рассчитывается по понятными формулам. Но есть и другая характеристика шарнира, которая мне кажется менее очевидной – это фиксация в промежуточном положении. Фиксация шарнира в промежуточном положении необходима в различных конструкциях, например штативы.
Такая задача также может показаться довольно легкой, но в ряде специфических задач вводные могут оказаться жесткими, например большая полезная нагрузка, большое плечо, устойчивость. Мне довелось столкнуться с такой задачей и по результатам анализа существующих конструкций я решил написать этот материал. Никакой математики, ссылок и сложных выводов здесь не будет, просто примеры конструкций, которые возможно подтолкнут вас на оптимальные решение вашей конструкторской задачи.
Если вы с чем-то не согласны или есть что добавить и поделиться опытом добро пожаловать в комментарии, а больше инженерного контента в моем телеграм-канале t.me/goodmechanics
ТИПЫ ШАРНИРОВ С ФИКСАЦИЕЙ
1) Шарнир на втулках с трением
В принципе, то, как устроен сам шарнир уже может характеризовать зафиксируется он в промежуточном положении или нет. Если шарнир на подшипниках, то вряд ли где-то возникнет хоть какое-то ощутимое трение, но если шарнир на трении скольжения, а главная нагрузка приложена в осевом направлении, то вероятно вращаться он будет не так свободно и вполне может зафиксироваться там, где вы его оставили.
За простотой такого решения стоит много вопросов: трение – это износ, звуки, низкая надежность, как нормально посчитать это не совсем понятно, ограниченная полезная нагрузка.
Но пренебрегать этой идеей нельзя, решение простое и в некоторых случаях может быть эффективным.
2) Фиксация упругим элементом типа муфты
Здесь и далее способ фиксации никак не связан с конструкцией самого шарнира и осуществляется за счет какого-то «тормоза»
Принцип действия муфты понятен, повторить его конструкцию не очень сложно, а максимальный момент фиксации можно примерно оценить по характеристикам соизмеримой муфты. В зависимости от усилия затяжки винта можно зафиксировать шарнир максимально или частично.
Тем не менее, способность фиксировать вращение также ограниченна, при высоких нагрузка в ответственных конструкциях применение невозможно.
3) Фиксация пальцем через отверстие
Простите, названия лучше не придумал.
Очевидный плюс – простота и надежность даже на высоких нагрузках.
Очевидный минус – дискретность фиксации, возможно в нужном положении вы не зафиксируетесь.
Также я бы учитывал здесь люфт в соединении, который на больших плечах уже может показаться ощутимым.
4) Механические тормоза по аналогии с автомобильными
Здесь имеется в виду чисто схема торможения барабанного и дискового автомобильного тормоза, которая может быть реализована и без какого-либо привода, это полноценные механизмы торможения, которые помогут зафиксировать шарнир. Требует разработки, расчетов и качественного изготовления, но результат прогнозируемый.
5) ЗУБЧАТЫЕ МЕХАНИЗМЫ
5.1) Клин-колесо
Общая идея состоит в использовании зубчатого колеса и кулачка, который в незафиксированном положении «перескакивает» с зуба на зуб колеса, а в зафиксированном положении клинит его.
На рисунке представлен храповый механизм, который вращается в одну сторону, но если по фантазировать можно придумать и двунаправленные вариации.
Особенности схожи с пунктом 3: фиксация может быть крайне надежна, но дискретна.
5.2) Шкивы-ремень
Экстравагантный способ, который попался на форуме 3dtoday. Не уверен, что в таком виде это может работать, но в общем креативно. Возможно почему-то вам такое подойдет.
5.3) Диск-диск
Очень интересный механизм, применяется в мединских ортезах.
5.4) Червячный редуктор
Прекрасное свойство червячной передачи – самоторможение. Если большое передаточное число (желательно от 1:30) и вращение исключительно через ведомый вал вас не смущают, то это вариант.
6) Установочный винт с подпружиненным шариком
Не хотел выносить такую мелочь отдельным пунктом, но и запихнуть никуда не получилось. Оставил просто чтобы вы знали, что такую штуку можно купить и они бывают от М3 до М10.
7) Тормоз электрический
Тут уже требуется питание, управление и деньги, а это не путь хардкорного конструктора. Но бывают случаи когда такое решение может стать оптимальным. Такие тормоза продаются и особых проблем с наличием нет.