Leitfaden zur Auswahl von Drehmomentscharnieren: Berechnen des richtigen Drehmoments

Drehmomentscharniere (auch Reibungsscharniere genannt) sorgen für ein kontrollierbares Dämpfungs- und Haltemoment in einer Drehverbindung. Sie ermöglichen es, dass eine Abdeckung, ein Display oder eine Tür in jedem Winkel ohne Rückfederung in Position bleibt, und sorgen für ein gleichmäßiges Gefühl beim Öffnen/Schließen.
Bei Laptops, Servicetüren für Industrieanlagen, medizinischen Anzeigearmen und Präzisionsinstrumenten wirken sich diese Scharniere direkt auf die Qualität, Lebensdauer und Sicherheit der HMI aus.
Dieser Artikel enthält praktische Methoden zur Berechnung von Drehmomenten, einen Auswahlprozess und wichtige Informationen zu Werkstoffen und Prozessen sowie die entsprechenden technischen Normen, um den Abgleich bei der Zeichnungsprüfung und der Kommunikation mit den Lieferanten zu beschleunigen.

Grundprinzipien von Drehmomentscharnieren

Definition und physikalische Bedeutung des Drehmoments

Drehmoment T: das Produkt aus Kraft und Momentarm. Einheit: N-m (siehe ISO 80000-4:2019, Größen und Einheiten in der Mechanik).

In einer Scharnierstruktur erzeugt die Schwerkraft über den senkrechten Abstand zur Drehachse ein Gravitationsmoment; das innere Reibungspaar des Scharniers erzeugt ein Reibungsmoment. Das Gleichgewicht zwischen beiden bestimmt, ob das Teil seine Position hält.

Funktionsmechanismus von Reibungsscharnieren

Im Inneren sind gestapelte Reibungsplatten oder vorgespannte elastische Elemente üblich, die eine konstante oder nahezu konstante Dämpfung bilden.

Haltewinkel: Wenn das Reibungsmoment ≥ dem externen Störungsmoment (Schwerkraft, Vibration, Betätigungskraft) ist, ist der Winkel stabil "verriegelt".

Beeinflussende Faktoren: Reibmaterialpaarung (Edelstahl/Phosphorbronze/Technische Kunststoffe), Oberflächenrauhigkeit (Ra), Vorspannung und Verschleißfestigkeit.

Einschlägige Tests:

• ISO 4287/4288 (Oberflächenrauhigkeitsparameter und -bewertung)
• ASTM G99 (Stift-Scheibe-Verschleißtest, Bewertung der Verschleißtendenzen von Reibpaarungen)

Klassifizierung und Merkmale von Drehmomentscharnieren

Nach struktureller Form

• Unidirektionales Drehmomentscharnier: bietet Hauptdämpfung in einer Drehrichtung; geeignet für Klappdeckel und Servicetüren.
• Bidirektionales Drehmomentscharnier: ähnliche Dämpfung in beiden Richtungen; geeignet für Displays und Mehrwinkelhaltung.
• Indexiert/schrittweise positioniert: "klickt" in bestimmten Winkeln; wird für die wiederholbare Positionierung oder die Ausrichtung von Montage-Nullpunkten verwendet.
• Nicht indiziert: kontinuierliche Dämpfung über den gesamten Hub mit weichem Gefühl.

Nach Anwendungsbereich

• Elektronik: Laptops/Tablets/Automobil-Mittelkonsolen; legt Wert auf Leichtigkeit, Haptik und Haltbarkeit.
• Medizinisch/industriell: Display-Arme, Service-Türen, Abdeckungen; legt Wert auf Stabilität und Umweltverträglichkeit.
• Möbel/Türen: Schranktüren, Soft-Drop-Deckel; legt Wert auf Sicherheit und Geräuscharmut.

Typ Leistungsvergleich

Typ	Typischer Drehmomentbereich*	Einstellbarkeit des Winkels	Lebensdauer (Zyklen)	Geeignete Umgebungen
Unidirektional	0,2-8 N-m	Mittel	10k-50k	Allgemein, Abdeckungen
Bidirektional	0,1-6 N-m	Hoch	20k-100k	Anzeigen/HMI
Indiziert	0,5-10 N-m	Abgestuft	20k-50k	Industrielle Positionierung
Nicht indiziert	0,1-5 N-m	Hoch	20k-100k	Unterhaltungselektronik

* Die Werte spiegeln branchenübliche Bereiche wider. Verwenden Sie Lieferantenkataloge und Prototypentests für genaue Werte (Lebensdauer und Verteilungen beziehen sich auf den Einstufungsansatz in ANSI/BHMA A156.1 für Türscharniere; Anbieter von Unterhaltungselektronik geben oft ihre eigenen Lebensdauerspezifikationen an).

Schlüsselparameter für die Auswahl von Drehmomentscharnieren

Für den Entwurf benötigte Grundmengen

• Gewicht W: in Newton (N). Wenn Masse m gegeben ist, konvertieren Sie mit W = m×g, mit g ≈ 9,81 m/s².
• Moment-Arm L: Senkrechter Abstand vom Schwerpunkt zur Drehachse (Meter).
• Winkel θ: Winkel relativ zur Richtung der Schwerkraft; bestimmt die Komponente des Schwerkraftmoments.
• Anzahl der Scharniere n und deren Verteilung: bestimmt den Drehmomentanteil pro Gelenk und die Stabilität der Stütze.
• Umgebung verwenden: Vibration, Temperatur/Luftfeuchtigkeit, Staub, chemische Belastung.

Formel zur Berechnung des Drehmoments

Grundlegend:
T_req = W × L × sin θ

Mehrere Scharniere teilen sich die Last (Annahme der Gleichverteilung, symmetrischer Einbau):
T_per = T_req / n

Häufige Fallstricke

• Direkte Verwendung der Masse als Gewicht, was zu einem unterschätzten Drehmoment führt.
• Unter L als geometrischer Mittelpunkt und nicht als senkrechter Abstand des Schwerpunkts zur Achse.
• Winkelabweichungen werden ignoriert: θ ändert sich im Verlauf des Hubs; die Spitze liegt oft in der Nähe der Horizontalen.
• Unter der Annahme einer perfekten Lastverteilung und unter Vernachlässigung von Montagevorspannung und Reibungsunterschieden.

Sicherheitsfaktor

Empfohlener Sicherheitsfaktor SF = 1,2-1,5.
T_design = SF × T_req

Das Auslegungsdrehmoment bestimmt den Auswahlbereich; Gefühl und Halt müssen durch Prototypentests überprüft werden.

Drehmomentmessung und Kalibrierung können sich auf ISO 6789 (Kalibrierung von Handdrehmomentwerkzeugen) und ISO/IEC 17025 (Kompetenz der Laborkalibrierung).

Berechnungsbeispiele für verschiedene Anwendungen

Alle Szenarien verwenden Gewicht W (N)Momentarm L (m)und Winkel θ (°). Die Spitzenbedingungen sind gegeben, und SF = 1,3 angewendet, um das Auslegungsdrehmoment zu erhalten.

Laptop-Display

Bedingungen: Masse des Anzeigemoduls 0,45 kg → W = 0,45 × 9,81 = 4,415 N; L = 0,10 m vom Schwerpunkt zur Achse.

Schlüsselwinkel: um die Horizontale, sin θ ≈ 1.

Erforderliches Drehmoment: T_req = 4,415 × 0,10 = 0,4415 N-m.
Design-Drehmoment: T_design = 0,4415 × 1,3 = 0,574 N-m.
Zwei Scharniere, gleicher Anteil: pro Scharnier Ziel T_per ≈ 0,29 N-m.

Optimierung: die Kurve des Reibungswinkels zu formen (am Anfang niedriger, in der Nähe der Horizontalen höher, später verjüngend), um das Gefühl zu verbessern.

Abdeckung für den Service von Industrieanlagen

Bedingungen: Masse des Deckels 3,0 kg → W = 29,43 N; L = 0,18 m.

Horizontales Segment: sin θ = 1.

Erforderliches Drehmoment: T_req = 29,43 × 0,18 = 5,30 N-m.
Design-Drehmoment: T_design = 6,89 N-m.
Zwei Scharniere: pro Scharnier ≈ 3,45 N-m.

Anmerkungen zum Szenario: bei hochfrequenten Vibrationen oder Staub-/Salzspritzern im Freien, wählen Sie eine höhere Vorspannung und korrosionsbeständigere Materialien (siehe Materialien und Normen unten).

Für Umgebungen mit hochfrequenten Vibrationen oder Staub-/Salzspritzern im Freien wird empfohlen, die folgenden Hinweise zu beachten IEC 60068-2-6 oder IEC 60068-2-64 für die Vibrationsprüfung; Durchführung von Salzsprühkorrosionstests gemäß ISO 9227und, falls Staubschutz erforderlich ist, folgen Sie IEC 60068-2-68.

Medizinischer Display-Arm (Multi-Joint)

Gelenk A (nahe der Basis): trägt die gesamte Armmasse und Peripheriegeräte.
Gelenk B (Endfeineinstellung): trägt den Anzeigeteil.

Stacking-Ansatz: jedes Gelenk unabhängig modellieren und periphere Effekte überlagern; den lokalen Spitzenwert für jedes Gelenk nehmen.

Beispiel: Endanzeige 2,5 kg → W = 24,53 N, L = 0,12 mhorizontales Segment T_req = 2,94 N-m, T_design = 3,82 N-m.

Empfehlungen zum medizinischen Umfeld: Material-Reinigungsmittel-Kompatibilität, geringe Partikelemission, Lebensdauer ≥ 50k-100k Zyklen; Temperaturwechsel- und chemische Wischtests durchführen (siehe IEC 60068-2-14 Temperaturwechsel).

Auswirkungen von Werkstoffen und Fertigungsverfahren auf das Drehmoment

Gemeinsame Materialien und Merkmale

Material	Vorteile	Risiken/Hinweise	Verwandte Normen
Rostfreier Stahl (SUS304/316)	Festigkeit + Korrosionsbeständigkeit	Stechender Verschleiß, höhere Kosten	ISO 9227 Salzsprühnebel; ISO 3506 Verbindungselemente
Aluminium-Legierungen (6061/6063)	Leicht, extrudierbar	Geringe Oberflächenhärte; muss anodisiert werden	ISO 7599 Eloxieren; ISO 2081 Zn-Beschichtung (Stahl)
Technische Kunststoffe (POM/PA+GF/PTFE)	Geringe Reibung, leise	Thermische Drift, Kriechen	UL 94 Entflammbarkeit; Reibungsdaten des Lieferanten

Die Reibpaarungen müssen stabil sein: Stahl-PTFE, Stahl-POM, Phosphorbronze-Edelstahl usw.

Korrosionsrisiko: für den Außeneinsatz oder chemische Anwendungen 316L, harte anodische Beschichtungen oder Pulverbeschichtungen verwenden; Salzsprühnebel- und zyklische feuchte Hitzetests durchführen.

Fertigung und Montage

• Oberflächenrauhigkeit: Reibungsplatten empfohlen Ra 0,2-0,8 μm für stabile Reibung.
• Spielraum und Koaxialität: Kontrollabweichungen, um eine "Überlastung" eines Scharniers zu vermeiden.
• Konsistenz des Drehmoments: Eingangskontrolle + Vergleich vor/nach der Lebensdauerprüfung; Rückverfolgbarkeit der Messmittel nach ISO 6789 oder durch ISO/IEC 17025 akkreditierte Labors.

Auswahlverfahren und technische Empfehlungen

Schnellauswahlschritte (bereit zum Einfügen in Design-Checklisten)

• Definieren Sie die Installationsausrichtung, den Drehbereich und den Spitzenwinkelzustand.
• Berechnen Sie T_req = W × L × sin θ Spitze.
• Satz SF und erhalten T_Design.
• Auf der Grundlage der Anzahl der Scharniere und des Layouts erhalten Sie das Ziel pro Scharnier T_per.
• Wählen Sie das/die Scharniermodell(e), dessen/deren Drehmomentbereich/Kurvenform passt (uni-/bi-direktional, indexiert/nicht-indexiert).
• Überprüfung des Prototyps: Gefühl, Halt, Spiel, Temperaturdrift und Lebensdauer.
• Erfassen Sie gemessene und geplante Werte und schreiben Sie diese in Stücklisten und 2D/3D-Anmerkungen zurück.

Allgemeine Probleme und Lösungen

• Drehmoment zu hoch, Bedienung fühlt sich schwer an
  Reduzieren Sie die Vorspannung; wählen Sie eine winkelabhängige Kurve; fügen Sie Hilfsfedern/Gasdruckfedern hinzu.
• Zu niedriges Drehmoment, Durchhängen oder Rückfedern
  Erhöhen Sie die Drehmomentstufe; fügen Sie Scharniere hinzu; optimieren Sie den Schwerpunkt oder verkürzen Sie den Momentarm.
• Temperaturschwankungen verursachen Gefühlsdrift
  Verwenden Sie Reibungspaare mit niedriger Temperatur und Drift; überprüfen Sie per IEC 60068-2-1/-2 (niedrige/hohe Temperatur) und -2-14 (Temperaturwechsel).
• Korrosions-/Reinigungsmittelwirkungen
  Verwenden Sie 316L, Harteloxal oder chemisch Nickel; prüfen Sie gemäß ISO 9227; führen Sie Materialverträglichkeitstests mit Reinigungsmitteln durch.

FAQ (Strukturierte Daten freundlich)

Q1: Masse oder Gewicht bei der Auswahl verwenden?
Verwenden Sie Gewicht W (N). Wenn Sie Masse haben m (kg), convert with W = m×g.

F2: Warum tritt die Spitze oft in der Nähe der Horizontalen auf?
Denn sin θ ist gleich 1 bei θ = 90°. An diesem Punkt ist der Momentarm der Schwerkraft um die Achse maximal, und das Drehmoment erreicht seinen Höhepunkt.

F3: Verteilen zwei Scharniere die Last vollkommen gleichmäßig?
Nicht perfekt. Montageverzerrungen und Reibungsunterschiede führen zu einer ungleichen Aufteilung. Lassen Sie Sicherheitsspielräume bei der Auswahl und den Toleranzen.

F4: Wie kann man ein Gleichgewicht zwischen "leichtem Gefühl" und "starkem Halt" herstellen?
Verwenden Sie eine winkelabhängige Drehmomentkurve oder ein zusammengesetztes System (Reibungsscharnier + Gasdruckfeder/Drehfeder), um ein höheres Haltemoment bei kritischen Winkeln zu erreichen.

F5: Wie kann man Korrosion bei Geräten im Freien verhindern?
Wählen Sie 316L oder Harteloxal/Stahlnickel; führen Sie ISO 9227 Salzsprühnebel durch; fügen Sie bei Bedarf zyklische feuchte Wärme- und UV-Alterung hinzu.

Schlussfolgerung

Erst berechnen, dann prüfen.
Verwenden Sie T = W × L × sin θ um die Spitze zu finden; verwenden Sie SF = 1,2-1,5 um das Konstruktionsdrehmoment zu fixieren; wählen Sie den Konstruktionstyp und die Materialien entsprechend dem Szenario aus.
Schreiben Sie die Winkel-Drehmoment-Kurve, die Lebensdauer und die Umwelttests in die Zeichnungen und Spezifikationen. Erstellen Sie den Validierungsplan anhand der oben genannten Normen.
Wenn Sie dies tun, werden die Abdeckungen nicht durchhängen, die Siebe halten, die Wartung wird sicherer und die Massenproduktion wird stabiler.