Шарниры с отверстиями для кабеля: когда прокладка провода через отверстие целесообразна

Во многих оригинальных сборочных узлах самой сложной задачей в шарнирном соединении является не удержание панели в нужном положении, а прокладка проводов через соединение так, чтобы они не зацеплялись, не истирались и не обрывались после нескольких тысяч циклов открытия-закрытия. Если на крышке установлен сенсорный экран, камера, датчик или любой другой компонент с собственным источником питания, эти кабели должны каким-то образом пересекать ось вращения. Шарнир с отверстием для проводов и регулируемым усилием затяжки решает обе проблемы сразу: он удерживает панель под заданным углом и пропускает проводку прямо через центр шарнира. В данном руководстве объясняется, в каких случаях конструкция с проходом проводов действительно целесообразна, как определить размер отверстия и усилие затяжки, а также где такие шарниры лучше всего подходят.

Что такое шарнир с кабельным отверстием и регулировкой крутящего момента

Шарнир с отверстием для прокладки кабеля — также называемый шарниром с полым валом, шарниром с проходом для проводов или полым торсионным шарниром — представляет собой позиционирующий шарнир с отверстием, проходящим по центру его оси вращения. Он выполняет две функции в одной детали. Как и любой шарнир с моментом, он использует контролируемое внутреннее трение для удержания крышки, дисплея или кронштейна под заданным углом без обратного отскока. В отличие от цельного шарнира, его полый вал позволяет пропустить жгут проводов через ось вращения, благодаря чему проводка вращается вместе с шарниром, а не обвязывается вокруг него снаружи.

Именно в этом и заключается весь смысл. В случае крышки с электроприводом или поворотного рычага трос должен проходить от неподвижного основания к подвижной части. Если проложить его по внешней стороне, он будет изгибаться, тереться и в конечном итоге выйдет из строя в месте изгиба. Если проложить его через центр шарнира, кабель подвергается гораздо меньшим перемещениям, поскольку ось вращения — это единственное место на соединении, где ход наименьший. Шарнир становится одновременно механическим опорным пунктом и кабелепроводом.

Если вы до сих пор не можете определиться, подходит ли вам шарнир с крутящим моментом — в отличие от обычного фрикционного шарнира, газовой пружины или удерживающего рычага — начните с нашего руководство по выбору динамометрических петель. В этой статье предполагается, что вам уже требуется контролируемое позиционирование и вы раздумываете, стоит ли выбирать вариант с проходной проводкой.

В каких случаях целесообразно использовать петлю с проходным креплением?

Шарнир с отверстием для кабеля целесообразно использовать в тех случаях, когда на подвижной панели устанавливается компонент с собственным источником питания, а его кабели должны пересекать ось шарнира. Это правильный выбор в тех случаях, когда внешняя прокладка кабеля будет на виду, когда повторяющиеся движения приведут к износу кабеля за пределами шарнира, когда конструкция должна выглядеть аккуратно, без видимой проводки, или когда требуется сократить количество деталей за счет отказа от цепей для кабелей, спиральной обмотки и внешних кабельных направляющих. Как правило, это неверный выбор в тех случаях, когда ни один из элементов на подвижной панели не требует питания или сигнала, когда пучок кабелей слишком велик для любого приемлемого диаметра отверстия или когда панель настолько тяжелая, что полый вал не может одновременно обеспечить требуемый крутящий момент и прочность конструкции.

Когда прокладка с прохождением проводов оправдана с технической точки зрения

Решение не сводится исключительно к шарниру. Речь идет о том, решает ли внутренняя прокладка кабеля реальную проблему в вашей сборке. Именно в таких ситуациях это, как правило, окупается.

На подвижной панели установлен компонент с собственным источником питания

Наиболее наглядный пример — крышка или рычаг, на котором установлено какое-либо электрическое устройство: сенсорный экран, панель HMI, камера, световая головка, датчик или небольшой дисплей. Этот компонент нуждается в питании и сигнале, поступающих со стационарной стороны изделия, а кабель должен выдерживать каждый цикл открытия-закрытия в течение всего срока службы оборудования. Прокладка кабеля через ось шарнира — самый прямой способ его защиты.

В противном случае кабель прогибался бы в месте изгиба

Кабель, проложенный снаружи шарнира, вынужден изгибаться при каждом движении панели. Такое повторяющееся изгибание является классическим примером усталостного разрушения: проводник или его изоляция растрескиваются в месте изгиба задолго до того, как изнашиваются другие детали изделия. Внутри шарнира кабель находится близко к оси вращения, поэтому он скорее плавно скручивается, чем резко изгибается. Для оборудования с высокой частотой циклов эксплуатации это различие определяет, прослужит ли кабель долго или станет причиной обращения по гарантии.

Важны внешний вид и простота очистки

В медицинском, лабораторном и высококачественном промышленном оборудовании открытая проводка выглядит некачественно и создает места, где скапливается пыль и загрязнения. Шарнир с проходом для провода полностью скрывает кабель, обеспечивая аккуратный внешний вид без петель и внешних направляющих, которые приходится протирать. В оборудовании, где важна гигиена, меньшее количество внешних щелей является реальным преимуществом, а не просто эстетическим фактором.

Вы хотите сократить количество деталей

В отсутствие внутренней прокладки инженеры обычно используют тяговые цепи, спиральную обмотку, кабельные зажимы или внешние направляющие для прокладки кабеля через соединение. Каждый из этих элементов — это еще одна деталь, которую необходимо заказать, установить и задокументировать. Полая шарнирная петля объединяет механический шарнир и кабельный канал в один компонент, что упрощает спецификацию и процесс сборки. Для серийных продуктов OEM такая консолидация может иметь такое же значение, как и сама защита кабеля.

Когда шарнир с фиксированным крутящим моментом — лучший выбор

Конструкция с проходным валом не всегда является лучшим решением. При использовании полого вала из центра шарнира удаляется часть материала, что влечет за собой определенные последствия. Существуют очевидные случаи, когда цельный крутящий шарнир является более разумным выбором.

• Ни один из элементов панели не требует подключения. Если подвижная деталь представляет собой простую крышку или защитный кожух без приводного механизма, отверстие для кабеля приводит к увеличению стоимости и создает зону концентрации напряжений, не принося при этом никакой пользы.
• Пучок кабелей слишком большой. Если кабельный жгут толстый, экранированный или содержит разъёмы, которые невозможно продеть через отверстие, то ни один реалистичный диаметр отверстия не подойдёт для него. В таком случае, возможно, придётся прибегнуть к внешней прокладке кабеля с надлежащим разгрузочным устройством.
• Груз очень тяжелый. В полом валу содержится меньше материала, чем в сплошном валу того же диаметра. Для тяжелой панели, требующей высокого крутящего момента и высокой прочности конструкции, для безопасной передачи нагрузки может потребоваться сплошной вал, шарнир большего размера или конструкция с несколькими шарнирами.
• Разъем должен оставаться подключенным. Если кабель заканчивается громоздким разъемом, который невозможно снять во время сборки, протащить его через узкое отверстие может оказаться невозможным.

Практическое правило очень простое: указывайте отверстие для кабеля, если через него нужно пропустить что-то, и не указывайте его, если ничего пропускать не нужно.

Как указать размер отверстия

Диаметр отверстия — это параметр, с которым покупатели чаще всего ошибаются. Отверстие должно подходить не только для отдельного кабеля, но и для всего жгута с запасом на смещение, а иногда и для защитной оболочки. В зависимости от серии шарниров, шарниры с отверстием для кабеля могут иметь компактные отверстия для одного тонкого сигнального кабеля, отверстия среднего размера для типичных пучков силовых и сигнальных кабелей или более крупные отверстия для более толстых жгутов или нескольких кабелей — типовые размеры отверстий варьируются примерно от 4,5 мм до 8 мм, 12 мм и более. Перед отбором образцов всегда сверяйте точный размер отверстия с чертежом поставщика, поскольку доступные размеры варьируются в зависимости от модели.

Чтобы правильно определить размер отверстия, следуйте следующим рекомендациям:

Слишком узкое отверстие сдавливает кабель и вновь приводит к той самой проблеме износа, которую вы пытались решить. Слегка увеличенный внутренний диаметр позволяет кабелю свободно перемещаться и обеспечивает возможность будущих изменений конструкции. Если вы сомневаетесь, выбирайте размер побольше — но сообщите поставщику диаметр жгута и тип разъема, чтобы он мог подтвердить, что шарнир по-прежнему способен обеспечить необходимый крутящий момент при данном внутреннем диаметре.

Оптимальный выбор размера отверстия с учетом крутящего момента и прочности

Вот в чём заключается инженерный компромисс, лежащий в основе любой петли с проходным валом: отверстие и механизм затяжки делят между собой один и тот же вал. Чем больше отверстие, тем меньше материала остается для элементов трения и тем меньше поперечное сечение, способное выдерживать нагрузку. Это не означает, что невозможно совместить и большое отверстие, и высокий удерживающий момент — это означает, что эти два параметра необходимо задавать вместе, а не по отдельности.

На практике шарниры с меньшим отверстием для кабеля, как правило, используются в диапазонах меньшего крутящего момента, подходящих для электроники, панелей управления и компактных дисплеев, в то время как полые шарниры с более массивным корпусом могут обеспечить более высокий крутящий момент для более тяжелых крышек. Суть в том, чтобы сразу предоставить поставщику оба параметра — диаметр кабеля, который необходимо пропустить, и удерживающий крутящий момент, требуемый для панели, — чтобы петля соответствовала обоим требованиям. Указание размера отверстия без целевого значения крутящего момента или крутящего момента без указания диаметра отверстия приводит к тому, что в проектах в итоге используются петли, которые подходят для кабеля, но не удерживают крышку, или удерживают крышку, но не пропускают кабель.

Если вы не знаете, какой удерживающий момент требуется для панели, то наша Примеры расчета крутящего момента Рассмотрим, как вес панели и расстояние до центра тяжести влияют на значение крутящего момента. Сначала определите требуемое значение крутящего момента, а затем добавьте к нему требуемое значение внутреннего диаметра.

Материал и окружающая среда

Шарниры с отверстием для кабеля изготавливаются из тех же групп материалов, что и цельные шарниры, и к ним применяются те же принципы выбора в зависимости от условий эксплуатации. Нержавеющая сталь — оптимальный выбор для оборудования, подвергающегося промывке, работающего во влажной среде, в морских условиях или в условиях повышенных гигиенических требований, где важна коррозионная стойкость. Чугун или сталь с гальваническим покрытием обычно используются для экономичных электронных устройств и панелей управления, предназначенных для использования в помещениях. Правильный выбор зависит от места эксплуатации изделия, а не от того, имеется ли в нём отверстие для кабеля.

Еще один момент, который следует учитывать именно в конструкциях с проходной проводкой: само отверстие может стать каналом проникновения пыли или влаги, если оно останется открытым с обоих концов. В загрязненных или влажных условиях необходимо заранее продумать, как будет уплотнено или защищено место ввода кабеля, чтобы отверстие, через которое проходит проводка, не стало источником попадания загрязнений внутрь оборудования.

Типовые применения

Шарниры с кабельным отверстием используются везде, где приводная деталь перемещается на шарнирном соединении. К типичным примерам относятся:

• Панели управления и интерфейсы человека-машины где интерфейс оператора наклоняется или складывается, и его проводка должна проходить через точку поворота.
• Крышки оборудования с сенсорными экранами или камерами, где дисплей установлен на подвижной крышке и требует защищенного кабельного канала.
• Шарниры для робототехники и автоматизации которые передают сигнал и питание через вращающуюся ось в ограниченном пространстве.
• Медицинские и лабораторные подразделения где одновременно важны аккуратный внешний вид, плавная работа и скрытая проводка.
• Световые головки и крепления для приборов которые часто меняют свое расположение и должны обеспечивать защиту кабельной разводки при каждой перенастройке.

Все эти случаи объединяет одна и та же схема: контролируемое позиционирование в сочетании с кабелем, который должен выдерживать движение. В тех случаях, когда выполняются оба этих условия, конструкция с прокладкой провода оправдывает своё применение.

Распространенные ошибки, которых следует избегать

• Размер отверстия должен соответствовать кабелю, а не пучку кабелей. Измеряйте длину всего кабеля в сборе с оболочкой и любыми рукавами, а также с учетом запаса на растяжение — а не отдельного проводника.
• Указание диаметра отверстия без заданного значения крутящего момента. Отверстие и механизм трения имеют общий вал. Укажите оба номера, чтобы можно было подобрать шарнир, подходящий к обоим.
• Забыв о разъемах. Заранее уточните, должны ли разъемы проходить через отверстие или их можно подключить после протаскивания кабеля.
• Оставление отверстия открытым в загрязнённой среде. Следует спроектировать герметизацию кабельных вводов таким образом, чтобы трасса прокладки проводов не стала каналом проникновения загрязнений.
• Выбор варианта «с прокладкой проводов», когда прокладка проводов не требуется. Если в панели нет компонентов, требующих питания, прочный шарнир будет проще, надежнее и дешевле.

Что нужно отправить при запросе образца

Шарнир с проходом кабеля отличается от обычного торсионного шарнира одним дополнительным параметром: кабелем. Чтобы быстро получить полезную рекомендацию, предоставьте поставщику одновременно данные как по механическим характеристикам, так и по кабельной разводке.

Прежде чем приступить к серийному производству, проверьте работу шарнира на типовом прототипе с установленным реальным кабелем. Наш Контрольный список для испытаний образцов шарниров с крутящим моментом В данном разделе описано, как проверить надежность крепления, усилие, прилагаемое пользователем, и долговечность на готовой сборке — в случае шарнира с проходом троса эту проверку следует проводить с продетым тросом, чтобы убедиться, что пучок свободно перемещается в пределах всего диапазона открытия.

Часто задаваемые вопросы

Определение шарнира с фиксацией момента затяжки кабельного отверстия

Шарнир с проходным отверстием для кабеля — это оптимальное решение конкретной задачи: панель с электропитанием, которая должна удерживаться в заданном положении, а её проводка должна проходить через то же соединение. Если это соответствует характеристикам вашего изделия, прокладка кабеля через шарнир обеспечивает его защиту, придаёт внешнему виду аккуратность и позволяет обойтись без внешних направляющих, которые в противном случае пришлось бы устанавливать дополнительно. Если это не так, то прочный шарнир с крутящим моментом будет более простым и надёжным решением. Главное — одновременно определить размер отверстия и крутящий момент, подобрать размер отверстия с учётом полного пучка кабелей и проверить конструкцию с использованием реального кабеля на типовом прототипе.

Если у вас есть крышка, рычаг или панель с электроприводом, для которых требуется как позиционирование, так и прокладка кабеля внутри, компания HTAN поможет подобрать размер проходного отверстия, диапазон крутящего момента, материал и способ крепления в соответствии с вашими требованиями. Ознакомьтесь с нашим диапазон крутящего момента шарнира или связаться с HTAN укажите вес панели, угол открытия и характеристики кабельного пучка, чтобы получить рекомендацию.