Шарнир с крутящим моментом для ультратонких устройств толщиной 5 мм: Свободная остановка экрана на 30°-150°

Достижение свободного хода экрана от 30° до 150° при общей толщине устройства 5 мм - одно из самых жестких конструктивных требований в ультратонкой бытовой электронике и прецизионных медицинских устройствах. Шарнир должен обеспечивать стабильный момент сопротивления в ограниченном пространстве, чтобы экран мог удерживать положение под разными углами без смещения, и при этом соответствовать требованиям к долговечности, экологической надежности и последовательности сборки.

В этом руководстве рассказывается о том, как разработать и выбрать моментный шарнир (шарнир постоянного трения) для сверхтонких систем со свободным стопором. Вы узнаете основные определения, типичные эталоны, методы расчета крутящего момента, примеры из практики, порядок выбора, испытания на надежность, режимы отказов и лучшие отраслевые практики.

Что такое "свободный стоп" экрана и почему он затруднен при толщине 5 мм?

Что означает "свободная остановка" (диапазон удержания 30°-150°)

Конструкция экрана "free-stop" означает, что дисплей может находиться под любым углом в определенном диапазоне (здесь: 30°-150°) без отскока или падения под действием силы тяжести. Это также называется:

• Бесступенчатая остановка
• Шарнир со свободным положением
• Удержание постоянного крутящего момента

На практике петля должна обеспечивать достаточный момент сопротивления, чтобы противодействовать гравитационному моменту экрана при любом рабочем угле.

Почему общая толщина 5 мм создает ограничение высокой сложности

Имея в наличии всего 5 мм, разработчики шарниров сталкиваются сразу с тремя трудностями:

1. Ограниченный диаметр петли
2. Ограниченная толщина фиксирующей конструкции (тонкие стенки легко деформируются)
3. Ограниченное пространство для прокладки FPC и перемещения кабелей

Именно поэтому многие альтернативные варианты (пружины, трещотки, магнитные упоры) часто оказываются неэффективными в этом диапазоне толщин.

Ключевые технические требования к свободному стопу в ультратонких устройствах 5 мм

Пространственные и структурные ограничения (типовые значения)

Приведенные ниже значения являются типичными для проектирования. Фактические значения должны быть подтверждены с помощью расчета допусков и структурного анализа:

• Толщина корпуса: обычно 0,8 мм - 1,2 мм с каждой стороны
• Диапазон эффективных диаметров шарниров: обычно 2,6-3,4 мм (с учетом опор и зазоров)
• Требования к прочности крепления: основание шарнира должно выдерживать кручение и предотвращать локальную деформацию

Диапазоны углов свободной остановки (инженерная интерпретация)

• Эффективный диапазон свободного хода: 30°-150°
• Диапазон 0°-20°: часто предназначен для автоматического закрытия или легкого демпфирования
• Область выше 150°: часто ограничивается помехами, радиусом изгиба FPC или жесткостью корпуса

Эталонные стандарты (рекомендуемые примеры использования)

• Безопасность и механическая прочность: IEC 62368-1 (Официальная страница стандарта)
• Экологическая надежность: Серия EN 60068
• Коррозия и соляной туман: ASTM B117

Ключевые определения, которые необходимо уточнить перед выбором динамометрического шарнира

Этот раздел предотвращает распространенные недоразумения при выборе динамометрического шарнира.

Крутящий момент удержания в сравнении с крутящим моментом отрыва

• Момент удержания: момент, необходимый для удержания экрана от перемещения на заданный угол
• Крутящий момент отрыва: начальный крутящий момент, необходимый для начала вращения из состояния покоя (часто выше, чем крутящий момент движения).

Статическое и динамическое трение (почему возникает джиттер)

• Статическое трение контролирует поведение шарнира, когда экран неподвижен.
• Динамическое трение влияет на плавность хода шарнира при движении.

Большой статико-динамический разрыв часто становится причиной:

• Встряска при запуске
• Неравномерное ощущение движения
• Скачок угла при малых оборотах

Согласованность кривой крутящего момента

Даже если средний крутящий момент верен, плохое соответствие кривой крутящего момента может привести к поломке фри-стопа под определенным углом.

Типичная инженерная цель:

• Допуск на крутящий момент: в пределах плюс/минус 10 процентов от номинального значения

Контрольные показатели: Типичные показатели для сверхтонкой конструкции петли с крутящим моментом

Этот раздел помогает командам заблаговременно установить измеримые критерии приемки.

Типовые эталоны проектирования

• Допуск на крутящий момент: плюс/минус 10 процентов (более жесткий контроль повышает стабильность, но увеличивает стоимость)
• Снижение крутящего момента после испытания на долговечность: менее или равно 15 процентам (зависит от материала, покрытия и смазки)
• Жизненные циклы: От 20 000 до 50 000 циклов (потребительские и промышленные варианты)
• Диапазон температур: от минус 20 до 60 градусов Цельсия (расширить для автомобильной или экстремальной эксплуатации)

Почему контрольные показатели имеют значение

Они помогают вам:

• Установите измеримые критерии приемки
• Избегайте выбора шарниров только на основе первоначальных ощущений
• Предотвращение перепроектирования на поздних этапах из-за снижения крутящего момента или шума

Почему динамометрические петли работают в 5 мм ультратонких конструкциях со свободным стопором

Моментный шарнир создает момент сопротивления за счет контролируемого трения, обеспечивая предсказуемое демпфирование при небольших размерах.

Механизм постоянного момента сопротивления

Моментный шарнир обычно состоит из:

• Вал
• Фрикционные зажимы или фрикционные кольца
• Крепежная конструкция

Упрощенная зависимость крутящего момента имеет вид:

Крутящий момент (T) приблизительно равен коэффициенту трения (mu), умноженному на нормальное давление (N), умноженное на эффективный радиус трения (r).

T ≈ mu × N × r

Где:

• T = момент сопротивления шарнира (Н-м или Н-м)
• mu = коэффициент трения
• N = нормальное давление
• r = эффективный радиус трения

Выбор материала (типичные инженерные решения)

• Материал вала: Нержавеющая сталь AISI 420 (ссылка на свойства: лист данных MatWeb)
• Материал фрикционного зажима: SK5 (марка углеродистой инструментальной стали JIS; справочник: JIS G 4401)
• Ключевая цель конструкции: стабильность крутящего момента и износостойкость, а не пиковый крутящий момент

Расчет крутящего момента: Как рассчитать необходимый момент затяжки петли

Суммарный требуемый крутящий момент для свободного останова

Момент затяжки петель должен превышать момент силы тяжести экрана.

Типичной моделью расчета является:

Treq ≥ W × L × sin(theta) × SF

Где:

• Treq = требуемый суммарный момент сопротивления
• W = вес экрана в Ньютонах (W = m × g)
• L = расстояние от центра тяжести экрана до оси шарнира (в метрах)
• тета = угол относительно направления силы тяжести
• SF = коэффициент безопасности (обычно от 1,2 до 1,5)

Примечания:

• Функция синуса используется во многих упрощенных моделях, но в реальных конструкциях правильный термин зависит от того, как вы определяете тета и направление оси шарнира.
• Если геометрия неясна, рассчитайте 30 и 150 градусов как наихудшие варианты и проверьте их с помощью испытаний прототипа.

Распределение двойных петель

Для изделий с левым и правым шарниром:

Thinge ≥ (Treq ÷ 2) × K

Где:

• Thinge = заданный крутящий момент для одного шарнира
• K = коэффициент распределения (рекомендуется от 1,05 до 1,15) для учета отклонения при сборке и неравномерности трения

Отработанные примеры (практические расчеты)

Отработанные примеры помогут командам быстро применить метод.

Пример A: Ультратонкое потребительское устройство (светлый экран, широкое смещение CG)

Допущения:

• Масса экрана m = 120 г = 0,12 кг
• Смещение КУ L = 55 мм = 0,055 м
• Угол тета = 150 градусов
• Коэффициент безопасности SF = 1,3
• Коэффициент двойного шарнира K = 1,1

Шаг 1: Рассчитайте вес W
W = m × g
W = 0,12 × 9,81 = 1,177 N

Шаг 2: Рассчитайте общий требуемый крутящий момент Treq
Treq ≥ W × L × sin(theta) × SF
sin(150 градусов) = 0,5

Treq ≥ 1,177 × 0,055 × 0,5 × 1,3
Treq ≥ 0,0421 Н-м

Переведите в Н-мм:
0,0421 Н-м = 42,1 Н-мм

Шаг 3: Рассчитайте целевой крутящий момент для каждого шарнира Шарнир
Thinge ≥ (Treq ÷ 2) × K
Шинковка ≥ (42,1 ÷ 2) × 1,1
Усилие ≥ 23,2 Н-мм

Рекомендация:
Выберите шарнир с крутящим моментом около 23 Н-мм на сторону, с допуском на крутящий момент плюс/минус 10 процентов и распадом крутящего момента менее или равным 15 процентам после испытания на прочность.

Пример B: прецизионное медицинское оборудование (повышенная чистота, повышенная надежность)

Допущения:

• Масса экрана m = 200 г = 0,2 кг
• Смещение КУ L = 65 мм = 0,065 м
• Угол тета = 30 градусов
• Коэффициент безопасности SF = 1,5
• Коэффициент двойного шарнира K = 1,1

Шаг 1: Рассчитайте вес W
W = 0,2 × 9,81 = 1,962 N

Шаг 2: Рассчитайте общий требуемый крутящий момент Treq
Treq ≥ 1,962 × 0,065 × sin(30 градусов) × 1,5
sin(30 градусов) = 0,5

Treq ≥ 1,962 × 0,065 × 0,5 × 1,5
Treq ≥ 0,0957 Н-м
Переведите в Н-мм:
0,0957 Н-м = 95,7 Н-мм

Шаг 3: Рассчитайте целевой крутящий момент для каждого шарнира Шарнир
Тинге ≥ (95,7 ÷ 2) × 1,1
Усилие ≥ 52,6 Н-мм

Рекомендация:
Проектируйте шарниры с усилием около 53 Н-мм и устанавливайте более строгие стандарты по шуму, борьбе с мусором и проверке на соответствие требованиям окружающей среды.

Рабочий процесс выбора (ориентированный на массовое производство)

1. Соберите массу экрана и расположение CG
2. Определите наихудшие углы и рассчитайте Treq
3. Определение пороговых значений допуска крутящего момента и затухания крутящего момента
4. Выберите конструкцию шарнира: одношарнирный, сегментный или многошарнирный
5. Определите стратегию нанесения покрытий и смазки
6. Разработка плана испытаний на надежность и критериев приемки
7. Проверка вариативности сборки с помощью анализа стека допусков

Хорошие методы против плохих (практическое руководство)

Хорошие методы (рекомендуется)

• Используйте расчет крутящего момента и проверяйте его с помощью физических испытаний
• Проверьте согласованность кривой крутящего момента при разных углах наклона
• Испытания на срок службы, температуру и вибрацию
• Измерение затухания крутящего момента, шума и образования мусора
• Используйте обработку поверхности и контролируемую смазку для уменьшения зазора трения

Плохие методы (избегайте)

• Выбор петель только на ощупь
• Игнорирование снижения крутящего момента после испытания на ресурс
• Игнорирование разницы между статическим и динамическим трением
• Пропуск анализа укладки допусков
• Устранение риска загрязнения пылью при разработке медицинских конструкций

Изготовление и контроль трения для 5-миллиметровых конструкций

MIM (Литье металлов под давлением)

• Подходит для сложных шарнирных седел и кронштейнов
• Высокая согласованность и сокращение объема обработки
• Проверка прочности и усталостных характеристик несущих деталей

DLC Покрытие и смазка

• DLC повышает износостойкость
• Используйте смазку с низкой летучестью для предотвращения миграции
• Уменьшение образования мусора и колебаний крутящего момента

Лучшие отраслевые практики

Бытовая электроника

• Приоритет отдается постоянству крутящего момента, стоимости и низкому уровню шума
• Использование сегментированных шарнирных модулей для лучшего распределения нагрузки
• Обеспечение надежности маршрутизации FPC и запас прочности на изгиб

Точные медицинские приборы

• Приоритет отдается чистоте, малому количеству мусора и долгосрочной стабильности
• Добавьте уплотнительные кольца или герметичные шарнирные модули
• Используйте более строгие пороги затухания крутящего момента и шума
• Удостоверение рисков, связанных со стерилизацией, если применимо

Автомобильные дисплеи

• Проверяйте более широкие диапазоны температур и условия вибрации
• Улучшенная жесткость фиксации и конструкция против расшатывания
• Обратите особое внимание на шум и смещение крутящего момента при низких температурах

Тестирование надежности и приемочные метрики

• Жизненные циклы: 20 000 - 50 000
• Затухание крутящего момента: менее или равно 15 процентам
• Соляной туман: ASTM B117, 48 или 96 часов
• Температура: от минус 20 до 60 градусов Цельсия или выше
• Вибрация и удары: целостность крепления и защита FPC

Режимы отказов и контрмеры

Режим отказа	Причина	Воздействие	Контрмеры
Затухание крутящего момента	износ, миграция смазки	ситовые штреки	покрытие + контроль смазки
Дрожание при запуске	статический/динамический разрыв	плохое самочувствие	оптимизация обработки поверхности
Шум	сухое трение, мусор	UX и риск надежности	Уплотнение + стабильная смазка
Загрязнение пылью	металлические частицы износа	загрязнение	уплотнительные кольца, малоизнашивающиеся материалы
Свободное основание	слабая фиксация	несоосность	Усиленное сиденье + конструкция, предотвращающая расшатывание

Контрольный список (краткое руководство)

Перед выбором динамометрического шарнира для конструкций со свободным упором 5 мм убедитесь в этом:

• Масса экрана и смещение CG проверены
• Определение наихудшего угла
• Расчетный крутящий момент для каждого шарнира
• Определенный допуск на крутящий момент (плюс/минус 10 процентов, как правило)
• Определен порог снижения крутящего момента (обычно менее или равный 15 процентам)
• Проверка пути маршрутизации FPC
• Проверка жесткости фиксирующей конструкции
• Запланированы эксплуатационные и экологические испытания

Инструменты и ресурсы

Инструменты измерения:

• Измеритель крутящего момента или тестер крутящего момента
• Инструменты для измерения шероховатости поверхности
• Испытания на микротвердость
• Микроскоп для осмотра мусора

Инструменты надежности:

• Приспособление для циклических испытаний
• Температурная камера
• Система вибрационных испытаний

Моделирование:

• Для проверки прочности и деформации фиксаторов рекомендуется использовать инструменты FEA. Передовые методы инженерного моделирования и рекомендации по проверке см. в разделе NAFEMS (официальный).

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Повлияет ли пыль от длительного трения на электронику?

Да. Используйте уплотнительные конструкции, малоизнашивающиеся материалы и стабильную смазку. Медицинские изделия должны иметь более строгий контроль загрязнения.

Выдержит ли 5-миллиметровое шасси нагрузку в 150 градусов?

Да, если зона фиксации шарнира усилена. Деформация тонких стенок является распространенной причиной разрушения, поэтому требуется местное усиление.

Повлияют ли перепады температуры на работу фри-стопа?

Да. Вязкость и тепловое расширение смазки могут изменить крутящий момент. Проверяйте по методу EN 60068 и запасайте крутящий момент.

Как определить наихудший угол для расчета крутящего момента?

Используйте угол, при котором гравитационный момент максимален, исходя из оси шарнира и геометрии центра тяжести. Если нет уверенности, оцените как 30 градусов, так и 150 градусов.

Почему шарнир сначала кажется гладким, а после циклов выходит из строя?

Снижение крутящего момента может происходить из-за износа и миграции смазки. Критерии приемки должны включать испытания на ресурс и проверку крутящего момента после испытания.

Могут ли магнитные упоры заменить динамометрические петли в конструкциях 5 мм?

Магнитные системы обычно требуют дополнительной толщины и механических ограничений. Они могут использоваться в гибридных конструкциях, но часто не могут заменить динамометрические шарниры в 5-миллиметровых конструкциях.