ヒンジ機構の設計

本日は、トルクヒンジ機構の設計について考えたいと思います。

1.トルクヒンジ機構とは?

 トルクとは、「力のモーメント」のことです。ヒンジとは、蝶番のことです。例えば、ドアを開く根元についている金具がそうです。この機構がないと、ドアを開くことは出来ません。ここで我々が行う動作を「開く」を表現しましたが、基礎物理学のような用語でいうと「回転運動させた」です。ここを理解できるかどうかが、重要です。

◎ドアを開く= 壁についた板を蝶番を回転軸として回転させた

 さて、上記までの説明だとヒンジは分かりますが、トルクヒンジがわかりません。「力のモーメント+ヒンジ」?ドアを開く際の回転が、力のモーメントで記述できるから、という意味ならば、あえて力のモーメントなんといわなくていいじゃないか!そう、あえていうには理由があります。これ以上は表現上からは見えてこないので、一般概念を言ってしまうと、「任意の角度で自由に止められる」ヒンジ機構のことを、トルクヒンジ機構といいます。

◎ トルクヒンジ機構 =任意の角度で自由に止められるヒンジ機構

2.トルクヒンジ機構の実用例

 「設計とは真似ること」という格言を、しばしば耳にします。確かに、機構を組み立てていく際に、「知識」がなくて進まないことは多々あります。そんなときに参考とするのが、公知となっている技術です。特許、実用新案、意匠、製品を参考にします。ここでは、トルクヒンジ機構として、我々が普段よく見る物を数点、列挙します。

例) ドア、ノートパソコン開閉機構、乗り物の椅子後部に収納されているテーブル、その他開閉機構

3.トルクヒンジ機構を考える事始め

 まず、いかなる設計も、実現させたい事項を明確にする必要がある。その上で、回転軸を設けて回転させる機構が必須であると判断して、はじめてトルクヒンジ機構の構想を開始する。いきなり、割と明確なトルクヒンジ機構という概念があって、それを物にくっつけるという発想では、上手く開発がいかない。

◎ トルクヒンジ機構の必要性を考えたか?

◎ 必要な場合、何処に設置し、どのように使うつもりか答えられるか?

答えられない場合は、構想設計をいったんストップした方が良いです。トルクヒンジ機構は、やや複雑な機構なので、いったん開発を進めると、結構パワーがいります。

4.トルクヒンジ機構に必要な機構を考える

 ここでは、具体的にどのような構造が必要かを述べる。トルクヒンジ機構は、「トルク機構」+「ヒンジ機構」で成り立っている。従って、各部分に対応する構造を明確にすればよい。。。その前に、トルク部とヒンジ部を再定義しておく。

◎ トルク機構 = 任意の位置で回転を止める機構

◎ ヒンジ機構 = 回転軸に対して剛体を回転させる機構

上の定義を見て、その横に、具体的な構造が描けるようならば、次にその二つの機構を統合させることに思考を移せる。しかし、描けない場合は、上記(2)で言ったように、公知例を参考にするか、定義を自分が完全に構造が理解できるところまで分解する必要がある。

◎ 機構がイメージできないときは、完全に理解している(=絵に描ける)レベルまで要素に分解したり、公知例を参考にしたりしなければならない。

さて、ここまで言っておいて、トルク機構とヒンジ機構を見てみると、私はトルク機構のイメージがわかない。なぜならば、回転運動を止めると言っているがどのような機構の回転運動なのか、分からないからである。つまり、ここでいうトルク機構は、ヒンジ機構に依存するので、ヒンジ機構だけは考えることが難しいのである。。私には。。。

例えば、下図のようにイメージしてみる。

回転軸に対して剛体を回転させる機構…

こうすれば、シャフトに回転体(剛体)をはめ込み、ストッパーで止めることで、機構が成立する。

ここで、もし「何処に設置する?」と考え、それが製品に搭載するということであれば、シャフトに剛体が一つ追加されることになる。

ここまでできれば、先に定義したヒンジ機構の基本構造が明確になる。高校の物理の知識しか使っていない。

回転機構をイメージできたので、次は、トルク機構を考える。トルク機構は、剛体を任意の角度まで回し、手を放すとその場で回転が止まる機構である。これは、どう考えればできるであろうか?

問題:回転しているモノを止めるには?

運動している物を止める最も基本的な考えは、「運動方向に壁を立てる」である。相撲の力士が、相手の突進を体で受けることをイメージしてもらえればよい。シンプルな方法で、回転方向の力に壁が耐えられれば強度的にはOKで、後は任意角度で壁が立つような機構を考えればよい。他にはないか??

日本の剣術の極意:真剣白刃取り は、何故、切り下してくる刃の運動を止められるのか??やっていることは、刃を両手で挟んでいる。回転方向に対して垂直の方向から力を加えて止めている。何故止められるのか?それは、摩擦力である。

運動する物体があって、それが摩擦をもつ面に接していると、その接触面を介して物体には、運動方向に逆らう力が働く。高校物理で、μ×N で記述された摩擦力である。摩擦係数と垂直抗力が大きければ大きいほど、運動を止める効果が高くなる。ここで摩擦係数は手のザラツキであり、垂直抗力は刀を挟むのに要した力である。回転運動を、この摩擦力で停止させる機構は、例えば車(自転車のブレーキをみてほしい)を見ていただければ顕著である。

以上、二つの回転運動する物を止める方法を考えてみた。私は、前者の壁を立てる機構は、「任意角度に追従して壁が飛び出る」を考える労力がやや苦労なのでで、思考の楽な後者を考えてみたいと思う。つまり、「摩擦力で止める」である。

上図が、トルクヒンジ機構の基本構造である。これで、回転運動と任意角度で停止させる は、原理上実現できる。これを具体化する際に、あと考えねばならないのは、「摩擦力による部品の摩耗を軽減させる機構」である。例えば、バネワッシャーを向かい合わせにして摺動部品間に挟みこみ摩擦面を限定的にし、最後にナットで締めこむなどである。※ ここは、ヒンジメーカー各社の極意がつまっています。

5.トルクヒンジ機構に必要な性能(モーメント)を考える

 先の図に対して、簡単にモデル化してみると、例えば、下図のようになる。

Fは操作力、fは摩擦力である。Wは、場の力である。一般に任意角度で停止することが問われるのは、放っておくと重力などの場の力で回転体が動いてしまうからである。よって、モーメントを考える際は、場の力を考えておくべきとし、描いた。

さて、上図において、搭載するトルクヒンジに最低限必要なモーメントは何であろうか? 操作力の項を取ればよいので、M=Wl-fδ [Nm] である。逆に、最大値は摩擦が消えた時だからM=FL+Wl である。

また、上記のようになるには、どれくらいの力でストッパーを締めつけていればよいか? 操作力を加えていない状態で、動いてはならないから、摩擦力と場の力が釣り合っていることが前提である。⇒ W=f

Wは、回転体の形状で決まるのでここでは既知の定数とすると、

W=f=μP ⇒ P = W/μ と考えられるので、トルクヒンジのストッパーを締めきる力Pは、W/μ 以上にすればよいと分かる。

◎ トルクヒンジのモーメント:WI-fδ≦M(≦WI+fδ) を作ればよい。

◎ ストッパーの締め付け力:P≧W/μ

以上、トルクヒンジ機構の基本について書いてきた。自分で設計するときに、または専門のメーカーさんと交渉する前に計算するのに役立てて欲しい。

本日の動画:塩川の滝

 ここはかつて熊野信仰にのっとり、滝をご神体とした滝行が行われていた場所です。涼やかな姿ですが、見ていると何だが温かい気持ちになります。頭もさえてくるような気がします。各1分ほどの動画ですが、お楽しみください。相模原市の塩川滝は、車で直接行けます。また、滝の近くに、鮎料理屋、兼温泉旅館があるので、身体を休めることもできますよ!おすすめです。

滝口

滝壺

全景

ワンコ

在宅勤務と通常出社を繰り返す中で、少々体が疲れております。。。

大体、夕方家に戻ると、実家の犬のお散歩の時間で、何か加えてやってきます。柴犬は、どうしようもないほど人懐っこいので、番犬には向かない。。。

今日は、帰宅したときに、ちょっと遊んだシーンをUPします。お気に入りの豚?の人形を立たせたときにどのように行動するか、見てみました。

案の定です😄

色んなデータベース

 色んなデータベースをまとめてUPしていきたいと思う。自分がスッキリするし、世の中の誰かのためにもなると思うから。

 今日は、「太陽系の惑星」とその名前の由来、象徴的な意味をまとめたので、載せたいと思う。下図。拡大図は、下の方にあります。

基本的には、今の惑星の名称は、ローマ神の英語読みなんですね!個人的には、金星のヴィーナス、木星が全知全能の主神ゼウス、海王星が海神ポセイドンというのが印象的でした!ちなみに、お笑いのネプチューンって、ローマ神からとったんですかね😅

上表は一覧なので、一つずつ拡大図を載せます!こう見ると、各惑星(=各神)の象徴的な力が魅力的なので、ジュエリーの名前に使われるのも頷けます。また、その力の象徴とされる由来(神話)にも興味がわいてきました。彫刻や絵画も意味深です😄 こうやって、興味をもつと教養は膨らみますね!

太陽から火星

( 画像中にカーソルを乗せ、右クリックし「画像だけを表示」で拡大できます」)

木星から海王星

( 画像中にカーソルを乗せ、右クリックし「画像だけを表示」で拡大できます」)

冥王星と月

( 画像中にカーソルを乗せ、右クリックし「画像だけを表示」で拡大できます」)

今後も、こんな感じで興味を持った分野のデータベースを掲載したいと思います!

【本日の癒し画像】木の根を通って湧き出す水とその音