浅析隐藏式铰链失效原因及其结构、材料的选用

韦俊

【摘要】随着五金产品的大规模发展，我国对铰链等产品的需求越来越高，隐藏式铰链的出现满足了中高端装饰的需求。但是隐藏式铰链并没有相关的标准来规范，各厂商都是根据自己的标准进行测试，没有统一的标准和测试方法。本文利用修编合页（铰链）行业标准的机会，针对相关试验数据，探讨了市面上各种隐藏式铰链的结构以及材料，并且分析了失效的原因，进行相关试验，以供各生产厂家参考。

【关键词】隐藏式铰链；失效；结构；材料；Concealed Hinge

隐藏式铰链近年来需求旺盛，产品发展迅速，原因是隐藏式铰链有着在门完全关闭的情况下，铰链的各部分均不外露的特点，满足例如酒店、写字楼、会所和其他商业建筑中的中高端装饰要求。

隐藏式铰链开始主要应用于一些重量较轻、门扇较小的家具柜门和橱柜门，一般门扇重量在10～20Kg。由于其应用方面的特点，一些高端装饰设计中的房间门也需要类似的产品，但是对其承重性能要求需要大幅提高到40～100Kg甚至更高。

应对旺盛的需求，很多厂家开发了应用于室内门的隐藏式铰链，分别采用了不同的产品结构和材质，并根据市场需要各自定义了相应的承重级别。

市场中常见的隐藏式铰链的结构和材质：

然而，由于此类产品没有相关标准规范约束，没有统一明确的关于此类产品的要求和测试方法，因此各生产厂家都是根据自己的厂内标准进行测试，并标定承重性能等级。

鉴于以上种种，我们在修编新的合页（铰链）行业标准时，明确了针对隐藏式铰链的要求和测试方法，并根据此要求和测试方法，进行了多个厂家的多款样品的试验。试验样品根据各厂家自行定义的不同承重性能级别进行，包含了市场上最为常见的叉片式连接件和整体式连接件，以及锌合金和钢/不锈钢材质的铰链底座和连接件。

试验样本及试验结果如表1所示：测试样本4件，合格1件，不合格3件。

根据试验结果分析，不合格项目主要包括：

样本1：反复启闭20万次试验后，底座出现变形、破裂；

样本2：反复启闭20万次试验后，垂直方向变形超出允许范围，底座出现变形、破裂；

样本3：反复启闭过程中，连接件出现弯曲变形，开裂。

以上测试样本，在承受静态荷载的检测项目中全部合格，不合格项均发生在反复启闭试验过程中。

隐藏式铰链的结构与明装式铰链的结构主要区别在于，明装式铰链绝大部分为单轴且回转轴为定轴，铰链叶片围绕回转轴转动，其受力状况在整个转动过程中是一致的；而隐藏式铰链的结构则为连杆结构，其回转轴为不定轴，门框座和门扇座与连接件在转动过程中，其受力状况是一直变化的。

隐藏式铰链在反复启闭的循环运动中，有两个地方处于运动状态：铰链底座与连接件之间和连接件的连杆和连杆之间。设计的理论状态下，所有铰链仅承受竖直方向的荷载，并围绕同一轴线进行运转。而实际上铰链承受门扇重量时，因为各零部件之间间隙、零部件自身的强度和刚性等因素的影响，会受到竖直方向的分力和水平方向的分力，产生在这两个方向的变形。水平方向变形量的大小，决定了一组两个铰链围绕同一轴线運转的程度（同轴度）。两片铰链不同轴的程度越大，在运转过程中产生额外的附加力就越大，造成的局部磨损越严重；这一磨损的情况又进一步扩大了不同轴的程度，形成恶性循环使得铰链失效加速。

试验结果证明了上面的分析：测试样本通过了静载测试，但在反复启闭的循环测试中出现了不合格的情况，是由于铰链在水平方向上的变形量逐步扩大造成的。

我们认为，材料选择、加工精度和连接件的结构型式上的差异，是造成上述失效的主要原因。

1.连接件型式

试验结果可以看出，不合格的3个样本都是叉片型式，而合格的1个样本是整体式的。叉片式和整体式最大的差别，叉片式的连接件是由多片叉片组合、铆接而成，整体式的连接件是整体铸造的。

叉片多为冲压制成，该生产工艺会产生或多或少的叉片弯曲不平整和毛刺，组合在一起时叉片和叉片之间必然存在间隙。这些间隙会造成一个后果，即在铰链承受门扇重量时，并不是所有叉片整体同时承受荷载，而是仅有部分叉片依次去承受，容易造成叉片弯曲变形，甚至破裂失效。此不利因素在试验时间较短的静载试验时并不马上反应出来，而在长时间的反复启闭的循环试验中就会明显的体现出来。

整体式的连接件，多由铸造或挤型工艺制成，连接件作为一个整体共同承受荷载，上述不利因素得到很大程度的消除。同时，整体式的连接件，通常会带有不同形式的支撑垫。这个支撑垫通常由高分子材料制成，起到两个作用：降低铰链运转时的摩擦力和减小铰链承受门扇重量后的变形。

2.材料选择

根据试验结果，不合格的情况发生在锌合金底座和钢制连接件上。压铸锌合金的抗拉强度为270MPa，普通碳素钢的抗拉强度为375MPa；合格的样本材质为不锈钢304， 其抗拉强度为520MPa，远高于锌合金和普通碳素钢。相同的试验条件下，选择合适的材质，可以相应地提高铰链的承重性能，满足试验要求。同时，对于整体式连接件的铰链，其支撑垫材料的选择，有PA、POM、POM+PTFE等，其摩擦系数依次减小，有效降低磨损，有利于铰链的使用寿命；而且可以通过添加玻璃纤维的方式，增加材料的压缩强度，同样也降低变形量，有利于提高承重性能和使用寿命。

3.加工精度

隐藏式铰链为连杆结构，在铰链运行过程当中，以下几个部分处于相对运动中：

a.连接件的连杆和连杆；

b.连杆与铰链座。

以上各运动部件，均通过轴进行相互连接，其轴和孔的间隙配合，是各部件运行是否顺畅和铰链承受重量后铰链产生垂直和水平方向变形多少的关键。这一间隙较小时，铰链承受载荷所产生的变形量小，铰链运行过程中自身的晃动量小，不易产生局部磨损，能够较长时间的保持性能的一致。如果加工精度低，各零部件之间的间隙大而且不均匀，承受荷载后将产生较大的变形，表现为门扇倾斜、下垂。一组两片铰链并不围绕同一轴线运转，或者运转轴不在竖直方向上，给铰链产生了额外的作用力；同时局部磨损的产生大大增加，降低了产品的承重性能和运行寿命。

根据以上分析，选取不锈钢材质、整体式连杆的隐藏式铰链产品，依据同一试验标准和方法，再次进行试验。所试验的3个样品，试验结果全部合格。

综上所述，从产品结构型式设计、材质选择和提高加工精度方面着手，是能够让隐藏式铰链满足规定的技术要求的。

以上是关于隐藏式铰链的结构形式、材料选用的一点浅见，希望可以给到生产厂家参考，以利于不断开发更高性能、更优质量的产品，满足市场需求，从而引导行业内良性竞争，带动行业良性发展。

参考文献

[1] 刘瑞堂、刘锦云编著.金属材料机械性能.哈尔滨：哈尔滨工业出版社 2015

[2] 熊滨生著.现代连杆机构设计.北京：化学工业出版社 2006

[3] 刘旭琼主编.建筑门窗五金件.合页（铰链） JG/T 125 北京：2016

[作者单位：茵科门控（珠海保税区）有限公司]

【中图分类号】TU532.65

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2017）04-0054-02