Kinematický model a výzkum výkonu nulové tuhosti křížový rákos flexibilní Hinge_hing Knowledge

Flexibilní mechanismus je průkopnický koncept v oblasti mechaniky, protože využívá elastickou deformaci materiálů k přenosu pohybu, síly nebo energie. Tento mechanismus získal popularitu v různých průmyslových odvětvích, včetně přesného umístění, zpracování MEMS a letectví, díky jeho četným výhodám, jako je nulové tření, bezproblémová provoz, snadná údržba, vysoké rozlišení a integrované možnosti zpracování.

Tradiční přísné mechanismy však na trhu stále dominují kvůli určitým omezením flexibilního mechanismu. Jedním z těchto omezení je pozitivní tuhost, ke které dochází ve funkčním směru během působení mechanismu. Tato pozitivní tuhost vyžaduje větší hnací sílu a přísné požadavky na řidiče, což nakonec snižuje účinnost přenosu energie. Tyto nedostatky bránily širší aplikaci flexibilního mechanismu.

K překonání nepříznivých účinků pozitivní tuhosti zavedlo mnoho vědců koncept nulové tuhosti do flexibilního mechanismu. Při chytrém použití negativní tuhosti k vyrovnání pozitivní tuhosti lze dosáhnout mechanismu s nulovou tuhostí. Takový systém, známý také jako flexibilní mechanismus statické rovnováhy, může dosáhnout stavu statické rovnováhy v každém bodě rozsahu pohybu. Tento typ mechanismu nabízí několik výhod, včetně vynikajícího výkonu přenosu síly, schopnosti pracovat s menšími hnacími silami a účinnosti přenosu vysoké energie. V důsledku toho se zaměření na výzkum v oblasti flexibilních mechanismů statické rovnováhy hlavně stalo flexibilním mikro-svorkám.

Mezi různé složky flexibilních mechanismů získaly flexibilní panty značnou pozornost kvůli jejich výjimečným charakteristikám. Relativní cestování generalizovaných pružných pangesů je relativně krátké, takže je velmi cenné pro širokou škálu aplikací. V důsledku toho se flexibilní závěs nulové tyčinky na základě tohoto návrhu stal preferovanou volbou pro konstrukci komplexních mechanismů flexibilní statické rovnováhy, což činí jeho výzkum vysoce významný.

Pro dosažení charakteristik nulové tuhosti ve flexibilních pažech je nutné kompenzovat torzní pozitivní tuhost rotační negativní tuhostí. V tomto ohledu byl vyvinut model rotační negativní tuhosti. Model zahrnuje použití listové pružiny složené ze dvou překrývajících se rákosí, jeden pevný a druhý volný. Když je deformace úvodního konce relativně malá ve srovnání s délkou rákosu, pružina vykazuje dobrou linearitu a může být analyzována jako pružinu s nulovou délkou.

Analýza modelu rotační negativní tuhosti zvažuje točivé momenty vyvíjené dvěma pružinami na konkrétním bodě v systému. Na základě zákona o trojúhelníku sinus mohou být točivé momenty matematicky vyjádřeny. Kombinací těchto točivých momentů lze určit celkový točivý moment na bod. Tato analýza ukazuje, že když je úhel rotace menší než 90 stupňů, pružiny vyvíjejí točivý moment ve stejném směru jako úhel rotace, čímž se vytvoří rotační negativní tuhost.

Pro vytvoření přesného modelu flexibilního závěsu nulové tyčinky je zásadní analyzovat mechanické vlastnosti generalizovaného pružného závěsu křížového referátu. Tato analýza zvažuje různé faktory, jako je vliv radiální síly a čisté torzní zatížení na torzní tuhost závěsu. Pochopením těchto faktorů lze vypočítat bezrozměrnou torzní tuhost závěsů. Koncepční model flexibilního závěsu s nulovou stiffetou pak lze získat nahrazením otáčejících se párů a vyvážených pružin v modelu rotační negativní tuhosti. Tento koncepční model je symetrický, což umožňuje analýzu rotace proti směru hodinových ručiček.

Pro ověření přesnosti teoretického modelu se provádí analýza konečných prvků pomocí softwaru ANSYS. Analýza zahrnuje simulaci a analýzu charakteristik úhlu momentu rotace flexibilního závěsu nulové tyčinky. Výsledky jsou pak porovnány s teoretickými výpočty. Simulace se provádí na závěsu s různými parametry a tuhost vyvážené pružiny se postupně upravuje, dokud se tuhost závěsu sníží na nulu. Porovnáním výsledků simulace a teoretických výpočtů se potvrzuje, že teoretický model přesně představuje chování flexibilního závěsu nulové tyčinky.

Kromě toho se zkoumá proveditelnost použití listových pružin jako vyvážených pružin v flexibilních pažech s nulovou tyčinou. Pro tento účel je stanoven model konečných prvků a výsledky simulace jsou porovnány s výsledky získanými pomocí prvku Combine14. Výsledky opět ověřují přesnost a spolehlivost teoretického modelu.

Závěrem lze říci, že použití rotační negativní tuhosti k kompenzaci pozitivní tuhosti ve flexibilních pažech umožňuje vytvoření flexibilních závěsných systémů nulové tyčinky. Tyto systémy nabízejí četné výhody, včetně sníženého točivého momentu, zlepšení přenosového výkonu síly a zvýšené účinnosti využití energie. Jsou analyzovány dvě různé metody rovnováhy, jmenovitě pružiny dvojitého vyvážení a pružiny jednotlivých vyvážení a jsou stanoveny jejich statické rovnovážné podmínky. Teoretické výsledky jsou poté ověřeny analýzou konečných prvků. Studie potvrzuje, že metoda s dvojitou rovnováhou je vhodná pro scénáře, kde radiální síla neovlivňuje tuhost závěsu, zatímco jednorázový pružinový model má širší rozsah aplikací. Kompaktnost axiálního prostoru druhého modelu je však poněkud ohrožena, což vyžaduje komplexní zvážení během strukturálního designu. Celkově má ​​výzkum flexibilních závěsů a jejich aplikací významný význam při rozvoji oblasti flexibilních mechanismů.