Fleksibilitetsberegning og præstationsanalyse af en ny enkelt-sidet lige-cirkel-ellipse hybri1

Abstrakt:

Fleksible hængsler spiller en afgørende rolle inden for mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Denne artikel introducerer en ny type fleksibel hængsel kaldet den enkelt-sidede lige-cirkel-ellipse hybrid fleksible hængsel. Fleksibiliteten ved dette hængsel beregnes ved hjælp af Karls anden sætning, og resultaterne valideres gennem endelig elementanalyse. De strukturelle parametre for hængslet analyseres for at bestemme deres indflydelse på dens fleksibilitet. Der foretages også en sammenligning mellem den enkeltsidede og dobbeltsidede lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsler, og det konkluderes, at det enkeltsidede hængsel giver bedre rotationskapacitet og belastningsfølsomhed. Generelt giver den enkelt-sidede hybridfleksible hængsel en lovende løsning til kompakte og meget forskydningsapplikationer inden for teknik.

I de hurtigt udviklende felter inden for mikroelektromekanisk teknologi, rumfart og biologisk teknik er traditionelle stive mekanismer ikke længere tilstrækkelige til at imødekomme design- og brugskravene. Fleksible mekanismer med deres lille størrelse, fravær af mekanisk friktion og huller og følsomhed med høj bevægelse har fået betydelig trækkraft i forskellige discipliner, herunder maskiner, robotik, computere, automatisk kontrol og præcisionsmåling. Den vigtigste komponent i fleksible mekanismer er det fleksible hængsel, der anvender elastisk deformation og selvinddrivelsesegenskaber til at eliminere mistet bevægelse og mekanisk friktion og derved opnå højere forskydningsopløsning. Enkeltakse fleksible hængsler kan klassificeres baseret på deres tværsnitsformer, såsom bue, blyvinkel, ellipse, parabola og hyperbola-typer. Blandt disse er de lige runde og blyvinkelhængsler vidt brugt på grund af deres enkle strukturer. I nogle tilfælde, hvor rummet er begrænset, har behovet for kompakte strukturer imidlertid ført til fremkomsten af ​​enkeltsidede fleksible hængsler, som har fundet omfattende anvendelser i præcisionsmåling og positionering. På baggrund af fordelene ved hybrid og ensidig fleksible hængsler foreslår dette papir en ensidig hybrid fleksibel hængsel, der tilbyder en ny tilgang til teknisk anvendelse af fleksible hængsler med kompakte strukturer og store forskydninger.

Fleksibilitetsberegning af den ensidige lige-cirkel-ellipse hybrid fleksible hængsel:

Den ensidige lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel omfatter halvdelen af ​​et ensidigt lige-cirkel hængsel og halvdelen af ​​et ensidigt elliptisk hængsel. Dens geometriske parametre inkluderer hængselsbredde (B), minimum tykkelse (T), lige-cirkelradius (R), hængslelængde (L), hovedaksen for ellipsen (M) og semi-minor-aksen for ellipsen (N). Analysen af ​​det fleksible hængsel er baseret på antagelsen om en lille deformeret cantilever-bjælke, med den højre ende faste og bøjningsdeformation forårsaget af kraft og øjeblik. Indflydelsen af ​​aksial belastning overvejes, mens forskydnings- og torsionseffekter overses. I henhold til den anden sætning af kassetten kan forholdet mellem hængslets deformation ved punkt 1 og den påførte belastning bestemmes. Fleksibilitetsberegningsformlen er afledt baseret på dette forhold og koordinaterne for hængslets tværsnit. Gennem integrerede beregninger kan fleksibiliteten af ​​den ensidige lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel opnås.

Eksempel Beregning og begrænset elementbekræftelse:

En eksempel beregning udføres ved hjælp af formlen for afledt fleksibilitetsberegning for forskellige værdier af semi-minor-aksen (N) for ellipsen. Resultaterne sammenlignes med resultaterne af Finite Element Analysis (FEA) for at verificere formlenes nøjagtighed. Fejlen mellem de to sæt resultater viser sig at være mindre end 8%, hvilket bekræfter gyldigheden af ​​formlen for fleksibilitetsberegning.

Performance-analyse af den ensidige lige-cirkel-ellipse hybrid fleksibel hængsel:

Hængslets fleksibilitet påvirkes af dets materielle og strukturelle parametre. Formlen for fleksibilitetsberegning afslører, at den elastiske modul (E) er omvendt proportional med hængslets bredde (B). Andre parametre, såsom Straight-Circle Radius (R), semi-major-aksen af ​​ellipsen (M), semi-minor-aksen af ​​ellipsen (N) og minimum tykkelse (T), påvirker også fleksibiliteten. En analyse af fleksibilitetsberegningsformlen viser, at dens parametre er mest følsomme over for ændringer i hængselens minimale tykkelse (t).

Præstationssammenligning med bilateral lige-cirkel-ellipse hybrid fleksibel hængsel:

Den ensidige lige-cirkel-ellipse-hybridfleksible hængsel sammenlignes med den dobbeltsidede lige-cirkel-ellipse hybrid fleksible hængsel foreslået i litteraturen. Fleksibilitetsforholdet bruges som et præstationsindeks, defineret som forholdet mellem den ensidige fleksibilitet og den bilaterale fleksibilitet. Resultaterne viser, at den ensidige hybridfleksible hængsel giver bedre rotationskapacitet og belastningsfølsomhed sammenlignet med det bilaterale hybrid hængsel.

Forslaget om en ny type fleksibel hængsel, den ensidige hybridfleksible hængsel, bringer nye muligheder for tekniske applikationer, der kræver kompakte strukturer og store forskydninger. Formlen for fleksibilitetsberegning er afledt baseret på Karls anden sætning og valideret gennem endelig elementanalyse. De strukturelle parametre for hængslet viser sig at påvirke dets fleksibilitet, hvor den minimale tykkelse udøver den mest betydningsfulde indflydelse. Den ensidige hybridfleksible hængsel klarer sig bedre end det bilaterale hybrid hængsel med hensyn til rotationskapacitet og belastningsfølsomhed. Generelt tilbyder den ensidige hybridfleksible hængsel lovende udsigter til forskellige tekniske applikationer.