Kinematisk model og præstationsundersøgelse af nulstivhed krydser Reed fleksibel hængsel_hinge viden

Den fleksible mekanisme er et banebrydende koncept inden for mekanikområdet, da den bruger den elastiske deformation af materialer til at transmittere bevægelse, kraft eller energi. Denne mekanisme har fået popularitet i forskellige brancher, herunder præcisionspositionering, MEMS -behandling og rumfart på grund af dets mange fordele såsom nulfriktion, problemfri drift, let vedligeholdelse, høj opløsning og integrerede behandlingsfunktioner.

Imidlertid dominerer de traditionelle stive mekanismer stadig markedet på grund af visse begrænsninger af den fleksible mekanisme. En af disse begrænsninger er den positive stivhed, der forekommer i den funktionelle retning under virkningen af ​​mekanismen. Denne positive stivhed kræver en større drivkraft og strenge krav på føreren, hvilket i sidste ende reducerer energioverførselseffektiviteten. Disse mangler har hindret den bredere anvendelse af den fleksible mekanisme.

For at overvinde de skadelige virkninger af positiv stivhed har mange lærde indført begrebet nulstivhed i den fleksible mekanisme. Ved smart at bruge negativ stivhed til at udligne positiv stivhed kan der opnås en mekanisme med nulstivhed. Et sådant system, også kendt som en fleksibel statisk balancemekanisme, kan opnå en statisk ligevægtstilstand på ethvert tidspunkt i bevægelsesområdet. Denne type mekanisme giver flere fordele, herunder fremragende kraftoverførselsydelse, evnen til at operere med mindre drivkræfter og højenergioverførselseffektivitet. Følgelig har forskningen fokuseret inden for fleksible statiske balancemekanismer hovedsageligt været på fleksible mikro-klemmer.

Blandt de forskellige komponenter i fleksible mekanismer har fleksible hængsler fået betydelig opmærksomhed på grund af deres ekstraordinære egenskaber. Den relative rejse af generaliserede kryds-reed fleksible hængsler er relativt korte, hvilket gør dem meget værdifulde til en lang række applikationer. Følgelig er nulstiffens fleksible hængsel baseret på dette design blevet det foretrukne valg til at konstruere komplekse fleksible statiske balancemekanismer, hvilket gør sin forskning meget vigtig.

For at opnå nulstivhedskarakteristika i fleksible hængsler er det nødvendigt at udligne torsionspositive stivhed med rotations negativ stivhed. I denne henseende er der udviklet en rotations negativ stivhedsmodel. Modellen involverer at bruge et bladfjeder sammensat af to overlappende rør, den ene fast og den anden fri. Når deformationen af ​​åbningsenden er relativt lille sammenlignet med rørets længde, udviser fjederen god linearitet og kan analyseres som en nul-længde fjeder.

Analysen af ​​den roterende negative stivhedsmodel overvejer de drejningsmomenter, der udøves af de to fjedre på et specifikt punkt i systemet. Baseret på den trekantede sinus -lov kan drejningsmomenterne udtrykkes matematisk. Ved at kombinere disse drejningsmomenter kan det samlede drejningsmoment, der udøves på punktet, bestemmes. Denne analyse afslører, at når rotationsvinklen er mindre end 90 grader, udøver fjedrene et drejningsmoment i samme retning som rotationsvinklen og derved skaber rotations negativ stivhed.

For at etablere en nøjagtig nulstiffness fleksibel hængselsmodel er det vigtigt at analysere de mekaniske egenskaber ved det generaliserede tværre-RED-fleksible hængsel. Denne analyse overvejer forskellige faktorer, såsom påvirkning af radial kraft og ren torsionsbelastning på hængslets torsionsstivhed. Ved at forstå disse faktorer kan den dimensionsløse torsionsstivhed af hængslerne beregnes. Den konceptuelle model af nul-stiffness fleksibel hængsel kan derefter opnås ved at erstatte det roterende par og balancefjedre i den rotations negative stivhedsmodel. Denne konceptuelle model er symmetrisk, hvilket muliggør analyse af mod uret rotation af den bevægelige platform.

For at verificere nøjagtigheden af ​​den teoretiske model udføres der endelig elementanalyse ved hjælp af ANSYS -software. Analysen involverer simulering og analyse af moment-rotationsvinkelkarakteristika for nulstiffness fleksible hængsel. Resultaterne sammenlignes derefter med de teoretiske beregninger. Simuleringen udføres på hængsler med forskellige parametre, og stivheden af ​​balancefjederen justeres gradvist, indtil hængslets stivhed er reduceret til nul. Ved at sammenligne simuleringsresultaterne og teoretiske beregninger bekræftes det, at den teoretiske model nøjagtigt repræsenterer opførslen af ​​nul-stiffness fleksibelt hængsel.

Desuden undersøges gennemførligheden af ​​at bruge bladfjedre som balancefjedre i nul-stiffness fleksible hængsler. En endelig elementmodel etableres til dette formål, og simuleringsresultaterne sammenlignes med dem, der opnås ved hjælp af Combine14 -elementet. Resultaterne validerer endnu en gang nøjagtigheden og pålideligheden af ​​den teoretiske model.

Afslutningsvis muliggør brugen af ​​rotations negativ stivhed til at udligne positiv stivhed i fleksible hængsler at skabe nul-stiffness fleksible hængselssystemer. Disse systemer tilbyder adskillige fordele, herunder reduceret drejningsmoment, forbedret kraftoverførselsydelse og øget effektivitet i energiudnyttelsen. To forskellige balancemetoder, nemlig dobbeltbalancefjedre og enkeltbalancefjedre, analyseres, og deres statiske ligevægtsbetingelser bestemmes. De teoretiske resultater verificeres derefter gennem endelig elementanalyse. Undersøgelsen bekræfter, at den dobbelte balancefjedersmetode er velegnet til scenarier, hvor den radiale kraft ikke påvirker hængslets stivhed, mens den enkeltbalancefjedermodel har en bredere række anvendelser. Den sidstnævnte model's aksiale rumkompakthed er imidlertid noget kompromitteret, hvilket kræver omfattende overvejelse under strukturelt design. Generelt har forskningen på nul-stiffness fleksible hængsler, og deres anvendelser har betydelig betydning for at fremme området med fleksible mekanismer.