Flexibilitätsberechnung und Leistungsanalyse einer neuen einseitigen Straight-Circle-Legipse-Hybri1

Abstrakt:

Flexible Scharniere spielen eine entscheidende Rolle im Bereich von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Dieses Papier führt eine neue Art von flexibles Scharnier ein, die als einseitige, gerade Kreislauf-Legipse-Hybrid-flexible Scharnier bezeichnet wird. Die Flexibilität dieses Scharniers wird unter Verwendung von Karls zweitem Theorem berechnet und die Ergebnisse werden durch Finite -Elemente -Analyse validiert. Die strukturellen Parameter des Scharniers werden analysiert, um ihren Einfluss auf seine Flexibilität zu bestimmen. Es wird auch ein Vergleich zwischen den einseitigen und doppelseitigen hybriden hybriden flexiblen Scharnieren mit gerader Kreislauf durchgeführt, und es wird geschlossen, dass das einseitige Scharnier eine bessere Rotationskapazität und Lastempfindlichkeit bietet. Insgesamt bietet das einseitige hybride flexible Scharnier eine vielversprechende Lösung für kompakte und hochverschiebungsbezogene Anwendungen im Engineering.

In den sich schnell entwickelnden Bereichen der mikroelektromechanischen Technologie, der Luft- und Raumfahrt und der biologischen Ingenieurwesen reichen traditionelle starre Mechanismen nicht mehr aus, um die Design- und Nutzungsanforderungen zu erfüllen. Flexible Mechanismen mit geringer Größe, fehlender mechanischer Reibung und Lücken sowie einer hohen Bewegungsempfindlichkeit haben in verschiedenen Disziplinen, einschließlich Maschinen, Robotik, Computern, automatischer Steuerung und Präzisionsmessung, erhebliche Traktion erlangt. Die Schlüsselkomponente flexibler Mechanismen ist das flexible Scharnier, das elastische Verformungen und Selbstverschreibungseigenschaften verwendet, um verlorene Bewegung und mechanische Reibung zu beseitigen, wodurch eine höhere Verschiebungsauflösung erreicht wird. Flexible einachsige Scharniere können basierend auf ihren Querschnittsformen wie Lichtbogen-, Bleiwinkel-, Ellipse-, Parabel- und Hyperbel-Typen klassifiziert werden. Unter diesen werden die Scharniere der geraden und der Bleiwinkel aufgrund ihrer einfachen Strukturen weit verbreitet. In einigen Fällen, in denen der Raum eingeschränkt ist, hat die Notwendigkeit von kompakten Strukturen jedoch zum Auftreten von einseitigen flexiblen Scharnieren geführt, die umfangreiche Anwendungen bei der Präzisionsmessung und -positionierung gefunden haben. In diesem Papier baut auf den Vorteilen hybrider und einseitiger flexibler Scharniere ein einseitiges hybrides flexibles Scharnier vor, das einen neuartigen Ansatz für die technische Anwendung flexibler Scharniere mit kompakten Strukturen und großen Verschiebungen bietet.

Flexibilitätsberechnung des einseitigen hybriden flexiblen Scharniers mit gerader Kreislegse:

Das einseitige hybride hybrid-flexible Scharnier mit gerader Kreislegse umfasst die Hälfte eines einseitigen Geradenscharniers und die Hälfte eines einseitigen elliptischen Scharniers. Zu den geometrischen Parametern gehören die Scharnierbreite (B), die Mindestdicke (T), der Radius (R), die Scharnierlänge (L), die Hauptachse der Ellipse (M) und die Halbminorachse der Ellipse (N). Die Analyse des flexiblen Scharniers basiert auf der Annahme eines kleinen ausgelösten Auslegerstrahls, wobei das rechte Ende festgelegt ist und die durch Kraft und das Moment gebeugtes Biegeverformung verursacht wird. Der Einfluss der axialen Belastung wird berücksichtigt, während Scher- und Torsionseffekte vernachlässigt werden. Nach dem zweiten Theorem der Kassette kann die Beziehung zwischen der Deformation des Scharniers an Punkt 1 und der angelegten Last bestimmt werden. Die Flexibilitätsberechnungsformel wird basierend auf dieser Beziehung und den Koordinaten des Querschnitts des Scharniers abgeleitet. Durch integrale Berechnungen kann die Flexibilität des einseitigen hybriden flexiblen Scharniers mit gerader Kreiselerlinge erhalten werden.

Beispielberechnung und Finite -Elemente -Überprüfung:

Eine Beispielberechnung wird unter Verwendung der abgeleiteten Flexibilitätsberechnung für verschiedene Werte der Semi-Minor-Achse (n) der Ellipse durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen der Finite -Elemente -Analyse (FEA) verglichen, um die Genauigkeit der Formel zu überprüfen. Der Fehler zwischen den beiden Ergebnismengen beträgt weniger als 8%, was die Gültigkeit der Flexibilitätsberechnungsformel bestätigt.

Leistungsanalyse des einseitigen hybriden flexiblen Scharniers mit gerader Kreislauf-Legipse:

Die Flexibilität des Scharniers wird durch seine materiellen und strukturellen Parameter beeinflusst. Die Flexibilitätsberechnungsformel zeigt, dass der Elastizitätsmodul (E) umgekehrt proportional zur Breite des Scharniers (b) ist. Andere Parameter, wie der Straight-Circle-Radius (R), die halbmagierende Achse der Ellipse (M), die Halbminorachse der Ellipse (N) und die Mindestdicke (T) beeinflussen ebenfalls die Flexibilität. Eine Analyse der Flexibilitätsberechnungsformel zeigt, dass ihre Parameter am empfindlichsten gegenüber Änderungen der Mindestdicke (t) des Scharniers sind.

Leistungsvergleich mit bilateralem Straight-Circle-Elipse-Hybrid-flexibler Scharnier:

Das einseitige hybride hybrid-flexible Scharnier mit gerader Kreislauf wird mit dem in der Literatur vorgeschlagenen doppelseitigen hybriden hybrid-flexiblen Scharnier-Scharnier verglichen. Das Flexibilitätsverhältnis wird als Leistungsindex verwendet, definiert als das Verhältnis der einseitigen Flexibilität zur bilateralen Flexibilität. Die Ergebnisse zeigen, dass das einseitige hybride flexible Scharnier eine bessere Rotationskapazität und Lastempfindlichkeit im Vergleich zum bilateralen Hybridscharnier bietet.

Der Vorschlag einer neuen Art von flexibles Scharnier, dem einseitigen hybriden flexiblen Scharnier, bietet neue Möglichkeiten für technische Anwendungen, die kompakte Strukturen und große Verschiebungen erfordern. Die Flexibilitätsberechnungsformel wird basierend auf dem zweiten Theorem von Karl abgeleitet und durch Finite -Elemente -Analyse validiert. Die strukturellen Parameter des Scharniers beeinflussen seine Flexibilität, wobei die minimale Dicke den signifikantesten Einfluss ausübt. Das einseitige hybride flexible Scharnier ist besser als das bilaterale Hybridscharnier in Bezug auf Rotationskapazität und Lastempfindlichkeit. Insgesamt bietet das einseitige hybride flexible Scharnier vielversprechende Aussichten für verschiedene technische Anwendungen.