Cálculo de flexibilidad y análisis de rendimiento de un nuevo híbrido de círculo recto de un solo lado1

Abstracto:

Las bisagras flexibles juegan un papel crucial en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEM). Este documento presenta un nuevo tipo de bisagra flexible llamada bisagra híbrida híbrida de círculo recto de un solo lado. La flexibilidad de esta bisagra se calcula utilizando el segundo teorema de Karl, y los resultados se validan a través del análisis de elementos finitos. Los parámetros estructurales de la bisagra se analizan para determinar su influencia en su flexibilidad. También se realiza una comparación entre las bisagras híbridas híbridas de círculo recto de un solo lado y doble lado, y se concluye que la bisagra de un solo lado ofrece una mejor capacidad de rotación y sensibilidad de carga. En general, la bisagra flexible híbrida de un solo lado proporciona una solución prometedora para aplicaciones compactas y altamente desplazadas en ingeniería.

En los campos en rápida evolución de la tecnología microelectromecánica, la ingeniería aeroespacial e biológica, los mecanismos rígidos tradicionales ya no son suficientes para cumplir con los requisitos de diseño y uso. Los mecanismos flexibles, con su pequeño tamaño, ausencia de fricción y brechas mecánicas, y alta sensibilidad al movimiento, han ganado una tracción significativa en diversas disciplinas, incluida maquinaria, robótica, computadoras, control automático y medición de precisión. El componente clave de los mecanismos flexibles es la bisagra flexible, que utiliza la deformación elástica y las propiedades de auto-recuperación para eliminar el movimiento perdido y la fricción mecánica, logrando así una mayor resolución de desplazamiento. Las bisagras flexibles de un solo eje se pueden clasificar en función de sus formas de sección transversal, como ARC, ángulo de plomo, elipse, parábola e hipérbola. Entre estos, las bisagras de ángulo recto y de plomo se usan ampliamente debido a sus estructuras simples. Sin embargo, en algunos casos donde el espacio está limitado, la necesidad de estructuras compactas ha llevado a la aparición de bisagras flexibles de un solo lado, que han encontrado aplicaciones extensas en la medición y el posicionamiento de precisión. Sobre la base de las ventajas de las bisagras flexibles híbridas y unilaterales, este documento propone una bisagra flexible híbrida unilateral, que ofrece un enfoque novedoso para la aplicación de ingeniería de bisagras flexibles con estructuras compactas y grandes desplazamientos.

Cálculo de flexibilidad de la bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo recto:

La bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo comprende la mitad de una bisagra unilateral de círculo recto y la mitad de una bisagra elíptica unilateral. Sus parámetros geométricos incluyen el ancho de la bisagra (B), el grosor mínimo (T), el radio del círculo recto (R), la longitud de la bisagra (L), el eje mayor de la elipse (M) y el eje semi-minor de la elipse (N). El análisis de la bisagra flexible se basa en la suposición de un haz en voladizo de deformación pequeña, con el extremo derecho fijo y la deformación de flexión causada por la fuerza y ​​el momento. Se considera la influencia de la carga axial, mientras que se descuidan los efectos de corte y torsión. Según el segundo teorema de cassette, se puede determinar la relación entre la deformación de la bisagra en el punto 1 y la carga aplicada. La fórmula de cálculo de flexibilidad se deriva en función de esta relación y las coordenadas de la sección transversal de la bisagra. A través de cálculos integrales, se puede obtener la flexibilidad de la bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo recto.

Cálculo de ejemplo y verificación de elementos finitos:

Se realiza un cálculo de ejemplo utilizando la fórmula de cálculo de flexibilidad derivada para diferentes valores del eje semi-minor (n) de la elipse. Los resultados se comparan con los resultados de análisis de elementos finitos (FEA) para verificar la precisión de la fórmula. El error entre los dos conjuntos de resultados es inferior al 8%, lo que confirma la validez de la fórmula de cálculo de flexibilidad.

Análisis de rendimiento de la bisagra híbrida unilateral de círculo recto-círculo recto:

La flexibilidad de la bisagra está influenciada por su material y parámetros estructurales. La fórmula de cálculo de flexibilidad revela que el módulo elástico (E) es inversamente proporcional al ancho de la bisagra (B). Otros parámetros, como el radio del círculo recto (R), el eje semi-mayor del elipse (M), el eje semi-minor de la elipse (N) y el grosor mínimo (T), también afectan la flexibilidad. Un análisis de la fórmula de cálculo de flexibilidad muestra que sus parámetros son más sensibles a los cambios en el grosor mínimo (t) de la bisagra.

Comparación de rendimiento con bisagra híbrida bilateral de círculo recto-círculo híbrido:

La bisagra flexible híbrida unilateral de círculo recto-círculo se compara con la bisagra flexible híbrida de círculo recto de doble cara propuesta en la literatura. La relación de flexibilidad se utiliza como un índice de rendimiento, definido como la relación de la flexibilidad unilateral para la flexibilidad bilateral. Los resultados muestran que la bisagra flexible híbrida unilateral ofrece una mejor capacidad de rotación y sensibilidad de carga en comparación con la bisagra híbrida bilateral.

La propuesta de un nuevo tipo de bisagra flexible, la bisagra flexible híbrida unilateral, brinda nuevas posibilidades para aplicaciones de ingeniería que requieren estructuras compactas y grandes desplazamientos. La fórmula de cálculo de flexibilidad se deriva en función del segundo teorema de Karl y se valida a través del análisis de elementos finitos. Se encuentra que los parámetros estructurales de la bisagra afectan su flexibilidad, con el grosor mínimo que ejerce la influencia más significativa. La bisagra flexible híbrida unilateral funciona mejor que la bisagra híbrida bilateral en términos de capacidad de rotación y sensibilidad de carga. En general, la bisagra flexible híbrida unilateral ofrece perspectivas prometedoras para diversas aplicaciones de ingeniería.