Modelo cinemático e investigación de rendimiento de la rigidez cero Cross Reed Flexible Hinge_hinge Conocimiento

El mecanismo flexible es un concepto innovador en el campo de la mecánica, ya que utiliza la deformación elástica de los materiales para transmitir movimiento, fuerza o energía. Este mecanismo ha ganado popularidad en diversas industrias, incluido el posicionamiento de precisión, el procesamiento de MEMS y el aeroespacial, debido a sus numerosas ventajas, como fricción cero, operación perfecta, fácil mantenimiento, alta resolución y capacidades de procesamiento integrado.

Sin embargo, los mecanismos rígidos tradicionales aún dominan el mercado debido a ciertas limitaciones del mecanismo flexible. Una de estas limitaciones es la rigidez positiva que ocurre en la dirección funcional durante la acción del mecanismo. Esta rigidez positiva requiere una fuerza impulsora mayor y requisitos estrictos en el conductor, lo que finalmente reduce la eficiencia de transferencia de energía. Estas deficiencias han obstaculizado la aplicación más amplia del mecanismo flexible.

Para superar los efectos adversos de la rigidez positiva, muchos académicos han introducido el concepto de rigidez cero en el mecanismo flexible. Al usar hábilmente la rigidez negativa para compensar la rigidez positiva, se puede lograr un mecanismo con rigidez cero. Tal sistema, también conocido como un mecanismo de equilibrio estático flexible, puede lograr un estado de equilibrio estático en cualquier punto del rango de movimiento. Este tipo de mecanismo ofrece varias ventajas, incluido un excelente rendimiento de transmisión de fuerza, la capacidad de operar con fuerzas impulsoras más pequeñas y una alta eficiencia de transmisión de energía. En consecuencia, el enfoque de investigación en el campo de los mecanismos de equilibrio estático flexible ha estado principalmente en micro-cisqueros flexibles.

Entre los diversos componentes de los mecanismos flexibles, las bisagras flexibles han recibido una atención significativa debido a sus características excepcionales. El viaje relativo de las bisagras flexibles generalizadas es relativamente corta, lo que las hace muy valiosas para una amplia gama de aplicaciones. En consecuencia, la bisagra flexible de rigidez cero basada en este diseño se ha convertido en la opción preferida para construir mecanismos complejos de equilibrio estático flexible, lo que hace que su investigación sea muy significativa.

Para lograr las características de rigidez cero en las bisagras flexibles, es necesario compensar la rigidez positiva torsional con la rigidez negativa rotacional. En este sentido, se ha desarrollado un modelo de rigidez negativa rotacional. El modelo implica usar un resorte de hoja compuesto por dos juncos superpuestos, una fija y la otra libre. Cuando la deformación del extremo de apertura es relativamente pequeña en comparación con la longitud de la caña, el resorte exhibe una buena linealidad y puede analizarse como un resorte de longitud cero.

El análisis del modelo de rigidez negativa rotacional considera los pares ejercidos por los dos resortes en un punto específico en el sistema. Basado en la ley sinusoidal triangular, los pares pueden expresarse matemáticamente. Al combinar estos pares, se puede determinar el par total ejercido en el punto. Este análisis revela que cuando el ángulo de rotación es inferior a 90 grados, los resortes ejercen un par en la misma dirección que el ángulo de rotación, creando así la rigidez negativa rotacional.

Para establecer un modelo preciso de bisagra flexible de rigidez cero, es crucial analizar las propiedades mecánicas de la bisagra flexible de realización cruzada generalizada. Este análisis considera varios factores, como la influencia de la fuerza radial y la carga torsional pura sobre la rigidez torsional de la bisagra. Al comprender estos factores, se puede calcular la rigidez torsional adimensional de las bisagras. El modelo conceptual de la bisagra flexible de rigidez cero se puede obtener reemplazando el par giratorio y los resortes de equilibrio en el modelo de rigidez negativa rotacional. Este modelo conceptual es simétrico, lo que permite el análisis de la rotación en sentido antihorario de la plataforma móvil.

Para verificar la precisión del modelo teórico, se realiza el análisis de elementos finitos utilizando el software ANSYS. El análisis implica simular y analizar las características del ángulo de rotación de momento de la bisagra flexible de rigidez cero. Los resultados se comparan con los cálculos teóricos. La simulación se realiza en bisagras con diferentes parámetros, y la rigidez del resorte de equilibrio se ajusta gradualmente hasta que la rigidez de la bisagra se reduce a cero. Al comparar los resultados de la simulación y los cálculos teóricos, se confirma que el modelo teórico representa con precisión el comportamiento de la bisagra flexible de rigidez cero.

Además, se explora la viabilidad de usar resortes de hoja como bisagras de equilibrio en bisagras flexibles de rigidez cero. Se establece un modelo de elementos finitos para este propósito, y los resultados de la simulación se comparan con los obtenidos utilizando el elemento Combine14. Los resultados una vez más validan la precisión y confiabilidad del modelo teórico.

En conclusión, el uso de la rigidez negativa rotacional para compensar la rigidez positiva en las bisagras flexibles permite la creación de sistemas de bisagra flexibles de rigidez cero. Estos sistemas ofrecen numerosas ventajas, que incluyen un torque de conducción reducido, un mejor rendimiento de la transmisión de fuerza y ​​una mayor eficiencia de utilización de energía. Se analizan dos métodos de equilibrio diferentes, a saber, resortes de doble equilibrio y resortes de equilibrio único, y se determinan sus condiciones de equilibrio estático. Los resultados teóricos se verifican a través del análisis de elementos finitos. El estudio confirma que el método de Spring de doble equilibrio es adecuado para escenarios en los que la fuerza radial no afecta la rigidez de la bisagra, mientras que el modelo de resorte de equilibrio único tiene una gama más amplia de aplicaciones. Sin embargo, la compacidad del espacio axial del último modelo está algo comprometido, lo que requiere una consideración integral durante el diseño estructural. En general, la investigación sobre bisagras flexibles de rigidez cero y sus aplicaciones tiene una importancia significativa para avanzar en el campo de los mecanismos flexibles.