Kinematički model i istraživanje performansi nulte krutosti prekriženi su fleksibilni zglob_hinge znanje

Fleksibilni mehanizam je revolucionarni koncept u području mehanike, jer koristi elastičnu deformaciju materijala za prijenos gibanja, sile ili energije. Ovaj je mehanizam stekao popularnost u raznim industrijama, uključujući precizno pozicioniranje, MEMS obradu i zrakoplovstvo, zbog svojih brojnih prednosti kao što su nula trenja, besprijekoran rad, lako održavanje, visoku rezoluciju i integrirane mogućnosti obrade.

Međutim, tradicionalni kruti mehanizmi i dalje dominiraju na tržištu zbog određenih ograničenja fleksibilnog mehanizma. Jedno od tih ograničenja je pozitivna krutost koja se javlja u funkcionalnom smjeru tijekom djelovanja mehanizma. Ova pozitivna krutost zahtijeva veću pokretačku silu i stroge zahtjeve za vozača, što u konačnici smanjuje učinkovitost prijenosa energije. Ovi nedostaci ometali su širu primjenu fleksibilnog mehanizma.

Da bi prevladali štetne učinke pozitivne krutosti, mnogi su znanstvenici uveli koncept nulte krutosti u fleksibilni mehanizam. Pametno koristeći negativnu krutost za nadoknadu pozitivne krutosti, može se postići mehanizam s nultom krutošću. Takav sustav, poznat i kao fleksibilni mehanizam statičke ravnoteže, može postići statičko stanje ravnoteže u bilo kojoj točki u rasponu pokreta. Ova vrsta mehanizma nudi nekoliko prednosti, uključujući izvrsne performanse prijenosa sile, mogućnost rada s manjim pokretačkim silama i visoku učinkovitost prijenosa energije. Slijedom toga, istraživački fokus u području fleksibilnih mehanizama statičke ravnoteže uglavnom je bio na fleksibilnim mikro-stezaljkama.

Među različitim komponentama fleksibilnih mehanizama, fleksibilne šarke dobile su značajnu pažnju zbog svojih izuzetnih karakteristika. Relativno putovanje generaliziranih fleksibilnih zglobova u unakrsnom obliku relativno je kratak, što ih čini vrlo vrijednim za širok raspon primjena. Slijedom toga, fleksibilna zglob nulte ukočenosti na temelju ovog dizajna postala je preferirani izbor za izgradnju složenih fleksibilnih mehanizama statičke ravnoteže, što je njegovo istraživanje vrlo značajnim.

Da bi se postigle karakteristike nule krutosti u fleksibilnim šarkama, potrebno je nadoknaditi torzijsku pozitivnu krutost s rotacijskom negativnom krutošću. S tim u vezi, razvijen je rotacijski model negativne krutosti. Model uključuje korištenje lisnatog opruge sastavljenog od dva preklapajuća trska, jedna fiksna, a druga slobodna. Kad je deformacija početnog kraja relativno mala u usporedbi s duljinom trske, opruga pokazuje dobru linearnost i može se analizirati kao oprugu nulte dužine.

Analiza modela rotacijske negativne krutosti razmatra momente koje su dvije opruge vršile na određenoj točki u sustavu. Na temelju trokutastog sinusnog zakona, momenti se mogu matematički izraziti. Kombinacijom ovih momenta može se utvrditi ukupni moment koji se snalazi na točki. Ova analiza otkriva da kada je kut rotacije manji od 90 stupnjeva, opruge imaju okretni moment u istom smjeru kao i kut rotacije, stvarajući tako rotacijsku negativnu krutost.

Da bi se utvrdila točan model fleksibilnog zglobova nulte ukočenosti, ključno je analizirati mehanička svojstva generaliziranog fleksibilnog zgloba. Ova analiza razmatra različite čimbenike poput utjecaja radijalne sile i čistog torzijskog opterećenja na torzijsku krutost zgloba. Razumijevanjem ovih čimbenika može se izračunati bezdimenzionalna torzijska krutost šarki. Konceptualni model fleksibilnog zgloba nulte ukočenosti može se tada dobiti zamjenom okretnog para i opruga ravnoteže u rotacijskom modelu negativne krutosti. Ovaj je konceptualni model simetričan, omogućavajući analizu rotacije u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Da bi se potvrdila točnost teorijskog modela, provodi se analiza konačnih elemenata pomoću ANSYS softvera. Analiza uključuje simulaciju i analizu karakteristika kuta rotacije trenutka fleksibilnog zgloba nulte ukočenosti. Rezultati se zatim uspoređuju s teorijskim proračunima. Simulacija se izvodi na šarkama s različitim parametrima, a krutost opruge ravnoteže postupno se podešava sve dok se krutost šarke ne smanji na nulu. Usporedbom rezultata simulacije i teorijskih izračuna, potvrđeno je da teorijski model točno predstavlja ponašanje fleksibilnog zgloba nulte ukočenosti.

Nadalje, istražuje se izvedivost korištenja lisnih opruga kao opruga ravnoteže u fleksibilnim zglobovima nula ukočenosti. U tu je svrhu uspostavljen model konačnih elemenata, a rezultati simulacije uspoređuju se s onima dobivenim pomoću elementa Combine14. Rezultati još jednom potvrđuju točnost i pouzdanost teorijskog modela.

Zaključno, uporaba rotacijske negativne krutosti za nadoknadu pozitivne krutosti u fleksibilnim šarkama omogućava stvaranje fleksibilnih zglobnih sustava nulte ukočenosti. Ovi sustavi nude brojne prednosti, uključujući smanjeni okretni moment, poboljšane performanse prijenosa sile i povećanu učinkovitost iskorištavanja energije. Analiziraju se dvije različite metode ravnoteže, naime opruge s dvostrukim ravnotežnim balansima i pojedinačne opruge ravnoteže, i određuju se njihovi uvjeti statičke ravnoteže. Teoretski rezultati se zatim provjeravaju analizom konačnih elemenata. Studija potvrđuje da je metoda opruge dvostrukog ravnoteže prikladna za scenarije gdje radijalna sila ne utječe na krutost šarke, dok model s jednim ravnotežom proljeća ima širi raspon primjena. Međutim, kompaktnost aksijalnog prostora potonjeg modela je donekle ugrožena, što zahtijeva sveobuhvatno razmatranje tijekom strukturnog dizajna. Sveukupno, istraživanje fleksibilnih šarki i njihovih primjena nulte ukočenosti ima značajnu važnost u unapređenju područja fleksibilnih mehanizama.