Perhitungan Fleksibilitas dan Analisis Kinerja Hybri Lingkaran Lurus Single-Sided Lurus Baru1

Abstrak:

Engsel fleksibel memainkan peran penting dalam bidang sistem mikro-elektromekanis (MEMS). Makalah ini memperkenalkan jenis baru engsel fleksibel yang disebut engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus satu sisi. Fleksibilitas engsel ini dihitung menggunakan teorema kedua Karl, dan hasilnya divalidasi melalui analisis elemen hingga. Parameter struktural engsel dianalisis untuk menentukan pengaruhnya terhadap fleksibilitasnya. Perbandingan juga dibuat antara engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-side-side-side-side, dan disimpulkan bahwa engsel satu sisi menawarkan kapasitas rotasi yang lebih baik dan sensitivitas beban. Secara keseluruhan, engsel fleksibel hibrida satu sisi memberikan solusi yang menjanjikan untuk aplikasi yang kompak dan sangat perpindahan dalam rekayasa.

Dalam bidang-bidang yang berkembang pesat dari teknologi mikro-elektromekanis, kedirgantaraan, dan teknik biologis, mekanisme kaku tradisional tidak lagi cukup untuk memenuhi persyaratan desain dan penggunaan. Mekanisme yang fleksibel, dengan ukurannya yang kecil, tidak adanya gesekan dan kesenjangan mekanis, dan sensitivitas gerak tinggi, telah memperoleh daya tarik yang signifikan dalam berbagai disiplin ilmu, termasuk mesin, robotika, komputer, kontrol otomatis, dan pengukuran presisi. Komponen kunci dari mekanisme yang fleksibel adalah engsel fleksibel, yang memanfaatkan deformasi elastis dan sifat pemulihan diri untuk menghilangkan gerakan yang hilang dan gesekan mekanik, sehingga mencapai resolusi perpindahan yang lebih tinggi. Engsel fleksibel sumbu tunggal dapat diklasifikasikan berdasarkan bentuk cross-sectional mereka, seperti busur, sudut timbal, elips, parabola, dan tipe hiperbola. Di antara ini, engsel sudut lurus dan timbal banyak digunakan karena strukturnya yang sederhana. Namun, dalam beberapa kasus di mana ruang dibatasi, kebutuhan akan struktur kompak telah menyebabkan munculnya engsel fleksibel satu sisi, yang telah menemukan aplikasi luas dalam pengukuran dan penentuan posisi presisi. Membangun keunggulan engsel fleksibel hibrida dan unilateral, makalah ini mengusulkan engsel fleksibel hibrida unilateral, yang menawarkan pendekatan baru untuk aplikasi rekayasa engsel fleksibel dengan struktur kompak dan perpindahan besar.

Perhitungan fleksibilitas engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus unilateral:

Engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus unilateral terdiri dari setengah dari engsel lingkaran lurus unilateral dan setengah dari engsel elips unilateral. Parameter geometrisnya termasuk lebar engsel (b), ketebalan minimum (t), jari-jari lingkaran lurus (R), panjang engsel (L), sumbu utama elips (M), dan sumbu semi-minor elips (N). Analisis engsel fleksibel didasarkan pada asumsi balok kantilever yang cacat kecil, dengan ujung kanan tetap dan deformasi lentur yang disebabkan oleh kekuatan dan momen. Pengaruh beban aksial dipertimbangkan, sementara efek geser dan torsi diabaikan. Menurut teorema kaset kedua, hubungan antara deformasi engsel pada titik 1 dan beban yang diterapkan dapat ditentukan. Formula perhitungan fleksibilitas diturunkan berdasarkan hubungan ini dan koordinat penampang engsel. Melalui perhitungan integral, fleksibilitas engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus unilateral dapat diperoleh.

Contoh Perhitungan dan Verifikasi Elemen Hingga:

Contoh perhitungan dilakukan dengan menggunakan rumus perhitungan fleksibilitas yang diturunkan untuk nilai yang berbeda dari sumbu semi-minor (n) elips. Hasilnya dibandingkan dengan hasil analisis elemen hingga (FEA) untuk memverifikasi keakuratan rumus. Kesalahan antara dua set hasil ditemukan kurang dari 8%, mengkonfirmasi validitas rumus perhitungan fleksibilitas.

Analisis kinerja engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus unilateral:

Fleksibilitas engsel dipengaruhi oleh parameter material dan strukturalnya. Formula perhitungan fleksibilitas mengungkapkan bahwa modulus elastis (E) berbanding terbalik dengan lebar engsel (b). Parameter lain, seperti jari-jari lingkaran lurus (R), sumbu semi-mayor dari elips (M), sumbu semi-minor elips (N), dan ketebalan minimum (t), juga mempengaruhi fleksibilitas. Analisis rumus perhitungan fleksibilitas menunjukkan bahwa parameternya paling sensitif terhadap perubahan ketebalan minimum (t) engsel.

Perbandingan kinerja dengan engsel fleksibel hibrida-lurus-lurus-lurus bilateral:

Engsel fleksibel hibrida lurus-lurus-lurus unilateral dibandingkan dengan engsel fleksibel hibrida-lurus-lurus-lurus-lurus sisi yang diusulkan dalam literatur. Rasio fleksibilitas digunakan sebagai indeks kinerja, didefinisikan sebagai rasio fleksibilitas unilateral terhadap fleksibilitas bilateral. Hasilnya menunjukkan bahwa engsel fleksibel hibrida unilateral menawarkan kapasitas rotasi yang lebih baik dan sensitivitas beban dibandingkan dengan engsel hibrida bilateral.

Proposal jenis engsel fleksibel baru, engsel fleksibel hibrida unilateral, membawa kemungkinan baru untuk aplikasi rekayasa yang membutuhkan struktur kompak dan perpindahan besar. Formula perhitungan fleksibilitas diturunkan berdasarkan teorema kedua Karl dan divalidasi melalui analisis elemen hingga. Parameter struktural engsel ditemukan berdampak pada fleksibilitasnya, dengan ketebalan minimum yang memberikan pengaruh yang paling signifikan. Engsel fleksibel hibrida unilateral berkinerja lebih baik daripada engsel hibrida bilateral dalam hal kapasitas rotasi dan sensitivitas beban. Secara keseluruhan, engsel fleksibel hibrida unilateral menawarkan prospek yang menjanjikan untuk berbagai aplikasi rekayasa.