Modello cinematico e ricerca sulle prestazioni della conoscenza della cerniera flessibile della rigidità zero.

Il meccanismo flessibile è un concetto rivoluzionario nel campo della meccanica, in quanto utilizza la deformazione elastica dei materiali per trasmettere movimento, forza o energia. Questo meccanismo ha guadagnato popolarità in vari settori, tra cui posizionamento di precisione, elaborazione MEMS e aerospaziale, grazie ai suoi numerosi vantaggi come attrito zero, funzionamento senza soluzione di continuità, facile manutenzione, alta risoluzione e capacità di elaborazione integrate.

Tuttavia, i meccanismi rigidi tradizionali dominano ancora il mercato a causa di alcune limitazioni del meccanismo flessibile. Una di queste limitazioni è la rigidità positiva che si verifica nella direzione funzionale durante l'azione del meccanismo. Questa rigidità positiva richiede una forza trainante maggiore e requisiti rigorosi sul conducente, che alla fine riducono l'efficienza del trasferimento di energia. Queste carenze hanno ostacolato la più ampia applicazione del meccanismo flessibile.

Per superare gli effetti avversi della rigidità positiva, molti studiosi hanno introdotto il concetto di rigidità zero nel meccanismo flessibile. Usando in modo intelligente la rigidità negativa per offsedere la rigidità positiva, è possibile ottenere un meccanismo con rigidità zero. Tale sistema, noto anche come meccanismo di equilibrio statico flessibile, può raggiungere uno stato di equilibrio statico in qualsiasi momento della gamma di movimento. Questo tipo di meccanismo offre numerosi vantaggi, tra cui eccellenti prestazioni di trasmissione della forza, capacità di operare con forze trainanti più piccole e efficienza di trasmissione ad alta energia. Di conseguenza, il focus di ricerca nel campo dei meccanismi di equilibrio statico flessibile è stato principalmente su micro-clamp flessibili.

Tra i vari componenti di meccanismi flessibili, le cerniere flessibili hanno ricevuto un'attenzione significativa a causa delle loro caratteristiche eccezionali. Il viaggio relativo di cerniere flessibili generalizzate a carrelli incrociati è relativamente breve, rendendoli molto preziosi per una vasta gamma di applicazioni. Di conseguenza, la cerniera flessibile a zero-inespnezza basata su questo design è diventata la scelta preferita per la costruzione di meccanismi di equilibrio statico flessibili complessi, rendendo la sua ricerca altamente significativa.

Per ottenere caratteristiche di rigidità zero in cardini flessibili, è necessario compensare la rigidità positiva torsionale con rigidità negativa rotazionale. A questo proposito, è stato sviluppato un modello di rigidità negativa rotazionale. Il modello prevede l'uso di una molla a foglia composta da due canne sovrapposte, una fissa e l'altra libera. Quando la deformazione dell'estremità di apertura è relativamente piccola rispetto alla lunghezza della canna, la molla mostra una buona linearità e può essere analizzata come una molla a lunghezza zero.

L'analisi del modello di rigidità negativa rotazionale considera le coppie esercitate dalle due molle su un punto specifico del sistema. Sulla base della legge sinusoidale triangolare, le coppie possono essere espresse matematicamente. Combinando queste coppie, è possibile determinare la coppia totale esercitata sul punto. Questa analisi rivela che quando l'angolo di rotazione è inferiore a 90 gradi, le molle esercitano una coppia nella stessa direzione dell'angolo di rotazione, creando così la rigidità negativa rotazionale.

Per stabilire un modello di cerniera flessibile preciso a zero-rigidità, è fondamentale analizzare le proprietà meccaniche della cerniera flessibile trasversale generalizzata. Questa analisi considera vari fattori come l'influenza della forza radiale e del carico torsionale puro sulla rigidità torsionale della cerniera. Comprendendo questi fattori, è possibile calcolare la rigidità torsionale senza dimensioni dei cardini. Il modello concettuale della cerniera flessibile a zero-inespnezza può quindi essere ottenuto sostituendo la coppia girevole e le molle di bilanciamento nel modello di rigidità negativa rotazionale. Questo modello concettuale è simmetrico, consentendo l'analisi della rotazione in senso antiorario della piattaforma in movimento.

Per verificare l'accuratezza del modello teorico, viene condotta l'analisi degli elementi finiti utilizzando il software ANSYS. L'analisi prevede la simulazione e l'analisi delle caratteristiche dell'angolo di rotazione del momento della cerniera flessibile a zero-inespa. I risultati vengono quindi confrontati con i calcoli teorici. La simulazione viene eseguita su cerniere con parametri diversi e la rigidità della molla di equilibrio viene gradualmente regolata fino a quando la rigidità della cerniera non viene ridotta a zero. Confrontando i risultati della simulazione e i calcoli teorici, si conferma che il modello teorico rappresenta accuratamente il comportamento della cerniera flessibile a zero-sciocchezze.

Inoltre, viene esplorata la fattibilità dell'utilizzo delle molle a foglia mentre le molle di bilanciamento in cardini flessibili a zero-in-break. A tale scopo viene stabilito un modello a elementi finiti e i risultati della simulazione vengono confrontati con quelli ottenuti usando l'elemento Mombine14. I risultati convalidano ancora una volta l'accuratezza e l'affidabilità del modello teorico.

In conclusione, l'uso della rigidità negativa rotazionale per compensare la rigidità positiva nelle cerniere flessibili consente la creazione di sistemi di cerniera flessibili a zero-colpa. Questi sistemi offrono numerosi vantaggi, tra cui una ridotta coppia di guida, una migliore prestazione di trasmissione della forza e una maggiore efficienza di utilizzo energetico. Vengono analizzati due diversi metodi di equilibrio, vale a dire le molle a doppia bilancia e le molle a bilanciamento singolo e vengono determinate le loro condizioni di equilibrio statico. I risultati teorici vengono quindi verificati attraverso l'analisi degli elementi finiti. Lo studio conferma che il metodo a doppio bilanciamento è adatto per scenari in cui la forza radiale non influisce sulla rigidità della cerniera, mentre il modello a molla a equilibrio singolo ha una gamma più ampia di applicazioni. Tuttavia, la compattezza dello spazio assiale di quest'ultimo modello è in qualche modo compromessa, che richiede una considerazione completa durante la progettazione strutturale. Nel complesso, la ricerca sulle cerniere flessibili a zero-in-rigidità e le loro applicazioni hanno un'importanza significativa per far avanzare il campo di meccanismi flessibili.