מודל קינמטי ומחקר ביצועים של קשיחות אפס חוצה קנה גמיש ידע גמיש

המנגנון הגמיש הוא מושג פורץ דרך בתחום המכניקה, מכיוון שהוא משתמש בעיוות אלסטי של חומרים להעברת תנועה, כוח או אנרגיה. מנגנון זה זכה לפופולריות בתעשיות שונות, כולל מיקום דיוק, עיבוד MEMS וחלל, בשל היתרונות הרבים שלו כמו אפס חיכוך, פעולה חלקה, תחזוקה נוחה, רזולוציה גבוהה ויכולות עיבוד משולבות.

עם זאת, המנגנונים הנוקשים המסורתיים עדיין שולטים בשוק בגלל מגבלות מסוימות של המנגנון הגמיש. אחת מהמגבלות הללו היא הנוקשות החיובית המתרחשת בכיוון התפקודי במהלך פעולת המנגנון. קשיחות חיובית זו דורשת כוח מניע גדול יותר ודרישות קפדניות על הנהג, מה שמקטין בסופו של דבר את יעילות העברת האנרגיה. חסרונות אלה הפריעו ליישום הרחב יותר של המנגנון הגמיש.

כדי להתגבר על ההשפעות השליליות של קשיחות חיובית, חוקרים רבים הכניסו את מושג האפס קשיחות למנגנון הגמיש. על ידי שימוש בחוכמה על קשיחות שלילית כדי לקזז קשיחות חיובית, ניתן להשיג מנגנון עם קשיחות אפס. מערכת כזו, המכונה גם מנגנון איזון סטטי גמיש, יכולה להשיג מצב שיווי משקל סטטי בכל נקודה בטווח התנועה. מנגנון מסוג זה מציע מספר יתרונות, כולל ביצועי העברת כוח מעולים, היכולת לפעול עם כוחות מניעה קטנים יותר ויעילות העברת אנרגיה גבוהה. כתוצאה מכך, ההתמקדות במחקר בתחום מנגנוני האיזון הסטטי הגמיש הייתה בעיקר על מהדקים מיקרו גמישים.

בין המרכיבים השונים של מנגנונים גמישים, צירים גמישים קיבלו תשומת לב משמעותית בגלל המאפיינים יוצאי הדופן שלהם. הנסיעה היחסית של צירים גמישים חוצה-חוץ כללי הם יחסית קצרה, מה שהופך אותם ליקרי ערך למגוון רחב של יישומים. כתוצאה מכך, הציר הגמיש של אפס-אפס המבוסס על תכנון זה הפך לבחירה המועדפת לבניית מנגנוני איזון סטטיים גמישים מורכבים, מה שהופך את מחקריו למשמעותיים ביותר.

כדי להשיג מאפייני קשיחות אפס בצירים גמישים, יש לקזז את הנוקשות החיובית הפיתולית עם קשיחות שלילית סיבובית. בעניין זה פותח מודל קשיחות שלילית סיבובית. המודל כולל שימוש במעיין עלים המורכב משני קנים חופפים, האחד קבוע והשני בחינם. כאשר העיוות של סוף הפתיחה קטן יחסית בהשוואה לאורכו של הקנה, האביב מציג ליניאריות טובה וניתן לנתח אותו כמעיין באורך אפס.

הניתוח של מודל הקשיחות השלילית הסיבובית מחשיב את המומנטים המופעלים על ידי שני הקפיצים בנקודה ספציפית במערכת. בהתבסס על חוק הסינוס המשולש, ניתן לבטא את המומנטים באופן מתמטי. על ידי שילוב מומנטים אלה, ניתן לקבוע את המומנט הכולל המופעל על הנקודה. ניתוח זה מגלה שכאשר זווית הסיבוב היא פחות מ- 90 מעלות, המעיינות מפעילים מומנט באותו כיוון כמו זווית הסיבוב, ובכך יוצרים קשיחות שלילית סיבובית.

כדי לבסס מודל ציר גמיש אפס מדויק, חשוב מאוד לנתח את התכונות המכניות של הציר הגמיש החוצה-חוצה הכללי. ניתוח זה שוקל גורמים שונים כמו השפעת כוח רדיאלי ועומס פיתול טהור על קשיחות פיתולו של הציר. על ידי הבנת גורמים אלה, ניתן לחשב את הקשיחות הפיתולית חסרת הממדים של הצירים. לאחר מכן ניתן להשיג את המודל הרעיוני של הציר הגמיש של אפס האפס על ידי החלפת הזוג המסתובב ואיזון קפיצים במודל הקשיחות השלילית הסיבובית. מודל רעיוני זה סימטרי, ומאפשר ניתוח של סיבוב נגד כיוון השעון של הפלטפורמה הנעה.

כדי לאמת את הדיוק של המודל התיאורטי, נערך ניתוח אלמנטים סופי באמצעות תוכנת ANSYS. הניתוח כולל הדמיה וניתוח של מאפייני זווית הסיבוב של הרגע של הציר האפס-גמיש. לאחר מכן משווים את התוצאות לחישובים התיאורטיים. הסימולציה מתבצעת על צירים עם פרמטרים שונים, וקשיחות קפיץ האיזון מותאמת בהדרגה עד שהקשיחות של הציר מופחתת לאפס. על ידי השוואה בין תוצאות הסימולציה וחישובי התיאורטיים, מאושר כי המודל התיאורטי מייצג במדויק את התנהגות הציר הגמיש של אפס.

יתר על כן, נבדקת היתכנות השימוש במעיינות עלים כמתאזן קפיצי איזון בצירים גמישים אפס. מודל אלמנט סופי נקבע למטרה זו, ותוצאות הסימולציה מושוות לאלו המתקבלות באמצעות אלמנט Combine14. התוצאות מאמתות שוב את הדיוק והאמינות של המודל התיאורטי.

לסיכום, השימוש בקשיחות שלילית סיבובית כדי לקזז קשיחות חיובית בצירים גמישים מאפשר ליצור מערכות ציר גמישות אפסיות. מערכות אלה מציעות יתרונות רבים, כולל מומנט נהיגה מופחת, שיפור בביצועי העברת הכוח והגברת יעילות ניצול האנרגיה. מנותחים שתי שיטות איזון שונות, כלומר קפיצי איזון כפול ומעיינות איזון יחיד, ונקבעים תנאי שיווי המשקל הסטטיים שלהם. לאחר מכן מאומתים את התוצאות התיאורטיות באמצעות ניתוח אלמנטים סופי. המחקר מאשר כי שיטת קפיץ האיזון הכפול מתאימה לתרחישים שבהם הכוח הרדיאלי אינו משפיע על קשיחות הציר, בעוד שלדגם האביב של איזון יחיד יש מגוון רחב יותר של יישומים. עם זאת, קומפקטיות המרחב הצירי של הדגם האחרון נפגעת במקצת, ומחייבת שיקול מקיף במהלך תכנון מבני. בסך הכל, המחקר בנושא צירים גמישים אפס-אפס ויישומיהם הוא בעל חשיבות משמעותית בקידום תחום המנגנונים הגמישים.