ゼロスリフネスクロスリード柔軟なヒンジ_hingeの知識の運動モデルとパフォーマンス研究
柔軟なメカニズムは、運動、力、またはエネルギーを伝達するために材料の弾性変形を利用するため、メカニックの分野における画期的な概念です。 このメカニズムは、ゼロ摩擦、シームレスな動作、簡単なメンテナンス、高解像度、統合処理機能など、多くの利点により、精密位置、MEMS処理、航空宇宙など、さまざまな業界で人気を博しています。
ただし、柔軟なメカニズムの一定の制限により、従来の厳格なメカニズムが依然として市場を支配しています。 これらの制限の1つは、メカニズムの作用中に機能方向に発生する正の剛性です。 この正の剛性には、より大きな駆動力とドライバーの厳格な要件が必要であり、最終的にエネルギー移動効率が低下します。 これらの欠点は、柔軟なメカニズムのより広いアプリケーションを妨げています。
正の剛性の悪影響を克服するために、多くの学者が柔軟なメカニズムにゼロ剛性の概念を導入しました。 ネガティブな剛性を巧みに使用して正の剛性を相殺することにより、剛性がゼロのメカニズムを達成できます。 このようなシステムは、柔軟な静的バランスメカニズムとも呼ばれ、可動域の任意の時点で静的平衡状態を達成できます。 このタイプのメカニズムは、優れたフォース伝送性能、より小さな駆動力で動作する能力、高エネルギー伝播効率など、いくつかの利点を提供します。 その結果、柔軟な静的バランスメカニズムの分野での研究の焦点は、主に柔軟なマイクロクランプにあります。
柔軟なメカニズムのさまざまなコンポーネントの中で、柔軟なヒンジは、その例外的な特性のために大きな注目を集めています。 一般化されたクロスリードフレキシブルヒンジの相対的な移動は比較的短いため、幅広いアプリケーションにとって非常に価値があります。 その結果、この設計に基づいたゼロ剛性の柔軟なヒンジは、複雑な柔軟な静的バランスメカニズムを構築するための好ましい選択となり、その研究を非常に重要にしています。
柔軟なヒンジでゼロ剛性特性を達成するには、回転負の剛性を備えたねじれの正の剛性を相殺する必要があります。 この点で、回転負の剛性モデルが開発されました。 このモデルには、2つの重複するリードで構成されるリーフスプリングを使用します。1つは固定されていません。もう1つは無料です。 開口部の変形がリードの長さと比較して比較的小さい場合、スプリングは良好な直線性を示し、ゼロの長さのスプリングとして分析できます。
回転負の剛性モデルの分析では、システム内の特定のポイントで2つのスプリングによって加えられたトルクを考慮します。 三角的な正弦根に基づいて、トルクは数学的に表現できます。 これらのトルクを組み合わせることにより、ポイントに及ぼす総トルクを決定できます。 この分析では、回転角度が90度未満の場合、スプリングが回転角と同じ方向にトルクを発揮し、それによって回転負の剛性が生じることが明らかになります。
正確なゼロ剛性の柔軟なヒンジモデルを確立するには、一般化されたクロスリードフレキシブルヒンジの機械的特性を分析することが重要です。 この分析では、ヒンジのねじれ剛性に対する放射状の力や純粋なねじれ荷重などのさまざまな要因を考慮します。 これらの要因を理解することにより、ヒンジの無次元ねじれの剛性を計算できます。 ゼロ剛性の柔軟なヒンジの概念モデルは、回転陰性剛性モデルの回転ペアとバランススプリングを置き換えることにより、取得できます。 この概念モデルは対称的であり、移動プラットフォームの反時計回りの回転の分析を可能にします。
理論モデルの精度を検証するために、ANSYSソフトウェアを使用した有限要素分析が実施されます。 分析には、ゼロ剛性の柔軟なヒンジのモーメント回転角特性をシミュレートして分析することが含まれます。 結果は、理論計算と比較されます。 シミュレーションは異なるパラメーターのヒンジで実行され、バランススプリングの剛性は、ヒンジの剛性がゼロになるまで徐々に調整されます。 シミュレーション結果と理論計算を比較することにより、理論モデルがゼロ剛性の柔軟なヒンジの挙動を正確に表すことが確認されています。
さらに、リーフスプリングをゼロ剛性の柔軟なヒンジのバランススプリングとして使用する可能性が調査されています。 この目的のために有限要素モデルが確立され、シミュレーション結果はcombine14要素を使用して得られた結果と比較されます。 結果は、理論モデルの精度と信頼性をもう一度検証します。
結論として、柔軟なヒンジで正の剛性を相殺するために回転負の剛性を使用すると、ゼロ剛性の柔軟なヒンジシステムが作成されます。 これらのシステムは、駆動トルクの削減、力の伝達性能の向上、エネルギー利用効率の向上など、多くの利点を提供します。 2つの異なるバランス方法、つまりダブルバランススプリングとシングルバランススプリングが分析され、それらの静的平衡条件が決定されます。 その後、理論的な結果は、有限要素分析を通じて検証されます。 この研究では、ダブルバランススプリング法は、放射状の力がヒンジの剛性に影響を与えないシナリオに適していることを確認していますが、シングルバランススプリングモデルにはより広い範囲のアプリケーションがあります。 ただし、後者のモデルの軸空間のコンパクトさはやや妥協されているため、構造設計中に包括的な考慮が必要です。 全体として、ゼロ剛性の柔軟なヒンジとそのアプリケーションに関する研究は、柔軟なメカニズムの分野を進める上で非常に重要です。
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