Kinematinis modelis ir nulinio standumo kryžminio nendrių lanksčių hinge_hinge žinių atlikimo tyrimai

Lankstus mechanizmas yra novatoriška koncepcija mechanikos srityje, nes joje naudojama medžiagų elastinė deformacija judesiui, jėgai ar energijai perduoti. Šis mechanizmas išpopuliarėjo įvairiose pramonės šakose, įskaitant tikslaus padėties nustatymą, MEMS apdorojimą ir aviacijos kosmosą dėl daugybės pranašumų, tokių kaip nulinė trintis, sklandi veikimas, lengva priežiūra, didelė skiriamoji geba ir integruotos apdorojimo galimybės.

Tačiau dėl tam tikrų lanksčių mechanizmo apribojimų vis dar dominuoja tradiciniai tvirti mechanizmai. Vienas iš šių apribojimų yra teigiamas standumas, atsirandantis funkcine kryptimi veikiant mechanizmui. Šis teigiamas standumas reikalauja didesnės varomosios jėgos ir griežtų vairuotojo reikalavimų, o tai galiausiai sumažina energijos perdavimo efektyvumą. Šie trūkumai kliudė platesniam lanksčiojo mechanizmo pritaikymui.

Norėdami įveikti neigiamą teigiamo standumo poveikį, daugelis mokslininkų į lanksčią mechanizmą įtraukė nulinio sustingimo koncepciją. Protingai naudojant neigiamą standumą, kad būtų galima kompensuoti teigiamą standumą, galima pasiekti mechanizmą, kurio standumas nėra lygus. Tokia sistema, dar vadinama lanksčiu statinio balanso mechanizmu, bet kurioje judesio diapazono taške gali pasiekti statinę pusiausvyros būseną. Šio tipo mechanizmas suteikia keletą pranašumų, įskaitant puikų jėgos perdavimo našumą, galimybę veikti su mažesnėmis varomosiomis jėgomis ir didelio energijos perdavimo efektyvumą. Todėl lanksčių statinio balanso mechanizmų srityje daugiausia dėmesio buvo skiriama lanksčioms mikro spaustukams.

Tarp įvairių lanksčių mechanizmų komponentų lanksčiai vyriai sulaukė didelio dėmesio dėl jų išskirtinių savybių. Santykinės generalizuotų kryžminių lanksčių vyrių kelionės yra palyginti trumpos, todėl jie yra labai vertingi įvairiausiems pritaikymams. Todėl, remiantis šia konstrukcija, nulinio-standumo lankstus vyrias tapo tinkamiausiu pasirinkimu konstruojant sudėtingus lanksčių statinės balanso mechanizmus, todėl jo tyrimai tapo labai svarbūs.

Norint, kad lanksčių vyrių standumo charakteristikos būtų nulinės, būtina kompensuoti sukimo teigiamą standumą sukimosi neigiamu standumu. Šiuo atžvilgiu buvo sukurtas sukimosi neigiamo standumo modelis. Modelis apima lapų spyruoklės, sudarytos iš dviejų sutampančių nendrių, vieną fiksuotą, o kitą laisvą, naudojimą. Kai atidarymo galo deformacija yra palyginti nedidelė, palyginti su nendrių ilgiu, spyruoklė pasižymi geru tiesiškumu ir gali būti analizuojamas kaip nulinio ilgio spyruoklė.

Rotacinio neigiamo standumo modelio analizėje nagrinėjami sukimo momentai, kuriuos dvi spyruoklės daro tam tikrame sistemos taške. Remiantis trikampiu sinuso įstatymu, sukimo momentus galima išreikšti matematiškai. Derinant šiuos sukimo momentus, gali būti nustatytas visas taškui padarytas sukimo momentas. Ši analizė atskleidžia, kad kai sukimosi kampas yra mažesnis nei 90 laipsnių, spyruoklės sukuria sukimo momentą ta pačia kryptimi kaip ir sukimosi kampas, taip sukuriant sukimosi neigiamą standumą.

Norint nustatyti tikslų nulinio tvirtumo lanksčiojo vyrio modelį, labai svarbu išanalizuoti apibendrinto kryžminio lanksčiojo vyrinio mechanines savybes. Šioje analizėje atsižvelgiama į įvairius veiksnius, tokius kaip radialinės jėgos ir grynos sukimo apkrovos įtaka vyrio sukimo standumui. Suprantant šiuos veiksnius, galima apskaičiuoti vyrių sukimo be matmenų sukimo standumą. Tada konceptualų „Zero-Stiffness“ lanksto vyrio modelį galima gauti pakeičiant besisukančią porą ir balansines spyruokles sukimosi neigiamo standumo modelyje. Šis koncepcinis modelis yra simetriškas, leidžiantis analizuoti judančios platformos sukimąsi prieš laikrodžio rodyklę.

Norint patikrinti teorinio modelio tikslumą, atliekama baigtinių elementų analizė naudojant ANSYS programinę įrangą. Analizė apima nulinio tvirtumo lanksčiojo vyrio momentinių sukimosi kampo charakteristikų modeliavimą ir analizę. Tada rezultatai lyginami su teoriniais skaičiavimais. Modeliavimas atliekamas vyriais su skirtingais parametrais, o balanso spyruoklės standumas palaipsniui sureguliuojamas, kol vyrio standumas sumažės iki nulio. Palyginus modeliavimo rezultatus ir teorinius skaičiavimus, patvirtinama, kad teorinis modelis tiksliai parodo nulinio-standumo lanksčiojo vyrio elgesį.

Be to, tiriamas „Leaf Springs“ kaip balanso spyruoklių naudojimas nuliniame-standumo lanksčiuose vyriuose. Šiam tikslui sukurtas baigtinių elementų modelis, o modeliavimo rezultatai lyginami su gautais naudojant „Combine14“ elementą. Rezultatai dar kartą patvirtina teorinio modelio tikslumą ir patikimumą.

Apibendrinant galima pasakyti, kad sukimosi neigiamo standumo panaudojimas, norint kompensuoti teigiamą standumą lanksčiuose vyriuose, leidžia sukurti nulinio stiprybės lanksčias vyrių sistemas. Šios sistemos suteikia daugybę pranašumų, įskaitant sumažintą sukimo momentą, pagerintą jėgos perdavimo našumą ir padidėjusį energijos sunaudojimo efektyvumą. Išanalizuojami du skirtingi balanso metodai, būtent dvigubos balansinės spyruoklės ir vieno balanso spyruoklės, nustatomos jų statinės pusiausvyros sąlygos. Tada teoriniai rezultatai patikrinami atliekant baigtinių elementų analizę. Tyrimas patvirtina, kad dvigubos balanso spyruoklės metodas yra tinkamas scenarijams, kai radialinė jėga neturi įtakos vyrio standumui, o vieno balanso pavasario modelis turi platesnį pritaikymą. Tačiau pastarojo modelio ašinio erdvės kompaktiškumas yra šiek tiek pažeistas, todėl struktūrinio projektavimo metu reikia išsamiai atsižvelgti. Apskritai, „Zero-Stiffness“ lanksčių vyrių ir jų taikymo tyrimai turi didelę reikšmę tobulinant lanksčių mechanizmų sritį.