Kinemātiskais modelis un nulles stīvuma pārrobežu niedru elastīgās eņģes zināšanas un veiktspējas izpēte

Elastīgais mehānisms ir revolucionāra koncepcija mehānikas jomā, jo tas izmanto materiālu elastīgo deformāciju kustības, spēka vai enerģijas pārraidei. Šis mehānisms ir ieguvis popularitāti dažādās nozarēs, ieskaitot precizitātes pozicionēšanu, MEMS apstrādi un kosmosu, pateicoties tā daudzajām priekšrocībām, piemēram, nulles berzi, bezšuvju darbību, ērtu apkopi, augstu izšķirtspēju un integrētām apstrādes iespējām.

Tomēr tradicionālie stingrie mehānismi joprojām dominē tirgū, pateicoties noteiktiem elastīgā mehānisma ierobežojumiem. Viens no šiem ierobežojumiem ir pozitīvā stīvums, kas notiek funkcionālā virzienā mehānisma darbības laikā. Šim pozitīvajam stingrībai ir nepieciešams lielāks virzītājspēks un stingras prasības vadītājam, kas galu galā samazina enerģijas pārneses efektivitāti. Šie trūkumi ir kavējuši elastīgā mehānisma plašāku pielietojumu.

Lai pārvarētu pozitīvās stīvuma nelabvēlīgo ietekmi, daudzi zinātnieki elastīgajā mehānismā ir ieviesuši nulles stīvuma jēdzienu. Izgudri izmantojot negatīvu stingrību, lai kompensētu pozitīvu stīvumu, var sasniegt mehānismu ar nulles stīvumu. Šāda sistēma, kas pazīstama arī kā elastīgs statiskā līdzsvara mehānisms, var sasniegt statisku līdzsvara stāvokli jebkurā kustības diapazona punktā. Šis mehānisms piedāvā vairākas priekšrocības, ieskaitot lielisku spēka pārraides veiktspēju, spēju darboties ar mazākiem virzošajiem spēkiem un augstas enerģijas pārraides efektivitāti. Līdz ar to pētījumu uzmanības centrā elastīgu statiskā līdzsvara mehānismu jomā galvenokārt ir bijis elastīgi mikro skavas.

Starp dažādajiem elastīgo mehānismu komponentiem elastīgām eņģēm ir pievērsta ievērojama uzmanība to ārkārtas īpašību dēļ. Ģeneralizēto savstarpējās redžicēto eņģu relatīvais ceļojums ir salīdzinoši īss, padarot tos ļoti vērtīgus plaša spektra lietojumprogrammai. Līdz ar to nulles stīvuma elastība, kas balstīta uz šo dizainu, ir kļuvusi par vēlamo izvēli sarežģītu elastīgu statiskā līdzsvara mehānismu konstruēšanai, padarot tā pētījumu ļoti nozīmīgu.

Lai sasniegtu nulles stīvuma īpašības elastīgās eņģes, ir nepieciešams kompensēt vērpes pozitīvo stingrību ar rotācijas negatīvu stīvumu. Šajā sakarā ir izstrādāts rotācijas negatīvās stingrības modelis. Modelis ietver lapu atsperes izmantošanu, kas sastāv no divām pārklājošām niedrēm, viena fiksēta, otra - brīva. Kad atveres gala deformācija ir salīdzinoši maza, salīdzinot ar niedru garumu, atsperei ir laba linearitāte un to var analizēt kā nulles garuma atsperi.

Rotācijas negatīvās stīvuma modeļa analīzē tiek ņemti vērā griezes momenti, kurus abas atsperes rada noteiktā sistēmas punktā. Balstoties uz trīsstūrveida sinusa likumu, griezes momentu var izteikt matemātiski. Apvienojot šos griezes momentus, var noteikt kopējo griezes momentu, kas izdarīts uz punkta. Šī analīze atklāj, ka tad, kad rotācijas leņķis ir mazāks par 90 grādiem, atsperes rada griezes momentu tādā pašā virzienā kā rotācijas leņķis, tādējādi radot rotācijas negatīvu stīvumu.

Lai izveidotu precīzu nulles stīvuma elastīgu eņģu modeli, ir svarīgi analizēt vispārinātās savstarpējās reālās elastīgās eņģes mehāniskās īpašības. Šajā analīzē apskatīti dažādi faktori, piemēram, radiālā spēka un tīras vērpes slodzes ietekme uz eņģes vērpes stingrību. Izprotot šos faktorus, var aprēķināt eņģu bezizmēra stīvumu. Pēc tam var iegūt nulles stīvuma elastīgās eņģes konceptuālo modeli, aizstājot rotējošo pāru un līdzsvara avotus rotācijas negatīvās stīvuma modelī. Šis konceptuālais modelis ir simetrisks, ļaujot analizēt kustīgās platformas pagriešanu pretēji pulksteņrādītāja virzienam.

Lai pārbaudītu teorētiskā modeļa precizitāti, tiek veikta galīgo elementu analīze, izmantojot ANSYS programmatūru. Analīze ietver nulles stīvuma elastīgās eņģes momenta-rotācijas leņķa raksturlielumu imitēšanu un analīzi. Pēc tam rezultātus salīdzina ar teorētiskajiem aprēķiniem. Simulāciju veic eņģes ar dažādiem parametriem, un līdzsvara atsperes stīvums tiek pakāpeniski noregulēts, līdz eņģes stingrība ir samazināta līdz nullei. Salīdzinot simulācijas rezultātus un teorētiskos aprēķinus, tiek apstiprināts, ka teorētiskais modelis precīzi atspoguļo nulles stīvuma elastīgās eņģes izturēšanos.

Turklāt tiek izpētīta lapu atsperu izmantošanas iespējamība kā līdzsvara avotiem nulles trieciena elastīgās eņģes. Šim nolūkam tiek izveidots galīgo elementu modelis, un simulācijas rezultātus salīdzina ar tiem, kas iegūti, izmantojot Combine14 elementu. Rezultāti vēlreiz apstiprina teorētiskā modeļa precizitāti un uzticamību.

Noslēgumā jāsaka, ka rotācijas negatīvās stingrības izmantošana, lai kompensētu pozitīvu stīvumu elastīgās eņģes, ļauj radīt nulles stīvumu elastīgas eņģu sistēmas. Šīs sistēmas piedāvā daudzas priekšrocības, ieskaitot samazinātu braukšanas griezes momentu, uzlabotu spēka pārraides veiktspēju un palielinātu enerģijas izmantošanas efektivitāti. Tiek analizētas divas dažādas līdzsvara metodes, proti, dubultā līdzsvara atsperes un viena līdzsvara atsperes, un tiek noteikti to statiskā līdzsvara apstākļi. Pēc tam teorētiskie rezultāti tiek pārbaudīti, izmantojot galīgo elementu analīzi. Pētījums apstiprina, ka dubultā līdzsvara atsperes metode ir piemērota scenārijiem, kad radiālais spēks neietekmē eņģes stīvumu, savukārt viena līdzsvara atsperes modelim ir plašāks pielietojumu klāsts. Tomēr pēdējā modeļa aksiālā telpas kompaktums ir nedaudz apdraudēts, un tas prasa visaptverošu apsvēršanu strukturālā dizaina laikā. Kopumā pētījums par nulles trāpījumu elastīgām eņģēm un to lietojumprogrammām ir būtiska nozīme elastīgu mehānismu lauka uzlabošanā.