Flexibiliteitsberekening en prestatieanalyse van een nieuwe enkelzijdige recht-circle-ellips hybri1

Abstract:

Flexibele scharnieren spelen een cruciale rol op het gebied van micro-elektromechanische systemen (MEMS). Dit artikel introduceert een nieuw type flexibel scharnier genaamd de enkelzijdige recht-cirkel-reklips hybride flexibele scharnier. De flexibiliteit van dit scharnier wordt berekend met behulp van Karl's tweede stelling en de resultaten worden gevalideerd door middel van eindige elementanalyse. De structurele parameters van het scharnier worden geanalyseerd om hun invloed op de flexibiliteit ervan te bepalen. Er wordt ook een vergelijking gemaakt tussen de enkelzijdige en dubbelzijdige recht-cirkel-ellips hybride flexibele scharnieren, en er wordt geconcludeerd dat het enkelzijdige scharnier een betere rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid biedt. Over het algemeen biedt het enkelzijdige hybride flexibele scharnier een veelbelovende oplossing voor compacte en zeer verplaatsingstoepassingen in engineering.

In de snel evoluerende gebieden van micro-elektromechanische technologie, ruimtevaart en biologische engineering zijn traditionele rigide mechanismen niet langer voldoende om aan de ontwerp- en gebruikseisen te voldoen. Flexibele mechanismen, met hun kleine omvang, afwezigheid van mechanische wrijving en gaten en hoge bewegingsgevoeligheid, hebben een aanzienlijke tractie gekregen in verschillende disciplines, waaronder machines, robotica, computers, automatische controle en precisiemeting. Het belangrijkste onderdeel van flexibele mechanismen is het flexibele scharnier, dat de elastische vervorming en zelfhersteleigenschappen gebruikt om verloren beweging en mechanische wrijving te elimineren, waardoor een hogere verplaatsingsresolutie wordt bereikt. Flexibele scharnieren van enkele as kunnen worden geclassificeerd op basis van hun transversale vormen, zoals boog, loodhoek, ellips, parabola en hyperbooltypen. Onder deze worden de rechte en loodhoekscharnieren veel gebruikt vanwege hun eenvoudige structuren. In sommige gevallen waarin de ruimte wordt beperkt, heeft de behoefte aan compacte structuren echter geleid tot de opkomst van enkelzijdige flexibele scharnieren, die uitgebreide toepassingen hebben gevonden bij precisiemeting en positionering. Voortbouwend op de voordelen van hybride en unilaterale flexibele scharnieren, stelt dit artikel een unilateraal hybride flexibel scharnier voor, dat een nieuwe benadering biedt voor de technische toepassing van flexibele scharnieren met compacte structuren en grote verplaatsingen.

Flexibiliteitsberekening van de unilaterale rechtstreekse cirkel-reklips hybride flexibel scharnier scharnier:

Het unilaterale recht-cirkel-reklips hybride flexibele scharnier bestaat uit de helft van een unilateraal recht cirkelscharnier en de helft van een unilateraal elliptisch scharnier. De geometrische parameters omvatten scharnierbreedte (b), minimale dikte (t), rechte cirkelstraal (R), scharnierlengte (L), belangrijke as van de ellips (M) en semi-minusas van de ellipse (N). De analyse van het flexibele scharnier is gebaseerd op de veronderstelling van een klein vervormde cantileverstraal, waarbij het rechteruiteinde vaste en buigvervorming veroorzaakt door kracht en moment. De invloed van axiale belasting wordt overwogen, terwijl afschuif- en torsie -effecten worden verwaarloosd. Volgens de tweede stelling van de cassette kan de relatie tussen de vervorming van het scharnier op punt 1 en de toegepaste belasting worden bepaald. De flexibiliteitsberekeningsformule is afgeleid op basis van deze relatie en de coördinaten van de dwarsdoorsnede van het scharnier. Door integrale berekeningen kan de flexibiliteit van de unilaterale rechtcirkel-ellips hybride flexibele scharnier worden verkregen.

Voorbeeldberekening en verificatie van eindige elementen:

Een voorbeeldberekening wordt uitgevoerd met behulp van de afgeleide flexibiliteitsberekeningsformule voor verschillende waarden van de semi-minieras (n) van de ellips. De resultaten worden vergeleken met de resultaten van de eindige -elementanalyse (FEA) om de nauwkeurigheid van de formule te verifiëren. De fout tussen de twee sets resultaten is minder dan 8%gebleken, wat de geldigheid van de flexibiliteitsberekeningformule bevestigt.

Prestatieanalyse van de unilaterale rechtstreekse cirkel-reklips hybride flexibel scharnier:

De flexibiliteit van het scharnier wordt beïnvloed door zijn materiaal- en structurele parameters. De flexibiliteitsberekeningsformule onthult dat de elastische modulus (E) omgekeerd evenredig is met de breedte van het scharnier (B). Andere parameters, zoals de rechte cirkelstraal (R), semi-major-as van de ellips (M), semi-minieras van de ellips (N) en minimale dikte (T), beïnvloeden ook de flexibiliteit. Een analyse van de flexibiliteitsberekeningsformule toont aan dat de parameters ervan het meest gevoelig zijn voor veranderingen in de minimale dikte (t) van het scharnier.

Prestatievergelijking met bilaterale recht-cirkel-reklips hybride flexibel scharnier:

Het unilaterale rechte cirkel-reklips hybride flexibele scharnier wordt vergeleken met de dubbelzijdige rechte cirkel-cirkel-ellips hybride flexibele scharnier voorgesteld in de literatuur. De flexibiliteitsratio wordt gebruikt als een prestatie -index, gedefinieerd als de verhouding van de unilaterale flexibiliteit tot de bilaterale flexibiliteit. De resultaten laten zien dat het unilaterale hybride flexibele scharnier een betere rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid biedt in vergelijking met het bilaterale hybride scharnier.

Het voorstel van een nieuw type flexibel scharnier, het unilaterale hybride flexibele scharnier, biedt nieuwe mogelijkheden voor technische toepassingen die compacte structuren en grote verplaatsingen vereisen. De flexibiliteitsberekeningsformule is afgeleid op basis van Karl's tweede stelling en gevalideerd door middel van eindige -elementenanalyse. De structurele parameters van het scharnier blijken de flexibiliteit ervan te beïnvloeden, waarbij de minimale dikte de belangrijkste invloed heeft. Het unilaterale hybride flexibele scharnier presteert beter dan het bilaterale hybride scharnier in termen van rotatiecapaciteit en belastingsgevoeligheid. Over het algemeen biedt het unilaterale hybride flexibele scharnier veelbelovende prospects voor verschillende technische toepassingen.