Fleksibilitetsberegning og ytelsesanalyse av en ny ensidig rett sirkel-ellipse hybri1

Abstrakt:

Fleksible hengsler spiller en avgjørende rolle innen mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Denne artikkelen introduserer en ny type fleksibelt hengsel kalt den ensidige rette sirkel-ellipse hybrid fleksibelt hengsel. Fleksibiliteten til dette hengslet beregnes ved å bruke Karls andre teorem, og resultatene blir validert gjennom endelig elementanalyse. De strukturelle parametrene til hengslet blir analysert for å bestemme deres innflytelse på dens fleksibilitet. En sammenligning blir også gjort mellom den ensidige og tosidige rette sirkel-ellipse-hybrid fleksible hengsler, og det konkluderes med at det ensidige hengslet gir bedre rotasjonskapasitet og lastfølsomhet. Totalt sett gir den ensidige hybridfleksible hengslet en lovende løsning for kompakte og sterkt forskyvningsapplikasjoner innen ingeniørfag.

I de raskt utviklende felt av mikroelektromekanisk teknologi, romfart og biologisk ingeniørvitenskap er tradisjonelle stive mekanismer ikke lenger tilstrekkelige til å oppfylle kravene til design og bruk. Fleksible mekanismer, med sin lille størrelse, fravær av mekanisk friksjon og hull og følsomhet med høy bevegelse, har fått betydelig trekkraft i forskjellige fagområder, inkludert maskiner, robotikk, datamaskiner, automatisk kontroll og presisjonsmåling. Den viktigste komponenten i fleksible mekanismer er det fleksible hengslet, som bruker elastisk deformasjon og selvgjenvinningsegenskaper for å eliminere tapt bevegelse og mekanisk friksjon, og dermed oppnå høyere forskyvningsoppløsning. Enkelaksfleksible hengsler kan klassifiseres basert på tverrsnittsformer, for eksempel bue, blyvinkel, ellipse, parabola og hyperbolatyper. Blant disse er de rette runde og blyvinkelhengslene mye brukt på grunn av deres enkle strukturer. I noen tilfeller der plassen er begrenset, har imidlertid behovet for kompakte strukturer ført til fremveksten av ensidige fleksible hengsler, som har funnet omfattende anvendelser i presisjonsmåling og posisjonering. Med utgangspunkt i fordelene med hybrid og ensidig fleksible hengsler, foreslår denne artikkelen en ensidig hybrid fleksibel hengsel, som tilbyr en ny tilnærming til teknisk anvendelse av fleksible hengsler med kompakte strukturer og store forskyvninger.

Fleksibilitetsberegning av den ensidige rettkrets-ellipse hybrid fleksibelt hengsel:

Den ensidige fleksible hengslet med rett sirkel-ellipse omfatter halvparten av et ensidig rettsirkel hengsel og halvparten av et ensidig elliptisk hengsel. Dets geometriske parametere inkluderer hengselbredde (b), minimum tykkelse (t), rett sirkelradius (r), hengslelengde (l), hovedaksen til ellipsen (m) og semi-minoraksen til ellipsen (n). Analysen av det fleksible hengslet er basert på antakelsen om en liten deformert utkragingsstråle, med høyre ende fast og bøydeformasjon forårsaket av kraft og øyeblikk. Påvirkningen av aksial belastning vurderes, mens skjær- og torsjonseffekter blir forsømt. I henhold til den andre teoremet til kassett, kan forholdet mellom hengslens deformasjon ved punkt 1 og den påførte belastningen bestemmes. Formelen for fleksibilitetsberegning er avledet basert på dette forholdet og koordinatene til hengslens tverrsnitt. Gjennom integrerte beregninger kan fleksibiliteten til den ensidige rette sirkel-ellipse hybrid fleksibelt hengsel oppnås.

Eksempel Beregning og begrenset elementbekreftelse:

Et eksempelberegning utføres ved bruk av den avledede fleksibilitetsberegningsformelen for forskjellige verdier av semi-minoraksen (n) til ellipsen. Resultatene blir sammenlignet med resultatene for endelige elementanalyser (FEA) for å bekrefte nøyaktigheten av formelen. Feilen mellom de to resultatene er funnet å være mindre enn 8%, noe som bekrefter gyldigheten av fleksibilitetsberegningsformelen.

Resultatanalyse av den ensidige rettkrets-ellipse hybrid fleksibelt hengsel:

Hengselens fleksibilitet påvirkes av dets materielle og strukturelle parametere. Formelen for fleksibilitetsberegning viser at den elastiske modulen (E) er omvendt proporsjonal med hengslens bredde (b). Andre parametere, så som rett sirkelradius (r), semi-major-aksen til ellipsen (m), semi-minor-aksen til ellipsen (n) og minimum tykkelse (t), påvirker også fleksibiliteten. En analyse av fleksibilitetsberegningsformelen viser at dens parametere er mest følsomme for endringer i minimumstykkelsen (t) til hengslet.

Ytelses sammenligning med bilateral rett-sirkel-ellipse hybrid fleksibelt hengsel:

Den ensidige fleksible hengslet med rett sirkel-ellipse blir sammenlignet med den tosidige rette sirkel-ellipse-hybridfleksible hengslet som er foreslått i litteraturen. Fleksibilitetsforholdet brukes som en ytelsesindeks, definert som forholdet mellom ensidig fleksibilitet til den bilaterale fleksibiliteten. Resultatene viser at den ensidige hybridfleksible hengslet gir bedre rotasjonskapasitet og belastningsfølsomhet sammenlignet med det bilaterale hybridhengselet.

Forslaget om en ny type fleksibelt hengsel, den ensidige hybridfleksible hengslet, gir nye muligheter for tekniske applikasjoner som krever kompakte strukturer og store forskyvninger. Formelformelen for fleksibilitet er avledet basert på Karls andre teorem og validert gjennom endelig elementanalyse. De strukturelle parametrene til hengslet er funnet å påvirke fleksibiliteten, med minimumstykkelsen som utøver den viktigste innflytelsen. Det ensidige hybridfleksible hengslet presterer bedre enn det bilaterale hybrid hengslet når det gjelder rotasjonskapasitet og belastningsfølsomhet. Totalt sett tilbyr den ensidige hybridfleksible hengslet lovende utsikter for forskjellige tekniske applikasjoner.