Kinematisk modell og ytelsesforskning av null stivhet Korset Reed fleksibel hengselkunnskap

Den fleksible mekanismen er et banebrytende konsept innen mekanikkfeltet, ettersom den benytter den elastiske deformasjonen av materialer for å overføre bevegelse, kraft eller energi. Denne mekanismen har fått popularitet i forskjellige bransjer, inkludert presisjonsposisjonering, MEMS -prosessering og romfart, på grunn av de mange fordelene som null friksjon, sømløs drift, enkelt vedlikehold, høy oppløsning og integrerte prosesseringsevner.

Imidlertid dominerer de tradisjonelle stive mekanismene fremdeles markedet på grunn av visse begrensninger i den fleksible mekanismen. En av disse begrensningene er den positive stivheten som oppstår i funksjonell retning under virkningen av mekanismen. Denne positive stivheten krever en større drivkraft og strenge krav til sjåføren, noe som til slutt reduserer energioverføringseffektiviteten. Disse manglene har hindret den bredere anvendelsen av den fleksible mekanismen.

For å overvinne bivirkningene av positiv stivhet, har mange lærde introdusert begrepet null stivhet i den fleksible mekanismen. Ved å bruke negativ stivhet på en smart måte for å oppveie positiv stivhet, kan en mekanisme med null stivhet oppnås. Et slikt system, også kjent som en fleksibel statisk balansemekanisme, kan oppnå en statisk likevektstilstand når som helst i bevegelsesområdet. Denne typen mekanismer gir flere fordeler, inkludert utmerket kraftoverføringsytelse, muligheten til å operere med mindre drivkrefter og overføringseffektivitet med høy energi. Følgelig har forskningsfokuset innen fleksible statiske balansemekanismer hovedsakelig vært på fleksible mikroklemmer.

Blant de forskjellige komponentene i fleksible mekanismer har fleksible hengsler fått betydelig oppmerksomhet på grunn av deres eksepsjonelle egenskaper. Den relative reisen av generaliserte fleksible hengsler på tvers av reed er relativt kort, noe som gjør dem svært verdifulle for et bredt spekter av applikasjoner. Følgelig har den fleksible hengslet på nullstolen basert på denne designen blitt det foretrukne valget for å konstruere komplekse fleksible statiske balansemekanismer, noe som gjør forskningen svært betydelig.

For å oppnå null stivhetsegenskaper i fleksible hengsler, er det nødvendig å oppveie torsjonspositiv stivhet med rotasjons negativ stivhet. I denne forbindelse er det utviklet en rotasjons negativ stivhetsmodell. Modellen innebærer å bruke en bladfjær sammensatt av to overlappende siv, den ene faste og den andre gratis. Når deformasjonen av åpningsenden er relativt liten sammenlignet med vasslengden, viser fjæren god linearitet og kan analyseres som en null lengde fjær.

Analysen av den rotasjonsnegative stivhetsmodellen vurderer dreiemomentene som utøves av de to fjærene på et spesifikt punkt i systemet. Basert på den trekantede sinusloven, kan dreiemomentene uttrykkes matematisk. Ved å kombinere disse dreiemomentene, kan det totale dreiemomentet som utøves på punktet bestemmes. Denne analysen avslører at når rotasjonsvinkelen er mindre enn 90 grader, utøver fjærene et dreiemoment i samme retning som rotasjonsvinkelen, og dermed skaper rotasjonsnegativ stivhet.

For å etablere en nøyaktig fleksibel hengslemodell med null-stivhet, er det avgjørende å analysere de mekaniske egenskapene til det generaliserte fleksible hengslet. Denne analysen vurderer ulike faktorer som påvirkning av radialkraft og ren vridningsbelastning på hengslens torsjonsstivhet. Ved å forstå disse faktorene kan den dimensjonsløse torsjonsstivheten til hengslene beregnes. Den konseptuelle modellen av nullstilfektets fleksible hengsel kan deretter oppnås ved å erstatte det roterende paret og balansere i den rotasjonsnegative stivhetsmodellen. Denne konseptuelle modellen er symmetrisk, noe som gir mulighet for analyse av rotasjon mot klokken av den bevegelige plattformen.

For å bekrefte nøyaktigheten av den teoretiske modellen, gjennomføres endelig elementanalyse ved bruk av ANSYS -programvare. Analysen innebærer å simulere og analysere momentrotasjonsvinkelegenskapene til nullstivhets fleksible hengsel. Resultatene blir deretter sammenlignet med de teoretiske beregningene. Simuleringen utføres på hengsler med forskjellige parametere, og stivheten i balansefjæren justeres gradvis til hengslens stivhet er redusert til null. Ved å sammenligne simuleringsresultatene og teoretiske beregninger, bekreftes det at den teoretiske modellen nøyaktig representerer atferden til nullstiffhets fleksible hengsel.

Videre utforskes muligheten for å bruke bladfjærer som balansefjærer i null-stivhet fleksible hengsler. En begrenset elementmodell er etablert for dette formålet, og simuleringsresultatene sammenlignes med de som er oppnådd ved bruk av Combine14 -elementet. Resultatene validerer nok en gang nøyaktigheten og påliteligheten til den teoretiske modellen.

Avslutningsvis muliggjør bruk av rotasjons negativ stivhet for å oppveie positiv stivhet i fleksible hengsler å skape nullstiffhets fleksible hengslesystemer. Disse systemene gir mange fordeler, inkludert redusert kjøremoment, forbedret kraftoverføringsytelse og økt energiutnyttelseseffektivitet. To forskjellige balansemetoder, nemlig dobbeltbalansefjærer og enkeltbalansefjærer, blir analysert, og deres statiske likevektsbetingelser bestemmes. De teoretiske resultatene blir deretter verifisert gjennom endelig elementanalyse. Studien bekrefter at vårmetoden med dobbel balanse er egnet for scenarier der den radiale kraften ikke påvirker hengslingens stivhet, mens den enkelt balansefjærmodellen har et bredere spekter av applikasjoner. Imidlertid er den sistnevnte modellens aksiale romkompakthet noe kompromittert, noe som nødvendiggjør omfattende vurdering under strukturell design. Totalt sett har forskningen om fleksible hengsler med nullstivhet og deres applikasjoner betydelig betydning for å fremme feltet av fleksible mekanismer.