Model kinematyczny i badania wydajności zerowej sztywności krzyżowy Reed Elastyczna wiedza na temat zawiasów

Elastyczny mechanizm jest przełomową koncepcją w dziedzinie mechaniki, ponieważ wykorzystuje elastyczne odkształcenie materiałów do przenoszenia ruchu, siły lub energii. Mechanizm ten zyskał popularność w różnych branżach, w tym w pozycjonowaniu precyzyjnym, przetwarzaniu MEMS i lotniczej, ze względu na liczne zalety, takie jak zerowe tarcie, bezproblemowa obsługa, łatwa konserwacja, wysoka rozdzielczość i zintegrowane możliwości przetwarzania.

Jednak tradycyjne sztywne mechanizmy nadal dominują na rynku ze względu na pewne ograniczenia elastycznego mechanizmu. Jednym z tych ograniczeń jest dodatnia sztywność występująca w kierunku funkcjonalnym podczas działania mechanizmu. Ta pozytywna sztywność wymaga większej siły napędowej i ścisłych wymagań dla kierowcy, co ostatecznie zmniejsza wydajność transferu energii. Wady te utrudniały szersze zastosowanie elastycznego mechanizmu.

Aby przezwyciężyć niekorzystne skutki dodatniej sztywności, wielu uczonych wprowadziło pojęcie zerowej sztywności w elastycznym mechanizmie. Sprytnie stosując ujemną sztywność do zrównoważenia dodatniej sztywności, można osiągnąć mechanizm o zerowej sztywności. Taki system, znany również jako elastyczny mechanizm bilansu statycznego, może osiągnąć statyczny stan równowagi w dowolnym punkcie zakresu ruchu. Ten rodzaj mechanizmu oferuje kilka zalet, w tym doskonałą wydajność transmisji siły, możliwość działania z mniejszymi siłami napędowymi i wydajnością transmisji energii. W związku z tym skupienie badań w dziedzinie elastycznych mechanizmów bilansu statycznego było głównie na elastycznych mikroplepsach.

Spośród różnych elementów elastycznych mechanizmów elastyczne zawiasy otrzymały znaczną uwagę ze względu na ich wyjątkowe cechy. Względna podróż uogólnionych elastycznych zawiasów krzyżowych jest stosunkowo krótka, co czyni je wysoce cennymi dla szerokiego zakresu zastosowań. W związku z tym elastyczny zawias zerowej sztyfty oparty na tym projekcie stał się preferowanym wyborem do budowy złożonych elastycznych mechanizmów równowagi statycznej, co czyni jego badaniami.

Aby osiągnąć charakterystykę sztywności zerowej w elastycznych zawiasach, konieczne jest zrównoważenie dodatniej sztywności skrętnej z obrotową sztywnością ujemną. W związku z tym opracowano model obrotowy ujemny sztywność. Model polega na użyciu sprężyny liściowej złożonej z dwóch nakładających się trzcin, jednej stałych, a drugiego wolnego. Gdy deformacja końca otwierającego jest stosunkowo niewielka w porównaniu z długością trzciny, sprężyna wykazuje dobrą liniowość i może być analizowana jako sprężyna o długości zerowej.

Analiza modelu sztywności ujemnej obrotowej uwzględnia obrotki wywierane przez dwa źródła w określonym punkcie w układzie. W oparciu o trójkątne prawo sinusoidalne, momenty mogą być wyrażone matematycznie. Łącząc te momenty, można określić całkowity moment obrotowy wywierany na punkt. Ta analiza ujawnia, że ​​gdy kąt obrotu jest mniejszy niż 90 stopni, sprężyny wywierają moment obrotowy w tym samym kierunku co kąt obrotu, powodując w ten sposób obrotową sztywność ujemną.

Aby ustalić dokładny model Elastycznego zawiasu zerowej sztyfmy, kluczowe jest analiza właściwości mechanicznych uogólnionego elastycznego zawiasu. Ta analiza uwzględnia różne czynniki, takie jak wpływ siły promieniowej i czyste obciążenie skrętne na sztywność skrętną zawiasu. Rozumiejąc te czynniki, można obliczyć bezwymiarową sztywność skrętną zawiasów. Model konceptualny elastycznego zawiasu zerowej sztyfty można następnie uzyskać, zastępując obrotowe sprężyny i bilansowe sprężyny w modelu sztywności ujemnej obrotowej. Ten model koncepcyjny jest symetryczny, umożliwiający analizę rotacji w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara ruchomej platformy.

Aby zweryfikować dokładność modelu teoretycznego, przeprowadzana jest analiza elementów skończonych za pomocą oprogramowania ANSYS. Analiza polega na symulowaniu i analizie charakterystyki kąta momentu rotacji elastycznego zawiasu zerowej sztyfu. Wyniki są następnie porównywane z obliczeniami teoretycznymi. Symulacja jest wykonywana na zawiasach o różnych parametrach, a sztywność sprężyny równowagi jest stopniowo dostosowywana, aż sztywność zawiasu zostanie zmniejszona do zera. Porównując wyniki symulacji i obliczenia teoretyczne, potwierdzono, że model teoretyczny dokładnie reprezentuje zachowanie elastycznego zawiasu zerowej sztyfu.

Ponadto badana jest wykonalność wykorzystania sprężyn liściowych jako sprężyn bilansowych w elastycznych zawiasach zerowych. W tym celu ustalono model elementu skończonego, a wyniki symulacji są porównywane z wynikami uzyskanymi przy użyciu elementu Combine14. Wyniki ponownie potwierdzają dokładność i niezawodność modelu teoretycznego.

Podsumowując, zastosowanie obrotowej sztywności ujemnej do zrównoważenia dodatniej sztywności w elastycznych zawiasach pozwala na tworzenie elastycznych systemów zawiasów zero. Systemy te oferują wiele zalet, w tym zmniejszony moment obrotowy jazdy, lepszą wydajność transmisji siły i zwiększoną wydajność wykorzystania energii. Analizowane są dwie różne metody bilansu, a mianowicie sprężyny bilansowe i sprężyny pojedyncze bilansu i określono ich statyczne warunki równowagi. Wyniki teoretyczne są następnie weryfikowane poprzez analizę elementów skończonych. Badanie potwierdza, że ​​metoda sprężyny podwójnej równowagi jest odpowiednia dla scenariuszy, w których siła promieniowa nie wpływa na sztywność zawiasu, podczas gdy model sprężyny pojedynczej równowagi ma szerszy zakres zastosowań. Jednak zwartość przestrzeni tego ostatniego modelu jest nieco zagrożona, co wymaga kompleksowego rozważenia podczas projektowania strukturalnego. Ogólnie rzecz biorąc, badania dotyczące elastycznych zawiasów zerowej sztyfmy i ich zastosowania mają znaczące znaczenie w rozwoju elastycznych mechanizmów.