Modelo cinemático e pesquisa de desempenho da rigidez zero cruzamento de junco flexível de dobradiça

O mecanismo flexível é um conceito inovador no campo da mecânica, pois utiliza a deformação elástica dos materiais para transmitir movimento, força ou energia. Esse mecanismo ganhou popularidade em vários setores, incluindo posicionamento de precisão, processamento de MEMS e aeroespacial, devido a suas inúmeras vantagens, como atrito zero, operação perfeita, manutenção fácil, alta resolução e recursos de processamento integrado.

No entanto, os mecanismos rígidos tradicionais ainda dominam o mercado devido a certas limitações do mecanismo flexível. Uma dessas limitações é a rigidez positiva que ocorre na direção funcional durante a ação do mecanismo. Essa rigidez positiva requer uma força motriz maior e requisitos rígidos ao motorista, o que reduz a eficiência da transferência de energia. Essas deficiências impediram a aplicação mais ampla do mecanismo flexível.

Para superar os efeitos adversos da rigidez positiva, muitos estudiosos introduziram o conceito de rigidez zero no mecanismo flexível. Ao usar inteligentemente a rigidez negativa para compensar a rigidez positiva, pode ser alcançado um mecanismo com rigidez zero. Esse sistema, também conhecido como mecanismo de equilíbrio estático flexível, pode obter um estado de equilíbrio estático em qualquer ponto da amplitude de movimento. Esse tipo de mecanismo oferece várias vantagens, incluindo excelente desempenho de transmissão de força, a capacidade de operar com forças motrizes menores e alta eficiência de transmissão de energia. Consequentemente, o foco da pesquisa no campo de mecanismos flexíveis de equilíbrio estático tem sido principalmente em microflações flexíveis.

Entre os vários componentes dos mecanismos flexíveis, as dobradiças flexíveis receberam atenção significativa devido às suas características excepcionais. A viagem relativa de dobradiças flexíveis generalizadas é relativamente curta, tornando-as altamente valiosas para uma ampla gama de aplicações. Consequentemente, a dobradiça flexível de ginástica zero com base nesse projeto tornou-se a escolha preferida para a construção de mecanismos de equilíbrio estático flexíveis complexos, tornando sua pesquisa altamente significativa.

Para obter características de rigidez zero em dobradiças flexíveis, é necessário compensar a rigidez positiva torcional com rigidez negativa rotacional. Nesse sentido, um modelo de rigidez negativa rotacional foi desenvolvido. O modelo envolve o uso de uma mola foliar composta por dois juncos sobrepostos, um fixo e outro livre. Quando a deformação da extremidade de abertura é relativamente pequena em comparação com o comprimento da palheta, a mola exibe boa linearidade e pode ser analisada como uma mola de comprimento zero.

A análise do modelo de rigidez negativa rotacional considera os torques exercidos pelas duas molas em um ponto específico no sistema. Com base na lei triangular senoidal, os torques podem ser expressos matematicamente. Ao combinar esses torques, o torque total exercido no ponto pode ser determinado. Esta análise revela que, quando o ângulo de rotação é inferior a 90 graus, as molas exercem um torque na mesma direção que o ângulo de rotação, criando assim rigidez negativa rotacional.

Para estabelecer um modelo preciso de dobradiça flexível com gentileza zero, é crucial analisar as propriedades mecânicas da dobradiça flexível generalizada. Essa análise considera vários fatores, como a influência da força radial e a carga de torção pura na rigidez torcional da dobradiça. Ao entender esses fatores, a rigidez torcional sem dimensão das dobradiças pode ser calculada. O modelo conceitual da dobradiça flexível de gentileza zero pode ser obtida substituindo o par rotativo e as molas de equilíbrio no modelo de rigidez negativa rotacional. Esse modelo conceitual é simétrico, permitindo a análise da rotação no sentido anti -horário da plataforma móvel.

Para verificar a precisão do modelo teórico, é realizada análise de elementos finitos usando o software ANSYS. A análise envolve simular e analisar as características do ângulo de rotação do momento da dobradiça flexível da gnique zero. Os resultados são então comparados aos cálculos teóricos. A simulação é realizada em dobradiças com diferentes parâmetros, e a rigidez da mola de equilíbrio é gradualmente ajustada até que a rigidez da dobradiça seja reduzida a zero. Ao comparar os resultados da simulação e os cálculos teóricos, confirma-se que o modelo teórico representa com precisão o comportamento da dobradiça flexível da obra zero.

Além disso, é explorada a viabilidade do uso de molas de folhas como molas de equilíbrio em dobradiças flexíveis de gentileza zero. Um modelo de elemento finito é estabelecido para esse fim e os resultados da simulação são comparados aos obtidos usando o elemento Combine14. Os resultados mais uma vez validam a precisão e a confiabilidade do modelo teórico.

Em conclusão, o uso da rigidez negativa rotacional para compensar a rigidez positiva em dobradiças flexíveis permite a criação de sistemas de dobradiças flexíveis de ginja zero. Esses sistemas oferecem inúmeras vantagens, incluindo o torque de direção reduzido, o melhor desempenho da transmissão de força e o aumento da eficiência da utilização de energia. Dois métodos de equilíbrio diferentes, ou seja, molas de equilíbrio duplo e molas de equilíbrio único, são analisadas e suas condições estáticas de equilíbrio são determinadas. Os resultados teóricos são então verificados através da análise de elementos finitos. O estudo confirma que o método da mola de equilíbrio duplo é adequado para cenários em que a força radial não afeta a rigidez da dobradiça, enquanto o modelo de mola de equilíbrio único tem uma ampla gama de aplicações. No entanto, a compactação do espaço axial do último modelo é um pouco comprometida, necessitando de consideração abrangente durante o projeto estrutural. No geral, a pesquisa sobre dobradiças flexíveis e suas aplicações tem uma importância significativa no avanço do campo de mecanismos flexíveis.