Kinematický model a Výskum výkonu nulovej tuhosti krížom Reed Flexibilné vedomosti Hinge_inge

Flexibilný mechanizmus je priekopnícky koncept v oblasti mechaniky, pretože využíva elastickú deformáciu materiálov na prenos pohybu, sily alebo energie. Tento mechanizmus získal popularitu v rôznych odvetviach, vrátane presného umiestnenia, spracovania MEMS a letectva, kvôli početným výhodám, ako je nulové trenie, bezproblémová prevádzka, ľahká údržba, vysoké rozlíšenie a integrované schopnosti spracovania.

Tradičné tuhé mechanizmy však stále dominujú na trhu v dôsledku určitých obmedzení flexibilného mechanizmu. Jednou z týchto obmedzení je pozitívna tuhosť, ktorá sa vyskytuje vo funkčnom smere počas pôsobenia mechanizmu. Táto pozitívna tuhosť vyžaduje väčšiu hnaciu silu a prísne požiadavky na vodiča, čo v konečnom dôsledku znižuje účinnosť prenosu energie. Tieto nedostatky bránili širšiemu uplatňovaniu flexibilného mechanizmu.

Na prekonanie nepriaznivých účinkov pozitívnej stuhnutosti mnohí vedci zaviedli do flexibilného mechanizmu koncept nulovej stuhnutosti. Dômyselným použitím negatívnej tuhosti na kompenzáciu pozitívnej tuhosti je možné dosiahnuť mechanizmus s nulovou tuhosťou. Taký systém, známy tiež ako flexibilný mechanizmus statickej vyváženia, môže dosiahnuť statický rovnovážny stav v ktoromkoľvek bode rozsahu pohybu. Tento typ mechanizmu ponúka niekoľko výhod, vrátane vynikajúceho výkonu prenosu sily, schopnosti pracovať s menšími hnacími silami a účinnosť prenosu s vysokou energetickou prenosom. V dôsledku toho sa výskumné zameranie v oblasti flexibilných mechanizmov statickej vyváženia týkalo hlavne flexibilných mikro svoriek.

Medzi rôznymi zložkami flexibilných mechanizmov sa flexibilné pánty venovali značná pozornosť kvôli ich výnimočným charakteristikám. Relatívne cestovanie zovšeobecnených krížových flexibilných pántov je relatívne krátke, čo ich robí veľmi cennými pre širokú škálu aplikácií. V dôsledku toho sa flexibilný pánt nulového zákruty na základe tohto návrhu stal preferovanou voľbou na konštrukciu komplexných flexibilných mechanizmov statickej rovnováhy, čo robí jeho výskum veľmi významným.

Na dosiahnutie charakteristík nulovej tuhosti v flexibilných pántoch je potrebné vyrovnať torznú pozitívnu tuhosť pomocou rotačnej negatívnej tuhosti. V tejto súvislosti bol vyvinutý model rotačnej negatívnej tuhosti. Model zahŕňa použitie listovej pružiny zloženej z dvoch prekrývajúcich sa trstiny, jeden pevné a druhý zadarmo. Ak je deformácia úvodného konca relatívne malá v porovnaní s dĺžkou trstiny, pružina vykazuje dobrú linearitu a dá sa analyzovať ako pružina nulovej dĺžky.

Analýza modelu rotačnej negatívnej tuhosti zohľadňuje krútiace momenty, ktoré sú dva pružiny v konkrétnom bode v systéme. Na základe zákona o trojuholníkovom sínusu sa momenty môžu vyjadriť matematicky. Kombináciou týchto krútiacich momentov je možné určiť celkový krútiaci moment v bode. Táto analýza ukazuje, že keď je uhol rotácie menší ako 90 stupňov, pružiny vyvíjajú krútiaci moment v rovnakom smere ako uhol rotácie, čím sa vytvára rotačná negatívna tuhosť.

Na stanovenie presného modelu flexibilného závesu s nulovým naplnením je rozhodujúce analyzovať mechanické vlastnosti zovšeobecneného krížového flexibilného závesu. Táto analýza zvažuje rôzne faktory, ako je vplyv radiálnej sily a čisté torzné zaťaženie na torznú tuhosť závesu. Pochopením týchto faktorov je možné vypočítať torznú stuhnutosť pántov bez rozmerov. Koncepčný model flexibilného závesu s nulovým naplnením sa potom dá získať nahradením revolvingových párov a vyvážených pružín v modeli rotačnej negatívnej tuhosti. Tento koncepčný model je symetrický, čo umožňuje analýzu rotácie pohyblivej platformy proti smeru hodinových ručičiek.

Na overenie presnosti teoretického modelu sa vykonáva analýza konečných prvkov pomocou softvéru ANSYS. Analýza zahŕňa simuláciu a analýzu charakteristík uhla momentu rotácie flexibilného závesu s nulovým napätím. Výsledky sa potom porovnávajú s teoretickými výpočtami. Simulácia sa vykonáva na pántoch s rôznymi parametrami a tuhosť vyváženej pružiny sa postupne upravuje, až kým sa tuhosť závesu nezníži na nulu. Porovnaním výsledkov simulácie a teoretických výpočtov sa potvrdzuje, že teoretický model presne predstavuje správanie flexibilného závesu nulového naplnenia.

Ďalej sa skúma uskutočniteľnosť použitia listových pružín ako vyváženia pružiny v nulovom naplnení flexibilných pántov. Na tento účel je stanovený model konečných prvkov a výsledky simulácie sa porovnávajú s výsledkami získanými pomocou prvku Combine14. Výsledky opäť overujú presnosť a spoľahlivosť teoretického modelu.

Záverom je, že použitie rotačnej negatívnej tuhosti na kompenzáciu pozitívnej tuhosti v flexibilných pántoch umožňuje vytvorenie flexibilných systémov pántového závesu. Tieto systémy ponúkajú početné výhody vrátane zníženého krútiaceho momentu hnacieho momentu, zlepšeného výkonu prenosu sily a zvýšenej účinnosti využitia energie. Analyzujú sa dve rôzne metódy vyváženia, konkrétne dvojité vyvážené pružiny a pružiny s jednoduchým vyvážením, a určujú sa ich statické rovnovážné podmienky. Teoretické výsledky sa potom overujú analýzou konečných prvkov. Štúdia potvrdzuje, že metóda na pružinu s dvojitým vyvážením je vhodná pre scenáre, v ktorých radiálna sila nemá vplyv na tuhosť závesu, zatiaľ čo model na pružine s jedným vyvážením má širší rozsah aplikácií. Kompaktnosť axiálneho priestoru tohto modelu je však trochu ohrozená, čo si vyžaduje komplexné zváženie počas štrukturálneho návrhu. Celkovo má výskum flexibilných závesov s nulovým splnom a ich aplikácie výrazný význam pri rozvíjaní oblasti flexibilných mechanizmov.