Kinematični model in raziskave zmogljivosti ničelne togosti navzkrižno trstično fleksibilno tečaje_hinge znanje

Prilagodljiv mehanizem je prelomni koncept na področju mehanike, saj uporablja elastično deformacijo materialov za prenos gibanja, sile ali energije. Ta mehanizem je pridobil priljubljenost v različnih panogah, vključno z natančnostjo pozicioniranjem, obdelavo MEMS in vesoljskim prostorom, zaradi številnih prednosti, kot so nič trenja, brezhibno delovanje, enostavno vzdrževanje, visoko ločljivost in integrirane zmogljivosti obdelave.

Vendar tradicionalni togi mehanizmi še vedno prevladujejo na trgu zaradi določenih omejitev fleksibilnega mehanizma. Ena od teh omejitev je pozitivna togost, ki se pojavi v funkcionalni smeri med delovanjem mehanizma. Ta pozitivna togost zahteva večjo gonilno silo in stroge zahteve voznika, kar na koncu zmanjša učinkovitost prenosa energije. Te pomanjkljivosti so ovirale širšo uporabo prilagodljivega mehanizma.

Da bi premagali neželene učinke pozitivne togosti, so številni znanstveniki uvedli koncept ničelne togosti v prilagodljiv mehanizem. S pametno uporabo negativne togosti za izravnavo pozitivne togosti je mogoče doseči mehanizem z ničelno togostjo. Tak sistem, znan tudi kot prilagodljiv mehanizem statičnega ravnovesja, lahko doseže statično ravnotežno stanje na kateri koli točki v območju gibanja. Ta vrsta mehanizma ponuja več prednosti, vključno z odličnimi zmogljivostmi prenosa sile, zmožnostjo delovanja z manjšimi gonilnimi silami in visoko učinkovitostjo prenosa energije. Posledično je raziskovalna osredotočenost na področju prilagodljivih mehanizmov statičnega ravnovesja predvsem na prožnih mikro-sponkah.

Med različnimi komponentami fleksibilnih mehanizmov so bili fleksibilni tečaji deležni veliko pozornosti zaradi izjemnih značilnosti. Relativno potovanje posplošenih navzkrižnih fleksibilnih tečajev je razmeroma kratko, zaradi česar so zelo dragocene za široko paleto aplikacij. Posledično je prožen tečaj z ničelno stopnjo, ki temelji na tej zasnovi, postala prednostna izbira za oblikovanje kompleksnih fleksibilnih mehanizmov statičnega ravnovesja, zaradi česar so njene raziskave zelo pomembne.

Da bi dosegli značilnosti ničelne togosti v prožnih tečajih, je treba izravnati torzijsko pozitivno togost z rotacijsko negativno togostjo. V zvezi s tem je bil razvit rotacijski model negativne togosti. Model vključuje uporabo listne vzmeti, sestavljene iz dveh prekrivajočih se trstikov, enega pritrjenega in drugega brezplačnega. Ko je deformacija uvodnega konca razmeroma majhna v primerjavi z dolžino trstike, ima vzmet dobro linearnost in jo je mogoče analizirati kot vzmet ničelne dolžine.

Analiza rotacijskega modela negativne togosti upošteva navora, ki jih imata dva vzmeti na določeni točki v sistemu. Na podlagi trikotnega sinusnega zakona je mogoče matematično izraziti navora. S kombiniranjem teh navora je mogoče določiti skupni navor, ki se izvaja na točki. Ta analiza razkriva, da ko je kot vrtenja manjši od 90 stopinj, vzmeti izvajajo navor v isti smeri kot kota vrtenja in tako ustvarijo rotacijsko negativno togost.

Za vzpostavitev natančnega prilagodljivega modela tečajev z ničelnim tokom je ključnega pomena analizirati mehanske lastnosti posplošenega navzkrižnega fleksibilnega tečaja. Ta analiza obravnava različne dejavnike, kot sta vpliv radialne sile in čista torzijska obremenitev na torzijsko togost tečaja. Z razumevanjem teh dejavnikov je mogoče izračunati brezdimenzionalno torzijsko togost tečajev. Konceptualni model prožnega tečaja ničelne točke lahko nato dobimo z nadomeščanjem vrtljivih para in vzmeti ravnotežja v rotacijskem negativnem modelu togosti. Ta konceptualni model je simetričen, kar omogoča analizo vrtenja premikajoče se platforme v nasprotni smeri urinega kazalca.

Za preverjanje natančnosti teoretičnega modela se izvaja analiza končnih elementov z uporabo programske opreme ANSYS. Analiza vključuje simulacijo in analizo značilnosti kota momenta-rotacije fleksibilnega tečaja ničle. Rezultate se nato primerjajo s teoretičnimi izračuni. Simulacija se izvaja na tečajih z različnimi parametri, togost vzmetne ravnotežja pa se postopoma prilagodi, dokler se togost tečaja ne zmanjša na nič. S primerjavo rezultatov simulacije in teoretičnih izračunov je potrjeno, da teoretični model natančno predstavlja obnašanje prožnega tečaja ničelne točke.

Poleg tega se raziskuje izvedljivost uporabe Leaf Springs kot vzmeti za ravnotežje v ničelni točki. V ta namen je vzpostavljen model končnih elementov, rezultati simulacije pa se primerjajo s tistimi, pridobljenimi z elementom kombine14. Rezultati še enkrat potrdijo natančnost in zanesljivost teoretičnega modela.

Za zaključek uporaba rotacijske negativne togosti za izravnavo pozitivne togosti pri prožnih tečajih omogoča ustvarjanje prilagodljivih tečajev z ničelno togostjo. Ti sistemi ponujajo številne prednosti, vključno z zmanjšanim navorom vožnje, izboljšanimi zmogljivostmi prenosa sile in povečano učinkovitostjo porabe energije. Analizirata se dve različni metodi ravnotežja, in sicer dvojne vzmeti in vzmeti z enojnimi ravnotežmi, in določeni so njihovi statični ravnotežni pogoji. Teoretični rezultati se nato preverijo z analizo končnih elementov. Študija potrjuje, da je metoda Spring Double Balance primerna za scenarije, kjer radialna sila ne vpliva na togost tečaja, medtem ko ima enotni vzmetni model v višini širšega obsega aplikacij. Vendar je osna kompaktnost prostora slednjega modela nekoliko ogrožena, kar zahteva celovito upoštevanje med strukturno zasnovo. Na splošno so raziskave prilagodljivih tečajev in njihovih aplikacij pomemben pomen pri napredovanju področja fleksibilnih mehanizmov.