แบบจำลองจลนศาสตร์และการวิจัยประสิทธิภาพของศูนย์ความแข็งข้ามกกกกที่ยืดหยุ่นบานพับที่ยืดหยุ่น

กลไกที่ยืดหยุ่นเป็นแนวคิดที่ก้าวล้ำในด้านกลศาสตร์เนื่องจากใช้ประโยชน์จากการเสียรูปแบบยืดหยุ่นของวัสดุเพื่อส่งการเคลื่อนที่แรงหรือพลังงาน กลไกนี้ได้รับความนิยมในอุตสาหกรรมต่าง ๆ รวมถึงการวางตำแหน่งที่แม่นยำการประมวลผล MEMS และการบินและอวกาศเนื่องจากข้อได้เปรียบมากมายเช่นการเสียดสีเป็นศูนย์การทำงานที่ไร้รอยต่อการบำรุงรักษาง่ายความละเอียดสูงและความสามารถในการประมวลผลแบบบูรณาการ

อย่างไรก็ตามกลไกที่เข้มงวดแบบดั้งเดิมยังคงครองตลาดเนื่องจากข้อ จำกัด บางประการของกลไกที่ยืดหยุ่น หนึ่งในข้อ จำกัด เหล่านี้คือความแข็งในเชิงบวกที่เกิดขึ้นในทิศทางการทำงานในระหว่างการกระทำของกลไก ความแข็งในเชิงบวกนี้ต้องการแรงผลักดันที่ใหญ่ขึ้นและข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับผู้ขับขี่ซึ่งในที่สุดก็ช่วยลดประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงาน ข้อบกพร่องเหล่านี้ขัดขวางการใช้กลไกที่ยืดหยุ่นในวงกว้าง

เพื่อเอาชนะผลข้างเคียงของความแข็งในเชิงบวกนักวิชาการหลายคนได้แนะนำแนวคิดของความแข็งเป็นศูนย์ในกลไกที่ยืดหยุ่น โดยการใช้ความแข็งเชิงลบอย่างชาญฉลาดเพื่อชดเชยความแข็งในเชิงบวกกลไกที่มีความแข็งเป็นศูนย์สามารถทำได้ ระบบดังกล่าวหรือที่เรียกว่ากลไกความสมดุลแบบคงที่ที่ยืดหยุ่นสามารถบรรลุสถานะสมดุลคงที่ ณ จุดใดก็ได้ในช่วงของการเคลื่อนไหว กลไกประเภทนี้มีข้อดีหลายประการรวมถึงประสิทธิภาพการส่งกำลังที่ยอดเยี่ยมความสามารถในการใช้งานกับแรงผลักดันที่เล็กลงและประสิทธิภาพการส่งพลังงานสูง ดังนั้นการวิจัยมุ่งเน้นในด้านกลไกความสมดุลแบบคงที่ที่ยืดหยุ่นได้ส่วนใหญ่อยู่ในหนีบไมโครที่มีความยืดหยุ่น

ในบรรดาองค์ประกอบต่าง ๆ ของกลไกที่ยืดหยุ่นนั้นบานพับที่ยืดหยุ่นได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากลักษณะพิเศษของพวกเขา การเดินทางแบบสัมพัทธ์ของบานพับที่มีความยืดหยุ่นข้ามกันทั่วไปนั้นค่อนข้างสั้นทำให้มีค่าสูงสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ดังนั้นบานพับที่มีความยืดหยุ่นเป็นศูนย์ที่ใช้งานอยู่บนพื้นฐานของการออกแบบนี้ได้กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการสร้างกลไกความสมดุลแบบคงที่ที่ซับซ้อนที่ซับซ้อนทำให้การวิจัยมีความสำคัญสูง

เพื่อให้ได้ลักษณะความแข็งของศูนย์ในบานพับที่ยืดหยุ่นจำเป็นต้องชดเชยความแข็งในเชิงบวกของแรงบิดด้วยความแข็งเชิงลบแบบหมุน ในเรื่องนี้แบบจำลองความแข็งเชิงลบแบบหมุนได้ได้รับการพัฒนา แบบจำลองเกี่ยวข้องกับการใช้สปริงใบไม้ที่ประกอบด้วยกกสองอันที่ทับซ้อนกันหนึ่งอันแก้ไขและอื่น ๆ ฟรี เมื่อการเสียรูปของปลายเปิดมีขนาดค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับความยาวของกกสปริงแสดงความเป็นเส้นตรงที่ดีและสามารถวิเคราะห์เป็นสปริงที่มีความยาวเป็นศูนย์

การวิเคราะห์แบบจำลองความแข็งเชิงลบแบบหมุนจะพิจารณาแรงบิดที่กระทำโดยสปริงทั้งสองบนจุดเฉพาะในระบบ ขึ้นอยู่กับกฎหมายไซน์สามเหลี่ยมแรงบิดสามารถแสดงทางคณิตศาสตร์ได้ ด้วยการรวมแรงบิดเหล่านี้แรงบิดทั้งหมดที่กระทำบนจุดสามารถกำหนดได้ การวิเคราะห์นี้แสดงให้เห็นว่าเมื่อมุมของการหมุนน้อยกว่า 90 องศาสปริงจะออกแรงบิดในทิศทางเดียวกับมุมการหมุนจึงสร้างความแข็งเชิงลบแบบหมุนได้

ในการสร้างแบบจำลองบานพับที่ยืดหยุ่นเป็นศูนย์ที่แม่นยำเป็นสิ่งสำคัญในการวิเคราะห์คุณสมบัติเชิงกลของบานพับที่ยืดหยุ่นข้ามแบบข้ามรีดทั่วไป การวิเคราะห์นี้พิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่นอิทธิพลของแรงรัศมีและภาระการบิดตัวบริสุทธิ์ต่อความแข็งบิดของบานพับ โดยการทำความเข้าใจกับปัจจัยเหล่านี้สามารถคำนวณความแข็งของบานพับแบบไม่มีมิติของบานพับได้ แบบจำลองแนวคิดของบานพับที่มีความยืดหยุ่นเป็นศูนย์นั้นสามารถรับได้โดยการแทนที่คู่หมุนและสปริงสมดุลในรูปแบบความแข็งเชิงลบเชิงลบแบบหมุน แบบจำลองแนวคิดนี้มีความสมมาตรทำให้สามารถวิเคราะห์การหมุนทวนเข็มนาฬิกาของแพลตฟอร์มที่เคลื่อนไหวได้

ในการตรวจสอบความถูกต้องของแบบจำลองทางทฤษฎีให้ทำการวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด โดยใช้ซอฟต์แวร์ ANSYS การวิเคราะห์เกี่ยวข้องกับการจำลองและวิเคราะห์ลักษณะมุมของมุมหมุนช่วงเวลาของบานพับที่ยืดหยุ่นเป็นศูนย์ ผลลัพธ์จะถูกเปรียบเทียบกับการคำนวณเชิงทฤษฎี การจำลองจะดำเนินการบนบานพับที่มีพารามิเตอร์ที่แตกต่างกันและความแข็งของสปริงสมดุลจะค่อยๆปรับจนกว่าความแข็งของบานพับจะลดลงเป็นศูนย์ โดยการเปรียบเทียบผลการจำลองและการคำนวณเชิงทฤษฎีมันได้รับการยืนยันว่าแบบจำลองเชิงทฤษฎีแสดงถึงพฤติกรรมของบานพับที่ยืดหยุ่นเป็นศูนย์

นอกจากนี้ยังมีการสำรวจความเป็นไปได้ของการใช้ใบไม้สปริงเป็นสปริงสมดุลในบานพับที่มีความยืดหยุ่นเป็นศูนย์ โมเดลไฟไนต์เอลิเมนต์ถูกสร้างขึ้นเพื่อจุดประสงค์นี้และผลการจำลองจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับที่ได้รับโดยใช้องค์ประกอบ Combine14 ผลลัพธ์ตรวจสอบความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของแบบจำลองทางทฤษฎีอีกครั้ง

โดยสรุปการใช้ความแข็งเชิงลบแบบหมุนเพื่อชดเชยความแข็งในเชิงบวกในบานพับที่ยืดหยุ่นช่วยให้การสร้างระบบบานพับที่ยืดหยุ่นเป็นศูนย์ ระบบเหล่านี้มีข้อได้เปรียบมากมายรวมถึงแรงบิดในการขับขี่ลดประสิทธิภาพการส่งผ่านแรงที่ดีขึ้นและประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น วิธีการสมดุลที่แตกต่างกันสองวิธีคือสปริงสมดุลสองเท่าและสปริงสมดุลเดี่ยวได้รับการวิเคราะห์และกำหนดเงื่อนไขดุลยภาพคงที่ของพวกเขา ผลลัพธ์ทางทฤษฎีจะได้รับการตรวจสอบผ่านการวิเคราะห์องค์ประกอบ จำกัด การศึกษายืนยันว่าวิธีสปริงสมดุลสองครั้งเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่แรงเรเดียลไม่ส่งผลกระทบต่อความแข็งของบานพับในขณะที่โมเดลสปริงสมดุลเดียวมีช่วงการใช้งานที่กว้างขึ้น อย่างไรก็ตามความกะทัดรัดของพื้นที่ตามแนวแกนของโมเดลนั้นค่อนข้างถูกบุกรุกซึ่งจำเป็นต้องมีการพิจารณาที่ครอบคลุมในระหว่างการออกแบบโครงสร้าง โดยรวมการวิจัยเกี่ยวกับบานพับที่ยืดหยุ่นเป็นศูนย์และแอปพลิเคชันของพวกเขามีความสำคัญอย่างยิ่งในการพัฒนากลไกที่ยืดหยุ่น