Tính toán linh hoạt và phân tích hiệu suất của một hybri hình tròn thẳng một mặt mới

Tóm tắt:

Bản lề linh hoạt đã đạt được sự phổ biến đáng kể trong lĩnh vực các hệ thống cơ điện tử (MEMS). Bài viết này giới thiệu một loại bản lề linh hoạt mới lạ, cụ thể là bản lề linh hoạt hình vòng tròn thẳng một mặt. Tận dụng định lý thứ hai của Karl, một công thức tính toán cho tính linh hoạt của bản lề linh hoạt lai tròn và hình elip được đề xuất. Công thức dẫn xuất được xác nhận thông qua phân tích phần tử hữu hạn và phân tích so sánh. Tác động của từng tham số cấu trúc của bản lề linh hoạt lai đơn phương đối với tính linh hoạt của nó được phân tích. Hơn nữa, một so sánh được thực hiện với bản lề linh hoạt lai thẳng đứng hai mặt để chứng minh khả năng quay vượt trội và độ nhạy tải của thiết kế đơn phương. Đề xuất bản lề linh hoạt lai đơn phương trình bày một con đường mới cho các ứng dụng kỹ thuật yêu cầu các cấu trúc nhỏ gọn và chuyển vị lớn.

Sự ra đời của công nghệ cơ điện tử, kỹ thuật hàng không vũ trụ và kỹ thuật sinh học đã nhấn mạnh những hạn chế của các cơ chế cứng nhắc truyền thống trong việc đáp ứng các yêu cầu thiết kế và sử dụng. Các cơ chế linh hoạt cung cấp nhiều lợi thế như kích thước nhỏ, không có ma sát cơ học, không có khoảng trống và độ nhạy chuyển động cao. Điều này đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi của họ trong các ngành khác nhau, bao gồm máy móc, robot, máy tính, điều khiển tự động và đo lường chính xác. Thành phần chính của các cơ chế linh hoạt là bản lề linh hoạt, giúp loại bỏ chuyển động bị mất và ma sát cơ học thông qua các tính chất biến dạng đàn hồi và tự phục hồi, cho phép độ phân giải dịch chuyển cao hơn. Bản lề linh hoạt của một trục được phân loại thành nhiều hình dạng khác nhau, chẳng hạn như ARC, góc dẫn, hình elip, parabola và hyperbola. Trong số đó, các loại góc và góc dẫn thẳng được sử dụng rộng rãi do các cấu trúc đơn giản của chúng. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng nhất định trong đó không gian bị hạn chế, bản lề linh hoạt một mặt đã nổi lên như một lựa chọn ưa thích, tìm kiếm tiện ích trong đo lường và định vị chính xác.

Phương pháp:

Dựa trên nghiên cứu đã nói ở trên, nghiên cứu này đề xuất một loại bản lề linh hoạt mới được gọi là bản lề linh hoạt lai đơn phương, kết hợp các lợi thế của bản lề linh hoạt lai và đơn phương. Công thức tính toán linh hoạt cho bản lề này được lấy dựa trên định lý thứ hai của Karl và hiệu suất của nó được xác minh thông qua phân tích phần tử hữu hạn. Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của các thông số cấu trúc khác nhau đến tính linh hoạt của bản lề.

Kết quả và thảo luận:

Công thức tính toán linh hoạt cho bản lề linh hoạt của hình tròn đơn phương-elip-elip chỉ cho thấy tính linh hoạt phụ thuộc vào cả các tham số vật liệu và cấu trúc. Công thức dẫn xuất chứng minh rằng các tham số linh hoạt tỷ lệ nghịch với chiều rộng của bản lề, trong khi các tham số như bán kính điều khiển thẳng, trục bán động hình Ellipse, trục bán cấp và độ dày tối thiểu cũng ảnh hưởng đến tính linh hoạt. Thông qua phân tích, người ta quan sát thấy tính linh hoạt giảm khi sự gia tăng trục bán cấp của hình elip, tăng khi giảm độ dày tối thiểu và thay đổi không tuyến tính với độ dày khác nhau. Ảnh hưởng của độ dày tối thiểu đến tính linh hoạt được tìm thấy có ý nghĩa hơn so với các thông số khác.

Một so sánh được rút ra giữa bản lề linh hoạt hybrid hình tròn đơn phương đơn phương và bản lề linh hoạt hybrid hình vòng tròn thẳng hai mặt được đề xuất trong tài liệu trước. Tính linh hoạt được xác định là đặc điểm quan trọng nhất của bản lề linh hoạt và tỷ lệ linh hoạt tương đối, được ký hiệu là CDAY, được giới thiệu để so sánh hai thiết kế bản lề. Phân tích cho thấy bản lề linh hoạt lai đơn phương thể hiện khả năng quay lớn hơn và độ nhạy tải so với thiết kế song phương. Tính linh hoạt của bản lề linh hoạt lai đơn phương cao hơn khoảng 1,37 lần so với thiết kế song phương.

Nghiên cứu này trình bày một phân tích toàn diện về bản lề linh hoạt lai đơn phương, một thiết kế bản lề linh hoạt sáng tạo cung cấp các cấu trúc nhỏ gọn và chuyển vị lớn. Công thức tính toán linh hoạt dẫn xuất được xác nhận thông qua phân tích phần tử hữu hạn, chứng minh lỗi trong vòng 8%. Ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến tính linh hoạt được phân tích, với độ dày tối thiểu của bản lề được xác định là tham số có ảnh hưởng nhất. Hơn nữa, một so sánh với bản lề linh hoạt lai song phương làm nổi bật hiệu suất vượt trội của thiết kế đơn phương về khả năng quay và độ nhạy tải. Bản lề linh hoạt lai đơn phương được đề xuất mở ra các khả năng mới cho ứng dụng kỹ thuật của bản lề linh hoạt trong các ngành công nghiệp khác nhau.