Design und Analyse eines neuen geraden runden flexiblen Scharniers_Scharnierwissen

Überarbeitet

Abstrakt:

Um ein flexibles Scharnier mit verbesserter Flexibilität und höherer Rotationspräzision zu erreichen, wurde ein neuartiges Design für ein gerades kreisförmiges flexibles Scharnier entwickelt. Die Flexibilität, Präzision und Ermüdungslebensdauer dieses neuen Scharniers wurden mit einem herkömmlichen geraden, kreisförmigen flexiblen Scharnier verglichen und analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass das neue gerade kreisförmige flexible Scharnier im Vergleich zum herkömmlichen Scharnier eine größere Flexibilität und eine höhere Drehgenauigkeit aufwies. Die Ermüdungslebensdauer beider Scharniere ist nahezu unendlich. Insgesamt übertraf das neue flexible Scharnier das herkömmliche Scharnier und erfüllte die Designanforderungen.

1.

Flexible Scharniere waren aufgrund ihrer Anwendung in mikroelektromechanischen Systemen, Präzisionsinstrumenten und Mikromanipulation Gegenstand umfangreicher Forschung. Diese Scharniere sind klein, spaltfrei, frei von mechanischer Reibung und äußerst empfindlich. Forscher haben Interesse an der Gestaltung flexibler Scharniere gezeigt [1-3]. Zu den kritischen Eigenschaften flexibler Scharniere gehören Steifigkeit (Flexibilität), Präzision und Spannungseigenschaften [4-5]. Da flexible Scharniere im Vergleich zu starren Strukturen anfällig für Ermüdungsversagen sind, ist eine Ermüdungsanalyse während der Entwurfsphase erforderlich [6-7].

In diesem Artikel wird ein neues Design für ein gerades kreisförmiges flexibles Scharnier vorgestellt. Die Flexibilität, Präzision und Ermüdungslebensdauer dieses Scharniers werden mit der Finite-Elemente-Software Workbench 15.0 analysiert. Die Leistung des neuen Scharniers wird mit der des herkömmlichen geraden, kreisförmigen, flexiblen Scharniers verglichen.

2. Scharnierleistungsanalyse

Um ein zuverlässiges flexibles Scharnier zu entwerfen, ist es wichtig, seine grundlegenden Eigenschaften zu analysieren. Zu den wichtigsten Leistungsparametern eines flexiblen Scharniers gehören Flexibilität, Präzision und Ermüdungslebensdauer.

2.1 Flexibilitätsanalyse

Flexibilität (Steifigkeit) ist ein entscheidender Konstruktionsparameter für flexible Scharniere. Gleichung (1) zeigt, dass bei konstanten anderen Parametern eine kleinere Scharnierbreite (b) zu einer größeren Flexibilität führt. Daher weist das neue gerade kreisförmige flexible Scharnier mit einer schmaleren Schnittbreite (b1) eine verbesserte Flexibilität auf. Um die Flexibilität der beiden Scharniere zu überprüfen, wurde eine Finite-Elemente-Analyse mit Workbench 15.0 durchgeführt. Für beide Scharniere wurden die gleichen Materialeigenschaften, Belastungen und Randbedingungen angewendet. Als Material für das Scharniermodell wurde Edelstahl mit einem Elastizitätsmodul von 190 GPa und einer Poissonzahl von 0,305 gewählt. Die Abmessungen des herkömmlichen geraden kreisförmigen flexiblen Scharniers waren: Scharnierlänge (a) = 30 mm, Breite (b) = 10 mm, Höhe (h) = 10 mm, Mindestdicke (t) = 1 mm und Bogenradius (r ) = 4,5 mm

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