Zusammenfassung: Die Rotationssteifigkeit des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit beträgt ungefähr Null, wodurch der Mangel behoben wird, dass gewöhnliche flexible Scharniere ein Antriebsdrehmoment erfordern, und auf flexible Greifer und andere Bereiche angewendet werden können. Wenn man die flexiblen Innen- und Außenringscharniere unter der Wirkung eines reinen Drehmoments als Subsystem mit positiver Steifigkeit betrachtet, kann der Forschungsmechanismus mit negativer Steifigkeit und passender positiver und negativer Steifigkeit ein flexibles Scharnier mit Nullsteifigkeit konstruieren. Schlagen Sie einen Rotationsmechanismus mit negativer Steifigkeit vor——Kurbelfedermechanismus, Modellierung und Analyse seiner negativen Steifigkeitseigenschaften; Durch den Abgleich positiver und negativer Steifigkeit wurde der Einfluss struktureller Parameter des Kurbelfedermechanismus auf die Qualität der Nullsteifigkeit analysiert. schlug eine lineare Feder mit anpassbarer Steifigkeit und Größe vor——Rautenförmige Blattfederschnur, das Steifigkeitsmodell wurde erstellt und die Finite-Elemente-Simulationsüberprüfung wurde durchgeführt; Schließlich wurden die Konstruktion, Verarbeitung und Prüfung eines kompakten Musters eines flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit abgeschlossen. Die Testergebnisse zeigten, dass: unter der Wirkung des reinen Drehmoments±18°Im Drehwinkelbereich ist die Drehsteifigkeit des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit im Durchschnitt 93 % geringer als die der flexiblen Innen- und Außenringscharniere. Das konstruierte flexible Scharnier ohne Steifigkeit weist eine kompakte Struktur und eine hochwertige Nullsteifigkeit auf. Der vorgeschlagene Rotationsmechanismus mit negativer Steifigkeit und die lineare Feder haben einen großen Referenzwert für die Untersuchung flexibler Mechanismen.

0 Vorwort

Flexibles Scharnier (Lager)

[1-2]

Sie beruht auf der elastischen Verformung der flexiblen Einheit zur Übertragung oder Umwandlung von Bewegung, Kraft und Energie und wird häufig in der Präzisionspositionierung und anderen Bereichen eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen starren Lagern entsteht beim Drehen des flexiblen Scharniers ein Rückstellmoment. Daher muss die Antriebseinheit ein Ausgangsdrehmoment bereitstellen, um die Drehung des flexiblen Scharniers anzutreiben und aufrechtzuerhalten. Flexibles Scharnier ohne Steifigkeit

[3]

(Zero Stiffness Flexural Pivot, ZSFP) ist ein flexibles Drehgelenk, dessen Rotationssteifigkeit ungefähr Null ist. Diese Art von flexiblem Scharnier kann in jeder Position innerhalb des Hubbereichs bleiben und wird auch als flexibles Scharnier mit statischem Gleichgewicht bezeichnet

[4]

werden hauptsächlich in Bereichen wie flexiblen Greifern eingesetzt.

Basierend auf dem modularen Designkonzept des flexiblen Mechanismus kann das gesamte flexible Scharniersystem ohne Steifigkeit in zwei Teilsysteme mit positiver und negativer Steifigkeit unterteilt werden, und das System ohne Steifigkeit kann durch die Abstimmung von positiver und negativer Steifigkeit realisiert werden

[5]

. Unter diesen ist das Subsystem mit positiver Steifigkeit normalerweise ein flexibles Scharnier mit großem Hub, beispielsweise ein flexibles Kreuzrohrscharnier

[6-7]

, verallgemeinertes flexibles Drei-Kreuz-Ried-Scharnier

[8-9]

und flexible Innen- und Außenringscharniere

[10-11]

usw. Derzeit hat die Forschung zu flexiblen Scharnieren viele Ergebnisse erzielt. Daher liegt der Schlüssel zum Entwurf flexibler Scharniere ohne Steifigkeit darin, geeignete negative Steifigkeitsmodule für flexible Scharniere zu finden[3].

Flexible Innen- und Außenringscharniere (Inner and Outer Ring Flexural Pivots, IORFP) weisen hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit, Präzision und Temperaturdrift auf. Das passende negative Steifigkeitsmodul stellt die Konstruktionsmethode des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit bereit und vervollständigt schließlich das Design, die Musterverarbeitung und die Prüfung des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit.

1 Kurbelfedermechanismus

1.1 Definition der negativen Steifigkeit

Die allgemeine Definition der Steifigkeit K ist die Änderungsrate zwischen der vom elastischen Element getragenen Last F und der entsprechenden Verformung dx

K= dF/dx (1)

Wenn der Lastzuwachs des elastischen Elements entgegengesetzt zum Vorzeichen des entsprechenden Verformungszuwachses ist, handelt es sich um eine negative Steifigkeit. Physikalisch entspricht die negative Steifigkeit der statischen Instabilität des elastischen Elements

[12]

.Negative Steifigkeitsmechanismen spielen eine wichtige Rolle im Bereich des flexiblen statischen Gleichgewichts. Normalerweise weisen Mechanismen mit negativer Steifigkeit die folgenden Eigenschaften auf.

(1) Der Mechanismus speichert eine bestimmte Energiemenge oder erfährt eine bestimmte Verformung.

(2) Der Mechanismus befindet sich in einem kritischen Instabilitätszustand.

(3) Wenn der Mechanismus leicht gestört wird und die Gleichgewichtsposition verlässt, kann er eine größere Kraft freisetzen, die in die gleiche Richtung wie die Bewegung geht.

1.2 Konstruktionsprinzip des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit

Das flexible Scharnier ohne Steifigkeit kann durch positive und negative Steifigkeitsanpassung konstruiert werden. Das Prinzip ist in Abbildung 2 dargestellt.

(1) Unter der Wirkung des reinen Drehmoments weisen die flexiblen Innen- und Außenringscharniere eine annähernd lineare Drehmoment-Drehwinkel-Beziehung auf, wie in Abbildung 2a dargestellt. Insbesondere wenn der Schnittpunkt bei 12,73 % der Blattlänge liegt, ist die Beziehung zwischen Drehmoment und Drehwinkel linear

[11]

Zu diesem Zeitpunkt hängt das Rückstellmoment Mpivot (im Uhrzeigersinn) des flexiblen Scharniers vom Lagerdrehwinkel abθ(gegen den Uhrzeigersinn) ist die Beziehung

Mpivot=(8EI/L)θ (2)

In der Formel ist E der Elastizitätsmodul des Materials, L die Länge des Rohrblatts und I das Trägheitsmoment des Abschnitts.

(2) Gemäß dem Rotationssteifigkeitsmodell der flexiblen Innen- und Außenringscharniere ist der Rotationsmechanismus mit negativer Steifigkeit angepasst, und seine negativen Steifigkeitseigenschaften sind in Abbildung 2b dargestellt.

(3) Angesichts der Instabilität des negativen Steifigkeitsmechanismus

[12]

, sollte die Steifigkeit des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit ungefähr Null und größer als Null sein, wie in Abbildung 2c dargestellt.

1.3 Definition des Kurbelfedermechanismus

Laut Literatur [4] kann ein flexibles Scharnier ohne Steifigkeit konstruiert werden, indem eine vorverformte Feder zwischen den beweglichen starren Körper und den festen starren Körper des flexiblen Scharniers eingefügt wird. Für das flexible Innen- und Außenringscharnier gemäß FIG. In 1 ist zwischen dem Innenring und dem Außenring eine Feder eingebracht, d. h. ein Feder-Kurbel-Mechanismus (SCM). Bezogen auf den in Abbildung 3 gezeigten Kurbelschiebermechanismus sind die zugehörigen Parameter des Kurbelfedermechanismus in Abbildung 4 dargestellt. Der Kurbel-Feder-Mechanismus besteht aus einer Kurbel und einer Feder (Stellen Sie die Steifigkeit als k ein). Der Anfangswinkel ist der eingeschlossene Winkel zwischen der Kurbel AB und der Basis AC, wenn die Feder nicht verformt ist. R stellt die Kurbellänge dar, l stellt die Basislänge dar und definiert das Kurbellängenverhältnis als das Verhältnis von r zu l, d.h. = r/l (0<<1).

Die Konstruktion des Kurbel-Feder-Mechanismus erfordert die Bestimmung von 4 Parametern: der Basislänge l, dem Kurbellängenverhältnis, dem Anfangswinkel und der Federsteifigkeit K.

Die Verformung des Kurbelfedermechanismus unter Krafteinwirkung ist in Abbildung 5a im Moment M dargestellt

Γ

Unter der Aktion bewegt sich die Kurbel aus der Ausgangsposition AB

Beta

Wende dich an AB

Γ

, während des Rotationsvorgangs, der eingeschlossene Winkel der Kurbel relativ zur horizontalen Position

Γ

Kurbelwinkel genannt.

Die qualitative Analyse zeigt, dass sich die Kurbel von AB (Ausgangsposition, M) dreht & Gamma; Null) bis AB0 (“toter Punkt”Standort, M

Γ

Null ist), weist der Kurbel-Feder-Mechanismus eine Verformung mit negativen Steifigkeitseigenschaften auf.

1.4 Die Beziehung zwischen Drehmoment und Drehwinkel des Kurbelfedermechanismus

In Abb. 5, das Drehmoment M & Gamma; im Uhrzeigersinn ist positiv, der Kurbelwinkel & Gamma; gegen den Uhrzeigersinn ist positiv, und die Momentenlast M wird unten modelliert und analysiert.

Γ

mit Kurbelwinkel

Γ

Der Zusammenhang zwischen dem Modellierungsprozess ist dimensioniert.

Wie in Abbildung 5b dargestellt, ist die Drehmomentgleichgewichtsgleichung für die Kurbel AB & Gamma wird aufgeführt.

In der Formel F & Gamma; ist die Federrückstellkraft, d & Gamma; ist F & Gamma; zu Punkt A. Nehmen Sie an, dass die Verschiebungs-Last-Beziehung der Feder ist

In der Formel ist K die Federsteifigkeit (nicht unbedingt ein konstanter Wert),δ
xγ

ist das Ausmaß der Federverformung (verkürzt auf positiv),δ
xγ

=|B

Beta

C| – |B

Γ

C|.

Simultantyp (3)(5), Moment M

Γ

mit Ecke

Γ

Die Beziehung ist

1.5 Analyse der negativen Steifigkeitseigenschaften des Kurbel-Feder-Mechanismus

Um die Analyse der negativen Steifigkeitseigenschaften des Kurbel-Feder-Mechanismus (Moment M

Γ

mit Ecke

Γ

Beziehung) kann davon ausgegangen werden, dass die Feder eine lineare positive Steifigkeit aufweist, dann kann Formel (4) umgeschrieben werden als

In der Formel ist Kconst eine Konstante größer als Null. Nachdem die Größe des flexiblen Scharniers bestimmt wurde, wird auch die Länge l der Basis bestimmt. Unter der Annahme, dass l eine Konstante ist, kann Formel (6) daher umgeschrieben werden als

wobei Kconstl2 eine Konstante größer als Null und der Momentkoeffizient m ist & Gamma; hat die Dimension eins. Die negativen Steifigkeitseigenschaften des Kurbel-Feder-Mechanismus können durch Analyse der Beziehung zwischen dem Drehmomentkoeffizienten m ermittelt werden & Gamma; und der Drehwinkel & Gamma.

Aus Gleichung (9) zeigt Abbildung 6 den Anfangswinkel =π Beziehung zwischen m & Gamma; und Kurbellängenverhältnis und Drehwinkel & Gamma;, & isin;[0,1, 0,9],& Gamma;& isin;[0, π]. Abbildung 7 zeigt die Beziehung zwischen m & Gamma; und Drehwinkel & Gamma; für = 0,2 und verschiedene . Abbildung 8 zeigt =π Wenn unter verschiedenen , die Beziehung zwischen m & Gamma; und Winkel & Gamma.

Gemäß der Definition des Kurbelfedermechanismus (Abschnitt 1.3) und der Formel (9) gilt m, wenn k und l konstant sind & Gamma; Bezieht sich nur auf den Winkel & Gamma;, Kurbellängenverhältnis und Kurbelanfangswinkel.

(1) Genau dann, wenn & Gamma; ist gleich 0 oderπ oder ,m & Gamma; ist gleich Null; & Gamma; & isin;[0, ],m & Gamma; ist größer als Null; & Gamma; & ist in;[π],M & Gamma; weniger als Null. & isin;[0, ],m & Gamma; ist größer als Null; & Gamma;& ist in;[π],M & Gamma; weniger als Null.

(2) & Gamma; Wenn [0, ], der Drehwinkel & Gamma; steigt, m & Gamma; steigt von Null bis zum Wendepunktwinkel & gamma;0 nimmt den Maximalwert m an & gamma;max und nimmt dann allmählich ab.

(3) Der negative Steifigkeitsbereich des Kurbelfedermechanismus: & Gamma;& isin;[0, & gamma;0], zu diesem Zeitpunkt & Gamma; steigt (gegen den Uhrzeigersinn) und das Drehmoment M & Gamma; erhöht sich (im Uhrzeigersinn). Der Wendepunktwinkel & gamma;0 ist der maximale Drehwinkel der negativen Steifigkeitscharakteristik des Kurbel-Feder-Mechanismus und & Gamma;0 & isin;[0, ];m & gamma;max ist der maximale negative Momentkoeffizient. Gegeben und ergibt die Ableitung von Gleichung (9). & Gamma;0

(4) Je größer der Anfangswinkel, & Gamma; je größer 0, m

Γmax

größer.

(5) Je größer das Längenverhältnis, & Gamma; die kleinere 0, m

Γmax

größer.

Insbesondere =πDie negativen Steifigkeitseigenschaften des Kurbelfedermechanismus sind am besten (der negative Steifigkeitswinkelbereich ist groß und das Drehmoment, das bereitgestellt werden kann, ist groß). =πGleichzeitig, unter verschiedenen Bedingungen, der maximale Drehwinkel & Gamma der negativen Steifigkeitscharakteristik des Kurbelfedermechanismus; 0 und der maximale negative Drehmomentkoeffizient m & Gamma; Max ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Der Anfangswinkel beträgtπ Der maximale negative Steifigkeitswinkel & gamma;0 und der maximale Momentenbeiwert m bei unterschiedlichen Kurbellängenverhältnissen

Γmax

Parameter

Wert

Kurbellängenverhältnis

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Maximaler Drehwinkel & Gamma;

0
/rad

0.98

0.91

0.84

0.76

0.68

Maximaler Momentenbeiwert m

Γmax

0.013

0.055

0.13

0.23

0.37

2 Konstruktion eines flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit

Die Abstimmung der positiven und negativen Steifigkeit des 2.1 ist in Abbildung 9 dargestellt. n(n 2) Gruppen paralleler Kurbelfedermechanismen sind gleichmäßig über den Umfang verteilt und bilden einen Mechanismus mit negativer Steifigkeit, der mit den flexiblen Scharnieren des Innen- und Außenrings übereinstimmt.

Konstruieren Sie unter Verwendung der flexiblen Innen- und Außenringscharniere als Teilsystem mit positiver Steifigkeit ein flexibles Scharnier mit Nullsteifigkeit. Um eine Steifigkeit von Null zu erreichen, passen Sie die positive und negative Steifigkeit an

gleichzeitig (2), (3), (6), (11) und & gamma;=θ, die Last F & Gamma der Feder kann erhalten werden; und VerschiebungδDie Beziehung von x & Gamma; Ist

Gemäß Abschnitt 1.5 der negative Steifigkeitswinkelbereich des Kurbelfedermechanismus: & Gamma;& isin;[0, & gamma;0] und & Gamma;0 & isin;[0, ], der Hub des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit muss kleiner sein als & gamma;0, d.h. Die Feder befindet sich immer in einem verformten Zustand (δxγ≠0). Der Drehbereich der flexiblen Innen- und Außenringscharniere beträgt±0,35 rad(±20°), vereinfachen die trigonometrischen Funktionen sin & Gamma; und cos & Gamma; wie folgt

Nach Vereinfachung das Last-Weg-Verhältnis der Feder

2.2 Fehleranalyse des positiven und negativen Steifigkeitsanpassungsmodells

Bewerten Sie den Fehler, der durch die vereinfachte Behandlung von Gleichung (13) verursacht wird. Gemäß den tatsächlichen Verarbeitungsparametern des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit (Abschnitt 4.2): n = 3,l = 40 mm, =π, = 0,2,E = 73 GPa; Die Abmessungen des flexiblen Innen- und Außenrings des Scharniers betragen L = 46 mm, T = 0,3 mm, B = 9,4 mm; Die Vergleichsformeln (12) und (14) vereinfachen die Lastverschiebungsbeziehung und den relativen Fehler der vorderen und hinteren Federn, wie in den Abbildungen 10a bzw. 10b dargestellt.

Wie in Abbildung 10 dargestellt, & Gamma; ist kleiner als 0,35 rad (20°), der relative Fehler, der durch die vereinfachte Behandlung der Last-Verschiebungs-Kurve verursacht wird, überschreitet nicht 2,0 % und die Formel

Die vereinfachte Behandlung von (13) kann verwendet werden, um flexible Scharniere mit Nullsteifigkeit zu konstruieren.

2.3 Steifigkeitseigenschaften der Feder

Unter der Annahme, dass die Steifigkeit der Feder K ist, gelten gleichzeitig (3), (6), (14)

Gemäß den tatsächlichen Verarbeitungsparametern des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit (Abschnitt 4.2) ändert sich die Kurve der Federsteifigkeit K mit dem Winkel & Gamma; ist in Abbildung 11 dargestellt. Insbesondere wann & gamma;= 0, K nimmt den Minimalwert an.

Zur Vereinfachung der Konstruktion und Verarbeitung verwendet die Feder eine lineare Feder mit positiver Steifigkeit und die Steifigkeit beträgt Kconst. Wenn im gesamten Hub die Gesamtsteifigkeit des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit größer oder gleich Null ist, sollte Kconst den Mindestwert von K annehmen

Gleichung (16) ist der Steifigkeitswert der linearen Feder mit positiver Steifigkeit beim Aufbau des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit. 2.4 Analyse der Nullsteifigkeitsqualität Das Last-Verschiebungs-Verhältnis des konstruierten flexiblen Nullsteifigkeitsscharniers beträgt

Es können die Formeln (2), (8), (16) gleichzeitig erhalten werden

Um die Qualität der Nullsteifigkeit zu bewerten, wird der Reduktionsbereich der flexiblen Scharniersteifigkeit vor und nach der Hinzufügung des negativen Steifigkeitsmoduls als Nullsteifigkeitsqualitätskoeffizient definiertηη Je näher an 100 %, desto höher ist die Qualität der Nullsteifigkeit. Abbildung 12 ist 1-η Zusammenhang mit Kurbellängenverhältnis und Anfangswinkel η Sie ist unabhängig von der Anzahl n der parallelen Kurbel-Feder-Mechanismen und der Länge l der Basis, sondern nur abhängig vom Kurbellängenverhältnis, dem Drehwinkel & Gamma; und der Anfangswinkel.

(1) Der Anfangswinkel nimmt zu und die Qualität der Nullsteifigkeit verbessert sich.

(2) Das Längenverhältnis nimmt zu und die Nullsteifigkeitsqualität nimmt ab.

(3) Winkel & Gamma; nimmt zu, die Qualität der Nullsteifigkeit nimmt ab.

Um die Nullsteifigkeitsqualität des flexiblen Nullsteifigkeitsscharniers zu verbessern, sollte der Anfangswinkel einen größeren Wert annehmen; das Kurbellängenverhältnis sollte möglichst klein sein. Gleichzeitig ist laut den Analyseergebnissen in Abschnitt 1.5 die Fähigkeit des Kurbelfedermechanismus, eine negative Steifigkeit bereitzustellen, gering, wenn er zu klein ist. Um die Nullsteifheitsqualität des flexiblen Nullsteifigkeitsscharniers zu verbessern, beträgt der Anfangswinkel =π, Kurbellängenverhältnis = 0,2, das heißt, die tatsächlichen Verarbeitungsparameter des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit in Abschnitt 4.2.

Gemäß den tatsächlichen Verarbeitungsparametern des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit (Abschnitt 4.2) ist die Drehmoment-Winkel-Beziehung zwischen den flexiblen Scharnieren des Innen- und Außenrings und dem flexiblen Scharnier ohne Steifigkeit in Abbildung 13 dargestellt. Die Abnahme der Steifigkeit ist der Qualitätskoeffizient der Steifigkeit NullηDie Beziehung zur Ecke & Gamma; ist in Abbildung 14 dargestellt. Nach Abbildung 14: In 0,35 rad (20°) Drehbereich wird die Steifigkeit des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit um durchschnittlich 97 % reduziert; 0,26 rad(15°) Ecken wird es um 95 % reduziert.

3 Design einer linearen Feder mit positiver Steifigkeit

Die Konstruktion eines flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit erfolgt normalerweise, nachdem die Größe und Steifigkeit des flexiblen Scharniers bestimmt wurden. Anschließend wird die Steifigkeit der Feder im Kurbelfedermechanismus umgekehrt, sodass die Steifigkeits- und Größenanforderungen der Feder relativ streng sind. Außerdem ist der Anfangswinkel =πWie aus Abbildung 5a hervorgeht, befindet sich die Feder während der Drehung des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit immer in einem komprimierten Zustand, d. h“Druckfeder”.

Die Steifigkeit und Größe herkömmlicher Druckfedern lässt sich nur schwer präzise anpassen, und in Anwendungen ist häufig ein Führungsmechanismus erforderlich. Daher wird eine Feder vorgeschlagen, deren Steifigkeit und Größe individuell angepasst werden können——Rautenförmige Blattfederschnur. Die rautenförmige Blattfederkette (Abbildung 15) besteht aus mehreren in Reihe geschalteten rautenförmigen Blattfedern. Es zeichnet sich durch freie Strukturgestaltung und ein hohes Maß an Individualisierung aus. Seine Verarbeitungstechnologie entspricht der von flexiblen Scharnieren und beide werden durch präzises Drahtschneiden verarbeitet.

3.1 Last-Verschiebungs-Modell einer rautenförmigen Blattfederschnur

Aufgrund der Symmetrie der rhombischen Blattfeder muss nur eine Blattfeder einer Spannungsanalyse unterzogen werden, wie in Abbildung 16 dargestellt. α ist der Winkel zwischen dem Blatt und der Horizontalen, die Länge, Breite und Dicke des Blattes sind jeweils Ld, Wd, Td, f ist die maßlich einheitliche Belastung der Rhombus-Blattfeder,δy ist die Verformung der rhombischen Blattfeder in y-Richtung, Kraft fy und Moment m sind äquivalente Belastungen am Ende eines einzelnen Rohrblatts, fv und fw sind Komponentenkräfte von fy im wov-Koordinatensystem.

Gemäß der Balkenverformungstheorie von AWTAR[13] ist die dimensional einheitliche Last-Verschiebungs-Beziehung eines einzelnen Rohrblatts

Aufgrund der Zwangsbeziehung des starren Körpers am Rohrblatt ist der Endwinkel des Rohrblatts vor und nach der Verformung Null, d. hθ = 0. Gleichzeitig (20)(22)

Gleichung (23) ist das Last-Verschiebungs-Vereinheitlichungsmodell einer rhombischen Blattfeder. N2 rhombische Blattfedern sind in Reihe geschaltet und ihr Last-Verschiebungs-Modell ist

Aus Formel (24), wannαWenn d klein ist, ist die Steifigkeit der rautenförmigen Blattfederschnur bei typischen Abmessungen und typischen Belastungen annähernd linear.

3.2 Überprüfung des Modells durch Finite-Elemente-Simulation

Es wird eine Finite-Elemente-Simulationsüberprüfung des Last-Verschiebungs-Modells der rautenförmigen Blattfeder durchgeführt. Unter Verwendung von ANSYS Mechanical APDL 15.0 sind die Simulationsparameter in Tabelle 2 dargestellt und ein Druck von 8 N wird auf die rautenförmige Blattfeder ausgeübt.

Tabelle 2 Finite-Elemente-Simulationsparameter einer rhombischen Blattfederschnur

Parameter

Wert

Material

AL7075-T6

Blattlänge L

Von

/mm

18

Blattbreite W

Von

/mm

10

Blattdicke T

Von

/mm

0.25

Neigungswinkel des Blattesα/°
10/20/30/40

Elastizitätsmodul E/GPa

73

Der Vergleich zwischen den Modellergebnissen und den Simulationsergebnissen der Rhombus-Blattfeder-Last-Verschiebungs-Beziehung ist in Abb. dargestellt. 17 (Dimensionierung). Bei vier Rhombus-Blattfedern mit unterschiedlichen Neigungswinkeln übersteigt der relative Fehler zwischen dem Modell und den Ergebnissen der Finite-Elemente-Simulation nicht 1,5 %. Die Gültigkeit und Genauigkeit des Modells (24) wurde überprüft.

4 Design und Test eines flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit

4.1 Parameterdesign eines flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit

Um ein flexibles Scharnier ohne Steifigkeit zu entwerfen, sollten zunächst die Konstruktionsparameter des flexiblen Scharniers entsprechend den Betriebsbedingungen bestimmt und dann die relevanten Parameter des Kurbelfedermechanismus umgekehrt berechnet werden.

4.1.1 Flexible Scharnierparameter

Der Schnittpunkt der flexiblen Innen- und Außenringscharniere liegt bei 12,73 % der Blattlänge und seine Parameter sind in Tabelle 3 aufgeführt. Durch Einsetzen in Gleichung (2) ergibt sich die Drehmoment-Drehwinkel-Beziehung der flexiblen Innen- und Außenringscharniere

Tabelle 3 Strukturparameter und Materialeigenschaften der flexiblen Innen- und Außenringscharniere

Parameter

Wert

Material

AL7075-T6

Blattlänge L/mm

46

Blattbreite W/mm

9.4

Blattdicke T/mm

0.30

Elastizitätsmodul E/GPa

73

4.1.2 Parameter des Negativsteifigkeitsmechanismus

Wie in Abb. gezeigt. 18, wenn man die Anzahl n der parallel geschalteten Kurbelfedermechanismen mit 3 annimmt, wird die Länge l = 40 mm durch die Größe des flexiblen Scharniers bestimmt. Nach der Schlussfolgerung von Abschnitt 2.4 ist der Anfangswinkel =π, Kurbellängenverhältnis = 0,2. Nach Gleichung (16) ist die Steifigkeit der Feder (d. h. Diamant-Blattfedersaite) ist Kconst = 558,81 N/m (26)

4.1.3 Parameter der Diamant-Blattfedersaite

um l = 40mm, =π, = 0,2, die ursprüngliche Länge der Feder beträgt 48 mm und die maximale Verformung (& Gamma;= 0) beträgt 16 mm. Aufgrund struktureller Einschränkungen ist es für eine einzelne Rhombus-Blattfeder schwierig, eine so große Verformung zu erzeugen. Bei Verwendung von vier Rhombus-Blattfedern in Reihe (n2 = 4) beträgt die Steifigkeit einer einzelnen Rhombus-Blattfeder

Kd=4Kconst=2235,2 N/m (27)

Entsprechend der Größe des negativen Steifigkeitsmechanismus (Abbildung 18) kann unter Berücksichtigung der Blattlänge, -breite und des Blattneigungswinkels der rautenförmigen Blattfeder das Blatt aus Formel (23) und der Steifigkeitsformel (27) abgeleitet werden die rautenförmige Blattfederdicke. Die Strukturparameter von Rhombus-Blattfedern sind in Tabelle 4 aufgeführt.

auftauchen4

Zusammenfassend wurden alle Parameter des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit basierend auf dem Kurbelfedermechanismus ermittelt, wie in Tabelle 3 und Tabelle 4 gezeigt.

4.2 Design und Verarbeitung des flexiblen Scharniermusters mit Nullsteifigkeit Informationen zur Verarbeitung und Testmethode des flexiblen Scharniers finden Sie in der Literatur [8]. Das flexible Scharnier ohne Steifigkeit besteht aus einem Mechanismus mit negativer Steifigkeit und einem flexiblen Innen- und Außenring-Scharnier parallel. Der strukturelle Aufbau ist in Abbildung 19 dargestellt.

Sowohl die flexiblen Innen- als auch die Außenringscharniere und die rautenförmigen Blattfederschnüre werden von Präzisions-Drahtschneidemaschinen bearbeitet. Die flexiblen Innen- und Außenringscharniere werden schichtweise verarbeitet und montiert. Abbildung 20 ist das physikalische Bild von drei Sätzen rautenförmiger Blattfederstränge, und Abbildung 21 ist das zusammengebaute Nullsteifigkeitsbild. Das physikalische Bild der flexiblen Scharnierprobe.

4.3 Die Rotationssteifigkeitstestplattform des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit Unter Bezugnahme auf die Rotationssteifigkeitstestmethode in [8] wird die Rotationssteifigkeitstestplattform des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit aufgebaut, wie in Abbildung 22 dargestellt.

4.4 Experimentelle Datenverarbeitung und Fehleranalyse

Die Drehsteifigkeit der flexiblen Innen- und Außenringscharniere sowie der flexiblen Scharniere ohne Steifigkeit wurde auf der Testplattform getestet. Die Testergebnisse sind in Abbildung 23 dargestellt. Berechnen und zeichnen Sie die Nullsteifigkeits-Qualitätskurve des flexiblen Nullsteifigkeitsscharniers gemäß Formel (19), wie in Abb. 24.

Die Testergebnisse zeigen, dass die Rotationssteifigkeit des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit nahe Null liegt. Im Vergleich zu den flexiblen Innen- und Außenringscharnieren ist das flexible Scharnier ohne Steifigkeit±0,31 rad(18°) Die Steifigkeit wurde um durchschnittlich 93 % reduziert; 0,26 rad (15°) wird die Steifigkeit um 90 % reduziert.

Wie in den Abbildungen 23 und 24 dargestellt, besteht immer noch eine gewisse Lücke zwischen den Testergebnissen der Nullsteifigkeitsqualität und den Ergebnissen des theoretischen Modells (der relative Fehler beträgt weniger als 15 %). Die Hauptgründe für den Fehler sind folgende.

(1) Der Modellfehler, der durch die Vereinfachung trigonometrischer Funktionen verursacht wird.

(2) Reibung. Zwischen der Diamant-Blattfederschnur und der Montagewelle entsteht Reibung.

(3) Verarbeitungsfehler. Es gibt Fehler in der tatsächlichen Größe des Rohrblatts usw.

(4) Montagefehler. Der Spalt zwischen dem Installationsloch der rautenförmigen Blattfederschnur und der Welle, der Installationsspalt des Testplattformgeräts usw.

4.5 Leistungsvergleich mit einem typischen flexiblen Scharnier ohne Steifigkeit In der Literatur [4] wurde ein flexibles Scharnier ohne Steifigkeit ZSFP_CAFP unter Verwendung eines Querachsen-Biegezapfens (CAFP) konstruiert, wie in Abbildung 25 dargestellt.

Vergleich des flexiblen Nullsteifigkeitsscharniers ZSFP_IORFP (Abb. 21) und ZSFP_CAFP (Abb. 25) konstruiert mit flexiblen Innen- und Außenringscharnieren

(1) ZSFP_IORFP, die Struktur ist kompakter.

(2) Der Eckbereich von ZSFP_IORFP ist klein. Der Eckbereich wird durch den Eckbereich des flexiblen Scharniers selbst begrenzt; der Eckbereich von ZSFP_CAFP80°, ZSFP_IORFP Eckbereich40°.

(3) ±18°Im Bereich der Ecken weist ZSFP_IORFP eine höhere Qualität der Nullsteifigkeit auf. Die durchschnittliche Steifigkeit von ZSFP_CAFP wird um 87 % und die durchschnittliche Steifigkeit von ZSFP_IORFP um 93 % reduziert.

5 Abschluss

Unter Verwendung des flexiblen Scharniers des Innen- und Außenrings unter reinem Drehmoment als Teilsystem mit positiver Steifigkeit wurden die folgenden Arbeiten durchgeführt, um ein flexibles Scharnier ohne Steifigkeit zu konstruieren.

(1) Schlagen Sie einen Rotationsmechanismus mit negativer Steifigkeit vor——Für den Kurbelfedermechanismus wurde ein Modell (Formel (6)) erstellt, um den Einfluss von Strukturparametern auf seine negativen Steifigkeitseigenschaften zu analysieren, und der Bereich seiner negativen Steifigkeitseigenschaften wurde angegeben (Tabelle 1).

(2) Durch Anpassen der positiven und negativen Steifigkeiten werden die Steifigkeitseigenschaften der Feder im Kurbelfedermechanismus (Gleichung (16)) ermittelt und das Modell (Gleichung (19)) erstellt, um die Wirkung der Strukturparameter zu analysieren des Kurbelfedermechanismus auf die Nullsteifigkeitsqualität des flexiblen Scharniers mit Nullsteifigkeit Einfluss, theoretisch innerhalb des verfügbaren Hubs des flexiblen Scharniers der Innen- und Außenringe (±20°) kann die durchschnittliche Steifigkeitsreduzierung 97 % erreichen.

(3) Schlagen Sie eine anpassbare Steifigkeit vor“Frühling”——Zur Erstellung seines Steifigkeitsmodells (Gleichung (23)) wurde eine rautenförmige Blattfederschnur erstellt und mit der Finite-Elemente-Methode verifiziert.

(4) Abschluss des Entwurfs, der Verarbeitung und des Tests eines kompakten, flexiblen Scharniermusters ohne Steifigkeit. Die Testergebnisse zeigen: Unter Einwirkung des reinen Drehmoments36°Im Bereich der Drehwinkel ist die Steifigkeit des flexiblen Scharniers ohne Steifigkeit im Vergleich zu den flexiblen Innen- und Außenringscharnieren um durchschnittlich 93 % reduziert.

Das konstruierte flexible Scharnier mit Nullsteifigkeit kann nur durch die Einwirkung eines reinen Drehmoments realisiert werden“Null Steifigkeit”, ohne Berücksichtigung komplexer Lagerbelastungsbedingungen. Daher steht die Konstruktion von flexiblen Scharnieren mit Nullsteifigkeit unter komplexen Lastbedingungen im Mittelpunkt weiterer Forschung. Darüber hinaus ist die Reduzierung der Reibung, die während der Bewegung von flexiblen Scharnieren ohne Steifigkeit auftritt, eine wichtige Optimierungsrichtung für flexible Scharniere ohne Steifigkeit.

Verweise

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[2] Yu Jingjun, Pei Xu, Bi Shusheng usw. Forschungsfortschritte bei Entwurfsmethoden für flexible Scharniermechanismen[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(13):2-13. Yu-Jin-Champion, PEI X U, BIS-Anruf, voraussichtliche Ankunftszeit. Modernste Entwurfsmethode für Biegemechanismen[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(13):2-13.

[3] MORSCH F M, Herder J L. Entwurf einer generischen, steifigkeitsfreien Verbindung[C]// ASME International Design Engineering Conferences. 2010:427-435.

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Über den Autor: Bi Shusheng (korrespondierender Autor), männlich, geboren 1966, Arzt, Professor, Doktorvater. Seine Hauptforschungsrichtung sind vollständig flexible Mechanismen und bionische Roboter.

Das auf einem Kurbelfedermechanismus basierende flexible Scharnier ohne Steifigkeit ist eine innovative und revolutionäre Technologie, die eine reibungslose und präzise Bewegung in verschiedenen Anwendungen ermöglicht. In diesem Artikel werden wir die Funktionsprinzipien dieses Scharniers und seine möglichen Anwendungen untersuchen.

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