Resumen: La rigidez rotacional de la bisagra flexible de rigidez cero es aproximadamente cero, lo que supera el defecto de que las bisagras flexibles ordinarias requieren un par de accionamiento y se puede aplicar a pinzas flexibles y otros campos. Tomando las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior bajo la acción del par puro como el subsistema de rigidez positiva, la investigación del mecanismo de rigidez negativa y la combinación de rigidez positiva y negativa pueden construir una bisagra flexible de rigidez cero. Proponer un mecanismo de rotación de rigidez negativa.——Mecanismo de resorte de manivela, modelado y analizado sus características de rigidez negativa; al hacer coincidir la rigidez positiva y negativa, se analizó la influencia de los parámetros estructurales del mecanismo de resorte del cigüeñal en la calidad de rigidez cero; propuso un resorte lineal con rigidez y tamaño personalizables——Cuerda de ballesta en forma de diamante, se estableció el modelo de rigidez y se realizó la verificación por simulación de elementos finitos; finalmente, se completó el diseño, procesamiento y prueba de una muestra compacta de bisagra flexible de rigidez cero. Los resultados de la prueba mostraron que: bajo la acción del par puro,±18°En el rango de ángulos de rotación, la rigidez rotacional de la bisagra flexible de rigidez cero es en promedio un 93% menor que la de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior. La bisagra flexible construida con rigidez cero tiene una estructura compacta y rigidez cero de alta calidad; el mecanismo de rotación de rigidez negativa propuesto y el resorte lineal tienen un gran valor de referencia para el estudio del mecanismo flexible.
0 Prefacio
Bisagra flexible (cojinete)
[1-2]
Basándose en la deformación elástica de la unidad flexible para transmitir o convertir movimiento, fuerza y energía, se ha utilizado ampliamente en posicionamiento de precisión y otros campos. En comparación con los rodamientos rígidos tradicionales, hay un momento de recuperación cuando gira la bisagra flexible. Por lo tanto, la unidad motriz necesita proporcionar un par de salida para impulsar y mantener la rotación de la bisagra flexible. Bisagra flexible de rigidez cero
[3]
(Pivote de flexión de rigidez cero, ZSFP) es una junta rotativa flexible cuya rigidez rotacional es aproximadamente cero. Este tipo de bisagra flexible puede permanecer en cualquier posición dentro del rango de carrera, también conocida como bisagra flexible de equilibrio estático.
[4]
, se utilizan principalmente en campos como pinzas flexibles.
Basado en el concepto de diseño modular del mecanismo flexible, todo el sistema de bisagra flexible de rigidez cero se puede dividir en dos subsistemas de rigidez positiva y negativa, y el sistema de rigidez cero se puede realizar combinando la rigidez positiva y negativa.
[5]
. Entre ellos, el subsistema de rigidez positiva suele ser una bisagra flexible de carrera grande, como una bisagra flexible de lengüeta cruzada.
[6-7]
, bisagra flexible generalizada de tres lengüetas cruzadas
[8-9]
y bisagras flexibles de aro interior y exterior
[10-11]
Etc En la actualidad, la investigación sobre bisagras flexibles ha logrado muchos resultados, por lo tanto, la clave para diseñar bisagras flexibles de rigidez cero es hacer coincidir módulos de rigidez negativa adecuados para las bisagras flexibles [3].
Las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior (pivotes flexibles de los anillos interior y exterior, IORFP) tienen excelentes características en términos de rigidez, precisión y deriva de temperatura. El módulo de rigidez negativa correspondiente proporciona el método de construcción de la bisagra flexible de rigidez cero y, finalmente, completa el diseño, el procesamiento de muestras y las pruebas de la bisagra flexible de rigidez cero.
1 mecanismo de resorte de manivela
1.1 Definición de rigidez negativa
La definición general de rigidez K es la tasa de cambio entre la carga F soportada por el elemento elástico y la deformación correspondiente dx.
K= dF/dx (1)
Cuando el incremento de carga del elemento elástico es opuesto al signo del incremento de deformación correspondiente, se trata de rigidez negativa. Físicamente, la rigidez negativa corresponde a la inestabilidad estática del elemento elástico.
[12]
Los mecanismos de rigidez negativa juegan un papel importante en el campo del equilibrio estático flexible. Normalmente, los mecanismos de rigidez negativa tienen las siguientes características.
(1) El mecanismo reserva una determinada cantidad de energía o sufre una determinada deformación.
(2) El mecanismo se encuentra en un estado de inestabilidad crítica.
(3) Cuando el mecanismo se perturba ligeramente y abandona la posición de equilibrio, puede liberar una fuerza mayor, que está en la misma dirección que el movimiento.
1.2 Principio de construcción de la bisagra flexible de rigidez cero
La bisagra flexible de rigidez cero se puede construir utilizando una combinación de rigidez positiva y negativa, y el principio se muestra en la Figura 2.
(1) Bajo la acción del torque puro, las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior tienen una relación de torque-ángulo de rotación aproximadamente lineal, como se muestra en la Figura 2a. Especialmente, cuando el punto de intersección está ubicado al 12,73% de la longitud de la caña, la relación par-ángulo de rotación es lineal.
[11]
, en este momento, el momento de restauración Mpivot (sentido de las agujas del reloj) de la bisagra flexible está relacionado con el ángulo de rotación del rodamientoθ(en el sentido contrario a las agujas del reloj) la relación es
Mpivote=(8EI/L)θ (2)
En la fórmula, E es el módulo elástico del material, L es la longitud de la caña e I es el momento de inercia de la sección.
(2) De acuerdo con el modelo de rigidez rotacional de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior, el mecanismo de rotación de rigidez negativa coincide y sus características de rigidez negativa se muestran en la Figura 2b.
(3) En vista de la inestabilidad del mecanismo de rigidez negativa.
[12]
, la rigidez de la bisagra flexible de rigidez cero debe ser aproximadamente cero y mayor que cero, como se muestra en la Figura 2c.
1.3 Definición de mecanismo de resorte de manivela
Según la literatura [4], se puede construir una bisagra flexible de rigidez cero introduciendo un resorte predeformado entre el cuerpo rígido móvil y el cuerpo rígido fijo de la bisagra flexible. Para la bisagra flexible de los anillos interior y exterior mostrada en la FIG. 1, se introduce un resorte entre el aro interior y el aro exterior, es decir, se introduce un mecanismo de manivela de resorte (SCM). Con referencia al mecanismo deslizante de manivela que se muestra en la Figura 3, los parámetros relacionados del mecanismo de resorte de manivela se muestran en la Figura 4. El mecanismo de manivela-resorte se compone de una manivela y un resorte (establezca la rigidez en k). el ángulo inicial es el ángulo incluido entre la manivela AB y la base AC cuando el resorte no está deformado. R representa la longitud de la manivela, l representa la longitud de la base y define la relación de longitud de la manivela como la relación de r a l, es decir. = r/l (0<<1).
La construcción del mecanismo de manivela-resorte requiere la determinación de 4 parámetros: la longitud de la base l, la relación de longitud de la manivela, el ángulo inicial y la rigidez del resorte K.
La deformación del mecanismo de resorte del cigüeñal bajo fuerza se muestra en la Figura 5a, en el momento M
γ
Bajo la acción, la manivela se mueve desde la posición inicial AB
Beta
girar a AB
γ
, durante el proceso de rotación, el ángulo incluido de la manivela con respecto a la posición horizontal
γ
llamado ángulo del cigüeñal.
El análisis cualitativo muestra que la manivela gira desde AB (posición inicial, M & gama; Cero) a AB0 (“punto muerto”ubicación, m
γ
es cero), el mecanismo manivela-resorte tiene una deformación con características de rigidez negativas.
1.4 La relación entre el par y el ángulo de rotación del mecanismo de resorte del cigüeñal
En la Fig. 5, el par M & gama; en el sentido de las agujas del reloj es positivo, el ángulo del cigüeñal & gama; en sentido antihorario es positivo y la carga de momento M se modela y analiza a continuación.
γ
con ángulo de manivela
γ
Se dimensiona la relación entre el proceso de modelación.
Como se muestra en la Figura 5b, la ecuación de equilibrio de par para la manivela AB & aparece la gamma.
En la fórmula, F & gama; es la fuerza de restauración del resorte, d & gama; es F & gama; al punto A. Suponga que la relación desplazamiento-carga del resorte es
En la fórmula, K es la rigidez del resorte (no necesariamente un valor constante),δ
xγ
es la cantidad de deformación del resorte (acortada a positiva),δ
xγ
=|B
Beta
C| – |B
γ
C|.
Tipo simultáneo (3)(5), momento M
γ
con esquina
γ
la relación es
1.5 Análisis de las características de rigidez negativa del mecanismo de manivela-resorte.
Para facilitar el análisis de las características de rigidez negativas del mecanismo manivela-resorte (momento M
γ
con esquina
γ
relación), se puede suponer que el resorte tiene una rigidez lineal positiva, entonces la fórmula (4) se puede reescribir como
En la fórmula, Kconst es una constante mayor que cero. Una vez determinado el tamaño de la bisagra flexible, también se determina la longitud l de la base. Por lo tanto, suponiendo que l es una constante, la fórmula (6) se puede reescribir como
donde Kconstl2 es una constante mayor que cero y el coeficiente de momento m & gama; tiene una dimensión de uno. Las características de rigidez negativa del mecanismo de manivela-resorte se pueden obtener analizando la relación entre el coeficiente de par m & gama; y el ángulo de rotación & gama.
De la ecuación (9), la Figura 6 muestra el ángulo inicial =π relación entre m & gama; y relación de longitud de manivela y ángulo de rotación & gama;, & isin;[0.1, 0.9],& gama;& isin;[0, π]. La figura 7 muestra la relación entre m & gama; y ángulo de rotación & gama; para = 0,2 y diferente. La figura 8 muestra =π Cuando, bajo condiciones diferentes, la relación entre m & gama; y ángulo & gama.
Según la definición de mecanismo de resorte de manivela (sección 1.3) y la fórmula (9), cuando k y l son constantes, m & gama; Sólo relacionado con el ángulo & gamma;, relación de longitud de la manivela y ángulo inicial de la manivela.
(1) Si y sólo si & gama; es igual a 0 oπ o m & gama; es igual a cero; & gama; & isin;[0, ],m & gama; es mayor que cero; & gama; & es en;[π],metro & gama; menos que cero. & isin;[0, ],m & gama; es mayor que cero; & gama;& es en;[π],metro & gama; menos que cero.
(2) & gama; Cuando [0, ], el ángulo de rotación & gama; aumenta, metro & gama; aumenta desde cero hasta el ángulo del punto de inflexión & gamma;0 toma el valor máximo m & gamma;max, y luego disminuye gradualmente.
(3) El rango característico de rigidez negativa del mecanismo de resorte del cigüeñal.: & gama;& isin;[0, & gamma;0], en este momento & gama; aumenta (en el sentido contrario a las agujas del reloj) y el par M & gama; aumenta (en el sentido de las agujas del reloj). El ángulo del punto de inflexión & gamma;0 es el ángulo de rotación máximo de la característica de rigidez negativa del mecanismo de manivela-resorte y & gama;0 & isin;[0, ];m & gamma;max es el coeficiente de momento negativo máximo. Dado y , la derivación de la ecuación (9) produce & gama;0
(4) cuanto mayor sea el ángulo inicial, & gama; cuanto mayor sea 0, m
γmáx.
más grande.
(5) cuanto mayor sea la relación de longitud, & gama; el más pequeño 0, m
γmáx.
más grande.
En particular, =πLas características de rigidez negativa del mecanismo de resorte del cigüeñal son las mejores (el rango de ángulo de rigidez negativo es grande y el par que se puede proporcionar es grande). =πAl mismo tiempo, bajo diferentes condiciones, el ángulo de rotación máximo & gamma de la rigidez negativa característica del mecanismo de resorte del cigüeñal; 0 y el coeficiente de par negativo máximo m & gama; Max figura en la tabla 1.
Tabla 1 El ángulo inicial esπ El ángulo de rigidez negativo máximo. & gamma;0 y el coeficiente de momento máximo m bajo diferentes relaciones de longitud de manivela
γmáx.
Parámetro
Valor
relación de longitud de manivela
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ángulo de giro máximo & gama;
0
/rad
0.98
0.91
0.84
0.76
0.68
Coeficiente de momento máximo m
γmáx.
0.013
0.055
0.13
0.23
0.37
2 Construcción de bisagra flexible de rigidez cero
La combinación de rigidez positiva y negativa del 2.1 se muestra en la Figura 9, n (n 2) grupos de mecanismos de resorte de manivela paralelos están distribuidos uniformemente alrededor de la circunferencia, formando un mecanismo de rigidez negativa que combina con las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior.
Utilizando las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior como subsistema de rigidez positiva, construya una bisagra flexible de rigidez cero. Para lograr una rigidez cero, haga coincidir la rigidez positiva y negativa
simultáneos (2), (3), (6), (11), y & gama;=θ, la carga F & se puede obtener la gama del resorte; y desplazamientoδLa relación de x & gama; es
Según la sección 1.5, el rango de ángulo de rigidez negativo del mecanismo de resorte del cigüeñal: & gama;& isin;[0, & gamma;0] y & gama;0 & isin;[0, ], la carrera de la bisagra flexible de rigidez cero será menor que & gamma;0, es decir .e. el resorte siempre está deformado (δxγ≠0). El rango de rotación de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior es±0,35 rad(±20°), simplifica las funciones trigonométricas sen & gama; y porque & gama; como sigue
Después de la simplificación, la relación carga-desplazamiento del resorte.
2.2 Análisis de errores del modelo de coincidencia de rigidez positiva y negativa
Evalúe el error causado por el tratamiento simplificado de la ecuación (13). Según los parámetros de procesamiento reales de la bisagra flexible de rigidez cero (Sección 4.2): n = 3, l = 40 mm, =π, = 0,2, E = 73 GPa; Las dimensiones de la lengüeta de la bisagra flexible del anillo interior y exterior L = 46 mm, T = 0,3 mm, W = 9,4 mm; Las fórmulas de comparación (12) y (14) simplifican la relación de desplazamiento de carga y el error relativo de los resortes delanteros y traseros como se muestra en las Figuras 10a y 10b respectivamente.
Como se muestra en la Figura 10, & gama; es inferior a 0,35 rad (20°), el error relativo causado por el tratamiento simplificado a la curva carga-desplazamiento no supera el 2,0%, y la fórmula
El tratamiento simplificado de (13) se puede utilizar para construir bisagras flexibles de rigidez cero.
2.3 Características de rigidez del resorte.
Suponiendo que la rigidez del resorte es K, las operaciones simultáneas (3), (6), (14)
De acuerdo con los parámetros de procesamiento reales de la bisagra flexible de rigidez cero (Sección 4.2), la curva de cambio de la rigidez del resorte K con el ángulo & gama; se muestra en la Figura 11. En particular, cuando & gamma;= 0, K toma el valor mínimo.
Para facilitar el diseño y el procesamiento, el resorte adopta un resorte de rigidez positiva lineal y la rigidez es Kconst. En toda la carrera, si la rigidez total de la bisagra flexible de rigidez cero es mayor o igual a cero, Kconst debe tomar el valor mínimo de K
La ecuación (16) es el valor de rigidez del resorte lineal de rigidez positiva al construir la bisagra flexible de rigidez cero. 2.4 Análisis de la calidad de rigidez cero La relación carga-desplazamiento de la bisagra flexible de rigidez cero construida es
Se pueden obtener las fórmulas (2), (8), (16) simultáneas.
Para evaluar la calidad de la rigidez cero, el rango de reducción de la rigidez de la bisagra flexible antes y después de agregar el módulo de rigidez negativo se define como el coeficiente de calidad de la rigidez cero.ηη Cuanto más cerca del 100%, mayor será la calidad de la rigidez cero. La figura 12 es 1-η Relación con la relación de longitud de la manivela y el ángulo inicial η Es independiente del número n de mecanismos de manivela-resorte paralelos y de la longitud l de la base, pero solo está relacionado con la relación de longitud de la manivela, el ángulo de rotación. & gama; y el ángulo inicial.
(1) El ángulo inicial aumenta y mejora la calidad de rigidez cero.
(2) La relación de longitud aumenta y la calidad de rigidez cero disminuye.
(3) Ángulo & gama; aumenta, la calidad de rigidez cero disminuye.
Para mejorar la calidad de rigidez cero de la bisagra flexible de rigidez cero, el ángulo inicial debe tomar un valor mayor; la relación de longitud de la biela debe ser lo más pequeña posible. Al mismo tiempo, según los resultados del análisis de la Sección 1.5, si es demasiado pequeño, la capacidad del mecanismo de manivela y resorte para proporcionar rigidez negativa será débil. Para mejorar la calidad de rigidez cero de la bisagra flexible de rigidez cero, el ángulo inicial =π, relación de longitud de la manivela = 0,2, es decir, los parámetros de procesamiento reales de la sección 4.2 de la bisagra flexible de rigidez cero.
De acuerdo con los parámetros de procesamiento reales de la bisagra flexible de rigidez cero (Sección 4.2), la relación de torsión-ángulo entre las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior y la bisagra flexible de rigidez cero se muestra en la Figura 13; la disminución de la rigidez es el coeficiente de calidad de rigidez ceroηLa relación con la esquina & gama; se muestra en la Figura 14. Por la Figura 14: En 0,35 rad (20°) rango de rotación, la rigidez de la bisagra flexible de rigidez cero se reduce en un promedio del 97%; 0,26 rad(15°) esquinas, se reduce en un 95%.
3 Diseño de resorte lineal de rigidez positiva.
La construcción de una bisagra flexible de rigidez cero generalmente se realiza después de determinar el tamaño y la rigidez de la bisagra flexible, y luego se invierte la rigidez del resorte en el mecanismo de resorte de manivela, por lo que los requisitos de rigidez y tamaño del resorte son relativamente estrictos. Además, el ángulo inicial =π, de la Figura 5a, durante la rotación de la bisagra flexible de rigidez cero, el resorte siempre está en un estado comprimido, es decir“Resorte de compresión”.
La rigidez y el tamaño de los resortes de compresión tradicionales son difíciles de personalizar con precisión y, a menudo, se requiere un mecanismo de guía en las aplicaciones. Por ello se propone un resorte cuya rigidez y tamaño se puedan personalizar.——Cuerda de ballesta en forma de rombo. La cuerda de resortes de láminas en forma de diamante (Figura 15) está compuesta por múltiples resortes de láminas en forma de diamante conectados en serie. Tiene las características de diseño estructural libre y alto grado de personalización. Su tecnología de procesamiento es consistente con la de las bisagras flexibles y ambas se procesan mediante corte de alambre de precisión.
3.1 Modelo carga-desplazamiento de una cuerda de ballesta en forma de diamante
Debido a la simetría de la ballesta rómbica, solo es necesario someter una ballesta al análisis de tensión, como se muestra en la Figura 16. α es el ángulo entre la caña y la horizontal, la longitud, el ancho y el espesor de la caña son Ld, Wd, Td respectivamente, f es la carga dimensionalmente unificada sobre la ballesta en forma de rombo,δy es la deformación de la ballesta rómbica en la dirección y, la fuerza fy y el momento m son cargas equivalentes en el extremo de una sola caña, fv y fw son fuerzas componentes de fy en el sistema de coordenadas wov.
Según la teoría de deformación de la viga de AWTAR [13], la relación carga-desplazamiento dimensionalmente unificada de una sola caña
Debido a la relación de restricción del cuerpo rígido sobre la caña, el ángulo final de la caña antes y después de la deformación es cero, es decirθ = 0. Simultáneo (20)(22)
La ecuación (23) es el modelo de unificación dimensional carga-desplazamiento de una ballesta rómbica. n2 ballestas rómbicas están conectadas en serie y su modelo carga-desplazamiento es
De la fórmula (24), cuandoαCuando d es pequeña, la rigidez de la cuerda de ballesta en forma de diamante es aproximadamente lineal bajo dimensiones y cargas típicas.
3.2 Verificación del modelo mediante simulación de elementos finitos
Se lleva a cabo la verificación por simulación de elementos finitos del modelo carga-desplazamiento de la ballesta en forma de diamante. Utilizando ANSYS Mechanical APDL 15.0, los parámetros de simulación se muestran en la Tabla 2 y se aplica una presión de 8 N al resorte de lámina en forma de diamante.
Tabla 2 Parámetros de simulación de elementos finitos de una cuerda de ballesta rómbica
Parámetro
Valor
Aterial
AL7075-T6
Longitud de caña L
De
/mm
18
Ancho de caña W
De
/mm
10
Grosor de la caña T
De
/mm
0.25
ángulo de inclinación de la cañaα/°
10/20/30/40
Módulo elástico E/GPa
73
La comparación entre los resultados del modelo y los resultados de la simulación de la relación carga-desplazamiento del resorte de lámina rombo se muestra en la Fig. 17 (dimensionalización). Para cuatro ballestas en forma de rombo con diferentes ángulos de inclinación, el error relativo entre el modelo y los resultados de la simulación de elementos finitos no supera el 1,5%. Se ha verificado la validez y precisión del modelo (24).
4 Diseño y prueba de bisagra flexible de rigidez cero.
4.1 Diseño de parámetros de bisagra flexible de rigidez cero
Para diseñar una bisagra flexible de rigidez cero, los parámetros de diseño de la bisagra flexible deben determinarse primero de acuerdo con las condiciones de servicio y luego los parámetros relevantes del mecanismo de resorte de manivela deben calcularse inversamente.
4.1.1 Parámetros de bisagra flexible
El punto de intersección de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior se encuentra en el 12,73% de la longitud de la caña y sus parámetros se muestran en la Tabla 3. Sustituyendo en la ecuación (2), la relación par-ángulo de rotación de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior es
Tabla 3 Parámetros estructurales y propiedades de los materiales de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior
Parámetro
Valor
Aterial
AL7075-T6
Longitud de caña L/mm
46
Ancho de caña W/mm
9.4
Espesor de caña T/mm
0.30
Módulo elástico E/GPa
73
4.1.2 Parámetros del mecanismo de rigidez negativa
Como se muestra en la fig. 18, tomando el número n de mecanismos de resorte de manivela en paralelo como 3, la longitud l = 40 mm está determinada por el tamaño de la bisagra flexible. De acuerdo con la conclusión de la sección 2.4, el ángulo inicial =π, relación de longitud de manivela = 0,2. Según la ecuación (16), la rigidez del resorte (es decir, cuerda de ballesta de diamante) es Kconst = 558,81 N/m (26)
4.1.3 Parámetros de la cadena de ballestas de diamante
por l = 40 mm, =π, = 0,2, la longitud original del resorte es de 48 mm y la deformación máxima (& gamma;= 0) es 16 mm. Debido a limitaciones estructurales, es difícil que una única ballesta en forma de rombo produzca una deformación tan grande. Usando cuatro ballestas de rombo en serie (n2 = 4), la rigidez de una sola ballesta de rombo es
Kd=4Kconst=2235,2 N/m (27)
Según el tamaño del mecanismo de rigidez negativa (Figura 18), dada la longitud, el ancho y el ángulo de inclinación de la lámina de la ballesta en forma de diamante, la lámina se puede deducir de la fórmula (23) y la fórmula de rigidez (27) de El espesor del resorte de lámina en forma de diamante. Los parámetros estructurales de las ballestas en forma de rombo se enumeran en la Tabla 4.
superficie4
En resumen, se han determinado todos los parámetros de la bisagra flexible de rigidez cero basada en el mecanismo de resorte de manivela, como se muestra en la Tabla 3 y la Tabla 4.
4.2 Diseño y procesamiento de la muestra de bisagra flexible de rigidez cero Consulte la literatura [8] para conocer el método de procesamiento y prueba de la bisagra flexible. La bisagra flexible de rigidez cero se compone de un mecanismo de rigidez negativa y una bisagra flexible de anillo interior y exterior en paralelo. El diseño estructural se muestra en la Figura 19.
Tanto las bisagras flexibles del anillo interior como el exterior y las cuerdas de ballestas en forma de diamante se procesan mediante máquinas herramienta de corte de alambre de precisión. Las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior se procesan y ensamblan en capas. La Figura 20 es la imagen física de tres juegos de cuerdas de resortes de láminas en forma de diamante, y la Figura 21 es la imagen física ensamblada de rigidez cero de la muestra de bisagra flexible.
4.3 La plataforma de prueba de rigidez rotacional de la bisagra flexible de rigidez cero. Con referencia al método de prueba de rigidez rotacional en [8], se construye la plataforma de prueba de rigidez rotacional de la bisagra flexible de rigidez cero, como se muestra en la Figura 22.
4.4 Procesamiento de datos experimentales y análisis de errores.
La rigidez rotacional de las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior y de las bisagras flexibles de rigidez cero se probó en la plataforma de prueba y los resultados de la prueba se muestran en la Figura 23. Calcule y dibuje la curva de calidad de rigidez cero de la bisagra flexible de rigidez cero de acuerdo con la fórmula (19), como se muestra en la Fig. 24.
Los resultados de la prueba muestran que la rigidez rotacional de la bisagra flexible de rigidez cero es cercana a cero. En comparación con las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior, la bisagra flexible de rigidez cero±0,31 rad(18°) la rigidez se redujo en un promedio del 93%; 0,26 rad (15°), la rigidez se reduce en un 90%.
Como se muestra en las Figuras 23 y 24, todavía existe una cierta brecha entre los resultados de las pruebas de calidad de rigidez cero y los resultados del modelo teórico (el error relativo es inferior al 15%), y las principales razones del error son las siguientes.
(1) El error del modelo causado por la simplificación de funciones trigonométricas.
(2) Fricción. Hay fricción entre la cuerda del resorte de láminas de diamante y el eje de montaje.
(3) Error de procesamiento. Hay errores en el tamaño real de la caña, etc.
(4) Error de montaje. El espacio entre el orificio de instalación de la cuerda de ballesta en forma de diamante y el eje, el espacio de instalación del dispositivo de plataforma de prueba, etc.
4.5 Comparación de rendimiento con una bisagra flexible típica de rigidez cero En la literatura [4], se construyó una bisagra flexible de rigidez cero ZSFP_CAFP utilizando un pivote de flexión de eje transversal (CAFP), como se muestra en la Figura 25.
Comparación de la bisagra flexible de rigidez cero ZSFP_IORFP (Fig. 21) y ZSFP_CAFP (Fig. 25) construido utilizando las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior
(1) ZSFP_IORFP, la estructura es más compacta.
(2) El rango de esquinas de ZSFP_IORFP es pequeño. El alcance de las esquinas está limitado por el alcance de las esquinas de la propia bisagra flexible; el rango de esquina de ZSFP_CAFP80°, rango de esquina ZSFP_IORFP40°.
(3) ±18°En el rango de esquinas, ZSFP_IORFP tiene mayor calidad de rigidez cero. La rigidez promedio de ZSFP_CAFP se reduce en un 87% y la rigidez promedio de ZSFP_IORFP se reduce en un 93%.
5 conclusión
Tomando la bisagra flexible de los anillos interior y exterior bajo torsión pura como el subsistema de rigidez positiva, se realizó el siguiente trabajo para construir una bisagra flexible de rigidez cero.
(1) Proponer un mecanismo de rotación de rigidez negativa.——Para el mecanismo de resorte de manivela, se estableció un modelo (Fórmula (6)) para analizar la influencia de los parámetros estructurales en sus características de rigidez negativas, y se proporcionó el rango de sus características de rigidez negativas (Tabla 1).
(2) Al hacer coincidir las rigideces positiva y negativa, se obtienen las características de rigidez del resorte en el mecanismo de resorte de manivela (Ecuación (16)) y se establece el modelo (Ecuación (19)) para analizar el efecto de los parámetros estructurales. del mecanismo de resorte de manivela sobre la calidad de rigidez cero de la bisagra flexible de rigidez cero Influencia, teóricamente, dentro de la carrera disponible de la bisagra flexible de los anillos interior y exterior (±20°), la reducción media de la rigidez puede alcanzar el 97%.
(3) Proponer una rigidez personalizable“primavera”——Se estableció una cuerda de ballesta en forma de diamante para establecer su modelo de rigidez (Ecuación (23)) y se verificó mediante el método de elementos finitos.
(4) Se completó el diseño, procesamiento y prueba de una muestra compacta de bisagra flexible de rigidez cero. Los resultados de la prueba muestran que: bajo la acción del par puro, el36°En el rango de ángulos de rotación, en comparación con las bisagras flexibles de los anillos interior y exterior, la rigidez de la bisagra flexible de rigidez cero se reduce en un 93% en promedio.
La bisagra flexible construida con rigidez cero solo está bajo la acción de un par puro, que puede realizar“rigidez cero”, sin considerar el caso de soportar condiciones de carga complejas. Por lo tanto, la construcción de bisagras flexibles de rigidez cero bajo condiciones de carga complejas es el foco de futuras investigaciones. Además, reducir la fricción que existe durante el movimiento de las bisagras flexibles de rigidez cero es una dirección de optimización importante para las bisagras flexibles de rigidez cero.
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Sobre el autor: Bi Shusheng (autor correspondiente), hombre, nacido en 1966, médico, profesor, supervisor de doctorado. Su principal dirección de investigación es el mecanismo totalmente flexible y el robot biónico.
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