Recherche sur la charnière flexible à rigidité nulle basée sur la connaissance du mécanisme à ressort et manivelle_Hinge

Résumé : La rigidité en rotation de la charnière flexible à rigidité nulle est approximativement nulle, ce qui surmonte le défaut selon lequel les charnières flexibles ordinaires nécessitent un couple d'entraînement, et peut être appliquée à des pinces flexibles et à d'autres domaines. En prenant les charnières flexibles des anneaux intérieurs et extérieurs sous l'action d'un couple pur comme sous-système de rigidité positive, la recherche sur le mécanisme de rigidité négative et la correspondance des rigidités positive et négative peuvent construire une charnière flexible à rigidité nulle. Proposer un mécanisme de rotation à rigidité négative——Mécanisme à ressort et manivelle, modélisé et analysé ses caractéristiques de rigidité négative ; en faisant correspondre les rigidités positives et négatives, analysé l'influence des paramètres structurels du mécanisme à ressort et manivelle sur la qualité de rigidité nulle ; proposé un ressort linéaire avec une rigidité et une taille personnalisables——Corde de ressort à lames en forme de losange, le modèle de rigidité a été établi et la vérification par simulation par éléments finis a été effectuée ; enfin, la conception, le traitement et les tests d'un échantillon compact de charnière flexible à rigidité nulle ont été achevés. Les résultats des tests ont montré que : sous l'action du couple pur,±18°Dans la plage des angles de rotation, la rigidité en rotation de la charnière flexible à rigidité nulle est en moyenne 93 % inférieure à celle des charnières flexibles à anneau intérieur et extérieur. La charnière flexible à rigidité nulle construite présente une structure compacte et une rigidité nulle de haute qualité ; le mécanisme de rotation à rigidité négative proposé et le ressort linéaire ont une grande valeur de référence pour l'étude du mécanisme flexible.

0 préface

Charnière flexible (roulement)

^[1-2]

S'appuyant sur la déformation élastique de l'unité flexible pour transmettre ou convertir le mouvement, la force et l'énergie, il a été largement utilisé dans le positionnement de précision et dans d'autres domaines. Par rapport aux roulements rigides traditionnels, il existe un moment de restauration lorsque la charnière flexible tourne. Par conséquent, l'unité d'entraînement doit fournir un couple de sortie pour entraîner et maintenir la rotation de la charnière flexible. Charnière flexible à rigidité nulle

^[3]

(Zero rigidity flexural pivot, ZSFP) est un joint rotatif flexible dont la rigidité en rotation est approximativement nulle. Ce type de charnière flexible peut rester dans n'importe quelle position dans la plage de course, également connue sous le nom de charnière flexible à équilibre statique.

^[4]

, sont principalement utilisés dans des domaines tels que les pinces flexibles.

Basé sur le concept de conception modulaire du mécanisme flexible, l'ensemble du système de charnière flexible à rigidité nulle peut être divisé en deux sous-systèmes de rigidité positive et négative, et le système à rigidité nulle peut être réalisé grâce à la correspondance des rigidités positive et négative.

^[5]

. Parmi eux, le sous-système à rigidité positive est généralement une charnière flexible à grande course, telle qu'une charnière flexible à roseaux croisés.

^[6-7]

, charnière flexible généralisée à trois croix

^[8-9]

et charnières flexibles à bague intérieure et extérieure

^[10-11]

etc. À l'heure actuelle, la recherche sur les charnières flexibles a donné de nombreux résultats. Par conséquent, la clé pour concevoir des charnières flexibles à rigidité nulle est de faire correspondre des modules de rigidité négative appropriés pour les charnières flexibles[3].

Les charnières flexibles à bague intérieure et extérieure (Pivots de flexion à bague intérieure et extérieure, IORFP) présentent d'excellentes caractéristiques en termes de rigidité, de précision et de dérive en température. Le module de rigidité négative correspondant fournit la méthode de construction de la charnière flexible à rigidité nulle et, enfin, complète la conception, le traitement des échantillons et les tests de la charnière flexible à rigidité nulle.

1 mécanisme à ressort et manivelle

1.1 Définition de la rigidité négative

La définition générale de la rigidité K est le taux de variation entre la charge F supportée par l'élément élastique et la déformation correspondante dx

K = dF/dx (1)

Lorsque l'incrément de charge de l'élément élastique est opposé au signe de l'incrément de déformation correspondant, il s'agit d'une raideur négative. Physiquement, la raideur négative correspond à l'instabilité statique de l'élément élastique

^[12]

Les mécanismes de rigidité négative jouent un rôle important dans le domaine de l'équilibre statique flexible. Habituellement, les mécanismes de rigidité négative présentent les caractéristiques suivantes.

(1) Le mécanisme réserve une certaine quantité d'énergie ou subit une certaine déformation.

(2) Le mécanisme est dans un état d'instabilité critique.

(3) Lorsque le mécanisme est légèrement perturbé et quitte la position d'équilibre, il peut libérer une force plus importante, qui va dans le même sens que le mouvement.

1.2 Principe de construction de la charnière flexible à rigidité nulle

La charnière flexible à rigidité nulle peut être construite en utilisant une correspondance de rigidité positive et négative, et le principe est illustré à la figure 2.

(1) Sous l'action d'un couple pur, les charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur ont une relation couple-angle de rotation approximativement linéaire, comme le montre la figure 2a. En particulier, lorsque le point d'intersection est situé à 12,73 % de la longueur de l'anche, la relation couple-angle de rotation est linéaire.

^[11]

, à ce moment, le moment de rappel Mpivot (sens horaire) de la charnière flexible est lié à l'angle de rotation du roulementθ(dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) la relation est

Mpivot=(8EI/L)θ (2)

Dans la formule, E est le module élastique du matériau, L est la longueur du roseau et I est le moment d'inertie de la section.

(2) Selon le modèle de rigidité en rotation des charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur, le mécanisme de rotation à rigidité négative est adapté et ses caractéristiques de rigidité négative sont illustrées à la figure 2b.

(3) Compte tenu de l'instabilité du mécanisme de rigidité négative

^[12]

, la rigidité de la charnière flexible à rigidité nulle doit être approximativement nulle et supérieure à zéro, comme le montre la figure 2c.

1.3 Définition du mécanisme à ressort et manivelle

Selon la littérature [4], une charnière flexible à rigidité nulle peut être construite en introduisant un ressort pré-déformé entre le corps rigide mobile et le corps rigide fixe de la charnière flexible. Pour la charnière flexible à bague intérieure et extérieure représentée sur la FIG. 1, un ressort est introduit entre la bague intérieure et la bague extérieure, c'est-à-dire qu'un mécanisme ressort-manivelle (SCM) est introduit. En référence au mécanisme coulissant à manivelle illustré à la figure 3, les paramètres associés du mécanisme à ressort à manivelle sont illustrés à la figure 4. Le mécanisme manivelle-ressort est composé d'une manivelle et d'un ressort (réglage de la rigidité comme k). l'angle initial est l'angle inclus entre la manivelle AB et la base AC lorsque le ressort n'est pas déformé. R représente la longueur de la manivelle, l représente la longueur de base et définit le rapport de la longueur de la manivelle comme le rapport de r à l, c'est-à-dire = r/l (0<<1).

La construction du mécanisme manivelle-ressort nécessite la détermination de 4 paramètres : la longueur de base l, le rapport de longueur de manivelle , l'angle initial et la raideur du ressort K.

La déformation du mécanisme à manivelle-ressort sous l'effet d'une force est représentée sur la figure 5a, à l'instant M

_&gamma ;

Sous l'action, la manivelle se déplace de la position initiale AB

_Bêta

tournez-vous vers AB

_&gamma ;

, pendant le processus de rotation, l'angle inclus de la manivelle par rapport à la position horizontale

_&gamma ;

appelé l'angle de vilebrequin.

L'analyse qualitative montre que la manivelle tourne de AB (position initiale, M & gamma; Zéro) à AB0 (“point mort”emplacement, M

_&gamma ;

est nul), le mécanisme manivelle-ressort présente une déformation avec des caractéristiques de rigidité négatives.

1.4 La relation entre le couple et l'angle de rotation du mécanisme à ressort et manivelle

En figue. 5, le couple M & gamma; dans le sens des aiguilles d'une montre est positif, l'angle du vilebrequin & gamma; dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est positif et le moment de charge M est modélisé et analysé ci-dessous.

_&gamma ;

avec angle de manivelle

_&gamma ;

La relation entre le processus de modélisation est dimensionnée.

Comme le montre la figure 5b, l'équation d'équilibre du couple pour la manivelle AB & gamma est répertorié.

Dans la formule, F & gamma; est la force de rappel du ressort, d & gamma; est F & gamma; au point A. Supposons que la relation déplacement-charge du ressort soit

Dans la formule, K est la rigidité du ressort (pas nécessairement une valeur constante),δ

x&gamma ;

est la quantité de déformation du ressort (raccourcie en positif),δ

x&gamma ;

=|B

_Bêta

C| – |B

_&gamma ;

C|.

Type simultané (3)(5), moment M

_&gamma ;

avec coin

_&gamma ;

La relation est

1.5 Analyse des caractéristiques de rigidité négatives du mécanisme manivelle-ressort

Afin de faciliter l'analyse des caractéristiques de rigidité négatives du mécanisme manivelle-ressort (moment M

_&gamma ;

avec coin

_&gamma ;

relation), on peut supposer que le ressort a une raideur linéaire positive, alors la formule (4) peut être réécrite comme

Dans la formule, Kconst est une constante supérieure à zéro. Une fois la taille de la charnière flexible déterminée, la longueur l de la base est également déterminée. Par conséquent, en supposant que l est une constante, la formule (6) peut être réécrite comme

où Kconstl2 est une constante supérieure à zéro, et le coefficient de moment m & gamma; a une dimension de un. Les caractéristiques de rigidité négatives du mécanisme manivelle-ressort peuvent être obtenues en analysant la relation entre le coefficient de couple m & gamma; et l'angle de rotation & gamma.

À partir de l'équation (9), la figure 6 montre l'angle initial =π relation entre m & gamma; et rapport de longueur de manivelle et angle de rotation & gamma;, & isine ;[0,1, 0,9],& gamma;& isine ;[0, π]. La figure 7 montre la relation entre m & gamma; et angle de rotation & gamma; pour = 0,2 et différent . La figure 8 montre =π Quand, sous différents , la relation entre m & gamma; et angle & gamma.

D'après la définition du mécanisme à ressort et manivelle (section 1.3) et la formule (9), lorsque k et l sont constants, m & gamma; Uniquement lié à l'angle & gamma ;, rapport de longueur de manivelle et angle initial de manivelle.

(1) Si et seulement si & gamma; est égal à 0 ouπ ou, m & gamma; est égal à zéro ; & gamma; & isine;[0, ],m & gamma; est supérieur à zéro ; & gamma; & est dans;[π],m & gamma; moins que zéro. & isine;[0, ],m & gamma; est supérieur à zéro ; & gamma;& est dans;[π],m & gamma; moins que zéro.

(2) & gamma; Lorsque [0, ], l'angle de rotation & gamma; augmente, m & gamma; augmente de zéro jusqu'à l'angle du point d'inflexion & gamma;0 prend la valeur maximale m & gamma;max, puis diminue progressivement.

(3) La plage caractéristique de rigidité négative du mécanisme à ressort et manivelle: & gamma;& isine ;[0, & gamma;0], à ce moment & gamma; augmente (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) et le couple M & gamma; augmente (dans le sens des aiguilles d’une montre). L'angle du point d'inflexion & gamma;0 est l'angle de rotation maximal de la caractéristique de rigidité négative du mécanisme manivelle-ressort et & gamma;0 & isine;[0, ];m & gamma;max est le coefficient de moment négatif maximum. Etant donné et , la dérivation de l’équation (9) donne & gamma;0

(4) plus l'angle initial est grand, & gamma; le plus grand 0, m

_γmax

plus gros.

(5) plus le rapport de longueur est grand, & gamma; le plus petit 0, m

_γmax

plus gros.

En particulier, =πLes caractéristiques de rigidité négative du mécanisme à ressort et manivelle sont les meilleures (la plage d'angle de rigidité négative est large et le couple pouvant être fourni est important). =πEn même temps, dans différentes conditions, l'angle de rotation maximum & gamma de la rigidité négative caractéristique du mécanisme à ressort et manivelle ; 0 et le coefficient de couple négatif maximum m & gamma; Max est répertorié dans le tableau 1.

2 Construction d'une charnière flexible à rigidité nulle

L'adaptation de la rigidité positive et négative du 2.1 est illustrée à la figure 9, n(n 2) groupes de mécanismes à ressorts à manivelle parallèles sont uniformément répartis autour de la circonférence, formant un mécanisme à rigidité négative adapté aux charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur.

En utilisant les charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur comme sous-système de rigidité positive, construisez une charnière flexible à rigidité nulle. Afin d'obtenir une rigidité nulle, faites correspondre la rigidité positive et négative

simultanés (2), (3), (6), (11) et & gamma;=θ, la charge F & le gamma du ressort peut être obtenu ; et déplacementδLa relation de x & gamma; est

Selon la section 1.5, la plage d'angle de rigidité négative du mécanisme à ressort et manivelle: & gamma;& isine ;[0, & gamma;0] et & gamma;0 & isin;[0, ], la course de la charnière flexible à rigidité nulle doit être inférieure à & gamma;0, c'est-à-dire .e. le ressort est toujours dans un état déformé (δxγ≠0). La plage de rotation des charnières flexibles à bague intérieure et extérieure est±0,35 rad(±20°), simplifier les fonctions trigonométriques sin & gamma; et parce que & gamma; comme suit

Après simplification, la relation charge-déplacement du ressort

2.2 Analyse des erreurs du modèle d'adaptation de rigidité positive et négative

Évaluez l’erreur causée par le traitement simplifié de l’équation (13). Selon les paramètres de traitement réels de la charnière flexible à rigidité nulle (Section 4.2) : n = 3, l = 40 mm, =π, = 0,2,E = 73 GPa ; Les dimensions de la charnière flexible des anneaux intérieur et extérieur L = 46 mm, T = 0,3 mm, W = 9,4 mm ; Les formules de comparaison (12) et (14) simplifient la relation de déplacement de charge et l'erreur relative des ressorts avant et arrière, comme le montrent respectivement les figures 10a et 10b.

Comme le montre la figure 10, & gamma; est inférieur à 0,35 rad (20°), l'erreur relative provoquée par le traitement simplifié de la courbe charge-déplacement ne dépasse pas 2,0 %, et la formule

Le traitement simplifié de (13) peut être utilisé pour construire des charnières flexibles à rigidité nulle.

2.3 Caractéristiques de rigidité du ressort

En supposant que la raideur du ressort est K, les valeurs simultanées (3), (6), (14)

Selon les paramètres de traitement réels de la charnière flexible à rigidité nulle (Section 4.2), la courbe de changement de rigidité du ressort K avec l'angle & gamma; est illustré à la figure 11. En particulier, lorsque & gamma;= 0, K prend la valeur minimale.

Pour faciliter la conception et le traitement, le ressort adopte un ressort à rigidité positive linéaire et la rigidité est Kconst. Sur toute la course, si la rigidité totale de la charnière flexible à rigidité nulle est supérieure ou égale à zéro, Kconst doit prendre la valeur minimale de K

L'équation (16) est la valeur de rigidité du ressort à rigidité positive linéaire lors de la construction de la charnière flexible à rigidité nulle. 2.4 Analyse de la qualité de rigidité nulle La relation charge-déplacement de la charnière flexible à rigidité nulle construite est

Les formules simultanées (2), (8), (16) peuvent être obtenues

Afin d'évaluer la qualité de rigidité nulle, la plage de réduction de la rigidité de la charnière flexible avant et après l'ajout du module de rigidité négative est définie comme le coefficient de qualité de rigidité nulle.η

η Plus la valeur est proche de 100 %, plus la qualité de rigidité nulle est élevée. La figure 12 est 1-η Relation avec le rapport de longueur de manivelle et l'angle initial η Il est indépendant du nombre n de mécanismes manivelle-ressort parallèles et de la longueur l de la base, mais uniquement lié au rapport de longueur de manivelle, à l'angle de rotation & gamma; et l'angle initial.

(1) L'angle initial augmente et la qualité de rigidité nulle s'améliore.

(2) Le rapport de longueur augmente et la qualité de rigidité nulle diminue.

(3) Angle & gamma; augmente, la qualité de rigidité nulle diminue.

Afin d'améliorer la qualité de rigidité nulle de la charnière flexible à rigidité nulle, l'angle initial doit prendre une valeur plus grande ; le rapport de longueur de manivelle doit être aussi petit que possible. Dans le même temps, selon les résultats de l'analyse de la section 1.5, si la valeur est trop petite, la capacité du mécanisme manivelle-ressort à fournir une rigidité négative sera faible. Afin d'améliorer la qualité de rigidité nulle de la charnière flexible à rigidité nulle, l'angle initial =π, rapport de longueur de manivelle = 0,2, c'est-à-dire les paramètres de traitement réels de la section 4.2 charnière flexible à rigidité nulle.

Selon les paramètres de traitement réels de la charnière flexible à rigidité nulle (section 4.2), la relation couple-angle entre les charnières flexibles à anneau intérieur et extérieur et la charnière flexible à rigidité nulle est illustrée à la figure 13 ; la diminution de la rigidité est le coefficient de qualité de rigidité nulleηLa relation avec le coin & gamma; est illustré à la figure 14. D'après la figure 14 : En 0,35 rad (20°) plage de rotation, la rigidité de la charnière flexible à rigidité nulle est réduite en moyenne de 97 % ; 0,26 rad(15°) coins, il est réduit de 95%.

3 Conception d'un ressort à rigidité positive linéaire

La construction d'une charnière flexible à rigidité nulle s'effectue généralement après que la taille et la rigidité de la charnière flexible ont été déterminées, puis la rigidité du ressort dans le mécanisme à ressort à manivelle est inversée, de sorte que les exigences de rigidité et de taille du ressort sont relativement strictes. De plus, l'angle initial =π, de la figure 5a, lors de la rotation de la charnière flexible à rigidité nulle, le ressort est toujours dans un état comprimé, c'est-à-dire“Ressort de compression”.

La rigidité et la taille des ressorts de compression traditionnels sont difficiles à personnaliser avec précision, et un mécanisme de guidage est souvent requis dans les applications. Par conséquent, un ressort dont la rigidité et la taille peuvent être personnalisées est proposé.——Cordon à ressort à lames en forme de diamant. La chaîne de ressorts à lames en forme de losange (Figure 15) est composée de plusieurs ressorts à lames en forme de losange connectés en série. Il présente les caractéristiques d’une conception structurelle libre et d’un degré élevé de personnalisation. Sa technologie de traitement est conforme à celle des charnières flexibles, et les deux sont traitées par coupe de fil de précision.

3.1 Modèle charge-déplacement d'une chaîne de ressorts à lames en forme de losange

En raison de la symétrie du ressort à lames rhombiques, un seul ressort à lames doit être soumis à une analyse de contrainte, comme le montre la figure 16. α est l'angle entre le roseau et l'horizontale, la longueur, la largeur et l'épaisseur du roseau sont respectivement Ld, Wd, Td, f est la charge dimensionnellement unifiée sur le ressort à lames en losange,δy est la déformation du ressort à lames rhombiques dans la direction y, la force fy et le moment m sont des charges équivalentes sur l'extrémité d'un seul anche, fv et fw sont les forces composantes de fy dans le système de coordonnées wov.

Selon la théorie de la déformation du faisceau de l'AWTAR[13], la relation charge-déplacement dimensionnellement unifiée d'un roseau unique

En raison de la relation de contrainte du corps rigide sur l'anche, l'angle d'extrémité de l'anche avant et après déformation est nul, c'est-à-direθ = 0. Simultané (20)(22)

L'équation (23) est le modèle d'unification dimensionnelle charge-déplacement du ressort à lames rhombiques. n2 ressorts à lames rhombiques sont connectés en série et son modèle de déplacement de charge est

De la formule (24), quandαLorsque d est petit, la rigidité de la chaîne de ressorts à lames en forme de losange est approximativement linéaire sous des dimensions et des charges typiques.

3.2 Vérification du modèle par simulation par éléments finis

La vérification par simulation par éléments finis du modèle charge-déplacement du ressort à lames en forme de losange est effectuée. À l’aide d’ANSYS Mechanical APDL 15.0, les paramètres de simulation sont présentés dans le tableau 2 et une pression de 8 N est appliquée au ressort à lames en forme de losange.

La comparaison entre les résultats du modèle et les résultats de simulation de la relation charge-déplacement du ressort à lame en losange est présentée dans la Fig. 17 (dimensionnement). Pour quatre ressorts à lames en losange avec des angles d'inclinaison différents, l'erreur relative entre le modèle et les résultats de la simulation par éléments finis ne dépasse pas 1,5 %. La validité et l'exactitude du modèle (24) ont été vérifiées.

4 Conception et test d'une charnière flexible à rigidité nulle

4.1 Conception des paramètres d'une charnière flexible à rigidité nulle

Pour concevoir une charnière flexible à rigidité nulle, les paramètres de conception de la charnière flexible doivent d'abord être déterminés en fonction des conditions de service, puis les paramètres pertinents du mécanisme à ressort à manivelle doivent être calculés inversement.

4.1.1 Paramètres de charnière flexibles

Le point d'intersection des charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur est situé à 12,73 % de la longueur de l'anche et ses paramètres sont indiqués dans le tableau 3. En remplacement de l'équation (2), la relation couple-angle de rotation des charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur est

4.1.2 Paramètres du mécanisme de rigidité négative

Comme le montre la fig. 18, en prenant le nombre n de mécanismes à ressorts à manivelle en parallèle comme 3, la longueur l = 40 mm est déterminée par la taille de la charnière flexible. d'après la conclusion de la section 2.4, l'angle initial =π, rapport de longueur de manivelle = 0,2. D'après l'équation (16), la raideur du ressort (c'est-à-dire chaîne de ressorts à lames en diamant) est Kconst = 558,81 N/m (26)

4.1.3 Paramètres des cordes de ressorts à lames en diamant

par l = 40mm, =π, = 0,2, la longueur d'origine du ressort est de 48 mm, et la déformation maximale (& gamma;= 0) est de 16 mm. En raison de limitations structurelles, il est difficile pour un seul ressort à lames en losange de produire une déformation aussi importante. En utilisant quatre ressorts à lames en losange en série (n2 = 4), la rigidité d'un seul ressort à lames en losange est

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

Selon la taille du mécanisme de rigidité négative (Figure 18), compte tenu de la longueur, de la largeur et de l'angle d'inclinaison de l'anche du ressort à lame en forme de losange, l'anche peut être déduite de la formule (23) et de la formule de rigidité (27) de le ressort à lames en forme de losange. Épaisseur. Les paramètres structurels des ressorts à lames en losange sont répertoriés dans le tableau 4.

surface4

En résumé, les paramètres de la charnière flexible à rigidité nulle basée sur le mécanisme à ressort et manivelle ont tous été déterminés, comme le montrent les tableaux 3 et 4.

4.2 Conception et traitement de l'échantillon de charnière flexible à rigidité nulle Se référer à la littérature [8] pour la méthode de traitement et de test de la charnière flexible. La charnière flexible à rigidité nulle est composée d'un mécanisme à rigidité négative et d'une charnière flexible à anneaux intérieur et extérieur en parallèle. La conception structurelle est illustrée à la figure 19.

Les charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur et les cordes de ressorts à lames en forme de diamant sont traitées par des machines-outils de coupe de fil de précision. Les charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur sont traitées et assemblées en couches. La figure 20 est l'image physique de trois ensembles de cordes de ressorts à lames en forme de losange, et la figure 21 est l'image physique assemblée à rigidité nulle de l'échantillon de charnière flexible.

4.3 La plate-forme d'essai de rigidité en rotation de la charnière flexible à rigidité nulle En faisant référence à la méthode d'essai de rigidité en rotation de [8], la plate-forme d'essai de rigidité en rotation de la charnière flexible à rigidité nulle est construite, comme le montre la Figure 22.

4.4 Traitement des données expérimentales et analyse des erreurs

La rigidité en rotation des charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur et des charnières flexibles à rigidité nulle a été testée sur la plate-forme de test, et les résultats des tests sont présentés dans la figure 23. Calculez et tracez la courbe de qualité de rigidité nulle de la charnière flexible à rigidité nulle selon la formule (19), comme indiqué sur la Fig. 24.

Les résultats des tests montrent que la rigidité en rotation de la charnière flexible à rigidité nulle est proche de zéro. Par rapport aux charnières flexibles à anneau intérieur et extérieur, la charnière flexible à rigidité nulle±0,31 rad(18°) la rigidité a été réduite en moyenne de 93 % ; 0,26 rad (15°), la rigidité est réduite de 90 %.

Comme le montrent les figures 23 et 24, il existe encore un certain écart entre les résultats des tests de qualité de rigidité nulle et les résultats du modèle théorique (l'erreur relative est inférieure à 15 %), et les principales raisons de l'erreur sont les suivantes.

(1) L'erreur de modèle causée par la simplification des fonctions trigonométriques.

(2) Frictions. Il y a une friction entre la chaîne du ressort à lames diamantées et l'arbre de montage.

(3) Erreur de traitement. Il y a des erreurs dans la taille réelle de l'anche, etc.

(4) Erreur d'assemblage. L'espace entre le trou d'installation de la chaîne de ressorts à lames en forme de losange et l'arbre, l'espace d'installation du dispositif de plate-forme de test, etc.

4.5 Comparaison des performances avec une charnière flexible à rigidité nulle typique Dans la littérature [4], une charnière flexible à rigidité nulle ZSFP_CAFP a été construite en utilisant un pivot de flexion à axe transversal (CAFP), comme le montre la Figure 25.

Comparaison de la charnière flexible à rigidité nulle ZSFP_IORFP (Fig. 21) et ZSFP_CAFP (Fig. 25) construit en utilisant les charnières flexibles des anneaux intérieur et extérieur

(1) ZSFP_IORFP, la structure est plus compacte.

(2) La plage de coins de ZSFP_IORFP est petite. La plage de coins est limitée par la plage de coins de la charnière flexible elle-même ; la plage de coin de ZSFP_CAFP80°, plage d'angle ZSFP_IORFP40°.

(3) ±18°Dans la gamme de coins, ZSFP_IORFP a une qualité supérieure de rigidité nulle. La raideur moyenne de ZSFP_CAFP est réduite de 87 %, et la raideur moyenne de ZSFP_IORFP est réduite de 93 %.

5 conclusion

En prenant la charnière flexible des bagues intérieure et extérieure sous couple pur comme sous-système de rigidité positive, le travail suivant a été effectué afin de construire une charnière flexible à rigidité nulle.

(1) Proposer un mécanisme de rotation à rigidité négative——Pour le mécanisme à manivelle-ressort, un modèle (Formule (6)) a été établi pour analyser l'influence des paramètres structurels sur ses caractéristiques de rigidité négatives, et la plage de ses caractéristiques de rigidité négatives a été donnée (Tableau 1).

(2) En faisant correspondre les rigidités positives et négatives, les caractéristiques de rigidité du ressort dans le mécanisme à ressort à manivelle (équation (16)) sont obtenues et le modèle (équation (19)) est établi pour analyser l'effet des paramètres structurels. du mécanisme à manivelle-ressort sur la qualité de rigidité nulle de la charnière flexible à rigidité nulle Influence, théoriquement, dans la course disponible de la charnière flexible, des bagues intérieure et extérieure (±20°), la réduction moyenne de rigidité peut atteindre 97 %.

(3) Proposer une rigidité personnalisable“printemps”——Une corde de ressort à lames en forme de losange a été établie pour établir son modèle de rigidité (équation (23)) et vérifiée par la méthode des éléments finis.

(4) Achèvement de la conception, du traitement et des tests d'un échantillon compact de charnière flexible à rigidité nulle. Les résultats des tests montrent que : sous l'action du couple pur, le36°Dans la plage des angles de rotation, par rapport aux charnières flexibles à anneaux intérieurs et extérieurs, la rigidité de la charnière flexible à rigidité nulle est réduite de 93 % en moyenne.

La charnière flexible à rigidité nulle construite est uniquement sous l'action d'un couple pur, ce qui peut réaliser“rigidité nulle”, sans considérer le cas de conditions de chargement complexes. Par conséquent, la construction de charnières flexibles à rigidité nulle dans des conditions de charge complexes fait l’objet de recherches ultérieures. De plus, la réduction du frottement qui existe lors du mouvement des charnières flexibles à rigidité nulle constitue une direction d'optimisation importante pour les charnières flexibles à rigidité nulle.

les références

[1] HOWELL L L. Mécanismes conformes[M]. New York : John Wiley&Fils, Inc, 2001.

[2] Yu Jingjun, Pei Xu, Bi Shusheng, etc. Progrès de la recherche sur les méthodes de conception de mécanismes de charnière flexibles [J]. Journal chinois de génie mécanique, 2010, 46(13):2-13. Champion Yu Jin, PEI X U, appel BIS, ETA en hausse. État de l'art de la méthode de conception des mécanismes de flexion [J]. Journal de génie mécanique, 2010, 46(13):2-13.

[3] MORSCH F M, Herder J L. Conception d'un joint générique conforme à zéro rigidité [C] // Conférences internationales d'ingénierie de conception ASME. 2010:427-435.

[4] MERRIAM E G, Howell L L. Approche non dimensionnelle pour l'équilibrage statique des flexions rotationnelles [J]. Mécanisme & Théorie des machines, 2015, 84(84):90-98.

[5] HOETMER K, Woo G, Kim C et al. Éléments constitutifs de rigidité négative pour des mécanismes conformes statiquement équilibrés : conception et tests [J]. Journal des mécanismes & Robotique, 2010, 2(4):041007.

[6] JENSEN BD, Howell LL. La modélisation des pivots de flexion transversaux [J]. Théorie des mécanismes et des machines, 2002, 37(5):461-476.

[7] WITTRICK W H. Les propriétés des pivots de flexion croisés et l'influence du point de croisement des bandes [J]. Le Trimestriel Aéronautique, 1951, II : 272-292.

[8] l UI l, BIS, yang Q, ETA. Conception et expérimentation de pivots de flexion généralisés à triple ressort croisé appliqués aux instruments d'ultra-précision[J]. Revue des instruments scientifiques, 2014, 85(10) : 105102.

[9] Yang Qizi, Liu Lang, Bi Shusheng, etc. Recherche sur les caractéristiques de rigidité en rotation de la charnière flexible à trois croix généralisée [J]. Journal chinois de génie mécanique, 2015, 51(13) : 189-195.

yang Q I mot, l IU Lang, voix BIS, ETA. Caractérisation de la rigidité en rotation des pivots de flexion généralisés à triple ressort croisé [J]. Journal de génie mécanique, 2015, 51(13):189-195.

[10] l UI l, Zhao H, BIS, ETA. Recherche sur la comparaison des performances de la structure topologique des pivots de flexion à ressorts croisés [C] // Conférences techniques internationales d'ingénierie de conception ASME 2014 et conférence sur les ordinateurs et l'information en ingénierie, août 17–20, 2014, Buffalo, New York, États-Unis. ASME, 2014 : V05AT08A025.

[11] l UI l, BIS, yang Q. Caractéristiques de rigidité de l'intérieur–pivots de flexion de la bague extérieure appliqués aux instruments d'ultra-précision [J]. ARCHIVE Actes de l'Institution of Mechanical Engineers Partie C Journal of Mechanical Engineering Science 1989-1996 (vols 203-210), 2017 : 095440621772172.

[12] SANCHEZ J A G. Critères d'équilibrage statique des mécanismes conformes[C]// Conférences techniques internationales d'ingénierie de conception ASME 2010 et conférence sur les ordinateurs et l'information en ingénierie, août 15–18, 2010, Montréal, Québec, Canada. ASME, 2010:465-473.

[13] AWTAR S, Sen S. Un modèle de contraintes généralisé pour les flexions de poutres bidimensionnelles : formulation d'énergie de déformation non linéaire [J]. Journal de conception mécanique, 2010, 132 : 81009.

À propos de l'auteur : Bi Shusheng (auteur correspondant), de sexe masculin, né en 1966, médecin, professeur, directeur de thèse. Son principal axe de recherche concerne les mécanismes entièrement flexibles et les robots bioniques.