Исследование гибкого шарнира нулевой жесткости на основе кривошипно-пружинного механизма_Знания о шарнирах 1

Аннотация: Вращательная жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости равна примерно нулю, что устраняет недостаток, связанный с тем, что обычные гибкие шарниры требуют приводного крутящего момента, и может применяться к гибким захватам и другим полям. Принимая гибкие шарниры внутреннего и внешнего кольца под действием чистого крутящего момента в качестве подсистемы положительной жесткости, исследование механизма отрицательной жесткости и сопоставление положительной и отрицательной жесткости могут создать гибкий шарнир нулевой жесткости. Предложить механизм вращения с отрицательной жесткостью.——Кривошипно-пружинный механизм смоделирован и проанализирован его отрицательные жесткостные характеристики; путем сопоставления положительной и отрицательной жесткости проанализировано влияние конструктивных параметров кривошипно-пружинного механизма на качество нулевой жесткости; предложила линейную пружину с настраиваемой жесткостью и размером——Ромбовидная рессорная струна, создана модель жесткости и проведена проверка методом конечных элементов; наконец, были завершены проектирование, обработка и испытания компактного образца гибкого шарнира нулевой жесткости. Результаты испытаний показали, что: под действием чистого крутящего момента,±18°В диапазоне углов поворота вращательная жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости в среднем на 93% ниже, чем у гибкого шарнира внутреннего и наружного кольца. Созданный гибкий шарнир нулевой жесткости имеет компактную конструкцию и высококачественную нулевую жесткость; Предлагаемый механизм вращения с отрицательной жесткостью и линейная пружина имеют большое справочное значение для изучения гибкого механизма.

0 Предисловие

Гибкий шарнир (подшипник)

^[1-2]

Опираясь на упругую деформацию гибкого блока для передачи или преобразования движения, силы и энергии, он широко используется в точном позиционировании и других областях. По сравнению с традиционными жесткими подшипниками при вращении гибкого шарнира существует восстанавливающий момент. Следовательно, приводной блок должен обеспечивать выходной крутящий момент для привода и поддерживать вращение гибкого шарнира. Гибкий шарнир нулевой жесткости

^[3]

(Изгибный шарнир нулевой жесткости, ZSFP) представляет собой гибкое вращающееся соединение, вращательная жесткость которого равна примерно нулю. Этот тип гибкого шарнира может оставаться в любом положении в пределах диапазона хода, также известный как гибкий шарнир со статическим балансом.

^[4]

, в основном используются в таких областях, как гибкие захваты.

Основываясь на модульной концепции конструкции гибкого механизма, всю гибкую шарнирную систему с нулевой жесткостью можно разделить на две подсистемы с положительной и отрицательной жесткостью, а систему с нулевой жесткостью можно реализовать путем сопоставления положительной и отрицательной жесткости.

^[5]

. Среди них подсистема положительной жесткости обычно представляет собой гибкий шарнир с большим ходом, например гибкий шарнир с перекрестным язычком.

^[6-7]

, обобщенный трехкрестовый герконовый гибкий шарнир

^[8-9]

гибкие петли на внутреннем и внешнем кольцах

^[10-11]

И т. д. В настоящее время исследования гибких шарниров дали много результатов, поэтому ключом к проектированию гибких шарниров с нулевой жесткостью является подбор подходящих модулей отрицательной жесткости для гибких шарниров [3].

Гибкие шарниры внутреннего и внешнего кольца (изгибные шарниры внутреннего и внешнего кольца, IORFP) обладают превосходными характеристиками с точки зрения жесткости, точности и температурного дрейфа. Соответствующий модуль отрицательной жесткости обеспечивает метод построения гибкого шарнира нулевой жесткости и, наконец, завершает проектирование, обработку образцов и тестирование гибкого шарнира нулевой жесткости.

1 кривошипно-пружинный механизм

1.1 Определение отрицательной жесткости

Общее определение жесткости K — это скорость изменения нагрузки F, воспринимаемой упругим элементом, и соответствующей деформации dx.

К= dF/dx (1)

Когда приращение нагрузки упругого элемента противоположно знаку соответствующего приращения деформации, это отрицательная жесткость. Физически отрицательная жесткость соответствует статической неустойчивости упругого элемента.

^[12]

.Механизмы отрицательной жесткости играют важную роль в области гибкого статического баланса. Обычно механизмы отрицательной жесткости имеют следующие характеристики.

(1) Механизм сохраняет определенное количество энергии или подвергается определенной деформации.

(2) Механизм находится в критическом состоянии неустойчивости.

(3) Когда механизм слегка нарушен и выходит из положения равновесия, он может высвободить большую силу, направленную в том же направлении, что и движение.

1.2 Принцип конструкции гибкого шарнира нулевой жесткости

Гибкий шарнир с нулевой жесткостью можно сконструировать, используя согласование положительной и отрицательной жесткости, принцип показан на рисунке 2.

(1) Под действием чистого крутящего момента гибкие шарниры внутреннего и внешнего кольца имеют приблизительно линейную зависимость крутящего момента от угла поворота, как показано на рисунке 2a. В частности, когда точка пересечения расположена на расстоянии 12,73% длины язычка, соотношение крутящего момента и угла поворота является линейным.

^[11]

, в это время восстанавливающий момент Mpivot (по часовой стрелке) гибкого шарнира связан с углом поворота подшипникаθ(против часовой стрелки) соотношение

Мповорот=(8EI/L)θ (2)

В формуле E — модуль упругости материала, L — длина берда, I — момент инерции сечения.

(2) В соответствии с моделью вращательной жесткости гибких шарниров внутреннего и внешнего колец, механизм вращения с отрицательной жесткостью согласован, и его характеристики отрицательной жесткости показаны на рисунке 2b.

(3) Ввиду неустойчивости механизма отрицательной жесткости

^[12]

, жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости должна быть приблизительно равна нулю и больше нуля, как показано на рисунке 2c.

1.3 Определение кривошипно-пружинного механизма

Согласно литературе [4], гибкий шарнир нулевой жесткости можно сконструировать путем введения предварительно деформированной пружины между движущимся твердым телом и неподвижным твердым телом гибкого шарнира. Для внутреннего и наружного кольца гибкий шарнир, показанный на фиг. 1 между внутренним кольцом и наружным кольцом введена пружина, т. е. введен пружинно-кривошипный механизм (ПКВ). Что касается кривошипно-ползунного механизма, показанного на рисунке 3, соответствующие параметры кривошипно-пружинного механизма показаны на рисунке 4. Кривошипно-пружинный механизм состоит из кривошипа и пружины (жесткость задана как k). начальный угол представляет собой угол между кривошипом AB и основанием AC, когда пружина не деформирована. R представляет длину кривошипа, l представляет базовую длину и определяет отношение длины кривошипа как отношение r к l, I.e. = г/л (0<<1).

Конструкция кривошипно-пружинного механизма требует определения 4 параметров: длины основания l, соотношения длин кривошипа, начального угла и жесткости пружины К.

Деформация кривошипно-пружинного механизма под действием силы представлена ​​на рисунке 5а, в момент М

_&гамма;

Под воздействием кривошип перемещается из исходного положения АВ.

_Бета

обратиться к АБ

_&гамма;

, в процессе вращения угол включения кривошипа относительно горизонтального положения

_&гамма;

называется углом коленвала.

Качественный анализ показывает, что кривошип вращается из АВ (исходное положение, М & гамма; ноль) до AB0 (“мертвая точка”место, М

_&гамма;

равна нулю), кривошипно-пружинный механизм имеет деформацию с отрицательными жесткостными характеристиками.

1.4 Связь между крутящим моментом и углом поворота кривошипно-пружинного механизма

На рис. 5, крутящий момент М & гамма; по часовой стрелке положителен, угол поворота коленвала & гамма; против часовой стрелки является положительным, а моментная нагрузка M моделируется и анализируется ниже.

_&гамма;

с углом поворота коленвала

_&гамма;

Измерена взаимосвязь между процессом моделирования.

Как показано на рисунке 5b, уравнение баланса крутящего момента для кривошипа AB & гамма указана.

В формуле F & гамма; – восстанавливающая сила пружины, d & гамма; это F & гамма; в точку А. Предположим, что соотношение смещения и нагрузки пружины равно

В формуле К — жесткость пружины (не обязательно постоянная величина),δ

х&гамма;

- величина деформации пружины (сокращена до положительной),δ

х&гамма;

=|B

_Бета

C| – |B

_&гамма;

C|.

Синхронный тип (3)(5), момент M

_&гамма;

с углом

_&гамма;

Отношения

1.5 Анализ отрицательных жесткостных характеристик кривошипно-пружинного механизма

Для облегчения анализа отрицательных характеристик жесткости кривошипно-пружинного механизма (момент М

_&гамма;

с углом

_&гамма;

зависимости) можно предположить, что пружина имеет линейную положительную жесткость, тогда формулу (4) можно переписать в виде

В формуле Kconst — константа, большая нуля. После того как определен размер гибкого шарнира, определяют и длину l основания. Поэтому, полагая l константой, формулу (6) можно переписать в виде

где Kconstl2 — константа, большая нуля, а моментный коэффициент m & гамма; имеет размерность единица. Отрицательные характеристики жесткости кривошипно-пружинного механизма можно получить, анализируя зависимость между коэффициентом крутящего момента m & гамма; и угол поворота & гамма.

Из уравнения (9) на рисунке 6 показан начальный угол =π отношения между м & гамма; и соотношение длины кривошипа и угол поворота & гамма;, & исин;[0,1, 0,9],& гамма;& исин;[0, π]. На рис. 7 показана зависимость между m & гамма; и угол поворота & гамма; для = 0,2 и разные. На рисунке 8 показано =π Когда при разных , связь между m & гамма; и угол & гамма.

Согласно определению кривошипно-пружинного механизма (раздел 1.3) и формуле (9), при постоянных k и l, m & гамма; Связано только с углом & гамма;, отношение длины кривошипа и начальный угол кривошипа.

(1) Тогда и только тогда, когда & гамма; равно 0 илиπ или, м & гамма; равен нулю; & гамма; & исин;[0, ],м & гамма; больше нуля; & гамма; & в;[π],м & гамма; меньше нуля. & исин;[0, ],м & гамма; больше нуля; & гамма;& в;[π],м & гамма; меньше нуля.

(2) & гамма; Когда [0, ], угол поворота & гамма; увеличивается, м & гамма; увеличивается от нуля до угла точки перегиба & gamma;0 принимает максимальное значение m & гамма;макс, а затем постепенно уменьшается.

(3) Характеристический диапазон отрицательной жесткости кривошипно-пружинного механизма.: & гамма;& исин;[0, & гамма;0], в это время & гамма; увеличивается (против часовой стрелки), а крутящий момент M & гамма; увеличивается (по часовой стрелке). Угол точки перегиба & гамма;0 — максимальный угол поворота отрицательной жесткости, характерной для кривошипно-пружинного механизма и & гамма;0 & исин;[0, ];м & gamma;max — максимальный коэффициент отрицательного момента. Учитывая и , вывод уравнения (9) дает & гамма;0

(4) чем больше начальный угол , & гамма; чем больше 0, м

_{&гамма;макс.}

больше.

(5) чем больше отношение длин , & гамма; меньший 0, м

_{&гамма;макс.}

больше.

В частности, =πХарактеристики отрицательной жесткости кривошипно-пружинного механизма являются лучшими (диапазон углов отрицательной жесткости велик, а крутящий момент, который может быть обеспечен, велик). =πПри этом в разных условиях максимальный угол поворота & гамма отрицательной жесткости, характерная для кривошипно-пружинного механизма; 0 и максимальный отрицательный коэффициент крутящего момента m & гамма; Макс указан в таблице 1.

2 Конструкция гибкого шарнира нулевой жесткости

Соответствие положительной и отрицательной жесткости 2.1 показано на рисунке 9, n(n 2) группы параллельных кривошипно-пружинных механизмов равномерно распределены по окружности, образуя механизм отрицательной жесткости, согласованный с гибкими шарнирами внутреннего и внешнего кольца.

Используя гибкие шарниры внутреннего и внешнего кольца в качестве подсистемы положительной жесткости, постройте гибкий шарнир нулевой жесткости. Чтобы достичь нулевой жесткости, сопоставьте положительную и отрицательную жесткость.

одновременно (2), (3), (6), (11) и & гамма;=θ, нагрузка F & гамму пружины можно получить; и перемещениеδОтношения х & гамма; является

Согласно разделу 1.5 диапазон отрицательных углов жесткости кривошипно-пружинного механизма: & гамма;& исин;[0, & гамма;0] и & гамма;0 & isin;[0, ], ход гибкого шарнира нулевой жесткости должен быть меньше & гамма;0, т.е. пружина всегда находится в деформированном состоянии(δx&гамма;≠0). Диапазон вращения гибких шарниров внутреннего и внешнего кольца составляет±0,35 рад(±20°), упростить тригонометрические функции sin & гамма; и потому что & гамма; следующее

После упрощения соотношение нагрузки и перемещения пружины

2.2 Анализ ошибок модели согласования положительной и отрицательной жесткости

Оцените ошибку, вызванную упрощенной трактовкой уравнения (13). Согласно фактическим параметрам обработки гибкого шарнира нулевой жесткости (раздел 4.2): n = 3,l = 40 мм, =π, = 0,2,E = 73 ГПа; Размеры внутреннего и наружного кольца гибкого шарнирного язычка L=46мм,Т=0,3мм,Ш=9,4мм; Формулы сравнения (12) и (14) упрощают зависимость смещения нагрузки и относительную погрешность передней и задней пружин, как показано на рисунках 10a и 10b соответственно.

Как показано на рисунке 10, & гамма; меньше 0,35 рад (20°), относительная погрешность, обусловленная упрощенной трактовкой кривой перемещения нагрузки, не превышает 2,0 %, а формула

Упрощенную трактовку (13) можно использовать для построения гибких шарниров нулевой жесткости.

2.3 Характеристики жесткости пружины

Считая жесткость пружины К, одновременно (3), (6), (14)

В соответствии с фактическими параметрами обработки гибкого шарнира нулевой жесткости (раздел 4.2), кривая изменения жесткости пружины K с углом & гамма; показано на рисунке 11. В частности, когда & gamma;= 0, K принимает минимальное значение.

Для удобства проектирования и обработки в пружине используется линейная пружина положительной жесткости, жесткость равна Kconst. На всем протяжении хода, если общая жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости больше или равна нулю, Kconst должна принимать минимальное значение K

Уравнение (16) представляет собой значение жесткости линейной пружины положительной жесткости при построении гибкого шарнира нулевой жесткости. 2.4 Анализ качества нулевой жесткости. Зависимость нагрузки от смещения построенного гибкого шарнира нулевой жесткости равна

Совместную формулу (2), (8), (16) можно получить

Для оценки качества нулевой жесткости диапазон снижения жесткости гибкого шарнира до и после добавления модуля отрицательной жесткости определяется как коэффициент качества нулевой жесткости.η

η Чем ближе к 100%, тем выше качество нулевой жесткости. Рисунок 12: 1-η Связь с соотношением длины кривошипа и начальным углом η Она не зависит от числа n параллельных кривошипно-пружинных механизмов и длины l основания, а связана только с соотношением длин кривошипа , углом поворота & гамма; и начальный угол.

(1) Начальный угол увеличивается и качество нулевой жесткости улучшается.

(2) Соотношение длин увеличивается, а качество нулевой жесткости снижается.

(3) Угол & гамма; увеличивается, качество нулевой жесткости снижается.

Для улучшения качества нулевой жесткости гибкого шарнира нулевой жесткости начальный угол должен принимать большее значение; соотношение длин кривошипа должно быть как можно меньшим. В то же время, согласно результатам анализа в разделе 1.5, если оно слишком мало, то способность кривошипно-пружинного механизма обеспечивать отрицательную жесткость будет слабой. Чтобы улучшить качество нулевой жесткости гибкого шарнира нулевой жесткости, начальный угол =π, отношение длины кривошипа = 0,2, то есть фактические параметры обработки гибкого шарнира нулевой жесткости раздела 4.2.

В соответствии с фактическими параметрами обработки гибкого шарнира нулевой жесткости (раздел 4.2), соотношение крутящего момента и угла между гибкими шарнирами внутреннего и внешнего кольца и гибким шарниром нулевой жесткости показано на рисунке 13; уменьшение жесткости - коэффициент качества нулевой жесткостиηОтношения с углом & гамма; показано на рисунке 14. По рисунку 14: В 0,35 рад (20°) диапазон поворота, жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости снижается в среднем на 97%; 0,26 рад(15°) углов, он уменьшен на 95%.

3 Конструкция линейной пружины положительной жесткости

Конструкция гибкого шарнира нулевой жесткости обычно осуществляется после определения размера и жесткости гибкого шарнира, а затем жесткость пружины в кривошипно-пружинном механизме меняется на противоположную, поэтому требования к жесткости и размеру пружины относительно строгие. Кроме того, начальный угол =π, из рисунка 5а, при вращении гибкого шарнира нулевой жесткости пружина всегда находится в сжатом состоянии, т.е.“Пружина сжатия”.

Жесткость и размер традиционных пружин сжатия сложно точно настроить, и в приложениях часто требуется направляющий механизм. Поэтому предлагается пружина, жесткость и размер которой можно регулировать по индивидуальному заказу.——Струна листовой пружины ромбовидной формы. Ромбовидная рессорная струна (рис. 15) состоит из нескольких ромбовидных рессор, соединенных последовательно. Он имеет характеристики свободного структурного проектирования и высокой степени настройки. Технология его обработки аналогична технологии гибких петель, и обе они обрабатываются путем точной резки проволоки.

3.1 Модель нагрузки-перемещения ромбовидной рессорной струны

Из-за симметрии ромбической листовой рессоры анализу напряжения необходимо подвергнуть только одну листовую рессору, как показано на рисунке 16. α – угол между бердом и горизонтом, длина, ширина и толщина берда – Ld, Wd, Td соответственно, f – размерная унифицированная нагрузка на ромбовидную листовую рессору,δy — деформация ромбической листовой рессоры в направлении y, сила fy и момент m — эквивалентные нагрузки на конце одиночного язычка, fv и fw — составляющие силы fy в системе координат wov.

Согласно теории деформации балки AWTAR[13], унифицированное по размерам соотношение нагрузки и смещения одиночного язычка

Из-за связи твердого тела с бердом конечный угол берда до и после деформации равен нулю, т.е.θ = 0. Одновременно (20)(22)

Уравнение (23) представляет собой модель объединения размеров нагрузки и смещения ромбической листовой рессоры. n2 ромбических листовых рессоры соединены последовательно, и ее модель смещения нагрузки равна

Из формулы (24), когдаαКогда d мало, жесткость ромбовидной струны пластинчатой ​​рессоры примерно линейна при типичных размерах и типичных нагрузках.

3.2 Проверка модели методом конечных элементов

Проведена конечно-элементная верификация модели нагрузки-перемещения ромбовидной листовой рессоры. С использованием ANSYS Mechanical APDL 15.0 параметры моделирования показаны в таблице 2, а к ромбовидной пластинчатой ​​пружине приложено давление 8 Н.

Сравнение результатов модели и результатов моделирования зависимости нагрузки от смещения ромбовидной листовой рессоры показано на рис. 17 (размерность). Для четырех ромбовидных рессор с разными углами наклона относительная погрешность между моделью и результатами конечно-элементного моделирования не превышает 1,5%. Справедливость и точность модели (24) проверена.

4 Проектирование и испытание гибкого шарнира нулевой жесткости

4.1 Расчет параметров гибкого шарнира нулевой жесткости

Для проектирования гибкого шарнира нулевой жесткости сначала следует определить расчетные параметры гибкого шарнира в соответствии с условиями эксплуатации, а затем обратно рассчитать соответствующие параметры кривошипно-пружинного механизма.

4.1.1 Гибкие параметры шарнира

Точка пересечения гибких шарниров внутреннего и наружного кольца расположена на 12,73% длины берда, ее параметры приведены в таблице 3. Подставив в уравнение (2), соотношение крутящего момента и угла поворота гибких шарниров внутреннего и наружного колец составит

4.1.2 Параметры механизма отрицательной жесткости

Как показано на рис. 18, принимая число n параллельно кривошипно-пружинных механизмов за 3, длину l = 40 мм определяют размером гибкого шарнира. согласно выводу раздела 2.4, начальный угол =π, отношение длины кривошипа = 0,2. Согласно уравнению (16) жесткость пружины (т.е. ромбовидная рессорная струна) составляет Kconst = 558,81 Н/м (26)

4.1.3 Параметры струны с алмазной рессорой

на l = 40 мм, =π, = 0,2, исходная длина пружины 48 мм, максимальная деформация (& гамма;= 0) составляет 16 мм. Из-за структурных ограничений одной ромбовидной рессоре трудно произвести такую ​​большую деформацию. При последовательном соединении четырех ромбовидных рессор (n2 = 4) жесткость одной ромбовидной рессоры равна

Kd=4Kconst=2235,2 Н/м (27)

По размерам механизма отрицательной жесткости (рис. 18), учитывая длину, ширину и угол наклона берда ромбовидной пластинчатой ​​рессоры, язычок можно вывести по формуле (23) и формуле жесткости (27) ромбовидная рессора Толщина. Конструктивные параметры ромбовидных рессор приведены в таблице 4.

поверхность4

Таким образом, все параметры гибкого шарнира нулевой жесткости на основе кривошипно-пружинного механизма были определены, как показано в Таблицах 3 и Таблице 4.

4.2 Проектирование и обработка образца гибкого шарнира нулевой жесткости Обратитесь к литературе [8] для получения информации о методе обработки и испытания гибкого шарнира. Гибкий шарнир нулевой жесткости состоит из механизма отрицательной жесткости и параллельно соединенных гибких шарниров внутреннего и внешнего колец. Конструктивное решение показано на рисунке 19.

Гибкие петли внутреннего и внешнего кольца, а также струны пластинчатой ​​пружины ромбовидной формы обрабатываются прецизионными станками для резки проволоки. Гибкие петли внутреннего и внешнего кольца обрабатываются и собираются послойно. На рисунке 20 показано физическое изображение трех комплектов ромбовидных струн рессор, а на рисунке 21 показано собранное изображение нулевой жесткости. Физическое изображение образца гибкого шарнира.

4.3 Платформа для испытания вращательной жесткости гибкого шарнира нулевой жесткости Ссылаясь на метод испытания вращательной жесткости, описанный в [8], создается платформа для испытания вращательной жесткости гибкого шарнира нулевой жесткости, как показано на рисунке 22.

4.4. Обработка экспериментальных данных и анализ ошибок.

Вращательная жесткость гибких шарниров внутреннего и внешнего кольца, а также гибких шарниров нулевой жесткости была проверена на испытательной платформе, результаты испытаний показаны на рисунке 23. Рассчитайте и постройте кривую качества гибкого шарнира нулевой жесткости по формуле (19), как показано на рис. 24.

Результаты испытаний показывают, что вращательная жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости близка к нулю. По сравнению с гибкими петлями внутреннего и наружного кольца, гибкий шарнир нулевой жесткости±0,31 рад(18°) жесткость снижена в среднем на 93%; 0,26 рад (15°), жесткость снижается на 90%.

Как показано на рисунках 23 и 24, все еще существует определенный разрыв между результатами испытаний качества нулевой жесткости и результатами теоретической модели (относительная ошибка менее 15%), и основные причины ошибки заключаются в следующем.

(1) Ошибка модели, вызванная упрощением тригонометрических функций.

(2) Трение. Между струной алмазной пластинчатой ​​пружины и монтажным валом существует трение.

(3) Ошибка обработки. Есть ошибки в реальном размере трости и т.д.

(4) Ошибка сборки. Зазор между установочным отверстием ромбовидной струны листовой рессоры и валом, установочный зазор устройства испытательной платформы и т. д.

4.5 Сравнение характеристик с типичным гибким шарниром нулевой жесткости В литературе [4] гибкий шарнир нулевой жесткости ZSFP_CAFP был сконструирован с использованием поперечного изгибного шарнира (CAFP), как показано на рисунке 25.

Сравнение гибкого шарнира нулевой жесткости ZSFP_IORFP (рис. 21) и ZSFP_CAFP (рис. 25) построен с использованием гибких шарниров внутреннего и наружного кольца.

(1) ZSFP_IORFP, структура более компактна.

(2) Угловой диапазон ZSFP_IORFP мал. Угловой диапазон ограничен угловым диапазоном самого гибкого шарнира; угловой диапазон ZSFP_CAFP80°, Угловой диапазон ZSFP_IORFP40°.

(3) ±18°В диапазоне углов ZSFP_IORFP имеет более высокое качество нулевой жесткости. Средняя жесткость ZSFP_CAFP снижается на 87%, а средняя жесткость ZSFP_IORFP снижается на 93%.

5 Заключение

Принимая гибкий шарнир внутреннего и внешнего колец под действием чистого крутящего момента в качестве подсистемы положительной жесткости, была проделана следующая работа для создания гибкого шарнира с нулевой жесткостью.

(1) Предложить механизм вращения с отрицательной жесткостью.——Для кривошипно-пружинного механизма создана модель (формула (6)) для анализа влияния конструктивных параметров на его отрицательные жесткостные характеристики и указан диапазон его отрицательных жесткостных характеристик (табл. 1).

(2) Путем сопоставления положительной и отрицательной жесткостей получаются характеристики жесткости пружины в кривошипно-пружинном механизме (уравнение (16)) и создается модель (уравнение (19)) для анализа влияния структурных параметров. кривошипно-пружинного механизма на качество нулевой жесткости гибкого шарнира нулевой жесткости Влияние теоретически в пределах доступного хода гибкого шарнира внутреннего и наружного колец (±20°), среднее снижение жесткости может достигать 97%.

(3) Предложите настраиваемую жесткость.“весна”——Для установления модели жесткости (уравнение (23)) была создана струна листовой рессоры ромбовидной формы, которая проверена методом конечных элементов.

(4) Завершены проектирование, обработка и испытания компактного образца гибкого шарнира нулевой жесткости. Результаты испытаний показывают, что: под действием чистого крутящего момента36°В диапазоне углов поворота по сравнению с гибкими шарнирами внутреннего и наружного кольца жесткость гибкого шарнира нулевой жесткости снижается в среднем на 93%.

Сконструированный гибкий шарнир с нулевой жесткостью находится только под действием чистого крутящего момента, который может реализовать“нулевая жесткость”, без учета условий сложных нагружений подшипников. Поэтому создание гибких шарниров нулевой жесткости в условиях сложных нагрузок является предметом дальнейших исследований. Кроме того, снижение трения, возникающего во время движения гибких шарниров нулевой жесткости, является важным направлением оптимизации гибких шарниров нулевой жесткости.

Рекомендации

[1] HOWELL L L. Совместимые механизмы[M]. Нью-Йорк: Джон Уайли&Сыновья, Инк, 2001.

[2] Юй Цзинцзюнь, Пэй Сюй, Би Шушэн и др. Ход исследований по методам проектирования гибкого шарнирного механизма[J]. Китайский журнал машиностроения, 2010, 46(13):2-13. Чемпион Ю Джин, PEI X U, вызов BIS, назначенное время прибытия. Современное состояние метода проектирования механизмов изгиба [J]. Журнал машиностроения, 2010, 46(13):2-13.

[3] МОРШ Ф.М., Гердер Дж.Л. Проектирование типового соединения, соответствующего требованиям нулевой жесткости[C] // Международные инженерно-конструкторские конференции ASME. 2010:427-435.

[4] МЕРРИАМ Э.Г., Хауэлл Л.Л. Безразмерный подход к статической балансировке ротационных изгибов[J]. Механизм & Теория машин, 2015, 84(84):90-98.

[5] ХЁТМЕР К., Ву Дж., Ким С. и др. Строительные блоки отрицательной жесткости для статически сбалансированных механизмов: проектирование и испытания [J]. Журнал механизмов & Робототехника, 2010, 2(4):041007.

[6] ДЖЕНСЕН Б.Д., Хауэлл Л.Л. Моделирование поперечных изгибных шарниров[J]. Теория механизмов и машин, 2002, 37(5):461-476.

[7] WITTRICK W H. Свойства скрещенных шарниров изгиба и влияние точки пересечения полос [J]. Ежеквартальный журнал по аэронавтике, 1951, II: 272–292.

[8] л МЕ л, БИС, Ян Ц, ЭТА. Проектирование и экспериментирование обобщенных гибких шарниров с тройной крестообразной пружиной, применяемых в сверхточных инструментах [J]. Обзор научных инструментов, 2014, 85(10): 105102.

[9] Ян Цизи, Лю Лан, Би Шушен и др. Исследование характеристик вращательной жесткости обобщенного трехкрестового язычкового гибкого шарнира [J]. Китайский журнал машиностроения, 2015, 51 (13): 189–195.

Ян Q I слово, l IU Lang, голос BIS, расчетное время прибытия. Характеристика вращательной жесткости обобщенных шарниров с тройной поперечной пружиной [J]. Журнал машиностроения, 2015, 51(13):189-195.

[10] l IU l, Чжао Х, BIS, ETA. Исследование сравнения характеристик топологической структуры изгибных шарниров с перекрестными пружинами [C] // Международные технические конференции по проектированию и инженерному проектированию ASME 2014 и Конференция «Компьютеры и информация в инженерии», август 17–20 октября 2014 г., Буффало, Нью-Йорк, США. ASME, 2014 : V05AT08A025.

[11] l IU l, BIS, Ян Ц. Характеристики жесткости внутренней–шарниры изгиба внешнего кольца, применяемые в сверхточных инструментах [J]. АРХИВ Труды Института инженеров-механиков, часть C. Журнал машиностроительной науки, 1989–1996 (тома 203–210), 2017: 095440621772172.

[12] SANCHEZ J A G. Критерии статической балансировки механизмов соответствия [C] // ASME 2010, Международные технические конференции по проектированию и инженерному делу, а также Конференция по компьютерам и информации в инженерии, август 15–18 октября 2010 г., Монреаль, Квебек, Канада. ASME, 2010:465-473.

[13] АВТАР С., Сен С. Обобщенная модель ограничений для двумерных изгибов балки: формулировка нелинейной энергии деформации [J]. Журнал механического проектирования, 2010, 132: 81009.

Сведения об авторе: Би Шушенг (автор-корреспондент), мужчина, 1966 г.р., врач, профессор, научный руководитель. Его основное направление исследований — полностью гибкие механизмы и бионические роботы.