正交簧片型大行程柔性球铰设计及柔度分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.069

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (5): 626-633 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.069

产品创新设计

正交簧片型大行程柔性球铰设计及柔度分析

谢超(

),陈云壮,石光楠,赖磊捷(

)

上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620

Design and compliance analysis of large stroke flexible ball hinge with orthogonal reeds

Chao XIE(

),Yunzhuang CHEN,Guangnan SHI,Leijie LAI(

)

School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China

全文: PDF(4904 KB) HTML

摘要：

传统缺口型柔性球铰的工作行程较小，且存在结构构型及柔度计算复杂、加工工艺要求高等问题，不能应用于需大行程的场合。为此，设计了一种正交簧片型大行程柔性球铰，即将具有较大变形能力的簧片梁通过正交组合形成虎克铰，使其能够实现3个功能轴线方向的运动。该柔性球铰具有结构构型简单、加工制作容易和工作行程较大等优点。根据柔性球铰单个簧片梁的柔度矩阵及连接方式，采用柔度矩阵法和坐标变换方法，对柔性球铰的全局柔度矩阵进行建模和计算，通过有限元仿真和实验测试对所建立的柔度模型进行验证，并分析了柔性球铰几何参数对柔度的影响规律。结果表明：柔度理论计算值与仿真值的相对误差基本在10%以内，与测试值的相对误差在8%以内；几何参数对柔度影响程度从大到小依次是柔性簧片梁2的厚度、宽度、长度。研究结果可以为大行程空间柔顺机构的多样化设计提供参考。

关键词： 簧片; 柔性球铰; 大行程; 有限元分析; 柔度

Abstract:

The traditional notched flexible ball hinge has smaller working stroke, complex structural configuration and compliance calculation, and high processing requirements, so it can not be applied to the occasions requiring large stroke. Therefore, a large stroke flexible ball hinge with orthogonal reeds was designed, which meant that the reed beam with large deformation capacity could form a Hooke joint through orthogonal combination, enabling it to achieve movement in three functional axis directions. The flexible ball hinge had the advantages of simple structural configuration, easy processing and manufacturing, and large working stroke. Based on the compliance matrix and connection type of a single reed beam of the flexible ball hinge, the global compliance matrix of the flexible ball hinge was modeled and calculated by the compliance matrix method and coordinate transformation method. The established compliance model was verified through finite element simulation and experimental test, and the influence of geometric parameters of the flexible ball hinge on compliance was analyzed. The results showed that the relative error between the theoretical calculating value and the simulated value of compliance was basically within 10%, and the relative error between the calculated value and the test value was within 8%; the influence degree of geometric parameters on compliance was in descending order: thickness, width and length of reed beam 2. The research results can provide reference for the diversified design of large stroke spatial compliant mechanism.

Key words: reed flexible ball hinge large stroke finite element analysis compliance

收稿日期: 2023-03-08 出版日期: 2023-11-03

CLC:

TH 132

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51605275);上海市自然科学基金资助项目(21ZR1426000);机械系统与振动国家重点实验室课题资助项目(MSV202210)

通讯作者: 赖磊捷 E-mail: silencexc@126.com;lailj@sues.edu.cn

作者简介: 谢超（1999—），男，安徽芜湖人，硕士生，从事微纳米定位技术研究，E-mail: silencexc@126.com, https://orcid.org/0009-0006-1363-1188

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谢超,陈云壮,石光楠,赖磊捷. 正交簧片型大行程柔性球铰设计及柔度分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 626-633.

Chao XIE,Yunzhuang CHEN,Guangnan SHI,Leijie LAI. Design and compliance analysis of large stroke flexible ball hinge with orthogonal reeds[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(5): 626-633.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.069 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I5/626

图1 大行程柔性球铰的结构

图2 大行程柔性球铰变形原理示意

图3 簧片梁示意图

参数	计算公式
$C δ x - F x$	l/(Etw)
$C δ y - F y$	4l³/(Et³w)
$C δ z - F z$	4l³/(Etw³)
$C θ x - M x$	l/(GJ)
$C θ y - M y$	12l/(Etw³)
$C θ z - M z$	12l/(Et³w)
$C δ y - M z$	6l²/(Et³w)
$C δ z - M y$	6l²/(Etw³)
$C θ y - F z$	6l²/(Etw³)
$C θ z - F y$	6l²/(Et³w)

表1 簧片梁柔度矩阵的参数及其计算公式

图4 柔性球铰的截面

图5 柔性铰链的弹簧模型

表2 柔性球铰的材料参数和几何参数

图6 柔性球铰仿真模型的网格划分

图7 柔性球铰静力学仿真分析结果

柔度	计算值	仿真值	相对误差/%
$C δ y - F y$ /(mm/N)	1.013 9	1.112 6	8.87
$C δ z - F z$ /(mm/N)	1.300 0	1.458 3	10.85
$C θ x - M x$ /(rad/(N·m))	1.316 3	1.426 0	7.69
$C δ y - M z$ ， $C θ z - F y$ /(rad/N)	0.029 5	0.031 9	7.52
$C δ z - M y$ ， $C θ y - F z$ /(rad/N)	-0.034 2	-0.033 0	3.64
$C θ y - M y, C θ z - M z$ /(rad/(N·m))	1.061 5	1.032 3	2.83

表3 柔性球铰柔度理论计算和仿真分析结果

图8 柔性球铰柔度测试装置

图9 柔性球铰y、 z向的力—位移曲线

图10 柔性球铰扭矩—扭角曲线

图11 簧片梁2的几何参数对柔性球铰柔度的影响

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