Utafiti huu unachunguza kwa majaribio na kwa hesabu muundo wa Compliant Rolling-Contact Element (CORE) bearing unaolenga kuunganisha katika utaratibu mmoja unaonyumbulika kazi ya kubeba mzigo wa radial ya bearing ya kawaida na kazi ya kutoa torati ya kurejesha ya chemchemi ya torsion. Katika utaratibu unaofanana na mpangilio wa gia za sayari, kuna “sun” katikati, vipengele vya “planet” kuizunguka, ring kwa nje na mikanda inayoweza kupinda inayounganisha vipengele hivi. Uratibu unapozunguka, vipengele hivi vinavyonyumbulika vinavyoitwa flexure hupinda, huhifadhi nishati ya mgeuko wa elastiki na kutoa torati inayojaribu kurudisha mfumo katika nafasi ya awali. Mpangilio huo huo wa kijiometri pia husaidia kushikilia kipengele cha kati katika mwelekeo wa radial.

Watafiti wanatathmini upya modeli ya uchanganuzi iliyopendekezwa katika fasihi ya awali kwa CORE bearing, ambayo kinadharia hutabiri torati isiyobadilika isiyotegemea nafasi ya pembe. Katika majaribio 30 ya torati kwenye mfano wa nyenzo nyingi, modeli ilipotabiri 76,75 N·mm ya torati isiyobadilika, vipimo halisi vilionekana kubadilika takribani katika 50–150 N·mm. Hasa katika eneo la mwanzo la mzunguko, tabia ya mpito iliyo wazi na hysteresis kati ya upakiaji na upunguzaji wa mzigo hujitokeza. Uchambuzi wa elementi kikomo pia unaunga mkono tabia ya mpito na isiyo ya mstari ya torati ambayo haipo katika modeli ya kinadharia. Kwa hiyo, utafiti unahitimisha kwamba modeli ya sasa ya uchanganuzi inafaa zaidi kwa makadirio ya jumla ya muundo kuliko kwa kutabiri kwa undani torati ya CORE bearing.

Matokeo mengine muhimu ya utafiti ni athari ya mbinu ya utengenezaji kwa ugumu wa radial. Katika CORE bearing ya monolithic, kerf, yaani pengo la lazima kati ya vipengele linaloachwa na mchakato wa kukata au kutengeneza, linapoongezeka, kipengele cha kati kinaweza kusogea zaidi kwa radial chini ya mzigo kabla ya mgusano kutokea. Matokeo ya watafiti yanaunga mkono kwamba upana mdogo wa kerf unahusishwa na ugumu mkubwa wa radial. Aidha, zana ya uboreshaji inayotegemea SciPy imetengenezwa ili kupata jiometri ndogo zaidi iwezekanavyo ya CORE bearing inayokidhi mahitaji fulani ya torati na usalama.

Kwa mtazamo wa Uturuki: Utafiti huu unatoa zaidi mbinu muhimu ya usanifu wa utaratibu kuliko maelekezo ya moja kwa moja ya bidhaa kwa robotiki, roboti saidizi, viungo bandia, exoskeletons, mifumo sahihi na usanifu wa mashine maalumu nchini Uturuki. Kuunganisha kazi za chemchemi na bearing katika kipengele kimoja kwa CORE bearing kunaweza kuchunguzwa katika mifumo ambako idadi ya sehemu, ujazo wa kimitambo na hitaji la kipengele tofauti cha elastiki vinaweza kupunguzwa. Hata hivyo, matokeo ya torati, ugumu na vipimo katika utafiti huu yanategemea jiometri maalumu, PLA, chuma cha chemchemi 1095 na toleransi zilizochaguliwa za utengenezaji. Kwa kiungo bandia halisi, jointi ya roboti au mfumo wa viwandani nchini Uturuki, wigo wa mizigo, maisha ya uchovu, nyenzo, usahihi wa utengenezaji, sababu ya usalama na mizigo ya nje ya mhimili lazima vithibitishwe kando.

CORE bearing ni nini?

CORE ni kifupi cha Compliant Rolling-Contact Element. Kwa Kiswahili inaweza kueleweka kama “kipengele kinachonyumbulika/elastiki cha mgusano wa kuviringika”. Badala ya kuunda pini, bearing au nyuso za kuteleza katika jointi za kawaida kwa sehemu ngumu pekee, utaratibu hutumia vipengele vya elastiki vinavyopinda kwa namna inayodhibitiwa.

Mpangilio wa CORE bearing katika utafiti unafanana kijiometri na mfumo wa planetary gear. Kuna ring ya kudumu au inayobeba mzigo kwa nje, sun katikati, planet kadhaa kati yao, na mikanda myembamba ya flexure inayounganisha sehemu hizi.

Katika Kielelezo 1, watafiti wanaonyesha wazi ring, sun, planet tatu na aina mbili tofauti za flexure kwenye CORE bearing iliyochapishwa kwa 3D. Kielelezo 3 kinaonyesha kwa picha mfululizo jinsi planet zinavyoviringika na jinsi jiometri ya mikanda inayopinda inavyobadilika sun inapozungushwa huku ring ya nje ikiwa imeshikiliwa.

Bearing inaweza kuwa chemchemi kwa wakati mmoja vipi?

Kazi kuu ya rolling bearing ya kawaida ni kuweka shaft katika nafasi ya radial huku ikiruhusu izunguke. Kazi ya chemchemi ya torsion ni kutoa torati ya kurejesha dhidi ya upotovu wa pembe. CORE bearing inalenga kutekeleza tabia hizi mbili ndani ya mpangilio mmoja wa kijiometri.

Sun inapozunguka, planet husogea na mikunjo ya vipengele vya flexure hubadilika. Kupinda huku huhifadhi nishati ya elastiki. Mwelekeo wa flexure kurudi kwenye umbo lake la awali lisilo na mgeuko hutengeneza torati ya kurejesha kwenye sun. Uhusiano wa kijiometri kati ya planet na ring pia husaidia kuweka sun katikati na kutoa upinzani dhidi ya mizigo ya radial.

Kwa hiyo CORE bearing ina uwezo wa kuwa utaratibu mmoja wa kazi nyingi badala ya bearing tofauti na chemchemi tofauti ya torsion katika mifumo ya parallel elastic actuator inayolengwa na watafiti.

Kwa nini parallel elastic actuator ni muhimu?

Viungo bandia vinavyotumia nguvu na jointi za roboti huhitaji mota ili kutoa torati inayohitajika ya jointi. Mota ikilazimika kutoa torati yote yenyewe, mahitaji ya nguvu, uzito na nishati yanaweza kuongezeka.

Katika mifumo ya Series Elastic Actuator (SEA), kipengele cha elastiki huwekwa kwa mfululizo kati ya mota na mzigo. Katika mifumo ya Parallel Elastic Actuator (PEA), kipengele kinachofanana na chemchemi huchangia msaada wa kimitambo sambamba na njia ya mota na mzigo.

Ikiwa katika maeneo fulani ya mwendo kipengele cha elastiki kinabeba kwa passivu sehemu ya torati inayohitajika, torati ya kilele na matumizi ya nishati yanayohitajika kutoka kwa mota yanaweza kupunguzwa. Utafiti unatathmini CORE bearing hasa kama kipengele kilichounganishwa cha chemchemi–bearing kinachoweza kutumika katika mifumo kama hiyo ya PEA.

Modeli ya msingi ya kimitambo ya CORE bearing ni ipi?

Modeli ya uchanganuzi inategemea nadharia ya boriti ya Euler–Bernoulli. Mkazo wa juu wa kupinda katika kipengele cha flexure unahusishwa na moduli ya elastiki \(E\), unene wa flexure \(h\) na radius yenye ufanisi ya mkunjo \(R'\):

\[ \sigma=\frac{Eh}{2R'} \]

Hapa, radius yenye ufanisi inawakilisha kwa pamoja mkunjo wa awali wa flexure na mkunjo wa uso wa sun, planet au ring unaogusana nayo.

Usemi wa jumla wa mkunjo wenye ufanisi katika chanzo umetolewa kama:

\[ R'= \left( \frac{1}{R_{\mathrm{surf}}} - \frac{1}{R_0} \right)^{-1} \]

.

Kwa nini kuna aina mbili tofauti za flexure?

Type 1 flexure hufanya kazi kati ya sun na planet, wakati Type 2 flexure hufanya kazi kati ya planet na ring ya nje. Flexure hizi mbili hazipati mabadiliko sawa ya mkunjo wakati wa mzunguko.

Type 1 flexure ikiwa imezunguka planet mwanzoni, utaratibu unapozunguka hubadilisha mwelekeo wa mkunjo na kuanza kupinda kuzunguka sun. Watafiti wanatarajia mikazo ya juu zaidi itokee kwenye Type 1 flexure kutokana na “curvature inversion” hii.

Kwa Type 1 flexure kwenye planet, radius yenye ufanisi ni:

\[ R'_{1p}= \left( \frac{1}{R_p}-\frac{1}{R_{01}} \right)^{-1} \]

Kwa flexure hiyo hiyo inapogusana na sun:

\[ R'_{1s}= \left( \frac{1}{R_s}+\frac{1}{R_{01}} \right)^{-1} \]

imetolewa. Alama ya kujumlisha ni maelezo muhimu yanayowakilisha kimahesabu kubadilika kwa mwelekeo wa mkunjo.

Torati ya kinadharia huhesabiwaje?

Mchango wa jumla wa torati ya elastiki wa flexure mbili kwenye planet moja:

\[ T_p = EI_1 \left( \frac{1}{R'_{1p}}+ \frac{1}{R'_{1s}} \right) + EI_2 \left( \frac{1}{R'_{2p}}+ \frac{1}{R'_{2r}} \right) \]

unamodeliwa kwa namna hiyo.

Kwa flexure yenye sehemu ya mstatili, momenti ya inersia ya eneo ni:

\[ I=\frac{bh^3}{12} \]

kwa hiyo mabadiliko ya unene wa flexure yana athari kubwa kwa torati. Kwa kuwa unene unaingia katika momenti ya inersia ya eneo kwa nguvu ya tatu, mabadiliko madogo ya jiometri yanaweza kubadilisha uwezo wa torati kwa kiasi kikubwa.

Mchango wa torati wa kila planet kwenye sun hubadilishwa kwa uwiano wa uhamishaji wa kijiometri na kuzidishwa kwa idadi ya jumla ya planet \(n_p\) ili kupata torati ya jumla ya pato:

\[ T_{\mathrm{out}}=n_pT_{ps} \]

Dhana kuu ya modeli ya zamani ya uchanganuzi ni ipi?

Modeli ya awali inadhania kwamba chini ya hali zinazofaa za kijiometri, mikunjo ya flexure huhifadhi takribani ukubwa wa torati usiobadilika kadiri utaratibu unavyosogea. Kwa hiyo grafu ya kinadharia ya torati–pembe huonekana kama mstari mlalo.

Matokeo ya majaribio na FEA ya utafiti mpya yanaonyesha kwamba tabia halisi ya CORE bearing si rahisi kiasi hicho. Hasa maeneo ya muunganisho, mgusano, msuguano na hali halisi za mpaka za kijiometri ambapo flexure inaunganishwa na vipengele husababisha tabia ya mpito iliyo wazi.

Ni miundo gani ya CORE bearing iliyolinganishwa katika utafiti?

Kwa nini muundo wa monolithic unategemea sana mbinu ya utengenezaji?

Kwa kuwa muundo wa monolithic hutengenezwa kama kipande kimoja, lazima kuwe na pengo la chini kabisa kati ya flexure na planet au sun ambalo zana ya utengenezaji huacha. Watafiti kwa ujumla huita pengo hili kerf.

Katika CNC, kerf inahusiana na kipenyo cha zana ya kukata; katika Wire EDM, unene wa waya; katika kukata kwa laser, upana wa boriti; na katika mbinu za additive manufacturing kama FDM au SLA, pengo dogo salama kati ya nyuso mbili zinazopaswa kutengenezwa kwa kujitegemea.

Pengo hili huruhusu sun na planet kusogea kwa radial kwa kiasi kidogo chini ya mzigo kabla ya mgusano halisi kutokea. Kwa hiyo, hata kama jiometri ya utaratibu yenyewe haibadiliki, thamani ya chini ya kerf ya mbinu ya utengenezaji inaweza kubadilisha ugumu wa radial.

Kwa nini muundo wa split-sun ulipendekezwa?

Ingawa muundo wa split-ring huruhusu flexure kutengenezwa kwa njia inayofaa zaidi, unahitaji ring ya nje inayobeba mzigo ikatwe na kuunganishwa baadaye. Hii inaweza kuvuruga usambazaji wa mzigo wa radial wa ring na kuunda sehemu za kuunganishia.

Katika mbinu mpya ya split-sun, kinyume chake, ring ya nje inaachwa endelevu na kipengele kinachogawanywa ni sun ya katikati. Hivyo hitaji la kerf kuzunguka planet kwa flexure hupunguzwa huku uadilifu wa ring ya nje inayobeba mzigo ukihifadhiwa.

Lengo la muundo wa multi-material ni nini?

Katika CORE bearing ya nyenzo moja, nyenzo hiyo hiyo inatarajiwa kufaa kwa flexure zinazopata mgeuko mkubwa wa elastiki na pia kwa ring, sun na planet ambazo zinapaswa kubaki ngumu kadiri inavyowezekana. Majukumu haya mawili yanaweza kupingana kwa upande wa nyenzo.

Katika muundo wa nyenzo nyingi, nyenzo yenye uwezo mkubwa wa mgeuko wa elastiki inaweza kutumika kwa flexure, huku nyenzo nyingine ya bei nafuu au rahisi kutengeneza ikitumika kwa vipengele vingine vigumu.

Katika mfano wa majaribio wa watafiti, ring, sun na planet zilichapishwa kwa 3D kwa kutumia PLA, huku flexure zikitengenezwa kwa mikanda ya chuma cha chemchemi 1095.

Jiometri ya mfano wa majaribio wa nyenzo nyingi ilikuwa vipi?

Mfano katika utafiti ulikuwa takribani kipenyo cha 140 mm na urefu wa 15 mm. Ring, sun, planet na kifuniko cha chini zilichapishwa kwa 3D; mikanda ya chuma cha chemchemi inayofanya kazi kama flexure iliunganishwa kwenye mfumo kwa viunganishi vya kimitambo.

Jaribio la torati lilifanywaje?

Ring ya nje ilifungwa kwenye uso usiosogea. Adapta ya kidijitali ya torati iliwekwa katikati ya sun na kiashiria kigumu kilicho kirefu kuliko radius ya bearing kilitumika kufuatilia nafasi ya pembe.

Katika kila jaribio, sun ilipakiwa kinyume cha saa kutoka 0°'den 120°'ye hadi, kisha ikapakuliwa kwa kuzungushwa kwa saa kurudi 0°'ye. Kipindi cha kipimo kiliwekwa kuwa 10°.

Utaratibu huu ulirudiwa jumla ya 30 kez. Katika Kielelezo 8, wastani wa upakiaji na upakuaji pamoja na maeneo ya ±1 mkengeuko wa kawaida yanaonyeshwa kwa pamoja.

Je, modeli ya kinadharia ililingana na jaribio?

Haikulingana kikamilifu. Modeli ya uchanganuzi iliyohesabiwa kutoka vigezo vya kijiometri inatabiri 76,75 N·mm sabit tork kwa masafa yote ya pembe.

Katika jaribio, torati iliyopimwa ilibadilika takribani kati ya 50–150 N·mm. Katika mwendo wa mwanzo wa pembe, kilele cha torati kilijitokeza kwa wazi zaidi; baada ya takribani 50° ya mkengeuko wa mbele, mteremko wa mkunjo wa torati ulipungua sana na tabia ikawa tambarare zaidi.

Watafiti wanaeleza kwamba hasa baada ya takribani eneo la kwanza la upakiaji la 30°, tabia kati ya marudio ilianza kuwa thabiti zaidi.

Ni nini kinaweza kusababisha kuruka kwa torati mwanzoni?

Katika mfano wa nyenzo nyingi, kuna mikato ya kuunganisha kwenye sun kwa ajili ya kufunga mikanda ya flexure ya chuma. Jiometri hizi za muunganisho hazipo katika modeli bora ya Euler–Bernoulli.

Watafiti wanahusisha kuruka kwa kwanza kwa torati na athari za hali hizi halisi za mpaka. Hivyo, wakati modeli ya uchanganuzi huzingatia kupinda sawia pekee, utaratibu halisi una skrubu, mikato, maeneo ya muunganisho na mabadiliko ya ndani ya ugumu wa kijiometri.

Kwa nini hysteresis ilitokea?

Katika Kielelezo 8 kuna kitanzi cha hysteresis ambapo torati iliyopimwa wakati wa upakuaji katika pembe ileile ni ndogo kuliko wakati wa upakiaji.

Watafiti wanahusisha hili kwa kiasi kikubwa na msuguano kwenye nyuso tambarare za nyuma za planet na sun zinazogusana na uso wa kazi. Kwa kuwa msuguano hufanya kazi kinyume na mwelekeo wa mwendo, huongezwa kwenye torati ya elastiki wakati wa upakiaji na hupunguzwa wakati wa upakuaji.

Kwa nini uchambuzi wa elementi kikomo ulifanywa?

Modeli ya uchanganuzi inategemea hali bora na zilizorahisishwa za mpaka. FEA inaweza kuwakilisha kwa undani zaidi mgeuko mkubwa wa flexure, kufunguka na kufungwa kwa mgusano kati ya vipengele, na viunganisho halisi vya kijiometri.

Watafiti walitumia uchambuzi tuli usio wa mstari unaotegemea PrePoMax 2.1.0 na CalculiX.

Vigezo vya msingi vya modeli ya FEA vilikuwa vipi?

FEA ilionyesha nini?

Katika Kielelezo 10, utabiri wa torati isiyobadilika na mkazo usiobadilika wa modeli ya kinadharia unaonyeshwa kwa mistari iliyokatika, huku matokeo ya FEA yakionyeshwa kwa mikunjo inayobadilika. FEA ilitoa tabia ya mpito iliyo wazi katika torati na mkazo wa Type 1 flexure pamoja na matokeo ya wastani yaliyo juu ya thamani ya kinadharia.

Tofauti hii yote ya ukubwa haitafsiriwi kama tabia ya kimwili ya mfumo. Watafiti wanasisitiza kwamba tatizo la migusano mingi linalotegemea penalty ni nyeti kihesabu kwa vigezo kama msongamano wa mesh, clearance na hatua ya mzigo.

Hata hivyo, kufanana kwa umbo la jumla la mkunjo wa torati wa FEA na mkunjo wa torati wa mpito katika jaribio la nyenzo nyingi kulionekana muhimu. Kwa mujibu wa watafiti, kufanana huku kunaunga mkono kwamba tabia isiyo ya mstari haitokani tu na hitilafu za utengenezaji na kwamba viunganisho/hali za mpaka zina jukumu muhimu katika tabia halisi ya CORE bearing.

Lengo la zana ya uboreshaji ni nini?

Watafiti walitengeneza zana ya uboreshaji ili kupata moja kwa moja jiometri ya CORE bearing yenye eneo dogo la ndege kadiri inavyowezekana huku ikitoa torati inayotakiwa bila kuzidi mkazo unaoruhusiwa wa nyenzo.

Zana hutumia maktaba ya SciPy ndani ya Python 3.12 na solver ya SLSQP.

Tatizo la msingi la uboreshaji ni:

\[ \min_{R_{p,s},h_{1,2},R_{01,2}} (R_r)^2 \]

chini ya masharti:

\[ h_{1,2}\ge h_{\mathrm{tol}} \]

\[ T_{\mathrm{out}}=T_{\mathrm{des}} \]

\[ SF\ge SF_{\min} \]

.

Hapa lengo ni kupunguza radius ya ring ya nje; vikwazo ni kuhifadhi unene wa chini wa flexure unaoweza kutengenezwa, torati inayotakiwa na sababu ya chini ya usalama.

Kwa nini uboreshaji wa multi-start ulitumika?

Tatizo si lazima liwe convex. Watafiti wanaeleza kwamba kwa kutumia sehemu tofauti za kuanzia, hasa katika maeneo ambako kizuizi cha toleransi ya utengenezaji hakitumiki, kipenyo bora cha ring kinaweza kutofautiana takribani 1–5 mm.

Kwa kuwa hali hii inaonyesha uwepo wa local minima, suluhisho lilirudiwa kwa thamani tofauti za kuanzia ili kutafuta optimum inayotegemewa zaidi.

Uwiano wa kuvutia wa planet/sun katika uboreshaji ni upi?

Kwa mujibu wa maandishi makuu na Kielelezo 11, wakati kizuizi cha toleransi ya utengenezaji kama unene wa chini wa flexure kinatumika, planet/sun yarıçap oranı yaklaşık 0,7 hujitokeza.

Wakati kizuizi cha unene wa utengenezaji hakitumiki tena, uwiano bora hubadilika hadi takribani 0,4.

Watafiti wanasema uwiano huu hubaki bila kutegemea idadi ya planet iliyotumika, lakini radius halisi ya ring inayopatikana hubadilika kwa idadi ya planet.

Dokezo la chanzo: Maelezo ya Kielelezo 12 ya utafiti yanaeleza uhusiano wa active/inactive kinyume na maandishi makuu na Kielelezo 11. Kwa hiyo, wakati wa kutafsiri muktadha wa uwiano huu, maandishi makuu na Kielelezo 11 vinapaswa kuzingatiwa kwa pamoja.

Kwa nini bearing inaweza kuwa ndogo planet zinapoongezeka?

Kila planet huchangia torati ya jumla ya kurejesha. Kwa mahitaji yale yale ya torati ya jumla, kutumia planet nyingi zaidi kunaweza kupunguza torati inayopaswa kutolewa na flexure moja.

Hii inaweza kuruhusu muundo usio na masharti makali sana kwa unene wa flexure au mkunjo unaohitajika, hivyo kufikia radius ndogo ya ring kwenye kikomo cha sababu ya usalama.

Jaribio la ugumu wa radial lilipima nini?

Ili CORE bearing iweze kutumika badala ya bearing ya kawaida, haitoshi tu izunguke; sun ya katikati inapaswa kusogea kidogo iwezekanavyo chini ya mzigo wa radial.

Katika muundo wa monolithic kuna pengo linalotokana na kerf kati ya flexure na sehemu nyingine. Watafiti walijaribu athari ya ukubwa wa pengo hili kwa mwendo wa radial.

Ingawa maandishi ya chanzo katika sehemu hii yanatumia kauli “CORE bearing tatu za monolithic zilizochapishwa kwa 3D”, Jedwali 2 na Kielelezo 15 vinaonyesha madaraja manne ya kerf. Chanzo hakielezi tofauti hii ya nambari.

Jaribio la radial lilifanywaje?

Ring ya nje ya CORE bearing ilifungwa kwenye taya ya chini ya mashine ya kuvuta Instron 3342. Fimbo iliyopita katikati ya sun iliunganishwa na taya ya juu na sun ikavutwa juu.

Mwendo wa radial uliendelea hadi mzigo ulipofikia au kuzidi takribani 8,9 N. Kisha mfumo ulirudishwa kwenye nafasi ya awali na jaribio likarudiwa.

Ring pia ilizungushwa kwenye mielekeo ya 0°, 30°, 60°, 90° ve 120° ili kulinganisha tabia katika mielekeo tofauti ya planet.

Maeneo mawili kwenye mkunjo wa Force–displacement yana maana gani?

Katika Kielelezo 14, mteremko wa mkunjo wa nguvu–uhamisho unaonekana kubadilika ghafla katika sehemu fulani.

Katika eneo la kwanza, sun husogea kwa urahisi kiasi ndani ya pengo la kimuundo linalotokana na kerf. Mgusano halisi wa sun–planet–ring unapoanzishwa, utaratibu huwa umetumia pengo lote la kijiometri na ongezeko linalofuata la mzigo hutokea hasa dhidi ya elastiki ya nyenzo. Kwa hiyo mkunjo huwa mkali zaidi.

Watafiti walikadiria sehemu ya mgusano kutoka makutano ya maeneo mawili ya mstari kwa kutumia piecewise regression.

Matokeo kati ya kerf na ugumu wa radial ni yapi?

Majaribio yanaonyesha kwamba kerf kubwa husababisha uhamisho mkubwa zaidi wa radial kabla ya mgusano. Kwa maneno mengine, kadiri kerf inavyopungua, tabia ya ugumu wa radial ya CORE bearing ya monolithic inaboreshwa.

Uhamisho mkubwa zaidi wa radial ulionekana wakati mwelekeo wa mzigo ulikuwa katikati kabisa ya planet mbili; uhamisho mdogo ulionekana mzigo ulipokaribia mwelekeo wa planet moja.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba utendaji wa kimitambo wa CORE bearing unahusiana moja kwa moja si tu na jiometri ya CAD bali pia na uwezo wa pengo la chini la mchakato wa utengenezaji uliochaguliwa.

Kizuizi muhimu cha CORE bearing ni nini?

Ingawa ugumu mkubwa wa radial unalengwa, utafiti unaeleza kwamba ugumu wa axial ni mdogo sana. Sun ikisukumwa nje ya ndege ya ring, flexure zinaweza kuvutwa kupita kiasi kwa urahisi na kuvuka kikomo cha elastiki.

Kwa hiyo watafiti wanapendekeza kutumia mechanical hard-stop kuzuia mwendo mkubwa wa nje ya ndege.

Kwa nini miniaturization haiwezi kuendelea bila kikomo?

Mkazo wa flexure huongezeka radius ya mkunjo inapopungua:

\[ \sigma\propto\frac{1}{R'} \]

Kujaribu kutoa torati fulani katika ujazo mdogo kwa kawaida huhitaji radius ndogo na/au flexure nene zaidi. Hii inaweza kuongeza mkazo wa flexure na kuvuka kikomo cha yield cha nyenzo.

Kwa hiyo kupunguza ukubwa wa CORE bearing kwa kiungo bandia au mfumo wa roboti kompakt si tatizo la scaling ya jiometri pekee; torati inayotakiwa, sifa za nyenzo, unene wa flexure unaoweza kutengenezwa na sababu ya usalama huamua kwa pamoja.

Kwa nini CORE bearing isiyo ya mviringo inaweza kuwa muhimu baadaye?

Katika sehemu ya mwisho ya utafiti, watafiti wanajadili mwelekeo mpya wa usanifu ambao sun na planet si lazima ziwe za mviringo.

Kielelezo 16 kinaonyesha CORE bearing ya dhana yenye sun ya umbo la elipsi na planet zenye wasifu wa kinyume unaolingana.

Kwa kuwa mkunjo wa flexure hutegemea jiometri ya uso, wasifu wa mgusano usio wa mviringo unaweza kutumiwa kuunda tabia maalumu ya torati inayobadilika pamoja na pembe ya mzunguko. Hivyo, badala ya lengo la sasa la torati takribani isiyobadilika, profaili zilizopangwa za torati isiyo ya mstari ambazo huenda zikafaa zaidi tabia ya misuli, tendon au jointi ya kibaolojia zinaweza kuchunguzwa.

Hata hivyo, watafiti wanasisitiza changamoto mbili kuu: kudumisha mgusano wa radial wa kutosha katika masafa yote ya mzunguko na kuzuia mikusanyiko mikubwa ya mkazo kwenye flexure kutokana na mkunjo unaobadilika.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muundo wa majaribio wa utafiti

Utafiti haujumuishi aina moja tu ya jaribio. Uwezekano wa kutumia CORE bearing unatathminiwa kupitia vipengele vinne vikuu vya kiufundi: uainishaji wa torati kwenye mfano wa nyenzo nyingi, uchambuzi wa elementi kikomo kwenye jiometri ya monolithic, uboreshaji wa kijiometri unaotegemea modeli ya kihisabati, na majaribio ya kimitambo yanayopima uhusiano wa kerf–mwendo wa radial katika miundo ya monolithic.

1. Matokeo makuu ya uainishaji wa torati–mkengeuko

• CORE bearing ya nyenzo nyingi ilijaribiwa kati ya 0°–120° kwa hatua za 10°.
• Jaribio lililojumuisha upakiaji na upakuaji lilirudiwa jumla ya mara 30.
• Modeli ya uchanganuzi ilitabiri torati isiyobadilika ya 76,75 N·mm.
• Torati ya majaribio ilibadilika takribani kati ya 50–150 N·mm.
• Mpito mkubwa wa torati ulitokea katika eneo la mwanzo la upakiaji.
• Baada ya takribani 50°, mteremko wa mkunjo wa torati ulipungua kwa kiasi kikubwa.
• Torati ya upakuaji ilikuwa ndogo kuliko ya upakiaji na hysteresis ilionekana.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba modeli ya kinadharia inaweza kutoa wazo la ukubwa wa jumla wa kiwango cha torati, lakini haiwakilishi kwa usahihi profaili halisi ya torati–pembe.

2. Matokeo makuu ya uchambuzi wa elementi kikomo

FEA ilitabiri torati na mkazo wa flexure mkubwa kuliko modeli ya kinadharia, na pia ilitoa tabia ya mpito inayobadilika na nafasi ya pembe badala ya thamani isiyobadilika.

Kwa sababu modeli ya nambari ya mgusano inategemea penalty, imeelezwa kwamba thamani kamili za FEA ni nyeti kwa mipangilio ya nambari kama contact clearance, msongamano wa mesh na ongezeko la mzigo.

Pamoja na hayo, umbo la mkunjo wa FEA linafanana na tabia ya mpito ya mkunjo wa torati wa majaribio. Tafsiri ya utafiti ni kwamba jiometri ya muunganisho na hali halisi za mpaka ni mambo muhimu yanayopuuzwa katika modeli ya sasa ya uchanganuzi.

3. Matokeo makuu ya zana ya uboreshaji

Torati inayotakiwa ilipoongezeka, radius ya chini inayohitajika ya ring ya nje kwa ujumla iliongezeka. Kuongeza idadi ya planet, kwa kuwa kila planet huchangia torati ya jumla, kunaweza kuruhusu jiometri ndogo ya bearing katika hali fulani.

Maandishi makuu na Kielelezo 11 yanaonyesha kwamba uwiano bora wa radius ya planet/sun ni takribani 0,7 wakati kizuizi cha unene wa utengenezaji kinatumika, na takribani 0,4 wakati kizuizi hicho hakitumiki.

Kwa kuwa tatizo la uboreshaji si convex, mbinu ya multi-start ilitumika badala ya suluhisho linalotegemea makadirio moja ya kuanzia.

4. Matokeo makuu ya majaribio ya ugumu wa radial

Kerf ilipoongezeka, mwendo wa radial wa sun kabla ya mgusano halisi kuanza uliongezeka. Kwa hiyo katika muundo wa monolithic, pengo la utengenezaji linapopungua, ugumu wa radial wenye ufanisi huongezeka.

Tabia ya radial pia inategemea mwelekeo wa pembe. Mzigo unapolingana na planet moja, mwendo wa radial hupungua; katika eneo la kati kati ya planet mbili hufikia kiwango cha juu.

Utafiti pia unaonyesha kwamba katika thamani kubwa za kerf, ulinganifu wa kijiometri unaotarajiwa huvurugika zaidi katika baadhi ya mielekeo.

Maana ya kihandisi kwa usanifu wa CORE bearing

CORE bearing haipaswi kusanifiwa kwa kuzingatia thamani ya torati inayolengwa pekee. Angalau vigezo vifuatavyo vinapaswa kuzingatiwa pamoja:

• Torati ya kurejesha inayotakiwa,
• Mwendo wa pembe unaoruhusiwa,
• Moduli ya elastiki na nguvu ya yield ya nyenzo ya flexure,
• Unene na mkunjo wa awali wa flexure,
• Radius za sun na planet,
• Idadi ya planet,
• Kerf/toleransi ya chini ya mbinu ya utengenezaji,
• Sababu ya usalama,
• Mzigo wa radial,
• Kuzuia kwa kimitambo mwendo wa nje ya ndege.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• CORE bearing ni mbinu ya compliant mechanism inayoweza kutoa torati ya kurejesha na ugumu mkubwa wa radial katika utaratibu mmoja.
• Aina za split-sun na multi-material zinalenga kupunguza baadhi ya vikwazo vya utengenezaji vya miundo ya awali ya monolithic na split-ring.
• Modeli ya sasa ya uchanganuzi ya torati isiyobadilika haiwakilishi kikamilifu profaili halisi ya majaribio ya torati–pembe.
• Hali halisi za mpaka na jiometri ya muunganisho zinaweza kuwa na jukumu muhimu katika tabia ya torati.
• Tabia ya mpito ya torati inayotokea katika FEA inaonyesha kufanana na umbo la jumla la mkunjo wa majaribio.
• Jiometri ya CORE bearing inaweza kuboreshwa kihisabati kwa masharti fulani ya torati na usalama.
• Katika muundo wa monolithic, kerf ndogo inahusishwa na mwendo mdogo wa radial wa bure na hivyo ugumu mkubwa wa radial wenye ufanisi.
• Kwa kuwa mkazo wa flexure huongezeka haraka katika radius ndogo za mkunjo, miniaturization ya bearing inadhibitiwa na mahitaji ya nyenzo na torati.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono au bado haujathibitisha

• Ujumuishaji kamili wa CORE bearing katika mfumo halisi wa kiungo bandia haukufanywa katika utafiti huu.
• Utafiti hauonyeshi utendaji wa kliniki wa CORE bearing au faida yake ya kibayomekaniki kwa mtumiaji.
• Modeli ya sasa ya uchanganuzi si modeli iliyothibitishwa inayotabiri kwa usahihi torati halisi katika masafa yote ya pembe.
• Ukubwa kamili wa torati katika FEA hauko huru na unyeti wa nambari wa tatizo la migusano mingi.
• Utafiti hauamui maisha ya muda mrefu ya uchovu.
• Uwezo wa kubeba mzigo wa axial si mkubwa; watafiti wanapendekeza stop ya kimitambo kwa mwendo wa nje ya ndege.
• Uwiano wa takribani 0,7 na 0,4 wa planet/sun haupaswi kutafsiriwa kama sheria ya ulimwengu ya fizikia kwa jiometri zote zinazowezekana za CORE; umetokea ndani ya modeli na hali za uboreshaji zilizotumika.
• Jiometri ya CORE bearing isiyo ya mviringo si muundo wa mwisho uliothibitishwa kwa majaribio wa utafiti; imewasilishwa kama mwelekeo wa kazi ya baadaye.

Dokezo la Chanzo na Mbinu

Jina kamili la utafiti wa asili: Design and Experimental Validation of Compliant Rolling-Contact Element (CORE) Bearings

Waandishi: Adam Rose; Spencer Stowell; Eli Francom; Audrey Christiansen; Nathan Usevitch; Larry L. Howell.

Mpangilio wa waandishi: Mpangilio wa chanzo umehifadhiwa kama ulivyo.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Hakuna tamko la mchango sawa katika chanzo.

Mwandishi wa mawasiliano: Adam Rose.

Taasisi: Department of Mechanical Engineering, Brigham Young University, Provo, UT 84602, USA.

Aina ya chanzo na hali ya peer review: Ni makala ya utafiti iliyopitia peer review. Utafiti ulipokelewa 8 Aprili 2026, ukarekebishwa 18 Mei 2026, ukakubaliwa 21 Mei 2026 na kuchapishwa 27 Mei 2026.

Jarida: Machines.

Mchapishaji: MDPI, Basel, Switzerland.

Juzuu / toleo / nambari ya makala: 14 / 6 / 600.

Mwaka wa kuchapishwa: 2026.

DOI: 10.3390/machines14060600

Kiungo rasmi cha uchapishaji:https://doi.org/10.3390/machines14060600

Leseni: Creative Commons Attribution (CC BY).

Ufadhili: Utafiti ulifadhiliwa na National Science Foundation kupitia Award No. 2344766, “Collaborative Research: Integrating Optimal Function and Compliant Mechanisms for Ubiquitous Lower-Limb Powered Prostheses”. Mradi unaendeshwa kwa ushirikiano na University of Notre Dame.

Upatikanaji wa data: Waandishi wanaeleza kwamba data inaweza kupatikana kwa ombi kutoka kwa mwandishi wa mawasiliano.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanaripoti kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Programu Spencer Stowell; uthibitishaji Adam Rose na Spencer Stowell; uchunguzi Adam Rose, Spencer Stowell na Eli Francom; rasimu ya kwanza Adam Rose na Spencer Stowell; mapitio na uhariri waandishi wote; uonyeshaji Adam Rose, Spencer Stowell, Eli Francom na Audrey Christiansen; usimamizi Nathan Usevitch na Larry L. Howell; upatikanaji wa ufadhili Larry L. Howell.

Kikomo cha wigo wa utafiti: Utafiti unatathmini CORE bearing kama kipengele cha kimitambo kinachotarajiwa kwa parallel elastic actuator na matumizi ya viungo bandia; ujumuishaji kamili wa kiungo bandia au uthibitishaji wa kliniki haujafanywa.

Kikomo cha modeli: Modeli ya uchanganuzi inayotegemea Euler–Bernoulli inategemea kupinda bora na sawia kwa flexure na haimodeli wazi jiometri halisi ya viunganisho, msuguano na baadhi ya hali za mpaka za mgusano. Kwa hiyo haiwakilishi kikamilifu profaili ya torati isiyo ya mstari iliyoonekana katika majaribio.

Kikomo cha FEA: Tatizo la migusano mingi lilitatuliwa kwa mgusano wa uso unaotegemea penalty. Watafiti wanaeleza kwamba msongamano wa mesh, clearance na ukubwa wa hatua vinaweza kubadilisha seti ya migusano hai na kuathiri momenti za mwitikio. Kwa hiyo tofauti za thamani kamili katika FEA hazipaswi kutafsiriwa kama athari ya utaratibu wa kimwili pekee.

Dokezo la kutokulingana ndani ya chanzo 1: Maandishi makuu ya sehemu ya uboreshaji na Kielelezo 11 yanaonyesha kwamba wakati kizuizi cha toleransi ya utengenezaji/unene wa flexure kinatumika, uwiano bora wa planet/sun ni takribani 0,7, na wakati kizuizi hakitumiki ni takribani 0,4. Katika maelezo ya Kielelezo 12, active/inactive imeelezwa kinyume. Maandishi ya Verianla yamehifadhi kutokulingana huku wazi.

Dokezo la kutokulingana ndani ya chanzo 2: Wakati maandishi makuu ya sehemu ya ugumu wa radial yanataja bearing tatu za monolithic zilizochapishwa kwa 3D, Jedwali 2 na Kielelezo 15 vinaonyesha madaraja manne ya kerf: FDM, Wire EDM, CNC na Waterjet. Chanzo hakielezi tofauti hii.

Kikomo cha maudhui ya kisayansi: Modeli ya kimitambo, fomula, vigezo vya majaribio, matokeo ya torati, uchambuzi wa elementi kikomo, uboreshaji na matokeo ya ugumu wa radial katika maandishi haya ya Verianla yanategemea tu utafiti uliochunguzwa. Hakuna matokeo mapya ya majaribio yaliyoongezwa kutoka vyanzo vya nje.