Ин таҳқиқот тарҳи Compliant Rolling-Contact Element (CORE) bearing-ро ба таври таҷрибавӣ ва ҳисоббарорӣ меомӯзад, ки ҳадафаш дар як механизми мутобиқшаванда муттаҳид кардани вазифаи бардошти сарбории радиалии подшипники классикӣ бо вазифаи тавлиди моменти баргардонандаи пружинаи тобхӯрӣ мебошад. Дар механизме, ки ба тарҳи фишанги сайёравӣ монанд аст, дар марказ “sun”, дар атрофи он унсурҳои “planet”, дар берун ring ва тасмаҳои хамшавандае мавҷуданд, ки ин унсурҳоро ба ҳам мепайванданд. Ҳангоми гардиши механизм ин унсурҳои чандир, ки flexure ном доранд, хам мешаванд, энергияи деформатсияи чандирро захира мекунанд ва моменти баргардонандае ба вуҷуд меоранд, ки кӯшиш мекунад системаро ба ҳолати ибтидоӣ баргардонад. Ҳамин тарҳи геометрӣ инчунин ба нигоҳ доштани унсури марказӣ дар самти радиалӣ мусоидат мекунад.

Муҳаққиқон модели таҳлилиеро, ки дар адабиёти қаблӣ барои CORE bearing пешниҳод шуда буд ва аз ҷиҳати назариявӣ моменти доимиро новобаста аз мавқеи кунҷӣ пешбинӣ мекард, аз нав арзёбӣ мекунанд. Дар 30 озмоиши моментӣ дар прототипи бисёрмаводӣ, дар ҳоле ки модел 76,75 N·mm моменти доимиро пешбинӣ мекард, ченкуниҳои воқеӣ тақрибан дар доираи 50–150 N·mm тағйир ёфтанд. Хусусан дар минтақаи аввали гардиш рафтори гузарандаи равшан ва гистерезис байни боргузорӣ ва холӣкунӣ пайдо мешавад. Таҳлили унсурҳои ниҳоӣ низ рафтори гузаранда ва ғайрихаттии моментро, ки дар модели назариявӣ вуҷуд надорад, дастгирӣ мекунад. Аз ин рӯ, таҳқиқот ба хулоса меояд, ки модели таҳлилии мавҷуда барои баҳодиҳии умумии тарҳ бештар мувофиқ аст, на барои пешгӯии муфассали моменти CORE bearing.

Натиҷаи дигари муҳими таҳқиқот таъсири усули истеҳсол ба сахтии радиалӣ мебошад. Дар CORE bearing-и монолитӣ kerf, яъне фосилаи ҳатмие, ки раванди буриш ё истеҳсол байни унсурҳо мегузорад, ҳар қадар зиёд шавад, ҳамон қадар унсури марказӣ метавонад зери бор пеш аз ба вуҷуд омадани тамос бештар ҳаракати радиалӣ кунад. Натиҷаҳои муҳаққиқон дастгирӣ мекунанд, ки паҳнои хурдтари kerf бо сахтии баландтари радиалӣ алоқаманд аст. Илова бар ин, барои ёфтани хурдтарин геометрияи имконпазири CORE bearing, ки талаботи муайяни момент ва бехатариро қонеъ мекунад, абзори оптимизатсия дар асоси SciPy таҳия шудааст.

Аз нигоҳи Туркия: Ин таҳқиқот барои робототехника, роботҳои ёрирасон, протезҳо, экзоскелетҳо, механизмҳои дақиқ ва тарҳрезии мошинҳои махсус дар Туркия бештар як равиши муҳими тарҳрезии механизмро пешниҳод мекунад, на дастури мустақими маҳсулот. Якҷо кардани вазифаҳои пружина ва подшипник дар як унсур тавассути CORE bearing метавонад барои системаҳое омӯхта шавад, ки дар онҳо шумораи қисмҳо, ҳаҷми механикӣ ва ниёз ба унсури алоҳидаи чандир кам карда мешавад. Аммо натиҷаҳои момент, сахтӣ ва андоза дар ин таҳқиқот ба геометрияҳои муайян, PLA, пӯлоди пружинавии 1095 ва таҳаммулҳои интихобшудаи истеҳсол вобастаанд. Барои ҳар гуна протези воқеӣ, буғуми роботӣ ё системаи саноатӣ дар Туркия спектри бор, умри хастагӣ, мавод, дақиқии истеҳсол, коэффитсиенти бехатарӣ ва борҳои берун аз меҳвар бояд алоҳида санҷида шаванд.

CORE bearing чист?

CORE ихтисораи Compliant Rolling-Contact Element мебошад. Ба тоҷикӣ онро метавон «унсури мутобиқшаванда/чандири тамоси ғелишӣ» фаҳмид. Механизм ба ҷойи он ки пинҳо, подшипникҳо ё сатҳҳои лағжиши буғумҳои классикиро танҳо аз қисмҳои сахт созад, аз унсурҳои чандире истифода мебарад, ки ба таври идорашаванда хам мешаванд.

Тарҳи CORE bearing дар таҳқиқот аз ҷиҳати геометрӣ ба системаи planetary gear монанд аст. Дар берун ring-и собит ё борбардор, дар марказ sun, байни онҳо чанд planet ва тасмаҳои борики flexure мавҷуданд, ки ин қисмҳоро ба ҳам мепайванданд.

Дар Расми 1 муҳаққиқон ring, sun, се planet ва ду навъи гуногуни flexure-ро дар CORE bearing-и 3D-чопшуда равшан нишон медиҳанд. Расми 3 бошад, ҳангоми собит будани ҳалқаи берунӣ ва гардондани sun, ғелиши planet-ҳо ва тағйири геометрияи тасмаҳои хамшавандаро бо тасвирҳои пайдарпай нишон медиҳад.

Чӣ тавр подшипник ҳамзамон пружина шуда метавонад?

Вазифаи асосии подшипники ғелишии классикӣ ин аст, ки валро дар самти радиалӣ ҷойгир карда, ба гардиши он иҷозат диҳад. Вазифаи пружинаи тобхӯрӣ бошад, тавлиди моменти баргардонанда бар зидди каҷшавии кунҷӣ аст. CORE bearing мекӯшад ин ду рафторро дар як тарҳи геометрӣ амалӣ кунад.

Ҳангоми гардиши sun, planet-ҳо ҳаракат мекунанд ва каҷии унсурҳои flexure тағйир меёбад. Ин хамшавӣ энергияи чандирро захира мекунад. Майли flexure-ҳо ба баргаштан ба шакли нейтралии ибтидоӣ дар sun моменти баргардонанда ба вуҷуд меорад. Муносибати геометрии planet-ҳо бо ring низ ба нигоҳ доштани sun дар марказ ва муқовимат ба борҳои радиалӣ мусоидат мекунад.

Аз ин рӯ, CORE bearing дар системаҳои актуатории чандири параллелӣ, ки муҳаққиқон ҳадаф гирифтаанд, метавонад ба ҷойи подшипники алоҳида ва пружинаи тобхӯрии алоҳида ҳамчун як механизми бисёрвазифа истифода шавад.

Чаро актуатори чандири параллелӣ муҳим аст?

Протезҳои фаъол ва буғумҳои роботӣ барои тавлиди моменти зарурии буғум ба муҳаррикҳо ниёз доранд. Агар тамоми моментро танҳо муҳаррик тавлид кунад, талаботи қувва, масса ва энергия метавонад зиёд шавад.

Дар системаҳои Series Elastic Actuator (SEA) унсури чандир байни муҳаррик ва бор пайдарпай ҷойгир аст. Дар системаҳои Parallel Elastic Actuator (PEA) бошад, унсури монанди пружина ба таври параллелӣ бо роҳи муҳаррик ва бор ба дастгирии механикӣ саҳм мегузорад.

Агар дар минтақаҳои муайяни ҳаракат унсури чандир як қисми моменти заруриро ба таври пассивӣ бар дӯш гирад, моменти қуллаӣ ва сарфи энергияи лозим барои муҳаррик метавонад кам шавад. Таҳқиқот CORE bearing-ро махсусан ҳамчун унсури муттаҳидаи пружина–подшипник, ки дар чунин системаҳои PEA истифода шуда метавонад, арзёбӣ мекунад.

Модели асосии механикии CORE bearing чист?

Модели таҳлилӣ ба назарияи чӯби Euler–Bernoulli асос ёфтааст. Шиддати максималии хамшавӣ дар унсури flexure бо модули чандирӣ \(E\), ғафсии flexure \(h\) ва радиуси самараноки каҷӣ \(R'\) алоқаманд карда мешавад:

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

Дар ин ҷо радиуси самаранок ҳам каҷии ибтидоии flexure ва ҳам каҷии сатҳи sun, planet ё ring-ро, ки бо он тамос мегирад, якҷо ифода мекунад.

Ифодаи умумии каҷии самаранок дар манбаъ:

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

ба ин шакл дода шудааст.

Чаро ду навъи flexure вуҷуд дорад?

Type 1 flexure байни sun ва planet, Type 2 flexure бошад байни planet ва ring-и берунӣ кор мекунад. Ин ду flexure ҳангоми гардиш тағйири якхелаи каҷиро таҷриба намекунанд.

Type 1 flexure дар оғоз гирди planet печида аст, вале ҳангоми гардиши механизм самти каҷии худро баръакс карда, гирди sun хам шудан мегирад. Муҳаққиқон интизор доранд, ки аз сабаби ҳамин “curvature inversion” шиддатҳои баландтарин дар Type 1 flexure ба вуҷуд меоянд.

Барои Type 1 flexure дар planet радиуси самаранок:

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

Барои ҳамон flexure, ки бо sun тамос мегирад:

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

ба ин шакл дода шудааст. Аломати ҷамъ ҷузъиёти муҳиме мебошад, ки баръакс шудани самти каҷиро аз ҷиҳати математикӣ ифода мекунад.

Моменти назариявӣ чӣ гуна ҳисоб мешавад?

Саҳми умумии моменти чандирии ду flexure дар як planet:

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

ба ин шакл моделсозӣ мешавад.

Барои flexure-и дорои буриши росткунҷа моменти инерсияи масоҳат:

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

аст, бинобар ин тағйири ғафсии flexure ба момент таъсири қавӣ дорад. Азбаски ғафсӣ ба моменти инерсияи масоҳат бо дараҷаи сеюм дохил мешавад, тағйироти хурди геометрӣ метавонанд қобилияти моментро ба таври назаррас тағйир диҳанд.

Саҳми моменти ҳар planet дар sun бо таносуби интиқоли геометрӣ табдил дода шуда, ба шумораи умумии planet-ҳо \(n_p\) зарб мешавад ва моменти умумии баромад ҳисоб карда мешавад:

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

Фарзи асосии модели кӯҳнаи таҳлилӣ чист?

Модели қаблӣ фарз мекунад, ки дар шароити мувофиқи геометрӣ каҷии flexure ҳангоми ҳаракати механизм андозаи моментро тақрибан доимӣ нигоҳ медорад. Аз ин рӯ, графики назариявии момент–кунҷ ҳамчун хатти уфуқӣ пайдо мешавад.

Натиҷаҳои таҷрибавӣ ва FEA-и таҳқиқоти нав нишон медиҳанд, ки рафтори воқеии CORE bearing он қадар содда нест. Хусусан минтақаҳои пайвастшавӣ, тамос, соиш ва шартҳои воқеии геометрии сарҳадӣ, ки flexure ба унсурҳо мепайвандад, рафтори гузарандаи равшан ба вуҷуд меоранд.

Дар таҳқиқот кадом тарҳҳои CORE bearing муқоиса шуданд?

Чаро тарҳи монолитӣ ба усули истеҳсол хеле вобаста аст?

Азбаски тарҳи монолитӣ ҳамчун як порча истеҳсол мешавад, байни flexure ва planet ё sun фосилаи ҳадди ақале вуҷуд дорад, ки асбоби истеҳсол бояд гузорад. Муҳаққиқон ин фосиларо одатан бо мафҳуми kerf ифода мекунанд.

Дар CNC kerf бо диаметри асбоби буриш, дар Wire EDM бо ғафсии сим, дар буриши лазерӣ бо паҳнои нур ва дар усулҳои истеҳсоли иловагӣ ба мисли FDM ё SLA бо фосилаи ҳадди ақали бехатар байни ду сатҳе алоқаманд аст, ки бояд мустақилона истеҳсол шаванд.

Ин фосила ба sun ва planet имкон медиҳад, ки зери бор пеш аз ба вуҷуд омадани тамоси воқеӣ байни онҳо миқдори ками ҳаракати радиалӣ кунанд. Аз ин рӯ, ҳатто агар геометрияи механизм якхела монад, арзиши ҳадди ақали kerf-и усули истеҳсол метавонад сахтии радиалиро тағйир диҳад.

Чаро тарҳи split-sun пешниҳод шуд?

Гарчанде тарҳи split-ring ба истеҳсоли flexure-ҳо ба таври мувофиқтар имкон медиҳад, он буридан ва баъдан аз нав пайваст кардани ring-и берунии борбардорро талаб мекунад. Ин метавонад тақсимоти бори радиалии ring-ро вайрон кунад ва нуқтаҳои монтажӣ ба вуҷуд орад.

Дар равиши нави split-sun, баръакс, ring-и берунӣ пайваста нигоҳ дошта мешавад ва унсуре, ки ҷудо мешавад, sun-и марказист. Ҳамин тавр, зарурати kerf дар атрофи planet барои flexure-ҳо кам шуда, якпорчагии ring-и берунии борбардор нигоҳ дошта мешавад.

Ҳадафи тарҳи multi-material чист?

Дар CORE bearing-и якмаводӣ интизор меравад, ки як мавод ҳам барои flexure-ҳои дорои деформатсияи калони чандир ва ҳам барои ring, sun ва planet-ҳое, ки бояд то ҳадди имкон сахт бимонанд, мувофиқ бошад. Ин ду вазифа аз нигоҳи мавод метавонанд ба ҳам мухолиф бошанд.

Дар тарҳи бисёрмаводӣ барои flexure маводи дорои қобилияти баланди деформатсияи чандир ва барои унсурҳои сахти боқимонда маводи дигари арзонтар ё осонтар истеҳсолшаванда истифода шуда метавонад.

Дар прототипи таҷрибавии муҳаққиқон ring, sun ва planet-ҳо бо PLA 3D-чоп шуда, flexure-ҳо аз тасмаҳои пӯлоди пружинавии 1095 тайёр шудаанд.

Геометрияи прототипи таҷрибавии бисёрмаводӣ чӣ гуна буд?

Прототипи таҳқиқот тақрибан 140 mm диаметр ва 15 mm баландӣ дорад. Ring, sun, planet-ҳо ва сарпӯши поёнӣ 3D-чоп шудаанд; тасмаҳои пӯлоди пружинавӣ, ки вазифаи flexure-ро иҷро мекунанд, бо пайвастҳои механикӣ ба система илова шудаанд.

Озмоиши момент чӣ гуна гузаронида шуд?

Ring-и берунӣ ба сатҳи собит маҳкам карда шуд. Дар маркази sun адаптери рақамии момент ҷойгир карда шуда, барои пайгирии мавқеи кунҷӣ нишондиҳандаи сахте, ки аз радиуси bearing дарозтар буд, истифода шуд.

Дар ҳар озмоиш sun ба самти муқобили ақрабаки соат аз 0°'den 120°'ye боргузорӣ шуда, сипас ба самти ақрабаки соат боз то 0°'ye холӣ карда шуд. Фосилаи ченкунӣ 10° муқаррар гардид.

Ин раванд дар маҷмӯъ 30 kez такрор шуд. Дар Расми 8 миёнаҳои боргузорӣ ва холӣкунӣ ҳамроҳ бо минтақаҳои ±1 инҳирофи стандартӣ нишон дода шудаанд.

Оё модели назариявӣ бо таҷриба мувофиқ омад?

На пурра. Модели таҳлилӣ, ки аз параметрҳои геометрӣ ҳисоб шудааст, барои тамоми диапазони кунҷӣ 76,75 N·mm sabit tork-ро пешбинӣ мекунад.

Дар таҷриба бошад, моменти ченшуда тақрибан дар доираи 50–150 N·mm тағйир меёбад. Дар ҳаракатҳои аввали кунҷӣ қуллаи хеле равшани момент пайдо шуда, пас аз тақрибан 50° каҷшавии пеш қиясии каҷи момент хеле кам шуда, рафтор ҳамвортар мегардад.

Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки махсусан пас аз тақрибан минтақаи аввали 30° боргузорӣ рафтор байни такрорҳо устувортар шудааст.

Сабаби ҷаҳиши аввали момент чӣ буда метавонад?

Дар прототипи бисёрмаводӣ барои пайваст кардани тасмаҳои металлии flexure дар sun чуқурчаҳои пайваст мавҷуданд. Ин геометрияҳои пайваст дар модели идеалии Euler–Bernoulli вуҷуд надоранд.

Муҳаққиқон ҷаҳиши аввали калони моментро бо таъсири ҳамин шартҳои воқеии сарҳадӣ мепайванданд. Яъне, модели таҳлилӣ танҳо хамшавии якхеларо ҳисоб мекунад, дар ҳоле ки механизми воқеӣ винт, чуқурча, минтақаи пайваст ва тағйироти маҳаллии сахтии геометрӣ дорад.

Чаро гистерезис ба вуҷуд омад?

Дар Расми 8 ҳалқаи гистерезис дида мешавад, ки дар он моменти ченшуда ҳангоми холӣкунӣ дар ҳамон кунҷ аз моменти боргузорӣ пасттар аст.

Муҳаққиқон инро асосан бо соише мепайванданд, ки дар сатҳҳои ҳамвори қафои planet ва sun, ки бо сатҳи корӣ тамос доранд, ба вуҷуд меояд. Азбаски соиш бар зидди самти ҳаракат кор мекунад, ҳангоми боргузорӣ ба моменти чандир илова шуда, ҳангоми холӣкунӣ аз он кам мешавад.

Чаро таҳлили унсурҳои ниҳоӣ анҷом дода шуд?

Модели таҳлилӣ ба шартҳои идеалӣ ва содакардашудаи сарҳадӣ асос меёбад. FEA бошад метавонад деформатсияи калони flexure-ҳо, кушода ва баста шудани тамос байни унсурҳо ва пайвастҳои воқеии геометриро муфассалтар ифода кунад.

Муҳаққиқон таҳлили статикии ғайрихаттӣ дар асоси PrePoMax 2.1.0 ва CalculiX истифода карданд.

Параметрҳои асосии модели FEA чӣ буданд?

FEA чӣ нишон дод?

Дар Расми 10 пешгӯиҳои моменти доимӣ ва шиддати доимии модели назариявӣ бо хатҳои кандашуда ва натиҷаҳои FEA бо каҷҳои тағйирёбанда нишон дода шудаанд. FEA ҳам дар момент ва ҳам дар шиддати Type 1 flexure рафтори гузарандаи равшан ва натиҷаи миёнаи аз арзиши назариявӣ баландтар дод.

Ҳамаи ин фарқи бузургӣ ҳамчун рафтори физикии система тафсир намешавад. Муҳаққиқон махсус таъкид мекунанд, ки масъалаи тамоси сершумори penalty-асос аз ҷиҳати ададӣ ба параметрҳое мисли зичии шабака, clearance ва қадами бор ҳассос аст.

Бо вуҷуди ин, монанд будани шакли умумии каҷи моменти FEA ба каҷи гузарандаи моменти таҷрибаи бисёрмаводӣ муҳим дониста шуд. Ба андешаи муҳаққиқон, ин монандӣ дастгирӣ мекунад, ки рафтори ғайрихаттӣ танҳо аз хатои истеҳсол сар намезанад ва шартҳои пайвастшавӣ/сарҳадӣ дар рафтори воқеии CORE bearing нақши муҳим доранд.

Ҳадафи абзори оптимизатсия чист?

Муҳаққиқон барои ба таври худкор ёфтани геометрияи CORE bearing, ки ҳангоми тавлиди моменти талабшуда аз шиддати иҷозашудаи мавод намегузарад ва то ҳадди имкон масоҳати хурди ҳамворӣ дорад, абзори оптимизатсия таҳия карданд.

Абзор китобхонаи SciPy дар Python 3.12 ва ҳалкунандаи SLSQP-ро истифода мебарад.

Масъалаи асосии оптимизатсия:

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

бо шартҳои:

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

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

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

сохта шудааст.

Дар ин ҷо ҳадаф кам кардани радиуси ring-и берунӣ аст; маҳдудиятҳо бошанд ғафсии ҳадди ақали истеҳсолшавандаи flexure, моменти талабшуда ва коэффитсиенти ҳадди ақали бехатариро нигоҳ медоранд.

Чаро оптимизатсияи multi-start истифода шуд?

Масъала ҳатман конвекс нест. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки ҳангоми истифодаи нуқтаҳои оғози гуногун, махсусан дар минтақаҳое, ки маҳдудияти таҳаммули истеҳсол фаъол нест, диаметри оптималии ring метавонад тақрибан 1–5 mm фарқ кунад.

Азбаски ин ҳолат мавҷудияти минимумҳои маҳаллиро нишон медиҳад, ҳал бо арзишҳои гуногуни ибтидоӣ такрор шуда, оптимуми боэътимодтар ҷустуҷӯ шудааст.

Таносуби ҷолиби planet/sun дар оптимизатсия чист?

Мувофиқи матни асосӣ ва Расми 11, вақте маҳдудияти таҳаммули истеҳсол, ба монанди ғафсии ҳадди ақали flexure, фаъол аст, оптимуми planet/sun yarıçap oranı yaklaşık 0,7 пайдо мешавад.

Вақте маҳдудияти ғафсии истеҳсол дигар фаъол нест, таносуби оптималӣ тақрибан ба 0,4 мегузарад.

Муҳаққиқон мегӯянд, ки ин таносубҳо новобаста аз шумораи planet-и истифодашуда нигоҳ дошта мешаванд, аммо радиуси мутлақи ring бо шумораи planet тағйир меёбад.

Эзоҳи манбаъ: Шарҳи Расми 12-и таҳқиқот муносибати фаъол/ғайрифаъолро нисбат ба матни асосӣ ва Расми 11 баръакс баён мекунад. Аз ин рӯ, ҳангоми тафсири заминаи ин таносубҳо матни асосӣ ва Расми 11 бояд якҷо баррасӣ шаванд.

Чаро бо зиёд шудани шумораи planet bearing метавонад хурдтар шавад?

Ҳар planet ба моменти умумии баргардонанда саҳм мегузорад. Барои ҳамон талаботи умумии момент, истифодаи planet-ҳои бештар метавонад моменти лозим аз як flexure-ро кам кунад.

Ин метавонад ба тарҳи камтар сахтгирона нисбат ба ғафсии flexure ё каҷии зарурӣ имкон диҳад ва дар маҳдудияти коэффитсиенти бехатарӣ ба радиуси хурдтари ring расонад.

Озмоиши сахтии радиалӣ чиро санҷид?

Барои он ки CORE bearing ба ҷойи bearing-и классикӣ истифода шавад, танҳо гардиш кофӣ нест; sun-и марказӣ бояд зери бори радиалӣ то ҳадди имкон кам ҳаракат кунад.

Дар тарҳи монолитӣ байни flexure ва дигар қисмҳо фосилаи kerf вуҷуд дорад. Муҳаққиқон таъсири андозаи ин фосиларо ба ҳаракати радиалӣ санҷиданд.

Гарчанде дар матни манбаъ дар ин бахш ибораи «се CORE bearing-и монолитии 3D-чопшуда» истифода шудааст, Ҷадвали 2 ва Расми 15 чор синфи kerf-ро нишон медиҳанд. Манбаъ ин номувофиқии ададиро шарҳ намедиҳад.

Озмоиши радиалӣ чӣ гуна гузаронида шуд?

Ring-и берунии CORE bearing дар ҷоғи поёнии дастгоҳи кашиши Instron 3342 маҳкам карда шуд. Милае, ки аз маркази sun мегузашт, ба ҷоғи болоӣ пайваст шуда, sun ба боло кашида шуд.

Ҳаракати радиалӣ то он даме идома ёфт, ки бор тақрибан ба 8,9 N расид ё аз он гузашт. Сипас система ба ҳолати ибтидоӣ баргардонида шуда, озмоиш такрор гардид.

Ring инчунин ба самтҳои 0°, 30°, 60°, 90° ve 120° гардонида шуда, рафтор дар самтҳои гуногуни planet муқоиса шуд.

Ду минтақа дар каҷи Force–displacement чӣ маъно доранд?

Дар Расми 14 дида мешавад, ки қиясии каҷи қувва–ҷойивазкунӣ дар нуқтаи муайян якбора тағйир меёбад.

Дар минтақаи аввал sun дар дохили фосилаи меъмории kerf нисбатан осон ҳаракат мекунад. Вақте тамоси воқеии sun–planet–ring ба вуҷуд меояд, механизми фосилаи геометриро пурра мегирад ва афзоиши минбаъдаи бор асосан бар зидди чандирии мавод ба амал меояд. Аз ин рӯ, каҷ хеле нишебтар мешавад.

Муҳаққиқон нуқтаи тамосро аз буриши ду минтақаи хаттӣ бо регрессияи қисм-қисмӣ муайян карданд.

Натиҷа байни kerf ва сахтии радиалӣ чист?

Озмоишҳо нишон медиҳанд, ки kerf-и калонтар ҷойивазкунии радиалии бештар пеш аз тамос ба вуҷуд меорад. Ба ибораи дигар, бо кам шудани kerf рафтори сахтии радиалии CORE bearing-и монолитӣ беҳтар мешавад.

Ҷойивазкунии баландтарини радиалӣ вақте мушоҳида шуд, ки самти бор маҳз байни ду planet қарор гирифт; ҷойивазкунии камтар вақте буд, ки бор ба самти як planet наздик шуд.

Ин натиҷа нишон медиҳад, ки иҷрои механикии CORE bearing на танҳо ба геометрияи CAD, балки бевосита ба қобилияти ҳадди ақали фосилаи раванди интихобшудаи истеҳсол низ вобаста аст.

Маҳдудияти муҳими CORE bearing чист?

Гарчанде дар самти радиалӣ сахтии баланд ҳадаф аст, таҳқиқот мегӯяд, ки сахтии меҳварӣ хеле паст аст. Агар sun аз ҳамвории ring ба берун тела дода шавад, flexure-ҳо метавонанд ба осонӣ аз ҳад зиёд кашида шуда, аз ҳудуди чандирӣ гузаранд.

Аз ин рӯ, муҳаққиқон барои пешгирии ҳаракатҳои калони берун аз ҳамворӣ истифодаи hard-stop-и механикиро тавсия медиҳанд.

Чаро миниатюризатсия бемаҳдуд нест?

Шиддати flexure бо хурд шудани радиуси каҷӣ меафзояд:

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

Кӯшиши тавлиди моменти муайян дар ҳаҷми хурдтар одатан радиусҳои хурдтар ва/ё flexure-и ғафстарро талаб мекунад. Ин метавонад шиддати flexure-ро зиёд карда, аз ҳудуди ҷорӣшавии мавод гузаронад.

Аз ин рӯ, хурд кардани CORE bearing барои протез ё системаи роботии паймон танҳо масъалаи масштаби геометрӣ нест; моменти талабшуда, хусусиятҳои мавод, ғафсии истеҳсолшавандаи flexure ва коэффитсиенти бехатарӣ якҷо муайянкунандаанд.

Чаро CORE bearing-и ғайридоиравӣ дар оянда муҳим шуда метавонад?

Дар бахши охири таҳқиқот муҳаққиқон самти нави тарҳро баррасӣ мекунанд, ки дар он sun ва planet ҳатман доиравӣ нестанд.

Дар Расми 16 CORE bearing-и консептуалӣ бо sun-и эллипсӣ ва planet-ҳои мувофиқи профили баръакс нишон дода шудааст.

Азбаски каҷии flexure ба геометрияи сатҳ вобаста аст, профилҳои тамоси ғайридоиравӣ метавонанд барои сохтани хусусияти махсуси момент, ки бо кунҷи гардиш тағйир меёбад, истифода шаванд. Ҳамин тавр, ба ҷойи ҳадафи кунунии моменти тақрибан доимӣ метавон профилҳои барномарезишудаи ғайрихаттии моментро таҳқиқ кард, ки ба рафтори мушак, пай ё буғуми биологӣ бештар мувофиқ бошанд.

Бо вуҷуди ин, муҳаққиқон ду мушкили асосиро таъкид мекунанд: нигоҳ доштани тамоси кофии радиалӣ дар тамоми диапазони гардиш ва пешгирии ҷамъшавии шиддати баланд дар flexure-ҳо аз сабаби каҷии тағйирёбанда.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Сохтори таҷрибавии таҳқиқот

Таҳқиқот аз як навъи санҷиш иборат нест. Қобилияти татбиқи CORE bearing тавассути чор ҷузъи асосии техникӣ арзёбӣ мешавад: тавсифи момент дар прототипи бисёрмаводӣ, таҳлили унсурҳои ниҳоӣ дар геометрияи монолитӣ, оптимизатсияи геометрӣ дар асоси модели математикӣ ва озмоишҳои механикӣ, ки муносибати kerf–ҳаракатҳои радиалиро дар тарҳҳои монолитӣ чен мекунанд.

1. Натиҷаҳои асосии тавсифи момент–каҷшавӣ

• CORE bearing-и бисёрмаводӣ байни 0°–120° бо қадамҳои 10° санҷида шуд.
• Озмоиши фарогири боргузорӣ ва холӣкунӣ дар маҷмӯъ 30 маротиба такрор шуд.
• Модели таҳлилӣ 76,75 N·mm моменти доимиро пешбинӣ кард.
• Моменти таҷрибавӣ тақрибан дар доираи 50–150 N·mm тағйир ёфт.
• Дар минтақаи аввали боргузорӣ гузариши калони момент ба вуҷуд омад.
• Пас аз тақрибан 50° қиясии каҷи момент ба таври назаррас кам шуд.
• Моменти холӣкунӣ аз моменти боргузорӣ пасттар буд ва гистерезис мушоҳида шуд.

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки модели назариявӣ метавонад дар бораи андозаи умумии сатҳи момент тасаввур диҳад, аммо профили воқеии момент–кунҷро дуруст ифода намекунад.

2. Натиҷаҳои асосии таҳлили унсурҳои ниҳоӣ

FEA нисбат ба модели назариявӣ moment ва шиддати flexure-и баландтарро пешбинӣ кард ва ба ҷойи арзиши доимӣ рафтори гузарандаи вобаста ба мавқеи кунҷӣ ба вуҷуд овард.

Азбаски модели ададии тамос penalty-асос аст, қайд шудааст, ки арзишҳои мутлақи FEA ба танзимоти ададӣ мисли clearance-и тамос, зичии шабака ва қадами бор ҳассосанд.

Бо вуҷуди ин, шакли каҷи FEA ба рафтори гузарандаи каҷи моменти таҷрибавӣ монанд аст. Тафсири таҳқиқот ин аст, ки геометрияи пайвастшавӣ ва шартҳои воқеии сарҳадӣ омилҳои муҳиме мебошанд, ки дар модели таҳлилии мавҷуда сарфи назар шудаанд.

3. Натиҷаҳои асосии абзори оптимизатсия

Бо зиёд шудани моменти талабшуда радиуси ҳадди ақали зарурии ring-и берунӣ одатан афзоиш ёфт. Афзоиши шумораи planet бошад, азбаски ҳар planet ба моменти умумӣ саҳм мегузорад, дар баъзе шароит ба геометрияи хурдтари bearing имкон медиҳад.

Дар матни асосӣ ва Расми 11 нишон дода шудааст, ки таносуби оптималии радиуси planet/sun ҳангоми фаъол будани маҳдудияти ғафсии истеҳсол тақрибан 0,7 ва ҳангоми ғайрифаъол будани ин маҳдудият тақрибан 0,4 аст.

Азбаски масъалаи оптимизатсия конвекс нест, ба ҷойи ҳалли вобаста ба як тахмини оғоз равиши multi-start истифода шудааст.

4. Натиҷаҳои асосии озмоишҳои сахтии радиалӣ

Бо зиёд шудани kerf ҳаракати радиалии sun пеш аз оғози тамоси воқеӣ зиёд шуд. Аз ин рӯ, дар тарҳи монолитӣ ҳар қадар фосилаи истеҳсол хурд бошад, сахтии самараноки радиалӣ баландтар мешавад.

Рафтори радиалӣ ба самти кунҷӣ низ вобаста аст. Вақте бор бо як planet ҳамхат мешавад, ҳаракати радиалӣ камтар ва дар минтақаи миёна байни ду planet бештар мешавад.

Таҳқиқот инчунин нишон медиҳад, ки дар арзишҳои калони kerf симметрияи геометрии интизоршуда дар баъзе самтҳо бештар вайрон мешавад.

Маънои муҳандисӣ барои тарҳи CORE bearing

CORE bearing набояд танҳо аз рӯйи арзиши моменти ҳадаф тарҳрезӣ шавад. Ҳадди ақал тағйирёбандаҳои зерин бояд якҷо баррасӣ шаванд:

• Моменти баргардонандаи талабшуда,
• Ҳаракати кунҷии иҷозашуда,
• Модули чандирӣ ва устувории ҷорӣшавии маводи flexure,
• Ғафсӣ ва каҷии ибтидоии flexure,
• Радиусҳои sun ва planet,
• Шумораи planet,
• Kerf/таҳаммули ҳадди ақали усули истеҳсол,
• Коэффитсиенти бехатарӣ,
• Бори радиалӣ,
• Маҳдудкунии механикии ҳаракати берун аз ҳамворӣ.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• CORE bearing як равиши compliant-механизм аст, ки метавонад дар як механизм ҳам моменти баргардонанда ва ҳам сахтии баланди радиалиро таъмин кунад.
• Вариантҳои split-sun ва multi-material ҳадаф доранд баъзе маҳдудиятҳои истеҳсолии тарҳҳои қаблии monolithic ва split-ring-ро кам кунанд.
• Модели таҳлилии мавҷудаи моменти доимӣ профили воқеии таҷрибавии момент–кунҷро пурра ифода намекунад.
• Шартҳои воқеии сарҳадӣ ва геометрияи пайвастшавӣ метавонанд дар рафтори момент нақши муҳим дошта бошанд.
• Рафтори гузарандаи момент дар FEA бо шакли умумии каҷи таҷрибавӣ монандӣ нишон медиҳад.
• Геометрияи CORE bearing метавонад барои шартҳои муайяни момент ва бехатарӣ аз ҷиҳати математикӣ оптимизатсия шавад.
• Дар тарҳи монолитӣ kerf-и хурдтар бо ҳаракати озоди радиалии камтар ва аз ин рӯ сахтии самараноки радиалии баландтар алоқаманд аст.
• Азбаски шиддати flexure дар радиусҳои хурди каҷӣ босуръат зиёд мешавад, миниатюризатсияи bearing бо талаботи мавод ва момент маҳдуд мегардад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё ҳанӯз тасдиқ накардааст

• Интегратсияи пурраи CORE bearing ба системаи воқеии протез дар ин таҳқиқот анҷом дода нашудааст.
• Таҳқиқот иҷрои клиникии CORE bearing ё фоидаи биомеханикии онро барои корбар нишон намедиҳад.
• Модели таҳлилии мавҷуда модели тасдиқшудае нест, ки моменти воқеиро дар тамоми диапазони кунҷӣ бо дақиқӣ пешбинӣ кунад.
• Андозаҳои мутлақи моменти FEA аз ҳассосияти ададии масъалаи тамоси сершумор мустақил нестанд.
• Таҳқиқот умри дарозмуддати хастагиро муайян намекунад.
• Қобилияти бардошти бори меҳварӣ баланд нест; муҳаққиқон барои ҳаракати берун аз ҳамворӣ stop-и механикиро тавсия медиҳанд.
• Таносубҳои тақрибан 0,7 ва 0,4 planet/sun набояд ҳамчун қонуни универсалии физика барои ҳамаи геометрияҳои эҳтимолии CORE тафсир шаванд; онҳо дар доираи модел ва шароити оптимизатсияи истифодашуда пайдо шудаанд.
• Геометрияи ғайридоиравии CORE bearing тарҳи ниҳоии таҷрибавӣ тасдиқшудаи таҳқиқот нест; он ҳамчун самти кори оянда пешниҳод шудааст.

Эзоҳи манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Design and Experimental Validation of Compliant Rolling-Contact Element (CORE) Bearings

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

Тартиби муаллифон: Тартиби манбаъ айнан нигоҳ дошта шудааст.

Ҳиссаи баробар/муаллифи якуми баробар: Дар манбаъ изҳороти ҳиссаи баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Adam Rose.

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

Навъи манбаъ ва ҳолати тақриз: Мақолаи таҳқиқотии аз тақризи ҳамтоён гузашта мебошад. Таҳқиқот 8 апрели 2026 қабул шуда, 18 майи 2026 бозбинӣ, 21 майи 2026 қабул ва 27 майи 2026 нашр шудааст.

Маҷалла: Machines.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 14 / 6 / 600.

Соли нашр: 2026.

DOI: 10.3390/machines14060600

Пайванди расмии нашр:https://doi.org/10.3390/machines14060600

Литсензия: Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот аз ҷониби National Science Foundation бо Award No. 2344766, “Collaborative Research: Integrating Optimal Function and Compliant Mechanisms for Ubiquitous Lower-Limb Powered Prostheses” маблағгузорӣ шудааст. Лоиҳа дар ҳамкорӣ бо University of Notre Dame иҷро мешавад.

Дастрасии маълумот: Муаллифон мегӯянд, ки маълумотро бо дархост аз муаллифи масъул гирифтан мумкин аст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон хабар медиҳанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Нармафзор Spencer Stowell; тасдиқ Adam Rose ва Spencer Stowell; таҳқиқот Adam Rose, Spencer Stowell ва Eli Francom; тарҳи аввал Adam Rose ва Spencer Stowell; бозбинӣ ва таҳрир ҳамаи муаллифон; визуализатсия Adam Rose, Spencer Stowell, Eli Francom ва Audrey Christiansen; роҳбарӣ Nathan Usevitch ва Larry L. Howell; дарёфти маблағгузорӣ Larry L. Howell.

Ҳудуди фарогирии таҳқиқот: Таҳқиқот CORE bearing-ро ҳамчун унсури механикии номзад барои актуаторҳои чандири параллелӣ ва татбиқи протезҳо арзёбӣ мекунад; интегратсияи пурраи протез ё тасдиқи клиникӣ анҷом дода нашудааст.

Ҳудуди модел: Модели таҳлилии асосёфта ба Euler–Bernoulli ба хамшавии идеалӣ ва якхелаи flexure-ҳо такя мекунад ва геометрияи воқеии пайваст, соиш ва баъзе шартҳои тамоси сарҳадиро ошкоро модел намекунад. Аз ин рӯ, профили ғайрихаттии моментро, ки дар таҷрибаҳо дида мешавад, пурра ифода намекунад.

Ҳудуди FEA: Масъалаи тамоси сершумор бо тамоси рӯизаминии penalty-асос ҳал шудааст. Муҳаққиқон мегӯянд, ки зичии шабака, clearance ва андозаи қадам метавонанд маҷмӯи тамоси фаъолро тағйир дода, ба моментҳои реаксия таъсир расонанд. Аз ин рӯ, фарқиятҳои арзишҳои мутлақи FEA набояд танҳо ҳамчун таъсири механизми физикӣ тафсир шаванд.

Эзоҳи номувофиқии дохилии манбаъ 1: Матни асосии бахши оптимизатсия ва Расми 11 нишон медиҳанд, ки ҳангоми фаъол будани маҳдудияти таҳаммули истеҳсол/ғафсии flexure таносуби оптималии planet/sun тақрибан 0,7 ва ҳангоми ғайрифаъол будани маҳдудият тақрибан 0,4 аст. Дар шарҳи Расми 12 ифодаҳои фаъол/ғайрифаъол баръаксанд. Матни Verianla ин номувофиқиро ошкоро нигоҳ доштааст.

Эзоҳи номувофиқии дохилии манбаъ 2: Дар ҳоле ки матни асосии бахши сахтии радиалӣ аз се bearing-и монолитии 3D-чопшуда ёд мекунад, Ҷадвали 2 ва Расми 15 чор синфи kerf — FDM, Wire EDM, CNC ва Waterjet — нишон медиҳанд. Манбаъ ин фарқро шарҳ намедиҳад.

Ҳудуди мундариҷаи илмӣ: Модели механикӣ, формулаҳо, параметрҳои таҷриба, натиҷаҳои момент, таҳлили унсурҳои ниҳоӣ, оптимизатсия ва натиҷаҳои сахтии радиалӣ дар ин матни Verianla танҳо ба таҳқиқоти баррасишуда такя мекунанд. Аз манбаъҳои беруна ягон натиҷаи нави таҷрибавӣ илова нашудааст.