General design equations for the rotational stiffness, maximal angular deflection and rotational precision of various notch flexure hinges

铰链 偏转(物理) 旋转副 刚度 有限元法 结构工程 数学分析 正交异性材料 几何学 数学 物理 经典力学 工程类 约束(计算机辅助设计)
作者
Sebastian Linß,Philipp Schorr,Lena Zentner
出处
期刊:Mechanical Sciences [Copernicus Publications]
卷期号:8 (1): 29-49 被引量:56
标识
DOI:10.5194/ms-8-29-2017
摘要

Abstract. Notch flexure hinges are often used as revolute joints in high-precise compliant mechanisms, but their contour-dependent deformation and motion behaviour is currently difficult to predict. This paper presents general design equations for the calculation of the rotational stiffness, maximal angular elastic deflection and rotational precision of various notch flexure hinges in dependence of the geometric hinge parameters. The novel equations are obtained on the basis of a non-linear analytical model for a moment and a transverse force loaded beam with a variable contour height. Four flexure hinge contours are investigated, the semi-circular, the corner-filleted, the elliptical, and the recently introduced bi-quadratic polynomial contour. Depending on the contour, the error of the calculated results is in the range of less than 2 % to less than 16 % for the suggested parameter range compared with the analytical solution. Finite elements method (FEM) and experimental results correlate well with the predictions based on the comparatively simple and concise design equations.
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