旋转式变体柔性轴承的位移强制模式转换机制研究

《Mechanism and Machine Theory》：Displacement-enforced mode transitions in rotary metamorphic flexure bearings

　　

轴承是引导机械系统运动的关键部件。传统轴承（如滚珠轴承、推力轴承、滚子轴承、滑动轴承和轴颈轴承）均可实现无限或近无限角位移，但在铰接表面引入摩擦或滚动接触。尽管过去一个世纪以来传统机械轴承已有显著改进，但不可避免的摩擦或滚动接触会降低系统效率并限制使用寿命，长期使用时最终需要维护和修复。虽然润滑可减轻摩擦的不利影响，但润滑剂可能不适用于对颗粒敏感的环境，如洁净室或植入式医疗器械。在的高负载环境和维护通道受限的场景中（如复杂机器内部、深水下、低温环境或太空），轴承失效尤为棘手，此时轴承的寿命和精度是首要考量。作为传统轴承的替代方案，柔性轴承通过薄叶片的弹性变形引导运动，从而消除摩擦和接触相关的磨损与低效。虽然这种对变形的依赖需要仔细考虑疲劳问题，但设计使最大工作应力保持在材料耐久极限以下的柔性结构可具有更长的使用寿命。柔性轴承还可实现极高精度的运动引导，因此非常适合纳米定位^[17]、光学对准^[18]和微机电传感器^[19]等精细分辨率系统。柔性轴承的一个关键限制是其运动范围本质上受到约束^[20]，因此仅能用于需要相对小位移的应用场景。若能扩展这一运动范围，柔性轴承的优势有望应用于需要大位移的机器，以提高其使用寿命和精度。作为迈向这一理想目标的一步，研究人员此前提出了变体柔性轴承^[21]，其在主运动范围内作为柔性轴承工作，并在需要扩展范围时自动过渡到传统轴承。两种轴承模式之间的转换由保持机构控制，确保在任意给定时刻仅有一种轴承模式处于活跃状态。在本研究中，研究人员将变体柔性轴承的原理扩展到旋转轴承，提出了旋转式变体柔性轴承（rotary MFB）原型的设计与验证。这一扩展需要重新设计轴承架构以支持旋转柔性轴承与传统轴承之间的串联转换，并集成保持机构以调节模式切换。此外，研究人员此前的工作^[21]未测试动态场景，本研究解决了这两个挑战。在此过程中，研究人员重新设计了此前工作^[21]中的两种保持机构（“保持交接”和“恒定刚度保持”）以适应旋转运动，并在旋转式MFB原型中评估了其性能。此外，研究人员此前曾假设机构的快速加速可能诱发一种机械上模糊的“组合模式”（combined mode），即两种轴承同时活跃。本文提供了该组合模式的实验证据，并探讨了其对轴承行为的影响。

【研究背景】轴承是机械系统中引导运动的关键部件。传统轴承（滚珠轴承、推力轴承、滚子轴承、滑动轴承、轴颈轴承等）虽能实现无限或近无限角位移，但铰接表面的摩擦或滚动接触不可避免，会降低系统效率、限制使用寿命，最终需要维护和修复。润滑虽可缓解摩擦，但在洁净室、植入式医疗器械等对颗粒敏感的环境中不适用；在复杂机器内部、深水下、低温环境或太空等维护受限场景中，轴承失效尤为棘手。柔性轴承通过薄叶片的弹性变形引导运动，消除摩擦和接触相关磨损，可实现极高精度，适用于纳米定位、光学对准和微机电传感器等精细系统。但柔性轴承的运动范围本质上受约束，仅能用于小位移场景。若能扩展其运动范围，柔性轴承的优势可望提升大位移机器的使用寿命和精度。研究人员此前提出了变体柔性轴承，在主运动范围内作为柔性轴承工作，需要扩展范围时自动过渡到传统轴承，两种模式由保持机构控制。此前工作引入了三类保持机构（恒定刚度保持、恒力保持、保持交接），并在线性运动原型中表征了准静态行为。然而许多应用需要旋转运动，将变体柔性轴承扩展到旋转设计有望为高循环旋转运动应用提供这些优势。

【研究方法】研究人员开展了旋转式变体柔性轴承（rotary MFB）的设计与验证研究。主要关键技术方法包括：（1）设计了三刚体架构（载物体、中间体、接地体），柔性轴承连接载物体与中间体，传统轴承连接中间体与接地体，通过保持机构实现串联模式转换；（2）采用十字轴柔性枢轴轴承（行程±30°）和滚珠轴承（行程270°），以AISI不锈钢420 RT-DR的疲劳极限625 MPa为参考应力、安全系数1.1确定最大允许应力568 MPa；（3）重新设计了两种保持机构——磁对保持交接（外对保持力矩0.33 Nm、内对0.25 Nm）和扭转弹簧恒定刚度保持（弹簧刚度0.000180 Nm/deg，预载0.23 Nm）；（4）准静态测试采用无刷电机以5 deg/sec驱动，微型力矩传感器采集数据，磁力计实时监测轴承模式；（5）动态测试采用位置上啁啾信号（频率0–10 Hz、速率0.5 Hz/s、幅值5°），建立加速度阈值预测模型（θ?_threshold(t)=(τ_r?τ_f(θ(t)))/J）并通过磁力计偏差检测组合模式。样本为台架测试原型，非外部队列来源。

【研究结果】
3.1 准静态操作——保持交接：磁力保持交接机构在0–20°柔性轴承区表现为近线性刚度；20–40°磁力过渡区中，第一磁对在26.6°接合产生负力矩峰，第二磁对在30°脱离产生正力矩峰，角跨度在26.6–300°保持为零，确认载物体与中间体持续耦合；约40–300°为传统轴承区，刚度为零。
3.2 准静态操作——恒定刚度保持：0–30°为纯柔性轴承模式，表现为恒定刚度；30°处瞬时过渡，角跨度为零确认硬限位接合；传统轴承区内表现为扭转弹簧的恒定非零刚度，系统能量线性增加，回程时储存的弹性能转化为更大动能。
3.3 动态操作：磁力保持交接配置在18.4 s时角跨度显著偏离预测啁啾，进入组合模式，实测加速度阈值为16,580.9 deg/s²（9.2 Hz），与预测值16,583 deg/s²高度吻合；进入组合模式后出现混沌运动和大扭矩峰，实验提前终止以防止磨损。恒定刚度保持配置在整个扫频中未进入组合模式，虽在14.7 s达到理论阈值10,660 deg/s²，但由于低内部阻尼（ζ<1）导致跨保持边界的瞬态过冲和回弹，表现为欠阻尼状态；扭转弹簧引入共振行为（约9 s处力矩降低），最大承受冲量为0.67 Nm·s，大于保持交接机构。

【讨论与结论】讨论部分提出了旋转式MFB的系统设计框架：首先定义关键性能指标（主/次运动范围、载荷、过渡位置等），独立设计柔性轴承（峰值应力低于疲劳极限）和传统轴承，再设计保持机构（保持力矩须超过柔性轴承行程末端的最大恢复力矩）。两种保持机构各有利弊：磁力保持交接质量体积小（磁体总体积0.047 in³、总质量0.1868 oz，远小于扭转弹簧的0.8835 in³和1.65 oz），传统轴承模式无持续阻力矩，动态下更易进入组合模式，过渡区高度非线性（力矩扰动峰值0.4 Nm和0.6 Nm）；恒定刚度保持过渡平滑（力矩扰动约0.05 Nm），但传统轴承模式存在持续阻力矩且受材料极限约束。应用场景包括拾放机器、方向盘、力限制离合器、机器人末端执行器等；在人体交互应用中，可感知的过渡力矩可作为触觉反馈或机械保险丝。结论部分指出：旋转式MFB展示了一种集成了柔性与传统轴承部件的新型旋转轴承范式，有望在高循环任务中实现低磨损、高精度操作，同时保留按需大角度偏移的能力，从而解决柔性轴承固有的运动范围基本权衡问题。本文引入的框架和设计原则为跨应用定制旋转式MFB行为提供了基础，未来工作将聚焦长期耐久性、封装和特定应用优化。这些结果使旋转式MFB成为跨广泛工程系统的新一代轴承技术的有前景方案。