悬链线及圆锥曲线混合柔性铰链设计与分析

谢祖强; 陈贵清

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.013

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悬链线及圆锥曲线混合柔性铰链设计与分析

理论研究 | 更新时间：2026-01-23

- 悬链线及圆锥曲线混合柔性铰链设计与分析
- Design and analysis of catenary and conical section hybrid flexure hinges
- 机械传动 2026年50卷第1期页码：100-111
- 作者机构：
  
  福建船政交通职业学院机械与智能制造学院，福州 350007
- 作者简介：
  
  谢祖强，男，1981年生，福建闽清人，工学硕士，高级实验师；主要研究方向为机械设计、先进制造技术；381759591@qq.com。
  陈贵清（通信作者），男，1979年生，福建尤溪人，工学博士，教授；主要研究方向为机械设计、材料设计与加工；409469554@qq.com。
- 基金信息：
  
  福建省科技厅引导性科技计划项目(2022H0029);福建船政交通职业学院校级科教发展基金项目(20220203);福建船政交通职业学院校级科教发展基金项目(20200305)
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.013
  中图分类号： TH112
- 收稿：2024-09-01，
  
  修回：2024-10-20，
  
  纸质出版：2026-01-15
- 稿件说明：
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谢祖强，陈贵清. 悬链线及圆锥曲线混合柔性铰链设计与分析［J］. 机械传动，2026，50（1）：100-111.

XIE Zuqiang，CHEN Guiqing. Design and analysis of catenary and conical section hybrid flexure hinges［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：100-111.
谢祖强，陈贵清. 悬链线及圆锥曲线混合柔性铰链设计与分析［J］. 机械传动，2026，50（1）：100-111. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.013.

XIE Zuqiang，CHEN Guiqing. Design and analysis of catenary and conical section hybrid flexure hinges［J］. Journal of Mechanical Transmission，2026，50（1）：100-111. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2026.01.013.

摘要

目的

既有的柔性铰链研究都对应着复杂的柔度和回转精度计算式。为了解决该问题，设计了一种新型悬链线形柔性铰链，提出一种用直线段逼近弧段建立铰链柔度和回转精度模型的方法。

方法

首先，将柔性铰链定义为渐缩段与渐扩段的串联组合，将渐缩段中曲线段分割成若干弧段，用直线段逼近弧段；基于卡氏第二定理，计算铰链渐缩段柔度，由矩阵运算建立铰链柔度和回转精度模型；其次，结合具体算例，采用推出公式、文献公式和有限元法计算，当曲线分割段数较大时，计算结果吻合较好，验证了公式正确性；再次，分析了结构参数对悬链线铰链柔度、回转精度和柔度精度比的影响；最后，分析了相同结构参数下悬链线、圆锥曲线及其混合铰链的弯曲柔度和柔度精度比。

结果

结果表明，单一参数对悬链线铰链柔度和回转精度的影响成负相关，减小最薄处厚度是提升其柔度的最佳方式。相同结构参数下，悬链线铰链弯曲柔度和柔度精度比介于抛物线和圆弧形之间。选择柔度大的为渐缩段、柔度小的为渐扩段的混合型铰链可兼顾柔度和回转精度；柔度悬殊越大，越有利于提升柔度精度比。

Abstract

Objective

Existing research on flexible hinges corresponds to complex expressions for flexibility and rotational accuracy calculations. To address this issue

a new type of catenary flexure hinge was designed

and a method for establishing the hinge’s compliance and rotational accuracy model by approximating arc segments with straight-line segments was proposed.

Methods

Firstly

by defining the flexure hinge as a series combination of tapered and expanded sections

the curve in the tapered segment was divided into several arc segments

and the curve segments were approximated with straight segments. Based on the Castigliano’s second theorem

a method by calculating the flexibility of the tapered section and then establishing the hinge flexibility and rotational accuracy model through matrix operations was established. Secondly

using specific examples

the derived formula

literature formulas

and the finite element method were employed for calculations. When the curve segment was finely divided

the calculation results align well

thereby verifying the formula’s correctness. Thirdly

the influence of structural parameters on the flexibility

rotation accuracy

and flexibility-accuracy ratio of catenary flexure hinges was analyzed. Finally

the bending flexibility and flexibility-accuracy ratio of the catenary

conic

and their hybrid hinges were analyzed with the same structural parameters.

Results

The results show that a single parameter has a negative correlation with flexibility and rotation accuracy of the catenary hinge

and reducing the minimum thickness is the best way to improve flexibility. Under the same structural parameters

the flexibility and flexibility-accuracy ratio of the catenary hinge is between parabolic and circular shapes. Choosing a hybrid hinge with a section of high flexibility for the tapered section and a section of low flexibility for the expanded section allows for a balance between flexibility and motion accuracy.The greater the difference in flexibility

the better the flexibility-accuracy ratio.

关键词

Keywords

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