鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計(jì)

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經(jīng)過多道工序制成的絲，財(cái)哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

四、 力量的設(shè)計(jì)

在講解鈦絲驅(qū)動(dòng)的力量設(shè)計(jì)之前，為了方便描述，財(cái)哥先做如下定義：

鈦絲驅(qū)動(dòng)力量：Fq，（鈦絲通電后產(chǎn)生的收縮拉力）

鈦絲應(yīng)變力量：F0，（鈦絲未通電時(shí)的自身應(yīng)力，可理解為自身彈力、阻力）

初始載荷力量：F1，（提前給鈦絲施加的初始拉力）

鈦絲驅(qū)動(dòng)后的載荷力量：F2，（鈦絲執(zhí)行驅(qū)動(dòng)后的那一時(shí)刻，因位移變化導(dǎo)致的F1的變化力）

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力：Fn

外在因素帶來的阻力：Fnn

驅(qū)動(dòng)余量：?Fq

鈦絲的初始荷載力

案例：某產(chǎn)品應(yīng)用了最簡單的直線驅(qū)動(dòng)模型，線徑0.15mm的鈦絲，175MPA的驅(qū)動(dòng)力，Fq大約315g，產(chǎn)品投入市場后，故障頻發(fā)，經(jīng)常發(fā)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)冷卻不能恢復(fù)到位的情況。

經(jīng)過對產(chǎn)品拆解后發(fā)現(xiàn)，該直線驅(qū)動(dòng)模型的初始載荷力F1設(shè)置為0。

后調(diào)整了產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將鈦絲的初始載荷力F1從0調(diào)整至128g，上述故障消失。

在上述直線驅(qū)動(dòng)模型中，一端固定，另一端掛上彈簧作為初始載荷力F1，這個(gè)彈簧需要滿足鈦絲的F1大于或等于鈦絲應(yīng)變力F0

即：F1≥F0

這樣就能確保鈦絲獲得最大的驅(qū)動(dòng)位移量和適當(dāng)?shù)幕謴?fù)速度，在斷電冷卻后能快速恢復(fù)到原位。

如果未能設(shè)置這個(gè)初始荷載力，或設(shè)置的初始荷載力不足，就會(huì)發(fā)生鈦絲冷卻后恢復(fù)偏慢和不能恢復(fù)到原位的情況。

單程和雙程特性的鈦絲應(yīng)變力是不一樣的，不同廠家的鈦絲應(yīng)變力也有所不同。

按照財(cái)哥以往的經(jīng)驗(yàn)：

單程鈦絲一般在100-150MPA左右的情況下可以獲得鈦絲的最大驅(qū)動(dòng)位移量。

雙程鈦絲一般在70-100MPA左右的情況下可以獲得鈦絲的最大驅(qū)動(dòng)位移量。

我們可以結(jié)合第一章節(jié)中《鈦絲的選型和適配》中描述的胡克定律，還有大家手頭的鈦絲應(yīng)變力值F0，來設(shè)置所需的F1：

例如：假定大家的鈦絲是100MPA，那么我們可以得到如下F0

通過上述對照計(jì)算，我們就可以得到我們的F0值，從而就可以知道，我們需要匹配多大的初始載荷力F1（如：彈簧的初始拉力或壓力。）

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)阻力Fn

不同的驅(qū)動(dòng)模型，還需要考慮各個(gè)轉(zhuǎn)折支點(diǎn)的機(jī)構(gòu)阻力Fn，比如在L型、V型、G型或其他多轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)模型中，每增加一個(gè)轉(zhuǎn)軸或力量角度小于90°的情況下，都會(huì)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)增加由鈦絲的自身應(yīng)變強(qiáng)度帶來的阻力，這個(gè)需要我們根據(jù)我們的結(jié)構(gòu)模型去計(jì)算或測量，再根據(jù)結(jié)果去適配合適的初始載荷力F1。

以G型驅(qū)動(dòng)模型為例：

采用這類驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下，轉(zhuǎn)軸的軸徑，財(cái)哥建議大于鈦絲線徑的30倍來設(shè)計(jì)，這樣可以降低驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力，也可以降低鈦絲在軸向應(yīng)變帶來的損傷。

G型機(jī)構(gòu)模型一般用于空間較小的產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)鈦絲經(jīng)過了3個(gè)90度轉(zhuǎn)向，每個(gè)轉(zhuǎn)折角產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)阻力大約是50g，合計(jì)是Fn =150g。

綜上，初始荷載力量按此規(guī)則設(shè)計(jì)：F1≥F0+Fn，即F1需略大于F0+Fn。

3、鈦絲執(zhí)行后的載荷力

在工業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，一般采用彈簧、扭簧和彈片等作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的初始載荷。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行時(shí)，初始載荷F1會(huì)被壓縮、拉伸或形變帶來更大的載荷力量變大了，即為執(zhí)行后的荷載F2。用下列公式表示：

F2=F1+?F1

（也存在通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)完全相反的特殊情形，在此不贅述）

我們在設(shè)計(jì)這個(gè)載荷力量的時(shí)候，需要充分考慮其彈性勢能隨著驅(qū)動(dòng)位移增加帶來的增加，并確保F2不能超過鈦絲驅(qū)動(dòng)力Fq。最理想的設(shè)計(jì)方案是，初始載荷隨著驅(qū)動(dòng)位移的增加而不變或減小，甚至消失。

但是實(shí)際上，我們往往忽視這個(gè)問題，導(dǎo)致執(zhí)行荷載F2超過鈦絲驅(qū)動(dòng)的收縮力Fq。即當(dāng)F2>Fq，執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)執(zhí)行不到位的情況。

所以我們必須要保證：F2< Fq。另外，還需考慮驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力Fn和外在因素帶來的阻力Fnn。這樣，可以得到鈦絲驅(qū)動(dòng)可靠運(yùn)行的前提條件：

Fq>F2+Fn + Fnn

4、驅(qū)動(dòng)余量的設(shè)計(jì)

我們的產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往會(huì)出現(xiàn)外在不可控的因素，阻礙了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，從而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞。所以我們需要充分考慮外在因素帶來的阻力Fnn。

所以，我們需要設(shè)計(jì)更大的驅(qū)動(dòng)余量 ?Fq，來滿足我們產(chǎn)品的可靠性需求

?Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0

5、力量設(shè)計(jì)常見問題及總結(jié)

鈦絲驅(qū)動(dòng)的力量設(shè)計(jì)不當(dāng)，容易出現(xiàn)這些問題：

（1）初始載荷F1偏低，容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)不到位。

（2）初始載荷F1過高，容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)余量?Fq不足，造成產(chǎn)品批量穩(wěn)定性不夠。

（3）執(zhí)行后的載荷力量F2高于鈦絲的驅(qū)動(dòng)力Fq，容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行不到位或壽命偏短。

（4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)阻力Fn較大，容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行響應(yīng)慢或壽命偏短。

（5）外在因素帶來的阻力Fnn過大，導(dǎo)致的?Fq余量不足，容易出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞。

因此，設(shè)計(jì)合理的初始荷載F1及執(zhí)行荷載F2，并留足驅(qū)動(dòng)余量?Fq是鈦絲驅(qū)動(dòng)力量設(shè)計(jì)的核心要點(diǎn)，用公式表示為：

(1)F1≥F0+ Fn

(2)F2=F1+?F1

(3)?Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0

大家可以回顧前文1-3章節(jié)所述，在做好鈦絲的選擇、選型和適配及時(shí)間設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做好力量設(shè)計(jì)，是驅(qū)動(dòng)鈦絲的可靠性設(shè)計(jì)的前提和保障。

作者 財(cái)哥說鈦絲

審核編輯 黃宇