前言

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經(jīng)過(guò)多道工序制成的絲，我們簡(jiǎn)稱(chēng)鈦絲。本文研究的是鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)電來(lái)驅(qū)動(dòng)鈦絲的可靠性設(shè)計(jì)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域快速有效的轉(zhuǎn)化為科技成果。

第5節(jié) 位移設(shè)計(jì)

關(guān)于驅(qū)動(dòng)鈦絲的可靠性設(shè)計(jì)，位移設(shè)計(jì)同樣非常的重要，它反映了工業(yè)化產(chǎn)品的控制穩(wěn)定性和壽命。接下來(lái)，我們將位移設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面來(lái)闡述：

1、 鈦絲的0點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

在上一節(jié)力量設(shè)計(jì)中，我們提到了初始載荷的恢復(fù)不到位的情況。這就是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，0%的位置和初始載荷的大小存在的0點(diǎn)漂移現(xiàn)象，初始載荷越大，0點(diǎn)漂移值越大（如下表： X坐標(biāo)是初始載荷g ，Y坐標(biāo)是鈦絲收縮率5%對(duì)應(yīng)的位移量5mm）。

我們以規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm為例，結(jié)合表5《表5鈦絲通電加熱收縮力計(jì)算表》，我們提供的初始載荷是128g，那么鈦絲的0點(diǎn)位置就會(huì)漂移到-0.4mm位置。鈦絲被拉長(zhǎng)了0.4mm，那么它的驅(qū)動(dòng)位移量，還是5mm，只是整體往后移動(dòng)了0.4mm。

所以我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要考慮鈦絲的0點(diǎn)位移的漂移補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

不然的話(huà)，我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就會(huì)出現(xiàn)只有4.5%的驅(qū)動(dòng)位移量，損失了0.4mm的驅(qū)動(dòng)位移量。

當(dāng)然，我們也可以把預(yù)設(shè)的長(zhǎng)度100mm的鈦絲，換成長(zhǎng)度99.6mm的鈦絲，這樣我們可以得到4.95mm的最大位移量。

2、 鈦絲的終點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

我們通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，鈦絲驅(qū)動(dòng)收縮位移量和壽命是反比關(guān)系。在額定載荷的前提下，在老化測(cè)試中驅(qū)動(dòng)次數(shù)越多，鈦絲驅(qū)動(dòng)位移逐漸衰減。以0.15mm的鈦絲的測(cè)試數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)下圖）： X坐標(biāo)是老化次數(shù)（萬(wàn)次），Y坐標(biāo)是鈦絲收縮率5%對(duì)應(yīng)的位移量5mm

由于這根鈦絲經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的反復(fù)伸縮，發(fā)生了疲勞性的拉長(zhǎng)現(xiàn)象。

可以理解為：

規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm

已經(jīng)改變成了

規(guī)格：?0.145mm，長(zhǎng)度100.5mm

這根鈦絲的基本特性還是存在的，且物理參數(shù)指標(biāo)保持不變。

所以，我們?cè)谖灰圃O(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要結(jié)合我們產(chǎn)品的實(shí)際壽命需要，選擇合適的收縮率。

例如：

產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)壽命需求1000萬(wàn)次，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)位移量控制在1-2%的收縮率指標(biāo)位置；

產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)壽命需求50萬(wàn)-100萬(wàn)次，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)位移量控制在3-4%的收縮率指標(biāo)位置；

產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)壽命需求小于100次，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)位移量控制到最大至5%的收縮率指標(biāo)位置。

3、 鈦絲驅(qū)動(dòng)位移設(shè)計(jì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)模型

很多的情況下，我們都可能會(huì)發(fā)現(xiàn)我們的驅(qū)動(dòng)位移量不夠，在鈦絲的合適收縮率情況下增加位移的結(jié)構(gòu)模型有很多。

例1：杠桿結(jié)構(gòu)

我們采用直線(xiàn)形態(tài)的鈦絲驅(qū)動(dòng)杠桿，直線(xiàn)鈦絲? 0.15mm，長(zhǎng)度100mm，我們?cè)O(shè)計(jì)4%的位移量，通過(guò)1:1.25的杠桿比例，讓驅(qū)動(dòng)位移達(dá)到5mm的效果。

例2：琴弦結(jié)構(gòu)

我們采用多個(gè)直線(xiàn)形態(tài)的鈦絲錯(cuò)位疊加，鈦絲和鈦絲之間采用傳動(dòng)的滑塊相互連接，鈦絲越多，驅(qū)動(dòng)位移越大。

例如3根直線(xiàn)鈦絲? 0.15mm，長(zhǎng)度100mm，我們?cè)O(shè)計(jì)4%的位移量，每根鈦絲產(chǎn)生4mm的驅(qū)動(dòng)位移，3根鈦絲讓驅(qū)動(dòng)位移達(dá)到12mm的效果。

例3：三角函數(shù)結(jié)構(gòu)

我們將一根鈦絲，兩端固定，中間作為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，鈦絲的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和固定點(diǎn)形成三角函數(shù)關(guān)系，我們可以利用勾股定理得到類(lèi)似杠桿的放大效果，得到更大的驅(qū)動(dòng)位移量。

當(dāng)sinA=0.4時(shí)，鈦絲的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)方向的位移量是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方向的1:3倍關(guān)系，鈦絲? 0.15mm，長(zhǎng)度100mm，我們?cè)O(shè)計(jì)4%的位移量4mm，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方向，我們會(huì)獲得12mm的驅(qū)動(dòng)位移量。

例4：U型+三角復(fù)合結(jié)構(gòu)

為了滿(mǎn)足空間布局，同時(shí)又要滿(mǎn)足位移量和力量的需求，我們可以采用U型驅(qū)動(dòng)和三角函數(shù)驅(qū)動(dòng)的組合驅(qū)動(dòng)形態(tài)，獲得最大位移量的同時(shí)，又獲得了最大化的力量。

當(dāng)sinA=0.4且復(fù)合結(jié)構(gòu)的每段長(zhǎng)度相同時(shí)，鈦絲? 0.15mm，長(zhǎng)度100mm，我們?cè)O(shè)計(jì)4%的位移量4mm，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方向，我們獲得了7mm的驅(qū)動(dòng)位移量和2倍的驅(qū)動(dòng)力量。

4、 位移設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

（1）驅(qū)動(dòng)位移不足：比如設(shè)計(jì)要驅(qū)動(dòng)4mm位移，但實(shí)際應(yīng)用中只有3.5mm，一般是執(zhí)行力量超標(biāo)導(dǎo)致，調(diào)整執(zhí)行力量即可（參考第4節(jié)力量設(shè)計(jì)）。

（2）冷卻恢復(fù)不到位：一般是沒(méi)有初始載荷，或初始載荷偏低，或者未考慮0點(diǎn)漂移現(xiàn)象（參考本節(jié)第1條）。

（3）壽命偏短：前幾千次能正常驅(qū)動(dòng)，幾千次后驅(qū)動(dòng)不到位，這種情況一般是執(zhí)行力量超標(biāo)、驅(qū)動(dòng)余量不足（參考第4節(jié)力量設(shè)計(jì)）、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)位移量偏大（參考本節(jié)第2條）。

（4）位移需求量不足：位移需求缺口較大的情況下，可以通過(guò)需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理（參考本節(jié)第3條）。

為了讓驅(qū)動(dòng)鈦絲在工業(yè)應(yīng)用中切實(shí)落地，我們制作了包括《財(cái)哥說(shuō)鈦絲》、《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)》、《SMA基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算模型》、《SMA常見(jiàn)10大結(jié)構(gòu)模型》等系列視頻和文章供大家參考，歡迎大家的關(guān)注和交流，請(qǐng)點(diǎn)贊收藏！

鈦絲科技 出品

作者 財(cái)哥說(shuō)鈦絲