鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅動技術的可靠性設計經驗，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效地轉化為科技成果。

四、 力量的設計

在講解鈦絲驅動的力量設計之前，為了方便描述，財哥先做如下定義：

鈦絲驅動力量：Fq，（鈦絲通電后產生的收縮拉力）

鈦絲應變力量：F0，（鈦絲未通電時的自身應力，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）

鈦絲驅動后的載荷力量：F2，（鈦絲執行驅動后的那一時刻，因位移變化導致的F1的變化力）

驅動機構的阻力：Fn

外在因素帶來的阻力：Fnn

驅動余量：?Fq

鈦絲的初始荷載力

案例：某產品應用了最簡單的直線驅動模型，線徑0.15mm的鈦絲，175MPA的驅動力，Fq大約315g，產品投入市場后，故障頻發，經常發生執行機構冷卻不能恢復到位的情況。

經過對產品拆解后發現，該直線驅動模型的初始載荷力F1設置為0。

后調整了產品設計，將鈦絲的初始載荷力F1從0調整至128g，上述故障消失。

在上述直線驅動模型中，一端固定，另一端掛上彈簧作為初始載荷力F1，這個彈簧需要滿足鈦絲的F1大于或等于鈦絲應變力F0

即：F1≥F0

這樣就能確保鈦絲獲得最大的驅動位移量和適當的恢復速度，在斷電冷卻后能快速恢復到原位。

如果未能設置這個初始荷載力，或設置的初始荷載力不足，就會發生鈦絲冷卻后恢復偏慢和不能恢復到原位的情況。

單程和雙程特性的鈦絲應變力是不一樣的，不同廠家的鈦絲應變力也有所不同。

按照財哥以往的經驗：

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動位移量。

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動位移量。

我們可以結合第一章節中《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變力值F0，來設置所需的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。）

驅動機構阻力Fn

不同的驅動模型，還需要考慮各個轉折支點的機構阻力Fn，比如在L型、V型、G型或其他多轉軸結構模型中，每增加一個轉軸或力量角度小于90°的情況下，都會給驅動機構增加由鈦絲的自身應變強度帶來的阻力，這個需要我們根據我們的結構模型去計算或測量，再根據結果去適配合適的初始載荷力F1。

以G型驅動模型為例：

采用這類驅動機構的情況下，轉軸的軸徑，財哥建議大于鈦絲線徑的30倍來設計，這樣可以降低驅動機構的阻力，也可以降低鈦絲在軸向應變帶來的損傷。

G型機構模型一般用于空間較小的產品，驅動鈦絲經過了3個90度轉向，每個轉折角產生的結構阻力大約是50g，合計是Fn =150g。

綜上，初始荷載力量按此規則設計：F1≥F0+Fn，即F1需略大于F0+Fn。

3、鈦絲執行后的載荷力

在工業設計應用中，一般采用彈簧、扭簧和彈片等作為驅動機構的初始載荷。當驅動機構執行時，初始載荷F1會被壓縮、拉伸或形變帶來更大的載荷力量變大了，即為執行后的荷載F2。用下列公式表示：

F2=F1+?F1

（也存在通過結構設計呈現完全相反的特殊情形，在此不贅述）

我們在設計這個載荷力量的時候，需要充分考慮其彈性勢能隨著驅動位移增加帶來的增加，并確保F2不能超過鈦絲驅動力Fq。最理想的設計方案是，初始載荷隨著驅動位移的增加而不變或減小，甚至消失。

但是實際上，我們往往忽視這個問題，導致執行荷載F2超過鈦絲驅動的收縮力Fq。即當F2>Fq，執行機構會出現執行不到位的情況。

所以我們必須要保證：F2< Fq。另外，還需考慮驅動機構的阻力Fn和外在因素帶來的阻力Fnn。這樣，可以得到鈦絲驅動可靠運行的前提條件：

Fq>F2+Fn + Fnn

4、驅動余量的設計

我們的產品在實際應用過程中，往往會出現外在不可控的因素，阻礙了執行機構的執行，從而造成執行機構損壞。所以我們需要充分考慮外在因素帶來的阻力Fnn。

所以，我們需要設計更大的驅動余量 ?Fq，來滿足我們產品的可靠性需求

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

5、力量設計常見問題及總結

鈦絲驅動的力量設計不當，容易出現這些問題：

（1）初始載荷F1偏低，容易導致驅動機構恢復不到位。

（2）初始載荷F1過高，容易導致驅動機構驅動余量?Fq不足，造成產品批量穩定性不夠。

（3）執行后的載荷力量F2高于鈦絲的驅動力Fq，容易導致驅動機構執行不到位或壽命偏短。

（4）驅動機構阻力Fn較大，容易導致驅動機構執行響應慢或壽命偏短。

（5）外在因素帶來的阻力Fnn過大，導致的?Fq余量不足，容易出現驅動機構不穩定，時好時壞。

因此，設計合理的初始荷載F1及執行荷載F2，并留足驅動余量?Fq是鈦絲驅動力量設計的核心要點，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章節所述，在做好鈦絲的選擇、選型和適配及時間設計的基礎上，做好力量設計，是驅動鈦絲的可靠性設計的前提和保障。

作者 財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇