4 钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计-力量的设计

钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、肌肉丝、镍钛记忆合金，它是由Ni（镍）- Ti（钛）材料组成，经过多道工序制成的丝，财哥简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。钛丝驱动技术（nitidrivetech）目前已经在航空航天、医疗、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过公开分享、科普钛丝驱动技术的可靠性设计经验，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效地转化为科技成果。

四、 力量的设计

在讲解钛丝驱动的力量设计之前，为了方便描述，财哥先做如下定义：

钛丝驱动力量：Fq，（钛丝通电后产生的收缩拉力）

钛丝应变力量：F0，（钛丝未通电时的自身应力，可理解为自身弹力、阻力）

初始载荷力量：F1，（提前给钛丝施加的初始拉力）

钛丝驱动后的载荷力量：F2，（钛丝执行驱动后的那一时刻，因位移变化导致的F1的变化力）

驱动机构的阻力：Fn

外在因素带来的阻力：Fnn

驱动余量：∆Fq

1、 钛丝的初始荷载力

案例：某产品应用了最简单的直线驱动模型，线径0.15mm的钛丝，175MPA的驱动力，Fq大约315g，产品投入市场后，故障频发，经常发生执行机构冷却不能恢复到位的情况。

经过对产品拆解后发现，该直线驱动模型的初始载荷力F1设置为0。

后调整了产品设计，将钛丝的初始载荷力F1从0调整至128g，上述故障消失。

在上述直线驱动模型中，一端固定，另一端挂上弹簧作为初始载荷力F1，这个弹簧需要满足钛丝的F1大于或等于钛丝应变力F0

即：F1≥F0

这样就能确保钛丝获得最大的驱动位移量和适当的恢复速度，在断电冷却后能快速恢复到原位。

如果未能设置这个初始荷载力，或设置的初始荷载力不足，就会发生钛丝冷却后恢复偏慢和不能恢复到原位的情况。

单程和双程特性的钛丝应变力是不一样的，不同厂家的钛丝应变力也有所不同。

按照财哥以往的经验：

单程钛丝一般在100-150MPA左右的情况下可以获得钛丝的最大驱动位移量。

双程钛丝一般在70-100MPA左右的情况下可以获得钛丝的最大驱动位移量。

我们可以结合第一章节中《钛丝的选型和适配》中描述的胡克定律，还有大家手头的钛丝应变力值F0，来设置所需的F1：

例如：假定大家的钛丝是100MPA，那么我们可以得到如下F0

通过上述对照计算，我们就可以得到我们的F0值，从而就可以知道，我们需要匹配多大的初始载荷力F1（如：弹簧的初始拉力或压力。）

2、 驱动机构阻力Fn

不同的驱动模型，还需要考虑各个转折支点的机构阻力Fn，比如在L型、V型、G型或其他多转轴结构模型中，每增加一个转轴或力量角度小于90°的情况下，都会给驱动机构增加由钛丝的自身应变强度带来的阻力，这个需要我们根据我们的结构模型去计算或测量，再根据结果去适配合适的初始载荷力F1。

以G型驱动模型为例：

采用这类驱动机构的情况下，转轴的轴径，财哥建议大于钛丝线径的30倍来设计，这样可以降低驱动机构的阻力，也可以降低钛丝在轴向应变带来的损伤。

G型机构模型一般用于空间较小的产品，驱动钛丝经过了3个90度转向，每个转折角产生的结构阻力大约是50g，合计是Fn =150g。

综上，初始荷载力量按此规则设计：F1≥F0+Fn，即F1需略大于F0+Fn。

3、钛丝执行后的载荷力

在工业设计应用中，一般采用弹簧、扭簧和弹片等作为驱动机构的初始载荷。当驱动机构执行时，初始载荷F1会被压缩、拉伸或形变带来更大的载荷力量变大了，即为执行后的荷载F2。用下列公式表示：

F2=F1+∆F1

（也存在通过结构设计呈现完全相反的特殊情形，在此不赘述）

我们在设计这个载荷力量的时候，需要充分考虑其弹性势能随着驱动位移增加带来的增加，并确保F2不能超过钛丝驱动力Fq。最理想的设计方案是，初始载荷随着驱动位移的增加而不变或减小，甚至消失。

但是实际上，我们往往忽视这个问题，导致执行荷载F2超过钛丝驱动的收缩力Fq。即当F2>Fq，执行机构会出现执行不到位的情况。

所以我们必须要保证：F2< Fq。另外，还需考虑驱动机构的阻力Fn和外在因素带来的阻力Fnn。这样，可以得到钛丝驱动可靠运行的前提条件：

Fq>F2+Fn + Fnn

4、驱动余量的设计

我们的产品在实际应用过程中，往往会出现外在不可控的因素，阻碍了执行机构的执行，从而造成执行机构损坏。所以我们需要充分考虑外在因素带来的阻力Fnn。

所以，我们需要设计更大的驱动余量 ∆Fq，来满足我们产品的可靠性需求

∆Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0

5、力量设计常见问题及总结

钛丝驱动的力量设计不当，容易出现这些问题：

（1）初始载荷F1偏低，容易导致驱动机构恢复不到位。

（2）初始载荷F1过高，容易导致驱动机构驱动余量∆Fq不足，造成产品批量稳定性不够。

（3）执行后的载荷力量F2高于钛丝的驱动力Fq，容易导致驱动机构执行不到位或寿命偏短。

（4）驱动机构阻力Fn较大，容易导致驱动机构执行响应慢或寿命偏短。

（5）外在因素带来的阻力Fnn过大，导致的∆Fq余量不足，容易出现驱动机构不稳定，时好时坏。

因此，设计合理的初始荷载F1及执行荷载F2，并留足驱动余量∆Fq是钛丝驱动力量设计的核心要点，用公式表示为：

(1)F1≥F0+ Fn

(2)F2=F1+∆F1

(3)∆Fq=Fq-(F2+ Fn + Fnn)>0

大家可以回顾前文1-3章节所述，在做好钛丝的选择、选型和适配及时间设计的基础上，做好力量设计，是驱动钛丝的可靠性设计的前提和保障。

作者 财哥说钛丝