5 钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计-位移的设计

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。

五、位移的设计

钛丝驱动的位移量由钛丝的长度决定。同时，影响驱动位移的因素还有驱动模型的0点位置设计和终点位置设计。

1、 钛丝的0点位置设计

钛丝的0点位置设计和初始载荷有关。初始载荷，大家可以理解为驱动开始的时候的弹簧或弹片等拉力装置，作用在钛丝径向的拉力。这个拉力装置，主要是用于辅助驱动模型的驱动件快速复位归零。

钛丝的0点位置会随着初始载荷发生一定漂移。

财哥在上一章节的力量设计中，提到了初始载荷的恢复不到位的情况。这就是我们在实际应用过程中经常出现的问题，0%的位置和初始载荷的大小存在的0点漂移现象，初始载荷越大，0点漂移值越大（如下表： X坐标是初始载荷g ，Y坐标是钛丝收缩率5%对应的位移量5mm）。

我们以规格：∅0.15mm，长度100mm为例，结合表5《表5钛丝通电加热收缩力计算表》，我们提供的初始载荷是128g，那么钛丝的0点位置就会漂移到-0.4mm位置。钛丝被拉长了0.4mm，那么它的驱动位移量，还是5mm，只是整体往后移动了0.4mm。

所以我们在结构设计当中，需要考虑钛丝的0点位移的漂移补偿设计。

不然的话，我们设计出来的驱动机构，就会出现只有4.5%的驱动位移量，损失了0.4mm的驱动位移量。

当然，我们也可以把预设的长度100mm的钛丝，换成长度99.6mm的钛丝，这样我们可以得到4.95mm的最大位移量。

2、 钛丝的终点位置设计

终点位置的设计和钛丝的最大收缩率和钛丝的疲劳寿命有关。

我们通过试验验证，钛丝驱动收缩位移量和寿命是反比关系。在一定初始载荷的前提下，老化测试中驱动次数越多，钛丝驱动位移逐渐衰减。以0.15mm的钛丝的测试数据为例（见下图）： X坐标是老化次数（万次），Y坐标是钛丝收缩率5%对应的位移量5mm

由于这根钛丝经历了漫长的反复伸缩，发生了疲劳性的拉长现象。

可以理解为：

规格：∅0.15mm，长度100mm

已经改变成了

规格：∅0.145mm，长度100.5mm

这根钛丝的基本特性还是存在的，且物理参数指标保持不变。

所以，我们在位移设计的过程中，需要结合我们产品的实际寿命需要，选择合适的收缩率。

例如：

产品驱动寿命需求1000万次，设计驱动位移量控制在1-2%的收缩率指标位置；

产品驱动寿命需求50万-100万次，设计驱动位移量控制在3-4%的收缩率指标位置；

产品驱动寿命需求小于100次，设计驱动位移量控制到最大至5%的收缩率指标位置。

3、 位移放大设计的常见驱动模型

在一些产品的设计当中，我们可能会发现我们的驱动位移量不够，那么我们可以通过改变驱动模型来增加所需位移量。

例1：杠杆结构

我们采用直线形态的钛丝驱动杠杆，直线钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量，通过1:1.25的杠杆比例，让驱动位移达到5mm的效果。

例2：琴弦结构

我们采用多个直线形态的钛丝错位叠加，钛丝和钛丝之间采用传动的滑块相互连接，钛丝越多，驱动位移越大。

例如3根直线钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量，每根钛丝产生4mm的驱动位移，3根钛丝让驱动位移达到12mm的效果。

例3：三角函数结构

我们将一根钛丝，两端固定，中间作为驱动点，钛丝的驱动点和固定点形成三角函数关系，我们可以利用勾股定理得到类似杠杆的放大效果，得到更大的驱动位移量。

当sinA=0.4时，钛丝的直线驱动方向的位移量是驱动点的方向的1:3倍关系，钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量4mm，在驱动点的方向，我们会获得12mm的驱动位移量。

例4：U型+三角复合结构

为了满足空间布局，同时又要满足位移量和力量的需求，我们可以采用U型驱动和三角函数驱动的组合驱动形态，获得最大位移量的同时，又获得了最大化的力量。

当sinA=0.4且复合结构的每段长度相同时，钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量4mm，在驱动点的方向，我们获得了7mm的驱动位移量和2倍的驱动力量。

我们通过位移放大设计的同时，还需要同时考虑我们的驱动机构的力量损失是否满足我们产品的使用要求。

4、 位移设计常见问题

（1）驱动位移不足：比如设计要驱动4mm位移，但实际应用中只有3.5mm，一般是执行力量超标导致，调整执行力量即可（参考第4节力量设计）。

（2）冷却恢复不到位：一般是没有初始载荷，或初始载荷偏低，或者未考虑0点漂移现象（参考本节第1条）。

（3）寿命偏短：前几千次能正常驱动，几千次后驱动不到位，这种情况一般是执行力量超标、驱动余量不足（参考第4节力量设计）、设计驱动位移量偏大（参考本节第2条）。

（4）位移需求量不足：位移需求缺口较大的情况下，可以通过位移放大设计处理（参考本节第3条）。

财哥在以往使用各厂家的钛丝，发现：

有的厂家钛丝的驱动位移量很大，衰减比较大。

有的厂家钛丝的驱动位移量很大，衰减比较小。

有的厂家钛丝的驱动位移量很小，衰减比较大。

有的厂家钛丝的驱动位移量很小，衰减比较小。

这些参差不齐的情况，需要大家结合自己产品的设计需求仔细去甄别，各项指标不一定大就好，也不一定小就好，合适自己产品的需求最为重要。

作者 财哥说钛丝