驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（5） 位移设计

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，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。

钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。

第5节 位移设计

关于驱动钛丝的可靠性设计，位移设计同样非常的重要，它反映了工业化产品的控制稳定性和寿命。接下来，我们将位移设计从以下几个方面来阐述：

1、 钛丝的0点位置设计

在上一节力量设计中，我们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

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。在额定载荷的前提下，在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、 钛丝驱动位移设计常见结构模型

很多的情况下，我们都可能会发现我们的驱动位移量不够，在钛丝的合适收缩率情况下增加位移的结构模型有很多。

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。

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，可以通过结构设计处理（参考本节第3条）。

为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地，我们制作了包括《财哥说钛丝》、《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》、《SMA基础参数计算模型》、《SMA常见10大结构模型》等系列视频和文章供大家参考，欢迎大家的关注和交流，请点赞收藏！

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作者 财哥说钛丝