驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（4） 力量设计

前言

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、镍钛记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，这里我们方便描述，简称钛丝或者驱动钛丝。

第4节  力量设计

关于驱动钛丝的可靠性设计，前文我们已经讲过了钛丝的选型和适配、不同厂家的钛丝区别、响应时间的设计，本节我们来讨论驱动钛丝的机械结构设计第二个要点，力量设计。

为了方便描述，我们先做如下定义：

钛丝驱动力，钛丝通电后产生的收缩力：Fq

钛丝应变力，钛丝未通电前自身的应力：F₀

初始载荷力，提前给钛丝配置的初始拉力：F₁

钛丝执行后的载荷力量：F₂

驱动机构的阻力：F_n

外在因素带来的阻力：F_nn

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结构的钛丝驱动，按照《SMA基础模型》的表5《表5钛丝通电加热收缩力计算表》，将钛丝驱动力量F控制大约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，该直线结构下的驱动的初始载荷力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初始载荷力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100%的双向恢复特性和适当的恢复速度，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。

钛丝自身的应变力（屈服强度）大约是71MPa，按照不同的线径计算后得知钛丝应变力F₀如下：

 

 

各种线径的钛丝初始载荷力必须大于或等于上表红框内的钛丝应变力。

当然，这个初始载荷越大，恢复响应速度越快，同时我们的驱动余量范围会越窄。

2. 驱动机构阻力F_n

根据不同的结构模型，还需要考虑各个转折支点的机构阻力F_n，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《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》的G型机构为例：

 

采用这类驱动机构的情况下，转轴的轴径，我们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F_n =150g。

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

3、钛丝执行后的载荷力量

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F_n和外在因素带来的阻力F_nn。这样，可以得到钛丝驱动可靠运行的前提条件：

Fq>F₂+F_n + F_nn

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F_nn。

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+ F_n + F_nn)>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F_n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F_nn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+ F_n

(2)F2=F1+∆F₁

(3)∆Fq=Fq-(F₂+ F_n + F_nn)>0

6、如何获取双倍的钛丝驱动力

案例：某产品供电系统为了节能的需要，其设计电流只能驱0.15mm的钛丝，然而这个产品内部的驱动应力需要630g，超过了0.15mm钛丝的最大应力（315g）1倍。这个时候，我们就需要采用《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》中的U型驱动结构，这个结构可以获得2倍于原钛丝的驱动力。

 

7、驱动机构失效的可恢复设计

某钛丝驱动的产品在投入使用过程中，存在一个过大的偶发性外在因素带来的阻力F_nn，该阻力远超出钛丝驱动力，且可能导致钛丝驱动结构损坏，这时我们需要设置一个隔离机构，用来保证驱动机构不会被损坏，当这个外在因素带来的阻力F_nn撤销后，驱动机构能够正常完成驱动。

例如：当你要打开门，结果门被强制外力挤压打不开，当强制外力撤销后，门还能够继续打开。

这种情况下，我们可以采用《驱动钛丝（SMA）常见10大结构模型》中的U型隔离驱动：

 

这个驱动机构的钛丝驱动部件和执行部件采用了驱动分离，这样就可以保护钛丝驱动机构不会因突发外力过大导致损坏。

 

力量设计还有更多灵活的运用，本文限于篇幅，先说到这里。回顾前文1-3节所述，在做好钛丝的产品选择、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。

后续我们将会进一步讲到驱动钛丝结构设计的位移、空间、接触、模具以及电路设计、生产工艺控制等要点，欢迎各位持续关注。

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