【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，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。

鈦絲驅動技術目前已經在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過分享、普及鈦絲驅動技術的可靠性設計，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效的轉化為科技成果。

第4節 力量設計

關于驅動鈦絲的可靠性設計，前文我們已經講過了鈦絲的選型和適配、不同廠家的鈦絲區別、響應時間的設計，本節我們來討論驅動鈦絲的機械結構設計第二個要點，力量設計。

為了方便描述，我們先做如下定義：

鈦絲驅動力，鈦絲通電后產生的收縮力：Fq

鈦絲應變力，鈦絲未通電前自身的應力：F₀

初始載荷力，提前給鈦絲配置的初始拉力：F₁

鈦絲執行后的載荷力量：F₂

驅動機構的阻力：F_n

外在因素帶來的阻力：F_nn

驅動余量：?Fq

1、鈦絲的初始荷載力

   案例：某產品應用了最簡單的直線結構的鈦絲驅動，按照《SMA基礎模型》的表5《表5鈦絲通電加熱收縮力計算表》，將鈦絲驅動力量F控制大約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，該直線結構下的驅動的初始載荷力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初始載荷力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100%的雙向恢復特性和適當的恢復速度，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。

鈦絲自身的應變力（屈服強度）大約是71MPa，按照不同的線徑計算后得知鈦絲應變力F₀如下：

 

各種線徑的鈦絲初始載荷力必須大于或等于上表紅框內的鈦絲應變力。

當然，這個初始載荷越大，恢復響應速度越快，同時我們的驅動余量范圍會越窄。

2、驅動機構阻力F_n

根據不同的結構模型，還需要考慮各個轉折支點的機構阻力F_n，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《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》的G型機構為例：

采用這類驅動機構的情況下，轉軸的軸徑，我們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F_n =150g。

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

3、鈦絲執行后的載荷力量

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F_n和外在因素帶來的阻力F_nn。這樣，可以得到鈦絲驅動可靠運行的前提條件：

Fq>F₂+F_n + F_nn

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F_nn。

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+ F_n + F_nn)>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F_n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F_nn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+ F_n

(2)F2=F1+?F₁

(3)?Fq=Fq-(F₂+ F_n + F_nn)>0

6、如何獲取雙倍的鈦絲驅動力

案例：某產品供電系統為了節能的需要，其設計電流只能驅0.15mm的鈦絲，然而這個產品內部的驅動應力需要630g，超過了0.15mm鈦絲的最大應力（315g）1倍。這個時候，我們就需要采用《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》中的U型驅動結構，這個結構可以獲得2倍于原鈦絲的驅動力。

7、驅動機構失效的可恢復設計

某鈦絲驅動的產品在投入使用過程中，存在一個過大的偶發性外在因素帶來的阻力F_nn，該阻力遠超出鈦絲驅動力，且可能導致鈦絲驅動結構損壞，這時我們需要設置一個隔離機構，用來保證驅動機構不會被損壞，當這個外在因素帶來的阻力F_nn撤銷后，驅動機構能夠正常完成驅動。

例如：當你要打開門，結果門被強制外力擠壓打不開，當強制外力撤銷后，門還能夠繼續打開。

這種情況下，我們可以采用《驅動鈦絲（SMA）常見10大結構模型》中的U型隔離驅動：

這個驅動機構的鈦絲驅動部件和執行部件采用了驅動分離，這樣就可以保護鈦絲驅動機構不會因突發外力過大導致損壞。

 

力量設計還有更多靈活的運用，本文限于篇幅，先說到這里。回顧前文1-3節所述，在做好鈦絲的產品選擇、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。

后續我們將會進一步講到驅動鈦絲結構設計的位移、空間、接觸、模具以及電路設計、生產工藝控制等要點，歡迎各位持續關注。

為了讓驅動鈦絲在工業應用中切實落地，我們制作了包括《財哥說鈦絲》、《驅動鈦絲（SMA）的可靠性設計》、《SMA基礎參數計算模型》、《SMA常見10大結構模型》等系列視頻和文章供大家參考，歡迎大家的關注和交流，請點贊收藏！

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作者 財哥說鈦絲