【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5節 位移設計

關于驅動鈦絲的可靠性設計，位移設計同樣非常的重要，它反映了工業化產品的控制穩定性和壽命。接下來，我們將位移設計從以下幾個方面來闡述：

1、 鈦絲的0點位置設計

在上一節力量設計中，我們提到了初始載荷的恢復不到位的情況。這就是我們在實際應用過程中經常出現的問題，0%的位置和初始載荷的大小存在的0點漂移現象，初始載荷越大，0點漂移值越大（如下表： X坐標是初始載荷g ，Y坐標是鈦絲收縮率5%對應的位移量5mm）。

我們以規格：?0.15mm，長度100mm為例，結合表5《表5鈦絲通電加熱收縮力計算表》，我們提供的初始載荷是128g，那么鈦絲的0點位置就會漂移到-0.4mm位置。鈦絲被拉長了0.4mm，那么它的驅動位移量，還是5mm，只是整體往后移動了0.4mm。

所以我們在結構設計當中，需要考慮鈦絲的0點位移的漂移補償設計。

不然的話，我們設計出來的驅動機構，就會出現只有4.5%的驅動位移量，損失了0.4mm的驅動位移量。

當然，我們也可以把預設的長度100mm的鈦絲，換成長度99.6mm的鈦絲，這樣我們可以得到4.95mm的最大位移量。

2、 鈦絲的終點位置設計

我們通過試驗驗證，鈦絲驅動收縮位移量和壽命是反比關系。在額定載荷的前提下，在老化測試中驅動次數越多，鈦絲驅動位移逐漸衰減。以0.15mm的鈦絲的測試數據為例（見下圖）： X坐標是老化次數（萬次），Y坐標是鈦絲收縮率5%對應的位移量5mm

由于這根鈦絲經歷了漫長的反復伸縮，發生了疲勞性的拉長現象。

可以理解為：

規格：?0.15mm，長度100mm

已經改變成了

規格：?0.145mm，長度100.5mm

這根鈦絲的基本特性還是存在的，且物理參數指標保持不變。

所以，我們在位移設計的過程中，需要結合我們產品的實際壽命需要，選擇合適的收縮率。

例如：

產品驅動壽命需求1000萬次，設計驅動位移量控制在1-2%的收縮率指標位置；

產品驅動壽命需求50萬-100萬次，設計驅動位移量控制在3-4%的收縮率指標位置；

產品驅動壽命需求小于100次，設計驅動位移量控制到最大至5%的收縮率指標位置。

3、 鈦絲驅動位移設計常見結構模型

很多的情況下，我們都可能會發現我們的驅動位移量不夠，在鈦絲的合適收縮率情況下增加位移的結構模型有很多。

例1：杠桿結構

我們采用直線形態的鈦絲驅動杠桿，直線鈦絲? 0.15mm，長度100mm，我們設計4%的位移量，通過1:1.25的杠桿比例，讓驅動位移達到5mm的效果。

例2：琴弦結構

我們采用多個直線形態的鈦絲錯位疊加，鈦絲和鈦絲之間采用傳動的滑塊相互連接，鈦絲越多，驅動位移越大。

例如3根直線鈦絲? 0.15mm，長度100mm，我們設計4%的位移量，每根鈦絲產生4mm的驅動位移，3根鈦絲讓驅動位移達到12mm的效果。

例3：三角函數結構

我們將一根鈦絲，兩端固定，中間作為驅動點，鈦絲的驅動點和固定點形成三角函數關系，我們可以利用勾股定理得到類似杠桿的放大效果，得到更大的驅動位移量。

當sinA=0.4時，鈦絲的直線驅動方向的位移量是驅動點的方向的1:3倍關系，鈦絲? 0.15mm，長度100mm，我們設計4%的位移量4mm，在驅動點的方向，我們會獲得12mm的驅動位移量。

例4：U型+三角復合結構

為了滿足空間布局，同時又要滿足位移量和力量的需求，我們可以采用U型驅動和三角函數驅動的組合驅動形態，獲得最大位移量的同時，又獲得了最大化的力量。

當sinA=0.4且復合結構的每段長度相同時，鈦絲? 0.15mm，長度100mm，我們設計4%的位移量4mm，在驅動點的方向，我們獲得了7mm的驅動位移量和2倍的驅動力量。

4、 位移設計常見問題

（1）驅動位移不足：比如設計要驅動4mm位移，但實際應用中只有3.5mm，一般是執行力量超標導致，調整執行力量即可（參考第4節力量設計）。

（2）冷卻恢復不到位：一般是沒有初始載荷，或初始載荷偏低，或者未考慮0點漂移現象（參考本節第1條）。

（3）壽命偏短：前幾千次能正常驅動，幾千次后驅動不到位，這種情況一般是執行力量超標、驅動余量不足（參考第4節力量設計）、設計驅動位移量偏大（參考本節第2條）。

（4）位移需求量不足：位移需求缺口較大的情況下，可以通過結構設計處理（參考本節第3條）。

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