驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)（6）

溫度控制

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經(jīng)過(guò)多道工序制成的絲，我們簡(jiǎn)稱鈦絲，可以通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。

鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前已經(jīng)在航空航天、洲際導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過(guò)分享、普及鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效的轉(zhuǎn)化為科技成果。

第6節(jié) 【溫度控制】

我們回顧《財(cái)哥說(shuō)鈦絲》的視頻和本文第2節(jié)中提到的，鈦絲通過(guò)通電加熱，當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)值時(shí)，發(fā)生明顯的收縮和位移，對(duì)應(yīng)的溫度即為鈦絲的相變溫度。

鈦絲的相變溫度是個(gè)范圍值，且存在逆向滯后的現(xiàn)象。

例如相變溫度是100°的鈦絲，它的實(shí)際驅(qū)動(dòng)過(guò)程是：

從95°上升到115°完成完整的位移驅(qū)動(dòng)（大約20°的溫度區(qū)間）

從105°下降到85°完成完整的位移恢復(fù)（大約20°的溫度區(qū)間）

這里鈦絲的加熱驅(qū)動(dòng)和冷卻恢復(fù)的過(guò)程，均是在嚴(yán)格的溫度區(qū)間觸發(fā)的，這個(gè)溫度區(qū)間，有時(shí)候會(huì)被附近的結(jié)構(gòu)、元件及電流大小等因素干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)受熱不均、溫度不夠或溫度超標(biāo)等現(xiàn)象。

為了避免上述現(xiàn)象，保障鈦絲驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定運(yùn)行，鈦絲的溫度控制也是相當(dāng)重要的一環(huán)，我們結(jié)合實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，給出以下幾種情況和建議：

1、 【安全間隙】

我們產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要考慮到鈦絲的發(fā)熱和散熱的情況。

我們建議除了鈦絲兩端的金屬片和執(zhí)行機(jī)構(gòu)接觸，其他區(qū)域盡量懸空，懸空距離在0.3-1.0mm。

2、 【轉(zhuǎn)軸損失】

采用帶轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，需要考慮轉(zhuǎn)軸給鈦絲帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)位移和溫度損失。

因在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了金屬轉(zhuǎn)軸和鈦絲中間接觸，在我們給鈦絲加熱的過(guò)程中就可能會(huì)出現(xiàn)鈦絲兩端溫度達(dá)到了100°的驅(qū)動(dòng)溫度，而中間只有70°，導(dǎo)致鈦絲沒(méi)有收縮驅(qū)動(dòng)，造成了驅(qū)動(dòng)位移量不足的現(xiàn)象。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm，繞過(guò)?5mm的軸，損失了約4mm的有效驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度，這根鈦絲長(zhǎng)度100mm，實(shí)際發(fā)生有效驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)度是96mm。

在未能找到這個(gè)問(wèn)題的真實(shí)原因時(shí)，有的工程師可能會(huì)加大控制的電流或加熱的時(shí)間，用來(lái)增加這個(gè)驅(qū)動(dòng)位移。隨著溫度的上升，當(dāng)鈦絲的低溫區(qū)域達(dá)到了驅(qū)動(dòng)的溫度，而兩端的溫度可能就超過(guò)了鈦絲的驅(qū)動(dòng)上限，從而導(dǎo)致其局部過(guò)燒損壞。

當(dāng)轉(zhuǎn)軸采用塑料或者陶瓷時(shí)，轉(zhuǎn)軸處也會(huì)產(chǎn)生不同程度的驅(qū)動(dòng)位移量的損失，只是相對(duì)比較少一點(diǎn)。

所以，驅(qū)動(dòng)鈦絲經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)軸或支點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮這個(gè)驅(qū)動(dòng)位移量（以及力量）的損失，當(dāng)采用金屬轉(zhuǎn)軸或支點(diǎn)時(shí)，還需要考慮溫度損失。

3、 【鈦絲過(guò)燒】

當(dāng)鈦絲局部或整體溫度超過(guò)約125度以上時(shí)，存在鈦絲過(guò)燒情況，包括輕度、中度、重度過(guò)燒三種情況。

（1） 輕度過(guò)燒：鈦絲整體長(zhǎng)度比初始長(zhǎng)度偏短約0.5-1mm，導(dǎo)致冷卻恢復(fù)不到位，鈦絲輕度受損。

（2） 中度過(guò)燒：鈦絲驅(qū)動(dòng)無(wú)響應(yīng)、鈦絲整體長(zhǎng)度偏長(zhǎng)、松軟，鈦絲損壞。

（3） 重度過(guò)燒：鈦絲燒紅、燒斷，鈦絲損壞。

導(dǎo)致過(guò)燒的原因有電流過(guò)大、通電時(shí)間偏長(zhǎng)、或者轉(zhuǎn)軸和接觸材質(zhì)導(dǎo)致的受熱不均等。我們需要結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合熱工方程重新調(diào)整電流和通電時(shí)間。

4、 【結(jié)構(gòu)接觸】

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的塑膠結(jié)構(gòu)部件應(yīng)避免和鈦絲接觸。

我們?cè)谧鲵?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)存在加強(qiáng)筋或隔離墻的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)可能讓結(jié)構(gòu)部件和鈦絲有局部接觸，因長(zhǎng)期或偶爾的接觸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)了高溫粘連、燒焦的問(wèn)題。

其中，結(jié)構(gòu)件和鈦絲發(fā)生粘連，會(huì)造成鈦絲驅(qū)動(dòng)的時(shí)候直接拉長(zhǎng)或拉斷。

結(jié)構(gòu)件燒焦會(huì)造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)本身局部損壞或帶來(lái)燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

因此驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)材料盡量采用耐高溫材料，或盡量避免和驅(qū)動(dòng)鈦絲的接觸。

5、 【均熱隔離】

有時(shí)候驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法避免和鈦絲局部接觸的情況下，需要做均勻的隔熱處理。

例如采用高溫膠布，高溫膠紙，耐高溫塑膠件，讓其均勻和鈦絲做全面接觸，或和鈦絲的隔離距離保持均勻一致。

然后，我們可以根據(jù)隔熱材質(zhì)的特征，適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)控制的電流或加熱的時(shí)間。

6、 【材質(zhì)一致】

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件選擇同一材質(zhì)，避免不同材質(zhì)給鈦絲帶來(lái)不同的發(fā)熱和冷卻時(shí)間。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和鈦絲存在較大面積接觸或距離較近的情況下，我們采用均勻的隔熱處理可能會(huì)失效，這個(gè)時(shí)候我們一定要注意接觸部分的材質(zhì)。

例如：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鈦絲，一部分和塑膠件接觸，一部分和金屬件接觸，我們即使采用了隔熱處理，但是金屬件的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，導(dǎo)致整體溫度難以達(dá)到驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，非常容易造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行不到位或燒壞的情況。

7、 【環(huán)境溫度的影響】

當(dāng)我們完成驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還需要考慮環(huán)境溫度的影響。

當(dāng)環(huán)境溫度偏差大于20°的區(qū)間，或超過(guò)了相變溫度范圍，往往會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)溫度偏低或驅(qū)動(dòng)溫度偏高的現(xiàn)象。

這時(shí)候，我們需要介入電路設(shè)計(jì)和軟件控制，對(duì)環(huán)境溫度施加閉環(huán)控制來(lái)消除環(huán)境溫度的偏差帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)溫度的影響。（這個(gè)問(wèn)題我們后面會(huì)在電路設(shè)計(jì)和軟件控制中講解）

為了讓驅(qū)動(dòng)鈦絲在工業(yè)應(yīng)用中切實(shí)落地，財(cái)哥制作整理了包括

《財(cái)哥說(shuō)鈦絲視頻》

《SMA常見(jiàn)電路控制方案》

《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）計(jì)算模型》

《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)》

《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）常見(jiàn)十大結(jié)構(gòu)模型》

等系列資源供大家參考，歡迎大家的關(guān)注和交流，請(qǐng)點(diǎn)贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

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作者 財(cái)哥說(shuō)鈦絲