鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，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（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅動技術的可靠性設計經驗，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效地轉化為科技成果。

五、位移的設計

鈦絲驅動的位移量由鈦絲的長度決定。同時，影響驅動位移的因素還有驅動模型的0點位置設計和終點位置設計。

1、 鈦絲的0點位置設計

鈦絲的0點位置設計和初始載荷有關。初始載荷，大家可以理解為驅動開始的時候的彈簧或彈片等拉力裝置，作用在鈦絲徑向的拉力。這個拉力裝置，主要是用于輔助驅動模型的驅動件快速復位歸零。

鈦絲的0點位置會隨著初始載荷發生一定漂移。

財哥在上一章節的力量設計中，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。

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

終點位置的設計和鈦絲的最大收縮率和鈦絲的疲勞壽命有關。

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。在一定初始載荷的前提下，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，Y坐標是鈦絲收縮率。

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、 位移放大設計的常見驅動模型

在一些產品的設計當中，我們可能會發現我們的驅動位移量不夠，那么我們可以通過改變驅動模型來增加所需位移量。

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。

我們通過位移放大設計的同時，還需要同時考慮我們的驅動機構的力量損失是否滿足我們產品的使用要求。

財哥在以往使用各廠家的鈦絲，發現：

有的廠家鈦絲的驅動位移量很大，衰減比較大。

有的廠家鈦絲的驅動位移量很大，衰減比較小。

有的廠家鈦絲的驅動位移量很小，衰減比較大。

有的廠家鈦絲的驅動位移量很小，衰減比較小。

這些參差不齊的情況，需要大家結合自己產品的設計需求仔細去甄別，各項指標不一定大就好，也不一定小就好，合適自己產品的需求最為重要。

作者 財哥說鈦絲