形状记忆合金热机驱动器的研制

形状记忆合金热机驱动器的研制
邱春龙;樊宁;赵益民;马玉涛;董桂馥
【摘要】选用一定规格的形状记忆合金弹簧和普通弹簧来设计一台形状记忆合金热机驱动器,并以形状记忆合金弹簧作为驱动力.该形状记忆合金热机驱动器由热循环系统、动滑轮机构、齿形皮带传动机构三部分组成,具有机械结构简单、输出位移大等优点.
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2018(000)012
【总页数】4页(P93-96)
【关键词】形状记忆合金弹簧;热机;驱动器;形状记忆效应
【作者】邱春龙;樊宁;赵益民;马玉涛;董桂馥
【作者单位】大连大学,辽宁大连116622;大连大学,辽宁大连116622;大连大学,辽宁大连116622;大连大学,辽宁大连116622;大连大学,辽宁大连116622
【正文语种】中文
【中图分类】TG15
0 引言
形状记忆合金是一种集感知和驱动于一体的新型功能性材料。

在高温下将该材料定形后，只需要将其冷却到一定温度就会发生改变；反过来，只需要将其从形变温度加热到马氏体逆相变温度以上，材料就能完全恢复到变形前的形状。

在形状恢复的
过程中，产生一定的回复力。

以TiNi合金为代表的传统形状记忆合金通过热机械
训练可具有双程形状记忆效应，且输出应变大（4%），输出力高（几十MPa），具有独特的形状记忆效应、超弹性效应和良好的耐磨性、耐腐蚀性[1-3]。

因此引
起了国内外研究者的兴趣，并对其形状记忆效应和超弹性机理、力学特性和生物相溶性等方面进行了深入研究，使得形状记忆合金广泛应用在航天航空、机械、能源、电子、仪表和化工等多个领域，尤其作为驱动和传感材料在机电、航空航天、医疗器械、汽车等许多领域被广泛应用[4-6]，可赋予结构材料无法实现的高技术材料
的新功能[7]。

根据形状记忆合金的形状记忆效应，制成一定规格的形状记忆合金弹簧，再配以具有一定劲度系数的普通弹簧，就可以实现双程形状记忆合金所能达到的效果，并且输出位移、输出力相对来说更易控制[8-10]。

由一定规格的形状记忆合金弹簧加上一定劲度系数的普通弹簧构成的热机驱动器，具有控制简单、体积较小、输出位移大等优点，并且可利用工业、生活余热来进行驱动，符合当前国家节能减排的政策[11-12]。

因此，本文基于形状记忆合金具有优良的形状记忆效应，选用一定规格
的形状记忆合金弹簧和一定劲度系数的普通弹簧来设计一台形状记忆合金热机驱动器，通过热循环系统来使形状记忆合金热机输出力和位移，然后通过动滑轮机构进一步将输出位移增大，最后经过齿形皮带传动机构进行驱动，实现热能向机械能的转化。

1 理论设计计算及材料的选择
1.1 热机驱动器模型简化
图1 驱动系统的模型简化
将热机驱动器简化为图1所示的模型，由一根一定规格的SMA弹簧K1和一根一定劲度系数的普通弹簧K2构成，通过加热SMA弹簧，驱动器向右移动，冷却SMA弹簧，在普通弹簧的作用下，驱动器向左移动。

形状记忆合金弹簧最大的形
变量为ΔL，经过动滑轮机构，并在齿形皮带传动机构的传动下，主轴的输出位移
最大为2ΔL。

1.2 形状记忆合金弹簧参数计算
本文研究的热机驱动器选用一定规格的SMA弹簧提供驱动力并输出一定量的位移。

SMA弹簧的设计公式如下。

由弹簧的剪切应力和剪切应变公式可得：
式中：P为SMA弹簧所承受的轴向载荷；D为弹簧的中径；d为弹簧的丝径；L
为弹簧的输出位移；n为弹簧的有效圈数；K为应力修正系数。

式中，C为弹簧指数，C=D/d，令C取6。

首先，材料的最大剪切应力τmax取310 MPa进行计算；最大剪切应变γm与设计寿命有关系，假设设计寿命为几万次，则γm取为1.5%。

研究发现TiNi形状记忆合金的形状记忆效应比较稳定且疲劳寿命最长，故本文设
计的形状记忆合金热机驱动器选用由苏州川茂金属材料有限公司研制的SMA材料Ti-49Ni-51,并且热机驱动器在结构上可使SMA弹簧的安装满足互换性，可根据
使用的条件选用不同参数的SMA弹簧。

例如：
Ms=32℃,Mf=11℃,As=57℃,Af=68℃,GM=8000 MPa,GA=23 000 MPa，如若使驱动器的形状记忆合金弹簧最大输出力F＝62 N，输出位移38 mm。

代入式（1）～式（3）得：d＝2 mm，D＝12 mm，n＝11圈。

根据所需要的各项参数，加工出符合要求的SMA弹簧，装入形状记忆合金热机驱动器中即可。

热机驱动器是利用热循环系统进行工作的，在热循环过程中，利用SMA弹簧把热能转化为机械能，一次热循环可以分成如下6步：1）SMA由初始状态T=Tmin加热到As;2）将SMA加热到Af;3）SMA继续加热到Tmax;4）
SMA由Tmax冷却到Ms；5）SMA冷却到Mf;6)SMA继续冷却到Tmin。

1.3 热机控制系统设计（基于AT89C52系列单片机）
热机控制系统以AT89C52系列单片机为核心，电路原理如图2所示。

通过编程实现多样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

为了提高热机的工作效率，本系统设计有实时监控热机内温度的功能，以便对热机内部进行时刻的监控，并反馈给单片机以实现对热机内部温度的控制，
图2 热机控制系统原理图
采用数字温度芯片DS18B20测量温度，输出信号全数字化。

采用了单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和单片机构成的温度测量装置,它直接输出温度的数字信号,传递给单片机，最终通过数码管显示实时温度，然后通过检测出的温度来判断热机是否需要输入或输出水/气。

本热机驱动器中共有2个蠕动泵以保证水/气的流通，通过L298N芯片驱动。

2 热机驱动器方案设计及结果分析
2.1 热机驱动器的机械结构设计
形状记忆合金热机驱动器主要由热循环系统、动滑轮机构、齿形皮带传动机构3部分组成，如图3所示。

热机是以SMA弹簧作为驱动力。

根据需求选用一定规格的SMA弹簧和普通弹簧，该SMA弹簧能输出所需的力和位移，然后通过热循环系统改变SMA弹簧所处的外界温度，使形状记忆合金发生相变，来为驱动器提供足够大的驱动力并输出一定量的位移。

图3 热机驱动器结构图及三维轴测图1.皮带轮 2.齿形皮带传动机构 3.动滑轮机构4.热机固定座 5.热机输入/输出口 6.SMA热机 7.普通弹簧固定座 8.普通弹簧 9.立式轴承座 10.阶梯轴 11.轴套
2.2 热机的工作原理
热机是由形状记忆合金弹簧提供驱动力，有2套完全相同的动滑轮机构、齿形皮
带传动机构传输力和位移，热机剖面图和轴测图如图4所示。

热机由4部分组成：端盖、外壳体、活塞、SMA弹簧。

SMA弹簧一端与端盖的
固定轴固定，另一端与活塞刚性连接。

热机工作时，端盖固定，活塞随形状记忆合金弹簧的变化而变化。

图4 热机剖面图和轴测图1.端盖 2.SMA弹簧 3.水/气出入口 4.活塞5.外壳体 6.活塞输出轴
热机驱动器能否高效率完成驱动工作关键在于热循环系统对形状记忆合金弹簧加热和冷却的灵敏度。

本热机驱动器热循环过程中通入的热水/气与冷却液/气相互独立，分别在2个微型泵的驱动下依次通过热机内部，微型泵通过单片机进行控制。

为
使热循环系统更高效地工作，在热机中设有温度传感器来监测热机内的实时温度，并将信息传送到主控板，以实现对微型泵的开闭，控制热水/气与冷却液/气循环的节奏，尽可能减小形状记忆合金滞后温度对热机工作效率的影响。

起始状态下，形状记忆合金热机、动滑轮机构、齿形皮带传动机构在普通弹簧和形状记忆合金弹簧的作用下处于绷紧状态，形状记忆合金弹簧起始状态为压缩，2口处于开口状态，在微型泵的作用下向热机中注入一定温度的热水/气，并且注水/气速度大于从3口流出的速度。

随着温度的升高，形状记忆合金弹簧开始发生相变，由原来的马氏体渐渐向奥氏体转变。

随着相变的进行，形状记忆合金弹簧逐渐伸长，直至1口被打开，在此段时间内，热机输出轴输出的距离为一个输入/出口的距离，而此段距离可由SMA弹簧的输出位移来进行调整。

热机输出轴一端与动滑轮机构刚性相连，根据动滑轮的工作特点可知，经过动滑轮机构后，输出的距离是热机输出距离的2倍。

动滑轮机构另一端与齿形皮带相连，齿形皮带与皮带轮啮合完成
向主轴的传动，并且在皮带轮中嵌套有单向滚珠轴承，因此在齿形皮带的作用下皮带轮只能向固定的一个方向运动，即主轴也只能沿着一个方向运动。

随着形状记忆合金相变的进行，4口被逐渐打开，冷却液/气在微型泵的驱动下流入活塞对形状
记忆合金弹簧进行冷却，这时形状记忆合金弹簧刚度系数变小，在与皮带相连的普通弹簧作用下，动滑轮机构恢复为原来的状态。

由于是单向滚珠轴承，因此在返回的时候单向滚珠轴承空转，主轴并不会发生运动，这也就保障了热机驱动的方向性。

2.3 动滑轮机构运动分析
动滑轮机构如图5所示，主要是运用了动滑轮省力不省功的设计思想，将热机作
为施力物体，而皮带轮系统则可看作受力物体，虽然通过动滑轮机构会将驱动力降低一半，但热机的输出距离将会被放大将近2倍，使得驱动器的驱动效果更加优越。

图5 动滑轮机构
施力端1与热机输出轴刚性连接，与固定轴通过其上的紧固螺钉固定，并保证其
与固定轴不发生相对移动，且施力端1与动滑轮2为间隙配合；为保证动滑轮滚
动的灵敏性，在动滑轮内嵌套一个滚动轴承6；经过处理，滚动轴承5内圈与固定轴固定，不发生相对转动，当动滑轮运动时，滚动轴承5在槽内沿着固定的方向
滚动；动滑轮机构的固定端为3，受力端4与齿形皮带连接，当热机工作时，形状记忆合金弹簧压缩/伸长，带动施力端1运动，进而动滑轮运动，受力端4带动齿形带运动，完成对主轴的驱动。

2.4 齿形皮带传动机构的分析
皮带轮系统（如图6）主要由齿形传动带、皮带轮、单向滚珠轴承、普通弹簧以及普通弹簧固定座组成。

齿形皮带传动机构主要起连接传动的作用。

因为普通弹簧的存在，热机工作前热机、动滑轮机构、齿形皮带传动机构处于绷紧状态，并且，由于普通弹簧具有回复力，使得整个驱动系统时刻处于绷紧状态，这就为齿形传动带和皮带轮的相互啮合提供了条件。

齿形皮带传动机构通过单向滚珠轴承与主轴进行连接，使主轴只能向一个方向发生转动，也就是保证了驱动器持续向一个方向驱动。

图6 齿形皮带传动机构1.连接块 2.齿形传动带 3.皮带轮 4.单向滚珠轴承 5.普通弹簧 6.弹簧固定座
图7 SoldWorks运动仿真
2.5 实验结果及分析
针对上述的设计方案，通过SolidWorks 2016进行运动仿真,操作界面如图7所示。

选用同一参数的SMA弹簧，模拟热机驱动器在热循环系统下热机驱动器所对应的输出位移，其中SMA弹簧的形状记忆效应的效果转化成对应的输出力和输出位移。

仿真结果如表1所示。

表1 仿真模拟结果?
根据表1，本热机驱动器的驱动效果基本满足设计的要求，加入动滑轮机构后能将SMA弹簧的输出位移放大将近1倍。

3 结论
本研究设计的形状记忆合金热机驱动器，具有机械结构简单、输出位移大等优点，通过加入动滑轮机构将SMA弹簧的输出位移将近放大1倍，加入齿形皮带传动机构有利于驱动性能的提高，为形状记忆合金热机驱动器提供了一种新的设计方案。

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