基于空心形状记忆弹簧的伸缩式直线驱动器设计

基于空心形状记忆弹簧的伸缩式直线驱动器设计

AndreaSpaggiari,IgorSpinella,andEugenioDragoni

（2010年5月5日提交；2011年2月1日修订的表格）

【摘要】形状记忆合金（SMA）是一种智能材料的开发在许多应用中具有高的功率质量比建立执行器。典型的形状记忆合金的缺点是：导线显示差的行程和过多的长度，螺旋弹簧有有限的机械带宽和高功率消耗。这项研究的重点是一个大型的线性形状记忆合金致动器的设计构思，以最大限度地减少损失，同时限制了整体规模和电力消耗。这一结果是通过采用一个可伸缩的多阶段的结构和使用的形状记忆合金螺旋弹簧与空心截面功率的阶段。空心几何导致减少轴向尺寸和质量的执行机构和提高工作频率而伸缩设计赋予执行机构可转位运动，与一些通过简单的开关控制策略实现不同的位移。开发了一种优化的设备的分析热电机械模型。输出行程和力量最大化，同时总规模和功耗的同时最小化。最后，优化的致动器，显示出良好的性能，从所有这些点，进行详细设计。

【关键词】分析模型，空心螺旋弹簧，线性致动器，质量功能展开，形状记忆合金

1.介绍

形状记忆合金智能材料在驱动领域的微驱动开发成功，因为他们的高功率/质量和力/质量比（参考文献1）。一方面，SMA保证高执行力，少量需要的活性物质和良好的操作频率，但它们的整体结构差的笔画和相当长的破坏（参考文献2）。另一方面，SMA螺旋弹簧授予每单位长度的致动器卒中高，但仅限于有限的带宽（REF 3），并利用更活跃的材料。

虽然很多SMA设备进行了研究，为了克服这些局限性（参考文献4），能够与传统的线性致动器竞争SMA驱动器尚未开发。本文的目的是设计，优化和模拟高行程，高驱动力，高带宽和最小的整体尺寸的高性能形状记忆合金线性致动器的行为。这个结果是通过设计来实现的。

这篇文章是一个邀请论文选自介绍形状记忆和超弹性的技术2010举行，2010年16月20日，在太平洋格罗夫，加利福尼亚，并已从最初的呈现扩展。

安德列Spaggiari，伊戈尔Spinella，与Eugeniodragoni，工程科学和方法部门，大学的摩德纳和雷焦艾米利亚，通过进行42122、雷焦艾米利亚、意大利。联系邮箱：andrea.spaggiari@unimore.it。

该致动器根据一个伸缩的结构，与一个平行的螺旋形状记忆合金弹簧套串联的同心阶段。紧凑的伸缩装置具有的双重优点，产生一个高的行程（给定的总和的所有阶段），同时提供了一个高输出力（由弹簧的累积力量设置在每个阶段）。

为了进一步提高驱动器的性能，创新的空心SMA弹簧的先前研究的作者（参5，6）用于启动阶段。与传统的实心弹簧相比，空心弹簧的结构允许的致动器的质量被减小，其带宽大大增加。

该装置的热电机械模型已被开发和优化，以最大限度地提高致动器的特定功率。优化的结果是最终致动器的详细设计的出发点。形状记忆合金线性执行器在这一节中发展一个高的行程（x=165毫米），高输出力（P=50N），良好的供应能力（P=106瓦），和良好的总规模（LA=252毫米，DE=111毫米）。整个系统已被研究,很容易组装。

2.概念设计

执行机构的概念设计遵循了质量功能配置方法（参考文献7）。这种方法的里程碑是质量屋，功能分解，概念生成阶段，最后，概念评估和选择的步骤。概念设计的结果是一个最后的概念，这是最好的概念能够解决的问题，利用形状记忆合金。本节介绍了上述设计阶段，并关闭与选定的概念的描述。

2.1质量屋

表1显示质量的完整的房子（HOQ）的SMA驱动器的设计。房子的质量是一个综合的图形工具给客户有用的需要（左边），相关的指标（上行）、竞争对手的表现（最右边的列），和目标规格（最低排）。

选择的客户需要强调的大小和致动器的行程要求。一套指标与客户的需求相关，旨在确定定量的特点，有助于设计向顾客的成就需要。竞争对手的性能进行了研究（关于客户的需求和指标）来定义的形状记忆合金致动器的目标规格。选择的竞争对手是一个基于束流线性致动器基于SMA（参考

文献4）。这是一个在SMA领域最好的微致动器。此致动器确保了一个非常高的比例之间的致动能量和体积。驱动能量被定义为通过其输出力的致动器的行程的产品。梁的主要缺陷为基础的线性驱动器是双向性的缺失。

本研究的目的是开发一个致动器，必须在工业领域的竞争力，具有高冲程和高驱动力。驱动能量将减少到空心SMA弹簧概念。

相关报道的目标规格表1中的质量屋：总行程大于150毫米，驱动力高于50氮，总长度低于350毫米，外部直径低于100毫米，返回时的阀杆低于15秒。

2.2功能划分

一个复杂的设计通常被简化，打破了产品的整体功能，简单的功能分解，有效地进行了功能直径的装置，这是一个图形化表示的系统的关键功能，并与现有的这些功能之间的关系。图1显示了形状记忆合金致动器的功能图。图的重点是批评的主要功能的分析，这是“convert能生效。”

2.3概念模型

利用找到的每个关键功能的解决方案是一个概念生成阶段的过程，特别是批评的主要功能“convert能生效。”这个过程是由外部的研究手段进行（从原方案灵感）和内部的研究手段（产生原始想法）。对于思想的内在生成，面向群体的技术头脑风暴法和动力法（参考文献7）。概念片段的组合导致一个组合的全球概念。

2.4概念评价与选择

最后一步是对概念的评价和选择。这个步骤分为三步：第一决策，

图1执行器的功能分解

一个筛选矩阵是用来选择最好的三个概念，其次，这些概念进行了严格审查和改进，分析他们的缺点，最后，最好的概念是利用一个得分矩阵。图2显示了在这个过程之后被确定为进一步发展的最佳概念。这个概念是一个线性伸缩致动器，将在下面的章节中描述。

2.5概念描述

图2中的执行器是由一个可伸缩的结构组成的同心模块形成的。两拮抗组（S，S¢）SMA空心螺旋弹簧，均匀分布在每一个阶段，是用来发电的阶段。由中心输出干阀杆（一），同心阶段被连接在一系列由形状记忆合金弹簧套。这样的安排使阀杆的总行程DX（一）保证恒定的输出力（F）阶段。

图2（一）显示该执行器在休息时，没有弹簧提供的和所有的阶段保持在一个中间的轴向位置。如图2所示，所示的上套弹簧加热（图），使其在最上面位置的阶段。同样，在下集加热（S¢）的弹簧，如图2（c）”活动的所有阶段到他们的最低位置。因此，伸缩式的架构很容易给予一个双向的设备。旅行的距离输出来源于两极限位置定义的驱动器的总行程的DX。

根据特定的应用程序的需求，在图2中的概念允许两个拉伸和压缩形状记忆合金弹簧作为动力元件。由于空心螺旋弹簧的开发，执行器确保最佳的妥协，在冲程，驱动力和带宽的系统。该装置