專利名稱：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，具體涉及一種扭矩輸出結(jié)構(gòu)。
(二)
背景技術(shù)：
形狀記憶合金(SMA)作為驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)，主要利用形狀記憶合金的單程記憶效應(yīng)和雙 程記憶效應(yīng)。通常SMA以線狀型材或彈簧作為驅(qū)動(dòng)器使用，并且這種形態(tài)的驅(qū)動(dòng)器僅能輸 出直線方向的驅(qū)動(dòng)力或位移，限制了 SMA的使用范圍。如果通過機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換等手段，可以實(shí) 現(xiàn)轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)角的驅(qū)動(dòng)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種輕質(zhì)、微型，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的集中質(zhì)量問題以及干擾儀 器設(shè)備運(yùn)行的電磁場，可靠性高的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括兩根SMA絲、鏈輪、設(shè)置在鏈輪上的鏈條、軸承 座、轉(zhuǎn)軸、三爪夾具和頂絲夾具，SMA絲的一端通過三爪夾具連接鏈條，SMA絲在三爪夾 具一端短路連接，SMA絲的另一端通過頂絲夾具連接固定支架，鏈輪一端構(gòu)成兩根SMA絲 的公共電極C，在固定支架一端的兩個(gè)頂絲夾具上分別引出電極A與B， A、 B與C分別跨 過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)連接，通過對繼電器的分別驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對兩根SMA絲的驅(qū)動(dòng)，鏈輪設(shè)置 在軸承座上，轉(zhuǎn)軸穿過鏈輪設(shè)置。
本發(fā)明還有這樣一些技術(shù)特征
1、 所述的固定支架使用拉擠工藝制成玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料方盒，固定支架下端 與固定平板通過螺釘連接，SMA夾具通過固定支架側(cè)壁與支架實(shí)現(xiàn)固定；
2、 所述的夾具采用金屬制成，頂絲夾具為帶有螺紋的以頂絲固定SMA絲的鋼質(zhì)夾具；
3、 所述的軸承座采用鋁合金加工而成，采用與轉(zhuǎn)軸相匹配的深溝球軸承；
4、 所述的三爪夾具采用導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，通過帶有錐度的三爪依靠螺帽的 旋緊產(chǎn)生夾緊力構(gòu)成夾具。
本發(fā)明的特點(diǎn)有
1. 鏈輪、鏈條使用ANSI標(biāo)準(zhǔn)系列，可根據(jù)實(shí)際的載荷需要選擇合適的公稱尺寸。
2. 軸承座使用鋁合金加工而成，其尺寸系列使用與轉(zhuǎn)軸相匹配的深溝球軸承。
3. 三爪夾具使用導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，帶有錐度的三爪依靠螺帽的旋緊產(chǎn)生夾 緊力。
4. 頂絲夾具是扭矩輸出結(jié)構(gòu)的末端夾具，固定長度可調(diào)節(jié)，以保證SMA絲的張緊
3本發(fā)明涉及利用形狀記憶合金的單程記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)的扭矩輸出結(jié)構(gòu)。通過鏈輪 鏈條結(jié)構(gòu)將形狀記憶合金絲的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)扭矩的輸出。并通過這種結(jié)構(gòu)將 形狀記憶合金的單程記憶效應(yīng)的大回復(fù)位移充分利用進(jìn)行雙向驅(qū)動(dòng)，是一種輕質(zhì)、小型、高 效的旋轉(zhuǎn)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，可以用于有翼飛行器后掠角控制、飛機(jī)全動(dòng)式鴨翼的旋轉(zhuǎn)控制等可 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，與電動(dòng)馬達(dá)相比，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的集中質(zhì)量問題以及千擾儀器設(shè)備運(yùn)行的電 磁場；與液壓驅(qū)動(dòng)器相比具有更加輕便的結(jié)構(gòu)和可靠性。
(四)


圖1為SMA絲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖2為理想狀態(tài)下的形狀記憶合金轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖； 圖3為轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)的電路連接示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一歩的說明
本實(shí)施例包括兩根SMA絲1、鏈輪2、設(shè)置在鏈輪2上的鏈條3、軸承座4、轉(zhuǎn)軸、三 爪夾具5和頂絲夾具6， SMA絲1的一端通過三爪夾具5連接鏈條3， SMA絲1在三爪夾具 5 —端短路連接，SMA絲1的另一端通過頂絲夾具6連接固定支架7，鏈輪2 —端構(gòu)成兩根 SMA絲的公共電極C，在固定支架7—端的兩個(gè)頂絲夾具6上分別引出電極A與B， A、 B 與C分別跨過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)連接，通過對繼電器的分別驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對兩根SMA絲的驅(qū)動(dòng)， 鏈輪2設(shè)置在軸承座4上，轉(zhuǎn)軸穿過鏈輪2設(shè)置。
結(jié)合圖1，根據(jù)形狀記憶合金在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)馬氏體狀態(tài)下受拉發(fā)生塑性變形的應(yīng) 力小于其受熱后發(fā)生奧氏體相變產(chǎn)生回復(fù)應(yīng)力的原理，在形狀記憶合金處于馬氏體開始溫度 的環(huán)境中，可以以互相牽制的方式進(jìn)行工作。本實(shí)施例通過一根圍在鏈輪上的一段鏈條分別 與兩根SMA絲的一端連接，形狀記憶合金的另一端固定不動(dòng)，這樣可以構(gòu)成一個(gè)鏈輪可以 旋轉(zhuǎn)一定角度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與鏈輪同步的轉(zhuǎn)軸可以作為扭矩輸出軸。
在理想狀態(tài)下，兩根SMA在固定完成后，如果都具有3%的預(yù)應(yīng)變，并且假設(shè)兩根SMA 絲都處于準(zhǔn)張緊狀態(tài)，這時(shí)驅(qū)動(dòng)其中一根SMA絲使其發(fā)生相變產(chǎn)生回復(fù)力，在驅(qū)動(dòng)力的作 用下通過鏈條鏈輪的傳動(dòng)拉動(dòng)另一根處于馬氏體狀態(tài)彈性模量較低的SMA，當(dāng)變形結(jié)束時(shí)， 受激勵(lì)SMA的應(yīng)變大約恢復(fù)為0，受載SMA的變形大約為2ay。，同時(shí)鏈輪產(chǎn)生一個(gè)a的轉(zhuǎn) 角。當(dāng)驅(qū)動(dòng)另外一根SMA時(shí)，產(chǎn)生相反過程，待驅(qū)動(dòng)結(jié)束達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，鏈輪將發(fā)生反 方向2oc的轉(zhuǎn)角(圖3 )。亦可以直接將一根具有2a。/o預(yù)應(yīng)變的SMA絲與一根處于原長狀態(tài) 的SMA絲固定，會(huì)產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)角的驅(qū)動(dòng)效果。
對于前一種情況可以根據(jù)公式(1)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)丄-<3% — 2;rf 一 360° (i)
其中，L為SMA絲的原長，a。/。為單根SMA絲的預(yù)應(yīng)變量，R為鏈輪的分度圓半徑，a 為鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度，且SMA的可回復(fù)應(yīng)變大于等于2a%。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)完成后，輸出轉(zhuǎn)矩
可以通過對SMA絲徑的設(shè)計(jì)來達(dá)到目標(biāo)值。輸出轉(zhuǎn)矩的最大值M'"ax可以根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算。
Mmax =S X A (2)
其中^皿為SMA的最大回復(fù)應(yīng)力與處于馬氏體狀態(tài)下SMA抵抗阻力之差，S為SMA 型材的橫截面積，R為鏈輪節(jié)圓半徑。從扭矩公式中可以得到這種扭矩輸出結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，當(dāng) SMA型材的截面面積越大、鏈輪半徑越大時(shí)結(jié)構(gòu)的輸出扭矩則越大。
由此擺動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩可由公式(3)進(jìn)行表征
r,-(3) 其中A為受激勵(lì)形狀記憶合金產(chǎn)生的回復(fù)力，^為未激勵(lì)處于馬氏體狀態(tài)的形狀記憶合
金被動(dòng)變形驅(qū)動(dòng)力，R為鏈輪分度圓半徑。
使用鏈條與鏈輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，鏈輪與鏈條有較大的間隙，往復(fù)運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一定的空 程。使用在縱向可以產(chǎn)生應(yīng)變變化的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，恰恰可以消除往復(fù)運(yùn)動(dòng) 的空程，充分發(fā)揮鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，但是在設(shè)計(jì)過程中還要充分考慮這個(gè)問題，因
此公式(1)可進(jìn)一步修正為
丄 a% — As a ,八
-=- (4)
360°
其中As為鏈輪鏈條往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的間隙。
本實(shí)施例在裝配的過程中，SMA絲與鏈條及固定平板的連接主要靠專用夾具來固定。鏈 條、三爪絲夾具都為金屬材質(zhì)加工而成，是良好的導(dǎo)體，SMA絲的在三爪夾具一端短路連接。 由于兩組SMA絲需要進(jìn)行分別驅(qū)動(dòng)，所以在SMA絲的另一端必須電氣隔離。為了保證在另 一端也具有良好的夾緊力，夾具也使用金屬制成，所以另一端的固定支架必須是絕緣材料制 成的才能保證電氣隔離。為了使固定支架絕緣且具有一定的強(qiáng)度，固定支架使用拉擠工藝制 成玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料方盒。支架下端與固定平板通過螺釘連接，SMA夾具通過支 架側(cè)壁與支架實(shí)現(xiàn)固定。
在固定支架一端，SMA夾具除了要夾緊SMA外，還要在安裝時(shí)調(diào)節(jié)長度以保證SMA處于張緊狀態(tài)，因此在固定支架一端的SMA夾具使用帶有較長螺紋的以頂絲固定SMA絲的 鋼質(zhì)夾具。
鏈輪一端構(gòu)成兩根SMA絲的公共電極C (如圖3)，在固定支架一端的兩個(gè)夾具上分別 引出電極A與B。 A、 B與C分別跨過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)連接，通過對繼電器的分別驅(qū)動(dòng)來實(shí) 現(xiàn)對兩根SMA絲的驅(qū)動(dòng)。
權(quán)利要求
1、一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括兩根SMA絲、鏈輪、設(shè)置在鏈輪上的鏈條、軸承座、轉(zhuǎn)軸、三爪夾具和頂絲夾具，SMA絲的一端通過三爪夾具連接鏈條，SMA絲在三爪夾具一端短路連接，SMA絲的另一端通過頂絲夾具連接固定支架，鏈輪一端構(gòu)成兩根SMA絲的公共電極C，在固定支架一端的兩個(gè)頂絲夾具上分別引出電極A與B，A、B與C分別跨過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)連接，通過對繼電器的分別驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對兩根SMA絲的驅(qū)動(dòng)，鏈輪設(shè)置在軸承座上，轉(zhuǎn)軸穿過鏈輪設(shè)置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的固定支架使用 拉擠工藝制成玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料方盒，固定支架下端與固定平板通過螺釘連接， SMA夾具通過固定支架側(cè)壁與支架實(shí)現(xiàn)固定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的夾具采用 金屬制成，頂絲夾具為帶有螺紋的以頂絲固定SMA絲的鋼質(zhì)夾具。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的軸承座采 用鋁合金加工而成，采用與轉(zhuǎn)軸相匹配的深溝球軸承。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的軸承座采用鋁 合金加工而成，采用與轉(zhuǎn)軸相匹配的深溝球軸承。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的三爪夾具 采用導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，通過帶有錐度的三爪依靠螺帽的旋緊產(chǎn)生夾緊力構(gòu)成夾 具。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的三爪夾具采用 導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，通過帶有錐度的三爪依靠螺帽的旋緊產(chǎn)生夾緊力構(gòu)成夾具。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的三爪夾具采用 導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，通過帶有錐度的三爪依靠螺帽的旋緊產(chǎn)生夾緊力構(gòu)成夾具。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的三爪夾具采用 導(dǎo)電性好的金屬銅材料加工，通過帶有錐度的三爪依靠螺帽的旋緊產(chǎn)生夾緊力構(gòu)成夾具。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)扭矩輸出結(jié)構(gòu)。它包括兩根SMA絲、鏈輪、設(shè)置在鏈輪上的鏈條、軸承座、轉(zhuǎn)軸、三爪夾具和頂絲夾具，SMA絲的一端通過三爪夾具連接鏈條，SMA絲在三爪夾具一端短路連接，SMA絲的另一端通過頂絲夾具連接固定支架，鏈輪一端構(gòu)成兩根SMA絲的公共電極C，在固定支架一端的兩個(gè)頂絲夾具上分別引出電極A與B，A、B與C分別跨過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)連接，通過對繼電器的分別驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對兩根SMA絲的驅(qū)動(dòng)，鏈輪設(shè)置在軸承座上，轉(zhuǎn)軸穿過鏈輪設(shè)置。本發(fā)明具有輕質(zhì)、微型，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的集中質(zhì)量問題以及干擾儀器設(shè)備運(yùn)行的電磁場，可靠性高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)F03G7/06GK101624974SQ200810137229
公開日2010年1月13日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者東 于, 張博明, 戴福洪, 軍 梁, 解維華, 趙海濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)