一种闸线式形状记忆合金驱动器的制造方法
【专利摘要】一种闸线式形状记忆合金驱动器，内芯为形状记忆合金丝，形状记忆合金丝表面涂有二硫化钼涂层，然后向外依次包裹聚四氟乙烯管、金属螺旋软管，最外侧护层为橡胶管；形状记忆合金丝一端固定在安装基座上，另一端与作动触头连接；驱动器两端通过安装基座和卡座实现固定，卡座与作动触头之间装有偏置弹簧；其中，形状记忆合金丝在安装前拉伸了一定长度，当对驱动器通电加热后，形状记忆合金丝由于相变产生回复力和回复位移，作用于作动触头的回复力大于偏置弹簧的弹力，进而驱动作动触头运动；作动完成后，切断电流，形状记忆合金丝在偏置弹簧的弹力作用下重新被拉长，实现驱动器的重复作动。本发明结构简单、驱动方便、作动速度快，可用作多种领域里的触发装置或驱动机构。
【专利说明】一种闸线式形状记忆合金驱动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及形状记忆合金驱动器的【技术领域】，特别涉及一种闸线式形状记忆合金驱动器。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金(shape memory alloys，简称SMA)是一种新型智能材料，这种材料具有形状记忆效应、超弹性效应和较高的功重比，已经作为驱动器的驱动元件在航空、航天、医疗等领域得到了广泛的应用。
[0003]采用形状记忆合金丝的驱动器一般将形状记忆合金丝拉长后，通过机械方式对形状记忆合金丝施加约束，然后对形状记忆合金丝加热，由于内部发生的相变，形状记忆合金丝回复到原先的长度，表现出形状记忆效应，在两端有约束的情况下会产生一定的回复力。由于形状记忆合金丝的安装、固定及绝缘有一定困难，目前形状记忆合金丝驱动器多存在结构复杂的问题。
【发明内容】
[0004]本发明针对当前形状记忆合金驱动器结构复杂的问题，提供了一种闸线式形状记忆合金驱动器。
[0005]本发明采用的技术方案为:一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，该驱动器包括:安装基座，金属螺旋软管，聚四氟乙烯管、二硫化钼涂层、形状记忆合金丝、橡胶管、卡座、偏置弹簧和作动触头；其中，驱动器内芯为形状记忆合金丝，形状记忆合金丝外涂有二硫化钼涂层，然后向外依次包裹聚四氟乙烯管、金属螺旋软管，最外侧护层为橡胶管，形状记忆合金丝一端固定在安装基座上，另一端与作动触头连接，驱动器通过安装基座和卡座实现固定，机构作动时，加热形状记忆合金丝，作动触头在形状记忆合金丝的回复力作用下运动一定位移；
[0006]其中，所述的形状记忆合金丝表面涂有二硫化钼涂层，降低形状记忆合金丝在作动过程中与聚四氟乙烯管之间的摩擦力，达到润滑效果，也可利用其它润滑材料，如润滑月旨、润滑油或石墨粉等其它干粉润滑剂替代；
[0007]其中，所述的二硫化钼涂层外侧包裹绝缘、耐高温、自润滑的聚四氟乙烯管，在形状记忆合金丝的电流加热过程中，聚四氟乙烯管可以实现绝缘，并能承受电流热效应产生的高温，同时还具有一定润滑效果，进一步降低和形状记忆合金丝之间的摩擦；
[0008]其中，所述的形状记忆合金丝直径略小于聚四氟乙烯管的内径，两者之间的间隙极小，保持在0.05?0.1mm以内，以保证形状记忆合金丝收缩时，收缩量完全用于驱动作动触头运动，而不是形状记忆合金丝在聚四氟乙烯管中进行弯曲运动；
[0009]其中，所述的聚四氟乙烯管外侧包裹金属螺旋软管，金属螺旋软管具有一定的轴向刚度，保证驱动器的管线结构在形状记忆合金丝的回复力作用下不会发生轴向变形，形状记忆合金丝能相对金属螺旋软管进行伸缩运动，输出位移。但金属螺旋软管具有很小的弯曲刚度，保证由形状记忆合金丝、二硫化钼涂层、聚四氟乙烯管、金属螺旋带和橡胶管组成的管线结构能够自由弯曲。
[0010]其中，所述的由形状记忆合金丝、二硫化钼涂层、聚四氟乙烯管、金属螺旋软管和橡胶管组成的管线结构非常柔软，可以根据具体布线结构要求进行布置。
[0011]其中，所述的安装基座、作动触头上加工机械微孔，形状记忆合金丝与安装基座和作动触头连接时，穿过机械微孔，通过挤压微孔使形状记忆合金丝发生塑形变形，实现固定。
[0012]其中，所述的安装基座、卡座和作动触头可以根据应用环境的要求设计不同的结构形式。
[0013]其中，所述的卡座和作动触头之间安装偏置弹簧，偏置弹簧通过卡座和作动触头中的凹槽实现固定。
[0014]其中，所述的形状记忆合金丝在安装前通过机械拉伸拉长了一定长度，作动过程中通过电流加热形状记忆合金丝，相变诱发形状记忆合金丝中产生回复力和回复位移，作用于作动触头的回复力大于弹簧大弹力，从而驱动作动触头运动，实现驱动器功能。
[0015]其中，所述的偏置弹簧用来实现重复作动功能，当驱动完成后，切断加热电源，形状记忆合金丝中的回复力消失，在弹簧的弹力作用下重新被拉长，从而实现重复作动；该功能也可以在驱动器作动完成后通过机械拉长形状记忆合金丝实现，还可以采用具有双程形状记忆效应的形状记忆合金丝实现。
[0016]其中，所述的形状记忆合金丝在管线结构中既可以采用单路径布置，也可以采用往复式双路径、多路径布置，提高驱动器的作动可靠性。但是，必须在记忆合金丝表面喷涂绝缘层以保证多根记忆合金丝之间相互绝缘，保证能通过通电方法快速加热。
[0017]其中，所述的作动触头的作动位移可以通过调节形状记忆合金丝的长度、应变等参数实现，应变为α %、总长为L的形状记忆合金丝在驱动过程中产生的收缩位移Λ L为:AL= (LX α % )/(1+α % )
[0018]本发明的原理在于:
[0019]本发明采用形状记忆合金丝作为驱动机构，该形状记忆合金丝在安装前通过机械方式拉伸了一定长度，安装时表面涂有二硫化钼涂层，并依次包裹聚四氟乙烯管、金属螺旋软管和橡胶管，形状记忆合金丝一端与安装基座连接，另一端与作动触头连接；驱动器通过安装基座和卡座实现固定，卡座和作动触头间布置偏置弹簧。驱动器工作时，通电加热形状记忆合金丝，由于相变产生的形状记忆效应，形状记忆合金丝中产生回复力和回复位移，作用于作动触头的回复力大于弹簧大弹力，从而驱动作动触头运动，实现驱动器功能；作动完成后，切断加热电源，形状记忆合金丝中的回复力消失，在弹簧的弹力作用下重新被拉长，作动触头也被弹簧推回原先的位置，从而实现重复作动；
[0020]对本发明的应用而言，形状记忆材料的“形状记忆效应”是指:材料在高温下定形为某一形状后，在某一低温下被施加应力变形，卸载后其变形不能完全回复留有残余变形。但是只要对其加热到某个较高温度之上，则残余变形消失，回复到原来高温下的形状，表现为“记忆较高温度下的形状”，且回复过程中产生一定回复应力和位移。
[0021]本发明与现有形状记忆合金丝驱动器相比，具有结构简单、安装方便、柔性好、可靠性高等特点，具体表现在以下几个方面:
[0022](I)本机构主体为由形状记忆合金丝、二硫化钼涂层、聚四氟乙烯管、金属螺旋软管和橡胶管组成的管线结构，极大简化了驱动器结构，并且极大地节省了空间要求。
[0023](2)本机构中的安装基座、卡座可以采用螺纹、连接孔、卡槽等多种机械方式，针对不同的安装基体，可以方便地实现安装。
[0024](3)本机构中由形状记忆合金丝、二硫化钼涂层、聚四氟乙烯管、金属螺旋软管和橡胶管组成的管线结构具有相当好的柔性，可以在空间中根据需要进行任意排布，节约安装空间、适应多种应用条件。
[0025](4)本机构的输出位移可以通过调节形状记忆合金丝的长度、应变等参数实现精确控制，因此可以通过性能要求选择合适的形状记忆合金丝参数，并且保证一定的性能裕度。
[0026](5)本机构采用的形状记忆合金丝内芯，既可以采用单路径布置，也可以采用往复式双路径、多路径布置，提高了驱动器的作动可靠性；本机构采用二硫化钼降低摩擦系数，采用聚四氟乙烯管实现绝缘、耐高温和自润滑，采用金属螺旋软管提高结构轴向刚度，同时保证较小的弯曲刚度，这些措施都极大提高了结构的输出效率和可靠性。
[0027](6)本机构通过形状记忆合金丝与偏置弹簧的组合可以实现重复作动，驱动器加热时，形状记忆合金丝的回复力大于偏置弹簧的弹力，作动触头收缩一定位移；作动功能完成后，由于回复力消失，作动触头在弹簧的弹力作用下运动到驱动前的位置，同时拉长形状记忆合金丝。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明“一种闸线式形状记忆合金驱动器”的结构示意图。
[0029]图2为本发明管线结构的多层布置方式，其中，图2(a)为本发明管线结构的主视图，图2(b)为本发明管线结构的左视图。
[0030]图3为本发明形状记忆合金丝的固定方式。
[0031]图4为本发明橡胶管的固定方式。
[0032]图5为本发明安装基座的不同结构形式，其中，图5(a)为本发明的安装基座I采用螺纹连接，图5(b)为本发明的安装基座I采用连接孔连接。
[0033]图6为本发明偏置弹簧的固定方式。
[0034]图7为不同配合条件下，形状记忆合金丝的作动过程，其中，图7 (a)所示若形状记忆合金丝5与管线集合10之间的间隙过大，形状记忆合金丝5在收缩过程中会做弯曲运动，不会输出轴向位移；图7(b)所示形状记忆合金丝5与管线集合10之间的间隙很小，以保证形状记忆合金丝5收缩时，收缩量完全用于驱动作动触头9运动。
[0035]图8本发明驱动器的加热作动过程，其中，图8(a)为加热前的状态，图8 (b)为加热后的状态。
[0036]图9为本发明形状记忆合金丝的另一种布置方式。
[0037]图10为本发明在卫星太阳能电池板上的应用示例。
[0038]图11为本发明在卫星太阳能电池板上的安装、固定细节。
[0039]图12为本发明解锁时，电池板的运动情况。
[0040]图13为本发明展开时，电池板的运动情况。
[0041]附图标号说明:1为安装基座；2为金属螺旋软管；3为聚四氟乙烯管；4为二硫化钼涂层；5为形状记忆合金丝；6为橡胶管；7为卡座；8为偏置弹簧；9为作动触头；10为聚四氟乙烯管、金属螺旋软管及橡胶管组成的管线集合；11为闸线式形状记忆合金驱动器整体；12为卫星主体；13为电池板一 ；14为电池板二 ；15为铰链；16为太阳能电池板安装支架；17为电池板锁扣一 ；18为电池板锁扣二 ；19为卡座固定基座。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
[0043]本发明具体结构如图1所示。
[0044]如图1所示，本发明的主体为由形状记忆合金丝5、二硫化钼涂层4、聚四氟乙烯管
3、金属螺旋软管2和橡胶管6组成的管线结构，形状记忆合金丝5 —端固定在安装基座I上，另一端与作动触头9连接；驱动器通过安装基座I和卡座7固定，卡座7和作动触头9之间安装偏置弹簧8。
[0045]如图1、图2所示，本发明的形状记忆合金丝5表面涂有二硫化钼涂层4，然后依次包裹聚四氟乙烯管3和金属螺旋软管2，最外层为橡胶管6。
[0046]如图1、图3所示，本发明的安装基座I上加工微孔，安装时首先将形状记忆合金丝5穿过微孔，然后挤压微孔使形状记忆合金丝5发生塑形变形，从而实现固定；形状记忆合金丝5与作动触头9之间采用相同的连接方式。
[0047]如图1、图4所示，本发明的安装基座I与管线集合10之间通过过盈配合固定，连接处管线集合10的内径略小于安装基座I的外径；卡座7与管线集合10之间采用相同的固定方式
[0048]如图1、图5所示，本发明的安装基座I可采用螺纹(图5(a)所示)、连接孔(图5(b)所示)等多种结构形式，便于不同应用条件下的安装；同样卡座7、作动触头9也可以根据应用条件的要求，设计成不同的结构形式。
[0049]如图1、图6所示，本发明的偏置弹簧8通过卡座7和作动触头9中的凹槽实现固定。
[0050]如图6、图7(b)所示，本发明的形状记忆合金丝5与管线集合10之间的间隙很小，以保证形状记忆合金丝5收缩时，收缩量完全用于驱动作动触头9运动，如图7 (b)中的Δ L ;若形状记忆合金丝5与管线集合10之间的间隙过大，形状记忆合金丝5在收缩过程中会做弯曲运动，不会输出轴向位移，如图7(a)所示。
[0051]如图8所示，本发明未接通加热电路时如图(a)所示，本发明可以采用电流加热驱动，接通加热电路后，由于形状记忆效应，形状记忆合金丝5中产生回复力和回复位移，由于形状记忆合金丝5作用于作动触头9的回复力大于偏置弹簧8的弹力，作动触头9被拉动并压缩偏置弹簧8，输出一定收缩位移，如图8(b)所示。
[0052]如图9所示，本发明的形状记忆合金丝5既可以采用单路径布置，也可以采用往复式双路径布置。
[0053]如图10、图11所示，本发明可以应用于卫星太阳能电池板的锁紧和解锁。太阳能电池板一 13通过安装支架16与卫星主体12连接，太阳能电池板二 14通过铰链15与电池板一 13连接，闸线式形状记忆合金驱动器11 一端通过安装基座I固定在电池板一 13上，另一端通过电池板一 13上的卡座固定基座19固定卡座7。在卫星发射过程中，电池板需保持折叠状态，此时电池板一 13的电池板锁扣一 17与电池板二 14的电池板锁扣二 18通孔位置相互重叠，将闸线式形状记忆合金驱动器11的作动触头9插入该通孔，实现两个电池板的折叠固定。
[0054]如图12所示，当卫星到达指定空间位置后，需要展开太阳能电池板，首先对折叠的电池板进行解锁。对闸线式形状记忆合金驱动器11通电，作动触头9在形状记忆合金丝的回复力作用下作动，从电池板锁扣一 17与电池板锁扣二 18的通孔中移出，解除了对两个电池板的约束。电池板二 14在涡卷弹簧或电机的作用下展开，如图13所示。
[0055]本发明的工作过程如下:
[0056]如图1、图7(a)所示的是驱动器作动前的状态，经过预先拉伸的形状记忆合金丝5穿过管线结构，一端固定在安装基座I上，另一端与作动触头9连接；驱动器两端通过安装基座I和卡座7实现固定，中间的管线结构可以根据应用环境的要求调解空间布置；卡座7与作动触头9之间安装偏置弹簧8，作用于作动触头9的弹力使形状记忆合金丝5保持拉紧状态。
[0057]驱动器工作时，通电加热形状记忆合金丝5，由于相变导致的形状记忆效应，形状记忆合金丝5中产生回复力和回复位移，作用于作动触头9的回复力大于偏置弹簧8的弹力，因此偏置弹簧8被压缩，作动触头9被拉动并产生一定的收缩位移，驱动器实现作动功會K。
[0058]作动完成后，停止对形状记忆合金丝5加热，作用于作动触头9的回复力消失，作动触头9在偏置弹簧8的弹力作用下被推回到原先的位置，并拉长形状记忆合金丝5，因此驱动器可以实现重复作动。
[0059]另外，聚四氟乙烯管可选用其他绝缘、耐高温、摩擦系数小的材料。
[0060]本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0061]尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本【技术领域】的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【权利要求】
1.一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，该驱动器包括:安装基座(I)、金属螺旋软管(2)、聚四氟乙烯管(3)、二硫化钼涂层(4)、形状记忆合金丝(5)、橡胶管￠)、卡座(7)、偏置弹簧(8)和作动触头(9);其中，驱动器内芯为形状记忆合金丝(5)，形状记忆合金丝(5)外涂有二硫化钼涂层(4)，然后向外依次包裹聚四氟乙烯管(3)、金属螺旋软管(2)，最外侧护层为橡胶管(6)，形状记忆合金丝(5) —端固定在安装基座(I)上，另一端与作动触头(9)连接，驱动器通过安装基座和卡座实现固定，机构作动时，加热形状记忆合金丝(5)，作动触头(9)在形状记忆合金丝(5)的回复力作用下运动一定位移； 所述的形状记忆合金丝(5)表面涂有二硫化钼涂层(4)，降低形状记忆合金丝(5)在作动过程中与聚四氟乙烯管⑶之间的摩擦力； 所述的二硫化钼涂层(4)外侧包裹聚四氟乙烯管(3)，聚四氟乙烯管(3)有绝缘、耐高温的材料特性，在形状记忆合金丝(5)的电流加热过程中，聚四氟乙烯管(3)可以实现绝缘，并能承受电流热效应产生的高温； 所述的形状记忆合金丝(5)直径略小于聚四氟乙烯管(3)的内径，两者之间的间隙极小，保持在0.05?0.1mm以内，以保证形状记忆合金丝收缩时，收缩量完全用于驱动作动触头运动，而不是形状记忆合金丝在聚四氟乙烯管中进行弯曲运动； 所述的聚四氟乙烯管(3)外侧包裹金属螺旋软管(2)，金属螺旋软管(2)具有很大的轴向刚度，保证金属螺旋软管(2)在形状记忆合金丝(5)的回复力作用下不发生轴向变形，形状记忆合金丝(5)能相对金属螺旋软管(2)进行伸缩运动，输出位移；但金属螺旋软管(2)具有很小的弯曲刚度，保证由形状记忆合金丝(5)、二硫化钼涂层(4)、聚四氟乙烯管(3)、金属螺旋带(2)和橡胶管(6)组成的管线结构能够自由弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述的由形状记忆合金丝(5)、二硫化钼涂层(4)、聚四氟乙烯管(3)、金属螺旋软管(2)和橡胶管(6)组成的管线结构可以根据应用环境的要求变换空间布置。
3.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述的安装基座(I)、作动触头(9)上加工机械微孔，形状记忆合金丝(5)与安装基座(I)和作动触头(9)连接时，穿过机械微孔，通过挤压微孔使形状记忆合金丝(5)发生塑形变形，实现固定。
4.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述的安装基座(1)、卡座(7)和作动触头(9)可以根据应用环境的要求设计成不同的结构形式。
5.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述的偏置弹簧(8)通过卡座(7)和作动触头(9)中的凹槽实现固定。
6.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，形状记忆合金丝(5)在安装前通过机械拉伸拉长了一定长度，作动过程中通过电流加热形状记忆合金丝(5)，实现驱动器功能。
7.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，驱动器的重复作动功能既可以通过偏置弹簧(8)实现，也可以在驱动器作动完成后通过机械拉长形状记忆合金丝(5)实现，还可以采用具有双程形状记忆效应的形状记忆合金丝实现。
8.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，所述的形状记忆合金丝(5)既可以采用单路径布置，也可以采用往复式双路径、多路径布置。
9.根据权利要求1所述的一种闸线式形状记忆合金驱动器，其特征在于，作动触头(9)的作动位移可以通过调节形状记忆合金丝(5)的长度、应变等参数实现，应变为α %、总长为L的形状记忆合金丝(5)在驱动过程中产生的收缩位移Λ L为:Λ L = (LX α % )/(1+ α % ) 0
【文档编号】F03G7/06GK104454415SQ201410758569
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】张小勇, 闫晓军, 黄大伟 申请人:北京航空航天大学