CN101435452A - 采用形状记忆合金驱动的顶紧装置 - Google Patents

Abstract

形状记忆合金驱动的顶紧装置，其特征在于：利用两套形状记忆合金(SMA)－弹簧驱动器间隔作动，完成对结构件的顶紧与解除顶紧功能。其中，第二SMA－弹簧用于锁定第一SMA－弹簧，当对第二SMA丝加热解除该锁定时，第一SMA－弹簧通过双楔面结构推动弹性爪将结构件顶紧，通过摩擦自锁平衡来自多个方向的高负荷振动；当对第一SMA丝通电，该顶紧状态即被解除，第一SMA－弹簧回复到初始状态，再次被第二SMA－弹簧锁定，从而完成一个工作循环，为下一次作动做好了准备。该顶紧装置可承受来自多个方向的高负荷振动，重复作动，作动迅速、功率低、可靠性高。

Description

采用形状记忆合金驱动的顶紧装置

技术领域

本发明涉及一种可承受来自于多个方向高负荷、重复作动的顶紧装置。

技术背景

对于某些结构组件，工作状态下需要留有一定的间隙，如磁悬浮飞轮，在磁轴承与飞轮之间存在微小间隙，工作时利用电磁力将磁轴承转子悬浮起来，可以非常精确地控制卫星等的姿态，但在非工作状态下由于存在间隙会使磁轴承承受很大的振动载荷而破坏，因而需要消除该间隙；另外，对于一些大尺寸结构组件，在承受振动载荷时，在结构边缘部位由于载荷放大会造成结构破坏，同样需要改变其结构刚度避免出现这种情况。

现有技术中有实现这类顶紧功能的方案。具体例子有：

1.在《磁悬浮飞轮自动锁紧系统的研制》(刘晓东，余立辉.机械与电子.2007(3)：33-36))中，提出通过步进电机来实现顶紧功能。该方案利用步进电机带动螺杆转动，从而带动螺母及压盖压紧磁悬浮飞轮，解除顶紧通过步进电机反向转动实现；该方案结构简单，但顶紧时间过长，顶紧力不能满足大负载情况，且体积较大，使用受到限制。

2.在《Pneumatic locking device for magnetic bearingreaction wheel》(Michel Privat，Arlindo Da Costa.EuropeanSpace Agency.ESA SP，2003：121-128)中，提出了利用反复作动的高压充气装置来实现顶紧的方案。该方案利用充气装置对60个金属风箱充气，达到足够高的气压，将磁悬浮飞轮转子与定子连接为一体，实现顶紧功能，通过放气活门便可解除顶紧；该方案顶紧力可以通过气压进行调整，对环境适应性强，但顶紧时间过长，结构复杂，且体积较大。

就申请人所知，现有技术中没有利用形状记忆合金(SMA)驱动的顶紧装置。

发明内容

为了克服已有顶紧装置所存在的不足，本发明提出了利用形状记忆合金驱动的一种新型的顶紧装置方案，该装置利用双角度楔面与弹性爪支撑承受来自各个方向的高振动载荷，SMA和弹簧组成的驱动器能够反复作动，不仅能够有效地实现顶紧与解除顶紧功能，而且整体装置尺寸小、重量轻、动作迅速、工作安全可靠。

根据本发明的一个方面，提供了一种采用形状记忆合金驱动的顶紧装置，其特征在于包括：第一形状记忆合金-弹簧驱动单元，其包括第一弹簧和第一形状记忆合金丝；所述第一弹簧被置于受压缩的状态，所述第一形状记忆合金丝作用连接在所述第一弹簧的两端；第一楔块，其具有包括至少一个楔面的第一组楔面，并受到所述第一形状记忆合金-弹簧驱动单元沿着一个第一方向的往复驱动；用于顶推目标构件的弹性爪，该弹性爪具有至少包括一个楔面的第二组楔面，所述第二组楔面与所述第一组楔面相接触。

根据本发明的又一个方面，提供了一种用于顶紧装置的弹性爪，包括：呈“Y”形配置的两个紧固面；以及，弹性槽，随着载荷的增大，弹性槽张开的角度也增大，从而增强顶紧效果。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明中双楔面结构的局部放大图。

图3是本发明中弹性爪的结构示意图。

图4是本发明中第一绝缘块的结构示意图。

具体实施方式

就本发明的应用而言，形状记忆合金(SMA)材料的“形状记忆特性”是指：材料在某一较低温度下被拉伸变形，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，回复到原来的未被拉伸的形状，表现为“记忆较低温度下的形状”，且回复过程中产生很大的回复力。

工程中通常将SMA丝与弹簧配合组成驱动元件，即通过一定拉伸变形的SMA丝与弹簧相互衔接，低温下弹簧力大于SMA丝的低温屈服力，使SMA丝保持在被拉伸的状态，直至弹簧力与SMA丝的屈服力和输出负载平衡；当温度上升时，SMA丝收缩，SMA丝的回复力克服弹簧力而使弹簧收缩。当温度再下降时，SMA丝恢复到与初始的弹簧力平衡的状态，从而实现SMA-弹簧元件的往复作动。

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

本发明的高负荷可重复SMA顶紧装置的设计围绕高负荷、可重复、小型、快速、可靠等性能展开，具体结构如附图1所示。

图1所示为未顶紧结构件的安装状态。

如图1所示，第一SMA丝4与第一弹簧6构成了一个主驱动单元，第二SMA丝13与第二弹簧16构成了一个副驱动单元。在常温状态下借助拉伸装置(如液压机)对SMA丝进行塑性预拉伸处理。在图1的实施例中，使第一SMA丝4穿过第一绝缘块22，且第一SMA丝4绕过安装在第一楔块1上的第一滑轮2，再通过第一螺栓23固定在第一绝缘基座25与第一顶块24之间。在图1所示的实施例中，为了节约空间，并为了增加SMA的安装长度，采用了SMA丝环绕滑轮的实施方式。而作为替代实施方式，也可选用SMA丝环绕轴承的方式，或者可采用SMA丝直线连接而非环绕的方式。

在图1所示的实施例中，为了有效利用空间，采取了将SMA丝固定在由诸如陶瓷的绝缘材料构成的绝缘基座与顶块之间的紧固方式，有效解决了绝缘、高温、高应力等问题。此处也可采用其他绝缘材料(如聚酰亚胺)和其他方式(如焊接)实现对SMA丝的紧固。

第二SMA丝13穿过第二绝缘块17，且第二SMA丝13绕过第二滑轮14，再由第二螺栓10被固定在第二绝缘基座8与第二顶块9之间。

第一档板1由调整螺柱3与螺母5安装在套筒7上，第二档板11通过安装螺栓15安装在套筒7上。

第一弹簧6经过预压缩后安装在第一档板1与第一楔块21之间，第二弹簧16经过预压缩后安装在第二档板11与第二楔块18之间；第一绝缘块22上开孔44，可使第一SMA丝4从孔44中穿过，安装在第一楔块21内部，第二绝缘块17为环形结构，可使第二SMA丝13从其中穿过，安装在第二楔块18内部；第一楔块21、第二楔块18、弹性爪19与套筒7配合，可在套筒7内滑动，第一绝缘基座25、第二绝缘基座17固定在套筒7上，绝缘衬套12通过耐高温胶粘和在第二档板11上，小弹簧20通过挂钩结构拉伸后安装在弹性爪19与套筒7之间。

图1中，第二楔块18卡紧在第一楔块21内部，其中第二楔块18底部为圆柱凸台51，第一楔块21上部开有一个与之相配合的滑动槽52，在对结构件的顶紧未被启动状态下，第二楔块18的该圆柱凸台51插入滑动槽52中，形成啮合从而锁定第一楔块21；当需要顶紧结构件时，第二楔块18在第二SMA丝13的作用下被拉起，从而把该圆柱凸台51从滑动槽52中拔除，而解除对第一楔块21的锁定，使第一楔块21能够在第一弹簧6的作用下运动。

图2为双楔面结构局部放大图，第一楔块21通过第二楔面32与弹性爪19的第三楔面33接触，当弹性爪19运动至消除与被顶紧结构件(未显示)间的间隙时，第一楔块21通过楔面31与弹性爪19的楔面33接触，其中楔面31与楔面33采用自锁角度，在该角度下，无论弹性爪19传递到第一楔块21上的振动载荷有多大，由于摩擦自锁，通过该角度楔面产生的反作用力始终等于弹性爪19所施加的主动力，在图1中，第一楔块21均不会向左运动，从而起到抑制高振动负荷的作用。

图3为弹性爪的结构示意图，其分为左紧固面41与右紧固面43，两个紧固面均呈锥形，锥角优选为大约45度，结构件在被顶紧处可加工成与弹性爪19结构相配合的倒角结构。当振动载荷为竖直方向时，载荷不变传递到第一楔块21上；当振动载荷为水平或者前后方向时，由于锥角为45度，根据力学平衡关系，载荷通过锥面传递后仍以该载荷向第一楔块21传递，故该结构可承受来自三个方向的振动载荷。在弹性爪21内部开有弹性槽42，随着载荷的增大，弹性槽42张开的角度越大，从而顶紧效果越好。

图4为第一绝缘块的结构示意图，在结构两侧对称开有两个孔44，可使第一SMA丝4从其中穿过。

需要顶紧结构件时，给第二SMA丝13通电，使其加热收缩，使第二SMA丝13的回复力大于第二弹簧16的回复力，将第二楔块18的圆柱凸台51从第一楔块21的滑动槽52中拔出；此时，第一弹簧6的回复力大于第一SMA丝4常温下的屈服力，因而第一楔块21在第一弹簧6的回复力作用下向图1中的右边运动，首先使第一楔块21通过楔面31与弹性爪19的对应楔面33而推动弹性爪19，该阶段顶推力小但弹性爪19位移速度快。当接触到目标结构件(未显示)后，第一楔块21过渡到通过楔面31与弹性爪19的楔面34接触的阶段，继续推动弹性爪19向上顶紧结构件，该阶段顶推力大但弹性爪19位移速度慢，弹性爪19上升过程中小弹簧20被拉伸。楔面31与楔面34的角度可优选地采用自锁角度，即可通过该楔面平衡结构件传递的任意大小的振动载荷，因而结构件被顶紧。

当需要解除顶紧时，给第一SMA丝4通电，使其加热收缩，从而使第一SMA丝4的回复力超过第一弹簧6的回复力，而使得第一弹簧6被压缩，拉动第一楔块21向图1中的左边运动，从而使弹性爪19向下运动。为了保证弹性爪的顺利向下移动，优选地是设置一个小弹簧20，以使弹性爪19在小弹簧20的作用力下和结构件脱离接触并且离开一段距离。当第一楔块21被拉到图1所示初始位置时，第二弹簧16的回复力使第二楔块18弹出，圆柱凸台51进入滑动槽52，卡住第一楔块21，使得即使在第一SMA丝4断电后，第一SMA丝4的回复力消失而小于第一弹簧6的回复力的情况下，第一楔块21也不会被第一弹簧6弹出，从而完成一个工作循环，并为下一个工作循环做好准备。

当第一SMA丝4温度的温度降低到较低温度之时或之后，即可再次加热第二SMA丝4，再次顶紧结构件，循环作动。

以上所述工作过程从未顶紧结构件至顶紧结构件，然后解除顶紧，用于结构件从工作状态到非工作状态，再次到工作状态的情况。应当注意的是，上述的具体工作循环的步骤顺序并不是唯一的，也可从顶紧结构件至解除顶紧，然后再次顶紧结构件，用于结构件从非工作状态到工作状态，再次到非工作状态的情况。可根据实际需要改变工作过程。

本发明的技术方案利用SMA丝与弹簧配合驱动，可以承受来自多个方向的高负荷，同时可以反复作动，具体的有益效果包括：

1)采用SMA丝驱动，SMA是一种兼有感知和驱动功能的新型智能材料，具有体积小、重量轻、反应快、控制方便等特点；

2)采用SMA丝和弹簧配合驱动，通过电流控制使顶紧部件与解开部件交替工作，可以反复作动、可靠性高；

3)弹性爪为“Y”形，有两个紧固面，两个紧固面均呈锥形，锥角为例如大约45度，被顶紧结构件加工成相应的倒角结构即可，该结构可承受来自多个方向的振动载荷，并且随着载荷的增大顶紧效果越佳；

4)为了减小第一弹簧的操作力，同时保证弹性爪一定的作动距离，在第一楔块处采用了过度角度楔面设计，即在弹性爪接触结构件前采用一较大角度的楔面，弹性爪作动位移大，弹性爪接触结构件后采用另一较小角度的楔面，由于小角度楔面采用自锁角度，可承受很大的振动载荷，试验证明平均单个装置可承受2200N以上的随机振动载荷；

5)该装置结构简单，动作迅速，顶紧时间小于3s，解开时间小于5s，多个装置一起工作同步性好。

6)单个装置的体积不超过50×80×100mm，尺寸小，采用硬铝材料，重量轻，强度好。

附图标号说明：

1：第一挡板            2：第一滑轮          3：调整螺栓

4：第一SMA丝           5：螺母              6：第一弹簧

7：套筒                8：第二绝缘基座      9：第二顶块

10：第二螺栓         11：第二档板        12：绝缘衬套

13：第二SMA丝        14：第二滑轮        15：安装螺栓

16：第二弹簧         17：第二绝缘块      18：第二楔块

19：弹性爪           20：小弹簧          21：第一楔块

22：第一绝缘块       23：第一螺栓        24：第一顶块

25：第一绝缘基座     31：第一楔面        32：第二楔面

33：第三楔面         34：第四楔面        41：左紧固面

42：弹性槽           43：右紧固面        44：孔

51：圆柱凸台         52：滑动槽

Claims (10)

1.一种采用形状记忆合金驱动的顶紧装置，其特征在于包括：

第一形状记忆合金-弹簧驱动单元，其包括第一弹簧(6)和第一形状记忆合金丝(4)；所述第一弹簧被置于受压缩的状态，所述第一形状记忆合金丝作用连接在所述第一弹簧的两端；

第一楔块(21)，其具有包括至少一个楔面的第一组楔面(31，32)，并受到所述第一形状记忆合金-弹簧驱动单元沿着一个第一方向的往复驱动；

用于顶推目标构件的弹性爪(19)，该弹性爪具有至少包括一个楔面的第二组楔面(33，34)，所述第二组楔面(33，34)与所述第一组楔面(31，32)相接触。

2.如权利要求1所述的顶紧装置，进一步包括：

第二形状记忆合金-弹簧驱动单元，其包括第二弹簧(16)和第二形状记忆合金丝(13)；所述第二弹簧被置于受压缩的状态，所述第二形状记忆合金丝作用连接在所述第二弹簧的两端；

一个第二楔块，其受到所述第二形状记忆合金-弹簧驱动单元沿着与所述第一方向相交的一个第二方向的往复驱动；

所述第一楔块带有一个滑动槽(52)，第二楔块(18)底部带有一个圆柱凸台(51)；当所述第二弹簧回复时，所述第二楔块的所述圆柱凸台可在所述第二形状记忆合金-弹簧驱动单元的驱动下被插入所述滑动槽中，从而锁定所述第一形状记忆合金-弹簧驱动单元。

3.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：所述第一形状记忆合金丝的两端被固定在位于所述第一弹簧的一端的固定点上，且所述第一形状记忆合金丝绕在连接在所述第一弹簧的另一端的一个滑轮上。

4.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：所述第一形状记忆合金丝的一端被固定在位于所述第一弹簧的一端的固定点上，所述第一形状记忆合金丝的另一端被固定在位于所述第一弹簧的另一端的固定点上。

5.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：所述第一组楔面包括两个楔面(31，32)，所述第二组楔面包括两个楔面(33，34)，所述第一组楔面的两个楔面(31，32)与第二组楔面的两个楔面(33，34)依次对应，在顶推过程中第一组楔面与第二组楔面中先接触的一对楔面的楔面角度对应于较大的顶推速度，后接触的一对楔面的楔面角度对应于较大的顶推力。

6.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：第二组楔面与第二组楔面中对应于较大的顶推力的一对楔面采用自锁角度，在该自锁角度下无论弹性爪(19)传递到第一楔块上(21)的振动载荷的大小如何，由于摩擦自锁第一楔块(21)均不会向接触顶推的方向运动，从而起到抑制高振动负荷的作用

7.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：所述弹性爪包括：

呈“Y”形配置的两个紧固面(41，43)，以及

弹性槽(42)，随着载荷的增大弹性槽(42)张开的角度越大，从而增强顶紧效果。

8.如权利要求1所述的顶紧装置，其中：第二楔块的所述圆柱凸台插入所述滑动槽中从而锁定所述第一形状记忆合金-弹簧驱动单元的位置对应于所述弹性爪未顶推所述目标构件的状态，且所述第一形状记忆合金丝在通电加热时发生收缩。

9.用于顶紧装置的弹性爪(19)，包括：

呈“Y”形配置的两个紧固面(41，43)，以及

弹性槽(42)，随着载荷的增大弹性槽(42)张开的角度增大，从而增强顶紧效果。

10.如权利要求9所述的弹性爪(19)，该弹性爪具有至少包括一个楔面的一组楔面(33，34)，所述一组楔面(33，34)用于与所述顶紧装置上的一组对应楔面(31，32)相接触。

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