CN106368918A - 一种位移驱动放大机构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于记忆合金应用技术领域，尤其涉及一种位移驱动放大机构及应用。位移驱动放大机构单体单元包括固定连接头(1)、固定约束点(2)、支撑斜面(3)、V型约束分支(4)、支撑框架(5)、V型转动分支(6)、位移移动方向限位块(7)、运动连接头(8)、导向滑轨(9)和燕尾槽(10)。本发明的位移驱动放大机构为单体化设计，可以自由组合，安装简单，节约空间，驱动位移大；单体单元中记忆合金V型转动分支圆周偏转，实现位移、角度的驱动传输，通过多级单体单元组合可实现直线传输位移、角度位移的放大。

Description

一种位移驱动放大机构及应用

技术领域

本发明属于记忆合金应用技术领域，尤其涉及一种位移驱动放大机构及应用。

背景技术

常规驱动件需利用电机系统驱动，结构复杂，占用空间大，且需要额外的能量输入系统。利用普通双金属片和石蜡驱动器也能作为驱动件，双金属片将两个或多个热膨胀系数不同的金属片焊接在一起，当它被加热或冷却时能够沿着垂直于其金属片贴合面方向发生弯曲使其位移，方式主要为悬臂梁式或螺旋线式，位移量较小，驱动力大小适中。石蜡驱动器是利用体积系数较大的石蜡发生液固相变时伴发出较大的体积膨胀或收缩，位移方式主要为线性。由于液态石蜡必须密封于容器中，石蜡的热导率较低，所以驱动的响应时间较长。

利用记忆合金作为驱动件，通过形状记忆效应来产生动作和力，感温驱动为一体，结构简单，灵敏度高，可靠性好，响应迅速。这类驱动机构具有行程长度/重量比大、单位重量的输出力大、驱动器动作方向不受限制、在特定温度下动作迅速、对环境条件不敏感、动作无噪声等优点。

在记忆合金驱动器中，最常用的元件就是直丝，当应变恢复率为3％、长度为50mm的直丝发生形状恢复时，仅能提供1.5mm的行程；用同样直径的丝材绕制成螺旋弹簧，可提供大的行程，但需要额外的刚性支撑等辅助机构。记忆合金弹簧获得双程记忆效应需要进行大量热机械处理和训练，需要匹配偏置弹簧机构，结构复杂。

常用NiTi及CuZnAl记忆合金的相变温度范围是-100℃～100℃，无法满足航空航天、核工业等极端温度环境条件对记忆合金的需求，也不能满足在火灾或过热情形的预警及自动防护系统中的应用需求。NASA目前开展了使用中高温形状记忆合金开发“智能机翼”以及发动机自能调节进气口等方面的研究，航空发动机、火箭发动机、核工业中高温部位的智能驱动结构有大量应用需求。NiTi合金添加稀贵金属第三元素可以有效提高相变温度，NiTiY(Y＝Zr，Hf)中温记忆合金价格低廉，特定成分合金的冷热加工性能较好，形状记忆效应较好，适合作为中温驱动的形状记忆合金。

发明内容

针对记忆合金驱动器现有驱动技术的不足，本发明提供了一种位移驱动放大机构及应用，以解决现有直丝驱动器驱动行程短，难于重复使用；驱动弹簧的双程训练工艺难度大，双向驱动结构复杂的问题。

具体技术方案如下：

一种位移驱动放大机构，由位移驱动放大机构单体单元组成，所述位移驱动放大机构单体单元包括固定连接头1、固定约束点2、支撑斜面3、V型约束分支4、支撑框架5、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8、导向滑轨9和燕尾槽10；

固定连接头1、固定约束点2、V型约束分支4、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8依次相连；所述的固定连接头1、支撑斜面3、位移移动方向限位块7固定在支撑框架5上，支撑框架5通过燕尾槽10坐在导向滑轨9上，可在导向滑轨9上直线或曲线运动，导向滑轨9长度等于或大于支撑框架5长度。

优选地，所述位移驱动放大机构为直线位移驱动放大机构或角度位移驱动放大机构。

优选地，所述位移驱动放大机构单体单元为一个或一个以上。当位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，下一级单元的固定连接头1连接到前一级单元的运动连接头8上，连接方式为固定连接头连接、磁性连接或卡扣连接。

优选地，V型约束分支4、V型转动分支6的材质均为记忆合金，感温动作温度区间20～400℃，具有单程或双程记忆效应；材料为镍钛形状记忆合金材料(如NiTi、NiTiZr、NiTiHf)丝、板或棒，直径或厚度尺寸为0.2～10mm。

V型约束分支4、V型转动分支6的制备方法为：V型镍钛记忆合金材料，通过热处理、热机械处理、冷变形后具有双程或单程形状记忆效应。其中，热处理制度为300～800℃下，保温1min～500min，然后水淬、空冷或炉冷；热机械处理处理制度为0～60％预冷变形，在300～800℃下，保温1min～500min，水淬、空冷或炉冷；冷变形制度为在低于奥氏体转变温度下冷变形2％～30％后直接应用。

如上所述的一种位移驱动放大机构的应用：当温度达到记忆合金驱动温度时，所述的固定连接头1、V型约束分支4，受支撑框架5、支撑斜面3约束，V型转动分支6绕圆周方向偏转5゜～60゜，通过位移方向运动限位块7的约束作用，转换为运动连接头8的直线位移或角度位移，实现位移、角度的驱动传输；当温度低于记忆合金驱动温度时，V型转动分支6自动恢复到初始位置，带动运动连接头8回缩或回转，完成双程驱动。

优选地，当位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，前一级机构单元的直线或圆周运动带动后一级机构单元在导向滑轨9上运动，达到位移驱动成倍放大的效果。

本发明的优点是：

本发明的位移驱动放大机构为单体化设计，可以自由组合，安装简单，节约空间，驱动位移大；单体单元中记忆合金V型转动分支圆周偏转，实现位移、角度的驱动传输，通过多级单体单元组合可实现直线传输位移、角度位移的放大；可使用温度范围广，可广泛应用于20～400℃温度范围的驱动，适合常温、中高温小空间位移驱动；具有自动感温驱动，适合航空、航天、核电等领域常温、高温驱动。

附图说明

图1为直线位移驱动放大机构单体单元示意图；图(a)显示的是结构1-9，图(b)显示的是结构9-10；

图2为角度位移驱动放大机构单体单元示意图；图(a)显示的是结构1-9，图(b)显示的是结构9-10；

图3为直线位移驱动放大机构单体单元工作原理示意图；

图4为直线位移驱动放大机构2级示意图；

图5为角度位移驱动放大机构2级示意图；

其中，1—固定连接头；2—固定约束点；3—支撑斜面、4—V型约束分支；5—支撑框架；6—V型转动分支；7—位移移动方向限位块；8—运动连接头；9—导向滑轨；10—燕尾槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作详细说明。

实施例1直线位移放大机构

如图1所示的直线位移驱动放大机构，由位移驱动放大机构单体单元组成，所述位移驱动放大机构单体单元包括固定连接头1、固定约束点2、支撑斜面3、V型约束分支4、支撑框架5、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8、导向滑轨9和燕尾槽10；

固定连接头1、固定约束点2、V型约束分支4、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8依次相连；所述的固定连接头1、支撑斜面3、位移移动方向限位块7固定在支撑框架5上，支撑框架5通过燕尾槽10坐在导向滑轨9上，可在导向滑轨9上直线运动，导向滑轨9长度等于或大于支撑框架5长度。

当位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，如图4所示，下一级单元的固定连接头1连接到前一级单元的运动连接头8上，连接方式为固定连接头连接、磁性连接或卡扣连接。

V型约束分支4、V型转动分支6的材质均为记忆合金，选用NiTiHf10合金(Hf含量10at％)1mm板材，通过热处理(热处理制度为300～800℃下，保温1min～500min，然后水淬、空冷或炉冷)定型成V型约束分支4、V型转动分支6，V型器件的弯曲处半径为5mm，具有双程记忆效应。

如上所述的一种位移驱动放大机构的应用：当温度升高到大于179℃时，固定连接头1、V型约束分支4，受支撑框架5、支撑斜面3约束，V型转动分支6绕圆周方向定向顺时针旋转30°，通过位移方向运动限位块7的约束作用，转换为运动连接头8的直线位移。一个标准单元50mm长度距离上，可传输4.5mm的直线位移，是直丝驱动位移1.5mm的2倍。由于选用了2级机构单元组合，前一级机构单元的直线运动带动后一级机构单元在导向滑轨9上运动，达到位移驱动成倍放大的效果，总体可产生9mm的位移。在低温时，各级单元的V型转动分支6自动恢复到初始位置，带动运动连接头8回缩，总体产生9mm直线收缩位移，完成双程驱动。

实施例2角度位移放大机构

如图2所示的角度位移驱动放大机构，由位移驱动放大机构单体单元组成，所述位移驱动放大机构单体单元包括固定连接头1、固定约束点2、支撑斜面3、V型约束分支4、支撑框架5、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8、导向滑轨9和燕尾槽10；

固定连接头1、固定约束点2、V型约束分支4、V型转动分支6、位移移动方向限位块7、运动连接头8依次相连；所述的固定连接头1、支撑斜面3、位移移动方向限位块7固定在支撑框架5上，支撑框架5通过燕尾槽10坐在导向滑轨9上，可在导向滑轨9上曲线运动。

当位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，如图5所示，下一级单元的固定连接头1连接到前一级单元的运动连接头8上，连接方式为固定连接头连接、磁性连接或卡扣连接。

V型约束分支4、V型转动分支6的材质均为记忆合金，选用NiTiHf20合金(Hf含量20at％)0.8mm板材，通过低温弯曲制成，弯曲处半径为5mm，加热到400℃恢复、反复训练10次记忆性能稳定，具有双程记忆效应。

如上所述的一种位移驱动放大机构的应用：当温度升高到大于351℃时，固定连接头1、V型约束分支4，受支撑框架5、支撑斜面3约束，V型转动分支6绕圆周方向定向顺时针旋转20°，通过位移方向运动限位块7的约束作用，转换为运动连接头8的角度位移。一个标准单元可传输20°的角度位移。由于选用了2级机构单元组合，前一级机构单元的角度位移带动后一级机构单元在导向滑轨9上运动，达到位移驱动成倍放大的效果，总体可产生40°的角度位移。在低温时，各级单元的V型转动分支6自动恢复到初始位置，带动运动连接头8回转，总体产生40°的角度收缩偏转，完成双程驱动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种位移驱动放大机构，其特征在于，由位移驱动放大机构单体单元组成，所述位移驱动放大机构单体单元包括固定连接头(1)、固定约束点(2)、支撑斜面(3)、V型约束分支(4)、支撑框架(5)、V型转动分支(6)、位移移动方向限位块(7)、运动连接头(8)、导向滑轨(9)和燕尾槽(10)；

固定连接头(1)、固定约束点(2)、V型约束分支(4)、V型转动分支(6)、位移移动方向限位块(7)、运动连接头(8)依次相连；所述的固定连接头(1)、支撑斜面(3)、位移移动方向限位块(7)固定在支撑框架(5)上，支撑框架(5)通过燕尾槽(10)坐在导向滑轨(9)上，可在导向滑轨(9)上直线或曲线运动，导向滑轨(9)长度等于或大于支撑框架(5)长度。

2.根据权利要求1所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，所述位移驱动放大机构为直线位移驱动放大机构或角度位移驱动放大机构。

3.根据权利要求1所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，所述位移驱动放大机构单体单元为一个或一个以上。

4.根据权利要求3所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，所述位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，下一级单元的固定连接头(1)连接到前一级单元的运动连接头(8)上。

5.根据权利要求4所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，位移驱动放大机构单体单元的连接方式为固定连接头连接、磁性连接或卡扣连接。

6.根据权利要求1所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，V型约束分支(4)、V型转动分支(6)的材质均为记忆合金，感温动作温度区间20～400℃，具有单程或双程记忆效应；材料为镍钛形状记忆合金材料丝、板或棒，直径或厚度尺寸为0.2～10mm。

7.根据权利要求6所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，V型约束分支(4)、V型转动分支(6)的制备方法为：V型镍钛记忆合金材料，通过热处理、热机械处理、冷变形后具有双程或单程形状记忆效应。

8.根据权利要求7所述的一种位移驱动放大机构，其特征在于，热处理制度为300～800℃下，保温1min～500min，然后水淬、空冷或炉冷；热机械处理处理制度为0～60％预冷变形，在300～800℃下，保温1min～500min，水淬、空冷或炉冷；冷变形制度为在低于奥氏体转变温度下冷变形2％～30％后直接应用。

9.权利要求1-6任一项所述的一种位移驱动放大机构的应用，其特征在于，当温度达到记忆合金驱动温度时，所述的固定连接头(1)、V型约束分支(4)，受支撑框架(5)、支撑斜面(3)约束，V型转动分支(6)绕圆周方向偏转5゜～60゜，通过位移方向运动限位块(7)的约束作用，转换为运动连接头(8)的直线位移或角度位移，实现位移、角度的驱动传输；当温度低于记忆合金驱动温度时，V型转动分支(6)自动恢复到初始位置，带动运动连接头(8)回缩或回转，完成双程驱动。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，当位移驱动放大机构单体单元为一个以上时，前一级机构单元的直线或圆周运动带动后一级机构单元在导向滑轨(9)上运动，达到位移驱动成倍放大的效果。