CN107091208A - 一种主动式双向驱动机构及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动式双向驱动机构及使用方法，该驱动机构适合航空、航天等领域驱动，属于记忆合金应用技术领域。该驱动机构包括驱动弹簧、弹片、下支撑面、上支撑面和电源等；驱动弹簧和弹片的两端分别固定在下支撑面和上支撑面上，弹片保持预张紧状态；驱动弹簧为记忆合金弹簧，弹片为记忆合金弹片，驱动弹簧的两端分别与电源的正、负极连接。该驱动机构中的驱动弹簧还可被替换成驱动丝，驱动丝绕过固定在上支撑面上的滑轮、两端固定在下支撑面上。本发明还公开了该驱动机构的使用方法。本发明的机构具有驱动位移大、驱动力大、实现小空间双向驱动、高的功重比等特点，适合航空、航天等各工业领域驱动件应用。

Description

一种主动式双向驱动机构及使用方法

技术领域

本发明涉及一种主动式双向驱动机构及使用方法，该驱动机构适合航空、航天等领域驱动，属于记忆合金应用技术领域。

背景技术

目前工业上常见的驱动件是利用电机系统驱动，其具有结构复杂、重量大、占用空间大、需要额外的能量输入系统、功重比(单位重量的输出力)小等缺点。利用普通双金属片驱动器作为功能性驱动件，两个或多个热膨胀系数不同的金属片焊接在一起，在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，优点是可以双向驱动，缺点是位移量较小，驱动力大小适中，靠感知温度驱动，不能自主驱动。利用石蜡驱动器作为功能性驱动件，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，实现位移驱动，缺点是驱动的响应时间较长，靠感知温度驱动，不能主动驱动。

利用记忆合金驱动弹簧或驱动丝与偏置弹片匹配作为驱动机构，通过通电后记忆合金弹簧形状记忆收缩或伸长、驱动丝的收缩，带动整体机构位移伸长与收缩，能主动控制双向驱动、输出位移和力，具有功重比高、结构简单、响应迅速、灵敏度高、可靠性好、动作无噪声等优点，实现小空间位移双向驱动传输，特别适合需要减轻重量，提高驱动功效的航空、航天等各工业领域应用。

发明内容

针对现有驱动器的不足，为了解决现有驱动功效比低、双向驱动位移小、被动感温驱动等缺点，本发明提供了一种主动式双向驱动机构，通过通电、冷却时记忆驱动弹簧或驱动丝与偏置弹片组合驱动动作，可实现主动双向驱动，具有驱动位移大、功重比高等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的主动式双向驱动机构包括两种结构型式，即驱动弹簧双向驱动机构和驱动丝双向驱动机构。

一种主动式双向驱动机构，为驱动弹簧主动式双向驱动机构，该驱动机构主要包括：驱动弹簧、弹片(即弹簧片)、下支撑面、上支撑面和电源；所述的驱动弹簧和弹片的两端分别机械连接固定在下支撑面和上支撑面上，所述的弹片保持预张紧状态；所述的驱动弹簧为记忆合金弹簧，所述的弹片为记忆合金弹片，所述的驱动弹簧的两端分别与电源的正、负极连接。

所述的驱动弹簧设计有两种，一种是记忆合金拉簧，即通电加热后产生收缩的拉簧设计；另一种是记忆合金推簧，即通电加热后伸长的推簧设计。所述的弹片为记忆合金超弹性态板材。

驱动弹簧驱动机构工作方式一：当驱动弹簧为记忆合金推簧时，驱动弹簧通电加热后伸长，驱动力大于偏置弹片的力，带动整个驱动机构伸长一定位移；冷却后偏置弹片的弹片收缩力大于驱动弹簧的力，驱动机构自动回缩，实现双向驱动。

驱动弹簧驱动机构工作方式二：当驱动弹簧为记忆合金拉簧时，驱动弹簧通电加热后缩短，驱动力大于偏置弹片的力，带动整个驱动机构缩短一定位移；冷却后由于偏置弹片的弹性伸长力大于驱动弹簧的力，驱动机构自动伸长，实现双向驱动。

上述驱动弹簧主动式双向驱动机构的使用方法，包括如下步骤：开启电源给驱动弹簧加热，使驱动弹簧的温度超过其马氏体相变结束温度，驱动弹簧伸长或收缩，带动整个机构伸长或收缩一定位移，驱动弹簧同时带动偏置弹片伸长或收缩，使其偏离初始状态，产生回弹力；然后断开电源，使驱动弹簧降温处于马氏体状态，屈服应力降低，为软态，弹片的回弹力压缩或拉长驱动弹簧回到原始位置，完成双向驱动。

另一种主动式双向驱动机构，为驱动丝主动式双向驱动机构，该驱动机构主要包括：驱动丝、弹片(弹簧片)、下支撑面、上支撑面、固定杆、滑轮和电源；所述的滑轮通过固定杆固定在上支撑面上，所述的驱动丝绕过滑轮、两端固定在下支撑面上，所述的弹片的两端分别机械连接固定在下支撑面和上支撑面上，所述的弹片保持预张紧状态；所述的驱动丝为记忆合金丝，所述的弹片为记忆合金弹片，所述的驱动丝的两端分别与电源的正、负极连接。

所述的驱动丝为镍钛记忆合金丝，在通电后或温度上升时可以产生直线、螺旋、V形等收缩反应，断电后恢复原状。

驱动丝驱动机构工作方式：驱动丝在通电后缩短，驱动力大于偏置弹片的力，带动整个驱动机构缩短一定位移，冷却后偏置弹片的弹性伸长力大于驱动丝材的屈服力，丝材拉长，驱动机构自动伸长，实现双向驱动。

上述驱动丝主动式双向驱动机构的使用方法，包括如下步骤：开启电源给驱动丝通电，使驱动丝温度超过其马氏体相变结束温度，驱动丝收缩，带动整个机构收缩一定位移，同时带动偏置弹片收缩，使其偏离初始状态，产生回弹力；然后断开电源，驱动丝降温处于马氏体状态，屈服平台低为软态，弹片的回弹力使它自然伸长，拉伸驱动丝，回复原状，完成双向驱动。

在驱动弹簧双向驱动机构和驱动丝双向驱动机构两种结构中，还具有如下技术特征：

所述驱动弹簧的伸长量为0.5～50mm；收缩量为0.5～50mm，丝径为0.1～2mm，弹簧外径为0.6～12mm。

所述驱动丝的收缩量为0.5～50mm，丝径为0.1～2mm。

所述驱动弹簧和驱动丝的马氏体相变温度结束温度为50～100℃。

所述的弹片的截面为矩形截面、扇形环截面等；弹片数量可为2～30片，弹片厚度为0.1～1.5mm；所述的弹片固定(偏置)于驱动弹簧或驱动丝的两侧或周围；优选的，所述的弹片沿着驱动弹簧或驱动丝的轴心呈圆周对称分布。

所述的弹片的马氏体相变温度结束温度小于等于-20℃；优选的，所述的弹片的马氏体相变温度结束温度小于等于-30℃。

所述的弹片为H型、单片型、多曲线型等，预先定型出一定曲线形状。

在驱动弹簧双向驱动机构和驱动丝双向驱动机构的使用方法中，开启电源加热或通电时电流为0.1A～10A，响应时间(通电时间)为1s～20s，所述的驱动弹簧伸长或收缩位移为0.5～50mm，所述的驱动丝收缩位移为0.5～50mm。

由以上技术方案可见，本发明提供的主动式双向驱动机构，通过驱动弹簧或驱动丝与偏置弹簧片的匹配，通电使驱动弹簧或驱动丝伸长或收缩，带动整个驱动机构伸长、回缩(或回缩、伸长)一定位移实现双向驱动功能。

本发明的优点是：

1.本发明的主动式双向驱动机构，根据驱动弹簧设计不同，具有高温伸长或高温收缩两种工作方式，低温回到初始位置，实现双向驱动，伸长或收缩动作控制两种用途。通过驱动丝与偏置弹片匹配，实现高温收缩，低温回到初始位置，达到双向驱动。在通电条件下，获得需要产生的伸长或收缩动作，可实现主动控制。

2.本发明的主动式双向驱动机构，具有功重比高、响应迅速等优点，实现小空间位移双向驱动传输，适合航空、航天等各工业领域驱动。

附图说明

图1为本发明驱动弹簧主动式双向驱动机构结构示意图。

图2为本发明驱动丝主动式双向驱动机构结构示意图。

图3(a)和图3(b)为本发明主动式双向驱动机构弹片截面示意图，其中图3(a)：矩形截面，图3(b)：扇形环截面。

图4为本发明主动式双向驱动机构弹簧片圆周位置示意图。

图5(a)和图5(b)为本发明主动式双向驱动机构弹片示意图，其中，图5(a)：主视图，图5(b)：右视图。

图6(a)和图6(b)为本发明主动式双向驱动机构螺旋形弹片示意图，其中图6(a)：主视图，图6(b)：右视图。

图7(a)和图7(b)为本发明主动式双向驱动机构H型弹片示意图，其中图7(a)：主视图；图7(b)：右视图。

图8为本发明主动式双向驱动机构工作示意图。

主要附图标记说明：

1 驱动弹簧 2 弹簧片

3 下支撑面 4 上支撑面

5 电源 6 驱动丝

7 固定杆 8 静滑轮

9 驱动杆 10 阀门

具体实施方式

本发明的主动式双向驱动机构，由中心记忆合金驱动弹簧或驱动丝与外侧记忆合金偏置弹片匹配组合而成。工作方式一是在动作温度区间内，驱动弹簧通电加热后伸长，驱动力大于偏置弹片力，带动整个驱动机构伸长一定位移；冷却后偏置弹片弹性收缩力大于驱动弹簧力，驱动机构自动回缩，实现双向驱动。工作方式二是在动作温度区间内，驱动弹簧或驱动丝通电加热后缩短，驱动力大于偏置弹片力，带动整个驱动机构缩短一定位移；冷却后由于偏置弹片弹性伸长力大于驱动弹簧或驱动丝力，驱动机构自动伸长，实现双向驱动。

下面结合附图，对优选实例作详细说明。

实施例1：

一种主动式双向驱动机构，包含驱动弹簧1、弹簧片2、下支撑面3、上支撑面4和电源5，如图1所示。驱动弹簧1、弹簧片2的两端分别机械连接固定在下支撑面3及上支撑面4上，弹簧片2保持预张紧状态。驱动弹簧1为记忆合金弹簧，为通电加热后产生伸长的推簧设计。弹簧片2为记忆合金弹片。弹簧片2截面为矩形截面，如图3(a)所示。弹簧片2共4片，沿着驱动弹簧1轴心圆周对称分布，如图4所示。弹簧片2为单片型，主视图如图5(a)，右视图如图5(b)所示，预先定型出一定曲率形状。该双向驱动机构工作示意图见图8。

上述主动式双向驱动机构记忆合金弹簧片2厚度为0.3mm，相变温度为-40℃。驱动弹簧1丝径为0.8mm，驱动弹簧1外径为5mm，伸长量为30mm。驱动弹簧1马氏体相变温度结束温度为70℃。

通过电源5给驱动弹簧1加热，输出电流4A，通电时间为6s，驱动弹簧1的温度超过马氏体相变结束温度，驱动弹簧1伸长30mm，带动固定于上支撑面4上的驱动杆9运动，封堵住位于驱动杆9上方的阀门10。驱动弹簧1同时带动偏置弹簧片2伸长，偏离初始状态，产生回弹力。当断电冷却后，驱动弹簧1降温处于马氏体状态，屈服应力降低，为软态，记忆合金弹簧片2回弹力大，压缩驱动弹簧1回到原始位置，打开阀门10，完成双向驱动。

实施例2：

一种主动式双向驱动机构，该双向驱动机构包含驱动丝6、弹簧片2、下支撑面3、上支撑面4、固定杆7、静滑轮8和电源5，如图2所示。固定杆7一端固定在上支撑面4上，另一端固定连接静滑轮8；驱动丝6绕过固定在上支撑面4的静滑轮8，两端固定在下支撑面3上，实现双倍位移输出。弹簧片2的两端分别机械连接固定在下支撑面3、上支撑面4上，弹簧片2为记忆合金弹簧片，保持预张紧状态。弹簧片2截面为扇形环截面，如图3(b)所示。弹簧片2共2片，沿着驱动丝圆周对称两侧，弹簧片2为螺旋形，主视图如图6(a)，右视图如图6(b)所示，预先定型出一定曲率形状。

该双向驱动机构记忆合金弹簧片2厚度为0.2mm，相变温度为-30℃。双向驱动机构驱动丝6丝径为0.6mm，收缩量为15mm。驱动丝6马氏体相变温度结束温度为80℃。

通过电源5通电，电流3A，响应时间为5s，超过驱动丝6相变温度，驱动丝6收缩15mm，带动上支撑面4运动15mm。同时带动偏置弹簧片2收缩，偏离初始状态，产生回弹力。当断电冷却后，驱动丝6处于马氏体状态，屈服平台低，为软态，记忆合金弹簧片2回弹力大，自然伸长，拉伸驱动丝6，整个机构伸长一定位移，完成双向驱动。

实施例3：

一种主动式双向驱动机构，该双向驱动机构包含驱动弹簧1、弹簧片2、下支撑面3、上支撑面4和电源5，如图1所示。驱动弹簧1、弹簧片2的两端分别机械连接固定在下支撑面3及上支撑面4上，弹簧片2保持预张紧状态。驱动弹簧1为记忆合金弹簧，为通电加热后产生收缩的拉簧设计。弹簧片2为记忆合金弹簧片，截面为矩形截面，如图3(a)所示。弹簧片2共2片，沿着驱动弹簧轴心圆周对称分布；弹簧片2为H型，主视图如图7(a)、右视图如图7(b)所示，预先定型出一定曲率形状。

记忆合金弹簧片2厚度为0.8mm，相变温度为-25℃，板材较厚，为减低弹性变形抗力设计成H型。驱动弹簧1丝径为1.5mm，驱动弹簧1外径为9mm，收缩量为20mm。驱动弹簧1马氏体相变结束温度为80℃。

通过电源5通电电流8A，响应时间为11s，超过驱动弹簧1相变温度，驱动弹簧1收缩20mm。驱动弹簧1同时带动偏置弹簧片2压缩，偏离初始状态，产生回弹力。当断电冷却后，驱动弹簧1降温处于马氏体软态，记忆合金弹簧片2回弹力大，伸长驱动弹簧1回到原始位置，完成双向驱动。

本发明的驱动机构具有驱动位移大、驱动力大、实现小空间双向驱动、高的功重比等特点，适合航空、航天等各工业领域驱动件应用。

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)

1.一种主动式双向驱动机构，其特征在于：该驱动机构包括驱动弹簧、弹片、下支撑面、上支撑面和电源；所述的驱动弹簧和弹片的两端分别固定在下支撑面和上支撑面上，所述的弹片保持预张紧状态；所述的驱动弹簧为记忆合金弹簧，所述的弹片为记忆合金弹片，所述的驱动弹簧的两端分别与电源的正、负极连接。

2.一种主动式双向驱动机构，其特征在于：该驱动机构包括驱动丝、弹片、下支撑面、上支撑面、固定杆、滑轮和电源；所述的滑轮通过固定杆固定在上支撑面上，所述的驱动丝绕过滑轮、两端固定在下支撑面上，所述的弹片的两端分别固定在下支撑面和上支撑面上，所述的弹片保持预张紧状态；所述的驱动丝为记忆合金丝，所述的弹片为记忆合金弹片，所述的驱动丝的两端分别与电源的正、负极连接。

3.根据权利要求1或2所述的主动式双向驱动机构，其特征在于：所述的驱动弹簧为推簧或拉簧，所述驱动弹簧的伸长量或收缩量为0.5～50mm，丝径为0.1～2mm，外径为0.6～12mm；所述驱动丝的收缩量为0.5～50mm，丝径为0.1～2mm。

4.根据权利要求3所述的主动式双向驱动机构，其特征在于：所述驱动弹簧或驱动丝的马氏体相变结束温度为50～100℃。

5.根据权利要求1或2所述的主动式双向驱动机构，其特征在于：所述的弹片的截面为矩形截面或扇形环截面；所述的弹片数量为2～30片，弹片厚度为0.1～1.5mm；所述的弹片沿着驱动弹簧或驱动丝的轴心呈圆周对称分布。

6.根据权利要求5所述的主动式双向驱动机构，其特征在于：所述的弹片的马氏体相变结束温度小于等于-20℃。

7.根据权利要求6所述的主动式双向驱动机构，其特征在于：所述的弹片为H型、单片型或多曲线型，预先定型出一定曲线形状。

8.一种主动式双向驱动机构的使用方法，包括如下步骤：开启电源给驱动弹簧加热，使驱动弹簧的温度超过其马氏体相变结束温度，驱动弹簧伸长或收缩，带动整个机构伸长或收缩一定位移，驱动弹簧同时带动偏置弹片伸长或收缩，使其偏离初始状态，产生回弹力；然后断开电源，使驱动弹簧降温处于马氏体状态，弹片的回弹力压缩或拉长驱动弹簧回到原始位置，完成双向驱动。

9.一种主动式双向驱动机构的使用方法，包括如下步骤：开启电源给驱动丝通电，使驱动丝温度超过其马氏体相变结束温度，驱动丝收缩，带动整个机构收缩一定位移，同时带动偏置弹片收缩，使其偏离初始状态，产生回弹力；然后断开电源，驱动丝降温处于马氏体状态，弹片的回弹力使它自然伸长，拉伸驱动丝，回复原状，完成双向驱动。

10.根据权利要求8或9所述的主动式双向驱动机构的使用方法，其特征在于：开启电源时电流为0.1A～10A，响应时间为1s～20s，所述的驱动弹簧伸长或收缩位移为0.5～50mm，所述的驱动丝收缩位移为0.5～50mm。