CN110792739B - 一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置 - Google Patents

一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，包括动力单元和剪叉单元；动力单元至少有一个，剪叉单元有若干个，动力单元与剪叉单元铰接，剪叉单元与动力单元或与相邻的剪叉单元铰接，所有的剪叉单元和动力单元形成一个封闭环；动力单元包括第一连接块、第二连接块、位于第一连接块和第二连接块之间的智能材料；第一连接块和第二连接块均与智能材料固定连接，剪叉单元包括两条相互铰接的剪叉臂；第一连接块的一端和第二连接块的一端分别与其中一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，第一连接块的另一端和第二连接块的另一端分别与另外一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接。本发明能根据温度变化做出热缩冷胀响应，属于致动装置的技术领域。

Description

一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置
技术领域
本发明涉及温度波动的精密仪器、热致动器等技术领域，尤其涉及一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置。
背景技术
具有热缩冷胀特性的结构在温度波动的下表现出与常见的物质相反的特殊性能，这种特殊性能在光学仪器、精密仪器、热致动器等领域具有重要意义。然而，自然界内存在的热缩冷胀的结构通常由于机械性能差、机械响应难以预测和调节等缺点限制了其在实际工程的运用。针对于这些缺点，近年来不少研究人员也通过有目的地设计周期排列单胞结构或者选择适当的材料来设计热缩冷胀超结构，可以实现人为地预测或调整结构的热机械响应。这些新型结构中大多数由具有不同热膨胀系数的两种材料成分中的热膨胀之差，再结合高度复杂的几何形状，实现热缩冷胀特性。虽然上述的热缩冷胀超结构与天然材料相比具备更加明显热缩冷胀特性。但它们的伸缩比仍然很小，机械响应通常还是很难准确预测和调整；同时两种或两种以上材料组成的连接处容易产生明显的应力集中，而且两种不同材料的连接处会导致加工制造困难。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，该装置在较小的温度波动下具有较大伸缩比的热缩冷胀超材料特性，同时避免造成明显的应力集中，而且极易加工制造。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，包括动力单元和剪叉单元；动力单元至少有一个，剪叉单元有若干个，动力单元与剪叉单元铰接，剪叉单元与动力单元或与相邻的剪叉单元铰接，所有的剪叉单元和动力单元形成一个封闭环；
动力单元包括第一连接块、第二连接块、位于第一连接块和第二连接块之间的智能材料；智能材料具有热胀冷缩特性，第一连接块和第二连接块均与智能材料固定连接，剪叉单元包括两条相互铰接的剪叉臂；第一连接块的一端和第二连接块的一端分别与其中一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，第一连接块的另一端和第二连接块的另一端分别与另外一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，在相邻的两个剪叉单元之间，其中一个剪叉单元的两条剪叉臂分别与另一个剪叉单元的两条剪叉臂铰接。智能材料热胀冷缩的时候，所有的剪叉单元的两条剪叉臂会转动，最后整个致动装置呈现热缩冷胀的特性。
进一步的是：动力单元还包括直轴；智能材料为形状记忆弹簧，第二连接块上设有轴孔，直轴的一端与第一连接块固定连接，直轴的另一端穿过第二连接块的轴孔，第二连接块滑动式安装在直轴上，形状记忆弹簧的套在直轴上且形状记忆弹簧的两端分别与第一连接块、第二连接块固定连接。形状记忆弹簧具有可以热胀冷缩，形状记忆弹簧伸长的时候，整个致动装置的就会收缩，形状记忆弹簧缩短的时候，整个致动装置的就会膨胀。
进一步的是：剪叉臂为弯折状，剪叉臂的弯折处设有铰接孔和铰链，同一剪叉单元的两条剪叉臂均在弯折处通过铰链穿过铰接孔相互铰接。
进一步的是：剪叉臂、第一连接块、第二连接块的两端均设有铰接孔和铰链，第一连接块和第二连接块均通过铰链穿过铰接孔与剪叉臂铰接。
进一步的是：第一连接块、第二连接块和剪叉臂均为刚性材料。刚性材料对温度是不敏感，保证了整个致动装置运动的唯一性。
进一步的是：动力单元有四个，四个呈动力单元在封闭环上成90°分布，相邻的两个动力单元之间设有四个剪叉单元。多个动力单元使得整个致动装置的热缩冷胀更加灵敏。
进一步的是：剪叉臂的弯折角度为157.5°。
进一步的是：同一个动力单元的直轴、第一连接块、第二连接块均位于所有剪叉单元和动力单元形成的封闭环的同一条半径上，第一连接块与封闭环中心的距离大于第二连接块与封闭环中心的距离。保证致动装置在热缩冷胀过程中第一连接块的位置保持不变，第二连接块、智能材料、剪叉单元形成的总体具有热缩冷胀特性。
进一步的是：第一连接块、第二连接块均呈工字型。
总的说来，本发明具有如下优点：
一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，本发明提出的动力单元剪叉单元和动力单元形成的封闭环可以实现较大的伸缩比，而作为热驱动的智能材料具有较高的正热膨胀系数，因此本致动装置可以脱离传统材料的限制获得较大的伸缩比和更好的均匀性。本发明所采用的智能材料可以精确的预测和调整其机械响应，而环形结构也可以通过运动学原理预测其运动轨迹，因此整个致动装置的机械响应也可以精确的预测和调整。同时，智能材料在长期的温度循环过程中避免了应力集中。本发明所采用的智能材料和刚性材料的结合，两种材料的连接处只需要固定连接即可，两种不同材料之间的热膨胀不会对机械响应造成很大的影响，这样的结合也更加容易制造。本发明的结构简单，只有单一自由度；其响应的伸缩比与同类型超材料相比显著提高，同时，致动装置在运动过程中始终保持大小不同的环状。
附图说明
图1是本致动装置的结构示意图。
图2是剪叉单元和动力单元的结构示意图。
图3是温度降低时本致动装置的膨胀状态示意图。
图4是温度升高时本致动装置的收缩状态示意图。
图5是本致动装置设计的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：
1为剪叉单元，2为第一连接块，3为第二连接块，4为剪叉臂，5为直轴，6为形状记忆弹簧。
结合图1、图2、图3、图4所示，一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，包括动力单元和剪叉单元；动力单元至少有一个，剪叉单元有若干个，动力单元与剪叉单元铰接，剪叉单元与动力单元或与相邻的剪叉单元铰接，所有的剪叉单元和动力单元形成一个封闭环；封闭环的结构并不局限于圆形界面，也可以扩展到其他的二维或三维的可展机构，比如方形可展机构，球形可展机构等。动力单元只与剪叉单元铰接，剪叉单元可以与动力单元铰接，剪叉单元也可以与其他剪叉单元铰接。
动力单元包括第一连接块、第二连接块、位于第一连接块和第二连接块之间的智能材料；智能材料具有热胀冷缩特性，第一连接块和第二连接块均与智能材料固定连接，剪叉单元包括两条相互铰接的剪叉臂；动力单元的两端均与一个剪叉单元相邻且动力单元的两端均分别剪叉单元铰接，第一连接块的一端和第二连接块的一端分别与其中一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，第一连接块的另一端和第二连接块的另一端分别与另外一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接。在相邻的两个剪叉单元之间，即两个剪叉单元互相铰接的时候，其中一个剪叉单元的两条剪叉臂的末端分别与另一个剪叉单元的两条剪叉臂的末端铰接。智能材料在温度波动下作为热驱动，智能材料可以根据温度变化产生热胀冷缩，封闭环结构的致动装置在智能材料的驱动下产生机械响应，第一连接块和第二连接块之间的距离发生改变，同一个剪叉单元的两条剪叉臂绕着相互铰接的点转动，相邻的两个剪叉单元相互转动，使得整个致动装置表现出热缩冷胀特性。封闭环状的结构使得致动装置具有单一运动自由度。
动力单元还包括直轴；智能材料为形状记忆弹簧，第二连接块上设有轴孔，直轴的一端与第一连接块固定连接，直轴的另一端穿过第二连接块的轴孔，第二连接块滑动式安装在直轴上，形状记忆弹簧的套在直轴上且形状记忆弹簧的两端分别与第一连接块、第二连接块固定连接。智能材料并不局限于使用某一种材料，而是一系列高的正热膨胀系数材料，比如双程的形状记忆弹簧，双程的形状记忆聚合物等可以热胀冷缩的材料。形状记忆弹簧可以感受温度的变化，温度升高的时候，形状记忆弹簧可以伸长，从而使得第二连接块在直轴上滑动并远离第一连接块，最后整个致动装置呈现一个收缩的状态，温度降低的时候，形状记忆弹簧可以缩短，从而使得第二连接块在直轴上滑动并靠近第一连接块，最后整个致动装置呈现一个膨胀的状态。
本实例中，动力单元有四个，四个呈动力单元在封闭环上成90°分布，相邻的两个动力单元之间设有四个剪叉单元。
同一个动力单元的直轴、第一连接块、第二连接块均位于所有剪叉单元和动力单元形成的封闭环的同一条半径上，第一连接块与封闭环中心的距离大于第二连接块与封闭环中心的距离。第二连接块比第一连接块更靠近封闭环的中心。
剪叉臂为弯折状，剪叉臂的弯折角度为157.5°。剪叉臂的弯折处设有铰接孔和铰链，同一剪叉单元的两条剪叉臂均在弯折处通过铰链穿过铰接孔相互铰接。铰链与铰接孔的配合是可以允许两条剪叉臂之间可以相互转动。
剪叉臂、第一连接块、第二连接块的两端均设有铰接孔和铰链，第一连接块和第二连接块均通过铰链穿过铰接孔与剪叉臂铰接。铰链与铰接孔的配合是可以允许剪叉臂绕着第一连接块或第二连接块转动。第一连接块、第二连接块均呈工字型。剪叉臂铰接在第一连接块或第二连接块的槽内，剪叉臂转动的时候会更加平稳，工字型的第一连接块、第二连接块可以防止剪叉臂向铰接孔的轴线方向偏移。
第一连接块、第二连接块和剪叉臂均为刚性材料。铰链与剪叉臂可以根据具体使用场合选用对温度不敏感的刚性材料。
剪叉臂经过精心设计其相关尺寸参数，可以剪叉单元和动力单元铰接封闭环结构。同时，在剪叉臂的两端以及弯折处分布有铰接孔，用于安装铰链。铰链一般采用子母铆钉，用于将剪叉臂、第一连接块、第二连接块等连接成封闭环的结构。由于铰链允许两条剪叉臂之间和剪叉臂与第一连接块、第二连接块之间相互转动，使得本致动装置能够在合理尺寸范围内实现收缩或者伸展。
致动装置又称作动器或执行机构，其作用是将控制器输出的等非机械量转变为应变、位移、力等机械力学量，以实现对控制对象的应变驱动、位移驱动、力驱动的目的。本致动装置具有热缩冷胀材料特性，可以将温度变化转成弹簧的机械能，最后转换为位移和力。
结合图1、图3、图4、图5所示，由于封闭环结构是高级对称的理想圆，图5中，只要夹角α始终保持不变，这也让环形超结构在运动过程保持圆型。
具体的说，剪叉单元和动力单元要连接成单一自由度的封闭环结构的前提是需要满足以下条件：
Figure BDA0002237539700000051
Figure BDA0002237539700000052
其中，N是剪叉单元个数，β为剪叉臂l1和l2之间的夹角。
剪叉臂l1与Z轴之间的夹角θ有以下关系：
Figure BDA0002237539700000061
则根据运动学原理，封闭环的直径与形状记忆弹簧的长度h之间的关系可以表示为：
Figure BDA0002237539700000062
为了量化该超结构随温度变化的机械响应，还需要得到形状记忆弹簧的本构模型。通过对形状记忆弹簧的Brinson本构模型进行适当修正，则可推导出形状记忆弹簧的形变量Δλ为：
Figure BDA0002237539700000063
式中，n为形状记忆弹簧的有效圈数，Ds为形状记忆弹簧的直径，d为形状记忆弹簧丝的直径，k为应力公式修正系数，γ为剪切应变。
结合式(4)和式(5)可以得到封闭环的直径D与温度T之间关系，可表示为
Figure BDA0002237539700000064
为了更好地理解所提出致动装置的热缩冷胀特性，从理论上推导了伸缩比来定量地预测其及机械响应，当在温度由T0变化到T0+ΔT时，其伸缩比为
Figure BDA0002237539700000065
根据式(6)和(7)可以精确地预测和调整其机械响应。
本致动装置的工作原理：作为热感驱动器的智能材料，智能材料的热变形会将内力带入整个致动装置中，并引起致动装置的热缩冷胀响应。致动装置具有单一运动自由度。当温度升高时，形状记忆弹簧膨胀，引起形状记忆弹簧的伸长；将内力代入整个致动装置中，从而导致致动装置往中间空隙压缩，最终占用更少的空间。当温度降低时，形状记忆弹簧收缩，引起形状记忆弹簧的缩短，从而导致致动装置往外扩张，最终占用更多的空间。因此本致动装置在热应变和机械响应之间的结合下使整个致动装置表现出热缩冷胀材料特性。本发明能够在小的温度波动范围内进行大范围和精确的预测和调整其热缩冷胀响应。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，其特征在于：包括动力单元和剪叉单元；动力单元至少有一个，剪叉单元有若干个，动力单元与剪叉单元铰接，剪叉单元与动力单元或与相邻的剪叉单元铰接，所有的剪叉单元和动力单元形成一个封闭环；
动力单元包括第一连接块、第二连接块、位于第一连接块和第二连接块之间的智能材料；智能材料具有热胀冷缩特性，第一连接块和第二连接块均与智能材料固定连接，剪叉单元包括两条相互铰接的剪叉臂；第一连接块的一端和第二连接块的一端分别与其中一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，第一连接块的另一端和第二连接块的另一端分别与另外一个相邻的剪叉单元的两条剪叉臂铰接，在相邻的两个剪叉单元之间，其中一个剪叉单元的两条剪叉臂分别与另一个剪叉单元的两条剪叉臂铰接；第一连接块、第二连接块和剪叉臂均为刚性材料；动力单元有四个，四个呈动力单元在封闭环上成90°分布，相邻的两个动力单元之间设有四个剪叉单元；
动力单元还包括直轴；智能材料为形状记忆弹簧，第二连接块上设有轴孔，直轴的一端与第一连接块固定连接，直轴的另一端穿过第二连接块的轴孔，第二连接块滑动式安装在直轴上，形状记忆弹簧套在直轴上且形状记忆弹簧的两端分别与第一连接块、第二连接块固定连接；
同一个动力单元的直轴、第一连接块、第二连接块均位于所有剪叉单元和动力单元形成的封闭环的同一条半径上，第一连接块与封闭环中心的距离大于第二连接块与封闭环中心的距离；
形状记忆弹簧可以感受温度的变化，温度升高的时候，形状记忆弹簧可以伸长，从而使得第二连接块在直轴上滑动并远离第一连接块，最后整个致动装置呈现一个收缩的状态，温度降低的时候，形状记忆弹簧可以缩短，从而使得第二连接块在直轴上滑动并靠近第一连接块，最后整个致动装置呈现一个膨胀的状态。
2.按照权利要求1所述的一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，其特征在于：剪叉臂为弯折状，剪叉臂的弯折处设有铰接孔和铰链，同一剪叉单元的两条剪叉臂均在弯折处通过铰链穿过铰接孔相互铰接。
3.按照权利要求1所述的一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，其特征在于：剪叉臂、第一连接块、第二连接块的两端均设有铰接孔和铰链，第一连接块和第二连接块均通过铰链穿过铰接孔与剪叉臂铰接。
4.按照权利要求1所述的一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，其特征在于：剪叉臂的弯折角度为157.5°。
5.按照权利要求1所述的一种具有热缩冷胀超材料特性的致动装置，其特征在于：第一连接块、第二连接块均呈工字型。
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