CN112744366A - 一种记忆金属双向驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种记忆金属双向驱动器。该驱动器依靠两根对拉的SMA丝实现双向驱动，滑销不同高度设置梯形槽，当滚珠进入梯形槽时，在弹簧、保持架、梯形槽的共同作用下受力平衡，滑销被限位，驱动器保持稳定状态。需要进行状态切换时，对主动SMA丝通电使其收缩，驱动滑销移动，滚珠从初始槽向目标槽移动，当滚珠移至目标槽边缘后，弹簧力从阻力转为驱动力，推动滚珠滑入目标槽，驱动器状态切换完成。该驱动器的稳定状态依靠滚珠‑弹簧‑梯形槽结构保持，无需持续通电；可自动复位、重复工作，滑销伸出和缩回的驱动力基本相同，可靠性高；驱动力和驱动位移可调，质量轻、惯性小、功重比大，能在狭小空间内实现大载荷输出，安全性高。

Description

一种记忆金属双向驱动器

技术领域

本发明涉及双向驱动器技术领域，特别涉及一种记忆金属丝(SMA丝)驱动的双向驱动器。

背景技术

航天器的空间展开机构、航空炸弹保险等设备上所用的锁紧装置，需要实现锁紧和解锁双向驱动的功能。例如，航天器的空间展开机构在轨展开到位后，需要锁紧装置对其展开状态进行锁定；当航天器需要做机动变轨时，展开机构需要收拢，锁紧装置解除锁定；收拢到位后，再次对收拢后结构进行锁定限位。这就需要锁紧装置可以实现双向驱动，并提供锁紧位和解锁位两个稳定状态。

现有的双向驱动器主要是电磁铁式驱动器，其工作的基本原理是：对电磁铁通电，使衔铁吸合推动锁销伸出，实现锁紧功能；电磁铁断电，偏置弹簧推动衔铁复位，进而带动锁销缩回，实现解锁。即实现通电锁紧、断电解锁，或者是通电解锁、断电锁紧的状态切换。

这种驱动器虽然可以实现双向驱动功能，但其锁紧位和解锁位两个稳定状态中，有一个必然需要持续对电磁铁通电才能维持，一旦供电系统出现异常，锁销就会出现意外的运动。此外，由于电磁铁吸合力远大于偏置弹簧的弹簧力，因此这种驱动器锁销伸出或缩回的驱动力相差较大，无法做到推出和缩回力相近，使用可靠性受限。还有，电磁铁中的衔铁质量大，导致驱动器的功重比小，输出的锁紧载荷有限，不适用于狭小空间；而用于航空炸弹保险的双向驱动器，质量大会导致驱动器惯性大，在战斗机机动飞行时的大过载可能会引起保险意外动作，安全性不足。

发明内容

本发明针对现有双向驱动器的不足，提供了一种记忆金属双向驱动器，该驱动器在解锁位和锁紧位均可保持稳定，可重复使用，可靠性高、安全性好。

本发明采用的技术方案为：一种记忆金属双向驱动器。包括滑销、保持架、外壳、SMA丝、滚珠、弹簧和堵盖。该驱动器通过保持架的法兰边安装在固定结构上，对SMA丝通电可驱动滑销沿保持架的内腔移动，滑销伸出时分离结构锁定，防止其相对于固定结构发生运动，滑销缩回时解除对分离结构的限位。滑销上的不同高度设有梯形槽，分别对应滑销的不同伸出高度，当滚珠进入梯形槽时，在弹簧、保持架、梯形槽的共同作用下受力平衡，驱动器保持稳定状态。

其中，所述滑销为本发明的作动元件，其总体为轴式结构，中部不同高度设有梯形槽，梯形槽的上方和下方各设有一个通孔。梯形槽用于容纳滚珠进而对滑销进行纵向限位，其中，上梯形槽用于驱动器锁紧状态下容纳滚珠，下梯形槽用于解锁状态下容纳滚珠。两个通孔正交设置，用于布置SMA丝。

其中，所述保持架近似T型结构，横向的法兰边上设有螺纹孔，用于驱动器在固定结构上的安装，纵向为管状结构，其内腔为滑销提供上下移动的轨道。管状结构中部与滑销梯形槽对应位置上设有圆形通孔(以下简称圆孔)，其直径略大于滚珠直径；与滑销的正交通孔对应位置上分别设有一组腰型孔，为两根SMA丝的驱动过程提供运动空间。

其中，所述外壳为一端封闭的管状结构，与保持架共同组成驱动器的支撑结构。外壳中部与保持架圆孔对应位置处设有横向轨道。

其中，所述SMA丝设有两根，正交设置，分别从滑销的两个通孔穿过，并固定在外壳侧壁上。两根丝对拉驱动，滑销伸出过程，靠下的SMA丝是主动丝，靠上的SMA丝是被动丝；滑销缩回过程则相反。

其中，所述弹簧预压缩安装在外壳的横向轨道中，内侧顶住滚珠，外侧支撑在堵盖上。

其中，所述滚珠用于对滑销限位，当滚珠处在滑销梯形槽中时，其在梯形槽、弹簧和保持架圆孔之间受力平衡，滑销被保持在一定的伸出高度，驱动器保持稳定状态；滚珠所处梯形槽不同，对应不同的滑销伸出高度；梯形槽在纵向的数量决定了驱动器稳定状态的数量。

进一步地，本发明驱动器在不同稳定状态的切换(以下简称状态切换)，对应滑销移动使滚珠从一个梯形槽移至另一个梯形槽的过程，前者称为初始槽，后者称为目标槽。

进一步地，驱动器状态切换时，滚珠从初始槽移出直至其球心到达目标槽边缘的过程中，弹簧的弹簧力是滑销移动的阻力，当滚珠的球心经过目标槽边缘后，弹簧对滚珠的推力转化为滑销移动的驱动力；之后，主动SMA丝需要提供的驱动力会逐渐减小，滑销依靠梯形槽斜坡和弹簧即可继续移动。因此，根据滚珠所处位置，可将驱动器状态切换过程分为前期和后期两个阶段，两个阶段中弹簧力的作用不同。

本发明的驱动过程即状态切换的过程，需要状态切换时，对主动SMA丝通电使其受热后收缩，从而驱动滑销移动，滚珠的受力平衡状态被打破，滚珠在梯形槽斜坡挤压下从初始槽中移出，解除对滑销的限位，当滑销移动到目标槽的边缘与滚珠球心对齐后，滚珠在弹簧力作用下滑入目标槽，主动SMA丝断电，滚珠再次进入受力平衡状态，驱动器状态切换完成。

进一步地，调整梯形槽在纵向的间距，可改变驱动器的输出位移。当梯形槽纵向间距为0，即采用连续布置的梯形槽时，滑销的伸出、收缩距离最小，即驱动器的输出位移最小，稳定状态的切换速度最快。

进一步地，所述堵盖与外壳、保持架与外壳的连接处均为固接，可以采用螺纹连接或胶粘连接。

进一步地，所述弹簧为滚珠提供向内的压紧力，将滚珠压入滑销梯形槽，进而对滑销进行限位，从而确保驱动器处于稳定状态。可以理解，这种横向弹簧-滚珠的结构也可以用其他结构来代替，如：(1)纵向弹簧-弹簧衬套-滚珠结构，纵向弹簧推动带有斜面的弹簧衬套来压紧滚珠；(2)弹片-滚珠结构，利用弹片的弹力回复力来压紧滚珠；(3)带有半球头的弹片结构，直接用其半球头结构对滑销进行限位。

本发明的双向驱动器，相比传统的电磁铁式双向驱动器，其优势表现在：

(1)利用梯形槽、弹簧、滚珠结构，使驱动器的滑销在伸出和缩回状态均可保持稳定，克服了现有电磁铁式双向驱动器需要持续通电才能保持稳定的缺点。

(2)能够实现自动复位，可重复工作，滑销伸出和缩回的驱动力基本相同，驱动器双向驱动过程的难易程度相当，可靠性高。

(3)运动部件无衔铁，质量轻、惯性小、功重比大，能在狭小空间内实现大载荷输出，安全性高。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的锁紧状态示意图；

图2为本发明一种实施方式的解锁状态示意图；

图3为本发明一种实施方式状态切换过程力-位移关系曲线；

图4为本发明另一种实施方式的锁紧状态示意图；

图5为本发明另一种实施方式状态切换过程力-位移关系曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明的原理。

本发明提供一种记忆金属双向驱动器，基于本发明的一种实施方式，如图1～图2所示，包括滑销1、保持架2、外壳3、上SMA丝4、下SMA丝5、滚珠6、弹簧7、堵盖8。

滑销1为本发明的作动元件，其总体为轴式结构，中部带有两组连续的梯形槽，用于容纳滚珠6进而对滑销1限位；上梯形槽用于滑销1伸出状态的保持，下梯形槽用于滑销1缩回状态的保持。滑销1上还设有两个正交的通孔，梯形槽上部的孔用于布置上SMA丝4，梯形槽下部的通孔用于布置下SMA丝5。

保持架2近似T型结构，横向为法兰安装边，用于驱动器在固定结构上的安装，纵向为管状结构，其内腔为滑销提供上下移动的轨道。管状结构中部与滑销1梯形槽对应位置上设有圆孔，用于容纳滚珠6；与滑销1的正交通孔对应位置上分别设有一组腰型孔，为上SMA丝4和下SMA丝5的驱动过程提供运动空间。

外壳3为一端封闭的管状的结构，其开放端与保持架2的法兰边连接，共同组成驱动器的支撑结构。外壳3中部与保持架2圆孔对应位置处设有横向轨道。

预压缩的弹簧7安装在外壳3的横向轨道中，外侧支撑在堵盖8上，内侧顶住滚珠6。

本发明驱动器的双向驱动过程依靠对拉的上SMA丝4和下SMA丝5实现。具体工作过程如下：

锁紧状态下，滚珠6在滑销1的下梯形槽、保持架2的圆孔和弹簧7三者共同作用下保持平衡，使滑销1稳定在伸出位置，驱动器稳定在锁紧位。

需要解锁时，上SMA丝4是主动丝，对其通电，上SMA丝4受热后收缩，从而驱动滑销1下移，滚珠6被挤压向外侧移动，解除对滑销1的限位，当滑销1下移到上梯形槽到达保持架2圆孔处时，滚珠6被弹簧7的弹簧力推进上梯形槽中，滚珠在滑销1的上梯形槽、保持架2的圆孔和弹簧7之间平衡，上SMA丝4断电，驱动器稳定在解锁位。

需要再次锁紧时，下SMA丝5为主动丝，对其通电，驱动滑销1上移，滚珠6向外侧移动从而解除对滑销1的限位，当滑销1上移到下梯形槽到达保持架2圆孔处时，滚珠6被弹簧7的弹簧力推进下梯形槽中，滚珠在滑销1的下梯形槽、保持架2的圆孔和弹簧7之间平衡，下SMA丝5断电，驱动器回到锁紧位稳定状态。

本发明中，利用弹簧-滚珠配合滑销的两组梯形槽来实现驱动器在锁紧位和解锁位的两个稳定状态。驱动器在两个稳定状态切换时，滑销移动需要克服的阻力包括：①滑销与保持架等结构的摩擦力，②被动SMA丝的抗拉张力，③滚珠的球心达到目标梯形槽顶点前，弹簧对滚珠的压紧力。滑销移动的驱动力来自两个方面：①主动SMA丝受热收缩产生的驱动力，②滚珠的球心经过目标梯形槽顶点后，弹簧对滚珠的推力。

上述实施方式中，滑销1上的两组梯形槽连续布置，两组槽间距为0，中间过度部位为三角结构，滚珠6在三角峰处无法保持平衡，经过三角峰后，滚珠6在弹簧7的推力作用下即可滑入另一个梯形槽，因此驱动器可以在锁紧位和解锁位两个稳定状态快速切换。

图3给出了本发明驱动器状态切换过程的力-位移的关系曲线。以驱动器由解锁位向锁紧位的切换(即滑销伸出的过程)为例进行说明。A点对应驱动器解锁状态，此时，滑销1完全缩回，滚珠6处在上梯形槽的解锁位平衡。对下SMA丝5通电，使其收缩驱动滑销1上移，滚珠6失去平衡向外侧移动并压缩弹簧7，滑销1上移需要同时克服三种阻力，所需的驱动力逐渐增大，当滑销1的三角峰与滚珠6的球心对齐时，所需要的驱动力达到最大值，即图示B点。之后，由于滚珠6在三角峰处无法稳定，仅需要较小的驱动力即可使滚珠6滑向下梯形槽，且弹簧7的弹簧力由阻力转换为驱动力，滑销1继续上移仅需要克服前两种阻力，主动SMA丝需要提供的驱动力逐渐减小到0(图示C点)，滑销1仅靠弹簧力和梯形槽的斜坡结构，即可继续上移，直至滑销1完全伸出(图示D点)，滚珠6到达锁紧位平衡，驱动器进入锁紧状态。

需要特别说明的是，在图3中，从A点到C点，滑销1需要依靠主动SMA丝通电加热产生的驱动力才能移动，而从C点到D点，驱动器不需要任何能量输入，即可实现滑销移动，同时还能对外输出一定的力。梯形槽下底角的角度(以下简称梯形槽角度)不同，驱动器状态切换过程需要的驱动力和输出的力大小也不同，如图3所示，下梯形槽角度θ₁越大，状态切换前期需要的驱动力的越大，上梯形槽角度θ₂越大，状态切换后期输出的力也越大。同理，在滑销收缩过程中，上梯形槽角度越大，状态切换前期需要的驱动力的越大，下梯形槽角度越大，状态切换后期输出的力也越大。

如前所述，滚珠受力平衡对滑销限位，是本发明驱动器保持稳定状态的关键，滚珠的受力主要包括弹簧的横向推力和滑销梯形槽的侧向压力。因此，除了采用不同的梯形槽角度，还可以通过改变弹簧参数来获得不同的力-位移关系，进而调整滑销伸出/缩回的难度。可以理解，弹簧刚度越大，状态切换前期，滚珠向外侧移动时受到的弹簧阻力就越大，需要的驱动力就越大，状态切换后期，滚珠向内移动时弹簧提供的推力也越大，驱动器向外输出的力也越大。

基于本发明的另一种实施方式，如图4所示，滑销的两组梯形槽不连续，过度部位为梯形峰。驱动器两种稳定状态的切换过程中，滚珠需在梯形峰处运动一定的时间(图5所示M点到N点)，这种方案的驱动器的状态切换时间较长，但能在保持驱动器外形尺寸不变的前提下，获得更大的滑销输出位移，且可以通过改变梯形槽的间距，调整双向驱动器的输出位移。

上述两种实施方式中，滑销上均设置了两组梯形槽，由此获得滚珠的两个平衡位置，对应滑销的两种伸出高度。可以理解，在滑销上设置三组梯形槽，则可以使滑销输出3种稳定的伸出高度。以此类推，根据使用场合进行设计，不再赘述。

本发明中，SMA丝与外壳、滑销、保持架之间需要进行绝缘处理。绝缘方式可以在SMA丝外设置聚四氟乙烯耐高温绝缘套管，也可以通过绝缘氧化、陶瓷基绝缘涂层、高分子绝缘涂层等工艺对SMA丝、外壳、滑销、保持架进行整体绝缘，此处不作具体限制。

此外，本发明中滚珠6的数量可以是2、3、4、5、6个，根据实际需要设置，沿周向均匀布置，确保受力平衡。

需要说明的是，以上所述涉及方位的表述，如纵、横、内、外、上、下等，均基于附图所示方向和位置关系，仅为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零件必须具有特定的方位、构造或操作。

以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何修改、等同变化与修饰、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种记忆金属双向驱动器，其特征在于，包括滑销(1)、保持架(2)、外壳(3)、上SMA丝(4)、下SMA丝(5)、滚珠(6)、弹簧(7)；其中，

所述滑销(1)为轴式结构，中部不同高度设有梯形槽，梯形槽上、下各设一个通孔，两个通孔正交设置；

所述保持架(2)近似T型结构，横向的法兰边上设有螺纹孔，纵向为管状结构，管状结构中部设有圆孔，与滑销(1)的通孔对应位置上分别设有一组腰型孔；

所述外壳(3)中部与保持架(2)圆孔对应位置处设有横向轨道；

所述上SMA丝(4)和下SMA丝(5)分别从滑销(1)的两个通孔穿过，并固定在外壳(3)侧壁外，两根丝正交布置，对拉驱动；滑销(1)伸出过程，下SMA丝(5)为主动丝，滑销(1)收缩过程，上SMA丝(5)为主动丝；

所述预压缩的弹簧(7)安装在外壳(3)的横向轨道中，向内压紧滚珠(6)；

所述滚珠(6)处在滑销(1)梯形槽中时，其在梯形槽、弹簧(7)和保持架(2)圆孔之间受力平衡，驱动器保持稳定；

需要状态切换时，对主动SMA丝通电使其受热收缩，从而驱动滑销(1)移动，滚珠(6)的受力平衡被打破，并在梯形槽斜坡挤压下从初始槽中移出，解除对滑销(1)的限位，当滑销(1)移动到目标槽的边缘与滚珠(6)的球心对齐后，滚珠(6)在弹簧(7)的推力作用下滑入目标槽，主动SMA丝断电，滚珠(6)再次进入受力平衡状态，驱动器状态切换完成。

2.根据权利要求1所述的记忆金属双向驱动器，其特征在于：所述滑销(1)的梯形槽的数量，决定了驱动器稳定状态的数量。

3.根据权利要求1所述的记忆金属双向驱动器，其特征在于：所述滑销(1)的梯形槽角度越大，状态切换前期需要的驱动力的越大，状态切换后期输出的力也越大。

4.根据权利要求1所述的记忆金属双向驱动器，其特征在于：所述驱动器的输出位移，可通过改变滑销(1)的梯形槽的纵向间距来调整，纵向间距越大，驱动器输出位移越大。

5.根据权利要求1所述的记忆金属双向驱动器，其特征在于：所述弹簧(7)的刚度越大，状态切换前期滚珠(6)向外侧移动时受到的弹簧阻力就越大，状态切换后期滚珠(6)向内移动时弹簧(7)提供的推力也越大。

6.根据权利要求1所述的记忆金属双向驱动器，其特征在于：所述滚珠(6)的数量可以是2、3、4、5、6个，在周向均布设置，确保受力平衡。

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