CN113090481B - 一种用于进气道鼓包调节的sma弯曲驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，主要包括弹性钢板、前固定板、后固定板、SMA丝、绝缘导轨、铰链等，SMA丝以多组V形并列的方式悬空布置在弹性钢板的内侧面，其直线部分穿过绝缘导轨上的横向通孔从而与弹性钢板保持恒定间距。需要进行鼓包调节时，对SMA丝通电使其受热收缩产生驱动力，由于驱动力的作用方向相对于前固定板、后固定板是偏心的，因此可驱动前固定板、后固定板绕铰链旋转，使后固定板向前固定板一侧移动，进而使弹性钢板产生弯曲变形，从而实现进气道鼓包的调节。该驱动器结构简单紧凑，响应速度快、驱动频率高，驱动性能可调节，可自行回复、抗气动载荷能力强，设计精度高、推广适应性强。

Description

一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器

技术领域

本发明涉及SMA(形状记忆合金)驱动器领域，具体而言，涉及一种应用于飞行器进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器。

背景技术

传统的几何可调进气道多采用机械调节的方式驱动结构的变形，如液压驱动、电机驱动等，这种方式传动准确、驱动稳定，但调节系统的存在，大大增加了进气道结构的重量与复杂性。为了解决上述问题，基于SMA驱动器的鼓包调节技术应用到了几何可调进气道中，由于SMA驱动应力大的特性，因此利用小重量的SMA即可驱动鼓包的变形，另外鼓包调节的进气道中鼓包变形的部分采用了柔性材料，允许鼓包能够向进气道流道中鼓出产生柔性变形，从而改变进气道的截面面积。

SMA材料作为一种智能材料，具有耐磨、耐腐蚀、无毒性的特点，且其几何形状紧凑、能量密度大，已广泛应用于智能驱动器领域，将SMA材料用于飞行器进气道鼓包调节驱动成为一种新的趋势。现有的基于SMA的进气道调节驱动器主要有两种类型。

一种是采用SMA丝直线驱动的方式，该方法将SMA丝一端固定在进气道壁中，一端拉动进气道中的作动机构从而直接或者间接地驱动进气道的变形，但由于SMA丝的应变非常有限，因此要让驱动器达到足够的变形就不得不使用相当长度的SMA丝，由此必须考虑额外的空间或者机构来安放过长的SMA丝；另外驱动器的形状回复还需要额外的回复机构，如额外的SMA丝来驱动驱动器的回复，这就使得驱动器的结构较为复杂。

另一种是基于SMA丝的柔性复合材料驱动器，该方法将SMA丝、形状支撑材料以及其它一些材料通过柔性材料集成为一体，该方法能一定程度上解决SMA丝直线驱动的缺点，但仍然存在很多问题。(1)此类驱动器需要布置多根SMA丝共同工作，而SMA丝的固定接头处发生滑脱是最常见的SMA丝失效方式，多根SMA丝的设置，势必导致整个驱动器的可靠性降低、结构复杂性增大；(2)SMA丝与柔性基体之间摩擦阻力大，这在一定程度上削弱了SMA丝的驱动能力，且由于SMA丝的收缩会引起两者之间的错动，尤其对于进气道这种大尺寸的场合，错动甚至会导致柔性基体的局部破坏；(3)柔性基体具有较大弹性，用柔性基体难以精确控制SMA丝与弹性钢板等支撑结构之间的偏心距，导致SMA丝的驱动位移由于偏心距的扩大而被消耗，使得SMA丝的有效驱动位移减小；(4)由于柔性复合材料驱动器采用一次成型，无法调整SMA丝与弹性钢板之间的间距，且在多次驱动循环后SMA丝会产生塑性应变，一体化的结构也无法更换或调整SMA丝，这些都会导致驱动器的驱动性能不可调节；(5)SMA丝完全包裹于柔性基体中，使得SMA丝无法及时散热冷却，驱动器的驱动频率低；(6)SMA丝与柔性基体大面积接触，二者之间存在很强的热传导，降低了SMA丝的受热速率，导致驱动变形的速度降低。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器。该驱动器采用单根SMA丝驱动、结构简单、几何尺寸小、驱动性能可调节、驱动频率高、响应速度快、具有自回复能力和较强的气动承载能力。

本发明采用的技术方案为：一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，包括弹性钢板、前固定板、后固定板、SMA丝、绝缘导轨、绝缘环、绝缘块、铰链、滑块、轨道。

其中，弹性钢板两端分别与前、后固定板连接，弹性钢板内侧面设有多个绝缘导轨；前固定板两端分别设置一个绝缘块，中间设有绝缘环，后固定板上设有多个绝缘环；前固定板通过铰链与进气道壁连接，后固定板通过铰链与滑块连接，滑块可沿固定在进气道壁上的轨道移动；SMA丝悬空布置在弹性钢板的内侧面，其转折处绕在绝缘环上，直线部分穿过绝缘导轨上的横向通孔从而与弹性钢板保持恒定间距，丝的两端固定在绝缘块上。

需要进行鼓包调节时，对所述SMA丝通电使其受热收缩产生驱动力，由于驱动力作用方向相对于所述前、后固定板是偏心的，因此驱动力等同为作用于所述前、后固定板上的弯矩，可驱动前、后固定板分别绕铰链旋转，滑块沿轨道移动，使后固定板向前固定板一侧移动，进而使弹性钢板产生弯曲变形，从而实现进气道鼓包的调节。

进一步地，所述SMA丝以多组V形并列的方式布置，并借助绝缘导轨上的横向通孔保持与弹性钢板之间的间距恒定；SMA丝的V形布置的组数以及角度需根据实际情况进行分析计算以得到合适的值。

进一步地，所述弹性钢板上沿着SMA丝的布置路径开有多组V形排列的通孔，用以固定绝缘导轨；所述弹性钢板两端各开有一排螺栓孔，用以连接所述前、后固定板。

进一步地，所述前固定板下表面(对应弹性钢板内侧面)两端有与绝缘块几何外形匹配的带有凹槽形状的凸台，用以约束绝缘块的位移，前固定板的下表面中间有用以固定绝缘环的圆柱型凸台，前固定板靠近弹性钢板一侧开有与所述弹性钢板对应的螺栓孔，前固定板中间凸台的两侧分别开有用以连接铰链的螺栓孔。

进一步地，所述后固定板靠近弹性钢板一侧开有与弹性钢板对应的螺栓孔，后固定板中间部分开有用以连接铰链的螺栓孔，螺栓孔两侧分别有一个用以固定绝缘环的圆柱型凸台。

进一步地，所述前固定板与后固定板上圆柱型凸台的数量以及位置需根据所述SMA丝V形布置的计算结果来进行对应设计。

进一步地，所述绝缘导轨为伞状结构，伞帽部分与弹性钢板配合，伞柄从弹性钢板上的通孔穿出，伞柄上不同高度上设有若干横向通孔，用于SMA丝的布置，横向孔的高度决定了SMA丝与弹性钢板之间的间距，即SMA丝驱动力相对于弹性钢板的偏心距。

进一步地，为了简化模型，弹性钢板弯曲变形后的侧视图可近似为一段圆弧(靠近圆心一侧为内侧面)，由此即可得到驱动器各几何参数的关系表达式如下：

式中，α为SMA丝4的V形布置转角的二分之一，ε_L为弹性钢板1处于平直状态时SMA丝4的应变；ε_H为弹性钢板1处于设计弯曲状态时SMA丝4的应变；t为SMA丝4与弹性钢板1之间的间距，即偏心距；h为本发明驱动器达到设计弯曲状态时弹性钢板1的最大挠度，该参数代表了设计鼓包高度；θ为弹性钢板1在设计弯曲状态下对应圆弧角的二分之一。

应当理解，这种近似必然存在一定偏差，但按圆弧形来分析几何关系能在很大程度上简化模型，实际使用中在这一模型的基础上引入修正函数或因子，就能获得更为准确的修正模型，为类似驱动器的设计及力学模型的建立提供参考。

本发明提供的一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，相比于现有技术，具有以下几个方面的有益效果：

(1)结构简单紧凑。本发明的SMA丝利用绝缘导轨、绝缘环实现以若干组V形并列的方式悬空布置于弹性钢板的内侧面，在较小的空间范围内布置了尽可能长的SMA丝，将一根SMA丝的有限变形充分转变为弹性钢板的大变形，因而在总体尺寸受限的前提下能够提供足够大的驱动位移，特别适用于飞行器进气道中驱动器所占空间极小的情况。

(2)响应速度快、驱动频率高。本发明的驱动器的SMA丝布置路径上无多余遮蔽物，SMA丝与其他零件的接触较少，因此SMA丝加热过程的热传导损失小，响应速度快，驱动频率高。

(3)驱动性能可调节。本发明驱动器的驱动性能取决于SMA丝与弹性钢板的偏心距，而偏心距的大小可通过绝缘导轨上不同高度的孔来调整，另外，非一体成型的结构使得SMA丝可以方便地更换或调整，因此驱动器的驱动性能可根据具体的使用需求进行设置。

(4)可自行回复、抗气动载荷能力强。本发明驱动器使用的弹性钢板具有较强弹性，当SMA丝断电冷却后，其内部的拉伸应力迅速减小，弹性钢板可以驱动SMA丝恢复至预拉伸的状态，实现驱动器形状的自行回复。同时由于弹性钢板刚度较大，因此驱动器具有很好的抗气动载荷能力。

(5)设计精度高、推广适应性强。本发明同时提供了所述驱动器的数学模型，直观地描述了各项几何参数之间的函数关系，根据实际使用场合的需求，可快速地计算出驱动器的各项参数，设计精度高，且具有良好的推广价值。

附图说明

图1为本发明处于平直状态时的结构示意图；

图2为本发明处于弯曲状态时的结构示意图；

图3为本发明工作原理示意图；

图4为本发明的前固定板的结构示意图；

图5为本发明的后固定板的结构示意图；

图6为本发明的绝缘导轨的结构示意图；

图7为本发明的绝缘环的结构示意图；

图8为本发明的绝缘块的结构示意图；

图9为本发明的相关几何参数的具体指代关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供的一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，如图1～3所示，该驱动器具体包括：弹性钢板1、前固定板2、后固定板3、SMA丝4、绝缘导轨5、绝缘环6、绝缘块7、螺栓一8、螺栓二9、螺栓三10、前铰链11、滑块12、轨道13和后铰链14。前固定板2、后固定板3通过螺栓二9与弹性钢板1连接，通过螺栓三8与铰链连接，绝缘块7通过螺栓三10连接在前固定板2两端。SMA丝以两组V形缠绕的方式悬空布置在弹性钢板1的内侧面，其两端固定在绝缘块7，转折处绕过固定在前、后固定板上的3个绝缘环6，其直线部分通过弹性钢板1上的多个绝缘导轨5悬空并与弹性钢板1保持恒定间距。前固定板2通过前铰链11与进气道壁连接，后固定板3通过后铰链14与滑块12连接，弹性钢板1弯曲变形时，滑块12可沿轨道13移动，轨道13固定在进气道壁上。

需要进行鼓包调节时，对SMA丝4通电使其受热收缩产生驱动力，由于驱动力作用方向相对于前固定板2、后固定板3是偏心的，因此该驱动力产生的弯矩可驱动前固定板2、后固定板3绕铰链旋转，并使后固定板3向前固定板2一侧移动，进而使弹性钢板1产生弯曲变形，从而实现进气道鼓包的调节。

图4为前固定板2的三维结构图。如图所示，前固定板2两端设有凹槽状凸台21，凹槽形状与绝缘块7匹配，用于绝缘块7的限位；中部设有圆柱型凸台22，用于绝缘环6的安装、限位；此外，前固定板2上还设有数量不等的小孔25、中孔23、大孔24，分别用于前固定板2与绝缘块7、弹性钢板1、铰链11的连接，连接方式可以采用螺纹连接或铆钉连接。

可选地，所述凹槽状凸台21也可改为与绝缘块7几何形状相匹配的凹槽结构，只需确保能对绝缘块7限位即可；圆柱型凸台22也可设计为其他形状，只需保持与绝缘环6内孔形状匹配即可，还可将圆柱型凸台22与绝缘环6设计为一体，只需做好绝缘工作即可；前固定板2与绝缘块7、弹性钢板1和铰链11的连接也可用胶粘的方式，而无需加工小孔25、中孔23、大孔24。

后固定板3的结果如图5所示。与前固定板2类似，后固定板3上也设有绝缘环6的定位用的圆柱型凸台31，以及与弹性钢板1、铰链14连接用的孔32、孔33。其可选的替代方案与前固定板2类似，不再赘述。

绝缘导轨5用于布置和调整SMA丝4和弹性钢板1的间距，其结构如图6所示。绝缘导轨5为伞状结构，其伞帽部分51用于在弹性钢板1上的限位；伞柄部分不同高度上设有3个横向通孔52，用以穿过SMA丝4，不同高度的孔可提供不同的偏心距。

可选地，绝缘导轨5的伞帽51也可以是方形或多边形等，伞柄部分同理，在所述绝缘导轨的作用范围内，绝缘导轨5可以是任意形状的。

图7示出了绝缘环6的结构，内孔61用以配合前固定板2、后固定板3上的圆柱型凸台22，沿周向方向的凹槽62用以缠绕SMA丝4并约束其沿径向的移动，凹槽62在纵向的位置根据实际需要的偏心距设置。

可选地，内孔61与圆柱型凸台22的配合方式既可以是过盈配合，也可以是螺纹配合，还可以在圆柱型凸台中沿直径方向打一个通孔并插入金属丝来约束绝缘环沿圆柱形凸台轴向的移动，当然，如前文所述，也可以将绝缘环6与圆柱型凸台做成一体，但要另外考虑绝缘问题。可以理解，在绝缘环6的上述的作用范围内，内孔61与圆柱型凸台的配合方式还可以采用其他方式，这里不作具体规定。

绝缘块7用于SMA丝4在前固定板2上的安装固定，其结构如图8所示。SMA丝4从通孔71穿出，并借助夹具固定在绝缘块7的外壁；绝缘块7上的凸块73与前固定板2上的凹槽状凸台21配合，纵向孔72与前固定板2上的小孔25对应，用于前固定板2与绝缘块7的螺栓连接。

可选地，SMA丝4也可通过其他方式固定在绝缘块7上；前固定板2与绝缘块7也可采用胶粘连接的方式，而无需加工孔72。因此在绝缘块7上述作用范围内，绝缘块7和前固定板2、SMA丝4可以采用多种连接方式，这里不作具体规定。

可选地，前铰链11、滑块12、轨道13和后铰链14的形式是多样的，本实施例中仅对驱动器变形过程中的运动方式做出说明，对于前铰链11、滑块12、轨道13和后铰链14的具体结构形式，这里不作具体规定。

本发明中，驱动器中各项几何参数之间具有函数关系。根据如图9所示的几何关系，将弹性钢板1弯曲状态的侧视图近似为一段圆弧，由此得到推导得出本发明驱动器的各项参数之间的关系：

其中，α为SMA丝4的V形布置转角的二分之一；ε_L为弹性钢板1处于平直状态时SMA丝4的应变；ε_H为弹性钢板1处于设计弯曲状态时SMA丝4的应变；t为SMA丝4与弹性钢板1之间的间距，即偏心距；h为本发明驱动器达到设计弯曲状态时弹性钢板1的最大挠度，该参数代表了设计鼓包高度；θ为弹性钢板1在设计弯曲状态下对应圆弧角的二分之一。

需要说明的是，为了附图的简洁，附图中部分结构或特征如孔等未被全部标注，虽然附图标号仅指向其中一个或几个，但描述的内容代表了相同的全部特征。此外，以上涉及方位的表述，如“内”、“外”、“前”、“后”等，均基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，以及本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所涉及的零部件必须具有特定的方位、构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式的限制。本发明未详细阐述的属于本领域公知技术。对于本领域的技术人员来说，本发明中的零部件可以有各种更改、组合和变化，附图中描述的零部件也可以用其他方法来布置和设计。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，其特征在于，包括弹性钢板(1)、前固定板(2)、后固定板(3)、SMA丝(4)、绝缘导轨(5)、绝缘环(6)、绝缘块(7)、前铰链(11)、滑块(12)、轨道(13)、后铰链(14)；

所述弹性钢板(1)两端分别与前固定板(2)、后固定板(3)连接，弹性钢板(1)内侧面上固定有多个绝缘导轨(5)；

所述前固定板(2)两端分别设置一个绝缘块(7)，中间设有绝缘环(6)；前固定板(2)通过前铰链(11)与进气道壁连接；

所述后固定板(3)上设有多个绝缘环(6)；后固定板(3)通过后铰链(14)与滑块(12)连接，滑块(12)能沿固定在进气道壁上的轨道(13)移动；

所述绝缘导轨(5)上设有3个不同高度的横向通孔，不同的孔能提供不同的偏心距；

所述SMA丝(4)以多组V形并列的方式悬空布置在弹性钢板(1)的内侧面，其转折处绕在绝缘环(6)上，直线部分穿过绝缘导轨(5)上的横向通孔从而与弹性钢板(1)保持恒定间距，SMA丝(4)的两端固定在绝缘块(7)上；

需要进行鼓包调节时，对SMA丝(4)通电使其受热收缩产生驱动力，由于驱动力的作用方向相对于前固定板(2)、后固定板(3)是偏心的，因此该驱动力能驱动前固定板(2)、后固定板(3)分别绕前铰链(11)、后铰链(14)旋转，滑块(12)在轨道(13)中滑动，使后固定板(3)向前固定板(2)一侧移动，进而使弹性钢板(1)产生弯曲变形，从而实现进气道鼓包的调节；

当SMA丝(4)断电冷却后，弹性钢板(1)驱动SMA丝(4)恢复至预拉伸的状态，实现驱动器形状的自行回复。

2.根据权利要求1所述的SMA弯曲驱动器，其特征在于，所述SMA丝(4)以多组V形并列的方式布置，并借助绝缘导轨(5)上的横向通孔保持与弹性钢板(1)之间的间距恒定。

3.根据权利要求1所述的SMA弯曲驱动器，其特征在于，所述弹性钢板(1)上沿着SMA丝(4)的布置路径开有多组V形排列的通孔。

4.根据权利要求1所述的用于进气道鼓包调节的SMA弯曲驱动器，其特征在于，所述前固定板(2)、后固定板(3)上均设有圆柱型凸台，用于绝缘环(6)的限位；圆柱型凸台的数量以及位置，根据SMA丝(4)的V形布置情况来进行对应设计。

5.根据权利要求1所述的SMA弯曲驱动器，其特征在于，所述前固定板(2)上设有凹槽状凸台，用于绝缘块(7)的限位。

6.根据权利要求1所述的SMA弯曲驱动器，其特征在于，弹性钢板(1)与前固定板(2)、弹性钢板(1)与后固定板(3)、前固定板(2)与前铰链(11)、后固定板(3)和后铰链(14)之间均采用螺栓连接。

7.根据权利要求1所述的SMA弯曲驱动器，其特征在于，所述绝缘导轨(5)为伞状结构，伞帽部分与弹性钢板(1)配合，伞柄从弹性钢板(1)上的通孔穿出，伞柄上不同高度上设有3个横向通孔。

8.一种用于权利要求1所述的SMA弯曲驱动器的设计方法，其特征在于，将该驱动器弹性钢板(1)的弯曲状态的侧视图近似为一段圆弧，从而得到其简化数学模型为：

α：SMA丝(4)的V形布置转角的二分之一；

ε_L：弹性钢板(1)处于平直状态时SMA丝(4)的应变；

ε_H：弹性钢板(1)处于设计弯曲状态时SMA丝(4)的应变；

t：SMA丝(4)与弹性钢板(1)之间的间距；

h：驱动器达到设计弯曲状态时弹性钢板(1)的最大挠度，即设计鼓包高度；

θ：所述弹性钢板(1)在设计弯曲状态下对应圆弧角的二分之一。

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