RU2367573C2 - Actuator - Google Patents
Actuator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2367573C2 RU2367573C2 RU2007138233/02A RU2007138233A RU2367573C2 RU 2367573 C2 RU2367573 C2 RU 2367573C2 RU 2007138233/02 A RU2007138233/02 A RU 2007138233/02A RU 2007138233 A RU2007138233 A RU 2007138233A RU 2367573 C2 RU2367573 C2 RU 2367573C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shape memory
- memory effect
- actuator
- elastic
- pseudoplastic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области механики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы и может найти применение в автомобильной промышленности, машиностроении, робототехнике, микромеханике, медицине.The invention relates to the field of mechanics, in particular to the technique of devices based on materials with a shape memory effect and can find application in the automotive industry, mechanical engineering, robotics, micromechanics, medicine.
Известен аналог предлагаемого технического решения - торсион, то есть упругий элемент, работающий на кручение [1], предназначенный для временного запасания энергии механических колебаний и их гашения (виброизоляции). Упругими свойствами в торсионе обладает, обычно, стальной стержень, который с одного конца жестко закреплен на основании, например на раме автомобиля, а на другой его стороне установлен рычаг, который закреплен на амортизируемом объекте, например на кузове автомобиля.A known analogue of the proposed technical solution is torsion, that is, an elastic element operating on torsion [1], designed for temporary storage of energy of mechanical vibrations and their damping (vibration isolation). Elastic properties in a torsion are usually possessed by a steel rod, which is rigidly fixed on one end to the base, for example, on a car frame, and a lever is mounted on its other side, which is fixed on a shock-absorbing object, for example, on a car body.
Недостатком аналога является невысокая эффективность, которая заключается в том, что жесткость упругого элемента определяется свойствами стержня и не может контролироваться в процессе работы, а также в том, что виброизоляция упругого элемента невелика, так как стержень работает в пределах закона Гука и энергия вибрации слабо поглощается упругим элементом, кроме того, функциональные возможности ограничены и устройство не может использоваться для осуществления управляемого вращательного движения.The disadvantage of the analogue is its low efficiency, which consists in the fact that the stiffness of the elastic element is determined by the properties of the rod and cannot be controlled during operation, as well as the fact that the vibration isolation of the elastic element is small, since the rod works within the framework of Hooke's law and the vibration energy is weakly absorbed elastic element, in addition, the functionality is limited and the device cannot be used to carry out controlled rotational motion.
Аналогом предлагаемого устройства является также актюатор, содержащий элементы с эффектом памяти формы в виде пружин с каналом для подачи теплового агента. Поочередная подача в пружины теплового и охлаждающего агента приводит к псевдопластической деформации (сжатию/растяжению) пружин в результате мартенситного перехода в материале с эффектом памяти формы и к производству механической работы [2]. К недостаткам аналога можно отнести его малую эффективность, связанную с тем, что без подачи противодействующего давления, пружины с эффектом памяти формы не могут изменять свою форму, так как без специальной тренировки обладают лишь «односторонним эффектом памяти формы».An analogue of the proposed device is also an actuator containing elements with a shape memory effect in the form of springs with a channel for supplying a thermal agent. Alternate supply of thermal and cooling agent to the springs leads to pseudoplastic deformation (compression / tension) of the springs as a result of a martensitic transition in a material with a shape memory effect and to the production of mechanical work [2]. The disadvantages of the analog can be attributed to its low efficiency, due to the fact that without applying counter pressure, springs with the shape memory effect cannot change their shape, since without special training they have only a “one-sided shape memory effect”.
Прототипом предлагаемого технического решения является актюатор [3]. Устройство включает упругий элемент и элемент с эффектом памяти формы преимущественно двумерной конфигурации, прочно механически соединенные друг с другом, причем элемент с эффектом памяти формы предварительно, непосредственно перед соединением с упругим элементом псевдопластически деформирован на растяжение или сжатие.The prototype of the proposed technical solution is the actuator [3]. The device includes an elastic element and an element with a shape memory effect of a predominantly two-dimensional configuration, firmly mechanically connected to each other, and the element with a shape memory effect is previously pseudoplastic deformed to tension or compression immediately before being connected to the elastic element.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую эффективность, которая заключается в том, что он может производить только изгибные деформации, что сужает функциональные возможности устройства и систем на его основе.The disadvantages of the prototype include low efficiency, which consists in the fact that it can only produce bending deformations, which narrows the functionality of the device and systems based on it.
Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности упругого элемента и расширении его функциональных возможностей и повышении технологичности за счет снижения габаритов устройства, в том числе до субмикронного масштаба размеров устройства, в увеличении достигаемой контролируемой деформации, увеличении достигаемого контролируемого тепловым или магнитным воздействием управляемого напряжения кручения, в расширении функциональных возможностей за счет достижения контролируемых свойств демпфирования, то есть возможности регулирования торсионной жесткости, в достижении возможности управления торсионной жесткостью элемента при помощи теплового воздействия или внешнего магнитного поля, повышении технологичности и экономичности за счет достижения возможности изготовления больших количеств изделий в едином технологическом цикле.The purpose of the invention is to increase the efficiency of the elastic element and expand its functionality and increase manufacturability by reducing the dimensions of the device, including to a submicron scale of the device, increasing the controlled deformation achieved, increasing the controlled torsional stress controlled by thermal or magnetic effects, in expanding functionality by achieving controlled damping properties, i.e. the ability to control torsion stiffness, to achieve the ability to control the torsion stiffness of an element using heat or an external magnetic field, to increase manufacturability and economy by achieving the ability to manufacture large quantities of products in a single technological cycle.
Поставленные цели достигаются тем, что в известном устройстве упругий элемент и элемент с эффектом памяти формы выполнены в форме коаксиально цилиндрических тел, жестко соединенных по образующей цилиндров, причем элемент с эффектом памяти формы выполнен с предварительной, до соединения, псевдопластической деформацией кручения.The goals are achieved by the fact that in the known device the elastic element and the element with the shape memory effect are made in the form of coaxially cylindrical bodies rigidly connected along the generatrix of the cylinders, and the element with the shape memory effect is made from the pseudoplastic torsional deformation prior to joining.
Поставленные цели достигаются также тем, что в коаксиальных цилиндрических телах сформирован по крайней мере один канал для ввода жидкого или газообразного теплоагента, управляющего мартенситным переходом.The stated goals are also achieved by the fact that at least one channel is formed in the coaxial cylindrical bodies for introducing a liquid or gaseous heat agent controlling the martensitic transition.
Поставленные цели достигается также тем, что актюатор выполнен из гибких материалов в конфигурации гибкого вала.The goals are also achieved by the fact that the actuator is made of flexible materials in a flexible shaft configuration.
Поставленные цели достигается также тем, что элемент с эффектом памяти формы выполнен в форме нити, а упругий слой нанесен на нее методом осаждения из газовой или жидкой фазы.The goals are also achieved by the fact that the element with the shape memory effect is made in the form of a thread, and the elastic layer is deposited on it by the method of deposition from a gas or liquid phase.
Поставленные цели достигаются также тем, что на внешней поверхности актюатора имеется система электродов для нагрева элемента электрическим током.The goals are also achieved by the fact that on the outer surface of the actuator there is a system of electrodes for heating the element with electric current.
Поставленные цели достигаются также тем, что рабочее тело с эффектом памяти формы выполнено из сплава NiTi.The set goals are also achieved by the fact that the working fluid with the shape memory effect is made of NiTi alloy.
Поставленные цели достигаются также тем, что в качестве материала с эффектом с памятью формы рабочего тела выбран ферромагнитный сплав Ni2+X-YMn1-XFeYGa, 0<X<0,2, 0<Y<0,2, а в качестве агента воздействия, управляющего мартенситным переходом в материале с эффектом памяти формы, выбран источник магнитного поля.The goals are also achieved by the fact that the ferromagnetic alloy Ni 2 + XY Mn 1-X Fe Y Ga, 0 <X <0.2, 0 <Y <0.2, and The source of the magnetic field was chosen as the exposure agent controlling the martensitic transition in the material with the shape memory effect.
Поставленные цели достигаются также тем, что актюатор выполнен в виде витой пружины, свернутой по оси цилиндрических элементов с эффектом памяти формы и упругого элемента.The goals are also achieved by the fact that the actuator is made in the form of a twisted spring, rolled along the axis of the cylindrical elements with the effect of shape memory and elastic element.
Поставленные цели достигаются также тем, что актюатор выполнен из множества параллельно соединенных пружинных элементов, каждый из которых имеет собственную температуру мартенситного превращения.The stated goals are also achieved by the fact that the actuator is made of many parallel connected spring elements, each of which has its own martensitic transformation temperature.
Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что рабочее тело выполняется в форме нити, проволоки или трубки из сплава с эффектом памяти формы до соединения с упругим телом, предварительно натренерованных на достижение псевдопластической (возвратимой) деформации кручения. В результате упругий элемент сочетает способность к эффективному демпфированию энергии упругих вращательных колебании (виброизолирующий торсион) и это может обеспечить ему применение в машиностроении, автомобильной промышленности и т.д., а также в качестве актюатора с вращательной степенью свободы, отличающегося малыми габаритами и способностью к обратимому вращательному движению несмотря на то, что использует «односторонний эффект памяти формы» рабочего тела, и таким образом, он сможет найти применение при создании устройств робототехники, микромеханики, а возможно, и наномеханики. Кроме того, актюатор, выполненный в конфигурации пружины, может иметь сильную управляемую внешним полем обратимую линейную деформацию, поскольку витая пружина растягивается (сжимается) при скручивании образующего ее цилиндрического элемента. Актюатор, выполненный в виде набора пружин, может выполнять функцию виброизоляции или исполнительного элемента в широком температурном диапазоне, который перекрывается интервалами мартенситного превращения сплавов, использованных при изготовлении отдельных пружин.New in the proposed technical solution, in comparison with the known one, is that the working fluid is made in the form of a thread, wire or tube made of an alloy with a shape memory effect prior to joining with an elastic body, previously trained to achieve pseudoplastic (reversible) torsional deformation. As a result, the elastic element combines the ability to effectively damp the energy of elastic rotational vibrations (vibration isolation torsion) and this can provide it with applications in mechanical engineering, the automotive industry, etc., as well as an actuator with a rotational degree of freedom characterized by small dimensions and the ability to reversible rotational motion despite the fact that it uses the "one-sided shape memory effect" of the working fluid, and thus, it can find application in the creation of robotic devices technology, micromechanics, and possibly nanomechanics. In addition, an actuator configured in a spring configuration can have a strong reversible linear deformation controlled by an external field, since a coil spring stretches (contracts) when the cylindrical element forming it twists. The actuator, made in the form of a set of springs, can perform the function of vibration isolation or actuating element in a wide temperature range, which is overlapped by the intervals of martensitic transformation of the alloys used in the manufacture of individual springs.
В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется чертежами.In the future, the proposed technical solution is illustrated by drawings.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая устройство предлагаемого упругого элемента, включающего коаксиально расположенные упругое тело и рабочее тело, выполненное из материала с эффектом памяти формы.Figure 1 presents a diagram explaining the device of the proposed elastic element, including a coaxially located elastic body and a working fluid made of a material with a shape memory effect.
На фиг.2 представлена фотография макета актюатора по Примеру 1.Figure 2 presents a photograph of the mock actuator according to Example 1.
На фиг.3 представлена схема макета актюатора по Примеру 1.Figure 3 presents a diagram of the layout of the actuator according to Example 1.
На фиг.4 показана схема, демонстрирующая работу упругого элемента, управляемого электрическим током.Figure 4 shows a diagram showing the operation of an elastic element controlled by electric current.
На фиг.5 показана схема упругого элемента в конфигурации гибкого вала.Figure 5 shows a diagram of an elastic element in a flexible shaft configuration.
На фиг.6 показана схема упругого элемента в конфигурации витой пружины.Figure 6 shows a diagram of an elastic element in a coil spring configuration.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что два коаксиальных цилиндрических тела - упругое и с эффектом памяти формы соединены жестко в единый композитный торсионный элемент, причем, поскольку рабочее тело предварительно (до соединения с упругим) натренировано на достижение псевдопластической деформации кручения, суммарная композитная конструкция элемента может запасать очень большую упругую энергию и создавать внутренний момент, способный оказывать воздействие на внешние тела и скручивать коаксиальные рабочие тела. Функционально такая схема эффективно сочетает возможности мотора и демпфера. Рабочий элемент находится при рабочей температуре по крайней мере частично в пседопластическом состоянии и очень сильно поглощает энергию упругих колебаний, а изменяя температуру элемента выше или ниже температуры мартенситного перехода рабочего тела, можно не просто сделать такой элемент по желанию жестким или мягким, но и генерировать вращательное колебательное движение. То есть, упругий элемент может осуществлять функции привода вращательных колебательных движений, то есть актюатора.The essence of the proposed method consists in the fact that two coaxial cylindrical bodies - elastic and with shape memory effect are rigidly connected to a single composite torsion element, and since the working fluid is pre-trained (before joining with elastic) to achieve pseudoplastic torsional deformation, the total composite structure of the element can store very large elastic energy and create an internal moment that can affect external bodies and twist coaxial working bodies. Functionally, such a circuit effectively combines the capabilities of a motor and a damper. The working element is at a working temperature at least partially in the pseudoplastic state and absorbs the energy of elastic vibrations very strongly, and by changing the temperature of the element above or below the temperature of the martensitic transition of the working fluid, you can not only make such an element hard or soft at will, but also generate a rotational oscillatory motion. That is, the elastic element can perform the functions of the drive of rotational vibrational movements, that is, the actuator.
Возможность выполнения элемента миниатюрным (вплоть до субмикронных размеров) обеспечивается отсутствием в приводе двигателя и трансмиссии, а также способностью наноструктурированных сплавов с эффектом памяти формы к контролируемому изменению формы до размеров рабочего тела порядка десятков нанометров. В случае микро-, субмикро- и, возможно, нанометрового масштаба такое устройство можно выполнить в едином технологическом цикле, когда на предварительно натренированную до достижения псевдопластической деформации кручения нить (проволочку) рабочего тела электролитическим или другим способом наносится упругий прочный слой, обеспечивающий выполнение функций механического вращательного привода или контролируемого демпфера.The ability to perform a miniature element (up to submicron sizes) is ensured by the absence of an engine and transmission in the drive, as well as the ability of nanostructured alloys with a shape memory effect to controlled shape change to a working fluid size of the order of tens of nanometers. In the case of micro-, sub-micro-, and possibly nanometer-scale, such a device can be performed in a single technological cycle, when an elastic durable layer is applied to the thread (wire) of the working fluid pre-trained to achieve pseudoplastic deformation of the working fluid, providing an elastic durable layer that provides the functions of a mechanical rotary drive or controlled damper.
Витая пружина, как известно, переводит крутильную деформацию в продольное перемещение торца. Таким образом предлагаемый актюатор, свитый в пружину может также эффективно преобразовывать внешнее воздействие, вызывающее мартенситный переход в элементе с эффектом памяти формы, в продольное сжатие - растяжение.A coil spring, as is known, translates torsional deformation into longitudinal movement of the end face. Thus, the proposed actuator, twisted into a spring, can also effectively convert an external action causing a martensitic transition in an element with a shape memory effect into longitudinal compression — tension.
Соединенные параллельно пружинные элементы приобретают новое качество. Они складывают силовое воздействие, увеличивая рабочий диапазон усилий, развиваемых актюатором, способствуют повышению быстродействия при данном усилии, так как время срабатывания актюатора увеличивается для элементом с памятью формы при увеличении размера из-за роста времени тепловой релаксации - охлаждения и нагрева при поглощении/выделении скрытой теплоты мартенситного перехода. И кроме того, выполнение пружинных актюаторов из разных сплавов позволяет расширить температурный диапазон работ всего устройства до объединения температурных интервалов мартенситных переходов сплавов, примененных в различных пружинах.Parallel spring elements gain a new quality. They add up the force effect, increasing the operating range of the forces developed by the actuator, and increase the speed with this effort, since the actuator response time increases for the shape memory element with increasing size due to an increase in the thermal relaxation time - cooling and heating during absorption / isolation of the hidden heats of the martensitic transition. And in addition, the implementation of spring actuators from different alloys allows you to expand the temperature range of the entire device to combine temperature ranges of martensitic transitions of alloys used in various springs.
Рассмотрим физические принципы работы предлагаемого технического решения и сравним достигаемый эффект с известными аналогами. В основе работы предлагаемого технического решения лежат явления псевдопластической деформации и памяти формы. Композитный упругий элемент состоит из рабочего тела 1 из материала с эффектом памяти формы и упругого тела 2 (например, металла или эластичного полимера) (см. фиг.1). Сплав с эффектом памяти формы предварительно тренируют до достижения возвратимой деформации кручения. Физическое объяснение состояния "возвратимой деформации" можно объяснить следующим образом [4-6]. Под действием достаточно сильного внешнего механического напряжения температура структурного (мартенситного) перехода аустенит - мартенсит материала рабочего тела повышается. В напряженном образце, при охлаждении из аустенитного состояния через точку фазового перехода, происходит генерация мартенсита. Она начнется в первую очередь в областях максимального напряжения. Будут генерироваться главным образом соответственно ориентированные варианты мартенсита (растянутые или сжатые по осям растяжения или сжатия). Таким образом «возвратимая деформация» - это состояние образца, в котором макроскопическое изменение его формы и/или размера достигнуто в мартенситном состоянии за счет генерации мартенситных вариантов с соответствующими ориентациями кристаллографических осей.Consider the physical principles of the proposed technical solution and compare the achieved effect with known analogues. The proposed technical solution is based on the phenomena of pseudoplastic deformation and shape memory. The composite elastic element consists of a working
При последующем нагреве материал с эффектом памяти формы переходит в аустенитное состояние и возвращается к прежней форме и размеру. В нашем случае это приведет к крутильной деформации композитного элемента. Обычно односторонний эффект памяти формы приводит к однократному восстановлению, несмотря на периодический нагрев, за что и получил свое название. Предложенный упругий элемент (как и прототип), выполненный из композита, при повторном охлаждении после нагрева восстановит свою форму. Он сохранит способность к периодическому кручению при периодическом термоциклировании через мартенситный переход несмотря на то, что использует односторонний эффект памяти формы рабочего тела. Это объясняется упругими свойствами второго - упругого тела композита. Если композит охладить ниже температуры мартенситного перехода, то упругое тело, возвращаясь в ненапряженное состояние, деформирует элемент с памятью формы и снова натренирует его до достижения состояния возвратимой деформации.Upon subsequent heating, the material with the shape memory effect goes into an austenitic state and returns to its previous shape and size. In our case, this will lead to torsional deformation of the composite element. Usually, the one-sided effect of shape memory leads to a one-time recovery, despite periodic heating, for which it got its name. The proposed elastic element (like the prototype) made of a composite, when re-cooled after heating, will restore its shape. It retains the ability to periodic torsion during periodic thermal cycling through a martensitic transition, despite the fact that it uses the one-sided effect of the shape memory of the working fluid. This is due to the elastic properties of the second - the elastic body of the composite. If the composite is cooled below the martensitic transition temperature, then the elastic body, returning to the unstressed state, deforms the shape memory element and trains it again until the state of reversible deformation is reached.
Преимущества по сравнению с прототипом [3] обусловлены тем, что цилиндрическая коаксиальная конфигурация приводит к крутильным деформациям элемента и к большей технологичности при создании амортизирующих элементов и приводов. По сравнению с аналогом [2] контролируемые деформации достигаются при применении одной пружины, а не двух, причем используется «односторонняя память» формы сплава.The advantages compared to the prototype [3] are due to the fact that the cylindrical coaxial configuration leads to torsional deformation of the element and to greater manufacturability when creating shock absorbing elements and drives. Compared to the analogue [2], controlled deformations are achieved by using one spring, and not two, using the “one-sided memory” of the alloy shape.
Известны также аналоги, работающие с применением аксиально расположенных тел с так называемым «двусторонним эффектом памяти формы» [7]. Двусторонний эффект памяти формы заключается в том, что если образец сплава с термоупругим мартеситным переходом подвергнуть предварительно специальной процедуре тренировки путем сильной многократной деформации в процессе термоциклирования через температуру перехода, то он приобретет способность к периодической деформации при периодическом воздействии тепловым полем. Физическое объяснение двустороннего эффекта памяти формы заключается в том, что в процессе тренировки в сплаве появляются дефекты, например дислокации, создающие внутреннее поле напряжений, которые деформируют сплав при мартенситном переходе. Количественно максимально достижимые возвратимые деформации, например, в сплаве NiTi при одностороннем эффекте памяти формы составляют 10-30%, а двустороннем - по крайней мере на порядок слабее (0,3%-3%) [4-6].Analogs are also known that work with the use of axially arranged bodies with the so-called “two-sided shape memory effect” [7]. The two-sided effect of shape memory is that if a specimen of an alloy with a thermoelastic martesite transition is subjected to a preliminary special training procedure by strong multiple deformation during thermal cycling through the transition temperature, it will acquire the ability to periodically deform under periodic exposure to a thermal field. The physical explanation of the two-sided shape memory effect is that during training, defects appear in the alloy, for example, dislocations that create an internal stress field that deform the alloy during a martensitic transition. The quantitatively maximally achievable reversible strains, for example, in the NiTi alloy with a one-sided shape memory effect are 10–30%, and bilateral — at least an order of magnitude weaker (0.3% –3%) [4-6].
Проведем приближенные количественные оценки деформации устройства, основываясь на книге [5, с.90]. Пусть длина рабочего тела в форме кругового цилиндра равна l, диаметр равен d, тогда относительная деформация рабочего тела при скручивании равна:Let us conduct approximate quantitative estimates of the deformation of the device, based on the book [5, p.90]. Let the length of the working fluid in the form of a circular cylinder be equal to l, the diameter equal to d, then the relative deformation of the working fluid during twisting is equal to:
Ресурс псевдопластической деформации материала с эффектом памяти формы ограничен. Например, у сплава NiTi ε<5-10%. Таким образом имеем:The resource of pseudoplastic deformation of a material with a shape memory effect is limited. For example, NiTi alloy has ε <5-10%. Thus we have:
Полный оборот обратимой деформации скручивания возможен при отношении l/d порядка 10. Для материала упругого тела предпочтительно выбрать материал с максимальным пределом обратимой деформации. В качестве него можно выбрать либо металл с высокой прочностью либо пластмассу - эластомер. Подбирая толщину слоя упругого тела можно создавать композитные торсионные элементы с различными значениями обратимого кручения, приближающиеся к (2) (но всегда меньше, чем (2)), поскольку упругое тело оказывает сопротивление восстановлению формы рабочего тела.A complete revolution of reversible torsional deformation is possible at a ratio l / d of the order of 10. For an elastic body material, it is preferable to choose a material with a maximum limit of reversible deformation. As it is possible to choose either metal with high strength or plastic - elastomer. By choosing the thickness of the layer of the elastic body, it is possible to create composite torsion elements with different values of reversible torsion, approaching (2) (but always less than (2)), since the elastic body resists the restoration of the shape of the working fluid.
Наиболее удобным и технологичным способом тренировки ленты или пленки с памятью формы на одностороннюю память формы является скручивание при охлаждении. При необходимости эту операцию можно проводить с бесконечной проволокой или нитью в непрерывном процессе. Упругий слой можно также наносить гальваническим методом на проволоку с эффектом памяти формы в непрерывном процессе.The most convenient and technologically advanced way to train a tape or film with shape memory on a one-sided shape memory is twisting during cooling. If necessary, this operation can be carried out with an endless wire or thread in a continuous process. The elastic layer can also be applied electrically to a wire with a shape memory effect in a continuous process.
Магнитоиндуцированный эффект памяти формы, который наблюдается в ферромагнитных сплавх Гейслера с памятью формы (таких как Ni-Mn-Ga, Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn), также можно применить в предлагаемом техническом решении [8, 9]. Этот эффект объясняется влиянием магнитного поля на границу мартенсит - аустенит в ферромагнитном образце сплава, который находится в промежуточном состоянии в области гистерезиса мартенситного перехода. Намагниченность насыщения мартенсита в сплавах Гейслера, как правило, отличается от аустенита, и в результате, в достаточно сильном магнитном поле, температура мартенситного перехода изменяется, а границы мартенсит - аустенит сдвигаются в сторону увеличения объема более магнитной фазы (например, мартенсита в случае сплава Ni-Mn-Gs), причем независимо от ориентации поля. Актюатор по предлагаемому техническому решению с использованием ферромагнитного материала с памятью формы будет изменять свою форму под действием магнитного поля при постоянной температуре, выбранной вблизи температуры мартенситного перехода, например, в случае сплава Ni-Mn-Ga - несколько выше, чем температура мартенситного перехода.The magnetically induced shape memory effect, which is observed in Geismic ferromagnetic alloys with shape memory (such as Ni-Mn-Ga, Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ni-Mn-In, Ni-Mn-Sn), can also be apply in the proposed technical solution [8, 9]. This effect is explained by the influence of a magnetic field on the martensite - austenite interface in a ferromagnetic alloy sample, which is in an intermediate state in the hysteresis region of the martensitic transition. The saturation magnetization of martensite in Geisler alloys, as a rule, differs from austenite, and as a result, in a sufficiently strong magnetic field, the temperature of the martensitic transition changes, and the boundaries of martensite - austenite shift toward an increase in the volume of the more magnetic phase (for example, martensite in the case of Ni alloy -Mn-Gs), and regardless of the orientation of the field. The actuator according to the proposed technical solution using a ferromagnetic material with shape memory will change its shape under the influence of a magnetic field at a constant temperature selected near the temperature of the martensitic transition, for example, in the case of Ni-Mn-Ga alloy, it will be slightly higher than the temperature of the martensitic transition.
К положительным свойствам, присущим предлагаемой конструкции актюатора, можно отнести высокое быстродействие. Оно обусловлено тем, что быстродействие актюатора на основе эффекта памяти формы ограничено, главным образом, временем теплообмена с окружающей средой. Это время будет минимально (а быстродействие - максимально), если элемент выполнен в форме тонкой нити или проволоки, которая дополнительно может омываться с помощью принудительной конвекции, например продуванием газа или жидкости. Можно предусмотреть также возможность не только охлаждения актюатора, но и нагрева его потоком нагретого газа или жидкости.The positive properties inherent in the proposed actuator design include high performance. It is due to the fact that the speed of the actuator based on the shape memory effect is limited mainly by the time of heat exchange with the environment. This time will be minimal (and speed will be maximum) if the element is made in the form of a thin thread or wire, which can additionally be washed by forced convection, for example by blowing gas or liquid. You can also provide for the possibility of not only cooling the actuator, but also heating it with a stream of heated gas or liquid.
Большие перемещения и высокое быстродействие, присущие предлагаемому актюатору, можно сочетать с большими преодолеваемыми усилиями, если объединить множество актюаторов параллельно. Для этого можно в конструкцию актюатора включить платформы с пазами, фиксирующими торцы множества актюаторов. Нагрузка может осуществляться на одну из платформ. Объем между платформами, частично заполненный пружинными композитными актюаторами, можно продувать потоком газа или жидкости или газа с температурой, отвечающей началу или концу мартенситного перехода.The large displacements and high speed inherent in the proposed actuator can be combined with great surmountable efforts if you combine many actuators in parallel. For this, it is possible to include platforms with grooves fixing the ends of many actuators in the design of the actuator. The load can be carried out on one of the platforms. The volume between the platforms, partially filled with spring composite actuators, can be purged with a stream of gas or liquid or gas with a temperature corresponding to the beginning or end of the martensitic transition.
Для управления актюатором удобно применить электрический подогрев (Фиг.5). Для этого либо сам металлический актюатор необходимо подключить с двух сторон к источнику электрического напряжения, либо нанести на его поверхность изолирующий слой и систему электродов, которую подключить к источнику электрического напряжения. Джоулево тепло, выделяющееся при протекании тока, должно превышать энергию, необходимую для нагрева актюатора до температуры мартенситного перехода и перевода его в высокотемпературное аустенитное состояние. Температура окружающей среды должна быть ниже, чем температура перехода мартенсит - аустенит. Принудительная конвекция окружающего газа или жидкости позволит повысить быстродействие актюатора.To control the actuator, it is convenient to apply electric heating (Figure 5). To do this, either the metal actuator itself must be connected on both sides to an electric voltage source, or an insulating layer and an electrode system should be applied to its surface, which should be connected to an electric voltage source. The Joule heat released during the flow of current must exceed the energy required to heat the actuator to the temperature of the martensitic transition and transfer it to the high-temperature austenitic state. The ambient temperature should be lower than the transition temperature martensite - austenite. Forced convection of the surrounding gas or liquid will increase the speed of the actuator.
Пружинная конфигурация актюатора (Фиг.6) позволяет перевести крутильную деформацию актюатора в продольное перемещение пружины и сделать более технологичным его применение в схемах, где от актюатора требуется перемещение на большое расстояние и в схемах, когда он применяется для целей виброизоляции. Мартенситный переход - это уникальное механическое явление, при котором перемещение от силы зависит гистетезисным образом. Это приводит к сильному поглощению энергии механических колебаний, и таким образом рабочий элемент нагревается. Для эффективной работы в схемах виброизоляции необходимо предусмотреть отвод избыточного тепла и термостабилизацию актюатора. Кроме того, принудительное повышение температуры актюатора выше температуры перехода приводит к резкому снижению поглощаемой энергии и повышению жесткости. В такой схеме можно получить виброизолирующий элемент, например рессору с управляемой жесткостью. Такие элементы могут найти применение, например, в автомобильной технике. Если, например, внедорожник имеет жесткие рессоры, то он сможет надежно преодолевать пересеченную местность с большой скоростью. Если он движется по шоссе, то с мягкими рессорами сможет обеспечь комфорт пассажирам. Переключение жесткости рессор с помощью подогрева позволит получить высокое качество подвески автотранспортных средств.The spring configuration of the actuator (Fig.6) allows you to translate the torsional deformation of the actuator in the longitudinal movement of the spring and make its use more technologically advanced in schemes where the actuator is required to travel long distances and in circuits when it is used for vibration isolation. The martensitic transition is a unique mechanical phenomenon in which the movement depends on the force in a hystethetic manner. This leads to a strong absorption of energy of mechanical vibrations, and thus the working element is heated. For effective operation in vibration isolation schemes, it is necessary to provide for the removal of excess heat and thermal stabilization of the actuator. In addition, a forced increase in the temperature of the actuator above the transition temperature leads to a sharp decrease in absorbed energy and increase stiffness. In such a scheme, it is possible to obtain a vibration isolating element, for example a spring with controlled stiffness. Such elements may find application, for example, in automotive technology. If, for example, the SUV has hard springs, then it will be able to reliably overcome rugged terrain at high speed. If it moves along the highway, then with soft springs it will be able to provide comfort to passengers. Switching the stiffness of the springs using heating will allow you to get high quality suspension of vehicles.
Объединив в параллельной конфигурации на одной платформе два и более типа пружин с разными сплавами с эффектом памяти формы с разными температурами мартенситного перехода, можно добиться расширения температурного диапазона до суммарного диапазона примененных сплавов без снижения быстродействия.By combining in a parallel configuration on one platform two or more types of springs with different alloys with a shape memory effect with different martensitic transition temperatures, it is possible to expand the temperature range to the total range of alloys used without reducing performance.
Технический эффект от применения предлагаемого решения заключается, таким образом, в повышении эффективности упругого элемента и расширении его функциональных возможностей, и повышении технологичности за счет снижения габаритов устройства, в том числе до субмикронного масштаба размеров устройства, в увеличении достигаемой контролируемой деформации, увеличении достигаемого контролируемого тепловым или магнитным воздействием управляемого напряжения кручения, в расширении функциональных возможностей за счет достижения контролируемых свойств демпфирования, то есть возможности регулирования торсионной жесткости, в достижении возможности управления торсионной жесткостью элемента при помощи теплового воздействия или внешнего магнитного поля, повышении технологичности и экономичности за счет достижения возможности изготовления больших количеств изделий в едином технологическом цикле.The technical effect of the application of the proposed solution consists, therefore, in increasing the efficiency of the elastic element and expanding its functionality, and improving manufacturability by reducing the dimensions of the device, including to a submicron scale of the device, in increasing the achieved controlled deformation, increasing the achievable controlled thermal or by magnetic action of controlled torsional stress, in expanding functionality by achieving controllable all damping properties, that is, the ability to control torsion stiffness, to achieve the ability to control the torsion stiffness of an element using heat or an external magnetic field, to increase manufacturability and economy by achieving the ability to manufacture large quantities of products in a single technological cycle.
Пример 1. В качестве примера реализации актюатора и способа его изготовления опишем эксперимент, который иллюстрируется фиг.2-3. Коаксиальные рабочие элементы выполнены из круглого прутка сплава ТН-10 (никелид титана для медицинских применений) с эффектом памяти формы диаметром 4 мм и длиной 20 мм, коаксиально вставленного в стальную трубку внутреннего диаметра 4,1 мм, а внешнего 5 мм. Перед соединением пруток скручивают при охлаждении во льду на 4 оборота псевдопластически. Затем на торцах оба аксиальных элемента жестко закрепляются втулками с винтами диметром 4 мм, сжимающими пазы на прутке из (фиг.3). При циклическом нагреве в термостате от 0 до 40°С композитный актюатор демонстрирует обратимое скручивание на угол 10 градусов.Example 1. As an example of the implementation of the actuator and the method of its manufacture, we describe the experiment, which is illustrated in Fig.2-3. Coaxial working elements are made of a round bar of TN-10 alloy (titanium nickelide for medical applications) with a shape memory effect with a diameter of 4 mm and a length of 20 mm, coaxially inserted into a steel tube with an inner diameter of 4.1 mm and an outer one of 5 mm. Before joining, the bar is twisted under cooling in ice by 4 turns pseudoplastic. Then, at the ends, both axial elements are rigidly fixed with bushings with screws with a diameter of 4 mm, compressing the grooves on the rod of (Fig.3). During cyclic heating in a thermostat from 0 to 40 ° C, the composite actuator exhibits a reversible twist at an angle of 10 degrees.
Пример 2. Актюатор по Примеру 1, причем в качестве элемента с эффектом памяти формы применена трубка с внутренним диаметром 2 а внешним - 4, через отверстие во внутренней трубке прокачивается жидкость с температурой 5-40°С.Example 2. Actuator according to Example 1, and a tube with an inner diameter of 2 and an outer diameter of 4 was used as an element with a shape memory effect, a fluid with a temperature of 5-40 ° C is pumped through an opening in the inner tube.
Пример 3. Актюатор по Примеру 1, причем на поверхность актюатора перпендикулярно его оси приклеена изолированная нихромовая проволочка. При приложении к проволочке напряжения от внешнего источника по ней течет ток и выделяется Джоулево тепло, которое нагревает актюатор вблизи проволочки.Example 3. An actuator according to Example 1, and an insulated nichrome wire is glued to the surface of the actuator perpendicular to its axis. When voltage is applied to the wire from an external source, current flows through it and Joule heat is released, which heats the actuator near the wire.
Пример 4. Актюатор по Примеру 1, в котором элемент с эффектом памяти формы выполнен из сплава Ni-Ti.Example 4. Actuator according to Example 1, in which the element with the effect of shape memory is made of an alloy of Ni-Ti.
Пример 5. Актюатор по Примеру 1, в котором элемент с эффектом памяти формы выполнен из сплава Ni2.14Mn0,81GaFe0,05.Example 5. The actuator of Example 1, in which the element with the shape memory effect is made of an alloy of Ni 2.14 Mn 0.81 GaFe 0.05 .
Пример 6. Актюатор выполнен гальваническим осаждением никеля толщиной 40 мкм на никелид-титановую приволоку (сплав ТН-20) толщиной 80 мкм. Осаждение произведено по стандартной технологии [10]. Скручивание произведено на 100 оборотов при длине проволоки - 10 см. В цикле нагрев - охлаждение током 80 мА обратимое кручение на 10 оборотов.Example 6. The actuator is made by galvanic deposition of Nickel with a thickness of 40 μm on a nickel-titanium bar (alloy TN-20) with a thickness of 80 μm. Precipitation was performed according to standard technology [10]. The twisting was performed at 100 revolutions with a wire length of 10 cm. In the heating-cooling cycle with a current of 80 mA, reversible torsion by 10 revolutions.
Пример 7. Актюатор, выполнен из прутка сплава ТН-20 диам. 1,5 мм, длиной 20 см, заключенного в титановую трубку внутреннего диам. 1,5 мм и внешнего - 2 мм, свернут в витую пружину диаметров 20 мм. При псевдопластической деформации прутка с эффектом памяти формы 10 оборотов - линейная деформация пружины составляет 30 мм при изменении температуры 20-40°С.Example 7. Actuator, made of a bar of alloy TN-20 diam. 1.5 mm, 20 cm long, enclosed in a titanium tube inner diam. 1.5 mm and external - 2 mm, rolled into a twisted spring with a diameter of 20 mm. In case of a pseudo-plastic deformation of a bar with a shape memory effect of 10 revolutions, the linear deformation of the spring is 30 mm with a temperature change of 20-40 ° C.
Пример 8. Актюатор выполнен из 2-х пружинных элементов, причем один изготовлен из сплава ТН-10, а другой - из сплава ТН-20. Суммарное изменение длины составляет 30 мм при изменении температуры 0-40°С.Example 8. The actuator is made of 2 spring elements, one of which is made of TN-10 alloy, and the other is made of TN-20 alloy. The total change in length is 30 mm with a change in temperature of 0-40 ° C.
Пример 9. Актюатор выполнен из 40 псевдопластически скрученных в канатик проволочек сплава ТН-10 толщиной 0.1 мм и длиной 1 м и покрыт слоем эластомера - термопластичного полиуретана (ТПУ) марки Elastollan® толщиной 4 мм. Полученный гибкий вал скручивается обратимо при повышении температуры от 10°С до 36°С на 20 оборотов и может служить макетом, демонстрирующим возможности предлагаемого актюатора в качестве медицинского катетера.Example 9. The actuator is made of 40 pseudoplastic wires twisted into a rope of TN-10 alloy with a thickness of 0.1 mm and a length of 1 m and covered with a layer of elastomer - thermoplastic polyurethane (TPU) of the
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. А.Сухоруков. Торсион. ИНТЕРНЕТ публикация, (http://auto.open.by/note/podves/torsion.htm).1. A. Sukhorukov. Torsion. INTERNET publication, (http://auto.open.by/note/podves/torsion.htm).
2. Татевосян Р.А. Тепловой двигатель. А.с. СССР №1134776, МКИ 4, F03G 7/06. Опубл. 15.01.85. БИ №2.2. Tatevosyan R.A. Heat engine. A.S. USSR No. 1134776,
3. Гречишкин P.M. и др. Актюатор, система актюаторов и способ его изготовления. Патент РФ 23058754. МПК Н01Н 61/04. Опубл. 10.09.2007. БИ №25.3. Grechishkin P.M. and others. Actuator, system of actuators and method of its manufacture. RF patent 23058754. IPC Н01Н 61/04. Publ. 09/10/2007. BI No. 25.
4. В.Н.Журавлев, В. Г.Пушин. Сплавы с термомеханической памятью и их применение в медицине. Екатеринбург, 2000.4. V.N. Zhuravlev, V. G. Pushin. Thermomechanical memory alloys and their use in medicine. Yekaterinburg, 2000.
5. В.Э.Гюнтер и др. Медицинские материалы и имплантанты с памятью формы. Томск, 1998.5. V.E. Gunter et al. Medical materials and shape memory implants. Tomsk, 1998.
6. А.Г.Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. МГУ, 1991.6. A.G. Hongjua. Introduction to structural physics of alloys with shape memory effect. Moscow State University, 1991.
7. В.И.Волосяной, Г.И.Иванов, И.Г.Иванов. Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. А.с.№1094985. Опубл. 30.05.84. Бюл. №20.7. V.I. Volosyanoy, G.I. Ivanov, I.G. Ivanov. A device for converting thermal energy into mechanical energy. A.S.No.1094985. Publ. 05/30/84. Bull. No. 20.
8. A.A.Cherechukin et al. Phys. Lett. A291, 175 (2001).8. A.A. Cherechukin et al. Phys. Lett. A291,175 (2001).
9. А.Н.Васильев и др. Способ управления формой исполнительного элемента. Патент РФ №2221076. Опубл. 10.01.2004. БИ №1.9. A.N. Vasiliev and others. The way to control the shape of the actuating element. RF patent No. 2221076. Publ. 01/10/2004. BI No. 1.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007138233/02A RU2367573C2 (en) | 2007-10-16 | 2007-10-16 | Actuator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007138233/02A RU2367573C2 (en) | 2007-10-16 | 2007-10-16 | Actuator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007138233A RU2007138233A (en) | 2009-04-27 |
| RU2367573C2 true RU2367573C2 (en) | 2009-09-20 |
Family
ID=41018405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007138233/02A RU2367573C2 (en) | 2007-10-16 | 2007-10-16 | Actuator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2367573C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2475890A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-08 | Ge Aviat Systems Ltd | Shape memory torsion actuator |
| RU2661803C2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-07-19 | Зе Боинг Компани | Smart susceptor for shape memory alloy actuator inductive heating system |
| RU2690258C1 (en) * | 2018-04-04 | 2019-05-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | In-tube elastic microrobot with controlled shape by piezo actuator |
| RU2691213C2 (en) * | 2014-09-09 | 2019-06-11 | Конинклейке Филипс Н.В. | Heat-sensitive actuator |
| RU2713527C2 (en) * | 2018-04-06 | 2020-02-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" | Device for manipulating micro- and nano-objects |
| RU2748242C2 (en) * | 2016-02-29 | 2021-05-21 | Легарде Инк. | Folding radio frequency membrane antenna |
-
2007
- 2007-10-16 RU RU2007138233/02A patent/RU2367573C2/en active
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2475890A (en) * | 2009-12-04 | 2011-06-08 | Ge Aviat Systems Ltd | Shape memory torsion actuator |
| US8607561B2 (en) | 2009-12-04 | 2013-12-17 | Ge Aviation Systems Limited | Actuating apparatus |
| RU2661803C2 (en) * | 2013-10-03 | 2018-07-19 | Зе Боинг Компани | Smart susceptor for shape memory alloy actuator inductive heating system |
| RU2691213C2 (en) * | 2014-09-09 | 2019-06-11 | Конинклейке Филипс Н.В. | Heat-sensitive actuator |
| RU2748242C2 (en) * | 2016-02-29 | 2021-05-21 | Легарде Инк. | Folding radio frequency membrane antenna |
| RU2690258C1 (en) * | 2018-04-04 | 2019-05-31 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") | In-tube elastic microrobot with controlled shape by piezo actuator |
| RU2713527C2 (en) * | 2018-04-06 | 2020-02-05 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" | Device for manipulating micro- and nano-objects |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007138233A (en) | 2009-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2367573C2 (en) | Actuator | |
| Mavroidis | Development of advanced actuators using shape memory alloys and electrorheological fluids | |
| Sun et al. | Stimulus-responsive shape memory materials: a review | |
| Aversa et al. | Biomechanically inspired shape memory effect machines driven by muscle like acting NiTi alloys | |
| Sofla et al. | Two-way antagonistic shape actuation based on the one-way shape memory effect | |
| Kim et al. | Micro artificial muscle fiber using NiTi spring for soft robotics | |
| Mavroidis et al. | 5.1 conventional actuators, shape memory alloys, and electrorheological fluids | |
| US5836066A (en) | Process for the production of two-way shape memory alloys | |
| US9410592B2 (en) | Apparatus for absorbing shocks | |
| US8628372B2 (en) | Shape memory alloy actuator assembly | |
| JP2001304095A (en) | Actuator using sma and forming method therefor | |
| JP2011117452A (en) | Actuating apparatus | |
| Sheng et al. | Design, modeling and characterization of a novel meso-scale SMA-actuated torsion actuator | |
| US8656713B2 (en) | Active material-based impulse actuators | |
| US10260486B2 (en) | Actuation via magnetic torque driven deformation | |
| RU2305874C2 (en) | Actuator, actuator system, and their manufacturing process | |
| RU2691213C2 (en) | Heat-sensitive actuator | |
| KR20180126111A (en) | Apparatus for manufacturing shape memory alloy spring continuously, method of manufacturing shape memory alloy spring continuoulsy and shape memory alloy spring manufactured thereby | |
| Zhang et al. | Application of magnetic shape memory alloys | |
| DİLİBAL | The Effect of Long-Term Heat Treatment on the Thermomechanical Behavior of NiTi Shape Memory Alloys in Defense and Aerospace Applications. | |
| Lai et al. | A two-degrees-of-freedom miniature manipulator actuated by antagonistic shape memory alloys | |
| Hao et al. | Achieving superior two-way actuation by the stress-coupling of nanoribbons and nanocrystalline shape memory alloy | |
| Farias et al. | A four-fingered robot hand with shape memory alloys | |
| Glücksberg et al. | Releasing systems for aerospace industry based upon Shape Memory Alloys: characterization of materials for actuators | |
| Singh et al. | Development of non-linear models to evaluate the NiTi SMA spring actuator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20190523 Effective date: 20190523 |