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第 26 卷第 4 期 2010 年 8 月 机械设计与研究 M achine D esign and R esearch V 01． 26 No． 4 A ug．， 2 0 10 文章编号： 1 006． 23 43(201 0)04-058-03 Ti —Ni 记忆合金驱动的感温自动控制器设计 杨军 ，贺志荣 ，王芳 ，王启 。刘 艳 ( 1．陕西理工学院 材料科学与工程学院， 陕西 汉中 723003， E— mail ： yangjun01． cool@ 163． com； 2．陕西理工学院， 图书馆 ， 陕西 汉中 723003) 摘要 ：介绍 了一种采 用形状记忆合金 (SMA ) 作为驱动元件 的温敏 装置的设计方法 。与传统 装置相 比， 该装置具有结构简单、 使用寿命长、 无电耗、 稳定性好的优点； 文中对温敏装置的结构， SMA 的相变温度、 应力 一应变曲线测定， 以及对 SMA 弹簧和偏置弹簧的设计进行了研究和分析， 指出了设计中应注意的问题。 关键词：弹簧驱动器； 形状记忆合金； 螺旋弹簧； 设计方法 中图分类号 ：TG139． 6； TB535 文献标识码 ：A D esig n of T em per atur e-sen sed A utom atic C ontr oller B ased on T i． N i S h ape M em ory A lloy A ctuator Y ANG J un，HE Zhi-rong，WANG Fang，WANG Qi ，LIU Yan ( School of Mater i als Science and Engineer i ng， Shaanxi University of Technolo gy ， Hanzhong Shanxi 723003，China) A bstr act ：A design method of temperature— regul ated device made of shape memo~alloy is proposed i n thi s paper． Comp~ed with the co nventiona l device， the new type of temperature·regulated (SMA ) has mer i ts such as simple struc— ture ，long life·span ， non— el ectr i ci ty consuming and good working stabili ty ．T he structure of temperature— reg u l ated devi ce ， the measurement of transformation temperatures and stress— strain curves for ( SMA ) ， and the design of SMA spr i ng and bi as— spr i ng were i nvestigated and discussed．T h e problems that should be considered dur i ng design were point out． K ey words ： spr i ng actuator ；shape memo~all oy ；coil spr i ng ；design method Ti— Ni 形状记忆合金 (SMA ) 具有优良的形状记忆效应 ( SME ) 和超 弹性 ( SE ) 特性 ， 并 由此 被开发 成多种 重要 的系 统传感、 驱动和执行元件， 广泛应用于机械、 电子 、 化工、 能 源、 建筑、 医疗和航空航天等领域? 。因为 感、 驱动和执行功能于一体， 所以用其开发的驱动装置具有 功重比大(输出功和质量之比) ， 结构简单， 使用稳定性好等 优点， 在智能机械和电子 自动化领域有着 巨大 的发展潜 力 2』 。温度变化和应力作用都能使 SMA 发生相变， 不同相 变的发生会宏观反映出不同的特性 ， 当其宏观运动受阻时就 会对外做功， 可提供较大 的恢复力作用。Ti— Ni 基、 cu 基 SMA 多以螺旋弹簧形式应用于温敏控制及驱动场合。文中 针对 Ti． Ni 基 SMA 驱动器的设计应用开发了一种感温 自动 控制装置， 并给出了相关特性参数的测定和计算方法。 1 SMA 特性参数的本构关系 驱动器用螺旋弹簧状 SMA 四个基本量——温度 、 切应 力 r、 切应变 、 切变模量 G， 受热弹性马氏体相变及逆相变 的影响， 其本构关系如式( 1) 所示 j 。 — Ni SMA 集传 n r —Jr。= G( y 一7。 ) + ( 一 ) + ( 一 )(1) qj j 式中： 。 ， 为动作初始和结束状态切应力； y0， 为动作初始 收稿 日期 ：2010 — 01—2l 基金项 目：陕西省 自然科学基金资助项 目( 2009J M601 0 ) 和 陕西 省教 育厅科研计划资助项 目(09JK375) 和结束状态切应变； 分数； ， T 为动作初始和结束状态温度； n 为相变系数 ； 为热弹性模量； G为切变模量。 其中， 切变模量 G是随温度非线性变化的 ， 不同合金系及同 合金系不同成份的合金， 其 G值变化规律均不同， 见式(2)。 ， 为动作初始和结束状态马氏体体积 一r G^f I G』 G ( ) A T≤ ， G A 南l 【G = T < A F ， (2 ) GA T> 在加热过程中剪切 弹性模量 G 可用(3) 式近似表示 ： G： + {? in 【 ·( 一 )】 )㈩ 式中： A ， A， 为由马氏体相到母相转变的开始和结束温度； GM， 为马氏体状态(低温)下的剪切和拉伸弹性模量； GA， EA为母 相状态(高温)下的剪切和拉伸弹性模量私为泊松系数。 此外， 温度变化对合金的 t — 不同温度下、 相同合金的 t — 特性曲线是不同的， 可通过实 验测 量。 2 SMA 驱动器设计 2． 1感温 自动控制装置的结构设计 本装置适用于温度范围在 0 — 37℃之间， 主要部件如图 特性曲线也有很大影响，