6 钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计-温度控制 原创

钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、肌肉丝、镍钛记忆合金，它是由Ni（镍）- Ti（钛）材料组成，经过多道工序制成的丝，财哥简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。钛丝驱动技术（nitidrivetech）目前已经在航空航天、医疗、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过公开分享、科普钛丝驱动技术的可靠性设计经验，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效地转化为科技成果。

六、温度控制和设计

钛丝通过通电加热，当温度达到某个区域时，发生明显的收缩，对应的温度区域即为钛丝的相变温度。严格来说钛丝的相变温度是个区间值，也是个范围值，同时在不同载荷的前提下，还存在正向偏移的现象。如下曲线图所示：

载荷在100MPA的前提下，其驱动相变温度是85°。

载荷在200MPA的前提下，其驱动相变温度是95°。

载荷在300MPA的前提下，其驱动相变温度是110°。

钛丝的加热驱动和冷却恢复的过程，均是在稳定的温度区间完成的。

这个温度区间环境，有时候会被附近的结构、元件及电流大小等因素干扰，导致出现受热不均、温度不够或温度超标等现象。

为了避免上述现象，保障钛丝驱动的稳定运行，钛丝的温度控制也是相当重要的一环，我们结合实际应用过程中出现的一些问题，给出以下几种情况和建议：

1、 【安全间隙】

我们产品的驱动机构结构设计过程中，一定要考虑到钛丝的发热和散热的情况。

财哥建议除了钛丝两端的金属片和执行机构接触，其他区域尽量悬空，悬空距离在0.3-1.0mm。

2、 【转轴损失】

采用带转轴的驱动机构，需要考虑转轴给钛丝带来的驱动位移和温度损失。

因在结构设计过程中，驱动机构采用了金属转轴和钛丝中间接触，在我们给钛丝加热的过程中就可能会出现钛丝两端温度达到了100°的驱动温度，而中间只有70°，导致钛丝没有收缩驱动，造成了驱动位移量不足的现象。

例如规格：∅0.15mm，长度100mm，绕过∅5mm的轴，损失了约4mm的有效驱动长度，这根钛丝长度100mm，实际发生有效驱动的长度是96mm。

在未能找到这个问题的真实原因时，有的工程师可能会加大控制的电流或加热的时间，用来增加这个驱动位移。随着温度的上升，当钛丝的低温区域达到了驱动的温度，而两端的温度可能就超过了钛丝的驱动上限，从而导致其局部过烧损坏。

当转轴采用塑料或者陶瓷时，转轴处也会产生不同程度的驱动位移量的损失，只是相对比较少一点。

所以，驱动钛丝经过的转轴或支点结构时，需要考虑这个驱动位移量（以及力量）的损失，当采用金属转轴或支点时，还需要考虑温度损失。

3、 【钛丝过烧】

当钛丝局部或整体温度超过约135度以上时，存在钛丝过烧情况，包括轻度、中度、重度过烧三种情况。

（1） 轻度过烧：钛丝整体长度比初始长度偏短约0.5-1mm，导致冷却恢复不到位，钛丝轻度受损。

（2） 中度过烧：钛丝驱动无响应、钛丝整体长度偏长、松软，钛丝损坏。

（3） 重度过烧：钛丝烧红、烧断，钛丝损坏。

导致过烧的原因有电流过大、通电时间偏长、或者转轴和接触材质导致的受热不均等。我们需要结合实际情况调整结构设计，结合热工方程重新调整电流和通电时间。

4、 【结构接触】

驱动机构的塑胶结构部件应避免和钛丝接触。

我们在做驱动机构的结构设计过程中，有时存在加强筋或隔离墙的设计，这样的设计可能让结构部件和钛丝有局部接触，因长期或偶尔的接触，导致结构件出现了高温粘连、烧焦的问题。

其中，结构件和钛丝发生粘连，会造成钛丝驱动的时候直接拉长或拉断。

结构件烧焦会造成驱动机构本身局部损坏或带来燃烧的风险。

因此驱动结构材料尽量采用耐高温材料，或尽量避免和驱动钛丝的接触。

5、 【均热隔离】

有时候驱动机构无法避免和钛丝局部接触的情况下，需要做均匀的隔热处理。

例如采用高温胶布，高温胶纸，耐高温塑胶件，让其均匀和钛丝做全面接触，或和钛丝的隔离距离保持均匀一致。

然后，我们可以根据隔热材质的特征，适当加大驱动控制的电流或加热的时间。

6、 【材质一致】

驱动机构部件选择同一材质，避免不同材质给钛丝带来不同的发热和冷却时间。

驱动机构和钛丝存在较大面积接触或距离较近的情况下，我们采用均匀的隔热处理可能会失效，这个时候我们一定要注意接触部分的材质。

例如：驱动机构的钛丝，一部分和塑胶件接触，一部分和金属件接触，我们即使采用了隔热处理，但是金属件的导热系数比较高，导致整体温度难以达到驱动的问题，非常容易造成驱动机构执行不到位或烧坏的情况。

7、 【环境温度的影响】

当我们完成驱动执行机构的设计，还需要考虑环境温度的影响。

当环境温度偏差大于20°的区间，或超过了相变温度范围，往往会出现驱动温度偏低或驱动温度偏高的现象。

这时候，我们需要介入电路设计和软件控制，对环境温度施加闭环控制来消除环境温度的偏差带来的驱动温度的影响。（这个问题我们后面会在电路设计和软件控制中讲解）

作者 财哥说钛丝