偏動式SMA車載執(zhí)行器致動元件載荷特性實驗研究

劉琳 杜梓憶 張一俊 譚新晨

摘 要：針對傳統(tǒng)電磁式車載執(zhí)行器體積重量大以及電磁干擾嚴重等問題，提出一種偏動式SMA（Shape Memory Alloy）車載執(zhí)行機構(gòu)，利用具有單程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶合金作為驅(qū)動元件，在偏動力作用下能夠?qū)崿F(xiàn)雙程驅(qū)動，研究偏動力對形狀記憶合金執(zhí)行器驅(qū)動特性的影響規(guī)律，獲得了形狀記憶合金絲在不同恒定載荷及不同剛度的偏置彈簧作用下的驅(qū)動特性，包括驅(qū)動位移、驅(qū)動力和響應(yīng)時間等。實驗表明，SMA絲與恒定載荷以及偏置彈簧的連接均能實現(xiàn)快速雙程驅(qū)動，斷電后，與偏置彈簧連接的SMA絲不需要停滯而能迅速被彈簧拉長，冷卻過程約為10s;與恒定載荷連接的SMA絲斷電后需約3s，待SMA冷卻后方能在載荷作用下拉長SMA絲，冷卻時間需約40s，利用偏置彈簧組成的雙程驅(qū)動器能有效提高驅(qū)動器作動效率。

關(guān)鍵詞：偏動式;形狀記憶合金執(zhí)行器;載荷特性;實驗研究

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)品向著智能化、輕量化的方向，車載電子電器設(shè)備越來越豐富，尤其是對車載執(zhí)行器的需求與日俱增。目前汽車上活動部件對執(zhí)行器數(shù)量的需求超過200個，由此帶來的附加質(zhì)量增加、電磁干擾、機械噪聲等問題已成為制約智能化、輕量化技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。利用SMA的力學性能[1]和執(zhí)行器能量密度大、無噪聲和電磁干擾等特點，可以實現(xiàn)汽車上活動部件的有效驅(qū)動[2]。

實現(xiàn)SMA執(zhí)行器雙程往復(fù)驅(qū)動，常見的SMA執(zhí)行器驅(qū)動方式包括差動式和偏置式兩種[3]。偏置式雙程驅(qū)動器與差動式雙程驅(qū)動器的基本工作原理相同，在主動元件和被動元件之間存在著熱能、彈性勢能與動能之間的轉(zhuǎn)化。但兩者之間又存在著許多的不同之處。（1）偏置式雙程驅(qū)動器只需要單個SMA元件，被動元件為偏置彈簧，而差動式雙程驅(qū)動器需要兩個SMA元件，被動元件仍然是SMA;（2）偏置式雙程驅(qū)動器完成一次驅(qū)動只需要對SMA通電加熱一次，冷卻后的SMA在彈簧的作用下為第二次循環(huán)提供預(yù)變形，而差動式雙程驅(qū)動器需要分別對主動SMA和被動SMA通電加熱兩次;（3）加熱驅(qū)動過程中，主動SMA縮短的同時需要拉長被動元件，與馬氏體相比，偏置彈簧剛度更大，用于拉伸偏置彈簧所需要的能量更多，因此輸出力相對較小;（4）冷卻過程中，由于伸長偏置彈簧的剛度相對于SMA絲較大，能夠快速拉伸主動SMA，即冷卻回程速度更高且主動SMA絲殘余變形小，即單位SMA的有效沖程大。

差動式雙程驅(qū)動器的輸出力較大，但是輸出位移較小，并且完成一次驅(qū)動周期需要對主動SMA和被動SMA進行兩次通電加熱，SMA溫度過高容易導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成永久損壞，因此對驅(qū)動過程中的SMA的溫度控制至關(guān)重要，而差動式雙程驅(qū)動器需要對主被動兩個SMA驅(qū)動元件進行控制，增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不利于微型化設(shè)計初衷。影響SMA驅(qū)動器應(yīng)用的一個重要原因在于SMA驅(qū)動器的加熱驅(qū)動時間較短，而冷卻過長很慢，偏置式驅(qū)動器斷電后，由于彈簧剛度較大能夠帶動SMA絲快速動作，而差動式雙程驅(qū)動器冷卻過程中，需要經(jīng)歷兩次SMA由較為強硬的奧氏體冷卻至相對柔軟的馬氏體才能進行回程，因此冷卻周期較長。

1 SMA絲在恒定載荷下的驅(qū)動特性研究

1.1實驗原理

SMA絲在載荷作用下發(fā)生初始變形，對有初始變形的SMA絲通電加熱使其發(fā)生馬氏體逆相變[4]，宏觀上SMA絲長度縮短的同時驅(qū)動恒定載荷產(chǎn)生位移量，但是由于恒定載荷的作用，SMA驅(qū)動完成后存在部分殘余變形量，而不能回復(fù)到原始形狀，此時的SMA的位置與通電加熱前的SMA之間的位移量即為SMA在恒定載荷下的有效沖程。斷電冷卻后，恒定載荷給予SMA第二次循環(huán)的初始變形，從而實現(xiàn)往復(fù)雙程驅(qū)動[5]。恒定載荷的大小影響SMA初始變形的大小，以及通電加熱后的SMA相變過程，最終影響SMA絲的驅(qū)動沖程以及響應(yīng)速度，研究SMA絲在不同恒定載荷作用下的輸出位移特性，對于研究柔性驅(qū)動器在恒定載荷下的驅(qū)動特性具有重要的意義。

1.2實驗儀器：

如圖1所示，實驗儀器包括可調(diào)節(jié)電源、激光位移傳感器、動態(tài)信號采集儀以及計算機，通過可調(diào)節(jié)電源對SMA絲實現(xiàn)通電加熱，使其發(fā)生相變，利用激光位移傳感器獲得SMA絲相變過程中長度的變化過程，動態(tài)信號采集儀將傳感器獲得的數(shù)據(jù)收集并傳輸?shù)接嬎銠C中。

1.3實驗過程

如下圖2所示，將不同質(zhì)量的重物分別與直徑為0.2mm，有效長度為360mm的SMA絲的一端連接，SMA絲的另一端固定連接，重物垂直地面，重物在重力作用下拉長SMA 絲，使其產(chǎn)生初始變形，在1.5A的電流強度下對產(chǎn)生初始變形的SMA絲通電加熱，SMA絲發(fā)生馬氏體逆相變[6]，長度縮短到最短長度后，關(guān)閉電源使其在自然狀態(tài)下冷卻，利用激光位移傳感器測得SMA絲加熱和冷卻過程中位移隨時間的變化過程，通過將位移位移傳感器與DHDAS動態(tài)信號采集儀連接，獲得驅(qū)動過程中的位移數(shù)據(jù)，通過計算獲得SMA絲應(yīng)變-時間的變化曲線。

1.4實驗結(jié)果

圖3為SMA絲在不同的恒定載荷作用下，雙程驅(qū)動過程中，驅(qū)動應(yīng)變隨時間的變化曲線，（a）-（e）所對應(yīng)的載荷分別為575g、661g、750g、838g和925g。從圖中可以看出，室溫下，SMA在恒定載荷重力的作用發(fā)生伸長，通電加熱后，由于載荷的作用，使得SMA不能完全恢復(fù)至初始狀態(tài)，斷電后的SMA在載荷作用下，第二次被拉長，為第二次驅(qū)動提供初始變形。從圖中可以看出，SMA加熱縮短至最短長度后，對SMA斷電冷卻，斷電后的合金絲仍然具有較高的溫度，需要經(jīng)過約2.5s的冷卻后才能相變?yōu)橄鄬^為柔軟的馬氏體結(jié)構(gòu)，此時才能在載荷作用下拉長SMA絲，SMA絲被拉伸至最長所需要的時間隨載荷的增加而減少，載荷為661g時所需時間為50s，載荷為925g時所需時間約為33s。

圖4不同載荷下SMA絲驅(qū)動性能的對比，其中（a）為初始應(yīng)變;（b）為加熱后的殘余應(yīng)變;（c）為驅(qū)動應(yīng)變;（d）為驅(qū)動輸出功。從圖3.6（a）中可以看出，常溫馬氏體結(jié)構(gòu)下，在載荷較小時，初始變形量隨載荷呈近似線性關(guān)系，當載荷增加至700g左右時，初始變形量隨載荷的增加較為緩慢，載荷到達838g時的初始變形量可到6.06%，即已經(jīng)達到SMA絲的最大可回復(fù)應(yīng)變，隨著載荷的增加，初始變形量增大，易導(dǎo)致變形量過大而失效;從圖3.6（b）中可以看出對載荷作用下發(fā)生初始變形的SMA絲通電加熱后的殘余應(yīng)變隨載荷的增加近似呈線性增加;從圖3.6（c）可以看出SMA絲在不同的載荷下的驅(qū)動應(yīng)變隨載荷的增加而先線性增加后逐漸趨于平緩，在載荷有750g增加至925g，增加23.33%時，驅(qū)動應(yīng)變由5.41%增加至5.72%，僅提高了5.73%;從3.6（d）可以看出，SMA絲在載荷作用下實現(xiàn)雙程驅(qū)動的驅(qū)動輸出功隨載荷的增加而近似呈線性增加。SMA絲在外部載荷的作用下實現(xiàn)對載荷的雙程循環(huán)驅(qū)動，能夠在6%的應(yīng)變下，對925g的載荷實現(xiàn)有效循環(huán)驅(qū)動，具有很好的驅(qū)動性能。

2 ?SMA絲與不同剛度彈簧串聯(lián)的驅(qū)動特性研究

2.1 實驗原理

SMA絲一端固定，另一端與彈簧連接，彈簧的另一端固定形成串聯(lián)式連接。在外載荷作用下發(fā)生初始變形的SMA在通電加熱發(fā)生馬氏體逆相變，長度縮短的同時驅(qū)動與之串聯(lián)的偏置彈簧伸長，由于偏置彈簧的作用，SMA存在部分殘余變形而不能完全回復(fù)到原始形狀，斷電冷卻后，SMA發(fā)生馬氏體相變，剛度減小，伸長的彈簧具有回復(fù)趨勢，彈簧收縮的同時帶動相對柔軟的馬氏體絲伸長，給予SMA第二次驅(qū)動的初始變形，從而實現(xiàn)往復(fù)雙程驅(qū)動。彈簧剛度的大小影響SMA通電加熱以及斷電冷卻后的SMA相變過程，最終影響SMA絲的驅(qū)動沖程以及響應(yīng)速度，加熱后SMA末端位置與冷卻后SMA末端之間的距離即為SMA與偏置彈簧串聯(lián)后的有效行程。研究SMA絲在不同剛度彈簧作用下的輸出位移特性，對于研究柔性驅(qū)動器的彈簧效應(yīng)具有重要的意義。

中國石油大學的懷利敏[7]，通過將有預(yù)應(yīng)變的SMA與不同剛度的彈簧連接，通過詳細的實驗研究了耦合系統(tǒng)中，彈簧剛度對驅(qū)動特性的影響規(guī)律，實驗結(jié)果表明，隨著彈簧剛度的增加，SMA逆相變結(jié)束時的輸出應(yīng)變逐漸增大，而驅(qū)動行程隨之減小。

2.2實驗過程

利用拉伸機對直徑為0.2mm，有效長度為540mm的SMA絲進行靜力拉伸，拉伸長度為30mm后卸載，將卸載后SMA絲仍有28mm的殘余變形，即初始應(yīng)變量為5.2%，將有殘余變形的SMA絲與不同剛度的偏置彈簧串聯(lián)， SMA絲的另一端與彈簧的另一端分別固定連接，由于不同剛度的彈簧的初始長度不同，固定端以自然狀態(tài)下最長的彈簧，即剛度為2378N/m的彈簧在自然狀態(tài)下的長度為36mm，以此為固定標準。表3.1為不同剛度的彈簧初始和安裝后的狀態(tài)。

實驗原理如下圖3.7所示，將SMA絲與彈簧連接后，在1.5A的電流強度下對SMA絲進行通電加熱，SMA長度縮短到最短長度后斷電，使其在自然直狀態(tài)下冷卻，利用激光位移傳感器測得SMA絲與不同剛度的彈簧串聯(lián)后，加熱和冷卻過程中輸出位移隨時間的變化過程，通過將位移位移傳感器與DHDAS動態(tài)信號采集儀連接，獲得驅(qū)動過程中的位移數(shù)據(jù)，通過計算獲得SMA絲應(yīng)變-時間的變化曲線。

2.3實驗結(jié)果如下圖：

圖3.8為SMA絲與不同剛度得偏置彈簧連接，雙程驅(qū)動的過程中，驅(qū)動應(yīng)變隨時間的變化曲線，（a）-（d）所對應(yīng)的彈簧剛度分別為680N/m、732N/m、1586N/m和2378N/m。從圖3.8中可以看出，SMA絲通電加熱縮短至最短長度后，對其通電加熱使其發(fā)生馬氏體逆相變，但是由于偏置彈簧的彈性力，相變完成后的SMA絲仍存在部分殘余變形。與固定載荷不同，SMA驅(qū)動的過程中帶動彈簧拉長，斷電后的SMA絲溫度仍然較高，但是在伸長彈簧彈性力的作用下，幾乎不需要停滯，而在斷電后能立刻被彈性力伸長，固定載荷下，需要經(jīng)過約3s冷卻至相對較柔軟的馬氏體，才能在載荷作用下被拉長，這是由于伸長彈簧的彈性力較大引起的，冷卻后的SMA絲在彈簧作用下，SMA絲被拉伸之最長的時間隨著彈簧剛度的增加而降低，彈簧剛度為680N/m時的冷卻完成時間約為17s， 彈簧剛度增加至2378N/m時的冷卻完成時間約為8s。

圖3.9為初始變形量為5.18%的SMA絲與不同剛度的彈簧連接后，SMA絲驅(qū)動性能的對比，其中（a）為加熱后的殘余應(yīng)變;（b）為冷卻后的應(yīng)變;（c）為驅(qū)動應(yīng)變;（d）為驅(qū)動功。從圖3.9（a）中可以看出，相同初始應(yīng)變量的SMA絲加熱相變完成后，由于彈簧彈性力的作用，使得SMA不能完全回復(fù)到初始狀態(tài)，而存在殘余應(yīng)變量，殘余應(yīng)變量的大小隨著彈簧剛度的增大而緩慢增大，彈簧剛度為680N/m時的殘余應(yīng)變量為0.98%，彈簧剛度增加至2378N/m時，殘余應(yīng)變量增加至1.33%;從圖3.9（b）中可以看出，斷電冷卻后，在伸長的彈簧的彈性力作用下，SMA被拉長，為第二次循環(huán)提供預(yù)變形，冷卻后的應(yīng)變量隨彈簧剛度的增加而增加，彈簧剛度增加至1900N/m時，增加幅度減緩;從圖3.9（c）中可以看出，SMA與不同剛度的彈簧連接后，其驅(qū)動應(yīng)變在彈簧剛度小于732N/m以及彈簧剛度大于1586N/m時，驅(qū)動應(yīng)變隨彈簧剛度的增加而降低，這是由于冷卻后的應(yīng)變的增幅小于加熱后的殘余應(yīng)變量，彈簧剛度大于732N/m而小于1586N/m時，驅(qū)動應(yīng)變隨彈簧剛度的增加而增加，這是冷卻后的應(yīng)變的增幅大于加熱后的殘余應(yīng)變量，最大驅(qū)動應(yīng)變彈簧剛度為680N/m時對應(yīng)的驅(qū)動應(yīng)變，最大值為4.05%;從圖3.9（d）中可以看出SMA絲在偏置彈簧的作用下實現(xiàn)雙程驅(qū)動，彈簧沒有預(yù)載時，SMA絲的驅(qū)動輸出功的大小隨彈簧剛度的增加而增加，輸出功用與作動彈簧，驅(qū)動功越大，則用于驅(qū)動彈簧的能量越多，驅(qū)動器驅(qū)動輸出功效率越低，且與固定載荷相比，驅(qū)動彈簧所需要的能量更高。SMA絲在偏置彈簧的作用下實現(xiàn)對雙程循環(huán)驅(qū)動，且與固定載荷下的雙程驅(qū)動相比，在斷電冷卻后幾乎不需要停滯，而直接在彈簧彈力的作用下重新拉長SMA絲。

結(jié)論：

（1）恒定載荷和偏置彈簧均能為具有單程形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶合金提供偏動力，使其實現(xiàn)雙程驅(qū)動。

（2）隨著恒定載荷的增加，SMA彈簧冷卻時間縮短。

（3）彈簧沒有預(yù)載時，SMA絲的驅(qū)動輸出功的大小隨彈簧剛度的增加而增加。

（4）輸出功用與作動彈簧，驅(qū)動功越大，則用于驅(qū)動彈簧的能量越多，驅(qū)動器驅(qū)動輸出功效率越低，且與固定載荷相比，驅(qū)動彈簧所需要的能量更高。

參考文獻：

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[7]Huai Limin.Reverse Transformation Behavior of TiNi Shape Memory Alloys Prestrained in the Parent Phase.2006，3：26-28.

作者簡介：

劉琳（2001—），女，漢族，山東省德州人，吉林大學本科在讀，工業(yè)設(shè)計專業(yè)（車身工程方向）

通訊作者簡介：

劉琳（2001—），女，漢族，山東省德州人，吉林大學本科在讀，工業(yè)設(shè)計專業(yè)（車身工程方向）

基金項目：

2021年吉林省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃S202110183217