当今的分离弹射机构经常要配合其他装置结构的使用,所以对驱动器的体积、重量、耗能的要求越来越高[1] . 传统的驱动器功重比低,受微电机尺寸较大的限制、驱动电压大、需要减速器进行配合[2] ,导致传动系统复杂、结构累赘. 传统技术已满足不了科技发展的需求,现在,越来越多的智能材料被用做驱动元件[3] . 其中因为 SMA 驱动机制简单、无需传动装置、结构尺寸小、低冲击、无磁性、噪声小、功重比高、耐海水的腐蚀以及独特的材料特性得到越来越广泛的应用[4] .
SMA 驱动有热驱动和磁驱动两种,磁驱动可能干扰仿生机器人电子装置[5] ,本设计采用热驱动方式,热驱动方式还分为两种,即内部电热驱动和外部热流驱动,由于 SMA 丝电阻随丝直径的增大而减小,所以一般情况下,在所选用丝的直径较小时,采用内部电热驱动的方式,当直径较大时,采用外部热流驱动的方式. 常用的记忆合金驱动主要有:SMA 棒、SMA 弹簧、SMA 丝等. SMA 棒驱动,耗电量大,通电时 SMA 棒的直径发生改变,SMA 丝驱动相比于 SMA 弹簧驱动消耗相同的电量输出位移要小,结合装置设计的要求本设计选择 SMA 弹簧进行驱动.
本文设计了一种简易分离弹射装置,其小巧轻便操作简单安全性高,可以配合多种机型进行使用,减少进口成本,具有一定的经济以及现实价值.
1 装置的设计与计算
1. 1 SMA 的驱动原理
SMA 在低温状态下内部金相全部呈现马氏体状态,此时在一定范围内施加外力,马氏体从孪生转变为非孪生马氏体,其发生塑性形变并固定为某一形态后,卸掉外载荷加热到某一临界温度以上后塑性变形将减小甚至能回到原始性状,实质是热弹性马氏体的相变,即马氏体在外力变形成某一特定形状,加热后发生变形的马氏体会回到原来的奥氏体状态,这种能回到原始形态的特性叫做记忆效应[6] .
1. 2 整体结构设计及原理
本装置采用纯机械结构的楔形块卡锁设计,结构简单可靠,避免了类似于电磁铁闭锁装置稳定性较差的缺点[7] .
如图 1 所示,本设计包括外壳箱体、两个上挡板、两个楔形块、一个长方体套筒、一个 SMA 弹簧、一个锡青铜弹簧、弹簧外圆柱形套筒. 所述分离弹射装置是靠 SMA 弹簧在通电受热后发生收缩进行驱动的,温度降低之后恢复原长,使得装置 可以反复使用,SMA 弹簧与两端的楔形块固定连接,在 SMA 弹簧处在低温状态时弹簧受力被压缩,使得楔形块卡在外壳箱体的凹槽内,外壳箱体的作用是承受弹簧压缩产生的压力以及保护内部分离弹射结构,长方体套筒套在 SMA 弹簧外,对楔形块起导向作用,下部的锡青铜弹簧固定连接在外壳箱体的底部,在装置处于蓄能状态时被长方体套筒压缩,楔形块来承受弹簧压缩产生的竖直方向的力,圆柱形套筒对锡青铜弹簧起稳固作用,保证其受压缩以及一定冲击时不会产生弯曲,两个上挡板的作用是防止在对物体进行弹射后,内部弹射杆弹出,使得装置可以进行多次分离弹射运动. 当对 SMA 弹簧进行通电加热时,弹簧发生收缩,拉动楔形块回缩到长方体套筒内,锡青铜弹簧恢复原长,驱动所要弹射的元件弹出.
1-3 楔形块的设计
(1)楔形块的设计要求:设计合适的自锁角在解锁时使得解锁力尽量的小;设计合适的回收角,使得在再次使用前,SMA 弹簧可以推动楔形块再次卡在凹槽内;在装置处于锁定状态时可以承受竖直方向的压力,同时不能发生滑动,使得SMA 弹簧牢固的压缩在长方体套筒内. 图 2 为装置的原理结构图.
(2)临界自锁角的设计计算
根据初始设计参数,楔形块的体积设定为6mm×4 mm×4 mm;根据所要弹射的物体的质量范围,初设锡青铜弹簧所要产生的弹力为 6 N. 为保证楔形块在静止时不发生滑动,需要对临界自锁 角进行计算,要使水平方向的摩擦力大于压力在水平方向的分力. 
图 3 为装置锁定时楔形块的受力分析示意图, FN1 为外壳箱体的凹槽对楔形块产生的压力;α 为临界自锁角; f 外壳箱体的凹槽对楔形块产生的静摩擦力; F1 锡青铜弹簧对长方体套筒产生的压力; Fmax 最大静摩擦力; μ 滑动摩擦系数.工程塑料具有刚性大,蠕变小,机械强度高,耐热性好,电绝缘性好,可在较苛刻的化学、物理环境中长期使用,具有良好的工业性能,可替代金属作为工程结构材料使用,且同等体积要比金属质量要小,本装置主体采用工程塑料进行设计计算. 工程塑料的滑动摩擦因数 μ ≈ 0. 34, 可推导出 α ≤ 18. 33°.
解锁时通过对 SMA 弹簧进行通电加热,SMA弹簧收缩拉动楔形块缩到长方体套筒当中.在进行解脱分离时楔形块比静止时多受到了一个弹簧作用在楔形块 A-A 面上水平向右产生的拉力. 要使弹簧所产生的拉力与外壳箱体凹槽与楔形块在水平方向的分力之和大于滑动摩擦在水平方向的分力 
式中, F2 为 SMA 弹簧所要提供的拉力. 所要提供的拉力直接影响 SMA 弹簧的粗细、大小,为使拉力尽可能小,由上式得要使 (μ - sinα) 的值尽量小才可以, μ 取 0. 34,且 sinα 在(0 ~ π / 2)单调递增,因此取临界角自锁角 α 为 18°.
(3)SMA 弹簧的计算采用电热驱动的方式对 SMA 弹簧进行加热, 对 SMA 弹簧进行通电,电能转化为热能,温度升高到相变点以上后,弹簧产生相变回复到高温状态下的形状.
本设计利用表观设计法对 SMA 弹簧进行计算,表观设计法的原理就是将低温时的剪切弹性模量 GL 和高温时的剪切弹性模量 GH 看作常数,并利用普通螺旋弹簧的设计公式,对 SMA 弹簧的主要参数进行计算. 这里 GL = 7. 5 GPa, GH =25MPa[8-9] .
根据初始设计参数,SMA 弹簧在处于低温状态下时,为使装置可以承受一定的冲击与振动,弹簧要受到 3 N 左右的压力,在处于高温状态时弹簧要产生 1 N 左右的推力使得楔形块可以归位到外壳箱体的凹槽内.
根据 SMA 弹簧设计公式:
本装置选择端部紧磨平,支承圈为 1 圈的圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧,圆形截面的圆柱弹簧特性线呈线性,刚度稳定,结构简单,制造方便,应用较广,在机械设备中可以起到良好的缓冲、减振以及储能作用.
式中: Hf 为弹簧压并高度;nt 为弹簧总圈数;Hs 为弹簧总长度;t 为节距. SMA 弹簧的主要设计尺寸参数如下:弹簧线径为 0. 6 mm;有效圈数为 72;弹簧高低温的位移差为 10 mm;弹簧压并高度为44mm;弹簧总圈数为 74;弹簧总长度为 55 mm;节距为 0. 75 mm;弹簧直径为 4. 2 mm.
(4)回复角的设计计算
如图 4 所示在回复阶段楔形块受到外加推力,外壳箱体的凹槽对其的压力以及摩擦力,SMA弹簧产生的弹力,当楔形块发生滑动回复进外壳箱体中时,对水平方向和竖直方向进行受力分析.
图 4 为装置在解锁时楔形块的受力分析示意图, FN2 为外壳套筒对楔形块的压力; β 为回复角;Fmax 为最大的 SMA 弹簧拉力; F3 为外加压力.由 MATLAB 软件求得外加压力与回复角之间的关系如图 5 所示. 从图中可知, β 在大于0. 35rad 时,拉力随着角度的增大而减小,结合楔形块的尺寸取 0. 5 rad 时所需外加压力最小,且之后角度没有明显的减小,所以取回复角为 30°.
1-4 锡青铜弹簧的设计
之所以选择锡青铜作为弹簧的材料是因为锡青铜有较高的耐腐蚀,耐磨和防磁性能,要确定锡青铜弹簧的尺寸要根据长方体套筒的尺寸进行确定,根据 SMA 弹簧和楔形块的尺寸,长方体套筒尺寸可以定为 59 mm×5 mm×5 mm. 根据初始设计要求锡青铜弹簧要提供 6N 的弹力.
根据长方体套筒的尺寸,结合机械设计手册,选取弹簧中径 DT = 4 mm,由于高径比 B 较大的压缩弹簧,当轴向载荷达到一定值就会发生侧向弯曲而失去稳定性,为了保证使用的稳定高径比 B应满足以下条件:B ≤ 5. 3(两端固定);B ≤ 3. 7(一端固定另一端回转);B ≤ 2. 6(两端回转);
本装置采用一端固定另一端回转的方式取 B为 3. 5.
得 Pj ≥1. 26×6 = 7. 5,根据机械设计手册选取材料直径 dT 为 0. 5mm, PM = 9. 64 N·mm-1.
以上各式中: Pc 为初算弹簧刚度( N / mm);PN 最大工作载荷(N); P1 为最小工作载荷(N);λT 为工作行程,本装置中定为 6 mm; Pj 为工作极限载荷(N); nT 为锡青铜弹簧有效圈数; PM 单圈刚度(N·mm-1). 锡青铜弹簧的主要设计参数如下:弹簧中径为 4 mm;弹簧线径为 0. 5 mm;有效圈数为 10;弹簧自由高度为 14 mm;最小套筒直径为 5. 1 mm.
2 装置可行性验证
2. 1 楔形块的强度校核
如图 3 所示,锡青铜弹簧的压力 F1 为 6N,楔形块剪切应力主要集中在 A-A 面上,根据楔形块的设计尺寸
查阅机械设计手册,工业塑料的屈服极限为380MPa,取安全系数 2, τ ≤ [τ], 尺寸可达到强度要求. A 为截面积; τ 为所受剪切应力; [τ] 为许用剪切应力;σ 为屈服极限;n 安全系数.
2. 2 装置反应时间实验
(1)实验材料
实验所用弹簧为具有双程记忆功能的弹簧,材料为 ARODEK 品牌的镍钛 SMA,其原子百分比为镍 55%,钛 45%,簧丝直径为 0. 6 mm,中径为4. 2 mm,有效圈数为 72 圈,如图 6 所示. 利用 3D塑料打印机打印出装置的外壳箱体以及楔形块、套筒,图 7 为打印成品图. 完成组装进行实验.
(2)测电流对变形速度的影响
记忆合金弹簧变形速度的大小直接影响装置的反应速度,本实验旨在达到满意反应速度的前提下,测得所对应的最小通电电流,减少能量损耗. 图 8 为实验的原理图. 需研究弹簧单次回复过程的总体变形速度特性,图 9 为变形时间与电流大小的关系图,可知当电流比较小时,变形时间很长,同时弹簧还会产生不完全记忆变形;在初始阶段总变形时间随电流增加而迅速减少,当电流增加到 0. 9 A 后,总变形时间随电流的增加开始缓慢减少,稳定在 3 s 左右. 需要注意的是电流不能过大,否则会使弹簧产生过热破坏,失去记忆功能.
3 结论
(1)根据所需弹射力的大小对锁定的楔形块的尺寸进行了设计计算,以及受力分析得到楔形块的体积为 96 mm3,临界自锁角为 18°,回复角为30°且对其进行校核,满足强度条件;
(2) 对驱动解锁的 SMA 弹簧以及蓄能弹簧的基本尺寸进行计算;
(3)利用塑料 3D 打印机完成原型机制造,并对其进行电热驱动实验,确定在通电电流大小为0. 9 A 时在反应时间小于 3 s 以内可弹射起 6 g 左右的器件.
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