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1、第34卷第3期上海交通大学学报Vol.34No.32000年3月JOURNALOFSHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYMar.2000文章编号:1006-2467(2000)03-0370-04一种基于功/能转换效率最高原则的单程形状记忆合金驱动器设计方法11112李明东,马培荪,奚汉达,储金荻,郝颖明(1.上海交通大学机械工程学院,上海200030;2.中国科学院机器人学开放研究实验室,沈阳110015)摘要:研究了单程形状记忆合金(SMA)驱动器的工作机理,基于热力学基本定律建立了单程SMA驱动器的功/能和热/能转换模型,分析了SMA元件的性能对单程SMA驱动器输
2、出性能的影响,提出了一种基于功/能转换效率最高原则的单程SMA驱动器设计方法,建立了单程SMA驱动器的输出性能和SMA元件的性能及驱动器初始状态之间的定量关系.关键词:形状记忆合金;形状记忆合金驱动器;热力学;传热学中图分类号:TP242文献标识码:AOneWayShapeMemoryAlloyActuatorDesignMethodBasedonMaximumWork/EnergyTransformEfficiency11112LIMing-dong,MAPei-sun,XIHan-da,CHUJin-di,HAOYing-ming1.SchoolofMechanicalEng.,
3、ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China;2.RoboticsLab.,ChineseAcademyofSci.,Shenyang110015Abstract:TheworkmethodofonewaySMAactuatorwasinvestigated.Basedonthebasiclawofthermo-dynamics,thetransformmodelofpower/energyandthermal/energywasconstructed,theeffectsofchar-acteristicsofSMAtotheoutputch
4、aracteristicsoftheactuatorwereanalyzed.Finally,aonewaySMAac-tuatordesignmethodbasedonthemaximumwork/energytransformefficiencywaspresented,andthequantitativerelationshipofactuator'soutputproperty,drivingcomponent'spropertyandactuator'sinitialstatewereconstructed.Keywords:shapememoryalloy(SMA);SM
5、Aactuator;thermodynamics;heattransfertheory按照驱动器能否实现往复运动,可将SMA驱态的问题.本文将在剖析单程SMA驱动器工作机动器分为双程驱动器和单程驱动器.单程驱动器利理的基础上,基于热力学基本定律建立单程驱动器[1]用具有单程形状记忆效应的SMA即可实现.的功/能和热/能转换模型,分析SMA元件的性能SMA驱动器的输出性能与SMA材料本身的性能、对驱动器输出性能的影响,并提出一种基于功/能转元件的结构形式及驱动器的驱动方式等诸多因素有换效率最高原则的单程SMA驱动器设计方法.关.文献[2,3]中给出了满足特定性能的SMA螺旋本文在讨论和
6、分析问题时,认为SMA元件由弹簧的设计方法,但没有解决如何根据驱动器的输马氏体变为奥氏体的过程在瞬间完成,SMA元件变出要求确定SMA螺旋弹簧的性能和驱动器初始状形恢复前处于马氏体状态,SMA元件变形恢复过程中处于奥氏体状态.SMA元件启动变形恢复所经历收稿日期:1999-04-09基金项目:中科院机器人学开放研究室基金资助课题的温差与整个相变温度范围TTR比较要小得多,作者简介:李明东(1969～),男,博士生.对于微小型SMA元件温升速度很快,这个假定是第2期李明东,等:一种基于功/能转换效率最高原则的单程形状记忆合金驱动器设计方法371合理的.运动加速度变为负值,驱动器将很快停
7、止输出位移.定义输出力与载荷相等时SMA元件的回复力和残1单程SMA驱动器工作机理余变形恢复量为单程SMA驱动器的终点输出力图1为单程SMA驱动器的原理图.图中fM和Fout和终点输出位移xout,它们满足:fA分别为SMA元件在低温马氏体状态时的变形力Fout=KA(残余-xout)×(残余-xout)=N(xout)和高温奥氏体状态时的相变回复力,KM和KA分别(6)为它们的弹性系数.驱动器的输出功为xoutWout=∫N(x)dx(7)0无载荷时
