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。

一、钛丝的选型和适配

目前市面上常见的钛丝线径有0.3mm、0.2mm、0.18mm、0.15mm、0.1mm、0.05mm、0.03mm、0.025mm。

我们在设计工业产品前，需要根据我们产品的功能、硬件配置和设计思路，对钛丝的规格做好选型适配。如果选型不当，容易出现执行机构不到位、功耗偏大、力量不够、位移不够、响应时间不够、稳定性差、寿命短、过烧、温度不够等现象。所以，第一步的选型和适配至关重要。

选型的主要依据包括：供电系统输出能力、驱动力和寿命、驱动后的冷却响应时间。

1、供电系统输出能力

我们通过给钛丝供电加热达到驱动的目的。首先我们需要知道供电系统的能力有多少，然后根据供电系统的能力，反推导哪些钛丝规格满足我们的产品供电需求。

这里就需要用到高中物理课文上的知识点，财哥整理了一下相关的公式对照表：

2.1《表1钛丝驱动热功方程计算表》

这里需要说明一下钛丝在驱动过程中的潜热功。他是一个较复杂的变数，财哥在专家的指导意见下，按照每克22焦耳计算。和以前发的公式相比较，略微有所波动。

2.2《表2钛丝电阻计算表》

钛丝在驱动过程中，其横截面会发生变化，影响电阻值的变化，大家在计算的时候，可以参考100uΩ*cm到80uΩ*cm区间值来评估。

2.3《表3钛丝驱动响应时间/电压/电流关系计算表》

通过上述计算模型的推导过程和结果，我们就可以清晰地知道不同规格的钛丝对应的供电参数特征，方便大家参考和选择合适的钛丝的规格。

2、钛丝的驱动力和寿命

钛丝的驱动力量和寿命是相互关联的关系，它是一个较为复杂的问题；其中涉及到钛丝本身的驱动力量、驱动位移量、驱动寿命的设计需求量，同时涉及到驱动机构的设计方案、产品的应用场景等等。大家可以这样理解：

设计所需的力量要求较大，那么相对寿命偏短；

设计所需的位移量要求较大，那么相对寿命偏短；

设计所需的寿命要求较大，那么力量或位移量需要降低；

这里需要强调的寿命偏短，主要是体现在钛丝变长变细了，其基本功能特性依然存在。

丝驱动力是其收缩能力的参考指标，也是钛丝的临界指标。并非指这个驱动力的情况下达到多少寿命。这个驱动力对于大家选型来讲是起到参考选型的作用，越大越好。

每个不同厂家的钛丝驱动力是不一样的，通常钛丝的驱动力在150-200MPA；有些钛丝能做到300-500MPA，有些细的钛丝可以做到500-600MPA。大家可以联系自己的供应商索取这项指标，就可以得到不同钛丝的相对驱动力量了。

财哥给大家一个近视的计算对照表，大家带入自己了解到的指标，就可以得到一个大概的力量范围概念了。

例如：驱动力指标是350MPA，带入这个简单的公式，就可以得到不同线径的驱动力量范围。在留有足够余量的前提下，选择合适自己的钛丝。

（钛丝的力学行为比普通弹性材料复杂（存在马氏体 - 奥氏体相变），但在未发生相变的弹性阶段（如低温马氏体态、高温奥氏体态的小形变范围），其应力 - 应变仍近似遵循胡克定律（σ = E・ε），可通过此关系初步计算驱动力（外力 F = σ・S = E・ε・S）；若发生相变，应力 - 应变会出现 “平台段”（非线性），此时需结合相变热力学模型修正，不能直接套用胡克定律。）

同时，财哥前面讲了驱动力量和寿命的关系，我们设计的时候，可以按照300MPA来设计，或更低的MPA值来设计。

财哥对使用寿命的理解，核心精髓就是：“打拳只出3分力”。

我们可以在设计的驱动力量、驱动位移量方面预留足够的余量；同时做好精确的驱动供电和驱动时间，再结合大家对钛丝的恰当选型即可。

4、驱动后的冷却响应时间

我们的产品在第一次驱动后，需要冷却复位，然后执行第二次驱动；中间间隔的时间即为冷却响应时间。

有些产品的应用场景对冷却响应时间要求较高的，我们可以选用较细的钛丝或和采用时间杠杆的设计方案来满足我们产品的使用需求，财哥会在后续的章节中详细介绍。

钛丝的选型和适配除了其粗细、长短、力量寿命等选择，还有不同厂家的区别也很重要。相对高标准严要求的厂家至关重要，财哥会在下章节《不同厂家的钛丝区别》中分享。

作者：财哥说钛丝