6. Rozwiązania własne siłowników SMA

Transkrypt

1 6. Rozwiązania własne siłowników SMA Przegląd literatury i badania własne nad drutami SMA spowodowały powstanie kilku koncepcji siłowników SMA. Pierwszą koncepcję pokazano poniżej na rysunku 6.1. Drut (1) umieszczony jest w teflonowej rurce (2), podobnie jak w linkach samochodowych, gdzie drut pracuje osłonięte w pancerzu, który jest w środku wyłożony teflonem. Rurka (2) ma kształt spirali i umieszczona jest w zamkniętej obudowie (3). Drut zamocowane jest z jednej strony do obudowy (3) a z drugiej do części ruchomej (4). Skrócenie drutu powoduje wysunięcie części ruchomej (4), a ruch powrotny zrealizowano za pomocą sprężyny (5). Na rysunku 7.1 kolor czerwony drutu oznacza podgrzanie i skrócenie, a zielony stan ochłodzenia. Taka konstrukcja daje możliwość umieszczenia długiego drutu w zwartej obudowie, czyli zwiększenie maksymalnego przemieszczenia części ruchomej. W odróżnieniu od drutów pracujących w dużych zagięciach drut przesuwa się płynnie w okręgach o dużej średnicy (w stosunku do własnej). Przeprowadzone testy pokazały, że wadą konstrukcji jest kontakt całej powierzchni drutu z pancerzem (rurką teflonową), co pomimo użycia teflonu o niskim współczynniku tarcia powoduje straty związane z tarciem tym większym, im większe obciążenie (Dominik, 2010). W kolejnej koncepcji starano się wyeliminować ten problem tak, aby drut pracowało w linii prostej nie dotykając żadnych elementów. Koncepcję taką przedstawia rysunek 6.2. Trzy tuleje teflonowe (1, 2, 3) tworzące kształt teleskopu, połączone są między sobą drutami SMA (5). Ostatnim elementem przesuwnym jest wewnętrzny trzpień (4), którego końcówka wystaje poza obrys największej tulei (1), bedącej zewnętrzną obudową aktuatora. Skrócenie drutów powoduje przemieszczenie się tulei i trzpienia względem siebie tak, że przemieszczenie końcówki zewnętrznej trzpienia jest sumą wszystkich przesunięć wewnętrznych. Idea ta jest podobna do idei użytej w aktuatorach Miga Motor, ale system samoprowadzących się wewnętrznych tulei znacznie upraszcza konstrukcję. Kształty tulei wymagają, aby podczas montażu były one przedzielone, a dopiero potem połączone, np.: rozłącznym połączeniem gwintowym. W proponowanej wersji przedstawionej na rysunku 6.2 użyto drutów pracujących tylko w jednym kierunku, ale bardzo łatwo można przerobić układ dokładając druty pracujące w kierunku przeciwnym tak, że praca dwukierunkowa staje się możliwa. 78

2 Rys Widok ogólny siłownika SMA: drut SMA(1), teflonowa rurka (2), obudowa (3), część ruchoma (4), sprężyna powrotna (5) Testy wykazały, że założenia konstrukcyjne układu teleskopowego były słuszne, mechanizm układu odznaczał się mniejszym tarciem niż wersja pierwsza, natomiast problemem okazało się chłodzenie drutów. Umieszczenie drutów w ograniczonej przestrzeni między ściankami poszczególnych tulei spowodowało, że podczas dłuższej pracy powietrze między tulejami szybko podnosiło swoja temperaturę, co w efekcie wydłużało czas rozciągnięcia (schłodzenia) drutu. Skłoniło to autora pracy do poszukiwania nowego rozwiązania konstrukcyjnego. W kolejnej koncepcji, natomiast, druty pracują prostoliniowo, nie ma żadnych punktów zagięć powodujących szybkie uszkodzenie drutu, a wokół drutów została zostawiona przestrzeń potrzebna do szybkiego schłodzenia drutu. Rysunek 6.3 przedstawia koncepcję aktuatora, która spełnia powyższe warunki. Skrócenie drutu wysuwu (7 - zielone) powoduje przemieszczenie się rozety (1) w kierunku podstawy siłownika. Ruch ten poprzez zespół ramion (2) powoduje wysunięcie tulei zewnętrznej. Ruch powrotny następuję, gdy wyłączy się zasilanie drutu (7), a w zamian zasili drut wsuwu (8 - czerwone). Odpowiednie sterownie zasilaniem drutu wsuwu i wysuwu daje możliwość uzyskania wszystkich położeń pośrednich. Przemieszczenie siłownika jest ograniczone z 79

3 jednej strony przez tuleję podstawy (6), a z drugiej przez sam zespół ramion, który się blokuje samoistnie, co zabezpiecza druty przed zerwaniem. Zespół trzech ramion został rozmieszczony symetrycznie co 120º, czego efektem jest stabilna praca w każdym położeniu Rys Widok ogólny wielostopniowego siłownika teleskopowego SMA: tuleje teflonowe (1), (2), (3), trzpień (4), druty SMA (5) a) b) Rys Siłownik liniowy SMA z przełożeniem mechanicznym typ dźwigniowy; a) wysunięcie minimalne (pozycja początkowa) b) wysunięcie maksymalne; rozeta (1), zespół ramion (2), tuleja zewnętrzna (3), tuleja wewnętrzna (4), mocowanie dolne drutów (5), blokada (6), ciegno wysuwu (7), drut wsuwu (8) 80

4 Rys Prototyp siłownika SMA z przełożeniem mechanicznym - typ dźwigniowy Na rysunku 6.4 pokazano rzeczywisty prototyp. Kluczowy element siłownika, czyli zespół ramion, został tak zaprojektowany, żeby uzyskać jak największe przełożenie przy jak najbardziej kompaktowej konstrukcji. Przez odpowiednie profilowanie poszczególnych elementów zespołu ramion udało się uzyskać przełożenie ruchu drutu wynoszące 4.8. Siłownik spełnił postawione założenia projektowe, ale tylko dla pozycji pionowej, gdzie podstawa siłownika była mocowana do elementu belki, a część ruchoma siłownika była obrócona w dół (ułożenie odwrotne niż na rysunku). Wówczas masa obciążająca grawitacyjnie powodowała rozciągnięcie siłownika a skrócenie drutów powodowało jej unoszenie. W przypadku obciążeń pionowych od góry (masa nad siłownikiem), oraz w wersji poziomej siłownika, doświadczenia eksperymentalne pokazały, że maksymalna masę obciążającą mogło być 0.5 kg. Zespół ramion okazał się zbyt złożoną konstrukcją, gdzie poszczególne luzy między połączeniami, nie pojawiające się dla mniejszych mas obciążających, wzrastały ze wzrostem obciążenia i sumowały się. Powodowało to niewspółosiową pracę tulei wewnętrznej z zewnętrzną. Tarcie, które się wówczas pojawiało, było na tyle duże, że drut nie było w stanie przemieścić masy obciążającej. Na podstawie zebranych doświadczeń zbudowano ostateczną wersję siłownika SMA, w której wyeliminowano problemy występujące w poprzednich wersjach. Nową konstrukcję opartą o przekładnię zębatą pokazano na rysunku 6.5 i 6.6. Konstrukcja ta została zgłoszona do patentu (Dominik, i inni, 2011). Siłownik składa się z dwóch prowadnic (1) i (2), które są połączone ze sobą jednoosiową przekładnią zębatą (3). Przesuwanie się prawej prowadnicy aktywnej (1) spowodowane skracaniem się drutów SMA (6) skutkuje przesunięciem lewej prowadnicy pasywnej (2) z trzykrotnym przełożeniem. W ten sposób uzyskano efekt multiplikacji przemieszczenia: drut skracając się o 4 mm powoduje przesunięcie lewej podpory o 12 mm. Prowadnica pasywna jest zatem elementem wyjściowym układu i do niej zamocowano obciążenie (8). 81

5 Rys Siłownik liniowy SMA z przekładnią zębatą; widok ogólny i rozstrzelony; prowadnica pasywna (1), prowadnica aktywna (2), przekładnia zębata (3), podpory (4), podstawa (5), drut SMA (6), mocowania (7), obciążenie (8) Rys Widok rzeczywisty siłownika liniowego SMA z przekładnią mechaniczną 82