Пучок из сплава с памятью формы, способ изготовления такого пучка и исполнительный компонент из сплава с памятью формы
Изобретение относится к области металлургии, а именно к исполнительным компонентам из сплава с эффектом памяти формы СПФ. Исполнительный компонент содержит множество проволок из сплава с эффектом памяти формы, имеющих множество диаметров и объединенных для увеличения выходного усилия в пучок. Пучок имеет начальную и деформированную форму и после нагрева деформированной формы он восстанавливает свою начальную форму, создавая выходное усилие. Пучок состоит из множества прядей, выполненных из множества проволок разного диаметра. Способ изготовления пучка включает операции получения проволок, формирование пучка, придание пучку начальной и деформированной формы термообработкой. Перед термообработкой создают натяг в пучке. Технический результат - повышение выходного усилия без ухудшения гибкости СПФ материала, а также улучшение стыковки и соединения СПФ материалов. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 21 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к сплаву, обладающему эффектом памяти формы (СПФ), и более конкретно к СПФ-материалу, сформированному в виде пучков, и к исполнительным механизмам (или движителям), приводимым в действие с помощью СПФ-материала.
Уровень техники
Обычные сплавы, обладающие эффектом памяти формы, т.е. СПФ-материалы, проявляют эффект памяти формы и, следовательно, имеют "начальное" состояние ("начальную" форму) и "деформированное" состояние (форму). СПФ-материал может быть деформирован из своего начального состояния в свое низкотемпературное мартенситное состояние. При нагреве СПФ выше температуры его фазового перехода, соответствующего преобразованию в аустенитное состояние, такой сплав стремится восстановить свою первоначальную или "начальную" форму. СПФ-материал обычно получают из никель-титанового (NiTi) сплава, который может быть модифицирован добавками меди (Cu) или различных других элементов. Таким образом, одно из полезных свойств СПФ заключается в том, что он, будучи нагретым, восстанавливает свое начальное состояние, т.е. генерирует усилие.
В настоящее время СПФ находят применение в различных отраслях промышленности в качестве исполнительных механизмов (устройств) однократного действия и/или пассивных устройств. В автомобильной промышленности СПФ используют в термочувствительных клапанах, которые работают в пассивном режиме при повышении окружающей температуры. Применения СПФ-материалов однократного действия или с малым числом циклов имеют место также в медицинской промышленности, при изготовлении костных протезов, искусственных суставов, а также в стоматологии. СПФ-материалы используются также в клапанах душей для предотвращения ожогов. Разновидности СПФ-материалов, обладающие сверхупругостью, применяются в настоящее время в оправах для очков и в антеннах мобильных телефонов. Хотя СПФ-материалы широко используются, большинство коммерческих применений подобных материалов являются либо пассивными, либо однократными.
В некоторых известных применениях СПФ-материалов сплаву придается форма тонкой проволоки. Хотя СПФ весьма полезны, СПФ-проволоки имеют различные ограничения. Одно из главных ограничений СПФ-проволок связано с восстанавливающим напряжением. Значение восстанавливающего напряжения определяет значение усилия, которое может генерировать СПФ-проволока. В типовых случаях из соображений долговечности рекомендуется, чтобы данное восстанавливающее напряжение лежало в пределах 554-1522 кг/см2. Это обстоятельство ограничивает усилие, развиваемое одной проволокой диаметром 0,05 мм, максимум до 25-75 Н. В применениях, где требуются большие усилия, СПФ используются в виде прямых стержней или трубок. Однако СПФ-материалы с поперечным сечением, достаточно большим для выполнения значительной работы, не могут быть согнуты под углом, что ограничивает их применение в качестве элементов, совершающих непрерывную работу. Использование множества сегментов СПФ-стержней или трубок создает проблемы с их размещением и приводит к необходимости наличия большого количества механических и электрических контактов, что существенно увеличивает сложность системы, повышает ее общую стоимость и снижает надежность.
Дополнительный недостаток существующих СПФ-материалов связан с усталостным разрушением. СПФ-материал имеет тенденцию к катастрофическому разрушению при достижении своего порога усталости. Как следствие, в системах, использующих либо одиночные проволоки, либо стержни большего диаметра, первый же отказ материала носит, как правило, катастрофических характер.
Еще одна проблема связана с отсутствием подходящих методов механического соединения существующих СПФ-материалов. СПФ плохо свариваются, имеют малое поверхностное трение, а площадь их поперечного сечения изменяется при переходе между мартенситной и аустенитной фазами, что снижает эффективность традиционных методов опрессовки и обжима.
Следовательно, весьма желательно максимизировать полезные свойства СПФ-материалов и минимизировать свойственные им ограничения.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в оптимизации использования материала на основе сплава с памятью формы (СПФ-материала).
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в повышении усилия, развиваемого СПФ-материалом, без ухудшения гибкости СПФ-материала.
Следующей задачей настоящего изобретения является минимизация возможности катастрофического разрушения систем, использующих СПФ-материалы.
Дальнейшая задача, поставленная перед настоящим изобретением, состоит в том, чтобы улучшить возможность стыковки и соединения СПФ-материалов.
Согласно настоящему изобретению для повышения выходного усилия отдельные СПФ-проволоки формируют в СПФ-пучок таким образом, что СПФ-пучок обладает начальной формой и деформированной формой. При этом СПФ-пучок, имеющий деформированную форму, будучи нагретым, восстанавливает свою начальную форму для генерации повышенного выходного усилия, т.е. представляет собой исполнительный компонент. СПФ-проволоки, образующие СПФ-пучок, могут быть сконфигурированы в пряди, канаты, наборы и другие профили.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения способ изготовления СПФ-пучка включает в себя операции получения множества отдельных СПФ-проволок, каждая из которых имеет первый конец и второй конец, формирования СПФ-пучка из множества СПФ-проволок и термообработки СПФ-пучка. Получающийся при этом СПФ-пучок развивает существенно большее суммарное выходное усилие по сравнению с отдельной СПФ-проволокой.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения СПФ-материал используется в различных исполнительных компонентах и механизмах (СПФИ-механизмах), в частности в движителях, для генерирования, по существу, непрерывного движения. Механизмы, выполненные с использованием изобретения, содержат выходной компонент, с которым взаимодействует СПФИ-механизм, и возвращающий компонент. СПФИ-механизм в форме СПФ-пучка нагревается для того, чтобы перевести СПФИ-механизм из деформированного состояния в начальное состояние, обеспечивая тем самым генерацию выходного усилия. Выходное усилие используется для приведения в движение выходного компонента. Возвращающий компонент деформирует СПФИ-механизм с переводом его из начального в деформированное состояние. Таким образом, в процессе многократного циклического перехода СПФИ-механизма между начальным и деформированным состояниями механизмы генерируют, по существу, непрерывное движение.
В одном из вариантов реализации настоящего изобретения возвращающий компонент представляет собой еще один СПФИ-механизм который также нагревается, поочередно с первым СПФИ-механизмом для того, чтобы генерировать выходное усилие и деформировать первый СПФИ-механизм. Дополнительно может осуществляться активное охлаждение СПФИ-механизма в целях ускорения цикла его срабатывания. Различные варианты механизмов включают храповые механизмы, двусторонние механизмы, кулачковый механизм и автономные механизмы.
В частности, на основе настоящего изобретения разработан автономный механизм, содержащий
первый анкерный компонент;
второй анкерный компонент, пространственно удаленный от указанного первого анкерного компонента;
исполнительный механизм на основе СПФ (СПФИ-механизм), расположенный между указанным первым анкерным компонентом и указанным вторым анкерным компонентом, обладающий начальным состоянием и деформированным состоянием и создающий выходное усилие, будучи трансформированным из указанного деформированного состояния в указанное начальное состояние; а также
возвращающий компонент, взаимодействующий с указанным СПФИ-механизмом, причем указанный возвращающий компонент деформирует указанный СПФИ-механизм при температурах ниже температуры фазового перехода указанного СПФИ-механизма, а указанный СПФИ-механизм преодолевает воздействие указанного возвращающего компонента при переходе в указанное начальное состояние в результате нагрева вышеуказанной температуры фазового перехода для приведения в движение, по меньшей мере, одного из указанных первого и второго анкерных компонентов.
Указанный возвращающий компонент предпочтительно представляет собой пружину или второй СПФИ-механизм. Альтернативно указанный возвращающий компонент представляет собой находящуюся под давлением камеру, торцы которой герметично перекрыты указанными первым и вторым анкерными компонентами.
Указанный СПФИ-механизм предпочтительно представляет собой СПФ-пучок, содержащий множество индивидуальных СПФ-проволок, но в специальных случаях может представлять собой жесткий СПФИ-компонент.
Храповой механизм, разработанный на основе настоящего изобретения, содержит
выходной компонент;
промежуточное звено, взаимодействующее с указанным выходным компонентом;
возвращающий компонент, имеющий первый, зафиксированный, конец и второй конец; и
СПФИ-механизм, у которого имеются первый конец и второй конец, причем первый конец СПФИ-механизма зафиксирован, а второй конец связан с указанным вторым концом возвращающего компонента и с указанным промежуточным звеном, при этом указанное промежуточное звено выполнено с возможностью многократного взаимодействия с указанным выходным компонентом для обеспечения, по существу, постоянного перемещения указанного выходного компонента.
Предпочтительно указанный возвращающий компонент храпового механизма представляет собой пружину или второй СПФИ-механизм.
В особенно предпочтительном варианте храпового механизма возвращающий компонент представляет собой СПФ-пучок, сформированный из множества СПФ-проволок, но в специальных случаях он может представлять собой жесткий СПФИ-компонент.
Указанный выходной компонент предпочтительно представляет собой зубчатое колесо или одностороннюю муфту.
Указанное, по существу, постоянное перемещение осуществляется в храповом механизме, когда указанный СПФИ-механизм стремится восстановить свою начальную форму при переходе из мартенситного в аустенитное состояние, а указанный возвращающий компонент деформирует указанный СПФИ-механизм, когда указанный СПФИ-механизм находится в своем мартенситном состоянии.
Двусторонний механизм, построенный на основе настоящего изобретения, содержит
выходной компонент, имеющий множество зубьев, у каждого из которых имеется боковая поверхность;
раму, несущую первый точечный контакт и второй точечный контакт, выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующим зубом из указанного множества зубьев на указанном выходном компоненте; и
множество СПФИ-механизмов, закрепленных на указанной раме и взаимодействующих друг с другом при поочередном осуществлении перехода из мартенситного в аустенитное состояние для приведения в движение указанного выходного компонента путем поочередного взаимодействия с указанной боковой поверхностью зуба из указанного множества зубьев указанного выходного компонента.
Указанные СПФИ-механизмы предпочтительно представляют собой СПФ-пучки или (в отдельных случаях) жесткие СПФИ-компоненты.
Двусторонний механизм может дополнительно содержать силовой компонент, закрепленный на указанной раме для обеспечения силового замыкания указанного механизма. Указанные первый и второй точечные контакты могут представлять собой подшипники.
Кулачковый механизм, разработанный на основе настоящего изобретения, содержит
кулачок, подвижно связанный со структурой;
возвращающий компонент, закрепленный на указанном кулачке;
СПФИ-механизм, имеющий первый, зафиксированный конец и второй конец, взаимодействующий с указанным кулачком при переходе указанного СПФИ-механизма между мартенситным и аустенитным состоянием.
При этом указанный СПФИ-механизм предпочтительно нагревается для осуществления перехода из указанного мартенситного состояния в указанное аустенитное состояние.
В предпочтительном варианте кулачкового механизма возвращающий компонент деформирует указанный СПФИ-механизм, когда указанный СПФИ-механизм находится в мартенситном состоянии.
Указанный возвращающий компонент предпочтительно представляет собой пружину или второй СПФИ-механизм, который может, например, нагреваться для осуществления перехода из указанного мартенситного состояния в указанное аустенитное состояние.
Созданный на основе настоящего изобретения механизм для выполнения работы содержит
выходной компонент;
СПФИ-механизм, взаимодействующий с указанным выходным компонентом, обладающий начальным состоянием и деформированным состоянием и приводящий указанный выходной компонент в движение при своем переходе из указанного деформированного состояния в указанное начальное состояние;
возвращающий компонент для деформирования указанного СПФИ-механизма из указанного начального состояния в указанное деформированное состояние.
Указанный возвращающий компонент может представлять собой кулачок или второй СПФИ-механизм. В последнем случае указанный основной и указанный второй СПФИ-механизм поочередно нагреваются для обеспечения их перехода из указанного деформированного состояния в указанное начальное состояние.
Указанный выходной компонент предпочтительно представляет собой зубчатое колесо с множеством зубьев, причем указанный основной СПФИ-механизм выполнен с возможностью поочередного взаимодействия с указанным множеством зубьев указанного зубчатого колеса.
Альтернативно указанный выходной компонент содержит первый анкерный компонент и второй анкерный компонент, причем указанный основной СПФИ-механизм выполнен с возможностью приведения в движение, по меньшей мере, одного из указанных анкерных компонентов.
При этом указанный СПФИ-механизм может нагреваться или охлаждаться для обеспечения перехода из указанного деформированного состояния в указанное начальное состояние или для обеспечения перехода между указанными деформированным и начальным состояниями.
Механизмы, созданные на основе настоящего изобретения, работают с активным управлением и используются в мультицикличных применениях для генерирования значительного выходного усилия.
Одно из преимуществ СПФ-пучков по настоящему изобретению заключается в том, что они не разрушаются катастрофически в ситуациях нормальной усталости или перегрузки. Поскольку СПФ-пучки содержат множество проволок меньшего диаметра, то при выходе из строя одной или нескольких проволок это событие станет заметным при визуальном, электрическом или каком-либо другом неразрушающем контроле. Поэтому в случае обнаружения выхода из строя одной или нескольких проволок можно запланировать ремонт или замену всего СПФ-пучка с тем, чтобы избежать его предстоящего разрушения.
Еще одно преимущество СПФ-пучка состоит в его гибкости. СПФ-пучок может огибать угол или какую-либо другую конфигурацию без возникновения в нем повреждающих напряжений. Гибкость СПФ-пучков устраняет также необходимость использования множественных сегментов СПФ-материала.
Дальнейшее крупное преимущество, обеспечиваемое изобретением, заключается в том, что гибкие СПФ-пучки могут быть сформированы в гибкие механические окончания, способные выдерживать большие нагрузки.
Перечисленные и другие достоинства настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания примеров осуществления изобретения, которые иллюстрируются прилагаемыми чертежами.
Перечень чертежей
На фиг.1 представлено схематичное перспективное изображение пучка из сплава с памятью формы (СПФ-пучка), сформированного в форме каната из множества СПФ-проволок в соответствии с одним из вариантов изобретения.
На фиг.2A-D даны схематичные изображения поперечных сечений для различных конфигураций СПФ-пучка по фиг.1, соответствующие различным вариантам изобретения.
На фиг.3 дано схематичное изображение поперечного сечения пряди СПФ-пучка по фиг.2.
Фиг.4 - это фрагментарное схематичное перспективное изображение множества СПФ-прядей по фиг.3, образующих линейный набор.
Фиг.5 - это фрагментарный вид множества СПФ-проволок, свитых в СПФ-прядь по фиг.3, перехваченную по концам перед процессом термообработки.
На фиг.6 представлено в перспективном изображении устройство термообработки СПФ-пучка по фиг.1.
На фиг.7 приведен фрагментарный вид множества СПФ-проволок по фиг.5, свитых в СПФ-прядь, по завершении процесса термообработки.
На фиг.8А-8F схематично показаны различные варианты выполнения концевой части (завершения) СПФ-пучка по фиг.1.
На фиг.9 схематично изображен автономный механизм, выполненный на основе СПФ-пучка по фиг.1.
На фиг.10 схематично представлен другой вариант автономного механизма по фиг.9.
На фиг.11 схематично представлен еще один вариант автономного механизма по фиг.9.
На фиг.12 схематично представлен следующий вариант автономного механизма по фиг.9.
На фиг.13 схематично изображен храповой механизм, приводимый СПФ-пучком по фиг.1.
На фиг.14 в увеличенном масштабе дано фрагментарное схематичное изображение храпового механизма по фиг.13, снабженного промежуточным звеном (собачкой), связанным с СПФ-пучком и служащим для взаимодействия с зубом выходного зубчатого (храпового) колеса.
На фиг.15 в увеличенном масштабе дано фрагментарное схематичное изображение храпового механизма по фиг.13, снабженного пружиной возврата, переводящей собачку от одного зуба храпового колеса к другому.
На фиг.16 в увеличенном масштабе дано фрагментарное схематичное изображение храпового механизма по фиг.13 с собачкой, контактирующей со следующим зубом храпового колеса.
На фиг.17 схематично изображен храповой механизм, приводимый СПФ-пучком по фиг.1.
Фиг.18 - это схематичное изображение двустороннего механизма, приводимого СПФ-пучками по фиг.1.
Фиг.19 - это схематичное изображение кулачкового механизма, приводимого СПФ-пучком по фиг.1, находящимся в деформированном состоянии.
Фиг.20 - это схематичное изображение кулачкового механизма по фиг.19, в котором СПФ-пучок частично переведен в начальное состояние.
Фиг.21 - это схематичное изображение кулачкового механизма по фиг.19, в котором СПФ-пучок полностью переведен в начальное состояние.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Как показано на фиг.1, пучок 10 из сплава с памятью формы (СПФ-пучок) включает в себя множество одиночных СПФ-проволок 12, свитых, т.е. объединенных в множество прядей 14. В каждой пряди 14 имеется центральная проволока 16. Множество прядей 14 формируют канат (трос) 18. В каждом канате 18 имеется сердечник 20, также сформированный из множества проволок 12. У каждой проволоки 12 имеется первый конец 24 и второй конец 26, совпадающие с первым концом 28 пучка и вторым концом 30 пучка соответственно.
Из фиг.2-4 видно, что СПФ-пучки по настоящему изобретению независимо от конкретной конфигурации пряди, каната или набора образованы множеством исходных СПФ-проволок 12. СПФ-проволоки 12 могут быть изготовлены из чистого никелида титана (NiTi) или из никелида титана, легированного различными другими элементами (например, медью (Cu)) или каким-либо другим материалом, обладающим памятью формы. Конкретный состав СПФ может подбираться для того, чтобы оптимизировать его свойства применительно к определенному назначению. В предпочтительном варианте осуществления использованы СПФ-проволоки, изготовленные фирмой Raychem Corporation (США). СПФ-материалы производят и многие другие фирмы.
Как хорошо известно из технологии изготовления обычных канатов, металлические канаты могут быть изготовлены в различных конфигурациях и с различными поперечными сечениями. СПФ-канаты 18 по настоящему изобретению также могут иметь различную геометрию поперечного сечения, как это показано на фиг.2A-2D, причем они могут быть изготовлены как с центральной частью 20, так и без нее. В предпочтительном варианте реализации изобретения СПФ-пучок 10 формируется из множества СПФ-проволок 12, свитых в пряди 14, причем, как показано на фиг.3, каждая прядь 14 состоит из 19 проволок 12. Из девятнадцати проволок 12 одна (проволока 16) является центральной; она окружена шестью проволоками 12, образующими второй слой, и двенадцатью проволоками 12, образующими наружный слой. В одном из вариантов СПФ-пучок 10 может быть сформирован линейным набором 32 прядей 14, как это показано на фиг.4. Для удобства плетения диаметры СПФ-проволок 12 в составе одной пряди 14 и/или каната 18 могут варьировать.
Для изготовления СПФ-пучка 10 множество исходных СПФ-проволок 12, имеющих первые концы 24 и вторые концы 26, формируются в пряди 14, а затем в канаты 18. Подобно производству обычных канатов в процессе формирования из исходных СПФ-проволок 12 прядей 14, а затем канатов 18 первые и вторые концы 28, 30 каждой пряди 14 и каждого каната 18 охватываются, как это показано на фиг.5, зажимами 34, обеспечивающими сохранение формы каната и предотвращающими его расплетание. Хотя при изготовлении каната 18 используются традиционные методы, согласно предпочтительному варианту изобретения в канатах 18 не применяются никакие смазочные составы, чтобы минимизировать загрязнение печей для термообработки. Кроме того для того чтобы минимизировать нагрев СПФ-материала в процессе формирования каната без применения смазочных материалов, вместо традиционных металлических направляющих используют пластиковые направляющие (не изображены).
После того как СПФ-пучок 10 сформирован, в нем должен быть создан и поддерживаться натяг, предотвращающий в ходе дальнейшей обработки расплетание и относительный разворот проволок 12 в составе пряди 14 или прядей 14 в составе каната 18. В соответствии с предпочтительным вариантом СПФ-пучок 10 помещают в устройство 36 термообработки, изображенное на фиг.6. У устройства 36 термообработки имеются боковые стороны, между которыми установлено множество стержней 40. Хотя в предпочтительном варианте выполнения геометрия устройства 36 термообработки выбрана из условия получения желаемой начальной конфигурации СПФ-пучка, устройство 36 может иметь любую другую подходящую геометрию. Альтернативно могут быть использованы обычные устройства термообработки. Однако устройство 36 термообработки, имеющее геометрию, точно соответствующую желаемой начальной конфигурации СПФ-пучка, обеспечивает получение более эффективного СПФ-пучка. В связи с этим целесообразно выполнить в устройстве 36 термообработки такие же изгибы и профили, что и в начальной конфигурации СПФ-пучка.
После того как СПФ-пучок 10 помещают в устройство 36 термообработки, в СПФ-пучке 10 создают натяг, жестко прикрепляя концы 28, 30 СПФ-пучка 10 к стрежням 40 устройства 36, чтобы предотвратить относительный разворот отдельных СПФ-проволок 12 в пряди 14 и/или прядей 14 в канате 18 и тем самым предотвратить расплетание СПФ-каната 18 в процессе термообработки. В результате начальное состояние СПФ-пучка 10 соответствует туго натянутому канату, имеющему требуемые изгибы, как это показано на фиг.7. После этого СПФ-пучок 10 подвергают термообработке, соответствующей выбранному СПФ-материалу.
По завершении термообработки СПФ-пучка 10 его подвергают циклической термомеханической обработке для того, чтобы минимизировать начальную ползучесть, свойственную пучку. С этой целью СПФ-пучок поочередно деформируют и затем нагревают с восстановлением начальной формы. Хотя для некоторых применений циклическая обработка не является необходимой, ее наличие является предпочтительным, поскольку позволяет обеспечить более надежную работу СПФ-пучка. Циклическая обработка СПФ-пучка, по существу, аналогична обработке, применяемой для отдельных СПФ-проволок или СПФ-материалов.
Как показано на фиг.8, на концах 28, 30 СПФ-пучка 10 могут быть сформированы разнообразные окончания 42 (заделки), аналогичные заделкам в традиционных проволочных канатах.
После того как СПФ-пучок 10 был сформирован, термообработан и в некоторых случаях подвергнут циклической обработке, он имеет исходную форму, т.е. находится в "начальном состоянии", соответствующем канату или другому варианту пучка. После этого СПФ-пучок может быть деформирован с переходом в свое низкотемпературное, мартенситное состояние. Когда СПФ-пучок нагревают выше температуры фазового перехода в аустенитное состояние, СПФ-пучок стремится вернуться в свое ненапряженное, низкотемпературное состояние, развивая при этом значительное усилие, которое используют для совершения полезной работы. Температура фазового перехода для СПФ-пучка, по существу, такая же, как и соответствующая температура для одиночной СПФ-проволоки. Количество работы, которую совершает СПФ-пучок, зависит от количества индивидуальных СПФ-проволок, образующих СПФ-пучок. Например, если каждая индивидуальная СПФ-проволока создает выходное усилие X, а СПФ-пучок содержит 19 проволок, суммарное выходное усилие, создаваемое СПФ-пучком, составит примерно 19Х, т.е. в 19 раз превысит усилие, развиваемое индивидуальной СПФ-проволокой. Таким образом, согласно настоящему изобретению для получения требуемого усилия могут формироваться СПФ-пучки различной конфигурации.
Для того чтобы осуществить переход из мартенситной фазы в аустенитную, СПФ-пучки могут быть нагреты с помощью множества альтернативных устройств и способов. Например, СПФ-пучки могут быть нагреты с использованием горячего воздуха или горячей воды, теплоты, передаваемой за счет теплопроводности, конвекции или радиации, электричества и/или других средств. Однако предпочтительный вариант осуществления изобретения для нагрева СПФ-материала, вызывающего переход СПФ-пучка из мартенситной в аустенитную фазу, предусматривает подачу на СПФ-пучок электрического напряжения. Мощность, которую нужно подать на СПФ-пучок для того, чтобы достичь температуры фазового перехода, зависит от различных факторов, например от того, насколько быстро должен сработать СПФ-пучок, каков общий размер пучка и какова его базовая температура. Кроме того, может быть предусмотрено активное охлаждение СПФ-пучка для того, чтобы способствовать аустенит-мартенситному превращению.
Как показано на фиг.9-12, автономный 50 содержит первый анкерный компонент 52 и второй анкерный компонент 54 с СПФИ-механизмом 56 и возвращающим компонентом 58, расположенными между ними. В каждом анкерном компоненте 53, 54 может быть выполнено отверстие 60 (см. фиг.9, 10 и 12). В предпочтительном варианте СПФИ-механизм представляет собой СПФ-пучок 10, подобный описанному выше. Однако в некоторых применениях могут быть использованы СПФ-трубка или СПФ-стержень. На фиг.9 и 11 компонент 58 является линейной пружиной, охватывающей СПФИ-механизм 56. В варианте по фиг.10 анкерные компоненты 52, 54 соединены изогнутой поперечиной 56. Автономный механизм по фиг.12 содержит возвращающий компонент 58 в виде находящейся под давлением камеры, которая взаимодействует как пружина с анкерными компонентами 52, 54, герметично перекрывающие торцы камеры. Каждый из представленных механизмов 50 содержит также нагревательные средства (не изображены).
В процессе работы механизма 50, когда СПФИ-механизм 56 находится в мартенситном состоянии, пружина 58 растягивает СПФИ-механизм 56. После того как СПФИ-механизм 56 нагреется до температуры перехода в аустенитное состояние, усилие, развиваемое СПФИ-механизмом, преодолевает усилие пружины и воздействует на анкерные компоненты 52, 54 в направлениях, обозначенных стрелками 62. В результате имеет место перемещение, по меньшей мере, одного из анкерных компонентов 52, 54.
Одно из главных достоинств СПФ-механизмов (СПФ-движителей) состоит в их способности при компактной конструкции многократно генерировать значительное активное усилие.
Храповой механизм 66, показанный на фиг.13-16, содержит выходной компонент, т.е. зубчатое (храповое) колесо 68, приводимое в движение СПФИ-механизмом 70 во взаимодействии с возвращающим компонентом 72. Храповое колесо 58 вращается вокруг оси 74 и имеет множество зубьев 76, у каждого из которых имеется боковая поверхность 78. У СПФИ-механизма имеется первый, фиксированный конец 80 и второй, приводной конец 82 (см. фиг.13). На приводном конце 82 находится промежуточное звено (собачка) 83 с рабочей поверхностью 84, выполненной с возможностью взаимодействия с боковой поверхностью 78 зуба 76 храпового колеса 68. Первый конец 88 возвращающего компонента 72 зафиксирован. Приводной конец 82 СПФИ-механизма 70 соединен также со вторым концом 86 возвращающего компонента 72. В предпочтительном варианте возвращающий компонент 72 является пружиной. Однако он может представлять собой и еще один СПФИ-механизм.
При работе, когда СПФИ-механизм 70 храпового механизма 66 находится в своем мартенситном состоянии, собачка 83, установленная на приводном конце 82 СПФИ-механизма 70, взаимодействует с одним из зубьев 76 на храповом колесе 68, как это показано на фиг.13. При этом пружина 72 создает усилие, действующее на СПФИ-механизм 70. После того как СПФИ-механизм 70 нагреется до температуры фазового перехода, он стремится сжаться до своего начального состояния, в результате чего создается приводное тяговое усилие (обозначенное стрелкой 90), преодолевающее усилие пружины и поворачивающее храповое колесо 68, как это показано на фиг.14. Когда храповое колесо 68 повернется на дискретный угол, а температура СПФИ-механизма понизится, пружина 72 будет вытягивать СПФИ-механизм, деформируя его и увеличивая его длину, как это показано на фиг.15, до тех пор, пока рабочая поверхность 84 собачки 83 не придет во взаимодействие с боковой поверхностью 78 следующего зуба 76, как это показано на фиг.16. После этого приводной цикл повторяется.
Показанный на фиг.17 еще один вариант 92 храпового механизма по настоящему изобретению функционирует, в основном, аналогично описанному выше храповому механизму 66. Механизм 92 содержит выходной компонент 68, приводимый в движение СПФИ-механизмом 70 и пружиной 72 возврата, воздействующей на промежуточный компонент 93. Храповой механизм 93 работает, по существу, как односторонняя муфта, в которой СПФИ-механизм 70 и пружина 72 возврата приводят в действие промежуточный компонент 93 и в котором храповое колесо 68 вращается, по существу, постоянно в одном направлении.
Храповые механизмы 66, 92 обеспечивают с помощью СПФ-материала, по существу, постоянное дискретное движение при создании значительного выходного усилия. В рассмотренном предпочтительном варианте реализации изобретения СПФИ-механизм 70 представляет собой СПФ-пучок 10, который был описан выше.
Двусторонний механизм 100, представленный на фиг.18, содержит выходной компонент в виде зубчатого колеса 102, выполненного с возможностью вращения вокруг центральной оси 103 и имеющего множество зубьев 104. У каждого зуба 104 имеется боковая поверхность 106, головка 108 и основание 110. Механизм 100, кроме того, содержит раму 112, расположенную по обеим сторонам зубчатого колеса 102 и несущую первый точечный контакт 116 и второй точечный контакт 118. В предпочтительном варианте точечные контакты 116, 118 представляют собой подшипники. Каждый точечный контакт 116, 118 взаимодействует с боковой поверхностью 106 смежного с ним зуба 104 зубчатого колеса 102. Рама 112 закреплена на центральной оси 103 или на любой другой (неизображенной) структуре. Первый СПФИ-механизм 122 и второй СПФИ-механизм 124 расположены с противоположных сторон центральной оси 103 и закреплены на раме 112. У каждого из СПФИ-механизмов 122 и 124 имеется начальное состояние и деформированное состояние. Двусторонний механизм 100 содержит также силовой компонент 125 для обеспечения силового замыкания.
В процессе работы первый и второй СПФИ-механизмы 122, 124 механизма 100 поочередно нагреваются и соответственно охлаждаются. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения в начальном состоянии каждый СПФИ-механизм 122, 124 является растянутым, а в деформированном состоянии - сжатым. Когда происходит нагрев первого СПФИ-механизма 122, он вытягивается, толкая первый подшипник 116 вверх, в сторону головки 108 соответствующего зуба 104, вплоть до выведения подшипника 116 за головку 108 с освобождением зуба 104. Пока первый СПФИ-механизм 122 находится в растянутом состоянии, второй СПФИ-механизм 124 находится в сжатом состоянии и, следовательно, оттягивает второй подшипник 118 в сторону основания соответствующего зуба 104, поворачивая тем самым зубчатое колесо 102, как это обозначено стрелкой 126. Затем происходит нагрев второго СПФИ-механизма 124. Будучи нагретым, второй СПФИ-механизм 124 вытягивается, толкая второй подшипник в направлении головки 108 соответствующего зуба 104, в итоге освобождая эту головку. В то время как второй СПФИ-механизм 124 вытягивается, первый СПФИ-механизм 122 сжимается, оттягивая первый подшипник 116 в направлении основания 110 следующего зуба 104, т.е. продолжая вращать зубчатое колесо 102 в том же направлении, обозначенном стрелкой 126.
Таким образом, двусторонний механизм 100 с двумя СПФИ-механизмами 122, 124 обеспечивает постоянное шаговое перемещение зубчатого колеса 102. Кроме того, направление движения зубчатого колеса 102 может быть изменено на противоположное за счет изменения направления нагрузки, создаваемой пружиной 125. В предпочтительном варианте СПФИ-механизмы 122, 124 представляют собой СПФ-пучки 10, описанные выше. Далее, в начальном состоянии СПФИ-механизмы 122, 124 могут быть как растянуты, так и сжаты. Кроме того, в предпочтительном варианте для обеспечения перехода СПФИ-механизмов из деформированного в начальное состояние СПФИ-механизмы 122, 124 подвергаются нагреву. Однако для осуществления цикла срабатывания СПФИ-механизмы можно также подвергать и охлаждению.
На фиг.19-21 представлен кулачковый механизм 130, который содержит кулачок 132, подвижно связанный со структурой 134, и СПФИ-механизм 136, первый конец 140 которого жестко закреплен на структуре 141, а второй конец 138 связан с кулачком 132. Кулачковый механизм 130 содержит также возвращающий компонент 142, закрепленный на кулачке 132. В предпочтительном варианте возвращающий компонент 142 представляет собой пружину. Однако этот компонент может представлять собой и второй СПФИ-механизм.
В процессе работы кулачкового механизма СПФИ-механизм 136 находится в начальном или в деформированном состоянии. В деформированном состоянии СПФИ-механизм растянут, как это изображено на фиг 19, а в начальном - сжат, как это изображено на фиг 21. Будучи нагретым, СПФИ-механизм 136 сжимается с переходом в начальное сжатое состояние, перемещая кулачок 132, как это показано на фиг.20 и 21. Из фиг.20 видно, что возвращающий (пружинный) компонент 142 возвращает кулачок 132 в его исходное положение, вытягивая и деформируя СПФИ-механизм 136. В качестве альтернативы пружинный компонент 142 может быть заменен вторым СПФИ-механизмом, который, будучи нагретым, возвратит кулачок в его начальное положение. Хотя в предпочтительном варианте в своем деформированном состоянии СПФИ-механизм растянут, а в начальном состоянии сжат, может быть выбрано и обратное соотношение. Кулачковый механизм 130 существенно увеличивает объем работы, производимой СПФИ-механизмом.
Механизмы 50, 66, 92, 100, 130 имеют активное управление и используются в мультицикличных применениях для генерирования значительного выходного усилия. Одно из достоинств этих механизмов - их относительная простота и компактность. Еще одно достоинство заключается в низких затратах на обслуживание.
Одно из преимуществ СПФ-пучков 1 - в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что не происходит катастрофического выхода СПФ-пучков из строя в ситуациях нормальной усталости или перегрузки. Поскольку СПФ-пучки включают в себя множество проволок меньшего диаметра, при выходе из строя одной из проволок это станет заметным при визуальном, электрическом или каком-либо другом неразрушающем контроле. Поэтому в случае обнаружения выхода из строя одной или нескольких проволок можно запланировать ремонт или замену всего СПФ-пучка с тем, чтобы избежать его предстоящего разрушения.
Еще одно преимущество СПФ-пучка состоит в его гибкости. СПФ-пучок может огибать угол или какую-либо другую конфигурацию без возникновения в нем повреждающих напряжений. Гибкость СПФ-пучков устраняет также необходимость использования множественных сегментов СПФ-материала.
Дальнейшее крупное преимущество, обеспечиваемое изобретением, заключается в том, что на гибких СПФ-пучках могут быть сформированы гибкие механические окончания, способные выдерживать большие нагрузки.
Хотя настоящее изобретение было представлено и описано на примерах конкретных предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что могут быть реализованы и различные модификации настоящего изобретения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения. Например, в сплав никелида титана, содержащий 45% никеля и, по меньшей мере, 30% титана, могут быть введены различные легирующие добавки, включая по отдельности или в сочетании Al, Zr, Со, Cr, Та, Va, Mo, Mi, Pd, Pt, Mn и Fe (см., например, US 4310354, 1982, B 22 F 3/00). Вместо никелида титана могут использоваться сплавы с эффектом памяти формы на основе Cu-Al-Ni и Cu-Zn (см. К.Shimizu, H.Sakamoto and К.Otsuka. Scripta Metallurgica, vol. 12, No. 9, pp.771-776, 1978), а также на основе Au-Cd, Ag-Cd или Au-Ag-Cd (см. US 3012882, 1961, H. кл. 75-134).
Центральная часть 20 СПФ-каната 18 или центральная проволока 16 в прядях 14 могут быть выполнены из материала, отличного от СПФ-материала. Далее, хотя некоторые рассмотренные примеры описывают конкретные начальные и деформированные профили, начальные и деформированные профили взаимозаменяемы. Кроме того, СПФ-проволока может иметь либо круглое, либо какое-либо другое поперечное сечение.
1. Исполнительный компонент, содержащий множество проволок (12) из сплава с памятью формы СПФ, имеющих множество диаметров и объединенных для увеличения выходного усилия в СПФ-пучок (10), который имеет начальную форму и деформированную форму, причем после того, как СПФ-пучок был деформирован, а затем нагрет, он восстанавливает свою начальную форму, создавая выходное усилие.
2. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что указанная начальная форма придана указанному СПФ-пучку (10) до его термообработки.
3. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) выполнен в форме пряди (14).
4. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) выполнен в форме каната (18).
5. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) выполнен в форме линейного набора (32) из множества прядей (14).
6. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) охлаждается для обеспечения его перехода из аустенитного состояния в мартенситное состояние.
7. Исполнительный компонент по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одном конце указанного СПФ-пучка (10) сформировано окончание (42).
8. Пучок (10) проволок из сплава с памятью формы СПФ-пучок для исполнительного компонента, содержащий множество СПФ-проволок (12), имеющих множество диаметров и объединенных в СПФ-прядь (14), имеющую начальную форму и деформированную форму, которая соответствует мартенситному состоянию, причем после нагрева указанной СПФ-пряди до температуры ее фазового перехода для трансформирования ее в аустенитное состояние, указанная СПФ-прядь (14) стремится вернуть указанную начальную форму, создавая увеличенное выходное усилие.
9. Способ изготовления пучка (10) проволок исполнительного компонента из сплава с памятью формы, предусматривающий следующие операции: получение множества СПФ-проволок (12), у каждой из которых имеется первый конец (24) и второй конец (26); формирование СПФ-пучка (10) из указанного множества СПФ-проволок (12) и нагревание указанного СПФ-пучка (10) в процессе его термообработки с приданием указанному СПФ-пучку (10) начальной формы, причем перед проведением операции термообработки осуществляют промежуточную операцию создания натяга в СПФ-пучке (10).
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает промежуточную операцию, предшествующую указанной операции формирования и включающую обжатие указанных первых концов (24) и вторых концов (26) указанного множества СПФ-проволок (12) для того, чтобы предотвратить расплетание указанного СПФ-пучка (10) во время указанной операции термообработки.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что во время указанного формирования указанного СПФ-пучка (10) он находится при температуре ниже заранее определенной температуры для того, чтобы избежать его нагрева перед проведением указанной операции термообработки.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает перед проведением указанной операции термообработки промежуточную операцию помещения указанного СПФ-пучка (10) в устройство (36) термообработки.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что геометрия указанного устройства (36) термообработки выбрана соответствующей окончательной конфигурации указанного СПФ-пучка (10) в указанном начальном состоянии.
14. Способ по п.9, отличающийся тем, что при проведении указанной операции формирования используют неметаллические пластмассовые направляющие.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что дополнительно предусматривает последующую операцию циклической обработки указанного СПФ-пучка (10) для минимизации начальной ползучести.
16. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) формируют, как канат (18).
17. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) формируют, как прядь (14).
18. Способ по п.9, отличающийся тем, что указанный СПФ-пучок (10) формируют, как линейный набор (32), образованный множеством прядей (14).
