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1、(10)申请公布号 CN 103034137 A (43)申请公布日 2013.04.10 C N 1 0 3 0 3 4 1 3 7 A *CN103034137A* (21)申请号 201210504117.4 (22)申请日 2012.10.08 13/251,415 2011.10.03 US G05B 19/04(2006.01) G05D 3/12(2006.01) (71)申请人通用汽车环球科技运作有限责任公 司 地址美国密执安州 (72)发明人 X高 L郝 PW亚历山大 GA埃雷拉 NL约翰逊 GP麦克奈特 AL布劳恩 (74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公 司 720。
2、01 代理人董均华 谭祐祥 (54) 发明名称 减少形状记忆合金激活期间预热周期变化的 影响的方法 (57) 摘要 一种用于减少形状记忆合金制动的预热周期 变化的影响的系统和方法，包括感测系统的致动 器和传动系中由于松弛量、间隙和/或柔度引起 的运动延迟的消除，以及由此确定致动器激活。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 1/2页 2 1.一种适用于由系统实施的方法，该系统包括形状记忆合金致动器和由致动器驱动的 传动系，由于在非激活状态下系。
3、统内展现的松弛量、间隙和柔度中的至少一个而展现运动 延迟，且用于当激活致动器时减少预热周期变化的影响，所述方法包括以下步骤： a)将致动器暴露于激活信号； b)使致动器开始转变，且由于使致动器开始转变而消除运动延迟的至少一部分； c)感测运动延迟的所述至少一部分的消除；和 d)基于感测运动延迟的所述至少一部分的消除而自动确定所述致动器的激活。 2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动延迟是由于致动器内的可承受程 度的松弛量引起。 3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述致动器包括某点，限定表面的调整片在 所述点被附连到所述致动器，步骤c)进一步包括相对于所述致动器可靠地定位位置传感。
4、 器的步骤，从而所述传感器可操作选择性地接合调整片，并确定所述点的位置变化。 4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的传感器是光电操作，所述调整片限定 了多个通孔。 5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传感器包括仅在非激活状态时可操作 与致动器物理接合的横向触头，步骤c)进一步包括确定致动器和触头之间的脱离的步骤。 6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述传感器定位在预定位置，以便最大化可 观察到的松弛量消除。 7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动延迟是由于传动系内可承受程度 的柔度引起。 8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动延迟是由于传动系内可承受程。
5、度 的间隙引起。 9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述系统是主动通风系统，传动系还包括协 作地具有相互啮合的齿的至少一个齿轮和/或齿条，间隙由所述相互啮合的齿之间的间距 形成。 10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述传感器是电位计，其可操作检测所述 至少一个齿轮中的从动齿轮的旋转。 11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c)还包括相对于传动系固定线性位置 传感器的步骤。 12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述传感器被定位在邻近致动器的预定 位置上，从而最大化由传动系提供的可观察到的消除。 13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该系统进一步包括控制器，其可操。
6、作以执 行动作，且通信地联接到所述传感器，所述方法进一步包括： e)由于确定致动器的激活而使控制器执行动作。 14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制器可操作执行超负荷保护动作， 步骤e)进一步包括终止信号的步骤。 15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括： e)使系统回复到非激活状态，并在确定激活后自动再次产生运动延迟。 16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤e)还包括用磁力使致动器接合 权 利 要 求 书CN 103034137 A 2/2页 3 从而诱导应变的步骤。 17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述传动系包括协作地具有相互啮合的 齿的多个。
7、齿条和/或齿轮，步骤e)进一步包括步骤：在激活后，使齿条和/或齿轮与偏置弹 簧接合，所述偏置弹簧可操作再次产生运动延迟。 18.一种适用于由可操作产生运行的系统实施的方法，所述系统包括被驱动地联接到 传动系的形状记忆合金致动器，其中，所述致动器和/或传动系在非激活状态展现动作延 迟，为了改进运行，所述方法包括以下步骤： a)使致动器持续暴露于激活信号，激活信号可操作引起致动器的预热和转变的开始； b)监测致动器暴露于信号的持续时间，并随时观察运动延迟； c)感测运动延迟的至少一部分的消除的开始，且由此确定致动器的激活； d)根据步骤b)和c)的结果，确定辅助信息； e)基于辅助信息来调整算法、。
8、计时器或阈值； f)由于调整算法、计时器或阈值，改进运行。 19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辅助信息是致动器的预热周期。 20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述辅助信息是所述系统的总激活时间。 权 利 要 求 书CN 103034137 A 1/6页 4 减少形状记忆合金激活期间预热周期变化的影响的方法 技术领域 0001 本发明总体上涉及减少形状记忆合金致动器(SMA)预热周期变化的影响的方法， 更具体地涉及利用系统内的间隙和松弛量固有特性来完成此的系统和方法。 背景技术 0002 由于许多内在和外在的因素，包括周围温度变化、致动器内部温度(即冷却程 度)、致动器之。
9、间的稳定性差异、致动器的循环寿命/利用和电路之间/应用之间的电压变 化(根据需要激活)，形状记忆合金致动器在预热周期(即在激活之前加热SMA致动器所花 费的时间)方面变化。预热周期变化引起整个系统操作的关注和挑战，尤其是对于依赖预 热周期作为触发或反馈的基于软件的外围设备/算法(例如，超负荷保护软件)。作为补 偿，有大预热周期偏差的致动器已经实现；然而，这些偏差存在其隐患。在其他方面，较大的 偏差将减少精度从而可导致系统的无效性。例如，在一个超负荷保护算法中，不精确可能进 一步导致未能及时消除超负荷状况。 发明内容 0003 本发明提供了一种利用通常在大多数系统中固有的松弛量、间隙、或柔度来减。
10、少 形状记忆合金激活期间预热周期变化的影响的方法。更具体地，与传统的基于时间和信号 曲线的度量相比，本发明的系统和方法利用消除松弛量、间隙或柔度作为SMA激活的更加 准确的指标，使用这些指标来更好的预测或控制系统性能。其结果是，本发明对于在不增加 附加的硬件的情况下提供更准确和更有效的基于软件的外围设备/算法是有用的，这导致 在更广泛范围的条件下适当工作的设备。因此，本发明在扩大基于软件的度量的应用方面 是有用的，从而相对于机械对等物降低了整个系统的运动部件的数量、复杂性和成本。最 后，本发明进一步用于提供获取可用于提高性能的辅助信息的新方式。 0004 总而言之，本发明涉及一种方法，其适用于。
11、由包括形状记忆合金致动器和传动系 的系统来实施。系统被设置为当系统处于非激活状态时，在致动器和/或传动系中分别存 在可承受程度的松弛量、间隙或柔度。该方法包括以下步骤：将致动器暴露于激活信号；使 致动器预热并然后激活，以便消除松弛量、间隙或柔度的至少一部分；感测所述消除；以及 在此基础上确定致动器激活的开始。 0005 在本发明的另一个方面，其中，线的激活触发运行，该方法包括：将致动器持续暴 露于激活信号；监测致动器暴露于信号的持续时间；感测松弛量、间隙或柔度的消除的开 始；并作为感测消除开始的结果，确定致动器开始转换，基于暴露持续时间来确定辅助信 息，如预热周期、由于间隙而导致的延迟或总激活。
12、时间，以及感测消除松弛量和/或间隙的 完成。该方法进一步包括步骤：基于辅助信息来调整算法、计时器、或可操作产生运行的阈 值。最后，运行由于调整了算法、计时器或阈值得到了改善。 0006 参考本发明的各种技术特征的以下详细描述和包括在其中的示例，本发明可更容 易理解。 说 明 书CN 103034137 A 2/6页 5 附图说明 0007 本发明的优选实施例将参照具有示例性比例的附图进行详细描述，其中： 图1是根据本发明的一个优选实施例的处于非激活状态的包括形状记忆合金线致动 器和具有多个齿轮和齿条的传动系的系统的正视图，其中在非激活状态下，所述致动器具 有松弛量和传动系具有间隙(即，齿之间的。
13、间距)； 图1a是根据本发明的一个优选实施例的沿图1中A-A截取的线致动器和穿孔调整片 的横剖视图，其中，所述线和调整片处于非激活和激活(虚线)位置； 图1b是传动系的局部正视图，其包括限定相互啮合的齿轮和齿条齿的齿轮和齿条，其 中，间隙表现为齿的角位置的变化(比较实线和虚线)； 图1c是根据本发明的一个优选实施例的包括具有相互啮合齿的第一齿轮和第二齿轮 的传动系的部分正视图，其中所述齿包括用以将齿分开的磁性元件；和 图2是根据本发明的一个优选实施例的包括形状记忆合金线致动器和还具有返回和 松弛量再次产生机构的传动系的系统的正视图。 具体实施方式 0008 优选实施例的下述描述本质上仅仅是示例。
14、性的，且绝不旨在限制本发明、其应用 或使用。 0009 本发明涉及减少形状记忆合金激活的预热周期变化影响以实现更准确地确定激 活的系统10(图1-2)和方法；更具体地涉及以下系统10和方法：其使用系统10内固有的 松弛量、间隙(即，从致动器传输驱动力到输出/目的地所需的传动部件之间的相对平移 量)和/或柔度(即，弹性挠曲，压缩，弯曲，或在传送期间驱动部件本身的其它方式结构屈 服的量)来完成此。也就是说，像通常一样，系统10展现了上述的方式中的一种运动延迟。 如下面进一步描述的，系统10采用传感技术来检测松弛量、间隙和/或柔度的消除从而辨 别SMA激活，以及确定所需的辅助信息。本发明可以应用在利。
15、用SMA致动器的地方，并有很 宽的应用范围。在包括主动通风的许多系统中，例如，本发明可用于改进基于软件的超负荷 保护算法的精度，并且更具体地，当输出不被检测时(例如，通风孔的活页不打开等)，在时 间上更对应于SMA激活的实际时刻的时间开始跟踪最大可接受的暴露周期。 0010 如本文所用，形状记忆合金(SMAs)一般指的是一组金属材料，其在经受合适的 温度激励时能够恢复某些之前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能发生相变，其中它们的 屈服强度、硬度、尺寸和/或形状也将会随温度而改变。术语“屈服强度”指的是使材料展 现距应力和应变比发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温或在马氏体相时，形状记忆合 金能。
16、够发生伪塑性变形，且在暴露给一定高温时将转变成奥氏体相或母相，从而回到它们 变形前的形状。 0011 形状记忆合金存在几个与温度相关的不同相。这些相中最常用到的就是所谓的马 氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般指的是更易发生变形的低温相，而奥氏 体相一般指的是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始改变 成奥氏体相。这种现象开始发生时的温度通常称为奥氏体起始温度(A s )，这种现象结束时 的温度则称为奥氏体完成温度(A f )。 说 明 书CN 103034137 A 3/6页 6 0012 当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始改变成马氏体相，这种现象开。
17、 始发生时的温度称为马氏体起始温度(M s )。奥氏体完成转变成马氏体时的温度则称为马氏 体完成温度(M f )。一般来说，形状记忆合金在马氏体相较软、较容易发生变形，而在奥氏体 相较硬、更刚性且更刚硬。由上可知，适合用于形状记忆合金的激活信号是具有在马氏体和 奥氏体相之间引起转变的大小的热激活信号。 0013 取决于合金成分和工艺过程，形状记忆合金可以具有单向形状记忆效应、内在的 双向效应、或外在的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金一般只具有单向的形状 记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体的转变类 型，而材料将恢复到初始的退火后的形状。然而，单向的形状。
18、记忆效应只能在加热时看到。 包括具有单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料无法自动重新成形，且在判定需要 重设装置时可能需要外部的机械力。 0014 内在的双向形状记忆材料和外在的双向形状记忆材料的特征在于，既可以在从马 氏体相加热为奥氏体相时发生形状转变，同时也可以在从奥氏体相冷却回到马氏体相时发 生附加形状转变。具有内在的形状记忆效应的活性材料是由会使活性材料由于上述提及的 相变而自己自动重新成形的形状记忆合金成分制成。内在的双向形状记忆特性必须通过工 艺过程引入形状记忆材料。这些工艺过程包括在马氏体相时的材料极限变形，约束或载荷 条件下的加热冷却处理，或者激光退火、抛光或喷丸加工等表面。
19、改性。一旦材料被训练具有 了双向形状记忆效应，那么这种高低温状态之间的形状变化通常是可逆的并且在经过很多 个热循环后仍然能保持有效。相比而言，具有外在的双向形状记忆效应的活性材料是将具 有单向效应的形状记忆合金成分与提供回复力以重新形成初始形状的另一种成分组合而 成的复合物或多成分材料。 0015 形状记忆合金被加热到某一温度时会记忆其高温形态，而此温度可以通过合金成 分的细微改变和通过热处理过程进行调整。例如，镍钛形状记忆合金中，上述温度可以从高 于约100变至低于约一100。形状恢复过程只在几摄氏度的范围内发生，而且根据期望 应用以及合金的成分，可以将此转变过程的开始或结束控制只在1或2度。
20、范围之内。在跨 过形状记忆合金发生转变的温度范围内，其机械属性会发生巨大的变化，通常为系统提供 形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。 0016 合适的形状记忆合金包括，但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍 镓基合金、铜基合金(如铜锌合金、铜铝合金、铜金合金和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基 合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁钯基合金及类似物。这些合金可以是二元 的、三元的或其它任何更高元的，只要合金成分在例如外形取向变化、阻尼容量等方面上具 有形状记忆效应即可。 0017 应当理解的是，当加热至高于SMA的马氏体-奥氏体相变温度时，SMA具有2.5倍 的模量增加和高达8。
21、(取决于预应变量)的尺寸变化(在处于马氏体相时引起的伪塑性 变形的恢复)。应当理解的是，热诱导的SMA相变是单向的，这样就需要设置一个偏压力回 复机构(如弹簧)来在一旦消除所施加的场时恢复SMA至初始配置。可以使用焦耳加热， 以使整个系统可电子控制。 0018 返回到本发明的结构和步骤，图1示出了包括形状记忆合金线致动器12和传动系 14的示例性系统10，致动器12和传动系14构成了驱动器。本文所用的术语“线”，包括但 说 明 书CN 103034137 A 4/6页 7 不限于如管束、编织物、电缆、绳索、链、带等其他等效几何配置。此外，应当理解的是，致动 器12可具有其它配置，如SMA弹簧、。
22、片材、扭矩管等。正如前面提到的，系统10用于检测松 弛量、间隙和/或柔度的至少一部分的消除和将检测与开始激活关联起来。在本发明的第 一个方面，致动器12设置为在非激活时展现出松弛量(例如，弓状、迂回的、弯曲的轮廓)； 松弛量的消除用于确定致动器何时激活。更具体地说，当需要激活时，本发明的方法在第一 步骤通过预热周期加热SMA线12开始(例如，通过焦耳加热)。也就是说，线12在无法确 定的预热周期内由合适的信号源16持续暴露于激活信号(图1)。 0019 尽管无法确定加热周期，一般来说精确的激活时间通过在第二步骤物理感测松弛 量的消除而检测。因此，可以理解，外部传感器18进一步构成系统10。例如。
23、，作为光电传感 器的位置传感器18，可以用于检测由固定附连到线12的调整片20(图1和1a)或由线12 本身限定的反射表面20a的位置变化。如图1a中所示，调整片20可以限定多个通孔22，并 垂直于线12延伸，其中，光电传感器18被定向和定位以记录“ON”或“OFF”值，这取决于光 源21与通孔22对准。当线12被引起经受变形并开始收缩时，它开始消除松弛量，而与系 统的输出条件无关。这导致调整片20横向移动，并且随着光源21间歇遇到通孔22，传感 器18来回切换为“ON”和“OFF”值。值的变化记录了与消除松弛量有关的表面位置的检测 变化。因此，应当理解的是，为了最大化可观察到的松弛量消除，调。
24、整片20优选为附连到线 12的经受最大横向位移的点(例如，弯曲轮廓的顶点)或部分。 0020 更优选的是，通过磁化调整片20并使其与相邻含铁材料24(图1a)横向接合，确 保最大位移且可以产生松驰量。也就是说，在优选的实施例中，调整片20还可以用于通过 在马氏体相时横向约束线12来本身产生松弛量(例如，通过重力、磁力等)。线12被构造 成使得激活将用最小阻力克服这种效应。 0021 可替代地，在调整片20和相邻材料24之间的脱离可以被直接感测到。也就是说， 相邻材料24可以用作触头，当与调整片20连接时闭合，且在脱离时断开。一旦通过松弛量 消除的激活被确定时，该方法进入到下一个步骤，其中，为了。
25、执行动作，系统10被配置为触 发或提供反馈到系统10中。在前面的示例中，系统10可进一步被配置为在暴露的阈值时 间已经超时而没有达到期望输出时触发超负荷保护例程，其终止激活信号。因此，优选的系 统10还包括通信地联接到致动器12、信号源16和传感器18的控制器26。 0022 在最后的步骤中，优选的系统10被配置为自动地返回输出，为了随后的使用，在 致动器12中再次产生可容忍程度的松弛量。最后，当SMA处于非激活状态时，调整片20可 能被邻近的磁性材料24吸引，从而拉伸线12。在图2所示的另一个例子，具有弹簧模量k1 的拉伸弹簧28与致动器12对立地被驱动地联接到滑动传动系14；传动系14包括。
26、：内部 伸缩部分30和外部伸缩部分32，致动器12联接到内部部分30和联接到弹簧28外部部分 32(图2)；和压缩弹簧34，具有k2K1的弹簧模量，在中间与部分30、32接合，以便驱动 其向如图2中所示的配合状态。一旦致动器12去激活并导致其恢复到马氏体相，拉伸弹簧 28工作以伪塑性地拉紧线12并使传动系14返回到其初始位置。为了自动地再次产生松弛 量，传动系14还包括至少一个并且更优选具有多个棘爪36，其具有延长的臂38(图2)。传 动系14被配置为当部分30、32返回到初始位置时使得棘爪36旋转，并为此目的，包括传动 装置(未示出)，其可操作将直线运动转变为旋转位移。由于臂38与内部部分3。
27、0接合，从 而抵抗压缩弹簧34的作用驱动其到外部部分32中，线12被进一步拉紧。一旦完成半转， 说 明 书CN 103034137 A 5/6页 8 部分30、32突然回到配合状态，由此产生线12的松弛量。正如前面所提到的，也可以利用 重力或磁力，以进一步产生线12内的松弛量。 0023 在本发明的第二方面，除了致动器12中的松弛量或者取代致动器12中的松弛量， 传动系14可被设计成在系统10中提供可承受程度的间隙。这就是说，在此配置中，线12 可以拉紧，在激活期间期望实现更快速的响应时通常如此。回到图1和1b，其中，传动系14 包括具有相互啮合的齿40a，42a的多个齿轮40和齿条42，齿4。
28、0a，42a可以间隔开以产生合 适程度的间隙(即，在随后的部件被驱动前的间隙或可让性)。如前述方法那样，位置传感 器18相对于传动系14固定，且可操作以检测消除间隙的开始。在图示的实施例中，旋转传 感器18，例如电位计，相对于第一从动或控制齿轮40定位，以便增加可观察到的间隙的消 除-可以理解的是，当传动系14驱动随后部件时，在传动系14随后部件中的间隙通过给定 齿轮40或齿条42的增加位移来反应。进一步理解的是，致动器12的增加紧邻性导致更迅 速的间隙消除检测和间隙消除检测数量的增加。 0024 优选的系统10还包括控制器26，其通信地联接到位置传感器18(也如图1所示)。 一旦SMA线12。
29、的激活通过感测到间隙消除被检测到，控制器26可操作以执行动作或运行 (例如，执行超负荷保护算法)。SMA激活的检测可用于预测目标输出，其中，提供有关输出 的反馈，辨别故障(例如，目标输出的堵塞)。优选的方法包括：使传动系14返回到非激活 状态，为了将来使用在传动系14中自动再次产生可承受范围的间隙。例如，在此配置中， 可以理解的是，扭转弹簧28与每个齿轮40同轴地对准可以用来复位系统10。同样，拉伸 弹簧(未示出)可能被驱动地联接到每个齿条42上，以便产生于致动器12相对抗的偏置 力。可选地，也可以使用磁力；在这时，通过排斥相互啮合的齿40a，42a，其中激活之前的相 邻的齿表面包括相同磁极的。
30、磁性元件44，和/或吸引激活之后相邻的表面包括相反磁极的 元件44(图1c)。 0025 正如前述，本发明的第三方面涉及测量传动系14内的柔度，例如齿轮齿之间的压 缩等，或轴杆(axel rod)、齿条、杆臂等中的折曲/弯曲。应当理解的是，除了材料成分，驱 动部件的几何形状在具有的柔度数量上起着重要的作用；例如部件越细长，以折曲形式的 柔度就越可能产生。这里，传感器18，例如线性位置传感器，优选地定位在致动器12处或附 近，从而能够检测到在系统10中的总柔度。同样，通过传动系14提供的总柔度量必须是可 承受的，以便不对致动器12的有效行程产生不可估量的影响。 0026 最后，应当理解的是，消除。
31、松弛量、间隙和/或柔度也可以用来提供辅助信息，其 然后可以用于改进系统的运行。例如，除了辨别实际SMA的激活之外，预热周期、归因于松 弛量/间隙/柔度的延迟、和总激活时间(即，预热时间加上延迟)也可以通过监测致动器 12暴露于信号的持续时间和随着时间观察松弛量/间隙/柔度的消除来确定。预热周期、 延迟和/或总激活时间然后可以用来例如，调整算法、计时器或阈值，以便将系统10针对一 组给定条件调整。也就是说，控制软件可以可编程地配置为调整变量以实现从激活信号接 收的时间到装置完全被激活的时间的恒定激活时间。 0027 本书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，还使本领域技术人员能够 制造和使。
32、用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员可 想到的其它示例。如果这种其它示例具有的结构元件与权利要求的字面语言没有不同或者 他们包括与权利要求的字面语言没有实质性不同的等价结构元件，那么这种其它实施例旨 说 明 书CN 103034137 A 6/6页 9 在处于权利要求的范围内。 0028 此外，如本文所用，术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序或重要性，而是用于区 分一个元件和另外一个元件，术语“该”、“一个”并不表示对数量的限制，而是表示存在至少 一个所引用的项。涉及给定部件或测量的相同数量的所有范围都包括端点，并可以独立地 组合。 说 明 书CN 103034137 A 1/3页 10 图1 图1a 图1b 说 明 书 附 图CN 103034137 A 10 2/3页 11 图1c 说 明 书 附 图CN 103034137 A 11 3/3页 12 图2 说 明 书 附 图CN 103034137 A 12 。