驱动钛丝（SMA）的应用（1）汽车腰托支撑按摩气阀模块

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，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。钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本章节主要介绍钛丝（SMA）在汽车腰托支撑按摩气阀模块的应用，我们在该领域的研发也积累了一定的经验，欢迎大家交流或者合作。

第1节【汽车腰托支撑按摩气阀模块】

【财哥讲故事】

‌在聊形状记忆合金丝的驱动技术应用在汽车电子领域之前，财哥先给大家讲个小故事。‌

话说在很久很久以前，有一个名叫Memory的M国人，对形状记忆合金的驱动技术情有独钟，痴迷程度不亚于任何人对宝藏的追寻。Memory在资本的鼎力支持下，一头扎进了形状记忆合金的研发深渊，日复一日，年复一年，进行着无数次的实验与探索。

终于，在一个风和日丽的日子，Memory迎来了曙光，他成功突破了形状记忆合金从理论到工业化的关键壁垒。然而，命运似乎总爱开玩笑，就在Memory即将迎来辉煌的时刻，资金链却意外断裂，他的梦想之舟眼看就要搁浅。

资本是冷酷无情的，没有回报的投入终将撤出。已经烧掉10亿美金的Memory在绝望中挣扎，四处寻求救星。就在这时，D国的一位汽车零部件巨头——Afm，如同救世主般出现在了他的面前。Afm对Memory的成果惊叹不已，迅速出手，将Memory的企业收入囊中，并让他专心致力于生产，其他琐事一概不用操心。

时间转眼到了2003年的冬天，那是一个寒冷的季节，但Afm的研发团队却热血沸腾。他们仅用不到一年的时间，就成功开发出了汽车的腰托核心部件——气囊式腰托驱动机构。这一创新之举，不仅让Afm在欧美等地迅速完成了专利布局，更让汽车行业为之震动。

然而，新技术的推广总是充满挑战。Afm的产品虽然先进，但却遭遇了市场的重重阻力。但Afm并没有放弃，他们凭借着不懈的努力和本土的影响力，逐渐撕破了市场的壁垒。终于，在奔驰、宝马等顶级车系的青睐下，Afm的驱动机构得以大放异彩。

随着两大车系的力挺，Afm的驱动机构迅速突破了车圈的屏障，成为了各大车企争相效仿的对象。到了2018年前后，Afm的驱动机构销售量已经飙升至惊人的2000万支/年，成为了行业内的佼佼者。

Afm并没有止步于此，他们敏锐地发现了中国市场的巨大潜力，并迅速采取了战略布局。在中国成立了分公司，筑起了坚实的专利防火墙，意图在这片热土上续写辉煌。

2019年的夏天，一个名叫Msk的网红车企也按捺不住内心的激动，在他的第三代汽车上引入了Afm的驱动机构。这一举动，无疑为Afm在中国市场的推广注入了强大的动力。

国内的汽车行业人士听闻此事，纷纷摩拳擦掌，意图弯道超车。然而，由于技术断层严重，Afm的专利防火墙又坚不可摧，许多圈内大牛企业历经数年，仍未能取得实质性的突破。

这个场景大家是不是觉得很熟悉！好了，言归正传，我们接下来讲解汽车舒适系统应用案例。

【支撑系统、按摩系统】

钛丝的驱动技术应用在支撑系统和按摩系统已经非常普遍。

钛丝的驱动技术，在汽车腰托的气囊式气阀控制中，通过记忆合金丝的热敏特性实现精准控制。当合金丝被加热时，会缩短并拉动气阀，从而控制气囊的充气或泄气；冷却后，合金丝恢复原长，保持气阀位置稳定。这种技术替代了传统的电磁铁气阀，使得控制装置结构更简单、体积更小、重量更轻、功耗更低。

【支撑和按摩系统的组成】

早期的汽车腰托装置仅有支撑系统，伴随国内的用户需求，逐渐衍生了按摩系统，本质上，它们属于同一个控制原理的不同控制方式。

这个驱动系统分为气泵、气囊、控制线路、控制按键、驱动模块组成，由它们形成的一套完整的气囊式汽车腰托。给汽车驾驶带来更加舒适的用户体验。

【驱动模块的组成】

驱动模块包含了驱动机构、驱动电路、数据通讯、控制按键等组成。

【驱动机构的核心原理】

钛丝的驱动技术应用的支撑系统和按摩系统，其核心原理在财哥说《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》的《SMA常见10大结构模型》中的三角函数驱动结构。

以上是其核心的专利示意图，具体说明在财哥说钛丝的《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（5）位移设计》文章中提到的：

例3：三角函数结构

我们将一根钛丝，两端固定，中间作为驱动点，钛丝的驱动点和固定点形成三角函数关系，我们可以利用勾股定理得到类似杠杆的放大效果，得到更大的驱动位移量。

当sinA=0.4时，钛丝的直线驱动方向的位移量是驱动点的方向的1:3倍关系，钛丝∅ 0.15mm，长度100mm，我们设计4%的位移量4mm，在驱动点的方向，我们会获得12mm的驱动位移量。

【驱动机构的参数特点】

钛丝驱动模块的功能需求，最早是相对传统电磁铁的气阀标准过渡过来开的，其参数特点如下：

1、工作电压：9-16v

2、工作温度：-40-80℃

3、气压：55±5KPa

4、流量：5.5L（7L气泵输入）

5、气密：＜10%（55KPa情况下，24小时损失）

6、噪音：＜30db（空载）；＜40db（负载30KPa）

7、响应时间：＜150ms

【驱动机构的功能特点】

我们容易认为，这是一个简单的充气和放气，气阀打开和闭合的过程。但是我们站在用户体验的角度，就完全不一样了。

例如：我们不同的人开车，腰部支持的高低是不一样的，这就需要连接汽车的智能识别系统，来调整气囊的高低。当我们开车累了，可以调用气囊自动给我们按摩。气囊的数量也从早期的1个，演变成了现在的20-30多个不等。

多气囊的驱动机构，采用传统的电磁铁驱动就不合适了，电磁铁过于笨重、功率大、体积大。更合适的解决方案是一套矩阵式的钛丝驱动机构和矩阵式的钛丝驱动电路，采用MCU来实现这些功能。

【驱动机构的电路设计】

驱动机构的电路设计，在财哥说《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计》的《驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（9）钛丝的驱动电路控制（下）》的【矩阵式驱动控制】中提到：

矩阵式驱动一般应用于数量较多或大规模的钛丝驱动机构的情况下。

矩阵式驱动有很多种类，电子工程师一般都可以根据自己的实际情况灵活调整，本案例给出其中一种表现形式，供大家参考。

矩阵式驱动的重点是结合MCU本身的资源能力，给出最有效的矩阵设计思路，软件工程师通过矩阵的数量设定合适的周期和对应的占空比。

工作原理：

本例依然采用PWM恒功驱动的设计方案，驱动4组钛丝驱动机构。

通过软件控制:

P1、P2、P3、P4实现：

驱动钛丝的L1、L2或L3、L4或L1、L4或 L2、L3的4种驱动状态，达到矩阵控制和交叉矩阵控制的目的。

本例中的软件控制可以采用4组PWM，也可以采用2组PWM，我们的软件工程师需要结合MCU的资源去灵活调整。

【驱动模块的设计案例】

财哥将以往设计的驱动模块案例整理出来分享给大家，仅供大家参考：

1.一体两通道四路驱动机构结构

2.一体两通道四路驱动机构电路

3.一体两通道四路驱动机构软件调试

4.一体两通道四路驱动机构硬件调试

5.一体两通道四路驱动机构水下气密性调试

6.钛丝的驱动技术应用的支撑按摩系统总成

钛丝的驱动技术应用除了在支撑、按摩系统的应用之外，还在汽车的流体控制系统、新风系统、新能源车的电池温控系统、落锁装置等方面陆续展开大规模应用，财哥的团队【钛丝科技】均已经研发出一些模块和成果，后续我们也会根据大家的兴趣，选择性的展开来讲解。

希望本章节可以对感兴趣的朋友带来一些启发，欢迎大家的关注和交流，也欢迎大家一起来合作开发，请点赞收藏转发！

钛丝科技 出品

作者财哥说钛丝

审核编辑 黄宇