CN103982579A - 一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于车辆、机械等领域的缓冲装置，尤其是涉及一种利用形状记忆合金材料，具有大行程、高耗能、可复位等特性的缓冲装置，包括：单锥面内圆环、双锥面内圆环、含双内锥面的形状记忆合金外圆环；其中所述缓冲器的两端分别为单锥面内圆环，所述缓冲器的中间为若干个含双内锥面的形状记忆合金外圆环和双锥面内圆环交替排列。本发明结构简单，便于加工、装配。形状记忆合金材料处于环向拉伸状态，应力状态简单、均匀，材料利用率高。相比传统的环形弹簧缓冲器，相对压缩变形有了显著提高。形状记忆合金相变耗能和摩擦耗能结合，能量耗散能力更高。当压缩位移较大时，载荷几乎保持恒值，有利于缓冲保护。

Description

一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器

技术领域

本发明涉及一种适用于车辆、机械等领域的缓冲装置，尤其是涉及一种利用形状记忆合金材料，具有大行程、高耗能、可复位等特性的缓冲装置。

背景技术

在机械、车辆及抗震建筑中大量的使用缓冲装置。依照缓冲器与速度、位移的关系，可以大致分为速度型、位移型及混合型缓冲器。速度型缓冲器如常见的油压缓冲器，作用力在不同冲击速度下差距较大，超出一定速度限制时会出现缓冲力过大的情况。利用金属塑性变形等原理进行缓冲耗能的装置，属于位移型缓冲器，在汽车防撞、建筑物抗震等领域使用较多，但通常难以实现自动复位。

环形弹簧也是一种常用的缓冲器，由多个带内锥面的外圆环和带有同样锥角之外锥面的内圆环配合而成，内外环的尺寸和数量可以根据载荷和变形要求确定，当环形弹簧承受轴向载荷时，内外圆环相互挤压，沿着圆锥面相对滑动，产生轴向位移，起到弹簧作用，同时内、外环间产生巨大的摩擦力，可以在变形过程中耗散大量能量，常用于空间受限而又需要强力缓冲的场合，如重型铁路车辆的联接部分等。虽然环形弹簧的缓冲减振能力很大，但受制于弹簧钢材料弹性限的约束，轴向相对变形较小(～10％)；另一方面，加载过程，载荷随加载位移线性增加，在承受较大冲击时有缓冲力过大的风险，这些都限制了环形弹簧的推广使用。

形状记忆合金是一种应用较为广泛的智能材料，其变形受温度和应力的双重控制。当其温度高于马氏体向奥氏体相变的完成点时，材料处于伪弹性状态，可以提供为普通钢材弹性限数十倍的可恢复相变应变，及与之对应的应力平台，且在加卸载过程中滞回耗能。当温度低于马氏体向奥氏体相变的起始温度时，材料处于形状记忆状态，此时的力学形状类似于弹塑性，当加载超过一定变形时，会有残余应变，但是通过加热处理可以恢复到初始的状态。

根据其材料特性，出现了多种利用形状记忆合金进行缓冲、耗能的装置，其中主流的是利用合金丝的拉伸机制，但是这些装置的缓冲行程严重依赖于合金丝的长度，相对变形偏小，应用范围受限。最近本发明人向国家知识产权局申请了一项发明专利“一种使用形状记忆合金的液压缓冲装置”，专利申请号201410126824.3，利用伪弹性形状记忆合金拉杆的单轴拉伸进行耗能和复位，通过液压装置中大活塞与小柱塞的面积比实现位移放大的功能，但是涉及液压、密封等装置，结构略显复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的就是利用形状记忆合金材料，提供一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，具有结构简单，行程大，耗能高，可回复的优点。

本发明技术解决方案：为达到上述目的，本装置的基本措施是：利用形状记忆合金材料和弹簧钢配合组成环形弹簧，其中内圆环由弹簧钢材料制成，外圆环由形状记忆合金材料制成。选择恰当的内、外环厚度保证内环刚度明显大于外环刚度，弹簧钢材料始终处于弹性状态，不会发生塑性变形，也不会发生结构屈曲，变形主要集中在形状记忆合金材料制成的外环。通过合适的几何参数设计，当行程达到最大时，形状记忆合金材料应变达到最大容许值，实现较大的轴向相对变形，同时保证形状记忆合金材料可重复使用。

本发明，大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器的一种基本型号，包括单锥面内圆环，双锥面内圆环，含双内锥面的形状记忆合金外圆环三种部件。所有含锥面的部件，其锥面角度均相等，可取在12°～20°之间。含双内锥面的形状记忆合金外圆环，其外表面为圆柱面，内表面由两个处于两端的内圆锥面与处于中间的内圆柱面组成，各占1/3高度；含双内锥面的形状记忆合金外圆环最大厚度与最大外径比例在1/10～1/8之间；含双内锥面的形状记忆合金外圆环高度与最大外径比例在1/5～1/4之间，当锥面角度较小时，高度/最大外径比例可以偏大，反之，锥面角度较大时，该比例应当取的偏小。双锥面内圆环内表面为圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；双锥面内圆环高度比外圆环略高，比例可取为1.01～1.02；双锥面内圆环外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为外圆环内表面最大直径与最小直径的平均值；双锥面内圆环壁厚与外圆环相当，因弹簧钢材料强度远大于形状记忆合金材料的相变应力平台，可确保内环结构刚度明显大于外环。双锥面内圆环可以从中间对称面切割成两个单锥面内圆环。按照上述的参数设计，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量。

可以根据实际行程的需要，选择内、外圆环的对数，重叠装配而成，其中两端为单锥面内圆环，中间为含双内锥面的形状记忆合金外圆环和双锥面内圆环交替排列。

使用时，在两端施加轴向压缩载荷，装置轴向尺寸缩短，内外圆环相互挤压，因为设计的内圆环刚度明显大于外圆环刚度，故变形主要集中在外圆环，内圆环变形可以忽略，外圆环被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，同时内、外圆环间产生摩擦力，摩擦力大小与正压力成比例，间接的和外圆环的环向拉应力成比例。加载初始时，外环处于弹性状态，应力随环向应变线性增加，轴向力随位移线性增加；当轴向位移到达一定程度，外圆环材料开始发生相变，应力几乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此时对应的轴向作用力也保持恒定。卸载时，摩擦力立即反向，导致轴向作用力突然下跳，经过一个短暂的弹性卸载区后，外圆环材料进入逆相变过程，轴向力维持在一个较低的作用力平台，直到逆相变结束，外环材料开始弹性卸载，轴向力重新线性下降，由于摩擦力的作用，幅值远低于初始加载时候的幅值，直到卸载结束，系统恢复原态。耗能方面，当轴向变形较小时，与传统的弹簧钢环形弹簧类似；当变形较大时，相变耗能和摩擦耗能共同作用，可以到达更大的耗能比例。

本发明的一种改进型号，命名为改进1型，包含单锥面内圆环、双锥面内圆环及组合式外圆环等部件。其中，组合式外圆环包括一段形状记忆合金圆柱壳和三个圆周对称分布的锥面衬垫。所有含锥面的部件，其锥面角度均相等，可取在12°～20°之间。锥面衬垫为一定角度(90°～110°)的旋转体,可以由360°的整环切割而成，外表面中间为与形状记忆合金圆柱壳内径配合的圆柱面，外表面两端为限制形状记忆合金圆柱壳移动的小凸台；内表面两端为两个对称的圆锥面，与内圆环锥面配合，内表面中间为一个圆柱面，圆柱面与两个圆锥面各自占据1/3的高度；锥面衬垫的高度与外表面中间圆柱面直径(等于形状记忆合金圆柱壳的内径)的比例约为1/4。形状记忆合金圆柱壳的厚度与其内径的比例为1/15～1/10之间，高度不大于锥面衬垫外圆柱面的高度。双锥面内圆环内表面为圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；高度比锥面衬垫略高，比例可取为1.01～1.02；外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为锥面衬垫内表面最大直径与最小直径的平均值；壁厚与形状记忆合金圆柱壳相当，因弹簧钢材料强度远大于形状记忆合金材料的相变应力平台，可确保内环结构刚度明显大于外环。双锥面内圆环可以从中间对称面切割成两个单锥面内圆环。按照上述的参数设计，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量。

改进1型装置，也可以根据实际行程的需要，选择内、外圆环的对数，重叠装配而成，其中两端为单锥面内圆环，中间为组合式外圆环和双锥面内圆环交替排列。

改进1型在实际使用中，在两端施加轴向压缩载荷，各部件相互挤压，因为设计的内圆环刚度明显大于组合式外圆环刚度，故变形主要集中在组合式外圆环，内圆环变形可以忽略。形状记忆合金圆柱壳被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，不再承受摩擦力，减少了磨损。锥面衬垫为开口式结构，可以传递内圆环与形状记忆合金圆柱壳之间的压力，并承受摩擦力，但环向应变不大，加卸载中不会发生塑性变形。加卸载过程的载荷位移曲线及耗能表现与基本型号类似。

本发明的一种进一步的改进型号，命名为改进2型，基本结构与改进1型相同，包含单锥面内圆环、双锥面内圆环及组合式外圆环等部件。与改进1型的主要区别在于，组合式外圆环由若干个小截面积形状记忆合金环和三个圆周对称分布的锥面衬垫组成。小截面积形状记忆合金环可以是圆截面、矩形截面，也可以是其它任意的便于加工制造的截面。使用多个小截面积形状记忆合金环的优点在于：截面形状更自由，元件制造上可能更方便；通过环的数量改变可以灵活的调整载荷的幅值；单个小截面环发生破坏对整个装置的使用影响较小。改进2型其它特征与改进1型相同。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明结构简单，便于加工、装配。形状记忆合金材料处于环向拉伸状态，应力状态简单、均匀，材料利用率高。相比传统的环形弹簧缓冲器，相对压缩变形有了显著提高。形状记忆合金相变耗能和摩擦耗能结合，能量耗散能力更高。当压缩位移较大时，载荷几乎保持恒值，有利于缓冲保护。

改进型的缓冲装置(改进1型)，增加了锥面衬垫，减少了形状记忆合金的磨损，并且减少了形状记忆合金材料的加工，相应的也减少了形状记忆合金材料的消耗量，成本更加经济。

另一种改进型号(改进2型)，在使用锥面衬垫的基础上，选用多个小截面积形状记忆合金环排列组成，截面形状选择更加自由，便于加工制造，单个小截面环失效不影响整体性能发挥，并且可以更加方便的调节载荷力的大小。

附图说明

图1为基本型号的缓冲装置的剖视图；

图2为含双内锥面的形状记忆合金外圆环的结构示意图；

图3为双锥面内圆环的结构示意图；

图4为单锥面内圆环的结构示意图；

图5为改进1型装置的剖视图；

图6为形状记忆合金圆柱壳与锥面衬垫组成的组合式外圆环示意图；

图7为改进2型装置的剖视图；

图8为多个小截面形状记忆合金环与锥面衬垫组成的组合式外圆环示意图；

1-单锥面内圆环，2-含双内锥面的形状记忆合金外圆环，3-双锥面内圆环，4-锥面衬垫，5-形状记忆合金圆柱壳，6-小截面形状记忆合金环。

具体实施方式

下面结合技术方案和参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明专利的一种基本型号的实施例，如图1所示，包括单锥面内圆环1，双锥面内圆环3，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2三种部件。可以根据实际行程的需要，选择内、外圆环的对数，重叠装配而成，其中两端为单锥面内圆环1，中间为若干个含双内锥面的形状记忆合金外圆环2和双锥面内圆环3交替排列。

各内外圆环的锥面角度相等，可取在12°～20°之间。含双内锥面的形状记忆合金外圆环2，其结构如图2所示，其外表面为圆柱面，内表面由两个处于两端的内圆锥面与处于中间的内圆柱面组成，各占1/3高度；最大厚度与最大外径比例在1/10～1/8之间；高度与最大外径比例在1/5～1/4之间，当锥面角度较小时，高度/最大外径比例可以偏大，反之，锥面角度较大时，该比例应当取的偏小。双锥面内圆环3，其结构如图3所示，内表面为圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；高度较含双内锥面的形状记忆合金外圆环2略高，比例可取为1.01～1.02；外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为含双内锥面的形状记忆合金外圆环2内表面最大直径与最小直径的平均值；壁厚与含双内锥面的形状记忆合金外圆环2厚度相当，因弹簧钢材料强度远大于形状记忆合金材料的相变应力平台，可确保双锥面内圆环3结构刚度明显大于含双内锥面的形状记忆合金外圆环2。单锥面内圆环1，其结构如图4所示，可以由双锥面内圆环3从中间对称面切割而成。按照上述的参数设计，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量。

使用时，在两端的单锥面内圆环1施加轴向压缩载荷，装置轴向尺寸缩短，内外圆环相互挤压，因为设计的内圆环1、3刚度明显大于含双内锥面的形状记忆合金外圆环2的刚度，故变形主要集中在含双内锥面的形状记忆合金外圆环2，内圆环1、3变形可以忽略，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，同时内、外圆环间产生摩擦力，摩擦力大小与正压力成比例，间接的和含双内锥面的形状记忆合金外圆环2的环向拉应力成比例。加载初始时，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2处于弹性状态，应力随环向应变线性增加，轴向力随位移线性增加；当轴向位移到达一定程度，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2材料开始发生相变，应力几乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此时对应的轴向作用力也保持恒定。卸载时，摩擦力立即反向，导致轴向作用力突然下跳，经过一个短暂的弹性卸载区后，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2材料进入逆相变过程，轴向力维持在一个较低的作用力平台，直到逆相变结束，含双内锥面的形状记忆合金外圆环2材料开始弹性卸载，轴向力重新线性下降，由于摩擦力的作用，幅值远低于初始加载时候的幅值，直到卸载结束，系统恢复原态。

本发明的一种改进型号，命名为改进1型，包含单锥面内圆环1、双锥面内圆环3及组合式外圆环等部件，如图5所示。所有含锥面的部件，其锥面角度均相等，可取在12°～20°之间。其中，组合式外圆环，如图6所示，包括一段形状记忆合金圆柱壳5和三个圆周对称分布的锥面衬垫4。锥面衬垫4为一定角度(90°～110°)的旋转体,可以由360°的整环切割而成，外表面中间为与形状记忆合金圆柱壳5的内表面配合的圆柱面，外表面两端为限制形状记忆合金圆柱壳5移动的小凸台，内表面两端为两个对称的圆锥面，与内圆环1、3的外锥面配合，内表面中间为一个圆柱面，圆柱面与两个锥面各自占据1/3的高度，锥面衬垫4的高度与外表面圆柱面直径(等于形状记忆合金圆柱壳5的内径)的比例约为1/4。形状记忆合金圆柱壳5的厚度与其内径的比例为1/15～1/10之间，高度不大于锥面衬垫4外圆柱面的高度。双锥面内圆环3，其结构如图3所示，内表面为直圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；高度比锥面衬垫4略高，比例可取为1.01～1.02；外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为锥面衬垫4内表面最大直径与最小直径的平均值；壁厚与形状记忆合金圆柱壳5厚度相当。单锥面内圆环1，其结构如图4所示，可以由双锥面内圆环3从中间对称面切割而成。

改进1型在实际使用中，在两端单锥面内圆环1施加轴向压缩载荷，各部件相互挤压，因为设计的内圆环1、3刚度明显大于组合式外圆环刚度，故变形主要集中在组合式外圆环，内圆环1、3变形可以忽略。形状记忆合金圆柱壳5被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，不再承受摩擦力，减少了磨损。锥面衬垫4为开口式结构，可以传递内圆环1、3与形状记忆合金圆柱壳5之间的压力，并承受摩擦力，但环向应变不大，加卸载中不会发生塑性变形。改进1型加卸载过程的载荷位移曲线及耗能表现与基本型号类似。

本发明的一种进一步的改进型号，命名为改进2型，基本结构与改进1型相同，包含单锥面内圆环1、双锥面内圆环3及组合式外圆环等部件，如图7所示。与改进1型的主要区别在于，组合式外圆环由若干个小截面积形状记忆合金环6和三个圆周对称分布的锥面衬垫4组成，如图8所示。小截面积形状记忆合金环6可以是圆截面、矩形截面，也可以是其它任意的便于加工制造的截面。改进2型其它特征与改进1型相同。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于包括：单锥面内圆环、双锥面内圆环、含双内锥面的形状记忆合金外圆环；其中所述缓冲器的两端分别为单锥面内圆环，所述缓冲器的中间为若干个含双内锥面的形状记忆合金外圆环和双锥面内圆环交替排列。

2.根据权利要求1所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述单锥面内圆环、双锥面内圆环、含双内锥面的形状记忆合金外圆环的锥面角度均相等，锥面角度范围为12°～20°。

3.根据权利要求1所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述含双内锥面的形状记忆合金外圆环的外表面为圆柱面，内表面由两个处于两端的内圆锥面与处于中间的内圆柱面组成，两个处于两端的内圆锥面与处于中间的内圆柱面各占1/3高度；含双内锥面的形状记忆合金外圆环的最大厚度与最大外径比例为1/10～1/8；含双内锥面的形状记忆合金外圆环的高度与最大外径比例为1/5～1/4。

4.根据权利要求1所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述双锥面内圆环内表面为圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；双锥面内圆环高度比外圆环略高，比例范围1.01～1.02；所述外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为外圆环内表面最大直径与最小直径的平均值，双锥面内圆环壁厚与外圆环相当。

5.一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于包括：单锥面内圆环、双锥面内圆环及组合式外圆环；其中所述缓冲器的两端分别为单锥面内圆环，中间为若干个组合式外圆环和双锥面内圆环交替排列；所述组合式外圆环包括一段形状记忆合金圆柱壳和三个圆周对称分布的锥面衬垫。

6.一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：包含单锥面内圆环、双锥面内圆环及组合式外圆环；其中所述缓冲器的两端分别为单锥面内圆环，中间为若干个组合式外圆环和双锥面内圆环交替排列；所述组合式外圆环由若干个小截面积形状记忆合金环和三个圆周对称分布的锥面衬垫组成。

7.根据权利要求5或6所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所有含锥面的部件，其锥面角度均相等，可取在12°～20°之间。

8.根据权利要求5或6所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述锥面衬垫为一定角度90°～110°的旋转体,可以由360°的整环切割而成，外表面中间为与形状记忆合金圆柱壳内径配合的圆柱面，外表面两端为限制形状记忆合金圆柱壳移动的小凸台；内表面两端为两个对称的圆锥面，与内圆环锥面配合，内表面中间为一个圆柱面，圆柱面与两个圆锥面各自占据1/3的高度；锥面衬垫的高度与外表面中间的圆柱面直径的比例为1/4；形状记忆合金圆柱壳的厚度与其内径的比例范围为1/15～1/10，高度不大于锥面衬垫外圆柱面的高度。

9.根据权利要求5或6所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述双锥面内圆环内表面为圆柱面，外表面为两个对称的圆锥面；双锥面内圆环高度比锥面衬垫略高，比例范围为1.01～1.02；双锥面内圆环外表面的最小直径，即外表面两端处的直径，取为锥面衬垫内表面最大直径与最小直径的平均值；双锥面内圆环壁厚与形状记忆合金圆柱壳相当。

10.根据权利要求6所述的大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器，其特征在于：所述小截面积形状记忆合金环是圆截面、矩形截面或者其它多边形截面。