CN105422704B - 一种形状记忆合金式钢板弹簧及实现可变刚度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种形状记忆合金式钢板弹簧及实现可变刚度的方法，包含车桥、弹簧片，骑马螺栓，卷耳，电磁铁，通电线圈。所述弹簧片的中心用骑马螺栓夹紧固定，所述弹簧片的两末端弯成卷耳。所述弹簧片的材料使用的是磁控型形状记忆效应的记忆合金。沿着车桥方向，分别在弹簧片的左右两侧等距离布置了一对电磁铁，所述电磁铁上缠有通电线圈，通过控制流过通电线圈的电流控制磁场的强弱及方向。本发明可根据车辆悬架要求改变钢板弹簧的刚度，提升悬架性能，有效改善的车辆平顺性及乘坐舒适性。

Description

一种形状记忆合金式钢板弹簧及实现可变刚度的方法
技术领域
本发明涉及一种车辆悬架的弹性元件，具体涉及一种形状记忆合金式钢板弹簧及实现可变刚度的方法。
背景技术
形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其原始形状的合金材料，是一种能够记忆原有形状的智能材料。通常可分为温控型形状记忆合金与磁控型形状记忆合金。磁控型形状记忆合金(Magnetically Controlled ShapeMemory Alloy，简称MSM)在室温下直线变形率可达6％，弯曲变形率可达18％。与温控型形状记忆合金相比，MSM不仅变形率大，易于控制，而且具有较高的动态响应速度，是温控型形状记忆合金频率响应的80倍，可以满足一般自动控制系统对执行器的动态响应速度的要求。
钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件。传统的钢板弹簧是由多片等宽不等长的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。由于其结构简单，技术成熟，被广泛应用于车辆悬架。然而多片合金弹簧片之间易产生摩擦，不仅降低钢板弹簧的寿命，也会产生一定的噪声，影响乘坐舒适性。且对于高速发展的车辆行业，参数固定的被动悬架限制了平顺性和乘坐舒适性的提高，因此需要一种刚度可变的钢板弹簧。
发明内容
本发明的目的在于克服上述的不足，提供了一种形状记忆合金式钢板弹簧及实现可变刚度的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种形状记忆合金式钢板弹簧，包括车桥、弹簧片、骑马螺栓、卷耳、电磁铁、通电线圈；
所述弹簧片的材料为磁控型形状记忆效应的记忆合金；所述弹簧片的中心用骑马螺栓夹紧固定在车桥下方，沿着车桥方向，分别在弹簧片的两侧等距离布置了一对电磁铁，电磁铁同样用骑马螺栓夹紧固定在车桥上，所述电磁铁上缠有通电线圈，通过控制流过通电线圈的电流控制电磁铁磁场的强弱及方向，从而控制弹簧片的变化；所述弹簧片的两末端弯成卷耳。
进一步，所述磁控型形状记忆效应的记忆合金为Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga、Fe基合金、Co基合金中的一种。
进一步，所述电磁铁的长度为弹簧片长度的1/3，两侧的电磁铁同弹簧片的距离为5CM。
本发明的方法的技术方案为：一种如权利要求1所述的形状记忆合金式钢板弹簧实现可变刚度的方法，包括如下步骤：
步骤1，通电线圈通电后，在车桥下方的一对电磁铁形成磁场，并通过控制流过通电线圈的电流大小改变电磁铁磁场的强弱；
步骤2，依据步骤1通过改变磁场的强弱控制一对电磁铁之间的弹簧片的形变量；
步骤3，由弹簧片的形变量控制其截面宽度和高度，从而改变弹簧片截面惯性矩I，进而达到改变钢板弹簧刚度K的目的；
该步骤中由弹簧片截面宽度和高度的变化改变弹簧截面惯性矩的公式为其中b是钢板弹簧的厚度，h是钢板弹簧的宽度；由弹簧截面惯性矩到改变钢板弹簧刚度K的公式为：其中P为作用于梁上的力，f为钢板弹簧变形量，E为材料的弹性模量，I为截面惯性矩，l为弹簧片长度。
本发明的有益效果是：采用单片弹簧片可以避免传统多片钢板弹簧之间的摩擦，降低运动过程中的噪声。同时克服了多片钢板弹簧质量大、性能差的缺点，对实现车辆的轻量化、节约能源大为有利。弹簧片的材料采用的是磁控型形状记忆合金，可根据需要实时调节截面形状从而改变钢板弹簧的刚度，有效改善车辆行驶的平顺性。
附图说明
图1为本发明的形状记忆合金式钢板弹簧主视图；
图2为本发明的形状记忆合金式钢板弹簧的左视图；
图3为本发明的形状记忆合金式钢板弹簧力学分析等效图；
图4为弹簧片截面示意图。
其中：1-通电线圈；2-电磁铁；3-卷耳；4-骑马螺栓；5-弹簧片；6-车桥；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-2所示，一种形状记忆合金式钢板弹簧，包括车桥6、弹簧片5、骑马螺栓4、卷耳3、电磁铁2、通电线圈1。所述弹簧片5的中心用骑马螺栓4夹紧固定在车桥6上，所述弹簧片的两末端弯成卷耳3。所述弹簧片5的材料使用的是磁控型形状记忆合金，典型的铁磁控型形状记忆合金有Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga、Fe基合金(Fe-Pd、Fe-Ni-Co-Ti等)和Co基合金(Co-Ni、Co-Mn系合金等)等。沿着车桥6方向，分别在弹簧片5的左右两侧等距离布置了一对电磁铁2，所述电磁铁2上缠有通电线圈1，通过控制流过通电线圈1的电流从而控制电磁铁2磁场的强弱及方向。
作为本发明的一个实施例，上述电磁铁2的长度为弹簧片5长度的1/3，两侧的电磁铁2同弹簧片5的距离为5CM。
如图3所示，钢板弹簧中间用骑马螺栓4紧固后，可视为图2所示的悬臂梁。根据材料力学相关知识可得钢板弹簧的刚度为：
式中：P为作用于梁上的力，f为钢板弹簧变形量，E为材料的弹性模量，I为截面惯性矩，l为弹簧片长度。
由此可得钢板弹簧的刚度与材料的弹性模量E、截面惯性矩I及弹簧片长度l有关。一旦钢板弹簧材料选定，弹性模量E便固定了，钢板弹簧安装位置一定，弹簧片长度l也固定不变。
如图4所示，弹簧片5的截面形状为一矩形，根据相关数学知识可得其截面惯性矩为：
式中：b是钢板弹簧的厚度，h钢板弹簧的宽度。
若要改变钢板弹簧的刚度K，由式(1)可以看出，只能通过改变截面惯性矩I来实现。本发明的钢板弹簧的弹簧片5采用的是磁控型形状记忆合金，可以通过磁控来改变截面的形状，进行一定幅度的拉伸和压缩。通电线圈1通电后，在钢板弹簧上下方的一对电磁铁2形成磁场，用来控制弹簧片5在y方向的变化，即可改变钢板弹簧的厚度b及宽度h。通过改变通电线圈1中的电流大小改变磁场强度及方向，从而可以控制弹簧片5在y方向变化的幅度(由上述公式可看出h变化带来的是h3的变化，因此h的小幅度变化，便可导致较大截面惯性矩I的变化)，通过改变弹簧截面高度h，从而改变截面惯性矩I，达到改变钢板弹簧刚度K的目的。从而满足车辆悬架的平顺性和乘坐舒适性要求。
综上所述，该形状记忆合金式钢板弹簧实现可变刚度的过程：首先控制流过通电线圈的电流大小，来改变磁场的强弱，从而控制弹簧片的形变量，达到控制弹簧片截面宽度b和高度h的目的，以此实现控制弹簧截面惯性矩，又因为弹性模量固定，由式(1)改变弹簧的刚度。
由于电磁铁一般为线圈型感性负载，其交流阻抗与频率成正比，因此若电压一定时频率越高，电流就越小，磁场强度也会因之越小。通过控制流过通电线圈的电流大小，来改变磁场的强弱，从而控制弹簧片的形变量，达到控制弹簧片截面宽度b和高度h的目的，以此实现控制弹簧截面惯性矩，最终达到改变弹簧片刚度的目的，提高汽车的平顺性和乘坐舒适性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及方面构思加以等同变化，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种形状记忆合金式钢板弹簧，包括车桥(6)、弹簧片(5)、骑马螺栓(4)、卷耳(3),所述弹簧片(5)的中心用骑马螺栓(4)夹紧固定在车桥(6)下方，所述弹簧片(5)的两末端弯成卷耳(3)，其特征在于，还包括电磁铁(2)、通电线圈(1)；
所述弹簧片(5)的材料为磁控型形状记忆效应的记忆合金；沿着车桥(6)方向，分别在弹簧片(5)的两侧等距离布置了一对电磁铁(2)，电磁铁(2)同样用骑马螺栓夹紧固定在车桥(6)上，所述电磁铁(2)上缠有通电线圈(1)，通过控制流过通电线圈(1)的电流控制电磁铁(2)磁场的强弱及方向，从而控制弹簧片(5)的变化。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金式钢板弹簧，其特征在于，所述磁控型形状记忆效应的记忆合金为Ni-Mn-Ga、Ni-Fe-Ga、Fe基合金、Co基合金中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金式钢板弹簧，其特征在于，所述电磁铁(2)的长度为弹簧片(5)长度的1/3，两侧的电磁铁(2)同弹簧片(5)的距离为5CM。
4.一种如权利要求1所述的形状记忆合金式钢板弹簧实现可变刚度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通电线圈(1)通电后，在车桥(6)下方的一对电磁铁(2)形成磁场,并通过控制流过通电线圈(1)的电流大小改变电磁铁(2)磁场的强弱；
步骤2，依据步骤1通过改变磁场的强弱控制一对电磁铁(2)之间的弹簧片(5)的形变量；
步骤3，由弹簧片(5)的形变量控制其截面宽度和高度，从而改变弹簧片截面惯性矩I，进而达到改变钢板弹簧刚度K的目的；
该步骤中由弹簧片(5)截面宽度和高度的变化改变弹簧截面惯性矩的公式为其中b是钢板弹簧的厚度，h是钢板弹簧的宽度；由弹簧截面惯性矩到改变钢板弹簧刚度K的公式为：其中P为作用于梁上的力，f为钢板弹簧变形量，E为材料的弹性模量，I为截面惯性矩，l为弹簧片长度。
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