CN107499398A - 基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统及方法 - Google Patents

基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统及方法，包括汽车尾翼系统、环境监测系统、控制系统和尾气输送系统，所述汽车尾翼系统包括尾翼支架、尾翼板和记忆合金丝，所述控制系统包括单片机以及尾气比例阀系统，环境监测系统包括温度传感器和风速传感器，所述风速传感器将所测得的风速转为信号传递给控制系统，系统将其与汽车ECU连接所获得的车速信号结合，计算出最佳比例阀开度，以达到将尾气热量传递给记忆合金丝的作用，温度传感器实时控制尾翼温度，形成闭合回路以达到最佳值；本发明有效的利用了记忆合金丝的形状记忆功能以及燃油燃烧热量，以使尾翼功能达到最佳利用，具有良好的效果。

Description

基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统及方法
技术领域
本发明属于汽车车辆尾翼设备领域，涉及一种基于记忆合金以及电子控制的主动连续变形尾翼以及能源再利用设备。
背景技术
随着时代的更迭，汽车空气动力学开始受到汽车外部结构发展的影响，而又因为汽车其他方面已经达到了一个比较成熟的平台，所以汽车的气动性能逐渐成为了一个能够提高整车性能的具有决定性的且成本低廉的核心技术。在汽车行驶过程中，类摩擦阻力，包括汽车行驶时所产生的下压力，对汽车的制动、转向及加速性能等方面都有着非常重要的影响。这些作用力与汽车的垂直载荷以及各个轮胎的摩擦因数有关系。通过改进汽车外表面形状，我们可以控制与汽车和地面之间的各种作用力有关的作用在车轮上的附着力，并以此来提高汽车在转向和制动工况下的行驶性能。尤其是把翼型结构(即汽车尾翼)安装在汽车上时，我们主要是通过它来利用空气作用力产生下压力并作用在车轮上，此时能够在最小的限度上影响整车质量。
尾翼较专业的学名叫扰流板，汽车尾翼的作用，就是在汽车高速行驶时，使空气阻力形成一个向下的压力，尽量抵消升力，有效控制气流下压力，使风阻系数相应减小，增加汽车的高速行驶稳定性；由于尾翼能降低汽车的空气阻力，因此高速汽车加装尾翼对于节省燃油也有一定的帮助；同时也使汽车的外形更加美观，起到一定的装饰作用。
除了赛车之外，许多量产车出现了可调节尾翼，能够根据行驶工况调节尾翼攻角参数。比如布加迪威龙将机械变形尾翼运用于其产品。布加迪Veyron16—4的尾翼子板可以在0.4秒内调整到70度，使后轴的下压力增加，可提高制动力在后轴的分配比例，它在车速400km/h到停稳制动所需时间不到10秒。
可变攻角汽车尾翼是近年来尾翼研究的热点，与之相关的专利已经有很多。研究不断趋于成熟，成果显著，已多次被各大公司应用于生产制造当中。
但由于传统驱动方式的限制，目前尾翼的调节方式均采用电机加减速器或者步进电机的驱动方式，存在着体积大、可调节参数有限等诸多问题。本项目采用新型的形状记忆合金材料作为驱动元件，进行汽车尾翼的形状驱动与控制，实现不同行驶工况下的尾翼多参数调节。进而提高汽车的行驶阻力的稳定性。
普遍认为，由智能材料制成的可变形结构去提高地面和空中交通工具的空气动力学特性是很有前景的。尤其对于柔性可变形结构而言，通过驱动，它非常有利于产生连续曲线的结构变化，而不会像非连续结构那样产生空气动力学损失。
同时，众所周知，汽车发动机的燃油利用率很低，最高约为40％，其中60％的能量大部分以热量形式散发到大气，而没有得到有效利用。本发明将排出的尾气中所含的热量继续利用，从而在一定程度上进一步提高燃油利用率。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明所述的一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统及方法，目的在于提供一种可以在不同环境下通过电子传感器控制尾气喷入量实现含有记忆合金材料尾翼的连续形变。与现有技术相比本发明能适应各种工况，并且有效减小空气动力损失，与传统尾翼相比其在相同环境下产生的下压力效果明显提高。并在尾翼下方安装排气管，利用尾气温度加热尾翼，使得尾翼变形。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案，结合附图说明如下：
一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，主要由汽车尾翼1和汽车尾气排气管2组成，还包括尾翼连续形变产生装置3、汽车环境监测系统4、控制系统5和尾气输送系统6，所述尾翼连续形变产生装置3与汽车尾翼1组合，所述尾气输送系统6的输送终端紧靠汽车尾翼1，汽车环境监测系统4与汽车尾翼1相连，控制系统5由尾气比例阀系统7和主控芯片8组成，主控芯片8与12V车载直流电源18连接，输入端外接汽车车速信号23，并且与汽车环境监测系统4输出端连接，主控芯片8输出端与尾气比例阀系统7连接，尾气比例阀系统7内置在尾气输送系统6中，尾气输送系统6与汽车尾气排气管2组合。
所述汽车尾翼1由富有弹性的薄钢板制成的尾翼板9和尾翼支架10组成，所述尾翼板9连接在尾翼支架10上。
所述尾翼连续形变产生装置3由记忆合金丝11和复合板材12组成，所述记忆合金丝11并排镶嵌在复合板材12内部。
所述汽车环境监测系统4由温度传感器13和风速传感器14组成，所述温度传感器13安装于尾翼连续形变产生装置3上，温度传感器13将温度信号通过导线传给主控芯片8，所述风速传感器14安装于车身，将风速信号通过导线传给主控芯片8。
所述尾气比例阀系统7由比例阀15、比例阀电机16和电机控制器17组成，主控芯片8的输出端与电机控制器17的电信号输入端连接，电机控制器17的电源输入端通过外接导线与12V车载直流电源18连接，电机控制器17的输出端与比例阀电机19的输入端连接，比例阀电机16的输出轴与控制比例阀开合大小的控制装置20连接，所述比例阀15安装在主输送管道21内部。
所述尾气输送系统6由尾气排气旁通管20、主输送管道21和尾气输送支管23组成，所述尾气输送支管22与主输送管道21连接，所述主输送管道21与汽车尾气排气管2连接，所述尾气排气旁通管20与汽车尾气排气管2连接。
所述尾气输送系统6的输送终端距离汽车尾翼1下平面为5mm。
一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制方法，包括以下实施步骤：
步骤一：风速传感器14检测相对于汽车的实时风速，并将检测的实时数据转换为相应大小的模拟电信号，发送至主控芯片8；
步骤二：主控芯片8在接收到风速传感器14和汽车车速信号23所产生的电信号后，将其转换为实时风速数据和车速数据，再与主控芯片8内设定的相应标准值梯度进行比较，当连续搜集4s数据均稳定在某一标准值梯度范围内时，主控芯片8判定需要启动控制系统5，并生成电信号要求比例阀电机16打开比例阀15到预先设定的对应于标准值梯度的角度。
步骤三：温度传感器13实时监测记忆合金丝11的温度，当温度过高时，向主控芯片8发出信号，使其关闭比例阀15，当温度低于阀值时，温度传感器13不作任何动作；
步骤四：当步骤一所测数值小于所设标准值的最小值时，主控芯片8断开比例阀电机16，停止供电，比例阀15关闭，尾气通过尾气排气旁通管20直接排入大气。通过记忆合金丝11以及复合板材12的自行散热，尾翼连续形变产生装置3不起作用，由于尾翼板9自身弹性带动尾翼连续形变产生装置3以及汽车尾翼1恢复到初始形状。
对于环境监测数据控制，所述步骤二所述的风速及车速梯度，具体为：梯度一：车速＞60km/h，风速在60～85km/h时，梯度二：车速＞60km/h风速在85～110km/h时，梯度三：车速＞60km/h，风速在110～140km/h时，梯度四：车速＞60km/h，风速在140～180km/h时，梯度五：车速＞60km/h，风速大于180km/h时。分别对应的比例阀开度为：10％，30％，50％，70％，99％。
对于环境监测数据控制，所述步骤三的记忆合金阀值即记忆合金开始变形的温度)为45℃，过高温度为＞85℃。
对于环境监测数据控制，所述步骤二所述的风速及车速梯度，具体为：梯度一：车速＞60km/h，风速在60～85km/h时，梯度二：车速＞60km/h风速在85～110km/h时，梯度三：车速＞60km/h，风速在110～140km/h时，梯度四：车速＞60km/h，风速在140～180km/h时，梯度五：车速＞60km/h，风速大于180km/h时。分别对应的比例阀开度为：10％，30％，50％，70％，99％。
对于环境监测数据控制，所述步骤三的记忆合金阀值即记忆合金开始变形的温度)为45℃，过高温度为＞85℃。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构示意图。
图2是本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼尾翼组装示意图。
图3是本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构电子控制工作示意图。
图4是本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构工作流程图。
图5是本发明所述的尾气输送系统示意图。
图6(a、b)是本发明所述的尾翼变形效果图。
图中：1.汽车尾翼 2.汽车尾气排气管 3.尾翼连续形变产生装置 4.汽车环境监测系统 5.控制系统 6.尾气输送系统 7.尾气比例阀系统 8.主控芯片 9.尾翼板 10.尾翼支架 11.记忆合金丝 12.复合板材 13.温度传感器 14.风速传感器 15.比例阀 16.电机控制器 17.电机控制器 18.12V车载直流电源 19.比例阀电机 20.控制装置 21.尾气排气旁通管 22.尾气输送支管 23.输入端外接汽车车速信号
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼设置的具体结构如下：
一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构设置，包括汽车尾翼1，汽车尾气排气管2其特征在于，还包括尾翼连续形变产生装置3，汽车环境监测系统4，控制系统5，尾气输送系统6。尾翼连续形变产生装置3与汽车尾翼1组合，尾气输送系统6的输送终端紧靠汽车尾翼1，汽车环境监测系统4与汽车尾翼1以及尾翼连续形变产生装置3相连，控制系统5包括尾气比例阀系统7以及主控芯片8，主控芯片8与12V车载直流电源18连接，输入端外接汽车车速信号23，并且与汽车环境监测系统4输出端连接，主控芯片8输出端与尾气比例阀系统7连接，尾气比例阀系统7内置在尾气输送系统6中，尾气输送系统6与汽车尾气排气管2组合。
尾翼连续形变产生装置3包括记忆合金丝11，复合板材12，记忆合金丝11并排镶嵌在复合板材12内部。
汽车环境监测系统4包括温度传感器13，风速传感器14，温度传感器13安装于尾翼连续形变产生装置3上，温度传感器13将温度信号通过导线传给主控芯片8，风速传感器14安装于车身，将风速信号通过导线传给主控芯片8。
主控芯片8使用stm32，风速传感器14使用gfw15，汽车车速信号23从ECU引入信号，分别接入stm32信号输入接口。
温度传感器13使用pt100，测量端放置在记忆合金丝11处，输入端与stm32信号输入接口相连。
记忆合金丝11使用记忆形状为四分之一圆，相变温度为45摄氏度的记忆合金，通过固定螺钉与富有弹性的复合板材12贴合，其一起被固定在汽车尾翼1上。
本发明所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼设置工作流程，具体步骤如下：
步骤一：风速传感器14检测相对于汽车的实时风速，并将检测的实时数据转换为相应大小的模拟电信号，发送至主控芯片8；
步骤二：主控芯片8在接收到风速传感器14和汽车车速信号23所产生的电信号后，将其转换为实时风速数据和车速数据，再与主控芯片8内设定的相应标准值梯度进行比较，当连续搜集4s数据均稳定在某一标准值梯度范围内时，主控芯片8判定需要启动控制系统5，并生成电信号要求比例阀电机16打开比例阀15到预先设定的对应于标准值梯度的角度。
所述步骤二提到的风速及车速梯度，具体为：梯度一：车速＞60km/h，风速在60～85km/h时，梯度二：车速＞60km/h风速在85～110km/h时，梯度三：车速＞60km/h，风速在110～140km/h时，梯度四：车速＞60km/h，风速在140～180km/h时，梯度五：车速＞60km/h，风速大于180km/h时。分别对应的比例阀开度为：10％，30％，50％，70％，99％。
步骤三：温度传感器13实时监测记忆合金丝11的温度，当温度过高时，向主控芯片8发出信号，使其关闭比例阀15，当温度低于阀值时，温度传感器13不作任何动作；
所述步骤三的记忆合金阀值即记忆合金开始变形的温度)为45℃，过高温度为＞85℃。
步骤四：当步骤一所测数值小于所设标准值的最小值时，主控芯片8断开比例阀电机16，停止供电，比例阀15关闭，尾气通过尾气排气旁通管21直接排入大气。通过记忆合金丝11以及复合板材12的自行散热，尾翼连续形变产生装置3不起作用，由于尾翼板9自身弹性带动尾翼连续形变产生装置3以及汽车尾翼1恢复到初始形状。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，主要由汽车尾翼(1)和汽车尾气排气管(2)组成，其特征在于：
还包括尾翼连续形变产生装置(3)、汽车环境监测系统(4)、控制系统(5)和尾气输送系统(6)，所述尾翼连续形变产生装置(3)与汽车尾翼(1)组合，所述尾气输送系统(6)的输送终端紧靠汽车尾翼(1)，汽车环境监测系统(4)与汽车尾翼(1)相连，控制系统(5)由尾气比例阀系统(7)和主控芯片(8)组成，主控芯片(8)与12V车载直流电源(18)连接，输入端外接汽车车速信号(23)，并且与汽车环境监测系统(4)输出端连接，主控芯片(8)输出端与尾气比例阀系统(7)连接，尾气比例阀系统(7)内置在尾气输送系统(6)中，尾气输送系统(6)与汽车尾气排气管(2)组合。
2.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述汽车尾翼(1)由富有弹性的薄钢板制成的尾翼板(9)和尾翼支架(10)组成，所述尾翼板(9)连接在尾翼支架(10)上。
3.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述尾翼连续形变产生装置(3)由记忆合金丝(11)和复合板材(12)组成，所述记忆合金丝(11)并排镶嵌在复合板材(12)内部。
4.如权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述汽车环境监测系统(4)由温度传感器(13)和风速传感器(14)组成，所述温度传感器(13)安装于尾翼连续形变产生装置(3)上，温度传感器(13)将温度信号通过导线传给主控芯片(8)，所述风速传感器(14)安装于车身，将风速信号通过导线传给主控芯片(8)。
5.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述尾气比例阀系统(7)由比例阀(15)、比例阀电机(16)和电机控制器(17)组成，主控芯片(8)的输出端与电机控制器(17)的电信号输入端连接，电机控制器(17)的电源输入端通过外接导线与12V车载直流电源(18)连接，电机控制器(17)的输出端与比例阀电机(19)的输入端连接，比例阀电机(16)的输出轴与控制比例阀开合大小的控制装置(20)连接，所述比例阀(15)安装在主输送管道(21)内部。
6.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述尾气输送系统(6)由尾气排气旁通管(20)、主输送管道(21)和尾气输送支管(23)组成，所述尾气输送支管(22)与主输送管道(21)连接，所述主输送管道(21)与汽车尾气排气管(2)连接，所述尾气排气旁通管(20)与汽车尾气排气管(2)连接。
7.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制系统，其特征在于：
所述尾气输送系统(6)的输送终端距离汽车尾翼(1)下平面为5mm。
8.一种基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制方法，其特征在于，包括以下实施步骤：
步骤一：风速传感器(14)检测相对于汽车的实时风速，并将检测的实时数据转换为相应大小的模拟电信号，发送至主控芯片(8)；
步骤二：主控芯片(8)在接收到风速传感器(14)和汽车车速信号(23)所产生的电信号后，将其转换为实时风速数据和车速数据，再与主控芯片(8)内设定的相应标准值梯度进行比较，当连续搜集4s数据均稳定在某一标准值梯度范围内时，主控芯片(8)判定需要启动控制系统(5)，并生成电信号要求比例阀电机(16)打开比例阀(15)到预先设定的对应于标准值梯度的角度；
步骤三：温度传感器(13)实时监测记忆合金丝(11)的温度，当温度过高时，向主控芯片(8)发出信号，使其关闭比例阀(15)，当温度低于阀值时，温度传感器(13)不作任何动作；
步骤四：当步骤一所测数值小于所设标准值的最小值时，主控芯片(8)断开比例阀电机(16)，停止供电，比例阀(15)关闭，尾气通过尾气排气旁通管(20)直接排入大气；通过记忆合金丝(11)以及复合板材(12)的自行散热，尾翼连续形变产生装置(3)不起作用，由于尾翼板(9)自身弹性带动尾翼连续形变产生装置(3)以及汽车尾翼(1)恢复到初始形状。
9.如权利要求8所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制方法，其特征在于：
对于环境监测数据控制，所述步骤二所述的风速及车速梯度，具体为：梯度一：车速＞60km/h，风速在60～85km/h时，梯度二：车速＞60km/h风速在85～110km/h时，梯度三：车速＞60km/h，风速在110～140km/h时，梯度四：车速＞60km/h，风速在140～180km/h时，梯度五：车速＞60km/h，风速大于180km/h时，分别对应的比例阀开度为：10％，30％，50％，70％，99％。
10.如权利要求8所述的基于形状记忆合金的主动变体汽车尾翼机构控制方法，其特征在于：
对于环境监测数据控制，所述步骤三的记忆合金阀值(即记忆合金开始变形的温度)为45℃，过高温度为＞85℃。
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