CN109630579A - 一种变刚度复合材料板弹簧及其刚度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变刚度复合材料板弹簧，其包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体，所述板弹簧体内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维；所述形状记忆合金的增强纤维单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器。本发明的变刚度复合材料板弹簧将形状记忆合金作为刚度驱动器植入复合材料板弹簧中，并设计配套的加热装置；车载传感及控制系统根据当前驾驶模式的具体需求，对加热装置输出相应指令；加热装置根据指令对形状记忆合金加热，使形状记忆合金的弹性模量按照预定要求变化，最终实现复合材料板弹簧总成刚度在具体驾驶模式下的匹配控制。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种板弹簧，具体涉及一种变刚度复合材料板弹簧及其刚度控制方法，属于板弹簧技术领域。
【背景技术】
随着环境污染和能源短缺问题的日益严重，安全、节能和环保已经成为人们对汽车性能的基本要求。与传统金属材料相比，纤维增强树脂基复合材料不但具有疲劳寿命高，比强度、比模量高、可设计性强等显著的优点，而且轻量化效果非常显著。因此，采用纤维增强树脂基复合材料制造汽车零部件可显著减轻汽车重量、降低油耗、提高汽车的舒适性，同时还可减少环境污染，降低汽车的制造与使用成本。板弹簧是汽车悬架系统中广泛应用的弹性元件，不但受力条件恶劣，而且直接影响行车安全和整车的操纵稳定性及平顺性。复合材料板弹簧(如说明书图1所示)是采用纤维增强树脂基复合材料制作的板弹簧。在刚度相同的前提下，复合材料板弹簧的重量不到钢板弹簧的一半，同时疲劳寿命至少是钢板弹簧的两倍，即使发生局部破坏也不会突然完全断裂，具有更高的安全冗余。因此，复合材料板弹簧的综合性能明显优于钢板弹簧，具有良好的应用价值和广阔的市场前景。
目前公开的复合材料板弹簧在固化成型后刚度均不可调，只能在特定工况中达到某种折衷后的较优减振效果，不能根据不同的工况提供相匹配的刚度，无法满足市场对汽车性能日益增长的需求。因此，如何实现复合材料板弹簧的变刚度功能，不但是复合材料板弹簧在推广应用过程中亟待解决的现实问题，也是复合材料板弹簧升级换代需攻克的瓶颈问题。
目前，可通过如下两种途径实现复合材料板弹簧的变刚度特性：
1.参考钢板弹簧设计理论，引入类似的主-副簧结构。然而，采用主-副簧结构只能得到有限的两级刚度，无法满足多种工况及路面下的刚度调节需求。此外，纤维增强树脂基复合材料具有硬度小、层间强度低等缺点，簧片之间可能夹存的石块或泥沙将严重威胁复合材料板弹簧总成的可靠性。
2.基于“结构功能一体化”概念，利用复合材料可设计性强的优势，在复合材料板弹簧中引入刚度控制装置，使复合材料板弹簧能够根据汽车具体工况匹配自身刚度，使悬架性能最优。形状记忆合金是近年来发展起来的新兴智能材料，它具有形状记忆效应、弹性模量随温度变化等优良特性。相关研究表明，将形状记忆合金作为增强纤维植入复合材料结构中，利用形状记忆合金弹性模量随温度变化的特性可有效改变复合材料结构的刚度。同时，随着汽车性能的不断发展，以道路识别、自动驾驶等智能化功能为导向的车载传感及控制系统也日趋成熟，使得基于形状记忆合金的具有刚度主动控制功能的变刚度复合材料板弹簧的顺利应用成为可能。
因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的变刚度复合材料板弹簧及其刚度控制方法，以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单，重量轻，且刚度能够主动控制的变刚度复合材料板弹簧。
本发明的另一目的在于提供一种变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法。
为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种变刚度复合材料板弹簧，其包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体，所述板弹簧体内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维；所述形状记忆合金的增强纤维单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器。
本发明的变刚度复合材料板弹簧进一步为：所述板弹簧体采用纤维增强树脂基复合材料制作。
本发明的变刚度复合材料板弹簧进一步为：所述增强纤维排布方向与板弹簧体的长度方向一致或呈一定的角度；所述增强纤维连续不断，其两端和车载电源组成导电回路。
本发明的变刚度复合材料板弹簧进一步为：所述板弹簧体两端设有接头螺栓；所述刚度驱动器通过接头螺栓和板弹簧体自身树脂的粘接作用来固定和约束。
本发明的变刚度复合材料板弹簧还为：所述刚度驱动器采用如下方法得到：将连续的采用形状记忆合金制作的增强纤维布置在铺层上，并使增强纤维在接头螺栓的钻孔区域转向；在簧身固化成型后，通过接头螺栓及树脂粘接作用实现增强纤维的固定；复合材料板弹簧成型模具中设置形状记忆合金的引出空间，使刚度驱动器与外接电源实现可靠连接。
为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其包括如下步骤：
1)将刚度驱动器接口与车载电源连接，即与车载电源、车载传感及控制系统构成悬架刚度的主动控制系统；
2)在汽车行驶过程中，车载传感系统采集汽车的行驶状态参数并将信息传输给车载控制系统；
3)车载控制系统根据车载传感系统提供的信息，按照预定的控制策略对车载电源输出相应指令；
4)车载电源根据车载控制系统的指令对复合材料板弹簧内部的刚度驱动器通电加热，刚度驱动器温度达到所需范围后，内部的形状记忆合金发生相变并改变弹性模量，实现复合材料板弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。
本发明的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法进一步为：所述步骤2)中，所述行驶状态参数包括车身加速度、悬架动行程及轮胎动载荷，主动控制系统通过信号处理系统对采集到的状态信号进行滤波、放大等信号处理操作；同时，由车载路面识别系统对汽车行驶路面进行识别。
本发明的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法进一步为：所述步骤3)具体为：根据处理后的汽车行驶状态特征参数信号及识别得到的汽车行驶路面类型，控制系统按照预定的控制策略对车载电源发出相应的电源控制信号；所述控制策略包括模糊PID控制、天棚控制、频域控制等悬架控制策略；车载电源收到控制芯片发来的电源控制信号后，对刚度驱动器施加不同特征的电流(包括不同大小、不同电压、不同通电时长等特征)，刚度驱动器在通电后发热。
本发明的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法进一步为：所述步骤4)中，形状记忆合金的温度与加热时间之间的关系为：
式中，T0为形状记忆合金的初始温度，T为形状记忆合金加热后的温度，t为加热时间，I为形状记忆合金所通过的电流值；ρr为电阻率，h为对流传热系数，d为纤维直径，ρ为密度，C为比热容，均为形状记忆合金的材料性能参数；
形状记忆合金的弹性模量随温度的变化规律为：
E＝E0(1-QαT)
式中，E为形状记忆合金在温度改变后的弹性模量，E0为形状记忆合金的初始弹性模量，α为线胀系数，Q为材料特性参数。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的变刚度复合材料板弹簧将形状记忆合金作为刚度驱动器植入复合材料板弹簧中，并设计配套的加热装置；车载传感及控制系统根据当前驾驶模式的具体需求，对加热装置输出相应指令；加热装置根据指令对形状记忆合金加热，使形状记忆合金的弹性模量按照预定要求变化，最终实现复合材料板弹簧总成刚度在具体驾驶模式下的匹配控制。与传统的主动、半主动悬架系统相比，采用该板弹簧的悬架系统具有悬架刚度主动控制功能，轻量化效果显著、结构简单等显著的优势，且具有智能结构的属性，能显著提高整车性能及市场竞争力；
本发明的变刚度复合材料板弹簧使复合材料板弹簧具有结构与功能一体化、材料与器件集成化的特征，提高汽车的轻量化及智能化水平。
【附图说明】
图1是现有技术的板弹簧总体结构示意图。
图2是本发明的变刚度复合材料板弹簧的内部铺层结构示意图。
图3是图2在A变形区域的刚度驱动器示意图。
图4为本发明的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法示意图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图2和附图4所示，本发明为一种变刚度复合材料板弹簧，包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体1，所述板弹簧体1内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维2；所述形状记忆合金的增强纤维2单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器3。在本实施方式中，所述发热元件具体为电阻丝。
进一步的，所述板弹簧体1自上而下依次形成A、B、C、D变形区域，以及位于板弹簧体1两侧的E变形区域；所述A和D变形区域由若干层等长的长铺层构成；所述B变形区域由若干层等长的长铺层与若干层长度渐变铺层构成，且较长铺层与较短铺层交替排布；所述C区域由若干层短铺层构成；所述E区域由若干层平纹布铺层构成。所述增强纤维排布方向与板弹簧体的长度方向一致或呈一定的角度。
在本实施方式中，复合材料板弹簧的内部铺层层数共59层。A变形区域各铺层长度均为1359mm，铺层层数为7层；B变形区域长铺层长度均为1359mm，铺层层数为11层，长度渐变铺层层数为21层；C变形区域用于形成凸台结构的短铺层共10层；D变形区域各铺层长度均为1385mm，铺层层数为6层；E区域共有4层平纹布铺层，分布在端部接头螺栓孔区域上下各2层；各铺层板弹簧体的簧身部分为等宽，宽度为70mm，接头区域宽度为60mm，各层厚度均为0.808mm。
所述增强纤维2连续不断，其两端通过导线5和车载电源组成导电回路。
所述板弹簧体1两端设有接头螺栓4；所述刚度驱动器3通过接头螺栓4和板弹簧体1自身树脂的粘接作用来固定和约束。
所述刚度驱动器3采用如下方法得到：将连续的采用形状记忆合金制作的增强纤维2布置在铺层上，并使增强纤维2在接头螺栓4的钻孔区域转向；在簧身固化成型后，通过接头螺栓4及树脂粘接作用实现增强纤维2的固定；复合材料板弹簧成型模具中设置形状记忆合金的引出空间，使刚度驱动器与外接电源的连接。随着复合材料板弹簧的固化成型过程，所述刚度驱动器与本实施例的复合材料板弹簧成为一体。
本发明的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法包括如下步骤：
1)，将刚度驱动器3接口与车载电源连接，即与车载电源、车载传感及控制系统构成悬架刚度的主动控制系统；
2)，在汽车行驶过程中，车载传感系统采集汽车的行驶状态参数并将信息传输给车载控制系统；其中，所述行驶状态参数包括车身加速度、悬架动行程及轮胎动载荷，主动控制系统通过信号处理系统对采集到的状态信号进行滤波、放大等信号处理操作；同时，由车载路面识别系统对汽车行驶路面进行识别。
3)，车载控制系统根据车载传感系统提供的信息，按照预定的控制策略对车载电源输出相应指令；具体的说，根据处理后的汽车行驶状态特征参数信号及识别得到的汽车行驶路面类型，控制系统按照预定的控制策略对车载电源发出相应的电源控制信号；所述控制策略包括模糊PID控制、天棚控制、频域控制等悬架控制策略；车载电源收到控制芯片发来的电源控制信号后，对刚度驱动器施加不同特征的电流(包括不同大小、不同电压、不同通电时长等特征)，刚度驱动器在通电后发热。
4)，车载电源根据车载控制系统的指令对复合材料板弹簧内部的刚度驱动器3通电加热，刚度驱动器3温度达到所需范围后，内部的形状记忆合金发生相变并改变弹性模量，实现复合材料板弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。
其中，形状记忆合金的温度与加热时间之间的关系为：
式中，T0为形状记忆合金的初始温度，T为形状记忆合金加热后的温度，t为加热时间，I为形状记忆合金所通过的电流值；ρr为电阻率，h为对流传热系数，d为纤维直径，ρ为密度，C为比热容，均为形状记忆合金的材料性能参数；
形状记忆合金的弹性模量随温度的变化规律为：
E＝E0(1-QαT)
式中，E为形状记忆合金在温度改变后的弹性模量，E0为形状记忆合金的初始弹性模量，α为线胀系数，Q为材料特性参数，由材料性能试验获取。
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：包括一纤维增强树脂基复合材料板弹簧体，所述板弹簧体内部植入采用形状记忆合金制作的增强纤维；所形状记忆合金的增强纤维单独或者与发热元件共同组成刚度驱动器。
2.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述板弹簧体采用纤维增强树脂基复合材料制作。
3.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述增强纤维排布方向与板弹簧体的长度方向一致或呈一定的角度；所述增强纤维连续不断，其两端和车载电源组成导电回路。
4.如权利要求1所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述板弹簧体两端设有接头螺栓；所述刚度驱动器通过接头螺栓和板弹簧体自身树脂的粘接作用来固定和约束。
5.如权利要求2所述的变刚度复合材料板弹簧，其特征在于：所述刚度驱动器采用如下方法得到：将连续的采用形状记忆合金制作的增强纤维布置在铺层上，并使增强纤维在接头螺栓的钻孔区域转向；在簧身固化成型后，通过接头螺栓及树脂粘接作用实现增强纤维的固定；复合材料板弹簧成型模具中设置形状记忆合金的引出空间，使刚度驱动器与外接电源的连接。
6.一种变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)，将刚度驱动器接口与车载电源连接，即与车载电源、车载传感及控制系统构成悬架刚度的主动控制系统；
2)，在汽车行驶过程中，车载传感系统采集汽车的行驶状态参数并将信息传输给车载控制系统；
3)，车载控制系统根据车载传感系统提供的信息，按照预定的控制策略对车载电源输出相应指令；
4)，车载电源根据车载控制系统的指令对复合材料板弹簧内部的刚度驱动器通电加热，刚度驱动器温度达到所需范围后，内部的形状记忆合金发生相变并改变弹性模量，实现复合材料板弹簧刚度在具体工况下的匹配控制。
7.如权利要求7所述的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述行驶状态参数包括车身加速度、悬架动行程及轮胎动载荷，主动控制系统通过信号处理系统对采集到的状态信号进行滤波、放大等信号处理操作；同时，由车载路面识别系统对汽车行驶路面进行识别。
8.如权利要求6所述的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：根据处理后的汽车行驶状态特征参数信号及识别得到的汽车行驶路面类型，控制系统按照预定的控制策略对车载电源发出相应的电源控制信号；所述控制策略包括模糊PID控制、天棚控制、频域控制等悬架控制策略；车载电源收到控制芯片发来的电源控制信号后，对刚度驱动器施加不同特征的电流(包括不同大小、不同电压、不同通电时长等特征)，刚度驱动器在通电后发热。
9.如权利要求6所述的变刚度复合材料板弹簧的刚度控制方法，其特征在于：所述步骤4)中，形状记忆合金的温度与加热时间之间的关系为：
式中，T0为形状记忆合金的初始温度，T为形状记忆合金加热后的温度，t为加热时间，I为形状记忆合金所通过的电流值；ρr为电阻率，h为对流传热系数，d为纤维直径，ρ为密度，C为比热容，均为形状记忆合金的材料性能参数；
形状记忆合金的弹性模量随温度的变化规律为：
E＝E0(1-QαT)
式中，E为形状记忆合金在温度改变后的弹性模量，E0为形状记忆合金的初始弹性模量，α为线胀系数，Q为材料特性参数。
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- 2018-11-30 CN CN201811449597.2A patent/CN109630579B/zh active Active
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