[發明專利]一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器

無效

• 申請號: 201410209794.2
• 申請日: 2014-05-17
• 公開（公告）號: CN103982579A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 張科;唐志平
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: F16F3/02
• 分類號: F16F3/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種適用于車輛、機械等領域的緩沖裝置，尤其是涉及一種利用形狀記憶合金材料，具有大行程、高耗能、可復位等特性的緩沖裝置。

背景技術

在機械、車輛及抗震建筑中大量的使用緩沖裝置。依照緩沖器與速度、位移的關系，可以大致分為速度型、位移型及混合型緩沖器。速度型緩沖器如常見的油壓緩沖器，作用力在不同沖擊速度下差距較大，超出一定速度限制時會出現緩沖力過大的情況。利用金屬塑性變形等原理進行緩沖耗能的裝置，屬于位移型緩沖器，在汽車防撞、建筑物抗震等領域使用較多，但通常難以實現自動復位。

環形彈簧也是一種常用的緩沖器，由多個帶內錐面的外圓環和帶有同樣錐角之外錐面的內圓環配合而成，內外環的尺寸和數量可以根據載荷和變形要求確定，當環形彈簧承受軸向載荷時，內外圓環相互擠壓，沿著圓錐面相對滑動，產生軸向位移，起到彈簧作用，同時內、外環間產生巨大的摩擦力，可以在變形過程中耗散大量能量，常用于空間受限而又需要強力緩沖的場合，如重型鐵路車輛的聯接部分等。雖然環形彈簧的緩沖減振能力很大，但受制于彈簧鋼材料彈性限的約束，軸向相對變形較小(～10％)；另一方面，加載過程，載荷隨加載位移線性增加，在承受較大沖擊時有緩沖力過大的風險，這些都限制了環形彈簧的推廣使用。

形狀記憶合金是一種應用較為廣泛的智能材料，其變形受溫度和應力的雙重控制。當其溫度高于馬氏體向奧氏體相變的完成點時，材料處于偽彈性狀態，可以提供為普通鋼材彈性限數十倍的可恢復相變應變，及與之對應的應力平臺，且在加卸載過程中滯回耗能。當溫度低于馬氏體向奧氏體相變的起始溫度時，材料處于形狀記憶狀態，此時的力學形狀類似于彈塑性，當加載超過一定變形時，會有殘余應變，但是通過加熱處理可以恢復到初始的狀態。

根據其材料特性，出現了多種利用形狀記憶合金進行緩沖、耗能的裝置，其中主流的是利用合金絲的拉伸機制，但是這些裝置的緩沖行程嚴重依賴于合金絲的長度，相對變形偏小，應用范圍受限。最近本發明人向國家知識產權局申請了一項發明專利“一種使用形狀記憶合金的液壓緩沖裝置”，專利申請號201410126824.3，利用偽彈性形狀記憶合金拉桿的單軸拉伸進行耗能和復位，通過液壓裝置中大活塞與小柱塞的面積比實現位移放大的功能，但是涉及液壓、密封等裝置，結構略顯復雜。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的就是利用形狀記憶合金材料，提供一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，具有結構簡單，行程大，耗能高，可回復的優點。

本發明技術解決方案：為達到上述目的，本裝置的基本措施是：利用形狀記憶合金材料和彈簧鋼配合組成環形彈簧，其中內圓環由彈簧鋼材料制成，外圓環由形狀記憶合金材料制成。選擇恰當的內、外環厚度保證內環剛度明顯大于外環剛度，彈簧鋼材料始終處于彈性狀態，不會發生塑性變形，也不會發生結構屈曲，變形主要集中在形狀記憶合金材料制成的外環。通過合適的幾何參數設計，當行程達到最大時，形狀記憶合金材料應變達到最大容許值，實現較大的軸向相對變形，同時保證形狀記憶合金材料可重復使用。

本發明，大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器的一種基本型號，包括單錐面內圓環，雙錐面內圓環，含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環三種部件。所有含錐面的部件，其錐面角度均相等，可取在12°～20°之間。含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環，其外表面為圓柱面，內表面由兩個處于兩端的內圓錐面與處于中間的內圓柱面組成，各占1/3高度；含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環最大厚度與最大外徑比例在1/10～1/8之間；含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環高度與最大外徑比例在1/5～1/4之間，當錐面角度較小時，高度/最大外徑比例可以偏大，反之，錐面角度較大時，該比例應當取的偏小。雙錐面內圓環內表面為圓柱面，外表面為兩個對稱的圓錐面；雙錐面內圓環高度比外圓環略高，比例可取為1.01～1.02；雙錐面內圓環外表面的最小直徑，即外表面兩端處的直徑，取為外圓環內表面最大直徑與最小直徑的平均值；雙錐面內圓環壁厚與外圓環相當，因彈簧鋼材料強度遠大于形狀記憶合金材料的相變應力平臺，可確保內環結構剛度明顯大于外環。雙錐面內圓環可以從中間對稱面切割成兩個單錐面內圓環。按照上述的參數設計，可以實現最大約40％的軸向相對壓縮量。

可以根據實際行程的需要，選擇內、外圓環的對數，重疊裝配而成，其中兩端為單錐面內圓環，中間為含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環和雙錐面內圓環交替排列。