一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器的制造方法
【專利摘要】本實用新型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，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；其中所述緩沖器的兩端分別為單錐面內圓環，所述緩沖器的中間為若干個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。本實用新型結構簡單，便于加工、裝配。形狀記憶合金材料處于環向拉伸狀態，應力狀態簡單、均勻，材料利用率高。相比傳統的環形彈簧緩沖器，相對壓縮變形有了顯著提高。形狀記憶合金相變耗能和摩擦耗能結合，能量耗散能力更高。當壓縮位移較大時，載荷幾乎保持恒值，有利于緩沖保護。
【專利說明】一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器
【技術領域】
[0001] 本實用新型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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。 實用新型內容
[0006] 針對上述問題，本實用新型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。
[0007] 本實用新型技術解決方案：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。
[0008] 本實用新型，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。
[0009] 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。
[0010] 使用時，在兩端施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內外圓環相互擠壓，因為 設計的內圓環剛度明顯大于外圓環剛度，故變形主要集中在外圓環，內圓環變形可以忽略， 外圓環被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，同時內、外圓環間產生摩擦力，摩擦 力大小與正壓力成比例，間接的和外圓環的環向拉應力成比例。加載初始時，外環處于彈性 狀態，應力隨環向應變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當軸向位移到達一定程度，外圓 環材料開始發生相變，應力幾乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此時對應的軸向作用力 也保持恒定。卸載時，摩擦力立即反向，導致軸向作用力突然下跳，經過一個短暫的彈性卸 載區后，外圓環材料進入逆相變過程，軸向力維持在一個較低的作用力平臺，直到逆相變結 束，外環材料開始彈性卸載，軸向力重新線性下降，由于摩擦力的作用，幅值遠低于初始加 載時候的幅值，直到卸載結束，系統恢復原態。耗能方面，當軸向變形較小時，與傳統的彈 簧鋼環形彈簧類似；當變形較大時，相變耗能和摩擦耗能共同作用，可以到達更大的耗能比 例。
[0011] 本實用新型的一種改進型號，命名為改進1型，包含單錐面內圓環、雙錐面內圓環 及組合式外圓環等部件。其中，組合式外圓環包括一段形狀記憶合金圓柱殼和三個圓周對 稱分布的錐面襯墊。所有含錐面的部件，其錐面角度均相等，可取在12°?20°之間。錐面 襯墊為一定角度（90°?110° )的旋轉體，可以由360°的整環切割而成，外表面中間為 與形狀記憶合金圓柱殼內徑配合的圓柱面，外表面兩端為限制形狀記憶合金圓柱殼移動的 小凸臺；內表面兩端為兩個對稱的圓錐面，與內圓環錐面配合，內表面中間為一個圓柱面， 圓柱面與兩個圓錐面各自占據1/3的高度；錐面襯墊的高度與外表面中間圓柱面直徑（等 于形狀記憶合金圓柱殼的內徑）的比例約為1/4。形狀記憶合金圓柱殼的厚度與其內徑的 比例為1/15?1/10之間，高度不大于錐面襯墊外圓柱面的高度。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；高度比錐面襯墊略高，比例可取為1. 01?1. 02 ;外表面 的最小直徑，即外表面兩端處的直徑，取為錐面襯墊內表面最大直徑與最小直徑的平均值； 壁厚與形狀記憶合金圓柱殼相當，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。
[0012] 改進1型裝置，也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，中間為組合式外圓環和雙錐面內圓環交替排列。
[0013] 改進1型在實際使用中，在兩端施加軸向壓縮載荷，各部件相互擠壓，因為設計的 內圓環剛度明顯大于組合式外圓環剛度，故變形主要集中在組合式外圓環，內圓環變形可 以忽略。形狀記憶合金圓柱殼被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，不再承受摩擦 力，減少了磨損。錐面襯墊為開口式結構，可以傳遞內圓環與形狀記憶合金圓柱殼之間的壓 力，并承受摩擦力，但環向應變不大，加卸載中不會發生塑性變形。加卸載過程的載荷位移 曲線及耗能表現與基本型號類似。
[0014] 本實用新型的一種進一步的改進型號，命名為改進2型，基本結構與改進1型相 同，包含單錐面內圓環、雙錐面內圓環及組合式外圓環等部件。與改進1型的主要區別在 于，組合式外圓環由若干個小截面積形狀記憶合金環和三個圓周對稱分布的錐面襯墊組 成。小截面積形狀記憶合金環可以是圓截面、矩形截面，也可以是其它任意的便于加工制造 的截面。使用多個小截面積形狀記憶合金環的優點在于：截面形狀更自由，元件制造上可能 更方便；通過環的數量改變可以靈活的調整載荷的幅值；單個小截面環發生破壞對整個裝 置的使用影響較小。改進2型其它特征與改進1型相同。
[0015] 本實用新型與現有技術相比的優點在于：
[0016] 本實用新型結構簡單，便于加工、裝配。形狀記憶合金材料處于環向拉伸狀態，應 力狀態簡單、均勻，材料利用率高。相比傳統的環形彈簧緩沖器，相對壓縮變形有了顯著提 高。形狀記憶合金相變耗能和摩擦耗能結合，能量耗散能力更高。當壓縮位移較大時，載荷 幾乎保持恒值，有利于緩沖保護。
[0017] 改進型的緩沖裝置（改進1型），增加了錐面襯墊，減少了形狀記憶合金的磨損，并 且減少了形狀記憶合金材料的加工，相應的也減少了形狀記憶合金材料的消耗量，成本更 加經濟。
[0018] 另一種改進型號（改進2型），在使用錐面襯墊的基礎上，選用多個小截面積形狀 記憶合金環排列組成，截面形狀選擇更加自由，便于加工制造，單個小截面環失效不影響整 體性能發揮，并且可以更加方便的調節載荷力的大小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為基本型號的緩沖裝置的剖視圖；
[0020] 圖2為含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環的結構示意圖；
[0021] 圖3為雙錐面內圓環的結構示意圖；
[0022] 圖4為單錐面內圓環的結構示意圖；
[0023] 圖5為改進1型裝置的剖視圖；
[0024] 圖6為形狀記憶合金圓柱殼與錐面襯墊組成的組合式外圓環示意圖；
[0025] 圖7為改進2型裝置的剖視圖；
[0026] 圖8為多個小截面形狀記憶合金環與錐面襯墊組成的組合式外圓環示意圖；
[0027] 1-單錐面內圓環，2-含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環，3-雙錐面內圓環，4-錐 面襯墊，5-形狀記憶合金圓柱殼，6-小截面形狀記憶合金環。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合技術方案和參照附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0029] 本實用新型專利的一種基本型號的實施例，如圖1所示，包括單錐面內圓環1，雙 錐面內圓環3,含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2三種部件。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1，中間為若干個含雙內錐 面的形狀記憶合金外圓環2和雙錐面內圓環3交替排列。
[0030] 各內外圓環的錐面角度相等，可取在12°?20°之間。含雙內錐面的形狀記憶合 金外圓環2,其結構如圖2所示，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商度；最大厚度與最大外徑比例在1/10?1/8之間；商 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3,其結構如圖3所示，內表面 為圓柱面，外表面為兩個對稱的圓錐面；高度較含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2略高， 比例可取為1. 01?1. 02 ;外表面的最小直徑，S卩外表面兩端處的直徑，取為含雙內錐面的 形狀記憶合金外圓環2內表面最大直徑與最小直徑的平均值；壁厚與含雙內錐面的形狀記 憶合金外圓環2厚度相當，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， 可確保雙錐面內圓環3結構剛度明顯大于含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2。單錐面內 圓環1，其結構如圖4所示，可以由雙錐面內圓環3從中間對稱面切割而成。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。
[0031] 使用時，在兩端的單錐面內圓環1施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內外圓 環相互擠壓，因為設計的內圓環1、3剛度明顯大于含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2的 剛度，故變形主要集中在含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2,內圓環1、3變形可以忽略， 含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，同時 內、外圓環間產生摩擦力，摩擦力大小與正壓力成比例，間接的和含雙內錐面的形狀記憶合 金外圓環2的環向拉應力成比例。加載初始時，含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2處于 彈性狀態，應力隨環向應變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當軸向位移到達一定程度， 含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2材料開始發生相變，應力幾乎保持恒定，摩擦力大小 也不再增加，此時對應的軸向作用力也保持恒定。卸載時，摩擦力立即反向，導致軸向作用 力突然下跳，經過一個短暫的彈性卸載區后，含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環2材料進 入逆相變過程，軸向力維持在一個較低的作用力平臺，直到逆相變結束，含雙內錐面的形狀 記憶合金外圓環2材料開始彈性卸載，軸向力重新線性下降，由于摩擦力的作用，幅值遠低 于初始加載時候的幅值，直到卸載結束，系統恢復原態。
[0032] 本實用新型的一種改進型號，命名為改進1型，包含單錐面內圓環1、雙錐面內圓 環3及組合式外圓環等部件，如圖5所示。所有含錐面的部件，其錐面角度均相等，可取在 12°?20°之間。其中，組合式外圓環，如圖6所示，包括一段形狀記憶合金圓柱殼5和三 個圓周對稱分布的錐面襯墊4。錐面襯墊4為一定角度（90°?110° )的旋轉體，可以由 360°的整環切割而成，外表面中間為與形狀記憶合金圓柱殼5的內表面配合的圓柱面，夕卜 表面兩端為限制形狀記憶合金圓柱殼5移動的小凸臺，內表面兩端為兩個對稱的圓錐面， 與內圓環1、3的外錐面配合，內表面中間為一個圓柱面，圓柱面與兩個錐面各自占據1/3的 高度，錐面襯墊4的高度與外表面圓柱面直徑（等于形狀記憶合金圓柱殼5的內徑）的比 例約為1/4。形狀記憶合金圓柱殼5的厚度與其內徑的比例為1/15?1/10之間，高度不大 于錐面襯墊4外圓柱面的高度。雙錐面內圓環3,其結構如圖3所示，內表面為直圓柱面，夕卜 表面為兩個對稱的圓錐面；高度比錐面襯墊4略高，比例可取為1. 01?1. 02 ;外表面的最 小直徑，即外表面兩端處的直徑，取為錐面襯墊4內表面最大直徑與最小直徑的平均值；壁 厚與形狀記憶合金圓柱殼5厚度相當。單錐面內圓環1，其結構如圖4所示，可以由雙錐面 內圓環3從中間對稱面切割而成。
[0033] 改進1型在實際使用中，在兩端單錐面內圓環1施加軸向壓縮載荷，各部件相互擠 壓，因為設計的內圓環1、3剛度明顯大于組合式外圓環剛度，故變形主要集中在組合式外 圓環，內圓環1、3變形可以忽略。形狀記憶合金圓柱殼5被擴徑漲開，應力狀態主要表現為 環向拉應力，不再承受摩擦力，減少了磨損。錐面襯墊4為開口式結構，可以傳遞內圓環1、3 與形狀記憶合金圓柱殼5之間的壓力，并承受摩擦力，但環向應變不大，加卸載中不會發生 塑性變形。改進1型加卸載過程的載荷位移曲線及耗能表現與基本型號類似。
[0034] 本實用新型的一種進一步的改進型號，命名為改進2型，基本結構與改進1型相 同，包含單錐面內圓環1、雙錐面內圓環3及組合式外圓環等部件，如圖7所示。與改進1型 的主要區別在于，組合式外圓環由若干個小截面積形狀記憶合金環6和三個圓周對稱分布 的錐面襯墊4組成，如圖8所示。小截面積形狀記憶合金環6可以是圓截面、矩形截面，也 可以是其它任意的便于加工制造的截面。改進2型其它特征與改進1型相同。
[0035] 提供以上實施例僅僅是為了描述本實用新型的目的，而并非要限制本實用新型的 范圍。本實用新型的范圍由所附權利要求限定。不脫離本實用新型的精神和原理而做出的 各種等同替換和修改，均應涵蓋在本實用新型的范圍之內。
【權利要求】
1. 一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：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；其中所述緩沖器的兩端分別為單錐面內圓 環，所述緩沖器的中間為若干個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。
2. 根據權利要求1所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所述單 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的錐面角度均相等，錐面角 度范圍為12°?20°。
3. 根據權利要求1所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所述含 雙內錐面的形狀記憶合金外圓環的外表面為圓柱面，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，兩個處于兩端的內圓錐面與處于中間的內圓柱面各占1/3高 度；含雙內錐面的形狀記憶合金外圓環的最大厚度與最大外徑比例為1/10?1/8 ;含雙內 錐面的形狀記憶合金外圓環的高度與最大外徑比例為1/5?1/4。
4. 根據權利要求1所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所述雙 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，比例范圍1. 01?1. 02 ;所述外表面的最小直徑，S卩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。
5. -種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：包括單錐面內圓環、雙錐 面內圓環及組合式外圓環；其中所述緩沖器的兩端分別為單錐面內圓環，中間為若干個組 合式外圓環和雙錐面內圓環交替排列；所述組合式外圓環包括一段形狀記憶合金圓柱殼和 三個圓周對稱分布的錐面襯墊。
6. -種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：包含單錐面內圓環、雙錐 面內圓環及組合式外圓環；其中所述緩沖器的兩端分別為單錐面內圓環，中間為若干個組 合式外圓環和雙錐面內圓環交替排列；所述組合式外圓環由若干個小截面積形狀記憶合金 環和三個圓周對稱分布的錐面襯墊組成。
7. 根據權利要求5或6所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所 有含錐面的部件，其錐面角度均相等，范圍為12°?20°。
8. 根據權利要求5或6所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所 述錐面襯墊為一定角度90°?110°的旋轉體，由360°的整環切割而成，外表面中間為與 形狀記憶合金圓柱殼內徑配合的圓柱面，外表面兩端為限制形狀記憶合金圓柱殼移動的小 凸臺；內表面兩端為兩個對稱的圓錐面，與內圓環錐面配合，內表面中間為一個圓柱面，圓 柱面與兩個圓錐面各自占據1/3的高度；錐面襯墊的高度與外表面中間的圓柱面直徑的比 例為1/4 ;形狀記憶合金圓柱殼的厚度與其內徑的比例范圍為1/15?1/10,高度不大于錐 面襯墊外圓柱面的高度。
9. 根據權利要求5或6所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所 述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錐面 襯墊略高，比例范圍為1. 01?1. 02 ;雙錐面內圓環外表面的最小直徑，S卩外表面兩端處的 直徑，取為錐面襯墊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形狀記憶 合金圓柱殼相當。
10. 根據權利要求6所述的大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器，其特征在于：所述小 截面積形狀記憶合金環是圓截面、矩形截面或者其它多邊形截面。
【文檔編號】F16F3/02GK203836047SQ201420256333
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月17日 優先權日:2014年5月17日
【發明者】張科, 唐志平 申請人:中國科學技術大學