阅读说明：本技术 一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置及其控制方法 (Shape memory alloy-based automobile structure rigidity changing device and control method thereof ) 是由 沈传亮 郑成峰 高振海 胡艺博 杜英辰 张山 徐孝东 石博文 安孝文 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置,包括：车身振动信号采集器,其分布在汽车的车身结构板件上；以及汽车速度信号采集器,其安装在汽车的车辆变速器中；数据处理前端,其与所述车身振动信号采集器和所述汽车速度信号采集器相连接；中央控制单元,其包括输入端和输出端,所述输入端与所述数据处理前端相连接；功率输出单元,其与所述中央控制单元的输出端相连接；形状记忆合金丝,其与所述功率输出单元相连接,并且所述形状记忆合金丝安装在汽车的车身结构板件上。本发明还提供一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法,能够根据不同的路况确定车辆的共振频率,更准确的避免车辆发生共振的可能。(The invention discloses a shape memory alloy-based automobile structure rigidity changing device, which comprises: the vehicle body vibration signal collector is distributed on a vehicle body structure plate of the automobile; and a vehicle speed signal collector installed in a vehicle transmission of the vehicle; the data processing front end is connected with the vehicle body vibration signal collector and the vehicle speed signal collector; the central control unit comprises an input end and an output end, and the input end is connected with the data processing front end; the power output unit is connected with the output end of the central control unit; a shape memory alloy wire connected with the power output unit and mounted on a body structure panel of an automobile. The invention also provides a control method of the automobile structure variable stiffness device based on the shape memory alloy, which can determine the resonance frequency of the automobile according to different road conditions and more accurately avoid the possibility of the resonance of the automobile.)

一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车乘坐舒适性技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置及其控制方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，汽车保有量也越来越高，汽车的驾驶员及乘客的乘坐舒适性也显得尤为重要。在汽车行驶过程中，为了保证乘坐舒适性，要求尽量避免汽车车身结构与外界输入振动产生共振。

振动是工程中普遍存在的重要问题，在汽车行驶过程中，由于发动机内曲轴飞轮组等部件及车轮的转动，以及路面不平整带来的行驶中的颠簸，都会使得汽车产生不同的振动。频率是描述振动特性的重要标志之一，若一个装置受激励且激励频率与装置固有频率相接近，其振幅会达到一个很大的值，该现象被称为共振。影响结构固有频率大小的因素是结构的质量与刚度，而当一个结构的质量不发生变化或是质量变化可以忽略时，其刚度变化能够直接影响结构固有频率的变化。

形状记忆合金作为典型的智能材料，具有形状记忆特性、超弹性、良好的抗疲劳性等性质，被广泛应用于很多领域。因其具有的形状记忆特性，当对其进行加热且加热温度超过一定值的时候，形状记忆合金丝会产生很大的回复力，因此可以改变结构的刚度特性。

现有的结构抑振技术多采用大阻尼比的材料来改变结构刚度或是对结构进行重新设计来达到抑制振动的目的，而这些技术方法不可避免的会对汽车装置产生较大的附加质量且需要较大的能量输入，与现代汽车工程中追求汽车轻量化目标不符合。与之相比，利用形状记忆合金来进行抑制振动的优点在于形状记忆合金丝本身的质量较小且整套变刚度装置的质量也较小，只需对其输入电流即可发挥作用整套装置的作用，因此对汽车装置所产生的附加质量与能量输入都较少。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，通过中央控制单元控制功率输出单元对形状记忆合金丝通电产生温度载荷，形状记忆合金丝受热产生回复力，改变汽车结构装置的刚度特性，而车身结构的固有频率也会随着刚度变化发生变化。由此汽车整体的固有频率便避开了原有的共振区，达到了抑制结构振动，提高驾驶员和乘员乘坐舒适性的目的。

本发明的另一个目的是设计开发了一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法，能够根据不同的路况精确控制启动本发明所述装置的时间，更好的避免了汽车发生共振的可能。

本发明提供的技术方案为：

一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，包括：

车身振动信号采集器，其分布在汽车的车身结构板件上，用于实时监测汽车的振动频率；以及

汽车速度信号采集器，其安装在汽车的车辆变速器中，用于监测汽车的行驶速度和汽车的行驶加速度；

发动机转速信号采集器，其安装在汽车的发动机内飞轮上，用于监测汽车的发动机转速和汽车的曲轴角度位置；

数据处理前端，其为具有进行信号模电转换能力的处理单元，所述数据处理前端与所述车身振动信号采集器、所述汽车速度信号采集器和所述发动机转速信号采集器相连接；

中央控制单元，其包括输入端和输出端，所述输入端与所述数据处理前端相连接；

功率输出单元，其与所述输出端相连接；

形状记忆合金丝，其与所述功率输出单元相连接，并且所述形状记忆合金丝安装在汽车的车身结构板件上。

优选的是，所述形状记忆合金丝通过绝缘接合方式与所述汽车的车身结构板件相连接。

优选的是，所述车身结构板件为车身薄壁板结构和车身梁结构。

优选的是，所述形状记忆合金丝的长度不超过与其连接的车身结构板件各边长度的最大值的一半。

优选的是，所述形状记忆合金材料为NiTi形状记忆合金丝、铜基形状记忆合金丝和铁基形状记忆合金丝的一种或者多种。

一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法，使用所述的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，包括如下步骤：

步骤一、在汽车行驶过程中，采集汽车的实时振动频率、汽车的实时车速和汽车的实时发动机转速；

步骤二、当所述汽车的实时振动频率与共振频率阈值的差值大于所述共振频率阈值的5％、当所述汽车的实时车速与车速阈值的差值大于所述车速阈值的5％和当所述汽车的实时发动机转速与发动机转速阈值的差值大于所述发动机转速的5％，判定当前工况下汽车不会发生共振；

若当所述实时振动频率与共振频率阈值的差值达到了所述共振频率阈值的3％-5％、汽车的实时车速与车速阈值的差值达到了所述车速阈值的3％-5％、汽车的实时发动机转速与发动机转速阈值的差值达到了所述发动机转速阈值的3％-5％中三种情况的任意一种或者多种时，判定当前工况下汽车发生共振；

步骤三、判定当前工况下汽车发生共振，中央控制单元启动功率输出单元，对形状记忆合金丝通电，进而控制汽车结构的整体刚度与固有频率。

优选的是，在步骤二中，所述车速阈值为通过模拟汽车测得在行驶过程中发生共振的车速；

所述发动机转速阈值通过模拟汽车测得在行驶过程中发生共振的发动机转速。

优选的是，在步骤二中，所述汽车的共振频率阈值在公路路况下满足：

式中，f_w1为汽车在公路路况下的共振频率阈值，M为汽车的质量，g为重力加速度，K为共振频率的平衡系数，v_p为汽车共振的车速，n_t为汽车共振的发动机转速，s为车身的长度，d为车身的宽度，h为车身的高度。

优选的是，在步骤二中，所述汽车的共振频率阈值在越野路况下满足：

式中，f_w2为汽车在越野路况下的共振频率阈值，β为汽车轮胎的前轮内束角，ξ为路面坡度，j_c为车辆轮胎的滚动阻力；

优选的是，所述路面坡度满足：

式中，τ为车辆行驶路面与水平面的夹角。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明提供的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，是一种基于形状记忆合金的汽车结构智能装置，利用形状记忆合金特有的形状记忆效应，通过对安装在车身结构板件上的形状记忆合金丝进行通电加热，使其产生回复力，进而改变车身结构刚度、固有频率，从而避开行驶过程中发生共振，达到抑制结构振动的目的。优点是技术新颖，产生的装置附加质量和输入能量较小且能有效避免汽车行驶过程中发生共振现象，提高乘坐舒适性。

(2)本发明提供的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法，能够根据具体的路况确定车辆发生共振的频率、车速和发动机转速，更准确的防止了汽车发生共振的可能。

附图说明

图1为本发明所述基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的结构示意图。

图2为本发明所述基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的启动工作过程示意图。

图3为本发明所述的形状记忆合金丝与车身结构板件的一种连接结构示意图。

图4为本发明所述的形状记忆合金丝与车身结构板件的另一种连接结构示意图。

图5为本发明所述的形状记忆合金丝的一种布置方式的示意图。

图6为本发明所述的形状记忆合金丝的另一种布置方式的示意图。

图7为本发明所述的模态分析的示意图。

图8为本发明所述的按照模态分析安装形状记忆合金丝的结构示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，通过对安装在车身结构板件上的形状记忆合金丝进行通电加热，使其产生回复力，进而改变车身结构刚度、固有频率，从而避开行驶过程中发生共振，达到抑制结构振动的目的。

如图1所示，为本发明所述的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的整体结构示意图，包括：车身结构板件110、形状记忆合金丝120、数据处理前端130、中央控制单元140、功率输出单元150、车身振动信号采集器160、汽车速度信号采集器170、发动机转速信号采集器180和导线190。

汽车的车身结构板件110为易于引起振动的车身薄壁结构和车身梁结构，所述车身结构板件110为车身制造钢板，作为优选的是，所述车身结构板件110为复合材料板件；车身振动信号采集器160分布在车身各易于振动区域，所述车身振动信号采集器160能收集到实时的汽车振动信号，并且所述车身振动信号采集器160通过导线150与数据处理前端130相连，作为优选的是，所述车身振动信号采集器160为贴片式振动传感器；所述汽车速度信号采集器170为可测试汽车行驶速度、加速度等数据的传感器，并且所述汽车速度信号采集器170与数据处理前端130相连接；发动机转速信号采集器180可获得发动机转速和曲轴角度位置等数据的传感器，并且所述发动机转速信号采集器180与所述数据处理前端相连接，在本实施例中，汽车速度信号采集器170与发动机转速信号采集器180为现有汽车电路结构中已有的传感器，作为优选的是，所述汽车速度信号采集器170为多普勒速度传感器，所述发动机转速信号采集器180为霍尔传感器；所述数据处理前端130为具有进行振动信号模电转换能力的处理单元；所述中央控制单元140包括输入端和输出端，所述输入端与所述数据处理前端130相连接，所述输出端通过导线190与具有功率输出功能的稳压直流功率输出单元150相连接，传递电信号与电流；所述稳压直流功率输出单元通过导线190与形状记忆合金丝120相连接，形状记忆合金丝120通过绝缘接合的方式与车身结构板件110上的特定位置相连接，连接点设在车身结构板件110各区域最易受振动处。

所述形状记忆合金丝120的材料为NiTi形状记忆合金丝或是铜基形状记忆合金丝或是铁基形状记忆合金丝，所述形状记忆合金丝120的材料为其中的一种或多种材料的组合，根据实际需要可进行多层叠加。

所述形状记忆合金丝的直径可为0.5MM、0.75MM、1.0MM等数值，根据实际需要可选用相应直径的形状记忆合金丝。

所述形状记忆合金丝120应处于各部位无温差、无应力作用且有一定预应变的状态，预应变不能超过所使用形状记忆合金丝120的最大可回复应变，因此，预应变设置在3％-5％，不超过8％。

所述形状记忆合金丝120与车身结构板件110采用绝缘接合方式连接，在本实施例中，如图3所示，为形状记忆合金丝120通过尼龙导柱121与车身结构板件110相连接的结构示意图，尼龙导柱121具有耐高温、绝缘的性质，能够避免因形状记忆合金丝120通电生热而发生变形，采用尼龙导柱121时，尼龙导柱121与车身结构板件110连接，而形状记忆合金丝120以塑料螺丝122紧固的方式连接在尼龙导柱121上，作为优选的，可以采用焊接的方式固定，因形状记忆合金丝120相变时会产生很大的回复力，至少形状记忆合金丝的两端与中点处应完全约束在尼龙导柱121上。

在另一种实施例中，如图4所示，为形状记忆合金丝120通过粘结剂210与车身结构板件110相连接的结构示意图，采用专用的粘接剂210，在选定的安装点处对形状记忆合金丝120进行粘贴，使形状记忆合金丝120固定在车身结构板件110上，因形状记忆合金丝120相变时会产生很大的回复力，至少形状记忆合金丝120两端与中点处应完全约束住。

在本实施例中，如图5所示，为形状记忆合金丝120的一种布置方式示意图，使用多根丝方式布置时，形状记忆合金丝120的排列方式可为各丝之间平行排列，用串联的方式将形状记忆合金丝连接在一起，这样可以取得良好的变刚度效果也可以提高功率输出单元的工作效率。

如图6所示，为形状记忆合金丝120的另一种布置方式示意图，使用多根丝方式布置时，若汽车的车身结构板件110某一振动区域振动特性较为特殊，则形状记忆合金丝120的排列方式可根据该区域的具体振动情况来进行优化布置。

在安装形状记忆合金丝120时，先对该区域进行模态分析，安装时可用形状记忆合金丝120连接各阶模态中两个最相近的峰值点，在使用同样数量形状记忆合金丝120的情况下可得到较好的抑振效果。

在另一种实施例中，如图7所示，选用汽车发动机罩区域的结构板件110，对其进行模态分析，分别得到各阶模态振型：一阶模态振型峰值点210、二阶模态振型的两个峰值点220和三阶模态振型的两个峰值点230，在布置形状记忆合金丝120时应连接各阶模态振型的峰值点，具体形状记忆合金丝120的布置方式如图8所示。

如图2所示，本发明还提供一种基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法，使用所述的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，包括如下步骤：

步骤一：在实验条件下，通过将汽车简化车模型汽车进行汽车行驶模拟工况测试，得到该汽车在振动频率处于峰值时的车速阈值和该汽车在振动频率处于峰值时的发动机转速阈值，得到汽车的共振频率阈值，并将车速阈值、发动机转速阈值、共振频率阈值输入到中央控制单元；

步骤二：在汽车行驶过程中，采集汽车的实时振动频率、汽车的实时速度和汽车的实时发动机转速并输入到数据处理前端，所述数据处理前端将信号传递到所述中央控制单元，并与汽车的共振频阈值率、车速阈值和发动机转速阈值进行比较：

当所述汽车的实时振动频率与共振频率阈值的差值大于所述共振频率阈值的5％、当所述汽车的实时车速与车速阈值的差值大于所述车速阈值的5％和当所述汽车的实时发动机转速与发动机转速阈值的差值大于所述发动机转速的5％，判定当前工况下汽车不会发生共振；

若当所述实时振动频率与共振频率阈值的差值达到了所述共振频率阈值的3％-5％、汽车的实时车速与车速阈值的差值达到了所述车速阈值的3％-5％、汽车的实时发动机转速与发动机转速阈值的差值达到了所述发动机转速阈值的3％-5％中三种情况的任意一种或者多种时，判定当前工况下汽车发生共振；

步骤三：判定当前工况下汽车发生共振，中央控制单元启动功率输出单元，对形状记忆合金丝通电，进而控制汽车结构的整体刚度与固有频率。

在步骤二中是通过车身振动信号采集器对汽车实时的振动情况进行检测，车身振动信号采集器分布在车身结构易于振动的区域，获取车身的振动特性，尤其是振动频率，

在步骤二中，数据处理前端内置的解码器将振动信号经过模数转换后以数字信号输入到中央控制单元中，中央控制单元在接收到信号之后利用内置的振动测试软件对振动信号进行监测与处理，将其不断与先前输入的该汽车的车身结构固有频率数值进行比较，用于判断是否启动本发明的装置。

在步骤二中，所述车速阈值为通过模拟汽车测得在行驶过程中发生共振的车速；所述发动机转速阈值通过模拟汽车测得在行驶过程中发生共振的发动机转速。

在步骤二中，所述汽车的共振频率阈值根据不同的路况分为两种模式：第一种模式为公路模式，因汽车行驶过程中外界环境如路面不平等造成的振动输入相对于汽车自身造成的振动较小，所以汽车行驶速度与发动机转速会先接近设定的临界值；第二种模式为越野模式，如极为不平坦的路面条件下，外界输入的振动会先接近设定的临界值；所以将这两种启动工作的方式设置为并联，即汽车行驶速度、发动机转速与汽车实时振动频率任意一者接近设定的临界值时，都启动本发明所述的汽车变刚度系统。

在公路模式下，汽车的共振频率阈值满足：

式中，f_w1为汽车在公路路况下的共振频率阈值，M为汽车的质量，g为重力加速度，K为共振频率的平衡系数，v_p为汽车共振的车速，n_t为汽车共振的发动机转速，s为车身的长度，d为车身的宽度，h为车身的高度。

在越野模式下，汽车的共振频率阈值满足：

式中，β为汽车轮胎的前轮内束角，ξ为路面坡度，j_c为车辆轮胎的滚动阻力。

其中，所述路面坡度满足：

式中，τ为车辆行驶路面与水平面的夹角。

在本发明所述的汽车变刚度系统中，在中央控制单元发出启动信号之后，功率输出单元启动，对形状记忆合金丝通电，形状记忆合金丝通电产生电阻热，受热后产生形状记忆效应，产生回复力，因此该结构的整体刚度发生了变化，汽车的共振频率增大，从而避免了汽车发生共振。

在本发明的汽车结构变刚度装置中，对形状记忆合金丝的加热温度应超过所使用形状记忆合金丝的奥氏体完全相变温度，使其产生足够的回复力，使改变结构刚度的作用较为显著。

在另一种实施例中，对一辆乘用车做一个简化的模型，对模型进行实验室条件下的行驶测试，测定其发生共振的行驶速度为150km/h，发动机转速为3000r/min，在公路模式下，得到汽车的共振频率为7Hz；在该乘用车上安装本发明所述的汽车结构变刚度装置，选用NiTi基形状记忆合金丝，NiTi基形状记忆合金丝的完全相变温度为90°；采用的功率输出单元为恒流电源，其输入电流为6A；变刚度装置启动工作时对形状记忆合金丝通电时间为3-6S，达到形状记忆合金丝的完全相变温度90°。在车辆行驶过程中，当汽车速度信号采集器检测到汽车行驶车速达到143-146km/h、发动机转速信号采集器检测到汽车发动机转速达到2850-2910r/min、车身振动信号采集器检测到汽车的振动频率达到6.60Hz-6.80Hz这三种情况中一种及多种时，启动变刚度装置，从而改变了车辆的固有频率，车辆的振动频率改变为7.5Hz，避免了车辆共振的发生。

本发明设计开发的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置，是基于形状记忆合金的汽车结构智能装置，在外界激励频率与车身结构固有频率较接近或达到一定车速及发动机转速时，通过中央控制单元控制功率输出单元对形状记忆合金丝通电产生温度载荷，形状记忆合金丝受热产生回复力，改变该智能结构装置的刚度特性，而车身结构的固有频率也会随着刚度变化发生变化，由此汽车整体的固有频率便避开了原有的共振区，达到了抑制结构振动，提高驾驶员和乘员乘坐舒适性的目的，而且对汽车整体所产生的附加质量及输入能量较小。

本发明设计开发的基于形状记忆合金的汽车结构变刚度装置的控制方法，是通过检测不同路况下的汽车的共振频率、发生共振时的车速和发生共振时的发动机转速，更准确的防止了汽车发生共振的可能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。