记忆合金在汽车行业中的应用
1 引言
形状记忆合金(SMA)是70年代开发的新型金属材料, 它具有形状记忆效应(SME)及集感知与驱动为一体的特性引起了科技界和工业界的极大兴趣与关注, 一度在世界范围形成热潮。近10 年来，形状记忆合金的研究和应用开发，发展得很快，合金品种也逐年增多。应用涉及的范围极广，包括航空航天、电子、机械、医学、能源、化工和家电等，几乎涉及到产业界的所有领域。[1]我国研究形状记忆合金已有20年的历史，在理论研究和应用开发方面取得了可喜的成绩，但与国外发展现状相比，还有较大差距。形状记忆合金在常温下非常柔软和极易变形, 能实现热弹性马氏体转变, 具有形状记忆功能, 即将其制造成某一形状后记住此形状, 然后经加热可恢复原来形状。因此在汽车上得到了一定的应用。
2 记忆合金的研究与在汽车上应用的发展
2.1 研究
形状记忆合金(Shape Memory Atloy简称SMA )是一种不忘记原来形状的金属,变形后再加热可以返回原来的形状, 具有再现形状记忆效果。它是近
二、三十年新兴发展起来的一种新型工程材料, 被人们称之为“跨越21 世纪的理想材料” 。国内外近几年来对这类合金的理论和应用研究十分活跃, 进展迅速。形状记忆合金主要有两大特性: 一是形状记忆效应, 二是超弹性效应。迄今为止,已发现有十几种形状记忆合金系, 其中在工业上有实用价值的有Ni一Ti合金、Cu 基合金、Fe 类合金等。由于它具有形状记忆、自动作功、超弹性、节能、热敏等特殊性能, 引起了工业界广泛的重视, 八十年代在世界范围内掀起了一股“ 记忆合金热, , 目前已在工业自动化、能源、航天航空、医疗卫生、仪器仪表及机械制造等工业领域得到应用[2]。 2.2 汽车应用的发展
SMA所具有的记忆及温度特性, 是可用于汽车上多种调节器的新型热敏元件材料, 推动了新型制动器的设计。其显著优点是: 力量大, 位移大, 体积小, 制动类型多(直线、弯曲、扭转以及它们的组合), 单位体积(或单位重量) 的能量高, 可以在很小的温度范围内实现运动(而且可由合金成分等预先调节确定这个温度范围), 输出功率比静热双金属片高10多倍; 同时, 形状记忆制动器通常仅由一个金属件组成, 安装更紧凑且具有体积小、行程大、无噪音及安全可靠等优点。
70年代以来，形状记忆合金的应用与研究非常活跃。美国海军以Ni一Ti合金接头用于飞 1
机液压管道的连接,在30万例中尚无失败的报导，哈佛医学院首先用Ni- Ti合金制成腔动脉过滤器; 英国Dalta记忆金属公司用Ni一Ti或Cu一Zu一A l合金制造恒温器、冷热设备控制器自动控制设备等产品, 有的已使用50万次, 尚未发现疲劳、“ 蠕变”或其它偏离性能指标的变化;日本在形状记忆合金方面开发了如能源转换器、机械手等。我国SMA的研究始于1976年,近几年对SMA材料的研究工作十分活跃, 在医疗、航空等方面都进行了应用偿试。随着时间的推移, 其性能会逐步得到完善。从简单器具到家用电器, 从电子机械到汽车工业, 从儿童玩具到能源转换器, 从医疗器械到宇航技术, 都可以实现它的作用。
3 记忆合金应用于汽车的部位及其原理
3.1 散热器面罩活门
丰田汽车采用钛镍系形状记忆合金制成散热器面罩活门，其工作原理是：当发动机室内温度低于设定温度时，形状记忆合金弹簧呈现压缩状态，活门关闭，当发动机室内温度高于设定温度时，弹簧呈伸长状态，活门打开，冷空气导入发动机室内。 3.2 水箱温控器
汽车温控器是根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系统的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作。在现有的技术中，汽车温控器是利用石蜡的热膨冷缩来进行控制。在水温低于70℃时，温控器膨胀筒处于收缩状态，主阀门关闭；当水温高于80℃时，膨胀筒膨胀，主阀门渐渐打开，散热器内循环水开始流动。温控器必须保持良好的技术状态，否则会严重影响发动机的正常工作。如温控器主阀门开启过迟，就会引起发动机过热；主阀门开启过早，则使发动机预热时间延长，使发动机温度过低。然而用这种温控器有很多缺点，首先，在对温度的控制上不是非常敏感，温控器的打开和关闭置后。其次，石蜡温控器在加工制造中比较麻烦，石蜡在温度较高时溶化，所以要解决石蜡的密封问题。如果利用记忆合金弹簧来实现温控器的开启和闭合将会很方便。如图1所示[3]。
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3.3 在汽车自动储能装置中的应用
汽车行驶时, 用来加速的耗能量几乎占全部耗油量的一半, 并且, 其燃烧所获得的能量大部分在减速或停车时通过制动器被浪费掉。在制动器上安装储能装置, 可以把浪费的能源吸收回来, 用于下一次的加速。这样, 既能降低油耗, 又有益于环境保护, 减少废气排放和噪音。这种装置的储能元件可由SMA做成。它可以储存超弹性材料SMA的应变值所允许的机械能。
3.4 在汽车风扇离合器中的应用
在水冷式发动机上, 风扇一般装在发动机水泵轴或曲轴的前端, 其转速及扇风量一与发动机的转速成正比。因无离合器装置, 所以无论发动机需要散热还是升温, 它都煽风散热, 不能与发动机的工作需要相协调。这样, 便浪费了燃料, 增加了起动预热时间,而且在高速行驶时噪音大, 在冬季及寒冷地区, 使发动机过冷, 增加磨损。采用风扇离合器, 可以根据发动机工作条件的需要进行自动调解冷却程度, 避免上述缺点。目前, 风扇离合器主要有硅油式、电磁式等几种形式。由于SMA具有感温、驱动两种功能, 同时又可以从工作环境吸收热能, 所以, 可用其取代离合器中的自动系统, 这样, 使整个系统的结构简化, 成本大幅度降低。又由于SMA具有耐腐蚀性能,所以, 不需要设置保护装置。因此, 用SMA代替现有形式的风扇离合器, 具有很大潜力[4]。 3.5 在汽车百叶窗的自动控制系统中的应用
通常, 为了改变通过散热器的空气流量, 在散热器的前面设百叶窗或挡风帘。百叶窗由驾驶员通过装在驾驶室内的手柄来操纵。但是, 这种手动百叶窗零件多, 结构复杂, 成本高。目前, 最先进的自动开闭的百叶窗是采用蜡膨胀元件, 它随水箱温度变化而动作。由于SMA具有感温和驱动两种功能,故可利用它作百叶窗自动开启的控制系统。当冷却水温降到某一温度时, SMA恢复到原始状态。此时, 由于SMA元件的变形,带动百叶窗部分全部地关 3
闭, 以减少吹过散热器的空气流量, 使冷却水温回升; 当冷却水温升高到某一温度时, SMA又开始变形, 并带动百叶窗部分或全部打开, 增加吹过散热器的空气流量, 使冷却水温度降低。这样, 根据水温的变化,SMA元件可带动百叶窗自动地循环开闭, 实现控温。利用SMA做百叶窗的自动控制系统,不仅使其结构简化、成本降低, 而且使驾驶室制造工艺得到简化, 并减轻驾驶员的操作强度。 3.6 手动变速器防噪声装置
此装置通过调整拖曳阻力降低在润滑油温度升高时发生咔啦声, 采用的形状记忆弹簧和回程弹簧一起安装在手动变速器拨叉上。变速器油温升高, 形状记忆弹簧把同步器锁止环推压在齿轮圆锥面上而产生拖曳阻力, 补偿油温升高拖曳阻力的下降, 从而降低异常噪声。低温时, 形状记忆弹簧在中间位置, 拖曳阻力保持在中间位置, 不影响汽车行驶[5]。 3.7 汽车轮胎防滑
汽车轮胎防滑采用防滑钉, 但防滑钉损坏无积雪的路面, 希望防滑钉能根据路面状况可伸缩。无积雪时, 由于车速较高, 即使路面温度不高, 轮胎的温度也相当高; 积雪路面, 一般都是低速行驶, 轮胎与雪的接触良好, 轮胎温度下降。形状记忆合金防滑钉可在不同路面上利用温度变化产生伸缩, 即在无雪路面受热缩进轮胎, 积雪路面受冷伸出轮胎, 起到既防滑又不损坏路面的作用。
3.8 防燃料蒸发气体排放装置(电磁阀) 此装置原理如图5所示。通电运行中, 电磁线圈将形状记忆弹簧加热, 阀在电磁力的作用下被强制关闭; 停止运行后, 电磁力消失, 形状记忆弹簧的回复力将阀打开排出汽化气; 经过一定时间后, 形状记忆弹簧温度下降, 回程弹簧的弹力又将阀关闭。如图所示
3.9 变速器补偿垫圈
利用Ti 一N i合金制作的蝶形或波浪垫圈, 可产生1000N 以上的力和0.5mm左右的变形, 用于钢轴和铝壳的变速器, 使它达到操作温度时可以恢复其预加载荷。日本丰田公司在斯普林特(sPrinter)和卡里布轿车上已采用此类弹簧。 3.10 换挡控制阀
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将Ti一Ni形状记忆合金弹簧装入自动变速器的控制阀, 优化换挡压力, 消除汽(特别是柴油车) 在冬天换挡的困难, 在自动变速器中, 用SMA控制换挡转速控制阀, 改善了燃油效率和催化、裂化效率。这是由美国Raychem公司与德国Mereedes一BensAG公司联合开发并应用于1989型默塞茨轿车上。 3.11 汽车雾灯的保护装置
日本进口电机制造所在雾灯罩自动开闭装置上采用现状记忆合金。将形状记忆合金弹簧串联在雾灯电路中，作为电阻而发热，当温度达到形状转换点以上，由于恢复原形而产生拉力，使连接器杆被拉下，使覆盖雾灯玻璃的四页通风选择90°，即打开灯窗。如切断电源，形状记忆合金弹簧的拉力减小，回位弹簧力增加，连接器杆恢复原状，使通风窗反向转动，从而关闭了通风窗[6]。
4 前景与趋势
4.1 前景
记忆合金主要有三大类——NI Ti ,Cu 基,Fe 基，其中NI Ti 具有最佳的形状记忆效应, 性能稳定, 特别是在生物工程材料中由于需在人体内使用而必须采用NI Ti合金。但价格最高, 目前大约为人民币400 0~5 000 元/公斤, 因此目前主要应用于航空航天, 军事装备, 石油化工, 仪器仪表, 自动控制等领域。Cu 基合金很有应用潜力, 但目前还看不到可能的突破点。铁基形状记忆合金由于其低廉的价格, 良好的机械加工性能和焊接性能, 可接受的不低的回复应力(180MPa)及一定的耐腐蚀性能, 在民用领域具有特殊的优越性[7]。其中最有吸引力的应用领域是在工况需要一定耐腐蚀性能时管件的管接头。这是因为在很多有腐蚀环境的工况下都希望不使用焊接方法连接工件,因为焊接会导致应力腐蚀, 晶间腐蚀, 刀线腐蚀等, 使装备或部件很快报废。 4.2 趋势
从上述可见这种新型功能材料已成功地得到了应用。此外, SME 的本质是马氏体相变的结果, 过去只对淬火钢的马氏体转变感兴趣, 今后必须充分认识到马氏体转变包含新的作用, SME合金的开发为马氏体相变的理论研究开拓了新的领域,可以预期不久的将来会有新的发现和应用。
参考文献
[1] 吕莉雯,李子卿.形状记忆合金及其在汽车等方面的应用[J].世界汽车.1985(01) [2] 王英彦.形状记忆合金及其在汽车上的应用[J].汽车技术.1991(01)
[3] 韦尧兵,王祥龙.记忆合金在汽车水箱温控器中的应用[J].机械.2006(04)
[4] 周涟庚.形状记忆合金及其在汽车上的应用状况[J].上海工程技术大学学报.
5
1996(02)
[5] 付百学,关怀.形状记忆合金在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料.1997(10)
[6] 徐国,彭生辉.汽车上具有记忆的金属——形状记忆合金[J].汽车与配件.2003(21) [7] 杨冠军.形状记忆合金在汽车上的应用[J].钛工业进展.1993(05)
