DE102005025631B4

DE102005025631B4 - Kraftfahrzeug mit einer Haubenbaugruppe unter Verwendung von auf aktivem Material basierenden Mechanismen

Info

Publication number: DE102005025631B4
Application number: DE102005025631A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Mich. Browne; Nancy L. Mich. Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2025-06-04
Also published as: US7392876B2; US20050275246A1; DE102005025631A1; US7950488B2; US20080197674A1

Abstract

Kraftfahrzeug umfassend: eine schwenkbare Motorhaube und/oder Gepäckraumhaube (10), ein unter der Haube (10) angeordnetes Bauteil und eine Polsterbaugruppe (12) umfassend eine untere Platte (16) angepasst zur mechanischen Verbindung mit dem unter der Haube (10) angeordneten Bauteil, eine obere Platte (17), welche in Verbindung mit der Unterseite der Haube (10) steht, ein aktives Material (14) zwischen der unteren Platte (16) und der oberen Platte (17), das in operativer Verbindung mit der Haube (10) angeordnet ist, sowie ferner eine Abdeckung (13), die in operativer Verbindung mit dem aktiven Material (14) steht, wobei das aktive Material (14) umfaßt: eine Legierung mit Gedächtnisfunktion, ein Polymer mit Gedächtnisfunktion, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten aktiven Materialien umfassen, und eine Aktivierungsvorrichtung, die mit dem aktiven Material (14) gekoppelt ist, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu angepasst ist,...

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich allgemein auf ein Kraftfahrzeug mit einer Haubenbaugruppe, wobei die Haubenbaugruppe die Verwendung von Mechanismen auf Basis von aktiven Materialien einschließt.
Zahlreiche Motorfahrzeuge verwenden eine schwenkbare Haube, die in einem Bereich zwischen dem Fahrgastraum und dem vorderen Stoßfänger des Motorfahrzeuges oder zwischen dem Fahrgastraum und dem rückwärtigen Stoßfänger des Motorfahrzeuges angeordnet ist. Die schwenkbare Haube liefert einen Mechanismus zum Zugang zu dem darunter liegenden Motor oder dem Gepäckraum. Die Fahrzeughaube wird typischerweise aus einem relativ dünnen Metall- oder einer Kunststoffplatte gebildet, welche auf die geeignete Kontur entsprechend der Gesamtauslegung der Fahrzeugkarosserie geformt ist. Das Äußere des Haubenabschnittes, welcher die Oberfläche hiervon darstellt, ist typischerweise mit einer oder mehreren Beschichtungen aus Primer und Lack zur Erhöhung sowohl des ästhetischen Charakters als auch des Korrosionswiderstandes des darunter liegenden Materials beschichtet. Als Folge der relativ dünnen Art des den Haubenteil bildenden Materials erstreckt sich eine Trägerstruktur wie eine konturierte Platte mit geprägten Rippenträgern typischerweise über die Unterseite des Haubenabschnittes, so daß der Struktur ein gewisses Ausmaß von Dimensionsstabilität erteilt wird.
Aerodynamische Anforderungen, Styling und Berücksichtigung der Gepäckaufnahme haben insgesamt unter anderem zu der Auslegung der vorderen Enden und der Haubenbereiche von derzeitigen Fahrzeugen beigetragen. Aerodynamische Windschnittigkeit (und Berücksichtigung der Treibstoffwirtschaftlichkeit) haben insbesondere dazu beigetragen, daß die Haube sich in enger Nachbarschaft zu dem Motor oder dem Gepäckabteil befindet. Daher ist die Deformation der Haube, wie sie beim Aufprall eines Gegenstandes auf die Haube auftreten kann, und damit die Fähigkeit der Haube zur Absorption von Energie bei entsprechenden Krafteinwirkungen vor dem Aufstoßen gegen harte Objekte unterhalb hiervon etwas durch die Inhalte des Abteils eingeschränkt.
Um dies zu berücksichtigen, haben Hersteller von Automobilen eine Anzahl von Mechanismen vorgeschlagen, welche die Orientierung der Haube vor einem Deformationsereignis wie dem Aufprallereignis, wie zuvor beschrieben, verändern. Beispielsweise können Haubenheber durch Aufprallsensoren aktiviert werden, um den Raum zwischen der Haube und dem darunter liegenden Abteil zu vergrößern. Die Haubenheber verändern die Orientierung der Haube durch deren Anheben (in den meisten Mechanismen durch Anheben an einer rückwärtigen Kante unter Beibehaltung der Befestigung einer Vorderkante an der Fahrzeugstruktur, d. h. durch Hochklappen) oberhalb des Motorraumes. Bei der Deformation gibt es als Folge der Erhöhung des Freiraumes eine Erhöhung der Energiemenge, welche durch Deformation des Blechmetalls vor seinem Aufstoßen absorbiert werden kann. Ein Nachteil solcher Haubenhebemechanismen ist, daß sie die Neigung besitzen, irreversibel zu sein (was sie am besten zur Verwendung nur mit Crash- und nicht mit Vor-Crashsensoren geeignet macht), so daß solche Mechanismen selbst wenn eine Kollision tatsächlich nicht vorkommt, ersetzt/repariert werden müssen.
Daher bleibt die Notwendigkeit auf dem Fachgebiet für Automobilhaubenkomponenten bestehen, daß sie verbesserte Energieabsorptionskapazitäten, wie sie bei Deformation der Haube auftreten können, besitzen. Die Mittel/Mechanismen, welche diese Energieabsorptionsfähigkeiten erzeugen, sind ebenfalls vorzugsweise reversibel.
Aus der DE 101 58 222 A1 sind Auslösevorrichtungen für ein Sicherheitssystem für ein Fahrzeug bekannt, welche neben einem Betätigungselement und einer Feder zum Vorspannen des Betätigungselements einen Draht aus Nitinol zum lösbaren Verankern der Feder im vorgespannten Zustand sowie eine steuerbare Stromquelle zum Erzeugen eines Stromes zum Erhitzen des Nitinoldrahtes, wodurch der Nitinoldraht zum Reißen gebracht und die Verankerung gelöst werden kann, aufweisen. Alternativ dazu kann die Feder selbst aus Nitinol bestehen.
In der DE 196 54 447 C2 wird eine Personen-Aufprallschutz-Einrichtung eines Kraftfahrzeuges offenbart, welche ein Aufprallschutzmaterial aus einem Metall mit Gedächtnisfunktion umfasst, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung seine Kontur verändert und aus der Motorhaube austritt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend:
eine schwenkbare Motorhaube und/oder Gepäckraumhaube,
ein unter der Haube angeordnetes Bauteil und
eine Polsterbaugruppe umfassend eine untere Platte angepasst zur mechanischen Verbindung mit dem unter der Haube angeordneten Bauteil, eine obere Platte, welche in Verbindung mit der Unterseite der Haube steht, ein aktives Material zwischen der unteren Platte und der oberen Platte, das in operativer Verbindung mit der Haube angeordnet ist, sowie ferner eine Abdeckung, die in operativer Verbindung mit dem aktiven Material steht, wobei das aktive Material umfaßt: eine Legierung mit Gedächtnisfunktion, ein Polymer mit Gedächtnisfunktion, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten aktiven Materialien umfassen, und
eine Aktivierungsvorrichtung, die mit dem aktiven Material gekoppelt ist, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu angepasst ist, selektiv ein Aktivierungssignal zu dem aktiven Material zu liefern und dadurch eine Änderung in der Längenabmessung des aktiven Materials und eine Expansion der Abdeckung zu bewirken, um dadurch die Haube in Bezug auf das unter der Haube angeordnete Bauteil reversibel anzuheben oder hochzuschwenken.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden beispielhaft anhand der folgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung gezeigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In den Figuren, welche beispielhafte Ausführungsformen sind, haben gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern:
1 ist ein Blockdiagramm, welches übliche Elemente für Haubenmechanismen zeigt;
2 ist eine Aufsicht von der Unterseite einer Haube;
3 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Abmilderungsvorrichtung für Fußgänger bei einer auf aktivem Material basierenden Haube in einer kompakten Konfiguration; und
4 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Abmilderungsvorrichtung für Fußgänger einer auf aktivem Material basierenden Haube in einer expandierten Konfiguration.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verfahren, Vorrichtungen und Haubenbaugruppen für die reversible Erhöhung der Energieabsorptionsfähigkeit bei geeigneten Krafteinwirkungen einer Fahrzeughaube werden hier beschrieben. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Haube” allgemein auf Deckel, welche den Motorbereich oder den Gepäckbereich abdecken.
Das aktive Material in aktiver Verbindung mit der Haube erhöht die Energieabsorptionsfähigkeiten durch aktives Anheben oder Hochschwenken der Haube zur Bereitstellung eines erhöhten Freiraumes gegenüber dem darunter liegenden Motorraum.
Bei einer Ausführungsform enthält ein Fahrzeugsystem einen Aufprallsensor, welcher ein Aufprallsignal erzeugt. Das System enthält ferner eine Steuereinrichtung, die zum Empfang des Aufprallsignals ausgelegt ist, sowie eine Abmilderungsvorrichtung für den Haubenaufprall, welche beim Empfang des Aktivierungssignals von der Steuereinrichtung arbeitet. Das aktive Material verändert seine Längenabmessung.
Das Ansprechen der Abmilderungsvorrichtung auf das Signal ist reversibel (zur Verhütung von Schäden in dem Fall, daß ein Aufprall nicht auftritt). Übliche Elemente für die verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sind in 1 gezeigt. Solche Elemente schließen einen Sensor 2 plus eine Steuereinrichtung 4 zum Auslösen des auf aktivem Material basierenden Mechanismus 6 ein. Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Stromversorgung 8 und ein oder mehrere aktive Materialien 14, die in dem Mechanismus 6 eingebaut sind. Bei einer bevorzugten Betriebsart ist der Mechanismus während des normalen Fahrbetriebes nicht mit Strom versorgt und wird aktiviert oder unter Strom gesetzt, wenn er durch ein Ausgangssignal von der Steuereinrichtung 4 ausgelöst wird, basierend auf einer Eingabe an ihn von einem Aufprallsensor oder Vor-Aufprallsensor, schematisch erläutert durch 9 in 1. Ein solcher Mechanismus würde durch das Aufprallereignis aktiviert verbleiben, dann jedoch automatisch bei Abschluß des Aufpralles deaktiviert werden. Bei einer alternativen Ausführungsform würde der Mechanismus durch einen Zeitgeberablauf deaktiviert werden, was im Fall eines falschen Nachweises vorteilhaft wäre.
Erfindungsgemäß ist das aktive Material eine Legierung mit Gedächtnisfunktion (SMA), eine Magnetlegierung mit Gedächtnisfunktion, ein Polymer mit Gedächtnisfunktion (SMP), ein piezoelektrisches Material, ein elektroaktives Polymer (EAP), ein magnetorheologisches Fluid, ein Elastomer (MR) oder ein elektrorheologisches Fluid (ER).
Legierungen mit Gedächtnisfunktion können in verschiedenen unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen existieren. Die am häufigsten angewandten dieser Phasen sind die sogenannten Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker deformierbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während die Austenitphase sich allgemein auf die steifere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn die Legierung mit Gedächtnisfunktion in der Martensitphase vorliegt und erhitzt wird, beginnt sie sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei welcher diese Erscheinung startet, wird oftmals als Austenitstarttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher diese Erscheinung abgeschlossen ist, wird als Austenitendtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn die Legierung mit Gedächtnisfunktion in der Austenitphase vorliegt und abgekühlt wird, beginnt sie sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei welcher diese Erscheinung startet, wird als Martensitstarttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher die Legierung mit Gedächtnisfunktion ihre Umwandlung in die Martensitphase beendet, wird als Martensitendtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen haben Legierungen mit Gedächtnisfunktion niedrigere Modulwerte und sie sind in ihrer Martensitphase leichter zu deformieren und haben einen höheren Modul und sind daher weniger leicht deformierbar in der austenitischen Phase.
Geeignete Legierungen mit Gedächtnisfunktion können einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen ihm eigenen Zweiwegeeffekt oder einen äußeren Zweiwege-Formgedächtniseffekt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitungsgeschichte zeigen. Bevorzugt wird eine Ausgleichsfeder in Kombination mit der Legierung mit Gedächtnisfunktion verwendet, um eine Rückstellkraft zu liefern. Auf diese Weise kann das Stellglied reversibel gemacht werden. Die Rückstellfeder hat bevorzugt einen Modul ungefähr zwischen den Umwandlungstemperaturen der Martensit- und Austenitphase der Legierung mit Gedächtnisfunktion. Wahlweise ist die Rückstellfeder eine bereits existierende Komponente der Haube selbst, bei welcher die Legierung mit Gedächtnisfunktion zur Deformation verwendet wurde. Alternativ können getrennt betätigbare parallele SMA-Elemente alternativ aktiviert werden, wobei jedes die Wirkung des anderen umkehrt.
Materialien mit Gedächtnisfunktion, geformt aus Legierungszusammensetzungen mit Gedächtnisfunktion, welche Einweg-Formgedächtniseffekte zeigen, formen sich nicht automatisch wieder um, und in Abhängigkeit von der Auslegung des Materials mit Gedächtnisfunktion erfordern sie eine äußere mechanische Kraft, um die Gestalt, die Dimension, welche zuvor gezeigt wurde, wieder anzunehmen. Materialien mit Gedächtnisfunktion, welche einen eigenen Formgedächtniseffekt zeigen, werden aus einer Legierungszusammensetzung mit Gedächtnisfunktion hergestellt, welche automatisch sich selbst als Ergebnis der zuvor angegebenen Phasenumwandlungen wieder zurückformen.
Eigenes Zweiwege-Formgedächtnisverhalten wird bevorzugt in dem Material mit Gedächtnisfunktion durch Verarbeitung induziert. Solche Arbeitsweisen schließen extreme Deformation des Materials, während es in der Martensitphase vorliegt, Erhitzen-Abkühlen unter Zug oder Belastung oder Oberflächenmodifikation wie Laseranlassen, Polieren oder Kugelstrahlen ein. Sobald das Material dazu gebracht wurde, den Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen, ist die Formveränderung zwischen den Zuständen bei niedriger und hoher Temperatur im Allgemeinen reversibel und besteht über eine hohe Anzahl von thermischen Zyklen.
Materialien mit Gedächtniseffekt, welche die äußeren Zweiwege-Formgedächtniseffekte zeigen, sind Verbundmaterialien oder Multikomponentenmaterialien, welche eine Legierungszusammensetzung mit Gedächtnisfunktion kombinieren, welche in einem Einwegeffekt mit einem anderen Element, welches eine Rückstellkraft zur Wiedererlangung der ursprünglichen Gestalt liefert, kombinieren.
Die Temperatur, bei welcher sich die Legierung mit Gedächtnisfunktion an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erhitzt wird, kann durch geringe Veränderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Hitzebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titanlegierungen mit Gedächtnisfunktion kann sie beispielsweise von oberhalb von etwa 100°C bis unterhalb etwa –100°C verändert werden. Der Prozeß zur Formwiedergewinnung tritt über einen Bereich von nur wenigen Graden auf, und der Start oder das Ende der Umwandlung kann innerhalb eines Grades oder von zwei Graden in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung eingeregelt werden. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung mit Gedächtnisfunktion variieren in starkem Maße über den ihre Umwandlung überspannenden Temperaturbereich, wobei typischerweise das aktive Material 14 mit Formgedächtniseffekten wie auch hoher Dämpfungskapazität geliefert wird. Die eigene hohe Dämpfungskapazität der Legierungen mit Gedächtnisfunktion kann weiter verwendet werden, um die energieabsorbierenden Eigenschaften der energieabsorbierenden Baugruppe zu erhöhen.
Geeignete Legierungsmaterialien mit Gedächtnisfunktion schließen ohne Beschränkung ein: Legierungen auf Basis Nikkel-Titan, Legierungen auf Basis Indium-Titan, Legierungen auf Basis Nickel-Aluminium, Legierungen auf Basis Nickel-Gallium, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Basis Gold-Cadmium, Legierungen auf Basis Silber-Cadmium, Legierungen auf Basis Indium-Cadmium, Legierungen auf Basis Mangan-Kupfer, Legierungen auf Basis Eisen-Platin, Legierungen auf Basis Eisen-Platin, Legierungen auf Basis Eisen-Palladium und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, sofern die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. Veränderung in Gestalt, Dimension, Dämpfungskapazität und dergleichen. Beispielsweise ist eine Legierung auf Basis Nickel-Titan, kommerziell unter der Handelsmarke NITINOL von Shape Memory Applications, Inc. erhältlich.
Andere geeignete aktive Materialien sind Polymere mit Gedächtnisfunktion. Ähnlich zu dem Verhalten einer Legierung mit Gedächtnisfunktion erfährt, falls die Temperatur über die Umwandlungstemperatur angehoben wird, das Polymere mit Gedächtnisfunktion ebenfalls eine Veränderung in der Gestalt, der Dimension. Zur Einstellung der permanenten Gestalt des Polymeren mit Gedächtnisfunktion muß das Polymere bei ungefähr dem oder oberhalb des T_g oder des Schmelzpunktes des harten Segmentes des Polymeren sein. ”Segment” bezieht sich auf einen Block oder eine Folge von Polymer bildendem Teil des Polymeren mit Gedächtnisfunktion. Die Polymere mit Gedächtnisfunktion werden bei der Temperatur mit einer angewandten Kraft gefolgt von Abkühlen zur Annahme der permanenten Gestalt geformt. Die zur Einstellung der permanenten Gestalt erforderliche Temperatur liegt bevorzugt zwischen etwa 100°C bis etwa 300°C. Das Einstellen der temporären Gestalt des Polymeren mit Gedächtnisfunktion erfordert, daß das Polymermaterial mit Gedächtnisfunktion auf eine Temperatur bei dem oder oberhalb des Tg oder der Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes, jedoch unterhalb dem Tg oder des Schmelzpunktes des harten Segmentes gebracht wird. Bei der Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes (auch bezeichnet als ”erste Umwandlungstemperatur”) wird die temporäre Gestalt des Polymeren mit Gedächtnisfunktion eingestellt, gefolgt von Abkühlen des Polymeren mit Gedächtnisfunktion zum Verbleib in der temporären Gestalt. Die temporäre Gestalt wird so lange beibehalten, wie sie unterhalb der Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes verbleibt. Die permanente Gestalt wird wieder erlangt, wenn die Polymerphase mit Gedächtnisfunktion erneut auf die oder über die Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes gebracht wird. Wiederholung der Stufen des Erhitzens, Formgebens und Abkühlens kann die temporäre Gestalt wieder einstellen. Die Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes kann für eine besondere Anwendung durch Modifizieren der Struktur und der Zusammensetzung des Polymeren ausgewählt werden. Umwandlungstemperaturen des weichen Segmentes reichen von etwa –63°C bis oberhalb etwa 120°C.
Polymere mit Gedächtnisfunktion können mehr als zwei Umwandlungstemperaturen aufweisen. Eine Polymerzusammensetzung mit Gedächtnisfunktion, welche ein hartes Segment und zwei weiche Segmente umfaßt, kann drei Umwandlungstemperaturen besitzen: die höchste Umwandlungstemperatur für das harte Segment und eine Umwandlungstemperatur für jedes weiche Segment.
Die meisten Polymere mit Gedächtnisfunktion zeigen einen ”Einweg”-Effekt, bei welchem das Polymere mit Gedächtnisfunktion nur eine permanente Gestalt zeigt. Beim Erhitzen des Polymeren mit Gedächtnisfunktion über die erste Umwandlungstemperatur wird die permanente Gestalt erreicht, und die Gestalt kehrt nicht zu der temporären Gestalt ohne Anwendung von äußeren Kräften zurück. Als eine Alternative können einige Polymerzusammensetzungen mit Gedächtnisfunktion hergestellt werden, um einen ”Zweiwege”-Effekt zu zeigen. Diese Systeme bestehen aus wenigstens zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise könnte eine Komponente ein erstes vernetztes Polymeres sein, während die andere Komponente ein verschiedenes vernetztes Polymeres ist. Die Komponenten werden durch Schichttechniken kombiniert, oder sie sind sich durchdringende Netzwerke, in welchen zwei Komponenten vernetzt sind jedoch nicht miteinander vernetzt sind. Durch Veränderung der Temperatur verändert das Polymere mit Gedächtnisfunktion seine Gestalt in der Richtung der ersten permanenten Gestalt zu der zweiten permanenten Gestalt. Jede der permanenten Gestalten gehört zu einer Komponente des Polymeren mit Gedächtnisfunktion. Die zwei permanenten Gestalten sind immer im Gleichgewicht zwischen den beiden Gestalten. Die Temperaturabhängigkeit der Gestalt wird durch die Tatsache bewirkt, daß die mechanischen Eigenschaften von einer Komponente (”Komponente A”) fast unabhängig von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturzwischenbereich sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente (”Komponente B”) hängt von der Temperatur ab. Bei einer Ausführungsform wird die Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu Komponente A fester, während die Komponente A bei hohen Temperaturen fester wird und die tatsächliche Gestalt bestimmt. Eine Vorrichtung mit Zweiwegegedächtnis kann dadurch hergestellt werden, daß die permanente Gestalt von Komponente A (”erste permanente Gestalt”) eingestellt wird, die Vorrichtung in die permanente Gestalt der Komponente B (”zweite permanente Gestalt”) deformiert wird und die permanente Gestalt der Komponente B unter Anwendung einer Spannung an die Komponente fixiert wird.
Vergleichbar zu Legierungsmaterialien mit Gedächtnisfunktion können Polymere mit Gedächtnisfunktion in vielen unterschiedlichen Formen und Gestalten konfiguriert sein. Die Temperatur, welche zum Wiedererhalt der permanenten Gestalt erforderlich ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber eingestellt werden. Die Entwicklung der Zusammensetzung und Struktur des Polymeren selbst kann die Auswahl einer speziellen Temperatur für eine gewünschte Anwendung ermöglichen. Eine bevorzugte Temperatur für den Wiedererhalt der Gestalt ist größer als oder gleich etwa –30°C, mehr bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am meisten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Wiedererlangung der Gestalt geringer als oder gleich etwa 120°C, mehr bevorzugt geringer als oder gleich etwa 90°C und am meisten bevorzugt geringer als oder gleich etwa 70°C.
Geeignete Polymere mit Gedächtnisfunktion schließen thermoplastische Materialien, hitzegehärtete Materialien, sich durchdringende Netzwerke, sich halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke ein. Die Polymere können ein einzelnes Polymeres oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zur Formung eines Polymeren mit Gedächtnisfunktion schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazene, Poly(vinylalkohole), Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäuren), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten schließen ein: Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat). Beispiele von anderen geeigneten Polymeren schließen ein: Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether) ethylenvinylacetat, Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly(ethylenterephthalat), Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymeres), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymeres), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butyl-acrylat, Poly(norbornyl-polyhedral-oligomeres-silsesquioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere und dergleichen.
Das Polymere mit Gedächtnisfunktion oder die Legierung mit Gedächtnisfunktion können mittels beliebiger geeigneter Einrichtungen aktiviert werden, bevorzugt einer Einrichtung, um das Material einer Temperaturveränderung über oder unter eine Umwandlungstemperatur zu unterwerfen. Beispielsweise kann für erhöhte Temperaturen Wärme unter Verwendung von heißem Gas (z. B. Luft), Dampf, heißer Flüssigkeit oder elektrischem Strom angeliefert werden. Die Aktivierungsmittel können beispielsweise in Form von Wärmeleitung aus einem Heizelement in Kontakt mit dem Material mit Gedächtnisfunktion, durch Wärmekonvektion aus einer erhitzten Leitung in der Nähe des thermisch aktiven Materials mit Gedächtnisfunktion, ein Heißluftgebläse oder einen Heißluftstrom, durch Mikrowelleneinwirkung, durch Widerstandserhitzung und dergleichen gegeben sein. Im Fall eines Temperaturabfalls kann Wärme unter Verwendung von kaltem Gas oder durch Verdampfung eines Kühlmittels entzogen werden. Die Aktivierungseinrichtung kann beispielsweise in Form eines kalten Raumes oder einer kalten Umhüllung oder einer kalten Sonde mit einer gekühlten Spitze, einem Steuersignal zu einer thermoelektrischen Einheit, einem Kaltluftgebläse oder Kaltluftstrom oder Mittel zur Einführung eines Kühlmittels (beispielsweise von flüssigem Stickstoff) zu wenigstens der Nähe des Materials mit Gedächtnisfunktion vorliegen.
Geeignete magnetische Materialien schließen ein, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf: Weichmagnete oder Hartmagnete, Hematit, Magnetit, magnetisches Material basierend auf Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen der zuvor genannten Materialien oder Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten Materialien umfassen, und dergleichen. Legierungen von Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.
Geeignete MR-Fluidmaterialien schließen ein, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf: ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen, dispergiert in einem Trägerfluid. Geeignete Teilchen schließen ein: Eisen, Eisenlegierungen wie solche unter Einschluß von Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer; Eisenoxide einschließlich Fe₂O₃ und Fe₃O₄, Eisennitrid, Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel und Legierungen von Nickel, Kobalt und Legierungen von Kobalt, Chromdioxid, rostfreier Stahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele von geeigneten Teilchen schließen ein: normale Eisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen von Eisenoxidpulver/normalem Eisenpulver und Mischungen von Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes magnetansprechendes teilchenförmiges Material ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Teilchengröße sollte derart ausgewählt sein, daß die Teilchen Multibereichsmerkmale, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden, zeigen. Durchmessergrößen für Teilchen können geringer als oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer mehr bevorzugt sind. Ebenfalls bevorzugt ist ein Teilchendurchmesser von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 mehr bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Teilchen sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Vol.-% der MR-Fluidgesamtzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide schließen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten ein. Beispiele schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf: Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Silikoncopolymere, Weißöle, hydraulische Öle, Transformatoröle, halogenierte organische Flüssigkeiten wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe, Diester, Polyoxyalkylene, fluorierte Silikone, Cyanoalkylsiloxane, Glycole, synthetische Kohlenwasserstofföle einschließlich ungesättigten und gesättigten sowie Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann geringer als oder gleich etwa 100.000 Centipoise sein, wobei weniger als oder gleich etwa 10.000 Centipoise bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 1000 Centipoise mehr bevorzugt sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt sind.
Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere solche, welche hydrophile Mineraltone wie Bentonit oder Hectorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann umfassen: Wasser oder Wasser, welches eine kleine Menge von polaren, mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglycol, Propylenglycol und dergleichen umfaßt. Die Menge von polaren organischen Lösungsmitteln ist geringer als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids und bevorzugt weniger als oder gleich etwa 3,0%. Ebenfalls ist die Menge von polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1% und mehr bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt geringer als oder gleich etwa 13 und bevorzugt geringer als oder gleich etwa 9,0. Ebenfalls ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt großer als oder gleich etwa 8,0.
Natürlicher oder synthetischer Bentonit oder Hectorit können verwendet werden. Die Menge von Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist geringer als oder gleich etwa 10 Gew.-% des gesamten MR-Fluids, bevorzugt weniger als oder gleich etwa 8,0 Gew.-% und mehr bevorzugt geringer als oder gleich etwa 6,0 Gew.-%. Bevorzugt liegt der Bentonit oder Hectorit mit größer als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, mehr bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Gew.-% und besonders bevorzugt größer als oder gleich etwa 2,0 Gew.-% des gesamten MR-Fluids vor.
Wahlweise Komponenten des MR-Fluids schließen ein: Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispersionsmittel, Korrosionsinhibitoren, Gleitmittel, Antiverschleißzusätze für extremen Druck, Antioxidantien, thixotrope Mittel und konventionelle Suspensionsmittel. Carboxylatseifen schließen ein: Eisen(II)-oleat, Eisen(II)-naphthenat, Eisen(ii)-stearat, Aluminium-di- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat, sowie Tenside wie Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerinmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische polymere Ester, und Titanat-Aluminat- und Zirkonatkupplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole wie Polyethylenglycol und partiell veresterte Polyole können ebenfalls eingeschlossen sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien schließen ein, sie sollen jedoch nicht beschränkt sein auf eine elastische Polymermatrix, welche eine Suspension von ferromagnetischen oder paramegnetischen Teilchen umfaßt, worin die Teilchen zuvor beschrieben wurden. Geeignete Polymermatrizes schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Poly-alpha-olefine, Naturgummi, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere schließen solche polymeren Materialien ein, welche piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften beim Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Die Materialien benutzen im Allgemeinen die Anwendung von zugehörigen Elektroden, welche es ermöglichen, daß die Polymerfilme sich in der Ebene liegenden Richtungen im Ansprechen auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Spannungen expandieren oder zusammenziehen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven gepfropften Elastomeren mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluoridtrifluor-ethylen)-copolymeren. Diese Kombination hat die Fähigkeit zur Erzeugung einer variierenden Menge von ferroelektrischen-elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktives Stellglied betrieben werden.
Zur Verwendung als ein elektroaktives Polymeres geeignete Materialien können ein beliebiges, im wesentlichen isolierendes Polymeres oder einen im wesentlichen isolierenden Gummi (oder eine Kombination) einschließen, das/der sich im Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft deformiert, oder dessen Deformation eine Veränderung im elektrischen Feld ergibt. Beispielhafte Materialien, welche zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymeres geeignet sind, schließen Silikonelastomere, acrylartige Elastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, PVDF umfassende Copolymere, druckempfindliche Klebstoffe, Fluorelastomere, Silikon- und Acryleinheiten umfassende Polymere und dergleichen ein. Polymere, welche Silikon- und Acryleinheiten umfassen, können Copolymere einschließen, welche beispielsweise Silikon- und Acryleinheiten umfassen, Polymermischungen, welche ein Silikonelastomeres und ein Acrylelastomeres umfassen.
Als ein elektroaktives Polymeres verwendete Materialien können ausgewählt werden, basierend auf einer oder mehreren Materialeigenschaften wie einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), eine hohe Dielektrizitätskonstante und dergleichen. Bei einer Ausführungsform wird das Polymere derart ausgewählt, daß es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa besitzt. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Polymere derart ausgewählt, daß es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa hat. Bei einer anderen Ausführungsform wird das Polymere derart ausgewählt, daß es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 12 hat. Die vorliegende Beschreibung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die zuvor angegebenen Bereiche erwünscht, falls die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit besitzen. In zahlreichen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und verwendet werden. Für diese dünnen Filme geeignete Stärken können unterhalb 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen verbiegen können, sollten an die Polymere angeschlossene Elektroden sich ebenfalls ohne Beeinträchtigung der mechanischen oder elektrischen Leistungsfähigkeit verbiegen. Im Allgemeinen können für die Verwendung geeignete Elektroden von beliebiger Gestalt und aus beliebigem Material sein, vorausgesetzt, daß sie in der Lage sind, eine geeignete Spannung zu einem elektroaktiven Polymeren anzuliefern oder hiervon eine geeignete Spannung zu erhalten. Die Spannung kann zeitlich entweder konstant oder variierend sein. Bei einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymeren. An dem Polymeren haftende Elektroden sind bevorzugt anpassungsfähig und können sich an die Veränderung der Gestalt des Polymeren anpassen. Dementsprechend kann die vorliegende Beschreibung anpassungsfähige Elektroden einschließen, welche mit der Gestalt eines elektroaktiven Polymeren, an welches sie gebunden sind, übereinstimmen. Die Elektroden können nur auf einen Teil eines elektroaktiven Polymeren aufgelegt werden, und sie begrenzen eine aktive Fläche entsprechend ihrer Geometrie. Verschiedene Typen von Elektroden, welche zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, schließen strukturierte Elektroden ein, welche Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, welche die Veränderung aus Dimensionen der Ebene umfassen, leitfähige Fette wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Aspektverhältnis wie Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhrchen, und Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien.
Das aktive Material kann ebenfalls ein piezoelektrisches Material umfassen. Ebenfalls kann in bestimmten Fällen das piezoelektrische Material als ein Stellglied zu einer raschen Entfaltung konfiguriert werden. Wie hier verwendet, wird der Ausdruck ”piezoelektrisch” zur Beschreibung eines Materials verwendet, welches sich mechanisch (Gestaltveränderungen) deformiert, wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder welches umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch deformiert wird. Bevorzugt wird ein piezoelektrisches Material auf Streifen eines flexiblen Metalls oder einer keramischen Platte angeordnet. Die Streifen können unimorph oder bimorph sein. Bevorzugt sind die Streifen bimorph, da bimorphe Streifen im Allgemeinen eine größere Verschiebung als unimorphe Streifen zeigen.
Ein Typ von Unimorphität ist eine Struktur, zusammengesetzt aus einem einzelnen piezoelektrischen Element, das extern an einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen verklebt ist, wobei es durch das piezoelektrische Element angeregt wird, wenn mit einer sich verändernden. Spannung aktiviert wird, und eine axiale Ausbeulung oder Verformung, wenn es der Bewegung des piezoelektrischen Elementes entgegen wirkt, ergibt. Die Stellgliedbewegung für ein unimorphes Material kann durch Kontraktion oder Expansion erfolgen. Unimorphe Teile können eine Dehnung von so hohem Wert wie etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringe Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur aushalten. Ein kommerzielles Beispiel eines vorgespannten unimorphen Teiles wird als ”THUNDER” bezeichnet, wobei dies eine Abkürzung ist für ”Thin layer composite Unimorph ferroelectric Driver and sEnsoR”. THUNDER ist eine Verbundstruktur, aufgebaut mit einer piezoelektrischen keramischen Schicht (beispielsweise Bleizirkonattitanat), welche auf ihren zwei Hauptflächen elektroplattiert ist. Eine Vorspannungsschicht aus Metall ist an der elektroplattierten Oberfläche von wenigstens einer Seite der keramischen Schicht mittels einer Klebstoffschicht befestigt (beispielsweise ”LaRC-SI^®”, entwickelt von National Aeronautics and Space Administration (NASA)). Während der Herstellung eines THUN-DER-Stellgliedes werden die keramische Schicht, die Klebstoffschicht und die erste Vorspannungsschicht gleichzeitig auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Klebstoffes erhitzt und dann anschließend abkühlen gelassen, wodurch die Klebstoffschicht sich wieder verfestigt und aushärtet. Während des Auskühlvorganges wird die keramische Schicht als Folge der höheren Koeffizienten der thermischen Kontraktion der Metallvorspannungsschicht und der Klebstoffschicht im Gegensatz zu der keramischen Schicht gedehnt. Ebenfalls während der größeren thermischen Kontraktion der Laminatmaterialien als derjenigen der keramischen Schicht deformiert die keramische Schicht in eine bogenförmige Gestalt, welche eine im Allgemeinen konkave Fläche hat.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung schließt eine bimorphe Vorrichtung eine zwischenliegende flexible Metallfolie ein, welche zwischen zwei piezoelektrischen Elementen gesandwiched ist. Bimorphe Strukturen zeigen eine größere Verschiebung als unimorphe Strukturen, da unter der angelegten Spannung ein keramisches Element sich zusammenzieht, während das andere sich ausdehnt. Bimorphe Strukturen können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, jedoch können sie vergleichbar zu unimorphen Strukturen im Allgemeinen nicht hohe Belastungen relativ zu den Gesamtdimensionen der unimorphen Struktur aushalten.
Geeignete piezoelektrische Materialien schließen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle ein. Im Hinblick auf organische Materialien können alle polymeren Materialien mit nicht-zentrosymmetrischer Struktur und Gruppen mit großem Dipolmoment auf der Hauptkette oder auf der Seitenkette oder auf beiden Ketten innerhalb des Moleküls als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten Polymeren schließen beispielsweise ein, sind jedoch nicht beschränkt auf: Polynatrium-4-styrolsulfonat) (”PSS”), Poly S-119 (Poly(vinylamin)rückgrat-azochromophor) und deren Derivate, Polyfluorkohlenstoffe einschließlich Polyvinylidenfluorid (”PVDF”), sein Copolymeres Vinylidenfluorid (”VDF”), Trifluorethylen (TrFE) und deren Derivate, Polychlorkohlenstoffe einschließlich Poly(vinylchlorid) (”PVC”), Polyvinylidenchlorid (”PVC2”) und deren Derivate Polyacrylnitrile (”PAN”) und deren Derivate, Polycarbonsäuren einschließlich Poly(methacrylsäure) (”PMA”) und deren Derivate, Polyharnstoffe und deren Derivate, Polyurethane (”PUE”) und deren Derivate, Biopolymermoleküle wie Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Membranproteine wie Phosphat-Biomoleküle, Polyaniline und deren Derivate und alle Derivate von Tetraminen, Polyimiden einschließlich Kapton-Molekülen und Polyetherimid (”PEI”) und deren Derivate, alle Membranpolymere, Poly(N-vinylpyrrolidon) (”PVP”) Homopolymeres und seine Derivate und statistische PVP-Covinylacetat (”PVAc”) Copolymere und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten, sowie Mischungen hiervon.
Weiterhin können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen hiervon einschließen. Diese piezoelektrischen Materialien können ebenfalls einschließen beispielsweise: Metalloxid wie SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen hiervon, sowie Verbindungen der Gruppe VIA und IIB wie CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe 2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen hiervon.
Die Wirkung des aktiven Materials in dem Mechanismus zur Aufprallabmilderung wird entweder direkt oder indirekt verwendet, um die Haube reversibel anzuheben oder hochzuschwenken.
Eine Ausführungsform eines aktiven Materials, basierend auf reversibel expandierbarem Notpolster zum lokalen Anheben der Haube über einen harten Gegenstand unter ihr ist in 2 gezeigt. Ein solches Polster kann auf der Unterseite der Haube unmittelbar oberhalb des harten Gegenstandes montiert werden, so daß bei Bedarf die Expansion des Polsters zuerst beliebigen Raum zwischen der Haube und dem harten Gegenstand auffüllen würde (auf diese Weise Veränderung der Nachgiebigkeit der Haube) und dann die Haube deformiert würde (falls zusätzliche Energieabsorptionsfähigkeit gewünscht ist) nach oben bei weiterer Expansion. In 2 ist eine Unterseite einer beispielhaften Haube gezeigt, allgemein bezeichnet durch die Bezugsziffer 10. Wie gezeigt, sind auf aktivem Material basierende expandierbare Notpolster 12 rings um die Unterseite der Haube 10 positioniert. Die exakte Positionierung der Polster hängt von den gewünschten Energieabsorptionseigenschaften für die vorgesehene Verwendung ab. Obwohl auf die Unterseite der Haube 10 Bezug genommen wird, ist darauf hinzuweisen, daß die Polster auf Basis von aktivem Material an den Fahrzeuglängsträgern (nicht gezeigt), auf denen die Haube ruht und hieran schwenkbar befestigt ist, angebracht werden könnten.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, schließen die auf aktivem Material basierenden Polster 12 im Allgemeinen eine Abdeckung 13 und ein aktives Material 14 in operativer Verbindung mit der Abdeckung 13 ein. 3 erläutert die Baugruppe in einer kompaktierten Konfiguration und 4 zeigt die Polsterbaugruppe in expandierter Konfiguration. Wie gezeigt, ist die Polsterbaugruppe 12 mit einer unteren Platte 16 ausgerüstet, welche für die mechanische Verbindung mit Komponenten unter der Haube wie einem Motorblock, sowie mit einer oberen Platte 17, welche mit der Unterseite der Haube in Verbindung steht, ausgerüstet. Das Polster kann durch Befestigung entweder an der Haube oder an einer Komponente unter der Haube, z. B. Längsträgern, ausgerüstet sein. Wenn installiert, füllt die Baugruppe wenigstens teilweise den Raum zwischen der Haube 10 und den Komponenten unterhalb der Haube 10, z. B. dem Motor. Bei einer Ausführungsform ist das aktive Material 14 zur Änderung der Gestalt ausgelegt, um eine Veränderung in den Längenabmessungen herbeizuführen und zu bewirken, daß sich die Abdeckung 13 ausdehnt. Bei anderen Ausführungsformen können die Polster 12 so aufgebaut sein, daß sie sowohl Expansions- als auch Kontraktionskräfte liefern. Dies bedeutet, ein Teil der Polster kann ausgelegt sein, um eine Expansionskraft bei Auslösung zu liefern, während ein anderer Teil ausgelegt sein kann, um Kontraktionskräfte bei Auslösung zu liefern.
Bei einigen Ausführungsformen kann bei Unterbrechung des Aktivierungssignals das aktive Material sich praktisch zurück zu seiner ursprünglichen Gestalt (und ursprünglichen Längendimension) verändern und gleichzeitig die Abdeckung im wesentlichen zu ihrer ursprünglichen Gestalt und/oder ursprünglichen Position zurück zusammenziehen. Das Aktivierungssignal kann ein Wärmesignal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Aktivierungssignal, Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten Signale umfassen, und dergleichen sein, wobei das besondere Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Konfiguration des Materials 14 mit Gedächtnisfunktion abhängig ist. Bei einigen Ausführungsformen erhöht das aktive Material 14 durch Wärme seine Längenabmessung im Ansprechen auf das Aktivierungssignal, um zu bewirken, daß die Abdeckung 13 expandiert. Gleichzeitig bewirkt Expansion des Polsters, daß die Platten 16 und 17 mit der Komponente unter der Haube bzw. der Haube in Eingriff kommen, so daß die Haube nach oben bei weiterer Expansion deformiert wird. Die Haube und das Polster 10 in ihrer expandierten Form können dann verwendet werden, um die kinetische Energie eines Gegenstandes, welcher gegen die Haube anstößt, zu absorbieren. Die Abdeckung 13 und das Material 14 mit Gedächtnisfunktion können individuell wie auch in Kombination zusätzliche Energieabsorptionseigenschaften für das Polster 11 liefern.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt das Polster 11 weiterhin einen Sensor 18 und eine Steuereinrichtung 20 in operativer Verbindung mit dem aktiven Material 14 für die Ausdehnung (und/oder Ablösung) der Abdeckung 12 im Ansprechen auf ein Aktivierungssignal, welches durch den Sensor 18 geliefert wird. Der Sensor 18 ist bevorzugt so aufgebaut, daß er eine Vor-Aufprallinformation zu der Steuereinrichtung 20 liefert, welche dann das die Haube anhebende Polster 11 unter vorprogrammierten Bedingungen, welche durch einen Algorithmus oder dergleichen definiert sind, betätigt. Auf diese Weise kann das Polster 11 zur Vorwegnahme eines Ereignisses wie eines Aufpralls mit einem Gegenstand verwendet werden und eine Veränderung in der Haubenkonfiguration liefern, bevor Absorption der kinetischen Energie, welche mit dem Gegenstand verbunden ist, als ein Ergebnis des Aufpralles absorbiert wird. Das Polster 11 ist lediglich beispielhaft und soll nicht auf irgendeine besondere Gestalt, Größe, Konfiguration oder dergleichen beschränkt sein.
Das aktive Material 14 umfaßt bevorzugt ein Material, welches zur Bereitstellung einer Expansion der Abdeckung 13 aktiviert werden kann. Das aktive Material 14 wird so ausgewählt, daß es ebenfalls Kontraktionsfähigkeiten liefert. Auf diese Weise ist das Polster 11 reversibel und eine wiederholte Anwendung ist beispielsweise in Situationen verfügbar, wo Beschädigung vom Aufprall nur sehr schwach ist oder wo ein Aufprall nach Betätigung des Polsters zur Haubenanhebung gänzlich vermieden wird. Wie zuvor angegeben, schließen bevorzugte aktive Materialien 14 Legierungen mit Gedächtnisfunktion, elektroaktive Polymere, Polymere mit Gedächtnisfunktion, piezoelektrische Materialien und dergleichen ein.
Bei einigen Ausführungsformen umfassen die aktiven Materialien Legierungen mit Gedächtnisfunktion in Form von Fasern. Die Fasern können als Federn, Schleifen, untereinander verbundene Netzwerke und dergleichen aufgebaut sein. Die Fasern können integral mit der Trägerstruktur geformt sein, oder mehr bevorzugt können sie direkt an der unteren Plattenträgerstruktur 16 und/oder der Abdeckung 13 befestigt sein. Beispielsweise können die Legierungen mit Gedächtnisfunktion mechanisch an der Platte festgeklammert sein, ein Klebstoff (z. B. ein mit Silber dotiertes Epoxyharz) kann an der unteren Plattenträgerstruktur 16 und/oder der Abdeckung 13 aufgebracht sein, und das aktive Material 14 kann mechanisch in den Klebstoff und ähnliche Befestigungseinrichtungen gepreßt sein. Alternativ können aus Dampf gewachsene Fasern von Legierungen mit Gedächtnisfunktion direkt aus einer Gasphase auf eine untere Platte 16 und/oder die Abdeckung 13 abgelagert werden. Bevorzugt ist die Dicke, die Länge und die Gesamtgeometrie der Faser aus Legierung mit Gedächtnisfunktion geeignet, um eine effektive Längendimensionsveränderung mit ausreichenden Kraftwerten zu liefern, um die Betätigung des Haubenanhebens zu erreichen, d. h. zu bewirken, daß sich die Abdeckung 13 ausdehnt. Die Faser aus Legierung mit Gedächtnisfunktion sollte ebenfalls von einer Dicke, einer Länge und einer Gesamtgeometrie sein, welche zur Lieferung des gewünschten Effektes der Gedächtnisfunktion effektiv ist. Die Fasern sollen nicht auf irgendeine besondere Gestalt beschränkt sein.
Die Trägerstruktur 16 der unteren Platte kann ebenfalls die Aktivierungsvorrichtung zur Lieferung des thermischen Aktivierungssignals zu dem Material mit Gedächtnisfunktion in Abhängigkeit von der besonderen Auslegung der energieabsorbierenden Baugruppe umfassen. Beispielsweise kann die Trägerstruktur 16 der unteren Platte einen Block vom Widerstandserhitzungstyp beinhalten, um ein ausreichendes Wärmeenergiesignal zur Herbeiführung der Formänderung zu liefern.
Verwendung des piezoelektrischen Materials benutzt ein elektrisches Signal für die Aktivierung. Bei Aktivierung nimmt das piezoelektrische Material eine bogenförmige Gestalt an, wodurch Verschiebung in den gespannten Zustand bewirkt wird. Bei Unterbrechung des Aktivierungssignals nehmen die Streifen ihre ursprüngliche Gestalt, Dimension, an, z. B. eine Dimension mit gerader Gestalt.
In vergleichbarer Weise benutzt die Aktivierung eines auf EAP basierenden Polsters bevorzugt ein elektrisches Signal, um eine Veränderung der Gestalt, Dimension, herbeizuführen, welche zur Herbeiführung von Verschiebung ausreicht.
Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung an das EAP kann einen reversiblen Mechanismus liefern.
Wie zuvor erläutert, sind die verschiedenen Gestalten des aktiven Materials 14, welche in den energieabsorbierenden Polsterbaugruppen 11 verwendet werden, praktisch unbegrenzt. Geeignete geometrische Anordnungen können zellförmige Metalltextilien, offenzellige Schaumstrukturen, Mehrfachschichten von Material mit Gedächtnisfunktion vergleichbar zu Gaspolsterfolien, Anordnungen von Haken und/oder Schleifen und dergleichen einschließen.
Die Aktivierungszeiten variieren im Allgemeinen in Abhängigkeit von der beabsichtigten Anwendung, dem besonderen benutzten aktiven Material, der Größe des Aktivierungssignals und dergleichen. Beispielsweise ist es für Hauben- und Kofferraumverriegelungen im Allgemeinen bevorzugt, eine Aktivierungszeit von weniger als etwa 10 Millisekunden zu haben, eine Aktivierungszeit von weniger als 5 Millisekunden ist für einige Anwendungen mehr bevorzugt, eine Aktivierungszeit von weniger als 3 Millisekunden ist sogar noch mehr für andere Anwendungen bevorzugt, und eine Aktivierungszeit von weniger als 0,5 Millisekunden für noch andere Anwendungen.
Vorteilhafterweise liefern die Haubenbaugruppen unter Verwendung der aktiven Materialien zur Herbeiführung von Veränderungen der Energieabsorptionseigenschaften ein relativ robustes System im Vergleich zu konventionellen Systemen, welche einen auf hydraulischen Einrichtungen und dergleichen basierenden Verschiebungsmechanismus verwenden. Zusätzlich zur Bereitstellung von Reversibilität sind darüber hinaus die auf aktivem Material basierenden Stellglieder relativ kompakt und von signifikant niedrigerem Gewicht. Vom Fachmann auf dem Gebiet ist anzuerkennen, daß die hier verwendeten aktiven Materialien die Verwendung von Vor-Crashsensoren erlauben.

Claims

Kraftfahrzeug umfassend: eine schwenkbare Motorhaube und/oder Gepäckraumhaube (10), ein unter der Haube (10) angeordnetes Bauteil und eine Polsterbaugruppe (12) umfassend eine untere Platte (16) angepasst zur mechanischen Verbindung mit dem unter der Haube (10) angeordneten Bauteil, eine obere Platte (17), welche in Verbindung mit der Unterseite der Haube (10) steht, ein aktives Material (14) zwischen der unteren Platte (16) und der oberen Platte (17), das in operativer Verbindung mit der Haube (10) angeordnet ist, sowie ferner eine Abdeckung (13), die in operativer Verbindung mit dem aktiven Material (14) steht, wobei das aktive Material (14) umfaßt: eine Legierung mit Gedächtnisfunktion, ein Polymer mit Gedächtnisfunktion, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten aktiven Materialien umfassen, und eine Aktivierungsvorrichtung, die mit dem aktiven Material (14) gekoppelt ist, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu angepasst ist, selektiv ein Aktivierungssignal zu dem aktiven Material (14) zu liefern und dadurch eine Änderung in der Längenabmessung des aktiven Materials und eine Expansion der Abdeckung (13) zu bewirken, um dadurch die Haube (10) in Bezug auf das unter der Haube (10) angeordnete Bauteil reversibel anzuheben oder hochzuschwenken.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Haube (10) aus dem aktiven Material (14) gebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Haube (10) wenigstens einen Abschnitt umfaßt, der aus dem aktiven Material (14) gebildet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Belastung oder eine Kombination umfaßt, welche wenigstens eines der zuvor genannten Aktivierungssignale umfaßt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haube (10) an einem Scharnier schwenkbar an dem Kraftfahrzeug befestigt ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haube (10) in einem Bereich zwischen dem Insassenabteil und dem vorderen Stoßfänger des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Haube (10) in einem Bereich zwischen dem Insassenabteil und dem rückwärtigen Stoßfänger des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei dieses ferner einen Sensor (18) und eine Steuereinrichtung (20) in operativer Verbindung mit dem aktiven Material umfasst, wobei der Sensor (18) eine auf einem Signal basierende Vor-Aufprallinformation oder eine Aufprallinformation erzeugt und zu der Steuereinrichtung (20) liefert, welche das Aktivierungssignal zu dem aktiven Material (14) liefert.