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Hintergrund
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Lenkradhubsysteme und im Spezielleren
ein Lenkradhubsystem und -verfahren einer Energieabsorption unter Verwendung
einer Betätigung
mittels eines aktiven Materials.
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Um
das Risiko einer Verletzung des Fahrers während eines Unfallereignisses
zu verringern, weisen herkömmliche
Lenksäulen
oft Energie absorbierende Elemente wie z. B. eine zusammenklappbare Lenkwelle
und Abbrech-Montagemerkmale auf. Diese Merkmale ermöglichen
es im Spezielleren, dass die Lenksäule bei einem Zusammenprall
mit dem Fahrer nachgibt, was auch als „Lenksäulenhub” bezeichnet wird. Während sie
die Sicherheit erhöhen, weisen
diese Merkmale jedoch typischerweise eine für alle Toleranzen passende
Größe auf,
bei denen die Rate der Energieabsorption unabhängig von Ereignis- oder Fahrercharakteristika
konstant bleibt. Ferner ist von Bedeutung, dass die irreversible
Scherung und Verformung, welche diese Systeme typischerweise vorsehen,
einen einmaligen Gebrauch zur Folge haben, der eine Reparatur und/oder
einen Austausch der Teile nach einem Gebrauch notwendig macht.
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Es
wurde auch ein Energieabsorptionssystem entwickelt, in dem ein variabler
Dämpfer
außen mit
der Säule
gekoppelt und durch die Entfaltung eines Airbags angetrieben wird,
aber auch dieses System bringt Probleme mit sich. Zum Beispiel führt das Hinzufügen einer äußeren Struktur
zu Herausforderungen, was die Unterbringung in dem für Lenksäulen notwendigen
typischen engen Raum betrifft. Überdies
ist einzusehen, dass im Hinblick auf die Fahrersicherheit die Huboptimierung
nahe am Ende einer typischen Airbagentfaltung oder anschließend daran
anstatt zu deren Beginn stattfindet.
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Kurzzusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Lenkradhubsystem und ein Verfahren
zur Energieabsorption vor, das eine Betätigung mittels eines aktiven
Materials verwendet, um es zu ermöglichen, die Hubkraft und das
Energieabsorptionsvermögen
der Lenksäule auf
der Basis eines Sensoreinganges in Bezug auf die Fahreranthropometrie
und die spezifische Natur des Unfallereignisses einschließlich solcher
Faktoren wie die Fahrzeugverlangsamung, die Fahrzeuggeschwindigkeit,
ob der Fahrer angegurtet ist, ob sich der Airbag entfaltet hat etc.
maßzuschneidern.
Das System ist ferner geeignet, ein einfach rücksetzbares Hubsystem bereitzustellen,
das keine/n Reparatur und/oder Austausch von Teilen nach einem Gebrauch
erfordert.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Lenksäule, die zur Verwendung mit
einem Kraftfahrzeug und einem Fahrer geeignet ist und ein selektives
Energieabsorptionsvermögen
aufweist. Die Säule
umfasst ein Strukturglied, das ausgebildet ist, um eine durch den
Fahrer während
eines Unfallereignisses erzeugte Aufprallkraft zu übertragen.
Ein Energieabsorptionselement ist mit dem Element kommunikativ gekoppelt,
um die Kraft davon aufzunehmen. Das Element ist zumindest teilweise
aus einem aktiven Material gebildet, das zwischen einer ersten und einer
zweiten Phase änderbar
ist, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt wird. Das Element
wird dazu gebracht, sich durch die Energie von der Kraft zu verformen
und absorbiert diese daher während des
Ereignisses bei einer ersten Energieabsorptionsrate in der ersten
Phase und bei einer zweiten Energieabsorptionsrate in der zweiten
Phase.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewirken
eines Lenksäulenhubes während eines
Unfallereignisses unter Verwendung einer Betätigung mit einem aktiven Material.
Das Verfahren umfasst die Schritte, dass eine Lenksäule in einer
festen Position relativ zu dem Lenkrad befestigt wird, sodass die
Säule und
das Rad einer Aufprallkraft standhalten und zusammenwirkend eine
erste Rate einer Energieabsorption während des Ereignisses aufweisen.
Die Säule
ist zumindest teilweise aus einem aktiven Material gebildet, das
eine erste Phase aufweist. Das Verfahren umfasst, dass, entweder vorhersagend
oder tatsächlich,
das Stattfinden des Ereignisses bestimmt wird und dann das Material
einem Aktivierungssignal ausgesetzt wird, um zu bewirken, dass sich
das Material in eine zweite Phase ändert, wobei die Rate der Energieabsorption
infolgedessen modifiziert wird, wenn das Ereignis bestimmt wird.
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Es
ist somit für
einen Fachmann einzusehen, dass die vorliegende Erfindung eine Anzahl
von Vorteilen gegenüber
herkömmlichen
Hubsystemen aufweist. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung, die
beispielhafte Ausführungsformen
eines Energie absorbierenden Elements umfassen, das eine Formgedächtnislegierung,
ein Formgedächtnispolymere, magnetorheologische
und elektrorheologische Zusammensetzungen, ein piezoelektrisches
Material, sich zusammen schiebende Teile und andere Konfigurationen
verwendet, werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform(en)
und den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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(Eine)
bevorzugte Ausführungsform(en)
der Erfindung ist/sind unten stehend im Detail unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungsfig beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer Lenksäule ist, die ein erfindungsgemäßes Energieabsorptionselement
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aufweist;
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2 eine
seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine erste Ausführungsform des
Energieabsorptionselements umfasst, wobei eine kollabierfähige Formgedächtniswand
gabelförmige
Abschnitte des Säulenschafts
miteinander verbindet;
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3 eine
seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine zweite Ausführungsform
des Energieabsorptionselements umfasst, wobei die Säule einen
zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil und eine Vielzahl von
Formgedächtniserhebungen
umfasst, die mit den benachbarten Flächen der Teile ausgerichtet
sind und in Eingriff stehen;
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4 eine seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine dritte Ausführungsform des
Energieabsorptionselements umfasst, wobei die Säule einen zusammenschiebbaren
ersten und zweiten Teil und einen Verblockungsstift umfasst, der
lösbar
mit einem Formgedächtnisdraht
gekoppelt ist, wobei der Stift in die Teile eingreift;
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4a eine
partielle Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine alternative dritte Ausführungsform des Energieabsorptionselements
umfasst, wobei der Verblockungsstift mit einer Formgedächtnisfeder
gekoppelt ist;
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5 eine
perspektivische Darstellung eines Säulensegments ist, das eine
vierte Ausführungsform
des Energieabsorptionselements umfasst, wobei das Element eine erste
und eine zweite Scheibe umfasst, die über eine Vielzahl von diagonalen Schenkeln
miteinander verbunden sind;
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6 eine
seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine fünfte
Ausführungsform
des Energieabsorptionselements umfasst, wobei die Säule einen
zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil umfasst, die zusammenwirkend
einen inneren Raum definieren, und das Element ein magneto- oder
elektrorestriktives Fluid umfasst, das innerhalb des Raumes untergebracht
ist;
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7 eine
seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine sechste Ausführungsform
des Energieabsorptionselements umfasst, wobei die Säule einen
zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil und eine Vielzahl von
piezoelektrischen Gliedern umfasst, die mit den benachbarten Flächen der
Teile in Eingriff stehen und ausgerichtet sind; und
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8 eine
seitliche Aufrissansicht eines Säulensegments
ist, das eine siebte Ausführungsform
des Energieabsorptionselements umfasst, wobei die Säule einen
zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil umfasst, die zusammenwirkend
einen inne ren Raum definieren, und das Element ein externes pneumatisches
oder hydraulisches System umfasst, das mit dem Raum kommuniziert
und ein durch ein aktives Material betätigtes Ventil aufweist.
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Detaillierte Beschreibung
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft ein Energieabsorptionssystem 10,
das zur Verwendung mit einer Lenksäule 12 (1)
wie z. B. von der Art geeignet ist, die ein Kraftfahrzeug (nicht
gezeigt) typischerweise umfasst. Das erfindungsgemäße System 10 verwendet
allgemein die Fähigkeit
eines aktiven Materials und die einzigartigen Eigenschaften, die dieses
zeigt, um eine/n Lenkradhub/entriegelung und/oder Hubkraft während eines
Unfallereignisses zu bewirken. Infolgedessen ist einzusehen, dass
die Hubkraft und die Energieabsorption, die der Fahrer (ebenfalls
nicht gezeigt) erfährt,
im Allgemeinen verglichen mit herkömmlichen Hubsystemen besser
für die
spezifische Natur des Unfallereignisses maßgeschneidert ist. Stärker bevorzugt
verwendet das System 10 eine selektiv abstimmbare und/oder
fahrerspezifische Lösung.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist einzusehen, dass die Säule 12 zumindest
ein Strukturglied 14 aufweist, dessen Ausgestaltung die Übertragung
einer Aufprallkraft während
eines Unfallereignisses, wie sie typischerweise entwickelt wird, wenn
der Fahrer dazu gebracht wird, das Lenkrad entweder direkt oder über den
Fahrerairbag auf Grund der plötzlichen
Verlangsamung des Fahrzeuges zu belasten, zur Folge hat. Das Glied 14 kann
die Lenkwelle oder eine Komponente davon sein, wie in 1 gezeigt,
oder eine Komponente oder ein anderer Teil der Säule 12 wie z. B. die
Halterungs- oder -ummantelungsanordnung sein.
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Das
System 10 umfasst ein Energieabsorptionselement 16,
das kommunikativ mit dem Glied 14 gekoppelt und ausgebildet
ist, um während
eines Ereignisses Kraft davon aufzunehmen. Das erfindungsgemäße Element 16 ist
zumindest teilweise aus einem aktiven Material gebildet, das zwischen
einer ersten und einer zweiten Phase änderbar ist, wenn es einem
Aktivierungssignal ausgesetzt wird. Das Element 16 ist
derart ausgebildet, dass es dazu gebracht wird, durch die Energie
von der Kraft verformt zu werden und diese daher bei einer ersten
Energieabsorptionsrate in der ersten Phase und bei einer zweiten
Energieabsorptionsrate in der zweiten Phase absorbiert, wobei die
Raten bevorzugt eine relative Differenz von zumindest 10%, stärker bevorzugt
25% und am stärksten
bevorzugt 100% aufweisen.
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Als
solches umfasst das System 10 ferner eine Aktivierungsquelle 18 (2),
die ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal zu erzeugen und an das
Material zu liefern. Wie für
einen Fachmann einsehbar, kann das Aktivierungssignal in Abhängigkeit von
der speziellen Natur des verwendeten aktiven Materials ein thermisches,
magnetisches, elektrisches, chemisches und/oder dergleichen Aktivierungssignal
oder eine Kombination von Aktivierungssignalen sein. In einer Fahrzeugeinstellung
kann die Quelle 18 das Ladesystem des Fahrzeuges umfassen,
das über
Kabelleitungen 20 (2) oder
alternativ über
eine drahtlose Verbindung steuerbar mit dem Element 16 gekoppelt
sein kann.
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Die
Quellenaktivierung kann direkt oder indirekt erfolgen. Wie einzusehen
ist, kann eine direkt Aktivierung die Folge eines Wärmenebenprodukts von
dem Fahrzeugmotor oder von der zum Aufblasen des Fahrerairbags verwendeten
Pyrotechnik sein. In Bezug auf die indirekte Aktivierung greifen
die Leitungen 20 bevorzugt in das Element 16 ein,
um elektrischen Strom über
den Widerstand des Materials zu liefern (2), der
wiederum das thermische Aktivierungssignal erzeugt. Diese Aktivierung
kann dann durch den Unfall selbst oder durch einen Sensoreingang
ausgelöst
werden, der eine erhöhte
Wahrscheinlichkeit eines Unfalls angibt. Besonders von Bedeutung
für den
letzteren Fall, in dem der Unfall nicht stattfindet, kann eine Systemrückstellung
bevorzugt dadurch erfolgen, dass das Material bei einer Unterbrechung
des Signals in seinen ursprünglichen Zustand
zurückkehrt;
oder für
die Klassen von aktiven Materialien, die bei einer Unterbrechung
des Aktivierungssignals nicht automatisch zurückkehren, können alternative Mittel verwendet
werden, um das aktive Material in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen.
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I. Aktives Material, Erläuterung
und Funktion
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Wie
hierin verwendet, soll der Ausdruck „aktives Material” das bedeuten,
was ein Fachmann darunter versteht, und umfasst jedes/n Material
oder Verbundstoff, das/der eine reversible Änderung in einer fundamentalen
(z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft
zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle
ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien jene Zusammensetzungen umfassen,
die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches vom Typ für verschiedene
aktive Materialien, von elektrischen, magnetischen, thermischen und
dergleichen Feldern sein kann, eine Änderung von Steifigkeitseigenschaften,
der Form und/oder Abmessungen zeigen können.
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Bevorzugte
aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf die Klassen von Formgedächtnismaterialien,
Kombinationen daraus und Materialien, die reversible Änderungen
in entweder ihrem Modul oder der Scherfestigkeit zeigen. Formgedächtnismaterialien
beziehen sich allgemein auf Materialien oder Zusammensetzungen,
die die Fähigkeit besitzen,
sich an ihre ur sprüngliche
zumindest eine Eigenschaft wie z. B. die Form zu erinnern, die später abgerufen
werden kann, indem ein äußerer Stimulus angewendet
wird, wie hierin im Detail erläutert
wird. Als solches ist eine Verformung gegenüber der ursprünglichen
Form ein temporärer
Zustand. Auf diese Weise können
sich Formgedächtnismaterialien
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Beispielhafte
Formgedächtnismaterialien
umfassen Formgedächtnislegierungen (SMA),
Formgedächtnispolymere
(SMP), elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMAs, elektrorheologische
Fluide (ER), magnetorheologische Fluide (MR), dielektrische Elastomere,
Innenpolymer-Metallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere,
piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen aus den oben
stehenden Materialien und dergleichen.
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Formgedächtnislegierungen
(SMAs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien,
die die Fähigkeit
besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren,
wenn sie einem entsprechenden thermischen Stimulus unterworfen werden.
Formgedächtnislegierungen
sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre
Fließgrenze,
Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur
verändert
werden. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich
auf die Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung
von der Proportionalität
zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen
in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt
werden und werden sich, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt
sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form
vor der Verformung zurückkehren.
Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt
nur beim Erwärmen zeigen,
werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnis in eine Richtung aufweisen.
Jene Materialien, die auch beim Wiederabkühlen ein Formgedächtnis zeigen,
werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen
aufweisen.
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Formgedächtnislegierungen
liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten
verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die
Austenitphase, die oben erläutert
sind. In der nachfolgenden Erläuterung
bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare
Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase
allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn
sich die Formgedächtnislegierung
in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich
in die Austenitphase zu ändern.
Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur
(As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet,
wird als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung
in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich
in die Martensitphase zu ändern,
und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur
(Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich
in Martensit umzuwandeln, wird als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen
sind die Formgedächtnislegierungen
in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und
in der austenitischen Phase härter,
steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist
ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen
ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen
zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
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Formgedächtnislegierungen
können
abhängig
von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung
einen Formgedächtniseffekt in
eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder
einen extrinsischen Formgedächtniseffekt
in zwei Richtungen zeigen. Geglühte
Formgedächtnislegierungen
zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung.
Ein ausreichendes Erwärmen
anschließend
an eine Verformung des Formgedächtnismaterials
bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung induzieren
und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form
wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung
nur beim Erwärmen
beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen
umfassen, welche Gedächtniseffekte
in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es
ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um
die Form zurückzubilden,
die zuvor für eine
Luftströmungssteuerung
geeignet war.
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Intrinsische
und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien sind durch
einen Formübergang
sowohl beim Erwärmen
von der Martensitphase in die Austenitphase als auch einen zusätzlichen
Formübergang
beim Abkühlen
von der Austenitphase zurück
in die Martensitphase gekennzeichnet. Aktive Materialien, die einen
intrinsischen Formgedächtniseffekt
zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung
hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge
der oben angeführten
Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten
in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung
induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung
des Materials, während
es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung,
oder eine Oberflächenmodifizierung
durch z. B. Laserglühen,
Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde,
den Formgedächtniseffekt
in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig-
und Hochtemperaturzuständen
allgemein reversibel und bleibt über
viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind
aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte
in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien,
die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung
kombinieren, welche einen Effekt in eine Richtung mit einem weiteren
Element zeigt, das eine Rückstellkraft
bereitstellt, um die ursprüngliche
Form zurückzubilden.
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Die
Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform
erinnert, wenn sie erwärmt
wird, kann durch geringfügige Änderungen
in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden.
In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen
kann sie z. B. von über
etwa 100°C
auf unter etwa –100°C geändert werden.
Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen
Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von
der gewünschten
Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder
zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der
Formgedächtnislegierung
variieren stark über
den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen den Luftsteuerungsvorrichtungen
typischerweise Formgedächtniseffekte,
superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
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Geeignete
Formgedächtnislegierungsmaterialien
umfassen ohne Einschränkung
Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen
auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis,
Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen,
Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen),
Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen
auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen
auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und
dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von
irgendeiner höheren
Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt
einen Formgedächtniseffekt
wie z. B. eine Änderung
der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und
dergleichen.
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Formgedächtnispolymere
(SMPs) sind auf dem technischen Gebiet bekannt und beziehen sich allgemein
auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit
zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem
geeigneten thermischen Stimulus unterworfen sind. Formgedächtnispolymere
sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre
Form als eine Funktion der Temperatur verändert wird. Im Allgemeinen
besitzen SMPs zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches
Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt
werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder
verarbeitet wird, die höher
ist, als der höchste
thermische Übergang,
gefolgt von einem Abkühlen
unter diese thermische Umwandlungstemperatur. Der höchste thermische Übergang
ist üblicherweise
die Glasübergangstemperatur
(Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann
festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird,
die höher
ist als die Tg oder die Umwandlungstemperatur des weichen Segments,
aber niedriger als die Tg oder der Schmelzpunkt des harten Segments.
Die temporäre
Form wird festgelegt, während
das Material bei der Umwandlungstemperatur des weichen Segments
bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren.
Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das
Material über
die Umwandlungstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die permanente Form des aktiven Materials eine im Wesentlichen
gerade Form, die eine erste Länge
definiert, und die temporäre
Form des aktiven Materials ist eine ähnliche Form, die eine zweite
Länge definiert,
welche kürzer
ist als die erste. In einer weiteren Ausführungsform kann das Formgedächtnispolymer eine
Feder bilden, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie
aktiviert ist, und einen zweiten Modul, wenn sie deaktiviert ist.
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Die
für die
Wiederherstellung der Permanentform erforderliche Temperatur kann
bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt
sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des
Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung
zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung ist
höher oder
gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt
höher oder
gleich etwa 0°C
und am stärksten bevorzugt
eine Temperatur höher
oder gleich etwa 50°C.
Auch ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung niedriger
oder gleich etwa 120°C
und am stärksten
bevorzugt niedriger oder gleich etwa 120°C und höher oder gleich etwa 80°C.
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Geeignete
Formgedächtnispolymere
umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende
Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein
einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere
können
lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten
oder dentritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten
zum Bilden eines Formgedächtnispolymers
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole,
Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate,
Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole,
Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester,
Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane,
Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere
davon. Beispiele für
geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat,
Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat,
Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat,
Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und
Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere
umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin,
chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat,
Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylen-Terephthalat,
Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer),
Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat,
polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid,
Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere
und dergleichen.
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Das
aktive Material kann auch ein elektroaktives Polymer wie z. B. Ionenpolymer-Metallverbundstoffe,
leitfähige
Polymere, ein piezoelektrisches Material und dergleichen umfassen.
Wie hierin verwendet, wird der Ausdruck „piezoelektrisch” verwendet, um
ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt, wenn
ein Spannungspotential angelegt wird, und im Gegensatz dazu eine
elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird.
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Elektroaktive
Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische,
pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf
elektrische oder mechanische Felder zeigen. Die Materialien nutzen
allgemein die Verwendung von nachgiebigen Elektroden, welche es
ermöglichen, dass
sich Polymerfilme in Ansprechen auf angewendete elektrische Felder
oder mechanische Beanspruchungen in den Richtungen in der Ebene
ausdehnen oder zusammenziehen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven
Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer.
Diese Kombination besitzt die Fähigkeit,
eine variable Menge von ferroelektrischen, elektrostriktiven molekularen
Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer
Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
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Materialien,
die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind,
können
jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Kautschuk (oder
eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf
eine elektrostatische Kraft verformt, oder dessen Verformung zu
einer Änderung eines
elektrischen Feldes führt.
Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorverformtes
Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere,
Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF,
Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten
umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten
umfassen, können
z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen
mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
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Materialien,
die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf
der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen
elektrischen Durchbruchsfeldstärke,
eines niedrigen Elastizitätsmoduls
(für große oder
kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen
ausgewählt
sein. In einer Ausführungsform
ist das Polymer derart ausgewählt,
dass es einen Elastizitätsmodul
von höchstens
etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer
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 aufweist. In einer weiteren Ausführungs form
ist das Polymer derart ausgewählt, dass
es eine Dielektrizitätskonstante
zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa
12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche
beschränkt
sein. Idealerweise wären
Materialien mit einer höheren
Dielektrizitätskonstante
als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien
sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante
als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive
Polymere als dünne
Filme hergestellt und implementiert sein. Geeignete Dicken für diese dünnen Filme
können
unterhalb von 50 Mikrometer liegen.
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Da
elektroaktive Polymere sich bei hohen Belastungen durchbiegen können, sollten
sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen,
ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen.
Im Allgemeinen können
zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus
jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete
Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine
geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant
sein oder sich mit der Zeit ändern.
In einer Ausführungsform
haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden,
die an dem Polymer haften, sind bevorzugt fügsam und passen sich der sich
verändernden
Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung
fügsame
Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers,
an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur
an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und
eine aktive Fläche
gemäß ihrer
Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden
Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden
mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden
mit verschiedenen Maßen
außerhalb
der Ebene, leitfähige
Pasten wie z. B.
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Kohlepasten
oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien
mit einem hohen Aspektverhältnis
wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und
Mischungen aus innenleitfähigen
Materialien.
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Materialien,
die für
Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren.
Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden,
können
Grafit, Ruß,
kolloidale Suspensionen, dünne
Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele
und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es
ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen
Polymeren gut funktionieren können
und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente
gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
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Das
aktive Material kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen.
Auch kann das piezoelektrische Material in bestimmten Ausführungsformen
als ein Aktuator eingerichtet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen.
Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch” verwendet,
um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die
Form ändert),
wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung
erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Vorzugsweise ist ein
piezoelektrisches Material auf Streifen aus einer flexiblen Metall-
oder Keramikbahn angeordnet. Die Streifen können unimorph oder bimorph
sein. Vorzugsweise sind die Streifen bimorph, da Bimorphe im Allgemeinen
größere Verschiebungen
zeigen als Unimorphe.
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Ein
Typ von Unimorph ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen
Element zusammengesetzt ist, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie
oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelekt rische
Element stimuliert wird, wenn es mit einer sich ändernden Spannung aktiviert
wird, und zu einer axialen Wölbung
oder Auslenkung führt, wenn
sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt.
Die Aktuatorbewegung für ein
Unimorph kann eine Kontraktion oder ein Ausdehnen sein. Unimorphe
können
eine Dehnung von etwa 10% zeigen, können aber nur geringen Belastungen
relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
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Im
Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst
eine bimorphe Vorrichtung eine zwischenliegende flexible Metallfolie,
die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe
zeigen eine größere Verschiebung
als Unimorphe, da sich unter der angelegten Spannung ein Keramikelement
zusammenziehen wird, während
sich das andere ausdehnt. Bimorphe können eine Dehnung von bis zu
20% zeigen, halten aber, ähnlich
wie Unimorphe, hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen
der unimorphen Struktur im Allgemeinen nicht stand.
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Geeignete
piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen,
organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft,
so können
alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur
und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette
oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten
für den piezoelektrischen
Film verwendet werden. Beispiele für geeignete Polymere umfassen
z. B., sind jedoch nicht beschränkt
auf Polynatrium-4-Styrolsulfat („PSS”), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor)
und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid
(„PVDF”), sein
Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Trifluorethylen
(„TrFE”) und ihre
Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC”), Polyvinyliden chlorid
(„PVC2”) und ihre
Derivate; Polyacrylonitrile („PAN”) und ihre
Derivate; Polycarbonsäuren,
umfassend Polymethacrylsäure
(„PMA”) und ihre
Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PUE”) und ihre
Derivate; Biopolymermoleküle
wie z. B. Poly-L-Milchsäuren
und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline
und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend
Kaptonmoleküle
und Polyetherimid („PEI”) und ihre
Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-Vinylpyrrolidon („PVP”)-Homopolymer
und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc”)-Copolymere;
und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder
Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten,
und Mischungen davon.
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Des
Weiteren können
piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu
und Metall-Legierungen und Mischungen aus diesen umfassen. Diese
piezoelektrischen Materialien können
z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO2,
Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO und Mischungen
davon und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS,
GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen
davon umfassen.
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Geeignete
aktive Materialien umfassen auch magnetorheologische (MR)-Zusammensetzungen wie
z. B. MR-Elastomere, die als „intelligente” Materialien
bekannt sind, deren rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen
eines magnetischen Feldes schnell ändern können. MR-Elastomere sind Suspensionen
aus magnetisch polarisierbaren Mikropartikeln in einem duroplastisch
elastischen Polymer oder Kautschuk. Die Steifigkeit der Elastomerstruktur wird
durch Ändern
der Scher- und Kompressions/Spannungsmoduln durch Variieren der
Stärke des
angelegten magnetischen Feldes bewerkstelligt. Die MR-Elastomere
entwickeln typischer weise eine Struktur, wenn sie einem magnetischen
Feld ausgesetzt sind, in nur wenigen Millisekunden. Ein Unterbrechen
des Einflusses des magnetischen Feldes auf die MR-Elastomere kehrt
den Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem
Modul zurück.
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Geeignete
MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein
auf eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension von ferromagnetischen
oder paramagnetischen Partikeln umfasst, wobei die Partikel oben
beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizes umfassen Polyalphaolefine,
Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren
und dergleichen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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II. Beispielhafte Konfigurationen von
Energieabsorption
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 2 bis 8 lehren
die veranschaulichten beispielhafte Ausführungsformen des Systems 10 die verschiedenen
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung und sind im Spezielleren
wie folgt beschrieben:
Das bevorzugte System 10 umfasst
ferner zumindest einen und stärker
bevorzugt eine Vielzahl von Sensoren 22, der/die betrieben
wird/werden, um entweder eine erhöhte Wahrscheinlichkeit für oder das
tatsächliche
Stattfinden ein/es Unfallereignis/ses zu bestimmen. Die Sensoren 22 können zum
Beispiel Kurz- oder Langstreckenradar, Lidar-, kamerabasierte und/oder
Laserdetektionsvorrichtungen umfassen, wie sie herkömmlicherweise
in der Spurwechselunterstützung,
Unfallvermeidung und anderen Fahrzeugsicherheitssystemen verwendet
werden. Die Sensoren 22 werden bevorzugt betrieben, um
ein bevorstehendes Unfallereignis vorherzusagen, z. B. indem sie
bestimmen, wann ein Ereigniswahrscheinlichkeitsgrenzwert überschritten
ist, und zu diesem Zweck umfasst das Sys tem 10 vorzugsweise
einen Controller 24, der kommunikativ mit den Sensoren 22 und
dazwischen mit der Quelle 18 und dem Element 16 gekoppelt
ist, wie in 2 schematisch gezeigt. Stärker bevorzugt
ist das System 10 selektiv nur während Frontalunfallereignissen
betreibbar.
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Die
Sensoren 22 und der Controller 24 sind kommunikativ
mit dem Element 16 gekoppelt und programmierbar ausgebildet,
um zu bewirken, dass das Signal erzeugt wird, wenn das Ereignis
vorhergesagt wird. Es ist jedoch einzusehen, dass in dieser Konfiguration
das System 10 auf Grund des Potentials falscher Positive
rücksetzbar
und nicht aufpralltreibend bei keinem Unfall fungieren muss. Alternativ können die
Sensoren 22 betrieben werden, um das tatsächliche
Ereignis und im Spezielleren tatsächliche ereignisbezogene Kräfte, Verrückungen
oder Beschleunigungen zu detektieren. Es kann beispielsweise zumindest
ein Kraftwandler 22 mit dem Controller 24 gekoppelt
sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das System 10 ausgebildet, um einen gewählten Betrag
aus einer Vielzahl von verschiedenen Beträgen von Energieabsorptionen
bereitzustellen, bevorzugt durch Ändern der Amplitude, des Musters
oder der Frequenz des Aktivierungssignals oder des aktivierten Abschnitts
des Materials. Wenn beispielsweise eine Schwere auf der Basis z.
B. der Fahrzeugmasse, der aktuellen Geschwindigkeit, der Knautschkraft, der
Natur des auftreffenden Objekts, der Verwendung eines Sicherheitsgurtes,
des Entfaltens eines Airbags, der Sitz-Vor/Rückwärts-Position und/oder der Nähe des Rumpfes
zum Lenkrad bestimmbar ist, ist das System 10 bevorzugt
ausgebildet, um die Energieabsorptionsrate (den Betrag der Säulenhubkraft)
proportional zu der Schwerebestimmung zu erhöhen. Stärker bevorzugt ist der Controller 24 auch ausgebildet,
um einen Eingang zu empfangen, der mit einer anthropometrischen
Charakteristik des Fahrers und/oder dem Unfallverlangsamungsimpuls des Fahrzeuges
in Beziehung steht, und die Hubkraft wird in Übereinstimmung damit modifiziert
und die Hubkraft wird mit dem Eingang korreliert.
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Zurückkommend
auf die strukturelle Konfiguration des Elements 16 und
in einem ersten Betriebsmodus wird die Steifigkeit oder der Modul
des Materials erhöht,
wenn das Material durch Aktivierung dazu gebracht wird, sich in
die zweite Phase zu ändern.
Diese/r höhere
Steifigkeit oder Modul erhöht dementsprechend
den Betrag der Energieabsorption. Zum Beispiel sind in 2 das
erste und das zweite Glied 14 unmittelbar über ein
Energieabsorptionselement 16 miteinander verbunden, das
aus einer kollabierfähigen
Formgedächtniswand 26 besteht.
Die Wand 26 ist bevorzugt kontinuierlich und weist einen
abgeflachten Abschnitt des Gliedes 14 mit einer verjüngten Neigung
auf, um das Einknicken während
des Ereignisses zu erleichtern. In der ersten, deaktivierten, normal
fungierenden Phase ist die Wand 26 bevorzugt weniger starr,
jedoch ausreichend steif, um die Säule 12 zu stützen; in
der zweiten, aktivierten Phase (in 2 in Strichlinie
gezeigt) wird die Wand 26 steifer, um größere Beträge von Energie
zu absorbieren, wenn sie sich während
des Ereignisses verformt. Es ist einzusehen, dass die Wand 26,
in Abhängigkeit
von der Materialauswahl und der Konfiguration alternativ im deaktivierten
Zustand starrer und steifer sein kann als in der aktivierten Phase.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Säule 12 ferner
einen zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil 28, 30 und
deren benachbarte Flächen
weisen kollabierfähige
Oberflächenerhebungen 32 auf,
die aus dem aktiven Material bestehen und einen inneren Raum mit
dem Basisteil definieren (3). Die
Teile 28, 30 sind diametral derart ausgebildet,
dass die Erhebungen 32 dazu gebracht werden, ineinander
zu greifen, wenn sich die Teile 28, 30 zusammenschieben,
und leichter kollabieren, wenn sich das Material in der ersten Phase
mit geringerer Steifigkeit befindet. Durch Aktivieren verschiedener
Anzahlen der Erhebungen und somit Verändern deren Steifigkeit kann
die Hubkraft der Säule
selektiv angepasst werden, um den Anforderungen des speziellen Unfallereignisses
zu entsprechen.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 4 gezeigt, wobei das Absorptionselement 16 eine
mechanische Verblockung aufweist. Im Spezielleren definieren in
dieser Konfiguration die Teile 28, 30 ausrichtbare
Durchgangsöffnungen 34.
Ein oder mehrere Stifte 36, der/die mit der Querschnittsform
der Öffnungen 34 (z.
B. kreisförmig,
ellipsenförmig,
polygonal) übereinstimmten,
ist/sind eng darin aufgenommen und weist/en Langen auf, die ausreichen,
um gleichzeitig in beide Teile 28, 30 einzugreifen.
Infolgedessen ist, wenn der eine oder die mehreren Stifte 36 innerhalb
der Öffnungen 34 eingesetzt
ist/sind, eine relative Bewegung zwischen den Teilen 28, 30 verhindert,
wie durch die Volllinie in 4 gezeigt.
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Wie
veranschaulicht ist/sind der eine oder die mehreren Stifte 36 sicher
mit einem Formgedächtnisdraht 38 verbunden,
der bevorzugt eine Formgedächtnislegierung
umfasst. Es ist einzusehen, dass, wenn der Draht 38 thermisch
aktiviert wird, die Kristallstruktur sich in die zweite Phase rekonfiguriert,
was wiederum bewirkt, dass er schrumpft. Die Betätigungs- oder Rekonfigurationskraft wird dann
auf den einen oder mehreren Stifte 36 übertragen und hat somit die
Entriegelung der Verblockung zur Folge (wie durch die Strichlinie
in 4 gezeigt). Alternativ und wie
in 4a gezeigt, kann eine vertikal orientierte Feder 40,
die ebenfalls aus einem SMA-Material besteht, bei einer thermischen Aktivierung
dazu gebracht werden, in Längsrichtung zu
schrumpfen und den Federmodul (k) zu erhöhen. Zusammen bewirken diese
Aktionen, dass der Stift 36 aus der inneren Öffnung 34 mit
einer größeren Kraft
entfernt wird als bei der zuvor erwähnten Drahtkonfiguration. Das
Gewicht des Stifts 36 ist bevorzugt derart, dass die Feder 40 dazu
gebracht wird, sich zu strecken, wenn sie deaktiviert wird, um dadurch
zuzulassen, dass der Stift 36 wieder in die Öffnungen 34 eintritt.
Es ist einzusehen, dass, wenn mehr als ein Stift 36 verwendet
werden, eine ausgewählte
Anzahl von Stiften 36 auf der Basis der Unfallschwere gezogen
werden kann, sodass die verbleibenden Stifte 36 eine Flugkraft
(weiter durch den Metallaufbau) zwischen den eine Hubbewegung durchführenden Schäften erzeugen
kann, die mit dem notwendigen Niveau von Energieabsorption übereinstimmt.
Im Gegensatz dazu kann in Abhängigkeit
von der Schwere des Unfalles und des Betrages an Energie, der absorbiert
werden muss, nur ein Stift 36 anfänglich mit einer beliebigen
zusätzlichen
Anzahl von Stiften 36 in Eingriff stehen, die über die
Wirkung der SMA in Eingriff stehen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Verblockungsstifte 36 aus einem aktiven Material
gebildet, dessen Steifigkeit durch eine temperaturinduzierte Phasenänderung
verändert
werden kann, wie z. B. ein SMP oder eine SMA. Durch selektives Aktivieren
einer Phasenänderung
in einem oder mehreren Stiften 36 kann die Hubkraft der
Säule 12 in
Inkrementen nach oben oder unten angepasst werden, um den Anforderungen
des speziellen Unfallszenarios zu entsprechen (die Hubkraft wird
durch die mechanische Beeinflussung und Verformung der Stifte 36 und
die umgebende zusammenschiebbare Struktur während des Hubes erzeugt).
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Absorptionselement 16 einen Steg oder eine Verbindungsstelle
innerhalb der Säule 12 auf,
der/die in der Lage ist, sich bei einer Aktivierung (5)
pseudoplastisch oder superelastisch umzuformen und/oder zu verformen.
Zum Beispiel kann in dieser Konfiguration das Element 16 eine
erste und eine zweite Scheibe 42 aufweisen, die durch zumindest
einen und stärker
bevorzugt eine Vielzahl von Schenkeln 44 miteinander verbunden
sind. Die Scheiben 42 liegen in Längsrichtung an benachbarten
Gliedern 14 an und sind fest daran angebracht, sodass die
Verbindungsstelle die letzteren miteinander verbindet. In einer Konfiguration
sind die Schenkel 44 aus einem SMA-Material in der Martensitphase
gebildet, wenn sie deaktiviert sind. Es ist einzusehen, dass die
Steifigkeit der Schenkel 44 hier erhöht wird, wenn sie thermisch
in die Austenitphase aktiviert werden. Infolgedessen wird der Betrag
der Energieabsorption innerhalb der Säule 12 erhöht werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Scherfestigkeit des Materials modifiziert, wenn es sich
in der zweiten Phase befindet, und die Rate der Energieabsorption
wird infolgedessen erhöht.
Zum Beispiel, wenn die Säule 12 einen
zusammenschiebbaren ersten und zweiten Teil 28, 30 umfasst,
und ein innerer Raum dazwischen definiert ist (z. B. weisen beide
Teile 28, 30 geschlossene benachbarte Enden auf,
wie sie in einer Dämpferkonfiguration
vorhanden sind, wobei der innere Teil 28 sich translatorisch durch
eine Öffnung
bewegt, die durch den äußeren Teil 30 definiert
ist), kann ein aktives Material wie z. B. ein magnetorheologisches
oder elektrorheologisches Fluid innerhalb des Raumes aufgenommen sein
(6). Die Teile 28, 30 stehen
an der durch den äußeren Teil 30 definierten Öffnung abdichtend in
Eingriff. Der eingeschlossene Endabschnitt 48 des inneren
Teils 28 und eine innere Wand des äußeren Teiles 30 definieren
zusammenwirkend einen Spalt, durch den das Fluid 46 wandern
kann. Auf Grund einer Änderung
in der Fluidfließgrenze
zeigt sich eine verschiedene Widerstandskraft zwischen dem inneren
Teil 28 und dem Fluid 46, wenn sich das Material in
den aktivierten und deaktivierten Phasen befindet.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform,
die in 7 gezeigt ist, umfasst die Säule 12 wiederum sich
relativ bewegende Teile 28, 30 und das Ele ment 16 ist
ausgebildet, um selektiv eine Klemmkraft oder Reibung zwischen den
Teilen 28, 30 zu verringern. Im Spezielleren ist
das Element 16 ausgebildet, um eine Reibung zu verringern,
indem es die normale Kraft verringert, die auf die Teile 28, 30 wirkt.
Zum Beispiel kann/können
zumindest ein oder stärker
bevorzugt eine Vielzahl von (unimorphen oder bimorphen) piezoelektrischen
Verbundstoffen 50 zwischen den Teilen 28, 30 angeordnet
und ausgebildet sein, um mit jedem davon in der deaktivierten Phase
in Kontakt zu stehen. Die Verbundstoffe 50 sind fest an
entweder der Außenwand
des inneren Teils 28 oder der Innenwand des äußeren Teils 30 angebracht,
wobei der andere durch statische Reibung gesichert ist. Infolge der
Kontraktion der Verbundstoffe 50 wird bewirkt, dass sich
die Reibung zwischen den Verbundstoffen 50 und dem eingreifenden
Teil verringert, wenn das piezoelektrische Material aktiviert wird.
Die verringerten normalen und anschließenden Reibungskräfte erhöhen den
Betrag der Energieabsorption durch die Säule 12, indem sie
es ermöglichen,
dass sich die Teile 28, 30 während des Ereignisses verschieben.
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Schließlich liegt
es auch innerhalb des Umfanges der Erfindung, aktive Materialien
zu verwenden, um einen schrittweisen, inkrementellen oder absoluten
Eingriff zwischen der Säule 12 und
einem fluidtechnisch gekoppelten externen System 52 (8) zu
bewirken, um zu bewirken, dass die Energieabsorption modifiziert
wird. Zum Beispiel kann, wenn die Säule 12 über ein
Ventil 54 fluidtechnisch mit einem pneumatischen oder hydraulischen
System 52 gekoppelt ist, eine Betätigung mit einem aktiven Material
verwendet werden, um das Ventil 54 zu bedienen. Die Beeinflussung
des Grades der Öffnung
in dem Ventil 54 lässt
zu, dass der durch die Teile 28, 30 definierte
Raum durch einen verschiedenen Betrag von pneumatischem/r oder hydraulischem/r
Druck und Strömung
in Eingriff gebracht wird. Hier ist ein minimaler bis zu keinem
Spalt zwischen dem inneren Teilabschnitt 48 und dem äußeren Teil 30 vorgesehen.
Infolge der Änderung
des Fluiddrucks wird die Hubkraft und somit der Betrag der Energieabsorption modifiziert.
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Es
ist einzusehen, dass jede der hierin beschriebenen Ausführungsformen
reversibel betreibbar ist, indem ein normalerweise aktiviertes Element 16 deaktiviert
wird, um entweder eine Abnahme oder eine Zunahme in einer Energieabsorption
zu bewirken.
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Diese
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben; für
den Fachmann wird einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von
dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können andere
gleichwertig funktionierende aktive Materialien anstelle der oder
zusätzlich zu
den hierin beschriebenen Materialien verwendet werden. Überdies
können
zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s
Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne
von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Die Erfindung soll
daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein,
die als beste Art, diese Erfindung auszuführen, in Erwägung gezogen
wird, sondern die Erfindung wird alle Ausführungsformen einschließen, die
in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.