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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft formveränderliche Aktoranordnungen zum Ausbilden von Oberflächenstrukturen sowie Sensoranordnungen zur flächenselektiven Kraft- oder Druckmessung. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Reduzieren eines Strömungswiderstandes eines Fahrzeugs.
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Technischer Hintergrund
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Grundsätzlich ist bekannt, eine Sensor-/Aktoranordnung basierend auf einem dielektrischen Polymer bereitzustellen. Eine solche Sensor-/Aktoranordnung weist einen kapazitiven Aufbau auf, wobei das dielektrische Polymer zwischen zwei leitfähigen Schichten eingebracht ist. Bei Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitfähigen Schichten kann eine Verformung des dielektrischen Polymers erfolgen.
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Im Falle eines Elastomers als dielektrisches Polymer kann diese Verformung durch die Anziehungskraft der elektrisch leitenden Schichten bewirkt werden, die als Druck auf das Elastomer wirkt und dieses dadurch verformt. Dadurch nimmt die Dicke des Elastomers ab, so dass sich das Elastomer in seiner Fläche ausdehnt. Im Falle eines dielektrischen elektroaktiven Polymers kann durch Anlegen des elektrischen Feldes eine Formveränderung des dielektrischen Polymers bewirkt werden.
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Eine solche Anordnung kann als Sensoranordnung in Form eines Kondensators mit variabler Kapazität verwendet werden. Die Kapazität der Sensoranordnung hängt von dem Abstand der beiden leitfähigen Schichten ab. Dadurch verändert sich die Kapazität der Anordnung abhängig von einer Kraft, die auf das dielektrische Element wirkt, so dass sich der Abstand zwischen den leitfähigen Schichten verringert und über die Kapazitätsänderung auf die wirkende Kraft geschlossen werden kann.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
EP 3477419 B1 eine Bedieneinheit zur Steuerung von Maschinen bekannt, bei der ein Eingabeelement mit einem Rückmeldungselement versehen ist. Das Rückmeldungselement ist mit einem elektroaktiven Polymer ausgebildet. Das elektroaktive Polymer kann als Kraftsensor verwendet werden und bietet gleichzeitig die Möglichkeit, eine ausgeübte Kraft auf einen Bediener zurückzumelden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2018 208 399 A1 ist ein haptisches Bedienelement bekannt. Das Bedienelement weist eine Bedienoberfläche auf, die aus einer Polymerfolie ausgebildet ist, die eine Elektrodenbeschichtung aufweist. Die Elektrodenbeschichtung auf der Polymerfolie kann eine Maxwellkraft erzeugen, die Elektroden anziehen kann, was zur Folge hat, dass sich die Polymerfolie verformt. Die Verformung der Polymerfolie kann dabei sowohl in Querals auch in Längsrichtung erfolgen. Dies ermöglicht, eine haptische Rückmeldung in Form einer Erhebung in einem Abschnittsbereich der Bedienoberfläche auszubilden.
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Aus der Druckschrift
EP 2 239 793 A1 ist ein elektrisch schaltbarer Polymerfilmaufbau bekannt, der eine erste und zweite Oberflächenseite aufweist. Mindestens ein Elektrodenpaar und eine Polymermatrix mit strukturgebenden Partikeln aus einem elektroaktiven Polymer sind vorgesehen. Durch eine elektrische Schaltung kann die erste und/oder die zweite Oberflächenseite von einem glatten Zustand in einen strukturierten Zustand übergeführt werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2018 104 567 A1 offenbart eine Einrichtung zur Bewegung einer Außenhaut oder eines Interieur-Elements eines Fahrzeugs vorgesehen, die ein Anpassungselement aufweist, von denen jedes eine vorgegebene Form und Größe aufweist, wobei jedes Anpassungselement dazu eingerichtet ist, den Bereich der Außenhaut oder des Interieur-Elements abhängig von einem an das Anpassungselement angelegten Signal zu bewegen.
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Maßnahmen zur Strömungsbeeinflussung eines Kraftfahrzeugs sind hinreichend bekannt und erstrecken sich auf bewegliche Außenteile, wie z.B. bewegliche Heckspoiler und dergleichen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Strömungsbeeinflussung mit dem Ziel einer verbesserten Aerodynamik eines Fahrzeugs zu erreichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Strömungsmanipulationssystem mit einer Sensor-/Aktoranordnung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-/Aktoranordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Strömungsmanipulationssystem für eine Außenhaut einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs vorgesehen, umfassend:
- - eine erste, insbesondere folienartige, Sensor-/Aktoranordnung, die an einer Anströmfläche angeordnet ist und die ausgebildet ist, steuerbar eine Oberflächenstruktur auszubilden und sensorisch eine Druck-/Kraftverteilung über seine Oberfläche zu messen,
- - eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um abhängig von einem durch die Druck-/Kraftverteilung bestimmtes Strömungsverhalten entlang der Außenhaut des Fahrzeugs die erste Sensor-/Aktoranordnung anzusteuern, um eine Oberflächenstruktur zu ändern.
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Insbesondere kann eine zweite Sensor-/Aktoranordnung vorgesehen sein, um sensorisch eine Druck-/Kraftverteilung über deren Oberfläche zu messen, um abhängig von der Druck-/Kraftverteilung und/oder deren Änderung das Strömungsverhalten, insbesondere eine Ablösung der Strömung und/oder eine Verwirbelung festzustellen. Das Strömungsverhalten wird dabei anhand oder abhängig von der gemessenen Druck-/Kraftverteilung der ersten und/oder der zweiten Sensor-/Aktoranordnung bestimmt.
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Weiterhin kann die zweite Sensor-/Aktoranordnung stromabwärts zur ersten Sensor-/Aktoranordnung bezüglich einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist ein Strömungsmanipulationssystem mit einer Sensor-/Aktoranordnung auf einer Außenhaut eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, um eine Umströmung des Kraftfahrzeugs mit Luft zu beeinflussen. Dazu kann die für das Strömungsmanipulationssystem verwendete Sensor-/Aktoranordnung als Sensoranordnung und als Aktoranordnung betrieben werden. Die Verwendung der obigen Sensor-/Aktoranordnung in einer Anordnung auf einer Fahrzeugaußenhaut ermöglicht es zum einen, die Strömungsverhältnisse entlang der Sensor-/Aktoranordnung durch Betreiben als Aktoranordnung zu beeinflussen, und zum anderen, die Strömungsverteilung und Stärke der Strömung entlang der mit der Sensor-/Aktoranordnung versehenen Außenhautabschnitt zu messen.
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Durch die Ausbildung der Sensor-/Aktoranordnung mit Foliencharakter, d. h. mit einer Dicke von nicht mehr als 5 oder nicht mehr als 3 mm, kann die Sensor-/Aktoranordnung konturbewahrend auf der Außenhaut des Kraftfahrzeugs aufgebracht werden, ohne dass die allgemeine Außenkontur des Fahrzeugs und/oder die Optik nachhaltig beeinträchtigt wird. Die Sensor-/Aktoranordnung auf dem Außenhautabschnitt kann also bei einem angeströmten Fahrzeugteil so angesteuert werden, dass bereichsweise Erhebungen oder Vertiefungen entstehen und eine Struktur entsteht, die einen konturtreuen und verwirbelungsarmen Strömungsverlauf begünstigt oder gegebenenfalls verhindert. Durch die Verwendung als Sensoranordnung kann über die Kraftverteilung ein Ablösen einer laminaren Strömung erkannt (bei Feststellen einer Druckverringerung bzw. eines Unterdrucks) und auch Verwirbelungen erkannt werden, wenn die Kraft- bzw. Druckverteilung über der Sensor-/Aktoranordnung ungleich ist.
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In der obigen Anordnung kann somit ein Gesamtsystem aufgebaut werden, bei dem die Sensor-/Aktoranordnung als Sensoranordnung und/oder Aktoranordnung betrieben wird, um die Strömungsverhältnisse entlang der Außenhaut des Fahrzeugs zu verbessern. Beispielsweise kann an einer Anströmfläche, wie z. B. oberhalb der Windschutzscheibe, über die gesamte Fahrzeugbreite eine erste Sensor-/Aktoranordnung angebracht werden und in einem heckwärtigen Abschnitt der Außenhaut eine zweite Sensor-/Aktoranordnung angebracht werden.
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Mithilfe einer Steuereinheit kann nun durch Auswerten einer Druckverteilung über der zweiten Sensor-/Aktoranordnung sowohl ein Strömungsabriss als auch das Entstehen von Verwirbelungen erkannt werden und eine Struktur während der ersten Sensor-/Aktoranordnung durch entsprechendes Anlegen von Ansteuermustern variiert oder geändert werden, um den Strömungsverlauf insbesondere entlang der Außenhaut des Fahrzeugs zwischen der ersten Sensor-/Aktoranordnung und der zweiten Sensor-/Aktoranordnung zu verbessern.
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Alternativ kann die Sensor-/Aktoranordnung auch auf einem beweglichen Fahrzeugteil angeordnet sein, wie beispielsweise einem Heckspoiler, und dessen Stellung variabel verändern entsprechend einer Druckverteilung, die über die Sensor-/Aktoranordnung dort erfasst wird. Wird z. B. ein geringer Druck auf der Oberfläche des Heckspoilers gemessen, kann auf eine Strömungsablösung geschlossen werden und als Folge der Heckspoiler verstellt werden.
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Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um mindestens eine durch die erste und/oder die zweite Sensor-/Aktoranordnung gemessene Druck-/Kraftverteilung, mindestens einen Fahrzeugzustand, insbesondere eine Fahrzeuggeschwindigkeit oder einen Lenkwinkel, und mindestens eine äußere Bedingung, insbesondere eine Windgeschwindigkeit, eine Windrichtung, eine Niederschlagsmenge und/oder eine Lufttemperatur, einer Ansteuerung für die erste Sensor-/Aktoranordnung zuzuordnen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, um ein datenbasiertes Modell auszuführen, das trainiert ist, um die mindestens eine Druck-/Kraftverteilung, den mindestens einen Fahrzeugzustand und die mindestens eine äußere Bedingung einer Ansteuerung für die erste Sensor-/Aktoranordnung zuzuordnen.
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Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um die erste Sensor-/Aktoranordnung basierend auf einer Auswertung des datenbasierten Modells abhängig von einer gemessenen Druck-/Kraftverteilung, einem Fahrzeugzustand und mindestens einer äußeren Bedingung anzusteuern.
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Weiterhin kann die erste und insbesondere die zweite Sensor-/Aktoranordnung als flächensensitive Sensoranordnung und als flächenvariable Aktoranordnung zur selektiven Verformung der Oberfläche ausgebildet sein, und umfassen:
- - ein dielektrisches Polymer,
- - eine erste Elektrodenschicht auf einer ersten Oberfläche des dielektrischen Polymers,
- - eine zweite segmentierte Elektrodenschicht auf einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des dielektrischen Polymers mit voneinander separierten Elektrodensegmenten,
wobei die Steuereinheit mit der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht gekoppelt ist, um eine Druck-/Kraftverteilung mithilfe der Sensor-/Aktoranordnung zu messen und eine vorbestimmte Oberflächenstruktur durch Anlegen von Gleichspannungen an die Elektrodensegmente auszubilden.
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Weiterhin können eine oder mehrere Gruppen von Elektrodensegmenten jeweils über eine separat steuerbare Schalteinrichtung so mit einer oder mehreren Gleichspannungsquellen verbunden sein, dass bei Auswahl einer oder mehrerer der einen oder der mehreren Gruppen von Elektrodensegmenten durch Schalten der entsprechenden Schalteinrichtung(en) eine der Auswahl der einen oder der mehreren Gruppen entsprechenden Oberflächenstruktur auf der Oberfläche ausgebildet wird, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um abhängig von dem Strömungsverhalten entlang der Außenhaut des Fahrzeugs die erste Sensor-/Aktoranordnung anzusteuern.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Strömungsmanipulationssystems mit einer Sensor-/Aktoranordnung;
- 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Sensor-/Aktoranordnung mit dem dielektrischen Polymer;
- 3 eine Darstellung einer Verformung bei der Nutzung der Anordnung als Aktoranordnung; und
- 4a bis 4b Anordnungen der Elektrodensegmente in einer Matrix;
- 5 eine schematische Darstellung einer Sensor-/Aktoranordnung mit Schalteinrichtungen zur Auswahl von Gruppen von Elektrodensegmenten zum gemeinsamen Betrieb als Aktoranordnung; und
- 6a - 6d zeigt für das Beispiel von vier benachbarten Elektrodensegmenten bei unterschiedlichen Ansteuerungsmustern sich ausbildende Oberflächenstrukturen.
- 7a und 7b zeigen beispielhafte Oberflächenstrukturen, die bei einer Nutzung der Sensor-/Aktoranordnung als Aktoranordnung - entsprechende Strukturierung der Elektrodensegmente vorausgesetzt - möglich sind.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Strömungsmanipulationssystem 1 auf einer Außenhaut einer Fahrzeugkarosserie 21 eines Fahrzeugs 2 mit einer ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 und einer zweiten Sensor-/Aktoranordnung 4. Die erste Sensor-/Aktoranordnung 3 befindet sich vorzugsweise an einer Anströmfläche auf einer Fahrzeugkarosserie 21, wie beispielsweise oberhalb einer Windschutzscheibe 22 oder auf einer der Motorhaube 23.
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Die erste und/oder die zweite Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 sind jeweils als flächige folienartige Elemente ausgebildet und weisen insbesondere eine Dicke von nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise von nicht mehr als 3mm auf. Die erste und/oder die zweite Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 sind ausgebildet, um je nach Betrieb als Aktoranordnung eine variable Oberflächenstruktur mit Erhebungen und Vertiefungen bereitzustellen und als Sensoranordnung eine Druck- bzw. Kraftverteilung über die Fläche der jeweiligen Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 zu messen.
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Die erste Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 ist flächig vorzugsweise mit seiner Breitenrichtung über die gesamte Breite B des Fahrzeugs angeordnet, mindestens jedoch über 75 % der Breite des Fahrzeugs 2, und weist eine Länge in einer Längenrichtung auf, die sich in Längsrichtung L des Fahrzeugs 2 mit einer Länge von zwischen 5 und 50 cm erstreckt.
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Weiter heckwärts ist eine zweite Sensor-/Aktoranordnung 4 auf der Außenhaut der Fahrzeugkarosserie 21 angeordnet, die sich mit ihrer Breitenrichtung B ebenfalls über einen Großteil der Breite des Fahrzeugs 2 erstreckt, insbesondere über mindestens 75 % der Breite. Die Länge der zweiten Sensor-/Aktoranordnung 4 kann entsprechend zwischen 5 und 50 cm betragen und erstreckt sich parallel zur Längsrichtung des Fahrzeugs 2.
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Es ist eine Steuereinheit 5 vorgesehen, die mit der ersten und zweiten Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 verbunden ist. Die Steuereinheit 5 betreibt die erste Sensor-/Aktoranordnung 3 vorzugsweise als Aktoranordnung, um dessen Oberflächenstruktur variabel vorzugeben und bei einer Fahrt des Kraftfahrzeugs das Strömungsverhalten der über die Außenhaut des Fahrzeugs 2 strömenden Luft zu beeinflussen, insbesondere um den Strömungswiderstand des Fahrzeugs 2 zu verringern. Das Strömungsverhalten von über die Außenhaut strömende Luft ist optimal, wenn es sich um eine laminar zur Kontur der Außenhaut verlaufende Strömung handelt. Insbesondere soll das Strömungsverhalten der stromabwärts über die Außenhaut des Fahrzeugs 2 verlaufenden Luftströmung möglichst bis zu einer Heckkante 24 des Fahrzeugs 2 laminar an der Außenhaut des Fahrzeugs 2 entlang verlaufen, ohne sich abzulösen oder dass Verwirbelungen auftreten.
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Die für die optimale Strömung entlang der Außenhaut des Fahrzeugs 2 benötigten Oberflächenstrukturen können sich, je nach Fahrzeugzuständen und äußeren Bedingungen, ändern. Die Fahrzeugzustände können dabei die Geschwindigkeit und die Temperatur der Karosserie umfassen. Die äußeren Bedingungen können beispielsweise eine Windgeschwindigkeit, eine Windrichtung, ein Regenfall oder dergleichen umfassen.
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Da sich die Bedingungen für das Vorliegen einer laminaren Strömung entlang der Außenhaut sehr schnell ändern können, ist es vorteilhaft, die Oberflächenstruktur der ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 nach Bedarf anzupassen. Dazu wird vorgesehen, die Art der Strömung entlang der Außenhaut zu bewerten bzw. zu erfassen.
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Dazu kann die zweite Sensor-/Aktoranordnung 4 heckseitig des Fahrzeugs 2 verwendet werden, mit der überprüft wird, ob im entsprechenden Karosseriebereich die Strömung noch an der Außenhaut anliegt oder sich davon abgelöst hat oder gar Verwirbelungen auftreten. Eine abgelöste Luftströmung oder eine Verwirbelung kann durch einen niedrigen Druck bzw. schnell variierende Druckschwankungen über der Fläche der zweiten Sensor-/Aktoranordnung 4 festgestellt werden, indem die zweite Sensor-/Aktoranordnung 4 als Sensoranordnung betrieben wird. Verläuft die Strömung laminar über die zweite Sensor-/Aktoranordnung 4, so wird ein konstanter Druck im Normalluftdruckbereich gemessen. Weiterhin kann eine Druckdifferenz des gemessenen Drucks zum Normaldruck auf eine abgelöste Strömung und eine schnell über die Fläche variierende Druckschwankung auf eine Verwirbelung hinweisen.
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Durch Messung der Druck-/Kraftverteilung über der Oberfläche der zweiten Sensor-/Aktoranordnung 4 ist es möglich, einen unerwünschten Strömungsverlauf zu erkennen und durch Variierung der als Aktoranordnung betriebenen ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 die Strömung entlang der Außenhaut des Fahrzeugs 2 so zu beeinflussen, dass diese laminar entlang der Außenhaut ohne Verwirbelung oder Ablösung verläuft.
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Das Steuergerät 5 realisiert also ein rückgekoppeltes System, das eine Anpassung der Oberflächenstruktur der ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 ändert, wenn Druckvariationen oder eine Druckminderung an der zweiten Sensor-/Aktoranordnung 4 festgestellt werden.
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Das Muster der Oberflächenstruktur der ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 kann dabei initial zufällig gewählt werden. Jedoch können Oberflächenstrukturen, die bei bestimmten Betriebs- und Umgebungsbedingungen nach einer Ablösung oder Verwirbelung die laminare Strömung wiederhergestellt haben, bezüglich der Fahrzeugzuständen und äußeren Bedingungen gespeichert werden und so entsprechend bei erneutem Vorliegen der entsprechenden Fahrzeugzustände und äußeren Bedingungen erneut ausgewählt werden.
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Insbesondere kann ein Machine-Learning-Modell trainiert werden, um die bevorzugte Oberflächenstruktur der ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 einzustellen. Dieses kann basierend auf Trainingsdatensätzen; die einen Fahrzeugzustand und äußeren Bedingungen einer einzustellenden Oberflächenstruktur, die zum Wiederherstellen einer gewünschten laminaren Strömung geeignet war, vorgenommen werden. Das Machine-Learning-Modell (datenbasiertes Modell), insbesondere ein tiefes neuronales Netz oder ein konvolutionelles neuronales Netz (Convolutional neural network), kann so verwendet werden, um die Funktion der Strömungsbeeinflussung durch das Strömungsmanipulationssystem 1 sukzessive zu verbessern. Mithilfe des obigen Strömungsmanipulationssystems 1 können so aerodynamische Lasten in ihrer flächigen Verteilung gemessen werden. Eine solche Druckverteilung kann für aerodynamische Optimierungen genutzt werden, indem beispielsweise die Oberflächenstruktur der ersten Sensor-/Aktoranordnung 3 angepasst wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Sensor-/Aktoranordnung 4 auf einem beweglichen Teil des Fahrzeugs, wie beispielsweise einem verstellbaren Heckspoiler, angebracht werden. In dieser Ausführungsform ist für den Fahrzeugzustand die Stellung des Heckspoilers zu berücksichtigen-
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2 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer Querschnittsansicht einer Sensor-/Aktoranordnung 11, die als Sensor-/Aktoranordnung 3, 4 in der Ausführungsform der 1 eingesetzt werden kann. Die Sensor-/Aktoranordnung 11 weist ein flächiges dielektrisches Polymer 12 auf. Das dielektrische Polymer 12 kann als ein dielektrisches Elastomer ausgebildet sein, wie beispielsweise Silikon. Das dielektrische Polymer 12 kann alternativ auch als dielektrisches elektroaktives Polymer 12 ausgebildet sein, das bei Anlegen eines elektrischen Felds eine Formänderung erfährt.
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Das dielektrische Polymer 12 ist von einer ersten durchgängigen Elektrodenschicht 13 und einer zweiten Elektrodenschicht 14 umgeben ist. Die erste Elektrodenschicht 13 ist flächig auf einer ersten Oberfläche des dielektrischen Polymers 12 angeordnet. Die zweite Elektrodenschicht 14 weist elektrisch voneinander separierte Elektrodensegmente 15 auf, die in einer flächigen Matrix angeordnet sein können.
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Auf einer oder den beiden äußeren Oberflächen der ersten Elektrodenschicht 13 und der zweiten Elektrodenschicht 14 können Schutzschichten 16 angebracht sein, die vorzugsweise nichtleitend sind, um die Oberflächen der Sensor-/Aktoranordnung 11 entsprechend zu schützen. Die Schutzschichten 16 können aus einem Elastomer ausgebildet sein, wie z.B. aus Silikon.
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Die Herstellung der zweiten Elektrodenschicht 14 einer solchen Sensor-/Aktoranordnung 11 erfolgt durch Aufbringen der zweiten Elektrodenschicht 14 und einem anschließenden Maskierungs- und Ätzschritts. Durch die Maskierung können entsprechende Zwischenräume der zweiten Elektrodenschicht 14 entfernt werden, um die elektrisch voneinander getrennten Elektrodensegmente 15 herzustellen. Durch die Maskierung ist es möglich, die Elektrodensegmente 15 zuverlässig elektrisch voneinander zu isolieren und die Breite des Abstands zwischen den Elektrodensegmenten 15 vorzugeben.
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In 3 ist die Sensor-/Aktoranordnung 11 mit einer Verschaltung zum Betrieb als Sensoranordnung und als Aktoranordnung dargestellt. Jedes der Elektrodensegmente 15 bzw. Gruppen von Elektrodensegmenten 15 sind mit einer separaten, individuell ansteuerbaren Spannungsquelle 17 verbunden, um eine individuelle Elektrodensegmentspannung V1, V2, V3 zwischen der ersten Elektrodenschicht 13 und dem jeweiligen Elektrodensegment 15 bzw. den entsprechenden Elektrodensegmenten 15 der zweiten Elektrodenschicht 14 anzulegen.
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Weiterhin kann die erste Elektrodenschicht 13 und jedes der Elektrodensegmente 15 mit einer Kapazitätsmesseinrichtung 18 elektrisch verbunden sein, die jeweils ausgebildet ist, um in geeigneter Weise die Kapazität zwischen der ersten Elektrodenschicht 13 und dem jeweiligen Elektrodensegment 15 zu messen.
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Jedes Elektrodensegment 15 kann wahlweise über eine entsprechende Umschalteinrichtung 19 mit der zugehörigen Spannungsquelle 17 oder der zugehörigen Kapazitätsmesseinrichtung 18 verbunden werden.
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Auf diese Weise kann die Sensor-/Aktoranordnung 11 sowohl als Sensoranordnung für die Erfassung der lokalen Verteilung einer auf eine Oberfläche der Sensor-/Aktoranordnung 11 wirkenden Kraft bzw. einer Druckverteilung verwendet werden als auch als eine Aktoranordnung, die es ermöglicht, Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche der Sensor-/Aktoranordnung 11 zu erzeugen.
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Bei Verwendung der Sensor-/Aktoranordnung 11 als Aktoranordnung können zwischen der ersten Elektrodenschicht 13 und den Elektrodensegmenten 15 jeweils unterschiedliche Elektrodensegmentspannungen V1, V2, V3 angelegt werden, was lokal zu variierenden elektrischen Feldern durch das dielektrische Polymer führt. In 3 ist beispielhaft eine mögliche Verformung der Sensor-/Aktoranordnung 11 dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Querschnitt durch einen Ausschnitt der Sensor-/Aktoranordnung 11, wobei nur das mittlere Elektrodensegment 5 aktiv angesteuert wird. Man erkennt eine Verformung des dielektrischen Polymers an einer Position, an der eine erhöhte, elektrische Feldstärke vorliegt. Diese bewirkt eine lokale Kraft zwischen der ersten Elektrodenschicht 13 und dem entsprechend angesteuerten Elektrodensegment 15, wodurch das dielektrische Polymer zusammengedrückt wird sich seitlich ausdehnt. Auf diese Weise entsteht im Bereich des angesteuerten Elektrodensegments 15 eine Vertiefung V und seitlich davon eine umlaufende Erhöhung E, und die entsprechende Beeinflussung von benachbarten Segmentbereichen.
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Die Formgebung der Elektrodensegmente 15 kann vielfältig sein. Insbesondere können die Elektrodensegmente 15 in Flächenrichtung unterschiedliche Formen aufweisen.
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Beispielhaft zeigen die 4a bis 4b die Matrixanordnungen von Elektrodensegmenten 15. 4a zeigt die Anordnung von quadratischen Elektrodensegmenten 15 in einer Gitteranordnung, während die 4b eine Matrixanordnung von sechseckig ausgebildeten Elektrodensegmenten 15 in einer wabenförmigen Matrix darstellt.
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Andere Anordnungen der Elektrodensegmente 15 können runde und ovale Formen der Elektrodensegmente umfassen und insbesondere auch Elektrodensegmente 15, die andere Elektrodensegmente 15 umschließen, insbesondere ringförmig umschließen.
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In einer weiteren Ausführungsform, die schematisch in 5 dargestellt ist, können eine oder mehrere Schalteinrichtungen 31 vorgesehen sein, die jeweils verschiedene Gruppen von Elektrodensegmenten 5 gemeinsam ansteuern. Durch die Schalteinrichtungen können die Elektrodensegmente 5 einer jeweiligen Gruppe gemeinsam so geschaltet werden, so dass diese als aktive Elektrodensegmente 5 als Aktoranordnung angesteuert werden können.
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Dadurch kann jede der Schalteinrichtungen 31 beispielsweise bei einer Matrixanordnung von Elektrodensegmente 15 regelmäßige Muster von aktiv anzusteuernden Elektrodensegmenten 15 auswählen, wie beispielsweise ein Schachbrettmuster oder dergleichen. Dies ermöglicht zudem die Ansteuerung von mehreren der Elektrodensegmenten mit einer einzigen Gleichspannungsquelle, die über den ausgewählten Zustand der entsprechenden Schalteinrichtung gleichzeitig mit einer entsprechenden Spannung versorgt werden können, oder über ein entsprechendes Schaltsignal, dass mithilfe der Schalteinrichtung 31 die Elektrodensegmente 15 der Gruppe gemeinsam als Aktoranordnung schaltet. In letzterem Fall können die Gleichspannungen der Elektrodensegmente 15 einer Gruppe auch mit unterschiedlichen Gleichspannungen beaufschlagt werden.
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6a zeigt zur Veranschaulichung der Funktionsweise ein Beispiel von fünf benachbarten Elektrodensegmenten 15 in nur eine Flächenrichtung bei unterschiedlichen Ansteuerungsmustern die sich ausbildende (zweidimensionale) Oberflächenstruktur. Selbstverständlich können so auch flächige Oberflächenstrukturen in analoger Weise ausgebildet werden, so dass sich komplexe Flächenmuster ergeben. Die Elektrodensegmente 15 sind mit S1... S5 bezeichnet.
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Bei den in den 6b -6d gezeigten unterschiedlichen Ansteuerungen durch eine jeweilige Gleichspannung ergeben sich die dargestellten Oberflächenstrukturen.
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6b zeigt eine sich bei Ansteuerung der Elektrodensegmente S2, S5 ausbildende Oberflächenstruktur. Man erkennt die Vertiefungen V, die sich im Bereich der angesteuerten Elektrodensegmente S2, S5 ergeben und die Erhöhungen E, die sich benachbart zu dem Bereich dieser Elektrodensegmente 15 aufgrund der seitlichen Verdrängung des dielektrischen Polymers 12 ergeben.
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6c zeigt eine sich bei Ansteuerung der Elektrodensegmente S2, S4 ausbildende Oberflächenstruktur. Man erkennt die Vertiefungen V, die sich im Bereich der angesteuerten Elektrodensegmente S2, S4 ergeben und die Erhöhungen E, die sich benachbart zu dem Bereich dieser Elektrodensegmente 15 aufgrund der seitlichen Verdrängung des dielektrischen Polymers 2 ergeben, wobei aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Elektrodensegmenten S2 und S4 das in den Zwischenraum dieser beiden Elektrodensegmente verdrängte dielektrische Polymer 12 eine gemeinsame Erhöhung E ausbildet.
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6d zeigt eine sich bei Ansteuerung der Elektrodensegmente S2, S3, S4 ausbildende Oberflächenstruktur. Man erkennt die zusammenhängende Vertiefung V, die sich im Bereich der angesteuerten Elektrodensegmente S2, S3, S4 ergeben und die Erhöhungen E, die sich benachbart zu dem Bereich dieser Elektrodensegmente 15 aufgrund der seitlichen Verdrängung des dielektrischen Polymers 12 ergeben. Da die Elektrodensegmente S2, S3 und S4 unmittelbar zueinander benachbart angeordnet sind, wird das dielektrische Polymer 12 in die Umgebung dieser Gruppe der Elektrodensegmente 15 verdrängt.
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7 zeigt beispielhafte Oberflächenstrukturen, die bei einer Nutzung der Sensor-/Aktoranordnung 11 als Aktoranordnung - entsprechende Strukturierung der Elektrodensegmente vorausgesetzt - möglich sind. Es sind Erhebungen auf der Oberfläche der Sensor-/Aktoranordnung 11 gezeigt, die durch entsprechende Ansteuerung der Elektrodensegmente 14 ausbildbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsmanipulationssystem
- 2
- Fahrzeug
- 21
- Fahrzeugkarosserie
- 22
- Windschutzscheibe
- 23
- Motorhaube
- 24
- Heckkante
- 3, 4
- erste und zweite Sensor-/Aktoranordnung
- 5
- Steuereinheit
- 11
- Sensor-/Aktoranordnung
- 12
- dielektrisches Polymer
- 13
- erste Elektrodenschicht
- 14
- zweite Elektrodenschicht
- 15
- Elektrodensegmente
- 16
- Schutzschichten
- 17
- Spannungsquelle
- 18
- Kapazitätsmesseinrichtung
- 19
- Umschalteinrichtung
- 31
- Schalteinrichtung
- V
- Vertiefung
- E
- Erhöhung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3477419 B1 [0005]
- DE 102018208399 A1 [0006]
- EP 2239793 A1 [0007]
- DE 102018104567 A1 [0008]
