DE112006002692T5

DE112006002692T5 - Reversibel ausfahrbare Luftschürze

Info

Publication number: DE112006002692T5
Application number: DE112006002692T
Authority: DE
Inventors: Kevin B. Washington Rober; Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; Han H. Oakland Aase
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-08-21
Anticipated expiration: 2026-09-23
Also published as: CN101287640A; US20070216194A1; WO2007047022A3; DE112006002692B4; WO2007047022A2; US7686382B2; CN101287640B

Abstract

Luftschürze für ein Fahrzeug, wobei die Luftschürze eine Fläche des Fahrzeugs definiert, die eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung des Fahrzeugs erhöhen oder verringern kann, wobei die Luftschürze umfasst:
ein Gehäuse mit einer Öffnung;
ein Luftströmungssteuerelement, das translatorisch bewegbar in dem Gehäuse angeordnet und verschiebbar mit der Öffnung in Eingriff steht; und
einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um ein Ausfahren und Zurückziehen des Luftströmungssteuerelements aus dem und in das Gehäuse zu bewirken.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft Luftströmungssteuerungsvorrichtungen für Fahrzeuge und im Spezielleren reversibel ausfahrbare Luftschürzen für Fahrzeuge, die aktive Materialien verwenden, um ein Ausfahren und Zurückziehen zu bewirken.
Eine Luftströmung über, unter, um und/oder durch ein/em Fahrzeug kann viele Aspekte einer Fahrzeugleistung einschließlich des Fahrzeugluftwiderstands, des Fahrzeugauftriebs- und -abtriebs und der/des Kühlung/Wärmeaustausches für einen Fahrzeugantrieb und Klimaanlagen beeinflussen. Verringerungen des Luftwiderstands können den Kraftstoffverbrauch verbessern. Fahrzeugauftriebe und -abtriebe können die Stabilität und das Handling eines Fahrzeugs beeinflussen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Luftströmung" auf die Bewegung von Luft um und durch Teile eines Fahrzeugs relativ zu entweder der Außenfläche des Fahrzeugs oder Flächen von Elementen des Fahrzeugs, entlang denen die äußere Luftströmung geleitet werden kann, wie z. B. Flächen im Motorraum. Der Begriff „Luftwiderstand" bezieht sich auf den Widerstand, der durch die Reibung in einer Richtung verursacht wird, die jener der Bewegung des Schwerpunkts für einen sich bewegenden Körper in einem Fluid entgegengesetzt ist. Der Begriff „Auftrieb", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Komponente der Gesamtkraft auf Grund der Luftströmung relativ zu einem Fahrzeug, die in einer vertikalen Aufwärtsrichtung auf das Fahrzeug einwirkt. Der Begriff „Abtrieb", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Komponente der Gesamtkraft auf Grund der Luftströmung relativ zu dem Fahrzeug, die in einer vertikalen Abwärtsrichtung auf ein Fahrzeug einwirkt.
Auf dem Gebiet der Fahrzeugherstellung bekannte Vorrichtungen zur Steuerung einer Luftströmung relativ zu einem Fahrzeug besitzen im Allgemeinen eine vorbestimmte, nicht verstellbare Geometrie, Lage, Orientierung und Steifigkeit. Solche Vorrichtungen passen sich normalerweise nicht an, wenn sich Fahrbedingungen ändern, wodurch die Luftströmung relativ zu dem Fahrzeug nicht angepasst werden kann, um den sich ändernden Fahrbedingungen besser gerecht zu werden. Überdies können heutige unter dem Fahrzeug liegende Luftströmungssteuerungsvorrichtungen die Bodenfreiheit verringern. Fahrzeugkonstrukteure sehen sich mit der Herausforderung konfrontiert, die Luftströmung zu steuern und gleichzeitig genügend Bodenfreiheit zu bewahren, um einen Kontakt mit und eine Beschädigung durch Parkrampen, Parkhäuser/n, Schlaglöchern, Randsteine und dergleichen zu vermeiden. Außerdem kann schlechtes Wetter wie z. B. tiefer Schneematsch oder Regen die Vorrichtung beschädigen und/oder das Fahrzeughandling beeinträchtigen.
Moderne stationäre Luftströmungssteuerungsvorrichtungen können dadurch verstellbar sein, dass die Vorrichtungen an hydraulischen, mechanischen, elektrischen Aktuatoren und/oder dergleichen befestigt und/oder damit verbunden sind. Beispielsweise können einige Fahrzeug-Strömungssteuerungsvorrichtungen eine Lage und/oder Orientierung in Ansprechen auf ein Aktuatorsignal verstellen. Allerdings erfordern derartige Aktuatoren allgemein zusätzliche Komponenten wie z. B. Kolben, Motoren, Solenoide und/oder dergleichen Mechanismen zur Aktivierung, die die Komplexität der Vorrichtung erhöhen, was oft zu erhöhten/m Ausfallursachen, Wartungsaufwand und Herstellungskosten führt. Es besteht daher Bedarf an einer verstellbaren Vorrichtung zum Steuern einer Fahr zeugluftströmung bei verschiedenen Fahrbedingungen, die die Einfachheit der Vorrichtung verbessert und gleichzeitig Probleme mit der Vorrichtung und die Anzahl von Fehlerursachen reduziert.
Es gibt viele allgemeine Arten von Luftströmungssteuerungsvorrichtungen, die für Fahrzeuge verwendet werden, wobei zwei davon Luftschürzen und Spoiler sind. 1 veranschaulicht ein Fahrzug 1 mit einer Luftschürze 3 und einem Spoiler 5 an den Stellen, die typischerweise ihren Funktionen zugeordnet ist, wie nachfolgend erläutert. Luftschürzen unterscheiden sich von Spoilern in Bezug auf Form, Funktionalität, Anordnung und Design. Luftschürzen können allgemein als vordere Luftströmungsbegrenzungsvorrichtungen definiert werden, die derart konstruiert sind, um die Luftströmung um (unter) ein/em Fahrzeug zu glätten, den Luftwiderstandskoeffizienten zu verringern und den Kraftstoffverbrauch, das Handling und Manövrieren bei hohen Geschwindigkeiten zu verbessern. Ein Spoiler dagegen ist derart konstruiert, um die Traktion zu verbessern, indem er den Abtrieb auf den hinteren Abschnitt eines Fahrzeuges erhöht. Die Verwendung von Spoilern erhöht die Kurvenfahrleistung und verbessert die Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten, oft jedoch auf Kosten eines zusätzlichen aerodynamischen Luftwiderstands und Gewichts.
Moderne Luftschürzen und Spoiler besitzen im Allgemeinen eine feste Geometrie, Lage, Orientierung und Steifigkeit. Solche Vorrichtungen können daher nicht neupositioniert, neuorientiert, neu geformt etc. werden, wenn sich die Fahrbedingungen ändern und somit kann die Luftströmung über/unter der/um die Fahrzeugkarosserie herum nicht verstellt werden, um den sich ändernden Fahrbedingungen besser gerecht zu werden. Auch reduzieren moderne Luftschürzen die Bodenfreiheit des Fahrzeuges und stellen damit eine ständige Herausforderung für Konstrukteure dar, für die erforderliche Luftströmungssteuerung zu sorgen und gleichzeitig ge nügend Bodenfreiheit beizubehalten, um einen Kontakt mit und eine Beschädigung durch Parkrampen, Parkhäuser/n, und Zusammenstöße mit Schlaglöchern und Randsteinen zu vermeiden. Entlang dieser Linien können Luftströmungssteuerungsvorrichtungen unter der Karosserie, wenn sie sich entsprechend nahe zum Boden erstrecken, ein Problem in Bezug auf das Fahren durch tiefes stehendes Wasser, Schlamm, Schnee und ungepflasterten Gelände-Oberflächen darstellen.
Demgemäß wäre eine ausfahrbare Luftschürze wünschenswert, die in Übereinstimmung mit den Fahrbedingungen selektiv ausgefahren und zurückgezogen werden kann.
Kurzzusammenfassung
Hierin sind Luftschürzen offenbart, die eine Fläche des Fahrzeuges definieren, die auf Grund ihrer veränderbaren Bodenfreiheit die Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung des Fahrzeuges verändern kann. In einer Ausführungsform umfasst ein Fahrzeug-Luftschürzensystem ein Gehäuse mit einer Öffnung; ein Luftströmungssteuerelement, das translatorisch bewegbar in dem Gehäuse angeordnet ist und verschiebbar mit der Öffnung in Eingriff steht; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um ein Ausfahren und Zurückziehen des Luftströmungssteuerelements aus dem und in das Gehäuse zu bewirken.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Luftschürze ein Gehäuse mit einem Luftströmungssteuerelement, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei eine Drehung des Luftströmungssteuerelements eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung des Fahr zeugs erhöht oder verringert; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material umfasst, das in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement steht, um eine Drehung des Luftströmungssteuerelements zu bewirken.
In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Luftschürze eine flexible Fläche, die an dem Fahrzeug positioniert ist, um eine Luftströmung unter dem Fahrzeug nach einer Durchbiegung derselben zu beeinflussen; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um eine Drehung des Nockens zu bewirken und eine Durchbiegung der flexiblen Fläche zu bewirken.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die nachfolgenden Fig. und die detaillierte Beschreibung erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nun wird Bezug auf die Fig. genommen, die beispielhafte Ausführungsformen darstellen und in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug, das eine Luftschürze und einen Spoiler an Stellen umfasst, die typischerweise ihren jeweiligen Funktionen zugeordnet sind;
2 veranschaulicht eine Schnittansicht einer reversibel ausfahrbaren Luftschürze für ein Fahrzeug in einer ausgefahrenen Position gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
3 veranschaulicht eine Schnittansicht der reversibel ausfahrbaren Luftschürze von 2 in einer zurückgezogenen Position;
4 veranschaulicht eine Schnittansicht einer reversibel ausfahrbaren Luftschürze für ein Fahrzeug in einer zurückgezogenen Position gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
5 veranschaulicht eine Schnittansicht der reversibel ausfahrbaren Luftschürze von 4 in einer ausgefahrenen Position;
6 veranschaulicht eine Schnittansicht einer reversibel ausfahrbaren Luftschürze für ein Fahrzeug in einer zurückgezogenen Position gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
7 veranschaulicht eine Schnittansicht der reversibel ausfahrbaren Luftschürze von 6 in einer zurückgezogenen Position;
8 veranschaulicht eine Schnittansicht einer reversibel ausfahrbaren Luftschürze, die einen Drehmechanismus gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet; und
9 veranschaulicht eine Schnittansicht einer reversibel ausfahrbaren Luftschürze, die einen Drehmechanismus gemäß einer noch weiteren Ausführungsform verwendet.
Detaillierte Beschreibung
Hierin sind mit einem aktiven Material betätigte reversibel ausfahrbare Luftschürzen offenbart. Die Luftschürzen sind zur Verwendung an einem Fahrzeug geeignet, an dem es wünschenswert sein könnte, verstellbare vordere Luftströmungsbegrenzungsvorrichtungen zu haben, die derart konstruiert sind, um die Luftströmung um ein Fahrzeug herum und unter diesem zu glätten, wie es durch die Fahrbedingungen wünschenswert sein kann, den Luftwiderstandskoeffizienten selektiv zu verringern, wie auch den Kraftstoffverbrauch, das Handling und Manövrieren bei hohen Geschwindigkeiten wie z. B. bei Fahrzeugen, die für Rennen verwendet werden können, zu verbessern. Noch spezieller beruht entweder ein Ausfahren oder ein Verstauen der Luftschürzen in diesen Ausführungsformen in jedem Fall vorzugsweise auf entweder einer Translation oder Drehung eines starren Körpers, die nur durch einen einzigen Aktivierungszyklus (oder höchstens eine sehr niedrige Anzahl an Aktivierungszyklen) eines aktiven Materials bewirkt wird. Offenbar besteht, wie oben beschrieben, ein Vorteil im Zusammenhang damit, in der Lage zu sein, die Luftschürze auszufahren/zu verstauen, um den Bedürfnissen verschiedener Fahrbedingungen gerecht zu werden. Darüber hinaus bestehen jedoch wesentliche Vorteile, die sich daraus ergeben, dass die Funktionalität dieser Vorrichtungen auf aktiven Materialien beruht. Spezielle Vorteile im Zusammenhang mit der Verwendung aktiver Materialien, um diese Änderungen zu bewirken, umfassen eine erhöhte Einfachheit der Vorrichtung, eine verringerte Anzahl von Fehlerursachen und daher eine erhöhte Robustheit der Vorrichtung sowie (ein) verringerte/r Vorrichtungsmassen, -volumen und Energiebedarf zur Aktivierung auf Grund ihrer erhöhten Energiedichten.
Die Klassen der umfassten aktiven Materialien sind jene, die eine Änderung der Steifigkeit und/oder Abmessungen in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zeigen, das in Abhängigkeit von dem speziellen aktiven Material verschiedene Formen annehmen kann. Geeignete aktive Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMAs, elektrorheologische Fluide (ER), magnetorheologische Fluide (MR), dielektrische Elastomere, Ionenpolymer-Metallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen aus den vorhergehenden Materialien und dergleichen wie in den anhängigen US-Patentanmeldungen Nr. 10/983 330, 10/893 119, 10/872 327 und 10/983 329, die alle durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind, offenbart.
In einer Ausführungsform, die in den 2 und 3 gezeigt ist, ist eine mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete Luftschürze in der ausgefahrenen bzw. zurückgezogenen Position gezeigt. Die Luftschürze 10 umfasst ein Gehäuse 12, das einen auf einem aktiven Material basierenden Aktuator 14 und ein ausfahrbares Luftströmungselement 16 enthält. Das Gehäuse 12 weist eine obere Wand 18, Seitenwände 20, die sich von der oberen Wand weg erstrecken, und eine untere Wand 22 auf. Das Gehäuse 12 umfasst eine Schlitzöffnung 24 in der oberen Wand 22 und ist ausgebildet, um ein Zurückziehen und Ausfahren des Luftströmungssteuerelements 16 in das und aus dem Gehäuse 12 heraus zuzulassen. Das aktive Material 26 ist mit dem ausfahrbaren Luftströmungselement funktionell verbunden, um für das Zurückziehen und Ausfahren zu sorgen.
Unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen als ein beispielhaftes aktives Material ist ein Formgedächtnislegierungsdraht 26 an einem Ende an eine ausgewählte von den Wanden oder eine feststehende Ankerstruk tur 38 innerhalb des Gehäuses 12 angebunden und das andere Ende ist an dem zweiten Abschnitt 30 des Luftströmungssteuerelements 16 angebunden. Wie gezeigt, ist das ausfahrbare Luftströmungselement 16 allgemein „L"-förmig mit einem ersten Abschnitt 28, der verschiebbar mit der Schlitzöffnung 24 in Eingriff steht, und einem zweiten Abschnitt 30, der im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Abschnitt steht. Das Gehäuse 12 umfasst ferner eine eine Vorspannfeder festhaltende Struktur 32, die an der unteren Wand 22, an der das Luftströmungssteuerelement 16 verschiebbar befestigt ist, angebracht oder einteilig mit dieser ist. Eine Vorspannfeder 34 ist dazwischen angeordnet und steht in einer vorgespannten Beziehung mit dem zweiten Abschnitt des Luftströmungssteuerelements 16 und der die Vorspannfeder festhaltenden Struktur 32. Die die Vorspannfeder festhaltende Struktur 32 umfasst ferner einen Kanal 36 für die Aufnahme des Formgedächtnislegierungsdrahtes 26, dessen eines Ende fest an einer Ankerstruktur 38 innerhalb des Gehäuses angebracht ist und dessen anderes Ende fest an dem zweiten Abschnitt 30 angebracht ist. Der Formgedächtnislegierungsdraht 26 ist um eine oder mehrere Riemenscheiben 42 (von denen zwei gezeigt sind) herum angeordnet und durch den Kanal 36 gefädelt, um für eine vertikale Bewegung des Luftströmungssteuerelements 16 zu sorgen. Eine Aktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahtes 26 bewirkt eine Phasenumwandlung, die zu einer Kontraktion des Drahtes mit einer Kraft führt, die ausreicht, um jene Kräfte zu überwinden, die der Vorspannfeder 34 zugehörig sind. Das Ergebnis ist, dass das Luftströmungssteuerelement 16 verschiebbar aus der Schlitzöffnung 24 ausgefahren wird. Eine Deaktivierung bewirkt, dass die Vorspannfeder die Formgedächtnislegierung pseudoplastisch zurück in/zu ihre/r ungefähr ursprüngliche Position und Länge verformt, was auch zum Ergebnis hat, dass das Luftströmungssteuerelement 16 zurückgezogen wird. Auf diese Weise kann eine Luftströmung, wie durch Pfeile 46 angezeigt, geändert werden, was dazu verwendet werden kann, um den Fahrzeugluftwiderstand, der durch die Luftströmung an dem Fahrzeug verursacht wird, zu beeinflussen. Eine optionale Klappendichtung 44 oder dergleichen ist um die Schlitzöffnung 24 herum angeordnet, um zu verhindern, dass Feststoffteilchen in das Gehäuse gelangen.
Für diese und weitere hierin offenbarten Ausführungsformen ist die Vorspannfeder allgemein derart gewählt, dass ihre axiale Steifigkeit (d. h. die Federkonstante) größer ist als jene des aktiven Materials, wenn das aktive Material nicht aktiviert ist. Zum Beispiel ist im Fall des Formgedächtnislegierungsdrahtes die axiale Steifigkeit der Vorspannfeder derart gewählt, dass sie größer ist als jene des Formgedächtnislegierungsdrahtes, wenn er sich in seiner Martensitsteifigkeit bei niedrigerer Temperatur befindet, und kleiner ist als jene des Drahtes, wenn er sich in seiner Austenitphase bei höherer Temperatur befindet.
In den 4 und 5 ist eine Luftschürze 50 in dem zurückgezogenen bzw. ausgefahrenen Zustand gezeigt. Die Luftschürze 50 umfasst ein Gehäuse 52 mit einer oberen Wand 54, einer unteren Wand 56 und Seitenwänden 58. Das Gehäuse 52 umfasst ferner eine Schlitzöffnung 60, in der ein Luftströmungssteuerelement 62 verschiebbar damit in Eingriff steht. Das Luftströmungssteuerelement 62 ist allgemein „L"-förmig mit einem ersten Abschnitt 64 und einem zweiten Abschnitt 66, der im Wesentlichen rechtwinklig zu dem ersten Abschnitt steht. Ein Ende einer Vorspannfeder 68 ist fest an dem zweiten Abschnitt 66 angebracht und das andere Ende ist fest an der oberen Wand 54 angebracht. Beispielsweise ist ein aktives Material 70 an einem Ende an eine ausgewählte von den Wänden oder eine feststehende Ankerstruktur 72 innerhalb des Gehäuses 62 angebunden und das andere Ende ist an dem zweiten Abschnitt 66 des Luftströmungssteuerelements 62 angebunden. Der Formgedächtnislegierungsdraht 70 ist um eine oder mehrere Riemenscheiben 74 herum angeordnet und ausgebildet, um für eine vertikale Bewegung des Luftströmungssteuerelements 62 zu sorgen. Eine Aktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahtes 70 bewirkt eine Phasenumwandlung, die zu einer Kontraktion des Drahtes mit einer Kraft führt, die ausreicht, um jene Kräfte zu überwinden, die der Vorspannfeder 68 zugehörig sind.
In dieser Ausführungsform würde eine Aktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahtes 70 eine gleichzeitige Kontraktion des Formgedächtnislegierungsdrahtes und Entspannung der Vorspannfeder bewirken, um das Luftströmungssteuerelement 62 auszufahren, im Gegensatz zu dem in der unmittelbar oben stehend erläuterten vorhergehenden Ausführungsform gezeigten Zusammendrückvorgang. Eine Deaktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahtes würde dazu führen, dass die Vorspannfeder den Formgedächtnislegierungsdraht pseudoplastisch verformt, um das Luftströmungssteuerelement in dem Gehäuse 62 zurückzuziehen. Eine Dichtung kann um die Schlitzöffnung herum angeordnet sein.
In den 6 und 7 ist eine Luftschürze 80 in dem ausgefahrenen bzw. zurückgezogenen Zustand gezeigt. Die Luftschürze 80 umfasst ein Gehäuse 82 mit einer oberen Wand 84 und Seitenwänden 88. Das Gehäuse 52 umfasst ferner eine Schlitzöffnung 90, in der ein Luftströmungssteuerelement 92 verschiebbar damit in Eingriff steht. Die Schlitzöffnung 90 erstreckt sich bis zu der oberen Wand und umfasst eine Schulter 94, die distal von der anfänglichen Öffnung 90 angeordnet ist. Das Luftströmungssteuerelement 92 besitzt eine allgemein ebene Form und steht mit der Schlitzöffnung verschiebbar in Eingriff.
Ein aktives Material 96, z. B. ein Formgedächtnislegierungsdraht, ist an einem Ende an dem Luftströmungssteuerelement 92 und an dem anderen Ende an der oberen Wand 84 innerhalb des Gehäuses 82 angebunden.
Der Formgedächtnislegierungsdraht 96 ist ausgebildet, um für eine vertikale Bewegung des Luftströmungssteuerelements 82 zu sorgen. Eine Vorspannfeder 98 sitzt auf der Schulter 94 und steht in Kontakt mit dem Luftströmungssteuerelement 92. Die Vorspannfeder 98 ist derart bemessen, dass die Vorspannfeder bei Nichtvorhandensein eines Aktivierungssignals an den Formgedächtnislegierungsdraht das Luftströmungssteuerelement 82 in den Luftströmungsweg positioniert, d. h. das Ausfahren des Luftströmungssteuerelements von dem Gehäuse bewirkt. Bei einer Aktivierung des Formgedächtnislegierungsdrahtes zieht sich der Draht zusammen und bewirkt, dass die Vorspannfeder komprimiert und dadurch das Luftströmungssteuerelement 82 zurückgezogen wird. Als solches ist die Länge der Schlitzöffnung zu der Schulter der Vertiefung etwa gleich der oder kleiner als die Länge des ausfahrbaren Luftströmungssteuerelements 92 und der/die Länge der Vorspannfeder bei einer Kompression durch den Formgedächtnislegierungsdraht.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, ist eine Luftschürze gezeigt 100, in der das aktive Material (eines oder mehrerer) extern entweder direkt oder entfernt mit dem Luftströmungssteuerelement 102 verbunden ist. In diesem Beispiel ist die Luftströmungssteuerfläche 102 an einer Achse 104 angebracht, die sich frei um ihre Achse drehen kann. Eine Feder 106 und ein SMA-Draht 108 sind gegenüberliegend an der Achse 104 angebracht, sodass sich ihre Spannungen aufheben, und eine Drehung des Rohres über ein externes Mittel wird die Spannung in einem erhöhen, während sie die Spannung in dem anderen reduziert. Bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten hält die Spannung in der Feder 106 kombiniert mit der reduzierten Steifigkeit und größeren Länge des SMA-Drahtes 108 die Luftschürze bündig mit der Fahrzeugoberfläche und aus dem Weg gedreht. Bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten wird die Temperatur des SMA-Drahtes z. B. über eine Widerstandsheizung erhöht, um in dem SMA-Draht eine Phasenänderung von Martensit zu Austenit zu erzeugen. Dies führt typischerweise zu einer Reduktion seiner Länge um vier Prozent und einer deutlichen Erhöhung seiner Steifigkeit. Diese kombinierte Längen- und Steifigkeitsänderung führt zu einer Drehung – einem Ausfahren – der Luftströmungssteuerungsvorrichtung und zu einer Entspannung der Ausgleichsfeder 106. Bei einem Ausschalten des Stromes, der die Widerstandsheizung des SMA-Drahtes bewirkt, kühlt der Draht auf seine Martensitphase ab und die ausgedehnte Feder bringt die Luftströmungssteuerungsvorrichtung in ihre verstaute Position zurück.
Wenngleich insbesondere Bezug auf die Verwendung von Formgedächtnislegierungen genommen wurde, sollte angemerkt werden, dass auch ein EAP anstelle einer SMA als Aktuator in diesen Ausführungsformen verwendet werden kann, um das gewünschte lineare oder gedrehte Ausfahren zu erreichen. Insbesondere im Fall des Ausfahrens durch eine Translation wird die Kompaktheit zu einem weit geringeren Problem mit einem EAP, da das EAP, verschiedentlich in Spannelement-, Tafel- oder Plattenform, derart hergestellt sein kann, dass es eine Dehnung von 100% erfährt, wenn es einer angelegten Spannung ausgesetzt ist.
Es sind auch Ausführungsformen vorstellbar, wie angegeben, in denen das außen angebrachte aktive Material verwendet wird, um die Geometrie der Luftströmungssteuerfläche/n der Luftschürze zu verändern. Wie in 9 gezeigt, umfasst die Luftschürze 110 eine nockenartige Vorrichtung, die neben einer flexiblen Fläche eines Luftströmungssteuerelements 114 angeordnet ist. Eine Aktivierung eines aktiven Materials 116, das physikalisch mit dem Nocken 112 verbunden ist, z. B. eines SMA-Drahtes oder einer Feder oder einer/s EAP-Tafel oder -Spannelements, wird eine Drehung des Nockens bewirken, wobei die Drehung die flexible Luftströmungssteuerfläche der Luftströmungssteuerungsvorrichtung elastisch verformt. Eine Vorspannfeder 118, die verschiedene Formen annehmen könnte, oder die in der verformten Fläche elastisch gespeicherte Energie könnte verwendet werden, um die Fläche der Luftströmungssteuerungsvorrichtung in ihre ursprüngliche Konfiguration zurückzubringen, sobald das Aktivierungssignal weggenommen wird.
In einer alternativen Ausführungsform können die Luftschürzenvorrichtungen mit durch ein aktives Material oder sonst wie betätigten Sperrmechanismen ausgebildet sein, welche die ausfahrbare Luftströmungssteuerungsvorrichtung in entweder der ausgefahrenen oder der verstauten Position halten und dadurch eine Energie-Aus-Position/Formbeibehaltung zulassen, d. h. Energie für eine Betätigung in diesen Ausführungsformen wird dann nur während des Ausfahrens oder Verstauens der aktiven Luftströmungssteuerungsvorrichtung benötigt.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Formgedächtnispolymer" im Allgemeinen auf ein Polymermaterial, das eine Änderung in einer Eigenschaft wie z. B. einem Elastizitätsmodul, einer Form, einer Abmessung, einer Formorientierung oder einer Kombination, die mindestens eine der vorhergehenden Eigenschaften umfasst, nach Anlegen eines Aktivierungssignals zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein lichtbasiertes Aktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt) oder eine Kombination sein, die mindestens eines der vorhergehenden umfasst. Formgedächtnispolymere als eine allgemeine Klasse von Materialien weisen keine starken Rückstellkräfte auf, wenn sie aktiviert werden, was sie im Allgemeinen nicht so gut geeignet macht wie Aktoren. Aller dings werden Materialformulierungen entwickelt, in denen die Rückstellkräfte wesentlich größer sind, und in Vorwegnahme dessen sind sie in dieser Erfindung im Hinblick auf ihre mögliche Eignung, das reversible Ausfahren der Luftschürze wie hierin beschrieben, zu bewirken eingeschlossen. Ein zusätzlicher Vorteil ihrer Verwendung besteht darin, dass bei einer Deaktivierung der Modulanstieg für sie ausreicht, um als die zusätzliche Funktion eines Null-Energie-Haltepositions-Verriegelungs/Sperrmechanismus zu dienen.
Wie hierin verwendet, bezeichnen die Begriffe „erste/r/s", „zweite/r/s" und dergleichen auch keinerlei Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern dienen dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „der/die/das", „ein/e" bezeichnen keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Des Weiteren schließen alle hierin offenbarten Bereiche die Endpunkte mit ein und sind einzeln kombinierbar.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedene Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment" auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Folge derselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann kristallin oder amorph sein und weist einen entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Erweichungstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeübergangstemperatur" wird hierin einfacherweise verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n-1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeübergangstemperatur aufweist als jedes weiche Element. Somit weist das SMP (n) Wärmeübergangstemperaturen auf. Die Wärmeübergangstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Übergangstemperatur" bezeichnet und die niedrigste Wärmeübergangstemperatur des so genannten „weichsten" Segments wird als die „erste Übergangstemperatur" bezeichnet. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeübergangstemperatur, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann das SMP-Material geformt werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet sind die Begriffe „ursprüngliche Form", „vorher definierte Form" und „permanente Form" gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeübergangstemperatur eines jeglichen weichen Elements ist, jedoch unter der letzten Übergangstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und dann unter die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Für SMPs mit nur zwei Segmenten wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers bei der ersten Übergangstemperatur festgelegt, gefolgt von einem Abkühlen des SMPs unter Belastung, um die temporäre Form einzuschließen. Die temporäre Form wird solange beibehalten, wie das SMP unter der ersten Übergangstemperatur bleibt. Die permanente Form wird wiedergewonnen, wenn das SMP erneut über die erste Übergangstemperatur gebracht wird. Ein Wiederholen der Erwärmungs-, Form- und Abkühlschritte kann die temporäre Form wiederholt zurücksetzen.
Die meisten SMPs zeigen einen Effekt „in eine Richtung", wobei das SMP eine permanente Form aufweist. Beim Erwärmen des Formgedächtnispolymers über eine Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments ohne eine Spannung oder Belastung wird die permanente Form erreicht und die Form kehrt nicht ohne die Verwendung äußerer Kräfte zu der temporären Form zurück.
Als eine Alternative können einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen derart hergestellt sein, dass sie einen Effekt „in zwei Richtungen" zeigen, wobei das SMP zwei permanente Formen aufweist. Diese Systeme umfassen mindestens zwei Polymerkomponenten. Zum Beispiel könnte eine Komponente ein erstes vernetztes Polymer sein, während die andere Komponente ein anderes vernetztes Polymer ist. Die Komponenten werden durch Schichtverfahren kombiniert oder sind Durchdringungs netzwerke, wobei die zwei Polymerkomponenten vernetzt sind, allerdings nicht miteinander. Durch Ändern der Temperatur ändert das Formgedächtnispolymer seine Form in der Richtung einer ersten permanenten Form oder einer zweiten permanenten Form. Jede der permanenten Formen gehört zu einer Komponente des SMP. Die Temperaturabhängigkeit der Gesamtform ist in der Tatsache begründet, dass die mechanischen Eigenschaften einer Komponente („Komponente A") beinahe unabhängig von der Temperatur in dem betreffenden Temperaturintervall sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente („Komponente B") sind von der Temperatur in dem betreffenden Temperaturintervall abhängig. In einer Ausführungsform wird die Komponente B bei niedrigen Temperaturen im Vergleich mit der Komponente A stärker, während die Komponente A bei hohen Temperaturen stärker ist und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Gedächtnisvorrichtung in zwei Richtungen kann hergestellt werden, indem die permanente Form der Komponente A („erste permanente Form") festgelegt wird, die Vorrichtung zu der permanenten Form der Komponente B („zweite permanente Form") verformt wird und die permanente Form der Komponente B fixiert wird, während eine Spannung aufgebracht wird.
Es sollte für einen Fachmann einzusehen sein, dass es möglich ist, SMPs in vielen verschiedenen Formen und Gestalten zu konfigurieren. Die technische Ausführung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Zum Beispiel kann die letzte Übergangstemperatur je nach spezieller Anwendung zwischen etwa 0°C und etwa 300°C oder mehr betragen. Eine Temperatur für eine Formwiederherstellung (d. h. eine Wärmeübergangstemperatur für ein weiches Segment) kann etwa –30°C oder mehr betragen. Eine andere Temperatur für eine Formwiederherstellung kann etwa 20°C oder mehr betragen. Eine andere Temperatur für eine Formwiederherstellung kann etwa 70°C oder mehr betragen. Eine andere Temperatur für eine Formwiederherstellung kann etwa 250°C oder weniger betragen. Eine noch andere Temperatur für eine Formwiederherstellung kann etwa 200°C oder weniger betragen. Schließlich kann eine andere Temperatur für eine Formwiederherstellung etwa 180°C oder weniger betragen.
Geeignete Polymere zur Verwendung in den SMPs umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke aus Polymeren. Die Polymere können ein einziges Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen 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, 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 und Kombinationen, die mindestens eine der vorhergehenden Polymerkomponenten umfassen. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Das/die zum Bilden der verschiedenen Segmente in den oben beschriebenen SMPs verwendete/n Polymer/e ist/sind entweder im Handel erhältlich oder kann/können unter Verwendung von Routine-Chemie synthetisiert werden. Ein Fachmann kann die Polymere ohne weiteres unter Verwendung bekannter chemischer und Verarbeitungsverfahren ohne übermäßiges Experimentieren herstellen.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. 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, in den Martensit überzugehen, wird als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und sie sind in der austenitischen Phase härter, fester und/oder starrer. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Ausdehnung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit- Übergangstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein nachfolgendes Erwärmen über die Austenit-Übergangstemperatur bewirkt, dass die ausgedehnte Formgedächtnislegierung in ihre permanente Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die Übergänge zwischen der Martensit- und der Austenitphase bewirkt.
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 eine Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Grad statt und der Beginn oder das Ende des Übergangs kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, auf innerhalb ein oder zwei Grad gesteuert sein. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen bereit.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf 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 irgend einer höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, Änderungen der Fließgrenze und/oder der Biegemoduleigenschaften, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und dergleichen. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente arbeiten wird.
Aktive Materialien können auch ein Formgedächtnismaterial wie z. B. magnetische Materialien und magnetorheologische Elastomere umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf weiche oder harte Magneten; Hematit; Magnetit; magnetisches Material auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen aus den vorhergehenden, oder Kombinationen, die mindestens eines der vorhergehenden umfassen, und dergleichen. Legierungen aus Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen. Geeignete MR-Elastomermaterialien wurden zuvor beschrieben.
Die Luftschürzen und Verfahren der vorliegenden Offenlegung sind in der Lage, Merkmale wie z. B. eine Form, Abmessung, Steifigkeit, Lage, Kombinationen daraus und dergleichen zu verstellen, indem die mindestens eine Eigenschaft des aktiven Materials geändert wird, um den Bedürfnissen verschiedener Fahrzustände gerecht zu werden. Änderungen der mindestens einen Eigenschaft eines aktiven Materials umfassen eine Form, Abmessung, Steifigkeit, Kombinationen daraus und dergleichen. Die Verwendung von aktiven Materialien, um diese Änderungen zu bewirken, sorgen für Vorrichtungen mit einer erhöhten Einfachheit und Robustheit bei einer gleichzeitigen Verringerung der Anzahl von Fehlerursachen, des Vorrichtungsvolumens und Energiebedarfs zur Aktivierung auf Grund höherer Energiedichten.
Das aktive Material kann auch ein elektroaktives Polymer wie z. B. Ionenpolymer-Metallverbundstoffe, leitende Polymere, ein piezoelektrisches Material und dergleichen umfassen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch" verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt, wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln umfasst, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizes umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Die Materialien nutzen im Allgemeinen die Verwendung von nachgiebigen Elektroden, die zulassen, dass sich Polymerfilme in Ansprechen auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Belastungen in Richtungen in der Ebene ausdehnen oder zusammenziehen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Ver bundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (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, druckempfindliche Haftmittel, 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.
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 vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise 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.
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 kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, sind vorzugsweise 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. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus innenleitfähigen Materialien.
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.
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. Die Streifen können unimorph oder bimorph sein. Vorzugsweise ist ein piezoelektrisches Material auf Streifen aus einer flexiblen Metall- oder Keramikbahn angeordnet. Vorzugsweise sind die Streifen bimorph, da Bimorphe im Allgemeinen größere Verschiebungen zeigen als Unimorphe.
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 piezoelektrische 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.
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 bis zu 20% zeigen, halten aber, ähnlich wie Unimorphe, hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur nicht stand.
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) Gruppen) 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; Polyfluorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), Trifluorethylen („TrFE") und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC"), Polyvinylidenchlorid („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.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, 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.
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 typischerweise 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.
Wenn nicht anders angegeben, sind alle Zahlen, die Mengen an Inhaltsstoffen, Eigenschaften wie z. B. ein Molekulargewicht, Reaktionsbedingungen und dergleichen zum Ausdruck bringen, welche in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, in allen Fällen um den Begriff „etwa" modifiziert zu verstehen. Wenn nicht anders angegeben, sind demgemäß die numerischen Parameter, die in der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind, Annäherungen, die in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, deren Erhalt durch die vorliegende Offenlegung angestrebt wird, variieren können. Schließlich soll, und dies ist nicht als Versuch zu sehen, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten auf den Umfang der Ansprüche einzuschränken, jeder numerische Parameter zumindest im Licht der Anzahl angegebener signifikanter Stellen und durch Anwenden üblicher Rundungsverfahren ausgelegt werden.
Während die Offenlegung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Offenlegung abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material für die Lehre der Offenlegung geeignet zu machen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Die Offenlegung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als die beste Art der Ausführung der Offenlegung betrachtet wird, sondern die Offenlegung wird alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Fahrzeugluftschürze, die ein Luftströmungssteuerelement und einen Aktuator mit einem auf einem aktiven Material basierenden Aktuator zum Ausfahren des Luftströmungssteuerelements umfasst, um eine Luftströmung um das Fahrzeug herum zu ändern.

Claims

Luftschürze für ein Fahrzeug, wobei die Luftschürze eine Fläche des Fahrzeugs definiert, die eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung des Fahrzeugs erhöhen oder verringern kann, wobei die Luftschürze umfasst: ein Gehäuse mit einer Öffnung; ein Luftströmungssteuerelement, das translatorisch bewegbar in dem Gehäuse angeordnet und verschiebbar mit der Öffnung in Eingriff steht; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um ein Ausfahren und Zurückziehen des Luftströmungssteuerelements aus dem und in das Gehäuse zu bewirken.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei das aktive Material aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren, elektroaktiven Polymeren, ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen, elektrorheologischen Fluiden, magnetorheologischen Fluiden, dielektrischen Elastomeren, Ionenpolymer-Metallverbundstoffen, piezoelektrischen Polymeren und piezoelektrischen Keramiken besteht.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei der Aktuator mit einem aktiven Material einen Formgedächtnislegierungsdraht, dessen eines Ende mit dem Luftströmungssteuerelement verbunden ist, und eine Vorspannfeder umfasst, die an dem Luftströmungssteuerelement ange bracht ist und derart ausgebildet ist, dass sie eine Gegenkraft zu der durch den Formgedächtnislegierungsdraht bereitgestellten vorsieht.
Luftschürze nach Anspruch 3, wobei die Vorspannfeder eine Federkonstante besitzt, die größer ist als eine Federkonstante des Formgedächtnislegierungsdrahtes, wenn sich der Formgedächtnislegierungsdraht in einer Martensitphase befindet, und kleiner als die Federkonstante des Formgedächtnislegierungsdrahtes ist, wenn sich der Formgedächtnislegierungsdraht in einer Austenitphase befindet.
Luftschürze nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Dichtung, die um die Öffnung herum angeordnet ist, wobei die Dichtung ausgebildet ist, um zu verhindern, dass Feststoffteilchen in das Gehäuse gelangen.
Luftschürze nach Anspruch 1, ferner umfassend mindestens eine Riemenscheibe in funktioneller Verbindung mit dem Formgedächtnislegierungsdraht.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine obere Wand, eine untere Wand und Seitenwände, die sich dazwischen erstrecken, umfasst, wobei die untere Wand eine die Vorspannfeder festhaltende Struktur in dem Gehäuse umfasst, wobei das Luftströmungssteuerelement einen ersten Abschnitt in Gleiteingriff mit der Öffnung und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei sich die Vorspannfeder zwischen der die Vorspannfeder festhaltenden Struktur und dem zweiten Abschnitt befindet, und wobei der Formgedächtnislegierungsdraht ausgebildet ist, um die Vorspannfeder bei einer Aktivierung zusammenzuziehen und zusammenzudrücken und den ersten Abschnitt aus dem Gehäuse auszustrecken.
Luftschürze nach Anspruch 7, wobei die Vorspannfeder ausgebildet ist, um sich auszudehnen und den ersten Abschnitt in das Gehäuse zurückzuziehen, wenn der Formgedächtnislegierungsdraht nicht aktiviert ist.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine obere Wand, eine untere Wand und Seitenwände, die sich dazwischen erstrecken, umfasst, wobei das Luftstromungssteuerelement einen ersten Abschnitt in Gleiteingriff mit der Öffnung und einen zweiten Abschnitt umfasst, wobei sich die Vorspannfeder zwischen der oberen Wand und dem zweiten Abschnitt befindet, und wobei der Formgedächtnislegierungsdraht ausgebildet ist, um die Vorspannfeder bei einer Aktivierung zusammenzuziehen und zu entspannen und den ersten Abschnitt aus dem Gehäuse auszustrecken.
Luftschürze nach Anspruch 9, wobei die Vorspannfeder ausgebildet ist, um den ersten Abschnitt zusammenzudrücken und in das Gehäuse zurückzuziehen, wenn der Formgedächtnislegierungsdraht nicht aktiviert ist.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei das Luftströmungssteuerelement eine im Wesentlichen lineare Formorientierung aufweist, die in Gleiteingriff mit der Öffnung steht, wobei die Vorspannfeder auf einer Schulter der Öffnung sitzt und sich zwischen dem Luftströmungssteuerelement und der Schulter befindet, und wobei der Formgedächtnislegierungsdraht ausgebildet ist, um die Vorspannfeder bei einer Aktivierung zusammenzuziehen und zusammenzudrücken und das Luftströmungssteuerelement in das Gehäuse zurückzuziehen.
Luftschürze nach Anspruch 11, wobei die Vorspannfeder ausgebildet ist, um das Luftströmungssteuerelement aus dem Gehäuse auszufahren und auszustrecken, wenn der Formgedächtnislegierungsdraht nicht aktiviert ist.
Luftschürze nach Anspruch 1, wobei das aktive Material in Kombination mit einem Verriegelungsmechanismus derart eingerichtet ist, dass er eine Null-Energie-Halteposition bereitstellt und das Luftströmungssteuerelement in einer feststehenden Position hält.
Luftschürze für ein Fahrzeug, wobei die Luftschürze eine Fläche des Fahrzeugs definiert, die eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung davon erhöht oder verringert, wobei die Luftschürze umfasst: ein Gehäuse mit einem Luftströmungssteuerelement, das drehbar in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei eine Drehung des Luftströmungssteuerelements eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung des Fahrzeugs erhöht oder verringert; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um eine Drehung des Luftströmungssteuerelements zu bewirken.
Luftschürze nach Anspruch 14, wobei das Luftströmungssteuerelement fest an einer Achse angebracht ist und wobei der Aktuator mit einem aktiven Material ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit der Achse, um bei einer Aktivierung selektiv eine Drehung zu bewirken, und eine Vorspannfeder in funktioneller Verbindung mit der Achse, um bei einer Deaktivierung des aktiven Materials eine Gegendrehung zu bewirken, umfasst.
Luftschürze nach Anspruch 13, wobei das aktive Material aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren, elektroaktiven Polymeren, ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen, elektrorheologischen Fluiden, magnetorheologischen Fluiden, dielektrischen Elastomeren, Ionenpolymer-Metallverbundstoffen, piezoelektrischen Polymeren und piezoelektrischen Keramiken besteht.
Luftschürze nach Anspruch 13, wobei das aktive Material in Kombination mit einem Verriegelungsmechanismus derart eingerichtet ist, dass es eine Null-Energie-Halteposition bereitstellt und das Luftströmungssteuerelement in einer feststehenden Position hält.
Luftschürze für ein Fahrzeug, wobei die Luftschürze eine Fläche des Fahrzeugs definiert, die eine Luftströmung unter dem Fahrzeug während einer Bewegung davon erhöht oder verringert, wobei die Luftschürze umfasst: eine flexible Fläche, die an dem Fahrzeug positioniert ist, um bei einer Durchbiegung davon eine Luftströmung unter dem Fahrzeug zu beeinflussen; einen drehbaren Nocken in Kontakt mit der flexiblen Fläche; und einen Aktuator mit einem aktiven Material, der ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Luftströmungssteuerelement umfasst, um eine Drehung des Nockens zu bewirken und eine Durchbiegung der flexiblen Fläche zu bewirken.
Luftschürze nach Anspruch 18, wobei der Aktuator mit einem aktiven Material ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Nocken, um bei einer Aktivierung selektiv eine Drehung zu bewirken, und eine Vorspannfeder in funktioneller Verbindung mit der Achse, um bei einer Deaktivierung des aktiven Materials eine Gegendrehung zu bewirken, umfasst, wobei die Drehung und die Gegendrehung des Nockens die Durchbiegung bewirken.
Luftschürze nach Anspruch 18, wobei das aktive Material aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren, elektroaktiven Polymeren, ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen, elektrorheologischen Fluiden, magnetorheologischen Fluiden, dielektrischen Elastomeren, Ionenpolymer-Metallverbundstoffen, piezoelektrischen Polymeren und piezoelektrischen Keramiken besteht.