CN101172491B

CN101172491B - 活性材料致动的导流装置

Info

Publication number: CN101172491B
Application number: CN2007101929763A
Authority: CN
Inventors: A·L·布劳恩; N·L·约翰逊; G·A·赫雷拉; G·P·麦奈特; C·P·亨里; A·C·基夫; B·哈利希; D·M·斯米克
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: CN101172491A; DE102007051364A1; US20080100071A1; US7845709B2

Abstract

一种车辆导流装置，包括与车体物理连接的可移动主体部和包含活性材料的致动器，该活性材料与车体和可移动主体部可操作地连接；其中活性材料在接收到激励信号后经历性质的变化，其中这种性质的变化有效地通过致动器的运动使可移动主体部从初始位置或者气流中的展开位置中的任一个位置移动到初始位置或展开位置中的另一个位置。

Description

活性材料致动的导流装置

技术领域

本发明大体涉及一种基于活性材料的可逆向展开的导流装置(flow trip)，特别的，按照某一实施例所述，涉及具有将基于活性材料的铰链作为旋转致动器的导流装置。

背景技术

车辆上方、下方、周围、和/或穿过车辆的气流会影响车辆性能的很多方面，包括车辆的空气阻力、车辆升力和下压力、以及引擎罩内的冷却和制动器冷却。例如，车辆的空气动力学阻力与车辆的燃油经济性成反比。人们研制了许多系统和装置来改善车辆的空气动力学，减小车辆空气阻力以提高燃油经济性。最初一些控制车辆气流的装置通常具有不可调整的几何形状，位置和方向。这样的装置通常无法适应驾驶状况的变化，因此这种固定的装置无法调整车辆的气流更好地适应驾驶状况的改变。

随后车辆气流的发展包括可调整的控制装置。通过将装置连接到液压、机械或是电动致动器使其具有可调整性。例如，一些车辆扰流器通过响应致动器的信号可以对其位置和/或方向进行调整。但是，这种致动器通常需要额外的部件例如活塞、电机、螺线管和/或类似的机构用于激励，因此使得装置变得更为复杂，而且经常导致故障模式增多，重量加大，维修加工的成本也会提高。

活性材料例如形状记忆合金、压电体、磁流变聚合物、电活化聚合物等等，可以用作有限位移致动器。代替了机械致动器例如螺线管、伺服电机等的活性材料致动器的使用，最小化了与这些类型的致动器相关的复杂性。此外，这些材料通常提供轻量选择，最小化包装空间，并且在工作中产生更小的声场和电磁场(EMF)输出。但是，这些材料提供有限的位移，并且通常不能直接提供旋转。为了提供许多导流装置和其他应用所需的大位移，可以通过反复致动实现小位移的已知活性材料致动器，以在多次的小步增加后实现想要的大位移。通过这种增加的方式来获得大旋转位移的缺点是活性材料致动器会变得更为复杂，并且实现完全展开需要的时间也显著增加。

因此，需要一种改进的活性材料致动的导流装置。认识到活性导流装置有一个特别的优点，即在高车速且它们处于展开位置的情况下，它们能改善空气动力学，从而减小阻力和提高燃油经济性，而当车辆静止或低速行驶时且它们处于收藏位置的情况下，它们能保留车辆设计者原先设想的车体线条。

发明内容

在一个实施例中，一种导流装置，包括与车体物理连接的可移动主体部和包含活性材料的致动器，该活性材料与车体和可移动主体部可操作地连接；其中活性材料在接收到激励信号后经历性质的变化，其中这种性质的变化有效地通过致动器的运动使可移动主体部从初始位置或者气流中的展开位置中的任一个位置移动到初始位置或展开位置中的另一个位置。

用于车辆导流装置的活性致动器-铰链组件，包括：放置在致动器罩上的线性位移活性材料，其中活性材料构造为在接收到激励信号后经历性质的变化；与线性位移活性材料可操作地连接的径向输出轴，其中活性材料性质的变化有效地轴向移动径向输出轴；和枢轴组件，其与径向输出轴和致动器罩可操作地连接，构造为将输出轴的轴向移动转化成致动器罩的旋转运动。

使用车辆导流装置的方法，包括：将包含活性材料的致动器放置在车体和可移动主体部之间；激励活性材料以实现活性材料性质的变化，其中性质的变化通过致动器的运动使可移动主体部从初始位置或车辆气流中的展开位置中的任一个位置移动到初始位置或展开位置中的另一个位置；停止激励活性材料。

通过下面对本发明的各种特征以及包含其中的实施例的详细描述，可以更加容易地理解本发明。

附图说明

现在参考附图，其中相同的元件用相同的符号表示：

图1是布置在车轮室内的活性材料致动的导流装置的一个实施例的透视图；

图2是布置在车轮室内的活性材料致动的导流装置的一个实施例的透视图；

图3是布置在车轮室内的活性材料致动的导流装置的一个实施例的透视图；

图4是布置在车轮室内的活性材料致动的导流装置的另一实施例的透视图；

图5是布置在车轮室内的活性材料致动的导流装置的又一实施例的透视图；

图6是带有转换机构详细视图(B)的基于活性材料的致动器的一个实施例的透视图(A)；

图7是基于活性材料的致动器的一个实施例的透视图；

图8是活性材料致动的导流装置的另一实施例的透视图；

图9是活性材料致动的导流装置的另一实施例的透视图；

图10是活性材料致动的导流装置的另一实施例的透视图；

图11是活性材料致动的导流装置的另一实施例的透视图。

具体实施方式

此处公开一种活性材料致动的导流装置以及用于可逆向展开活性材料致动的导流装置的过程。与现有技术的导流装置相比，此处公开的以不同方式基于活性材料线性和/或旋转致动器的导流装置和方法有利地使用基于活性材料的机构，以便在车辆运动时展开和在车辆静止时保持平齐的车体线导流装置。此外，这些致动器可以在最短致动时间内实现大位移，从而相比现有技术中需要多次激励获得全位移的基于大位移活性材料的致动器能提供更快的总响应时间。正如此处使用的，术语“车体”通常指的是导流装置可移动连接的车辆部件，包括但不局限于，轮室、车身面板、引擎罩、后仪表板、车顶、保险杠、底盘、车架和副车架部件、立柱等等。在一个优选实施例中，导流装置可操作地与车体连接，例如轮室。

这里使用的术语“活性材料”通常指的是在激励信号作用时性质例如尺寸、形状、方向、剪切力或弯曲模量发生改变的材料。适合的活性材料包括，但不局限于，形状记忆合金(SMA)、铁磁形状记忆合金、电活化聚合物(EAP)、压电材料、磁致伸缩材料、磁流变弹性体、电流变弹性体、电致伸缩材料等等。取决于特殊的活性材料，激励信号可以采取以下形式，包括但不局限于，电流、电场(电压)、温度变化、磁场、机械载荷或应力等等。

同样，正如此处使用的，术语“第一”，“第二”等等并不代表任何顺序或重要程度，只是用于元件的相互区分，术语“这”、“一”和“一个”并不代表数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。此外，给定部件或测量的指向相同数值的所有范围包含端点，并且相互独立组合。

下面公开使用活性材料的导流装置的几个实施例，为了便于讨论，这些实施例根据导流装置的可移动主体部的运动性质分为不同的类别。在每幅图中，虚线用来表示处于展开位置的导流装置，这样可以帮助理解其应用功能。图1到图5阐述这些导流装置组件的示例性实施例。如图1所示，该第一个实施例显示示例性活性材料致动的导流装置，通常用附图标记100表示。导流装置100可操作地连接车体，例如轮室112。活性材料致动的导流装置并不局限于这个特殊的实施例，也不局限于其中任何特殊的活性材料。可移动主体部110具有一个自由端以及与枢轴114固定的一端。枢轴114同时与复位机构例如旋转弹簧116可操作地连接。活性材料部件118可操作地连接可移动主体部110，并提供致动功来移动主体部。活性材料部件118性质的改变例如可以使得主体部110从初始位置(也就是相对于轮室112的收藏位置和/或平行位置)旋转到车辆气流路径内的展开位置(如图1中虚线所示)。正如此处使用的，“平齐位置”通常是指导流装置的可移动主体部与车体平的位置(也就是说与车体线融为一体)，因而提供从导流装置到车体的光滑平面。可选的，枢轴114自身合并活性材料部件，从而使可移动主体部110旋转。

导流装置100的可移动主体部110具有如下的形状：开始时与车辆表面相切和位于车辆表面内，在下游方向由车辆表面平滑向外弯曲或成一角度。公开的导流装置设计为以某种方式弯曲流体流线，使流体流线远离和越过车辆表面的凹部、腔和倾斜不规则处，或者使流体流线远离车辆表面的凹部、腔和倾斜不规则处的上方，以致流线在这些特征的下游侧返回车辆表面和与车辆表面重新平滑对齐。正如此处使用的，术语“上游”和“下游”用来指示基于流体流动的位置，因此，位于轮室中车轮上游的导流装置可以在气流进入轮室之前接收气流，并使气流返回到轮室下游的车体表面。有利的，公开的导流装置在车辆静止或低速行驶的情况下处于收藏和/或平齐位置，而在车辆高速行驶的情况下展开以降低车辆阻力和改善燃油经济性。因此在不牺牲优选车体设计图案的情况下通过并入公开的导流装置可改善车辆的燃油经济性。

作用于活性材料的激励信号包括热信号、磁信号、电信号、气动信号、机械信号等等，或是由至少一种以上信号组合而成的信号，同时特殊的激励信号取决于活性材料的材料和/或结构。例如，施加磁场可以用来改变由磁致伸缩材料制成的活性材料的性质。施加热信号可以用来改变例如形状记忆合金(SMA)这样的热激励活性材料的性质。施加电信号可以用来改变由电活化材料、压电体和/或离子聚合金属复合材料制成的活性材料的性质。

理想的情况下，活性材料性质的变化可以在施加的激励信号的持续时间内得到维持。在一个实施例中，当停止激励信号时，活性材料的性质通常会回复到无动力形式并且基本回到其初始性质，因而使主体部110返回轮室112内的初始位置。在一个可选实施例中，活性材料性质的变化可以在激励信号中止后得到维持。在该实施例中，枢轴114包括回位机构116，用来使主体部110恢复到轮室112内的初始收藏位置。这里用到的术语“回位机构”通常指的是任意可提供与活性材料所产生力相反的力的部件，它包括，但不局限于弹簧、弹性体、另外的活性材料等等。因此回位机构116可以使可移动主体部110返回展开位置或是初始位置。随后活性材料可以在受到激励时克服回位机构的作用力。采用这种方式，可以方便地进行导流装置的可逆和多次展开。

在另一个可选实施例中，一种无动力的保持锁定机构与可移动主体部110可操作地连接。该锁定机构即使在活性材料部件118失去激励之后也可以有利地将主体部110保持在展开状态。在需要的情况下可以释放锁定机构，回位机构116或者活性材料部件118使主体部110移动回到收藏位置。可选地，这种无动力保持锁定机构可以用来当活性材料部件118失去激励时将主体部110保持在收藏位置。采用这种方式，当释放锁定机构，且回位机构116或活性材料部件118使主体部移动进入气流时，发生导流装置100的展开。锁定机构可以在不需要向活性材料部件持续施加激励信号的情况下有利地允许导流装置保持在固定的位置，无论是展开位置还是收藏位置。这可以降低导流装置的能量消耗，车辆电池的消耗以及总的运作费用。

更进一步的，导流装置可以任选地包括在其周边不同点上的多个基于活性材的料致动器。多个致动器可以使稳定性加强，抗扭刚度增大等等。

如上文所述，导流装置的下述示例性实施例利用活性材料部件通过不同类型的运动移动导流装置主体。应该理解的是，每个实施例的功能都是将导流装置由初始位置移动到车辆气流中的展开位置。同样的，这些实施例可以包括可选的部件以及上文详细描述的操作方法，例如锁定机构或回位机构。图2中显示活性材料致动的导流装置200。导流装置200与车体例如轮室212相连接，包括利用线性运动沿轨迹214展开的可移动主体部210。线性运动可以直接利用各种活性材料或是利用活性材料与能产生希望的运动的机构的组合创建。在该实施例中，可移动主体部210是被动柔性体，活性材料部件218性质改变引起的线性位移导致其弯曲，在该弯曲位置可移动部提供希望的导流装置特性。

图3描述的是与车体例如轮室312相连接的活性材料致动的导流装置300。导流装置300包括两个枢轴314，以便提供可移动主体部310接近线性的展开。正如下文将更加详细讨论的，枢轴314的致动通过与组件的可移动主体部直接相连的活性材料实现，或者通过与组件的致动器-铰链一体化的活性材料实现。在这个特殊的实施例中，可以选择基于活性材料的弹簧布置在枢轴314的周围，以实现主体部310的运动。该实施例的另一个可选特征是可移动主体部310布置得与轮室312平齐，以致可移动主体部310事实上成为了轮室312的一部分，而不是作为布置在轮室表面上的附加部件的主体部。

在图4中，显示了活性材料致动的导流装置400与车体例如轮室412相连接。导流装置400包括线性位移活性材料致动器418和和枢轴414的组合，以便利用转动提供可移动主体部410的展开。在该实施例中，通过驱动可移动主体部的线性位移来完成致动，以致实现导流装置部的旋转。图5显示与车体例如轮室512相连接的活性材料致动的导流装置500。导流装置500包括构造为通过活性材料性质的改变来转动可移动主体部510的活性材料部件518，其中主体部510通过枢轴514与车体512和活性材料部件518相连接。

为了更好地阐述活性材料在上文讨论的可逆向展开导流装置实施例中的用途，在下文的图6至图11中给出了几个活性材料致动器的特殊实施例。两个示例性致动器显示在图6和7中，并单独绘出(也就是说不是作为导流装置的一部分)，以便更好地描述每个致动器的细节。但是应理解，除了其它应用，这些致动器也有益于导流装置应用。图8到图11描述与图3所示导流装置300连接的不同活性材料部件。但是应理解，这里所描述的活性材料致动器可以用于图1到图5所示公开的任一导流装置实施例中，本领域技术人员也可以理解因特殊设计决定导致的性能折衷。

图6描述了在车辆导流装置应用中用作致动器的活性材料旋转致动器-铰链组件600。致动器600包括线性位移活性材料602(优选为SMA线)，以及与活性材料602的一端相连接的机械锚604。偏置弹簧606施加力以便扭转枢轴组件608。枢轴组件608具有径向输出轴612，输出轴612由致动器外罩614中的槽610引导。操作时，电加热SMA线602导致马氏体向奥氏体转化，这一转化导致了线的长度变化在枢轴组件608处高达约10％，例如缩短。作为对SMA线602缩短的响应，所连接的径向输出轴612在中心柱621中轴向移动，相对于槽610旋转或滑动。槽610的倾斜形状导致致动器外罩614转动，直到输出轴612的轴向运动结束。当SMA线602冷却到低于转化温度时，偏置弹簧606拉伸SMA线602回到其缩短前的长度。通过轴承或环630相连的机械锚632或致动器外罩614可以作为相关机械参照物。可选的，致动器600还具有力过载弹簧616、可调硬限位环618以及中心轴620和621，这两根轴通过电隔离体619实现彼此电隔离。致动器600的外罩614还可选地包含位于车体任何位置和方向的空气冷却通风口622和维修通道口624。

线性位移活性材料602可以有各种适合的形式，例如线、弹簧、管、箔、条状物、线束或任意上述形式的细分和组合。这些形式可以是机械串联或机械并联结构，此外还可以是电串联或并联结构。优选的，线性位移活性材料602采用SMA线的形式。但是，当需要时，可选的活性材料形式为致动器600提供不同的力/位移性质、电负荷性质、热行为性质、周期时间等性质。活性材料602的特殊形式由导流装置应用或其它需求决定，例如电子、机械、坚固性、包装尺寸、成本和重量等。。

这些不同的需求可以通过将活性材料602细分为多个部分而实现。将活性材料细分和/或组合可以提供另外希望的装置益处，例如改善包装尺寸，减小重量，提高设计可量测性，更大的角位移或转矩，数字或分步致动，堆栈或交错致动以改进可控分辨度，活性复位弹簧，或通过反向电线结构实现的差动致动。

为了定制活性材料602的力学性能和位移性能，子部分直接通过机械锚604锚定。从该机械参照物来看，活性材料子部分可以配置为电或机械串联式或并联式，以伸缩、堆栈或交错列的结构机械连接。电结构可以在操作过程中通过软件定时、电路定时、外部或致动导致的电接触进行修改。

偏置弹簧606用来为活性材料602提供恢复力。偏置弹簧606可以是任意形式，只要能提供将活性材料恢复到激励前形式所需的相应的力和位移特性。弹簧606可以是弹性材料、线性弹簧、非线性弹簧、贝式(Belleville)弹簧、板簧、对抗活性材料金属线等等。弹簧606还可包括多个串联或并联弹簧。偏置力和位移的选择应该与活性材料的致动特性相匹配，由可调硬限位环618设置偏置力和位移。适合的硬限位包括接合销、螺母、定位螺丝，螺钉等等。

图6B更清楚地显示变换装置，在该装置中枢轴组件608、槽610和径向输出轴612相互关联，以便将轴向运动转化为罩的转矩。旋转致动器600的扭矩和旋转性能可以通过改变槽610的角度、槽610的摩擦力或通过具有曲线槽或多个槽得到调整。同样的，具有旋转放大系统例如齿轮、凸轮，或者来自多次激励的棘轮效应可以改变致动器600的转矩和旋转性能。此外，在槽610中增加缺口来提供棘爪功能，或者利用基于活性材料的棘爪来确定地松开棘齿和棘爪，这进一步为致动器600提供了可变性。另外，用于枢轴组件608的径向输出轴612和槽610的使用使得致动器外罩614的至少一部分的使用成为必需。罩614的作用是传递轴向和扭转载荷，这可以通过多种不同的横截面形式例如圆形的，管道的，桁架的，方形的等等得以实现。

外罩614进一步可选地包括管道、通风口622、孔、间隙、阀，以帮助加热或冷却等等。这些可选的特征允许利用分离的装置或车载加热/冷却装置进行被动或主动传热控制。加热主要由活性材料金属线602的电阻发热提供。但是，其它的主动车载加热方式也可以使用，例如来自排气的废热以及来自车舱空调系统的车舱热量。通过这些方法得到的热量例如可以通过外罩614上的阀传递给致动器600。被动冷却可以通过散热导管、热电传导、外罩上的自然对流通风口、通过风扇进行的强制对流、开环或闭环系统中的其它运动流体等等提供。

致动器600的可选力过载弹簧616提供保护活性材料致动效能的方法。当超过活性材料602设计承载量的过大外部扭矩作用到致动器上时，过载弹簧616将通过允许机械金属线锚604的运动而吸纳过量的力。过载弹簧616的预加载和硬限位通过可调硬限位环618实现。

致动器600可以更多地包括中心轴620和621，以便为致动器提供轴向刚度以及机械参照物。通过隔离体619将轴分为两个电隔离部分，这允许机械连接同样成为了电气连接。

图7描述了导流装置中使用的活性材料致动器的另一个示例性实施例，致动器通常用700表示。致动器700构造为通过在固定和移动部件之间产生转矩将活性材料金属线产生的张力转化为旋转运动。致动器700有两个同心圆柱。第一圆柱包含杆710。第二圆柱包括在杆710周围同心放置的管712。在杆710的两端放置两个盘714和716。活性材料金属线718在一定长度的管712的周围缠绕并且与盘716连接。管712周围使用的活性材料金属线的数量和每根金属线的旋转次数与致动器700的旋转和转矩需求有关，这由本领域技术人员确定。回位机构722可操作地连接管712和盘714。可选的，回位机构与杆/管组件的同心圆柱集成为一体，或由在导流装置应用中使用致动器的过程中产生的载荷提供。可选的，支架(未示出)连接致动器700，以便可铰接地将可移动主体部连接到车辆上，从而形成完整的活性材料致动的导流装置组件。

在一种操作模式下，致动器700的两个盘714和716是固定的。激励信号发送给活性材料。活性材料718受到该信号的激励，导致性质变化，例如活性材料金属线的长度发生改变。该变化使得管712相对于杆710产生旋转偏置。回位机构722用于当活性材料金属线718失去激励时使管712回到初始位置。在该操作模式下，致动器700可以为导流装置的主体部提供大约0度到至少大约180度的旋转。

在另一种操作模式下，致动器700只有一个盘(例如714)是固定的。首先对活性材料金属线718发送激励信号，导致活性材料的性质发生改变，盘716相对杆710、管712和盘714发生旋转。回位机构722用于当活性材料金属线718失去激励时使盘716回到初始位置。在该操作模式下，致动器700可以将活性材料的线性位移转化为与盘716物理相连的主体部的角位移。有利的，致动器700可以为气流路径中的导流装置提供全量程的偏转角。此外，由于致动器不基于多个活性材料段的增量运动或由单段的多次激励产生的增量运动，所以相比现有技术中的活性材料致动器，该导流装置可以更快地展开和返回水平。

图8到图11描述了更多示例性活性材料致动的图3所示导流装置组件300的导流装置实施例。例如，图8描述示例性导流装置800。活性材料810例如电绝缘弹性体板810、回位机构812例如线性弹簧都连接且可操作地连接可移动主体部814。设置电绝缘板810，以致活性材料的激励导致可移动主体部814的线性展开。在电绝缘弹性体失去激励后，可移动主体部814线性缩回。可选的，线性弹簧812可以缩回主体部814。虽然上面的描述特别涉及电绝缘弹性体类型的活性材料，但对本领域技术人员而言，其它能够产生大线性位移的活性材料也可以替代以实现同样的功能。

在图9中描述了示例性导流装置900。活性材料910例如电绝缘板、回位机构912例如扭转弹簧都连接且可操作地连接可移动主体部914。电绝缘板910构造为在激励时旋转地移动可移动主体部914，扭转弹簧912构造为在电绝缘板910失去激励时提供用于使可移动主体部914返回初始位置的偏置力。

在图10中，描述了示例性导流装置1000。图10展示了导流装置1000的收藏位置和展开位置。活性材料1010(a)连接且可操作地连接可移动主体部1012(a)。可移动主体部1012(a)与车体1014相连接。活性材料1010(a)在接收到激励信号后经历性质改变，从而弯曲到位置1010(b)。活性材料1010的激励将可移动主体部1012(a)从相对于车体1014的收藏位置旋转移动到位于车体气流路径中的展开位置1012(b)。在激励信号停止后，活性材料1010(b)构造为返回到如1010(a)所示的初始形式，从而使可移动主体部1012(b)返回到其初始收藏位置1012(a)。

图11描述另一个示例性导流装置1100。活性材料1110例如压电材料连接且可操作地连接行程放大器1112和可移动主体部1114。压电材料1110与行程放大器1112构造为当受到激励时旋转移动可移动主体部1114，和当失去激励时使主体部返回到初始位置。

使用车辆导流装置的过程大体包括将基于活性材料的致动器布置在可移动主体部和车体之间。当车辆静止例如停车，或低速行驶时，此时空气阻力对燃油经济性影响很小，导流装置关闭，且处于与车体结构对齐的位置或是隐藏到车体结构内的位置。可选的，当车辆达到某一预定速度时，此时空气阻力开始影响燃油经济性，激励信号构造为激励活性材料。激励信号引起活性材料的性质发生改变，其中这种改变会将可移动主体部从收藏和/或与车体平行的初始位置旋转移动到位于车辆气流路径中的位置。通过维持激励信号，或者通过接合无动力保持锁定机构，且在接合锁定的同时切断激励信号，导流装置能维持在该位置。处于展开位置的导流装置可以改善车辆的空气动力学，从而减小气流阻力并且最终改善燃油经济性。当车辆停止或大致减速时，可停止激励活性材料或者打开锁定，而可移动主体部可以回到其初始位置(收藏和/或平行位置)，此时车辆可以维持其设计的视觉魅力。使可移动部回位到初始位置可以通过提供与活性材料提供的力相反的力的回位机构实现，或是由活性材料本身通过其性质的反方向改变而返回主体部。这一过程可以重复所希望的任意次数，以改善车辆整个使用寿命中的燃油经济性。

如上文所述，适合用于致动导流装置的活性材料包括但不局限于形状记忆合金(SMA)、电活化聚合物(EAP)、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料、铁磁材料、磁流变弹性体(MR)和电流变弹性体(ER)。

SMA存在于若干不同的温度相关的相位中。最经常使用的这些相位是所谓的马氏体和奥氏体相位。在下文的描述中，马氏体相位通常对应于更容易变形的、温度更低的相位，而奥氏体相位通常对应于更具有刚性的、温度更高的相位。当形状记忆合金处于马氏体相位并加热时，它开始向奥氏体相位发生转变。该现象开始时的温度通常被称为奥氏体开始温度(As)。该现象完成时的温度则称为奥氏体结束温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相位并冷却时，它开始向马氏体相位发生转变，该现象开始时的温度称为马氏体开始温度(Ms)。奥氏体完成向马氏体的转变时的温度称为马氏体结束温度(Mf)。通常，SMA处于马氏体相位时要更为柔软，更容易发生变形，而处于奥氏体相位时要更为坚硬和/或具有更大的刚性。考虑到以上性质，形状记忆合金的膨胀优选在不高于奥氏体转变温度(不高于As)的温度下进行。随后在高于奥氏体转变温度下的加热导致已经膨胀的形状记忆合金回复到它的原有形状。因此，对于SMA而言适合的激励信号是热激励信号，该信号的大小导致马氏体和奥氏体相位之间的转化。

加热时形状记忆合金能够记住其高温形状的温度可以通过轻微改变合金成分以及通过热处理进行调整。例如对于镍-钛形状记忆合金，该温度可以从约100℃以上变为约-100℃以下。形状恢复过程仅在几度的范围内发生，而转化的开始或结束可以根据希望的应用和合金成分控制在一度或两度之内。形状记忆合金的机械性质在横跨它们转化的温度范围内改变很大，通常提供形状记忆效应，超弹性效应和高阻尼能力。

合适的形状记忆合金材料包括，但不局限于镍-钛基合金，铟-钛基合金，镍-铝基合金，镍-镓基合金，铜基合金(例如，铜-锌合金，铜-铝合金，铜-金合金和铜-锡合金)，金-镉基合金，银-镉基合金，铟-镉基合金，锰-铜基合金，铁-铂基合金，铁-钯基合金等等。合金可以是二元，三元或任意更多元，只要该合金组分展示形状记忆效应，例如形状取向变化、屈服强度变化、和/或弯曲模量性质变化、阻尼能力变化、超弹性变化等等。适当的形状记忆合金组分的选择取决于部件操作时的温度范围。

铁磁形状记忆合金(FSMA)是形状记忆合金下分的小类。铁磁形状记忆合金的行为类似常规的形状记忆合金材料，具有由应力或热导致的在马氏体和奥氏体之间的相位转化。此外铁磁形状记忆合金是铁磁体并且具有强磁晶各向异性，这允许外磁场影响与马氏体变体对齐的场的的方向/比例。当磁场移走时，材料可展示完全双向、局部双向或单向形状记忆。对于局部或单向形状记忆，外部刺激、温度、磁场或应力可允许材料回到它的初始状态。完全双向形状记忆可以用于持续功率供给下的比例控制。单向形状记忆在锁定类型应用中最为有用，此时延迟的回位刺激允许锁定功能。尽管一对Helmholtz线圈也可用于快速响应，但是在汽车应用中外磁场通常由软磁芯电磁体产生。

示例性铁磁形状记忆合金是镍-锰-镓基合金，铁-铂基合金，铁-钯基合金，钴-镍-铝基合金，钴-镍-镓基合金。与形状记忆合金相同，这些合金可以是二元，三元或任意更多元，只要该合金组分展示形状记忆效应，例如形状变化、取向变化、屈服强度变化、弯曲模量变化、阻尼能力变化、超弹性变化和/或类似性质变化。合适的形状记忆合金组分的选择部分取决于在所要应用中的温度范围和响应类型。

铁磁形状记忆合金是一种合金；通常由镍-锰-镓组成，会由于磁场引起的应变而改变形状。铁磁形状记忆合金包含具有不同磁性取向和晶体取向的内部变体。在磁场中，这些变体的比例改变，因而引起材料的整体形状发生改变。铁磁形状记忆合金致动器通常要求将铁磁形状记忆合金材料放置在电磁体的线圈之间。线圈中通过的电流导致通过铁磁形状记忆合金材料的磁场，因而导致其形状的改变。

电活化聚合物包括那些响应于电场或力场展示压电性质、热电性质、电致伸缩性质的聚合材料。一个例子是具有压电聚乙烯共聚物(亚乙烯基氟化物-三氟醚-乙烯(vinylidene fluoride-trifluoro-ethylene))的电致伸缩-嫁接弹性体。该组合具有产生不同数量的铁电-电致伸缩分子合成系统的能力。这些可用作压电传感器或者甚至电致伸缩致动器。

适于用作电活化聚合物的材料包括任何大致绝缘聚合物或橡胶(或两者的结合)，其响应于静电力变形或者其变形导致电场的变化。适合用作预应变聚合物的示例性材料包括硅弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包含聚偏氟乙烯(PVDF)的共聚物，压敏粘合剂、含氟弹性体、包含二分之一硅和二分之一丙烯酸的聚合物等等。包含二分之一硅和二分之一丙烯酸的聚合物例如包括包含二分之一硅和二分之一丙烯酸的共聚物、包含硅弹性体和丙烯酸弹性体的共混聚合物。

用作电活化聚合物的材料可以根据一或多个材料特性来选择，例如高电击穿强度、低弹性模量(用于大变形或小变形)、高介电常数等。在一个实施例中，选择聚合物以致其弹性模量至多大约100MPa。在另一个实施例中，选择聚合物以致其最大致动压力在大约0.05MPa和大约10MPa之间，优选在大约0.3MPa和大约3MPa之间。在又一实施例中，选择聚合物以致其介电常数在大约2和大约20之间，优选在大约2.5和大约12之间。但本发明不局限于上述范围。理想情况下，如果材料同时具备高介电常数和高介电强度，则希望材料具有比以上给出范围更高的介电常数。在许多情况下，电活化聚合物可以被加工制作成薄膜。这些薄膜适合的厚度是小于50微米。

由于电活化聚合物可在高应变下发生偏斜，所以与聚合物相连接的电极也应该在不影响机械性能和电性能的同时发生偏斜。通常，适合使用的电极可以是任何形状和材料，只要它们可以向电活化聚合物供应合适的电压，或从电活化聚合物接收合适的电压。电压可以是恒定的或是随时间变化的。在一个实施例中，电极与聚合物表面相粘附。与聚合物相粘附的电极优选与聚合物改变的形状相适应和一致。对应的，本发明包括适应的电极，其与它们连接的电活化聚合物的形状相一致。电极可以仅仅作用于电活化聚合物的一部分，并且根据它们的几何形状限定活性区域。适用于本发明的各种电极类型包括包含金属迹线和电荷分配层的结构电极、包含平面尺寸变化的纹理电极、例如碳润滑脂或银润滑脂的传导润滑脂、胶质悬浮液、例如碳纤维和碳纳米管的高长宽比传导材料，以及离子传导材料的混合物。

用于本发明电极的材料可有所变化。适合在电极中使用的材料包括石墨、炭黑、胶质悬浮液、包括金和银的薄金属、填充银和填充碳的凝胶和聚合物，以及离子或电子传导聚合物。需要理解的是某些电极材料与特定聚合物可以工作得很好，而跟另一些聚合物则工作得不那么好。举例来说，碳纤维与丙烯酸弹性体聚合物工作得很好，而与硅聚合物工作得不那么好。

适合的压电材料包括，但不局限于，无机化合物、有机化合物和金属。对于有机材料，所有在分子的主链上或支链上或主链和支链上具有非中心对称结构和大的偶极矩基的聚合物材料都可以作为压电薄膜的合适候选材料。示例性聚合物包括例如，但不局限于聚(钠4-苯乙烯磺酸盐)，聚(聚(乙烯胺)主链偶氮发色团)和它们的衍生物；聚氟碳包括聚偏二氟乙烯、它的共聚物偏二氟乙烯(“VDF”)，共三氟乙烯以及它们的衍生物；聚氯碳包括聚(氯乙烯)，聚偏二氯乙烯以及它们的衍生物；聚丙烯腈以及它们的衍生物；聚羧酸，包括聚(甲基丙烯酸)、以及它们的衍生物；聚尿素，以及它们的衍生物；聚氨基甲酸，以及它们的衍生物；生物分子例如聚-L-乳酸以及它们的衍生物，细胞膜蛋白质，和磷酸生物分子例如phosphodilipids；聚苯胺以及它们的衍生物，四胺(tetramines)的所有衍生物；聚酰胺包括芳香聚酰胺以及聚酰亚胺包括Kapton和聚醚酰亚胺(polyetherimide)，以及它们的衍生物；所有的膜聚合物；聚(N-乙烯吡咯烷酮)(PVP)同聚物以及它的衍生物，PVP-共-醋酸乙烯的任意共聚物；所有在主链上或支链上或主链和支链上具有偶极矩基的芳族聚合物，以及它们的混合物。

压电材料同样可以包括从以下选择的金属：铅、锑、锰、钽、锆、铌、镧、铂、钯、镍、钨、铝、锶、钛、钡、钙、铬、银、铁、硅、铜以及包含以上至少一种金属的合金，以及以上至少一种金属的氧化物。适合的金属氧化物包括SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、SrTiO₃、PbTiO₃、BaTiO₃、FeO₃、Fe₃O₄、ZnO以及它们的混合物，以及VIA族和IIB族化合物例如CdSe、CdS、GaAs、AgCaSe₂、ZnSe、GaP、InP、ZnS，以及它们的混合物。优选地，压电材料可以从聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅、钛酸钡以及它们的混合物中选取。

适合的MR弹性体材料包括但不局限于包含铁磁或顺磁颗粒悬浮液的弹性聚合物基质，其中颗粒在上文已经描述过。适合的聚合物基质包括但不局限于聚-α-烯烃、天然橡胶、硅、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯等等。

有利的是，上文所述的活性材料致动的导流装置和过程在车辆行驶时可以减小其空气阻力，改善燃油经济性，同时在车辆静止时维持光滑、平齐车身线条带来的美学魅力。此外，由于基于活性材料的致动器在最短的致动时间内提供大的主体旋转/移动，与以往的导流装置相比，它们可以在不牺牲性能的同时减轻重量、减小尺寸以及降低噪音。而且，本领域技术人员可以明白这种活性材料致动的导流装置可以构造为连接到车体上的任意带有铰链板。

本书面描述使用示例公开了包括最佳方式的本发明，，还能使熟悉本领域技术的任何人员再现和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求限定，可包括熟悉本领域技术的人员能想到的其它示例。只要这些其它示例的结构元件与权利要求的文字描述相一致，或者只要这些其它示例包括与权利要求的文字描述无实质区别的等同结构元件，则认为这些其它示例落入权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种车辆导流装置，包括：

与车体物理连接的可移动主体部；

包含活性材料的致动器，该致动器与车体和可移动主体部可操作地连接；其中活性材料在接收到激励信号后经历性质的变化，其中这种性质的变化有效地通过致动器的运动使可移动主体部在气流中从初始位置或者展开位置中的任一个位置移动到初始位置或展开位置中的另一个位置，

其中所述车辆导流装置还包含与车体及可移动主体部可操作地连接的回位机构，其中该回位机构构造为提供与活性材料提供的力相反的力，其中所述回位机构提供的力导致可移动主体部回到展开位置或初始位置中的任一个位置，其中活性材料在被激励时有效克服回位机构提供的力；

并且其中所述车辆导流装置还包括与车体和可移动主体部可操作地连接的无动力保持锁定机构，其中所述无动力保持锁定机构构造为当活性材料失去激励时将可移动主体部保持在展开位置或初始位置中的任一个位置，其中释放锁定允许所选择的回位机构和活性材料其中之一将可移动主体部移动到展开位置或初始位置中的另一个位置。

2.如权利要求1所述的车辆导流装置，其特征在于，活性材料包括形状记忆合金、电活化聚合物、磁流变弹性体、压电材料、磁致伸缩材料、电致伸缩材料、电流变弹性体或包含至少一种上述活性材料的组合。

3.如权利要求1所述的车辆导流装置，其特征在于，所述性质的变化包括尺寸的变化、形状的变化、剪切力的变化、形状取向的变化、弯曲模量的变化，或者包含至少一种上述性质的组合的变化。

4.如权利要求1所述的车辆导流装置，其特征在于，激励信号包括热激励信号、电激励信号、磁激励信号、化学激励信号、机械载荷或是包含至少一种上述激励信号的组合。

5.如权利要求1所述的车辆导流装置，其特征在于，致动器还包括在杆的周围同心放置的管，其中所述杆在每个端部布置有盘，其中活性材料布置在杆周围并与盘相连接，活性材料构造为在收到激励信号后相对于所述杆向所述管施加旋转偏置。

6.一种使用车辆导流装置的方法，包括：

将包含活性材料的致动器放置在车体和可移动主体部之间；

激励活性材料以实现活性材料性质的变化，其中性质的变化通过致动器的运动使可移动主体部在车辆气流中从初始位置或展开位置中的任一个位置移动到初始位置或展开位置中的另一个位置；

停止激励活性材料；

其中所述方法还包括通过与车体及可移动主体部可操作地连接的回位机构将可移动主体部回位到初始位置，其中该回位机构构造为提供与活性材料提供的力相反的力，其中所述回位机构提供的力导致可移动主体部回到展开位置或初始位置中的任一个位置，其中活性材料在被激励时有效克服回位机构提供的力；

并且其中将可移动主体部回位还包括释放与车体和可移动主体部可操作地连接的无动力保持锁定机构，其中所述无动力保持锁定机构构造为在活性材料失去激励时将可移动主体部保持在展开位置或初始位置中的任一个位置，其中释放锁定允许回位机构将可移动主体部移动到展开位置或初始位置中的另一个位置。

7.如权利要求6所述的方法，还包括使锁定机构接合。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，活性材料包括形状记忆合金、电活化聚合物、磁流变弹性体、压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、电流变弹性体或者包含至少一种上述活性材料的组合。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述性质的变化包括尺寸的变化、形状的变化、剪切力的变化、形状取向的变化、弯曲模量的变化，或者包含至少一种上述性质的组合的变化。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，停止激励活性材料有效地将可移动主体部回位到展开位置或初始位置中的任一个位置。

11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，激励活性材料包括提供激励信号，其中所述激励信号包括热激励信号、电激励信号、磁激励信号、化学激励信号、机械载荷，或是包含至少一种上述激励信号的组合。