CN109383626A - 一种用于汽车的结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车的结构,包括:表面,所述表面至少部分由双稳态或者多稳态板壳构建,所述表面的形状由所述双稳态板壳或所述多稳态板壳选用不同稳定形态进行改变。

Description

一种用于汽车的结构

技术领域

本发明涉及一种用于汽车的结构及其制备技术，更具体地，涉及一种可变汽车外部或内部结构及其制备技术。根据外部环境或主观需求而可逆地改变汽车外部或内部形态或汽车的结构,而改变后的形态不需要消耗能量而维持。

背景技术

目前，可变汽车的概念已经为人们所接受。在当前汽车市场中,部分型号的汽车具有简单的可变结构，如停车自动内收的反光镜部件、具有延长功能的汽车货柜等。然而,这些可变汽车技术都是通过机械转动、搭接、或使用活性材料的方式进行刚体转动或简单加长来实现形态改变。因此,这些局限使目前的可变汽车技术只适合于实现简单的形态改变。

此外,在进行形态改变后,还需要利用复杂的机构或持续消耗能量来维持改变后的形态。随着现代汽车的快速发展，尤其是电动汽车和无人驾驶技术的成熟，新技术对汽车性能的要求越来越高，在保证安全的条件下，期望在不同环境下实现最优的行车效率。

本发明试图通过提供一种用于汽车的全新或者另有改进的结构，以便消除或者至少缓解此类问题。

发明内容

本发明提供一种应用于汽车的可变形态技术方案，实现汽车在不同环境下根据外部环境或主观需求实现整体或局部的形态变化，以获取相应功能，且改变后的形态不需要持续的能量维持。

本发明采用的技术方案是：在汽车需要改变形态的位置，如汽车顶棚、侧身、前面板、车尾等位置，采用双稳态或者多稳态板壳。这种双稳态或多稳态板壳依靠自身力学特性可以维持两个或多个稳定形态。双稳态或多稳态板壳不需要外部持续的能量输入，而只需使用外部激励实现其形态的转换。通过使用激励装置完成双稳态或者多稳态板壳的两个或者多个稳定形态的选择，而不需持续消耗能量维持改变后的形态，实现汽车形态的改变，以获取最优的行车效率或者相应设计功能。

根据本发明的第一方面，所提供的是一种用于汽车的结构(100),包括:表面(110),所述表面(110)至少部分由双稳态或者多稳态板壳(10)构建,所述表面(110)的形状由所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)选用不同稳定形态进行改变。

在第一方面的实施例中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)通过在其上进行局部处理引入纳米结构和残余应力分布，从而在没有持续外部能量输入或者外部支撑的条件下维持两个或多个稳定形态。

在第一方面的实施例中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)的稳定形态转换由激励构件(120)操控。

在第一方面的实施例中，当所述激励构件(120)所施加的外力大于所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)当前稳定形态的承载力时,所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

在第一方面的实施例中，所述激励构件(120)具有延伸端(122),所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力,从而使所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

在第一方面的实施例中，所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力后返回未延伸的初始位置。

在第一方面的实施例中，所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力后停留于当前位置而不再持续施加外力。

在第一方面的实施例中，所述激励构件(120)的运动由控制器(130)操控。

在第一方面的实施例中，所述延伸端(122)具有第一电磁元件(124),且所述表面(110)具有第二电磁元件(112)。

在第一方面的实施例中，所述第一电磁元件(124)和所述第二电磁元件(112)的磁力由所述控制器(130)操控。

在第一方面的实施例中，当所述第一电磁元件(124)的磁极相对于第二电磁元件(112)改变时,所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

在第一方面的实施例中，当所述第一电磁元件(124)的磁力相对于第二电磁元件(112)改变时,所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

在第一方面的实施例中，所述表面(110)由多个所述双稳态或者多稳态板壳(10)构建,所述多个双稳态或者多稳态板壳(10)的每一个的稳定形态转换分别由多个所述激励构件(120)经由所述控制器(130)操控,以为所述表面(110)提供多个预定形状。

在第一方面的实施例中，所述结构(100)包括汽车表面。

在第一方面的实施例中，所述汽车表面包括汽车顶棚、侧身、前面板、汽车发动机车盖、车尾。

在第一方面的实施例中，所述激励构件(120)包括如液压驱动的机械驱动系统。

在第一方面的实施例中，所述激励构件(120)包括如形状记忆合金、形状记忆聚合物的智能材料。

在第一方面的实施例中，所述激励构件(120)包括如压电材料、电子活性聚合物、磁流变液及弹性体、电流变液、电致伸缩聚合物、离子聚合物凝胶的活性材料。

在第一方面的实施例中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)包括如钢材、铝合金、镁合金的金属材质。

在第一方面的实施例中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)包括纤维复合材料板。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明技术进一步说明。

图1示出了由表面纳米化技术在多个局部区域进行处理而制备得到多稳态板壳；

图2示出了根据本发明一个实施例由图1中的多稳态板壳制备的流线型椭圆形可变汽车顶棚的初始形态的侧视图；

图3示出了图2中可变汽车顶棚由伸缩杆转换至第二个稳定形态及其相应的驱动系统；

图4示出了图3中作为驱动的机械电动伸缩杆与局部双稳态区域之间的连接；

图5示出了图3中可变汽车顶棚形态转换完成后伸缩杆自动收回；

图6示出了图2中通过机械连接伸缩杆与局部双稳态区域得出的可变汽车顶棚的初始稳定形态的侧视图；

图7示出了图2中多稳态板壳制备的可变汽车顶棚转换至第三个稳定形态后伸缩杆自动收回；

图8示出了图2中多稳态板壳制备的可变汽车顶棚转换至第三个稳定形态后伸缩杆不收回；

图9示出了根据本发明另一个实施例由智能材料驱动的多稳态板壳制备的可变汽车侧身的初始形态的侧视图；

图10示出了图9中可变汽车侧身的第二个稳定形态的侧视图；

图11示出了图9中可变汽车侧身的第三个稳定形态的侧视图；以及

图12示出了图9中可变汽车侧身的第四个稳定形态的侧视图。

具体实施方式

本发明公开了一种根据外部环境或主观需求通过激励系统而可逆地改变汽车外部或内部形态的可变汽车技术，而其改变后的形态不需要消耗能量而维持。通过在汽车表面，如包括但不限制于汽车顶棚、侧身、前面板、车尾等位置，使用多稳态板壳，即同一个板壳依靠自身力学特性在不需要外界持续能量输入的条件下能维持多个稳定形态，通过使用由诸如电动机械伸缩杆或液压驱动的机械驱动系统，或者使用基于智能材料的激励系统，实现多稳态板壳的形态转换，从而实现汽车形态的转换，转换后的形态依靠板壳自身力学特性而不需外部持续能量输入维持。

在不受理论研究的束缚，发明人通过实验和试验，在他们的研究中发现在汽车表面采用依靠自身力学特性而能维持两个或者多个稳定形态的双稳态或者多稳态板壳，并使用激励系统实现双稳态或者多稳态板壳的形态转换，从而有效实现汽车形态的改变。改变后的形态依靠板壳自身力学特性不需要外部持续能量输入维持。有利地,所实现的可变汽车通过形态改变,可改变相应的空气动力学特性以实现最优的行车效率,同时实现其他相应的设计功能。

参照图1至图12，本发明公开了一种用于汽车的结构100、200,包括:表面110、210,所述表面110、210至少部分由双稳态或者多稳态板壳10构建,所述表面110、210的形状由所述双稳态板壳或所述多稳态板壳10选用不同稳定形态进行改变。

参照图1,双稳态或者多稳态板壳10的材料可由表面纳米化技术，如表面机械研磨技术(Surface Mechanical Attrition Treatment，SMAT)进行处理。通过局部处理结构10的局部14或全部表面12的一个或者多个区域14，引入大量纳米结构和显著的特定残余应力分布，从而可以在没有持续外部能量输入或者外部支撑的条件下维持两个或者多个稳定形态。优选地,所使用的双稳态或者多稳态板壳10的材料可为金属材质，如各种类型的钢材、铝合金、镁合金等,也可为由纤维复合材料板壳制备得到的材料。

双稳态或者多稳态板壳10的稳定形态可通过激励系统所提供的激励而进行改变。当激励系统所施加的外力大于双稳态或者多稳态板壳10当前稳定形态的承载力时,双稳态板壳或多稳态板壳10从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

激励系统可由驱动装置120、提供激励的控制器130和计算机132组成。示例性地,驱动装置120一般由电信号控制，而控制器130与计算机132相连接。操作人只需通过简单操作即可实现双稳态或者多稳态板壳10的所需稳定形态。可选地,驱动装置120可以由机械系统122组成，如由电机带动的机械伸缩杆、电磁铁驱动器、液压驱动等。

参照图2-12,经表面机械研磨技术(SMAT)预处理后的双稳态或者多稳态板壳10可应用于汽车的多种结构100、200,包括汽车表面,如汽车顶棚110、侧身210、前面板、汽车发动机车盖、车尾等位置,或汽车及其部件的外部或内部结构,如反光镜部件、汽车货柜、存储空间等。

在本发明的一个实施例中，涉及一种由多稳态板壳10构建的可变汽车顶棚110。这种汽车顶棚110采用由表面纳米化技术实现的多稳态板壳10构建。多稳态板壳10具有多个稳定形态,以分别满足在顶棚110应用中的不同需求。

通过使用表面纳米化技术，即表面机械研磨技术(SMAT)，对板壳10多个局部区域14进行处理，并根据顶棚110功能性的需求，选择合适排列的处理区域14组合以实现所需的稳定形态。然后,将所制备得到的多稳态板壳10通过机械连接或者直接与顶棚架110形成整体，并根据各个局部处理区域14的排列组合形式设置相应的驱动装置120。每一个驱动装置120与控制器130和计算机132连接，组成相应的形态控制转换系统。通过形态控制转换系统实现多稳态板壳10的形态转换，从而实现汽车顶棚110的形态变化。

参照图2，在初始状态下，作为顶棚110的多稳态板壳10的初始形态示例性地为对称的流线椭圆型。根据行车速度和外界环境变化需要,可以通过改变多稳态板壳10的形态为第二形态和第三形态等,从而对顶棚110的形状进行调整。

参照图3，汽车结构100具有数个激励构件120,且每个激励构件120分别具有延伸端122。优选地,顶棚110的形态转换可通过设置在板壳10内部的机械电动伸缩杆122驱动完成。延伸端122对表面110施加外力,从而使双稳态板壳或多稳态板壳10从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

伸缩杆122与控制器130连接并由计算机132控制，由此,操作人只需提供简单指令就可完成相应形态的转换。优选地,所有的激励构件120均由控制器130操控。控制器130可经由计算机132输出指令,从而同时对多个激励构件120进行控制。可选地,激励构件120可由数个控制器130控制,又或者控制器130可由数部计算机132输出指令操控。

当根据行车速度和外界环境变化需要对顶棚110形态进行调整时,操作人只需在计算机132上发出指令，由控制器130根据相应的电信号具体执行指令。通过给予机械电动伸缩杆122不同方向的电流和控制电流给予的时间，由各个伸缩杆122的伸长和缩短实现多个局部双稳态之间的转换。

如图4所示,延伸端122具有第一电磁元件124,且表面110具有相对的第二电磁元件112。第一电磁元件124和第二电磁元件112的磁力由控制器130操控。由此,伸缩杆122跟多稳态板壳10的局部双稳态区域14的连接及分离可由控制器130实现。优选地,控制器130在不同情况下给预制在局部双稳态区域14的电磁铁112和伸缩杆122顶部的电磁铁124供应电流,从而使多稳态板壳10、10’在第一形态(如图4所示的实线)和第二形态(如图4所示的虚线)间转换。

在本发明的另一个实施例中，控制器130可以通过控制第一电磁元件124和第二电磁元件112的相对磁极或磁力,施加大于双稳态或者多稳态板壳10内的残余应力的外力,从而对表面110上的多稳态板壳10的形态进行快速转换。

示例性地,在多稳态板壳10处于第一稳定形态时,第一电磁元件124和第二电磁元件112分别具有两个相吸的磁极、相斥的磁极或不带任何磁极。当操作人在计算机132上发出指令时,控制器130给予第一电磁元件124和第二电磁元件112相对于处于第一稳定形态时不同方向的电流,从而使第一电磁元件124和第二电磁元件112具有相对于处于第一稳定形态时不同的磁极,由此产生大于双稳态或者多稳态板壳10内的残余应力的外力,从而将多稳态板壳10转换至第二稳定形态。

在另一个实施方式中,当操作人在计算机132上发出指令时,控制器130给予第一电磁元件124和第二电磁元件112相对于处于第一稳定形态时不同的电流大小,从而使第一电磁元件124和第二电磁元件112具有相对于处于第一稳定形态时不同的吸力或排斥力,由此,所产生的外力大于双稳态或者多稳态板壳10当前稳定形态的承载力,从而将多稳态板壳10转换至第二稳定形态。

参照图5，当多稳态板壳10形态转换完成后，已完成操作后的伸缩杆122可自动收回,以返回未延伸的初始位置。替代地,参照图3和图6,当多稳态板壳10形态转换完成后,已完成操作后的伸缩杆122也可以保持稳定形态相对应的伸缩长度,停留于当前位置而不再持续施加外力。

可选地,在某些情况下,表面110的部分多稳态板壳10不需要转换形态，则相应的伸缩杆122可以不操作，也可以按照多稳态板壳10的其他部分所形成的相应表面110整体形状进行相应伸缩。

根据行车速度和外界环境变化，顶棚110也可以选择其他形态。如图7所示，表面110可通过如上所述的方法由控制器130转换至第三稳定形态。图8进一步示出了第三稳定形态所需要的伸缩杆122的驱动与第一稳定形态和第二稳定形态的伸缩杆122的驱动是不一样的。

在本发明的另一个实施例中，伸缩杆122跟局部双稳态区域14的连接也可以是机械连接，如铰接或螺丝连接。如图3，图6和图8所示,当采用机械连接时，伸缩杆122不自动收回，而是根据各个稳定形态保持所对应的长度。

在本发明的另一个实施例中，多个双稳态或者多稳态板壳10可用于汽车的进阶应用。优选地,表面110由多个双稳态或者多稳态板壳10构建。多个双稳态或者多稳态板壳10的每一个的稳定形态转换分别由多个激励构件120经由控制器130操控,以为表面110提供多个更为复杂的预定形状。

在本发明的另一个实施例中，涉及一种由多稳态板壳10构建的可变汽车侧身210，如车门框上的板材、车头和车尾侧身的板材。可变汽车侧身210采用由表面纳米化技术实现的多稳态板壳10构建，具有满足不同需求的多个稳定形态。侧身210的形态转换通过设置在板壳10内部的智能材料220在激励作用下完成。智能材料220与控制器230连接并由计算机232控制，由此只需简单指令就可完成相应形态的转换。

根据设计要求，使用表面纳米化技术对板壳10多个局部区域14进行处理，在多个局部区域14产生双稳态效应而实现多稳态特性，并在各个局部双稳态区域14设置用于驱动的粘贴型智能材料220，如形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料、电子活性聚合物、磁流变液及弹性体、电流变液、电致伸缩聚合物、离子聚合物凝胶等活性材料等。通过控制器230与计算机232相连接，由预载在计算机232中的软件对多个局部区域14的稳定形态进行控制。

参照图9至图12，汽车结构200具有用于汽车侧身210的多稳态板壳10。在多稳态板壳10的多个局部双稳态区域14设置用于驱动的粘贴型智能材料220。粘贴型智能材料220通过提供激励的控制器230与计算机232相连接。当根据行车速度和外界环境变化需要对汽车侧身210形态进行调整时，操作人只需在计算机232上发出指令，控制器230根据指令给各个粘贴型智能材料220提供激励，由智能材料220在激励作用下产生驱动实现多个目标形态。当板壳10经过激励作用转换至目标形态后，控制器230自动停止输出激励，板壳10通过自身力学特性维持目标形态。

根据行车速度和外界环境变化，汽车侧身210也可以选择其他形态。如图10至图12所示，汽车侧身210可通过如上所述的方法由控制器230和智能材料220激励板壳10,从而转换至第二稳定形态、第三稳定形态或第四稳定形态。

尽管本发明的结构100、200旨在应用于制备汽车及其部件的外部或内部结构，然而，结构100、200同样适用于其他需要对空气动力学特性进行改变的运输工具,如飞机、轮船、一级方程式等或任何可移动装置中的应用。

将由本领域内的技术人员理解，在不脱离上述广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可对如在具体实施例中所示的实施例的本发明进行许多变化和/或修改。因此本发明的实施例也可以在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

本文中所包含的现有技术的任何引用不被认为承认所述信息是公知常识，除非另有说明。

Claims (19)

1.一种用于汽车的结构(100),其特征在于，该用于汽车的结构(100)包括:

表面(110),所述表面(110)至少部分由双稳态或者多稳态板壳(10)构建,所述表面(110)的形状由所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)选用不同稳定形态进行改变。

2.根据权利要求1所述的结构(100),其中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)通过在其上进行局部处理引入纳米结构和残余应力分布，从而在没有持续外部能量输入或者外部支撑的条件下维持两个或多个稳定形态。

3.根据权利要求2所述的结构(100),其中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)的稳定形态转换由激励构件(120)操控。

4.根据权利要求3所述的结构(100),其中，当所述激励构件(120)所施加的外力大于所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)当前稳定形态的承载力时,所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

5.根据权利要求4所述的结构(100),其中，所述激励构件(120)具有延伸端(122),所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力,从而使所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

6.根据权利要求5所述的结构(100),其中，所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力后返回未延伸的初始位置。

7.根据权利要求5所述的结构(100),其中，所述延伸端(122)对所述表面(110)施加外力后停留于当前位置而不再持续施加外力。

8.根据权利要求3所述的结构(100),其中，所述激励构件(120)的运动由控制器(130)操控。

9.根据权利要求5所述的结构(100),其中，所述延伸端(122)具有第一电磁元件(124),且所述表面(110)具有第二电磁元件(112)。

10.根据权利要求9所述的结构(100),其中，所述第一电磁元件(124)和所述第二电磁元件(112)的磁力由所述控制器(130)操控。

11.根据权利要求10所述的结构(100),其中，当所述第一电磁元件(124)的磁极相对于第二电磁元件(112)改变时,所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)从一个稳定形态转变为另外一个稳定形态。

12.根据权利要求8所述的结构(100),其中，所述表面(110)由多个所述双稳态或者多稳态板壳(10)构建,所述多个双稳态或者多稳态板壳(10)的每一个的稳定形态转换分别由多个所述激励构件(120)经由所述控制器(130)操控,以为所述表面(110)提供多个预定形状。

13.根据权利要求1所述的结构(100),其中，所述结构(100)包括汽车表面。

14.根据权利要求1所述的结构(100),其中，所述汽车表面包括汽车顶棚、侧身、前面板、汽车发动机车盖、车尾。

15.根据权利要求3所述的结构(100),其中，所述激励构件(120)包括如液压驱动的机械驱动系统。

16.根据权利要求3所述的结构(100),其中，所述激励构件(120)包括如形状记忆合金、形状记忆聚合物的智能材料。

17.根据权利要求3所述的结构(100),其中，所述激励构件(120)包括如压电材料、电子活性聚合物、磁流变液及弹性体、电流变液、电致伸缩聚合物、离子聚合物凝胶的活性材料。

18.根据权利要求1所述的结构(100),其中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)包括如钢材、铝合金、镁合金的金属材质。

19.根据权利要求1所述的结构(100),其中，所述双稳态板壳或所述多稳态板壳(10)包括纤维复合材料板。