DE102011005601A1

DE102011005601A1 - Aktuator und Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements

Info

Publication number: DE102011005601A1
Application number: DE201110005601
Authority: DE
Inventors: Thomas Friedrich; Joachim Breidert; Bernd Goetzelmann; Reiner Marchthaler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-09-22
Also published as: WO2011113857A1

Abstract

Es wird ein Aktuator (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes (130) vorgeschlagen, wobei der Aktuator (215) ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 8, ein Steuergerät gemäß Anspruch 9, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10.
Seit der Einführung der Fahrgastzelle hat sich die Fahrzeugsicherheit deutlich weiterentwickelt. Durch die aktive und passive Sicherheit konnte die Zahl der Getöteten deutlich reduziert werden. Davon kann ein Großteil auf eine Vermeidung von Fahrzeug- Fahrzeug Frontkollisionen mit schwerem Verletzungsgrad bis hin zur Todesfolge zurückgeführt werden. Erreicht wurde dies durch die Einführung von Metallträgern in die Fahrzeugstruktur. in Summe wird heute in modernen Fahrzeugen bis zu 300 kg an Metall für die passive Sicherheit aufgebracht. Aktuell gibt es zwei Trends, die großen Einfluss auf die Auslegung neuer Fahrzeugstrukturen haben. Erstens ist eine Verknappung der Erdölressourcen und somit die Verteuerung des Kraftstoffs zukünftig anzunehmen und zweitens ist eine Erderwärmung durch die Zunahme des CO₂-Ausstosses zu befürchten. Beide Trends führen dazu, dass zum einen kleinere Fahrzeuge und zum anderen auch leichtere Fahrzeuge in Zukunft verstärkt nachgefragt werden. Hierbei ist es die Herausforderung, die kleinen Fahrzeuge sicherer (d. h. mindestens so sicher wie die großen Fahrzeuge) und große Fahrzeuge, unter Beibehaltung der Sicherheit, leichter zu machen.
Eine wichtige Komponente für die Absorption von Unfallenergie ist eine sogenannte Crashbox, die auch als Pralldämpfer oder Deformationselement bezeichnet wird. Dieser Pralldämpfer kann entweder reversibel (d. h. nach einem Unfall ist eine Rückbildung der Struktur des Pralldämpfers möglich) oder irreversibel ausgelegt sein (d. h. nach einem Unfall ist der Pralldämpfer auszutauschen). Es kann beispielsweise eine solche Crashbox zwischen dem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs verbaut werden, die ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte aufweist, wobei die Flanschplatte als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet ist.
In der Druckschrift DE 60 2004 008 189 T2 ist eine Vorrichtung zur Absorption von Aufprallenergie offenbart, wenn sie im Gebrauch an einer Fahrzeugkarosseriekomponente befestigt ist, wobei die Vorrichtung ein oder mehrere verformbare Elemente aus Formgedächtnismaterial umfasst, die zur Verformung durch einen Aufprall auf die Vorrichtung ausgerichtet sind. Dabei weist jedes von dem einen oder den mehreren verformbaren Elementen ein erstes Festigkeitsniveau bei einer Betriebstemperatur der Vorrichtung und ein zweites Festigkeitsniveau bei einer höheren Temperatur auf. Ferner isst jedes von dem einen oder den mehreren verformbaren Elementen vor dem Aufprall oder zu Beginn des Aufpralls von der Betriebstemperatur aus selektiv auf die höhere Temperatur erwärmbar, um die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorrichtung abzustimmen, ohne die Form des einen oder der mehreren verformbaren Elemente zu verändern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Aktuator, weiterhin ein Verfahren und ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Aktuator zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes, wobei der Aktuator ein Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Empfangen eines Sensorsignals, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert; und
– ansprechend auf das Sensorsignal, Ausgeben eines Ansteuersignals an ein Element aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators, das als Stellgrößengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Unter einem Stellgrößengeber wird vorliegend insbesondere ein aktives Element oder Teilelement verstanden, das ansprechend auf ein elektrisches Signal eine mechanische Bewegung ausführt. Diese Bewegung oder die daraus resultierende Auslenkung aus einer Ruhelage wird dann abgegriffen und beispielsweise auf ein anderes Element übertragen, so dass eine Einstellung einer gewünschten Funktion realisiert werden kann. Unter einem Stellglied wird vorliegend ein Element verstanden, das eine Bewegung des Stellgrößengebers aufnimmt und durch Veränderung seiner Position zur ursprünglichen Ruhelage eine Änderung der Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt. Dabei kann das Stellglied selbst beispielsweise eine andere, günstigerweise eine höhere Festigkeit als das Element aus einem Formgedächtnismaterial aufweisen, so dass durch die Übertragung der Bewegung des Elementes aus einem Formgedächtnismaterial auf das Stellglied auf einfache Weise die Verformbarkeit des Deformationselementes verändert, insbesondere verringert werden kann.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein technisch sehr einfacher und zuverlässig wirkender Aktuator hergestellt werden kann, wenn in dem Aktuator ein Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber verwendet wird.
Das Formgedächtnismaterial kann dabei beispielsweise eine metallische Formgedächtnislegierung sein. Dabei kann das Element aus dem Formgedächtnismaterial mit elektrischen Strom beaufschlagt werden und sich in mehrere unterschiedliche Positionen oder Stellungen ausdehnen. Diese Ausdehnung des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial kann entweder direkt durch den elektrischen Strom oder durch eine Erwärmung auf Grund des elektrischen Stroms von einem entsprechenden Ansteuersignal bewirkt werden. Durch die Ausdehnung, Schrumpfung (Kontraktion) oder anderweitige Verformung des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial lässt sich der Aktuator in unterschiedliche Betriebszustände einstellen, die jeweils eine unterschiedliche Steifigkeit eines Deformationselementes bewirken.
Ebenso kann es sich bei dem Formgedächtnismaterial um ein Element aus einem elektroaktiven Polymer handelt. Vorteilhaft an elektroaktiven Polymeren sind ihre kurzen Aktivierungszeiten von wenigen Millisekunden. Wegen des gut ausgeprägten Zusammenhangs zwischen der Bewegung des Elements und anliegender elektrischer Spannung bei gleichzeitig mäßiger Elastizität, sind auch Teilbewegungen durch unterschiedliche Aktivierungsspannungen möglich. Hierdurch kann der mechanische Aufbau für mehrstufige Aktuatoren einfacher ausgeführt werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz bietet dabei mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Der erste, aus der Verwendung eines Elementes mit einem Formgedächtnismaterial resultierende Vorteil besteht darin, dass die Reversibilität des Aktuators nach einer Auslösung sichergestellt ist. In der Tat kann eine Sensorik sehr empfindlich gestaltet werden mit dem Risiko eventuelle Fehlauslösungen herbeizuführen. Unter einer Fehlauslösung ist hier eine unerwünschte Verstellung des Aktuators gemeint, die beispielsweise durch ein Schlagloch in der Straße, oder eine leichte Kollision mit einer Mülltonne oder einem Garagentor ausgelöst werden kann. Da das System bei einer Verwendung des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial reversibel ist, lässt sich der Aktuator wieder in seine Ursprungsposition zurückstellen. Der Fahrer merkt davon nichts. Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass wenig Formgedächtnismaterial verwendet werden braucht, um die korrekte Funktion des Aktuators umzusetzen. Dies bedeutet, dass ein derart konstruierter Aktuator niedrige Kosten und ein niedriges Gewicht verursacht, was angesichts der bekannten CO₂-Debatte in Bezug auf einen geringen Schadstoffausstoß des Fahrzeugs, in dem der Aktuator bzw. ein damit ausgerüstetes Deformationselement nicht unwichtig ist.
Besonders günstig ist es, wenn der Aktuator ferner ein mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes bewegliches Stellglied aufweist, das ausgebildet ist, um in verschiedenen Positionen entlang eines Stellweges eine unterschiedliche Steifigkeit des Deformationselementes zu repräsentieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht das Element aus dem Formgedächtnismaterial selbst die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes durchführt, sondern eine schnelle Bewegung oder Verformung des Elements mit dem Formgedächtnismaterial zu einer mechanischen Verschiebung des Stellglieds führt. Dieses Stellglied kann dann eine entsprechend hohe Festigkeit aufweisen, um Kräfte bei der Verformung des Deformationselementes besser aufnehmen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Stellglied als verschiebbarer Ring ausgebildet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einem ringförmigen Deformationselement an allen Stellen eine gleiche Steifigkeit dieses Deformationselementes eingestellt werden kann. Dies resultiert daraus, dass in dem Aktuator der gesamte Ring im Ganzen verschoben wird und somit die durch die Verschiebung des Rings bewirkte Adaption der Steifigkeit im gesamten Deformationselement einheitlich wirkt.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Stellglied mittels eines Federelementes in eine Ruhelage gebracht sein, die eine maximale Steifigkeit eines durch den Aktuator zu adaptierenden Deformationselementes repräsentiert. Dies bedeutet, dass die ursprüngliche Stellung des Stellgliedes bei der Fahrt im fließenden Verkehr eine maximale Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt, um einen Selbstschutz des Fahrzeugs zu optimieren. Bei Verstellung wird der Aktuator bzw. das Deformationsglied „weicher” eingestellt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine definierte Lage des Stellglieds sichergestellt werden kann, wenn kein Ansteuersignal dem Element mit dem Formgedächtnismaterial zugeführt wird. Dabei wird sichergestellt, dass auch nach einem einmaligen Aussteuern des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial (welches meist eine nicht-lineare Hysterese-Eigenschaft aufweist) das Stellglied wieder in seine definierte Ruhelage zurückgebracht wird. Zugleich wird auf diese Weise sichergestellt, dass der Pralldämpfer/das Deformationselement eine maximale Steifigkeit aufweist, so dass bei einem Zusammenprall mit hoher Differenzgeschwindigkeit bei gleichzeitig großen Massen die Insassen möglichst nur geringe oder keine Verletzungen erleiden.
Der Stellweg des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial ist begrenzt. Um einen größeren Stellweg zur Adaption der Steifigkeit des Pralldämpfers zu bewirken, kann der Aktuator ein mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes Hebelelement aufweisen, um bei einer Verformung des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial eine Vergrößerung des Stellweges zur Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes zu bewirken.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das das Element aus dem Formgedächtnismaterial als Draht oder als Bolzen ausgebildet sein, wobei das Element aus dem Formgedächtnismaterial ferner ausgebildet sein kann, um bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal zu schrumpfen (kontrahieren). Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein solches ausgeformtes Element (Draht oder Bolzen) aus dem Formgedächtnismaterial nach einer Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal eine sehr große Kraftwirkung im Bereich seines Ausdehnungswegs entfalten kann. Dies kann beispielsweise eine sichere Verschiebung des Stellglieds gewährleisten.
Besonders günstig ist es, wenn (beispielsweise in einem Fahrzeug) ein Deformationselement eingesetzt wird, das einen Aktuator gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufweist. In diesem Fall können die genannten Vorteile des Einsatzes eines solchen schnellen Aktuators sehr gut und kostensparend genutzt werden.
Besonders gut kann die vorliegende Erfindung in einem Einsatzszenario eingesetzt werden, in dem das Deformationselement eine sich verjüngende Kraftaufnahmestruktur aufweist und der Aktuator ausgebildet ist, um eine Adaption einer maximalen Kraft zu bewirken, die von einer Wand der Kraftaufnahmestruktur aufnehmbar ist. Hier kann die schnelle Reaktion des Aktuators auf ein Ansteuersignal besonders gut zum Unfallschutz bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion gemäß den vorstehenden Ausführungen genutzt werden.
Ferner kann eine Aktivierung eines Aktuators vorgesehen sein, bei dem die Aktivierungsenergie in einem oder mehreren Kondensatoren bzw. Doppelschicht-Kondensatoren zwischengespeichert wird. Speziell kann ein Aktuator vorgesehen sein, der ferner zumindest eine Kapazität, insbesondere zumindest einen Doppelschicht-Kondensator aufweist, wobei die Kapazität oder der Kondensator ausgebildet und mit dem Element verschaltet ist, um Aktivierungsenergie für das Element zwischenzuspeichern. Insbesondere kann auf diese Weise ein Deformationselement vorgesehen sein, das neben den vorstehend beschriebenen Aktuator eine mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppelte Energiespeichereinheit, insbesondere in der Form eines oder mehrerer Kapazitäten oder Kondensatoren aufweist, wobei bei der Aktivierung eine in den Kapazitäten oder Kondensatoren gespeicherte Energie zur Aktivierung des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial verwendet wird. Dies stellt vorteilhaft sicher, dass für die Aktivierung ausreichend Energie innerhalb einer sehr kurzen Zeit verfügbar ist. Die Kapazitäten können dabei auch als Doppelschicht-Kondensatoren ausgebildet sein.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2a–b Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 eine isometrische Schnittdarstellung eines Aktuators mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4a–c schematische Darstellungen von Anordnungen von Elementen aus Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber in einem Aktuator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5a–c schematische Darstellungen von Bolzen als Stellglied oder als Stellgrößengeber in einem Aktuator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit durch Polymer-Aktuatoren verschiebbaren Schiebeelemente
13 ein Graph der den Zusammenhang von Aktuierungsspannung (U) und Dehungshub (s) für ein elektroaktives Polymer zeigt
14 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit zur Längsträgerseite ausgerichtetem Aktuator
15 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit einem Aktuator (300) zur Aktivierung zweier Schiebeelemente (220, 230)
16 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit einem Aktuator mit Rautengewebe
17 eine schematische Darstellung der Verformungszusammenhänge des Rautengewebes und einer Einzelraute
18 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit Aktuatoren mit Kaskadenelementen
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
Zunächst ist festzuhalten, dass es ein Mangel im Stand der Technik ist, dass viele beschriebene adaptive Systeme nicht schnell genug sind, einen Crash ordnungsgemäß und insbesondere ohne vorausschauende Sensorik detektieren zu können und früh genug noch die Steifigkeit der Crashstruktur zu ändern. Durch die Verwendung von solchen langsamen Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik sind somit vorausschauende Sensoren notwendig, die das System nicht sehr robust und darüber hinaus sehr teuer machen. Ein besonderes Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese beiden genannten Herausforderungen anzugehen, nämlich einerseits kleinere genauso sicher wie größere Fahrzeuge und andererseits auch leichtere Fahrzeuge möglichst genauso sicher wie schwerere Fahrzeuge auszulegen. Diese Herausforderungen können mit Hilfe von adaptiven Strukturen gemeistert werden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine schnelle, robuste und kostengünstige Lösung zur Adaption einer Steifigkeit einer Crashstruktur zu schaffen, indem nur ein einziger Aktuator pro Deformationselement verwendet wird. Ein möglicher Ansatz zur Lösung eines solchen Problems wird nachfolgend näher vorgestellt.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, in dem ein Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbaut ist. Dabei ist in 1 ein Fahrzeug 100 dargestellt, das im Frontbereich 110, in Fahrtrichtung 115 gesehen, einen Querträger 120 aufweist. Der Querträger 120 ist über ein erstes Deformationselement 130 (das auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem linken Längsträger 135 des Fahrzeugs 100 verbunden. Weiterhin ist der Querträger 120 über ein zweites Deformationselement 140 (das ebenfalls auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem rechten Längsträger 145 des Fahrzeugs verbunden. Ferner kann auf der linken Fahrzeugseite ein erster Sensor oder ein erstes Sensorsystem 150 vorgesehen sein, der/das zur Messung von physikalischen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das Fahrzeug 100 zu erkennen. Auch kann ein weiterer Sensor (oder ein weiteres Sensorsystem) 155 auf einer rechten Fahrzeugseite vorgesehen sein, der/das ebenfalls zur Messung von physikalischen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das Fahrzeug 100 zu erkennen. Dabei übertragen der erste Sensor/das erste Sensorsystem 150 ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu einer Auswerteeinheit 160 und der zweite Sensor/das zweite Sensorsystem 155 ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu der Auswerteeinheit 160. Die Sensorsysteme 150 und 155 sind in 1 außerhalb der Crashstrukturen eingezeichnet, allerdings können diese auch innerhalb der Crashstruktur platziert werden. Ferner ist die Auswerteeinheit 160 mit einem ersten Aktuator 162 verbunden, der eine Adaption der Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 ermöglicht. Auch ist die Auswerteeinheit 160 mit einem zweiten Aktuator 165 verbunden, der eine Adaption oder Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselements 140 ermöglicht.
Erfolgt nun ein Aufprall eines Objektes, wie beispielsweise des in 1 dargestellten Fahrzeugs 170 auf den Frontbereich 110 des Fahrzeugs 100, wird eine Deformation des Fahrzeugs 100 erfolgen, die ein Eindrücken des Querträgers 120 in Richtung des Fahrzeuginneren bewirkt. Da jedoch das entgegenkommende Fahrzeug 170 meist in einem Überlappungsbereich 175 auf den Frontbereich 110 des Fahrzeugs 100 trifft, wird auch beim Aufprall ein unterschiedliches Deformationsverhalten der einzelnen Komponenten des Fahrzeugs 100 resultieren. In diesem Fall wird eine Offset-Kollision durch unterschiedliche Parameterwerte des ersten Sensors 150 und des zweiten 155 Sensors erkannt. Eine solche Offset-Kollision kann beispielsweise auch als Achsversatz-Kollision bezeichnet werden. Bei einer solchen Kollision wird insbesondere in das erste Deformationselement 130 an der linken Fahrzeugseite eine größere Kraft eingeleitet, als in das zweite Deformationselement 140 auf der rechten Fahrzeugseite. Dies hat zur Folge, dass auf das erste Deformationselement (Pralldämpfer) 130 eine größere Deformationskraft wirkt, als auf das zweite Deformationselement (Pralldämpfer) 140. Aus diesem Grund sollte für einen optimalen Insassenschutz die Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 höher sein als die Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140, um eine Fahrzeugdrehung nach dem Zusammenprall möglichst gut verhindern zu können. Wenn eine solche Adaption der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140 erfolgt (in diesem Fall eine Verringerung der Steifigkeit), kann dann im ersten Deformationselement eine höhere Aufprallenergie absorbiert werden als im zweiten Deformationselement 140. Um eine solche Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140 zu erreichen, erfolgt durch die Auswerteeinheit 160 eine Adaption der Steifigkeit des zweiten Deformationselements 140 mittels einer Beaufschlagung des Aktuators 165 des zweiten Deformationselements mit einem entsprechenden Ansteuersignal. Dieses Signal bewirkt dann eine Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Wird nun in der Auswerteeinheit 160 ein Aufprall des Objekts 170 im linken Teil des Frontbereichs 110 erkannt, kann ferner auch daraus geschlossen werden, dass meist unmittelbar nach dem Aufprall eine Drehung des Fahrzeugs 100 erfolgen wird, die nicht immer ganz zu verhindern sein wird. Für einen solchen Fall kann nun die Auswerteeinheit 160 ein Personensicherheitsmittel für einen Insassen 180 des Fahrzeugs aktivieren, zum Beispiel eines das speziell einen Personenschutz bei solchen seitlichen Drehungen bewirkt. Beispielsweise kann durch die Auswerteeinheit 160 ein Seitenairbag 185 aktiviert werden, um den Insassen 180 in einer vorbestimmten Position auf einem Fahrzeugsitz zu halten. Wird dagegen in der Auswerteeinheit 160 ein Überlappungsbereich 175 erkannt, der im Wesentlichen der gesamten Fahrzeugfront 110 entspricht, so ist von einem Frontalaufprall des Objekts 170 mit hoher Überlappungsdeckung auszugehen, so dass keine oder nur eine geringe Fahrzeugdrehung zu erwarten ist. In diesem Fall sollte die Auswerteeinheit 160 die Aktuatoren 162 und 165 so ansteuern, dass die maximale Struktursteifigkeit von beiden Seiten gegeben ist, wenn die relative Kollisionsgeschwindigkeit dementsprechend hoch ist.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, aufbauend auf dem Prinzip eines Materials mit einem Formgedächtnis, insbesondere einem Element aus einer Formgedächtnislegierung, einen schnellen Aktuator herzustellen. Das Prinzip zur Verstellung des Aktuators basierend auf dem Formgedächtnislegierungsprinzip lässt sich auf verschiedene Ausführungsformen, wie „Crashbox mit Schneideelemente”, hydraulischen/pneumatischen Crashboxen (zum Schalten eines Ventils) oder dem Verjüngungsprinzip, also vielen Crashboxen bei denen ein mechanisches Teil zur Adaption benötigt wird, übertragen.
2 zeigt Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes/Pralldämpfers, der einen Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei ist in 2a eine Längsschnittansicht durch ein Deformationselement 130 (Pralldämpfer) dargestellt, wobei in 2b eine Querschnittansicht durch das Deformationselement 130 dargestellt ist. 2a zeigt also ein Deformationselement 130, wie es beispielsweise entsprechend der Darstellung aus 1 in der linken Fahrzeugseite verbaut ist. Dabei weist das Deformationselement 130 zumindest ein Rohr-förmig ausgebildetes Teilelement 205 auf, das über ein elastisches Element 207 zwischen dem Querträger 120 und dem linken Längsträger 135 eingebaut ist. Bei einem Aufprall eines Objektes 170 in Aufprallrichtung 209 auf den Querträger 120 wird somit das Rohr-förmige Teilelement 205 in Richtung des Längsträgers 135 gedrückt. Dabei wird ein Ende des Rohr-förmigen Teilelementes 205 an Matrizenplatten 210 gedrückt, die konzentrisch ausgerichtete Öffnungen haben. Diejenige Matrizenplatte 210, die am Nähesten am Längsträger 135 angeordnet ist, hat dabei die kleinste Öffnung und diejenige Matrizenplatte 210, die am weitesten entfernt vom Längsträger 135 angeordnet ist, hat die größte Öffnung. Weiterhin sind die Innenränder der Öffnungen der einzelnen Matrizenplatten 210 mit Schrägen versehen, so dass sich eine kontinuierlich verjüngende Gesamtöffnung der Mehrzahl von aufeinander gestapelten Matrizenplatten 210 in Richtung zum Längsträger 135 ergibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Aufprall eines Objektes auf das Fahrzeug das Rohr-förmige Teilelement 205 verjüngt wird, wodurch Aufprallenergie absorbiert wird.
Da nun beim Zusammendrücken (Verjüngen) eine entsprechende Gegenkraft auf die einzelnen Matrizenplatten 210 radial nach außen wirkt, kann die Steifigkeit des Deformationselementes 130 durch einen Aktuator 215 mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber 220 verändert werden, der ein Stellglied 225 (das in einer einfachen Form beispielsweise als beweglicher Schieber ausgebildet ist) in unterschiedliche Stellungen wie beispielsweise in eine erste Stellung 230, in eine zweite Stellung 235 oder in eine dritte Stellung 240 bewegt. Der Stellgrößengeber 220 kann dabei als eine Art „Motor” wirken, der eine Bewegung des Stellglieds 225 (d. h. des Schiebers) ermöglicht. Durch die Bewegung des Schiebers 225 kann somit erreicht werden, dass der Schieber 225 eine radiale Ausgleichsbewegung der Matrizenplatten 210 frei gibt, so dass diese Matrizenplatten 210 einem sich auf den Längsträger 135 zu bewegenden Rohr-förmigen Teilelement 205 einen geringeren Widerstand entgegen setzen, als dies ohne die Verschiebung des Schiebers 225 möglich wäre. Alternativ zur Darstellung aus 2a ist es auch vorteilhaft, die Defaultstellung des Aktuators auf „steif” einzustellen, so dass eine Aktuierung den Absorber Richtung „weich” verstellt.
Auf die oben beschriebene Weise kann folglich die Steifigkeit des Deformationselements 130 verändert werden. Somit wird durch die vorliegende Erfindung im Wesentlichen ein Aktuator 215 vorgestellt, der mit einem Element 220 aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber ausgestattet ist, wobei dieser Aktuator 215 dann sehr schnell und reversibel auf ein Ansteuersignal von einer Auswerteeinheit 160 reagieren kann. Diese Auswerteeinheit 160 kann beispielsweise zentral in einem Fahrzeug verbaut sein, wie dies beispielhaft in 1 dargestellt ist. Alternativ kann eine entsprechend ausgebildete Auswerteeinheit 160 auch im Bereich des Aktuators 215 angeordnet sein, wodurch sich eine Verkürzung der Signallaufzeiten für entsprechende Ansteuersignale realisieren ließe.
2b zeigt eine Querschnittansicht des in 2a dargestellten Deformationselements 130. Dabei ist ein Gehäuse 250 dargestellt, das das Rohr-förmige Teilelement 205 ringförmig umgibt. Weiterhin sind sechs Aktuatoren 215 gezeigt, die ebenfalls Ring-förmig um die Matrizenplatten 210 mit Öffnungen unterschiedlichen Innendurchmessers angeordnet sind. Diese Matrizenplatten 210 haben Sollbruchstellen 255 die es beispielsweise ermöglichen, ein exakt definiertes Aufprallenergie-Absorptionsverhalten einzustellen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird der Ansatz näher offenbart, mit Hilfe eines Formgedächtnismaterials (mit/ohne Übersetzung) einen Aktuator zur Verstellung der Steifigkeit von adaptiven Crashstrukturen zu realisieren. Aus Gründen der Einfachheit wird in der folgenden Beschreibung das Formgedächtnismaterial am Beispiel einer Formgedächtnislegierung näher vorgestellt, wobei das Formgedächtnismaterial nicht auf eine Formgedächtnislegierung beschränkt ist. Exemplarisch wird weiterhin das Funktionsprinzip des neuen Aktuators an Hand des Verjüngungsprinzips näher erklärt. Hierzu wird beispielsweise eine solche adaptive Crashstruktur auf der Basis des Verjüngungsprinzips unter Verwendung der Anordnung aus 3 näher beschrieben.
Das technische Ziel in dem nachfolgend vorgestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es, ein Stellglied 225, beispielsweise einen Stellglied-Ring 225, axial in die eine erste Richtung (beispielsweise nach rechts) oder eine zweite Richtung (beispielsweise nach links) zu verschieben. Die Position des Rings 225 (in der Darstellung gemäß der 3 von der Mitte nach rechts oder nach links) beeinflusst die Steifigkeit der adaptiven Crashstruktur 130 (d. h. des Deformationselementes). Der Ring 225 ist also ein Bestandteil des Aktuators 215.
Wie bereits erwähnt besteht ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, mittels eines Elementes aus einem Material mit einem Formgedächtnis (insbesondere aus einer Formgedächtnislegierung) diesen Ring den situativen Unfall-Anforderungen entsprechend zu bewegen, sprich mittels der Formgedächtnislegierung den Aktuator zu realisieren. Statt eines Rings 225 als Stellglied könnte auch ein anderes Sperr- oder Schieberelement 225 verwendet werden.
Formgedächtnislegierungen (auch als FGL abgekürzt, engl. shape memory alloy, SMA) werden oft auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung „erinnern” können. Als Material für das Element mit dem Formgedächtnis können jedoch auch andere Werkstoffe wie beispielsweise Kunststoffe mit einem Formgedächtnis in Betracht gezogen werden, ohne dass die Funktionalität des hier vorgeschlagenen Ansatzes beeinträchtigt würde.
Die Formwandlung des Materials mit dem Formgedächtnis basiert bei metallischen Werkstoffen auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen (allotrope Umwandlung) dieses Werkstoffes. Es gibt die so genannte Hochtemperaturphase, die auch als Austenit bezeichnet wird, und die Niedertemperaturphase, die auch als Martensit bezeichnet wird. Beide Temperaturphasen können durch Temperaturänderung oder anliegende mechanische Spannung ineinander übergehen. Für die Nutzung als Aktuator wird die temperaturabhängige Phasenumwandlung genutzt. Dabei lassen sich zwei Ausprägungen der Phasenumwandlung nutzen: Der sogenannte „Einwegeffekt” und der „Zweiwegeffekt”. Beim Einwegeffekt wird entzwillingtes marentsitisches Material durch Erwärmen in die austenitische Phase mit geringeren Scherwinkeln umgewandelt. Nach dem Abkühlen und einer Umwandlung in verzwillingten Martensit ist eine äußere mechanische Spannung erforderlich, um wieder entzwillingten Martensit zu erhalten. Die äußere mechanische Spannung kann durch ein elastisches Element, z. B. eine Feder oder einen entgegenwirkenden Aktuator, aufgebracht werden. Beim Zweiwegeffekt werden durch „Trainieren” bevorzugte Martensitvarianten eingeprägt, durch die das Material beim Abkühlen ohne äußere mechanische Spannung direkt in die entzwillingte Struktur wechselt. Wegen der geringen mechanischen Stabilität der martensitischen Vorzugsvarianten ist der Zweiwegeffekt nur in geringem Umfang zur Erzeugung mechanischer Arbeit geeignet.
Ein bekannter Vertreter für den Strukturwandel zwischen austentitischer und martensitischer Phase ist u. a. Eisen bzw. Stahl oder eine Nickel-Titan-Legierungen, wobei es auf die genauen Anteile ankommt. Allerdings besitzt Stahl kein Formgedächtnis, es muss daher noch eine andere Bedingung erfüllt sein. Formgedächtnis-Legierungen brauchen in jedem Kristallsystem eine Reihe gleichberechtigter Schersysteme, die sich aus der Raumsymmetrie der Elementarzelle ergeben. Sind alle Scherungen bei einer Umwandlung gleich verteilt, ist keine äußere Formänderung zu erkennen. Werden aber beispielsweise durch äußere Kräfte nur einige Schersysteme bevorzugt, werden Formänderungen beobachtet.
Formgedächtnismaterialien wie beispielsweise Formgedächtnislegierungen können sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung in mehreren 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Sie bestechen durch ihr im Vergleich zu anderen Aktor-Werkstoffen mit Abstand größtes spezifisches Arbeitsvermögen d. h. Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen).
Der in 3 dargestellte Ring 225 kann beispielsweise über eine Drahtkonstruktion bewegt werden, wie er in der 4 näher dargestellt ist. Der (Anker-)Ring 225 wird mit mindestens einem Formgedächtnisdraht 220 (FGL-Draht) bewegt, d. h. einem Draht 220 als Element aus einem Formgedächtnismaterial. Diese Drähte 220 sind beispielsweise entsprechend der Darstellung aus 4a sowohl am Ring 225 als auch an einem Teil 400 fest verbunden, der starr mit einem Gehäuse des Aktuators 215 verbunden ist. Sowohl am Ring 225 als auch am festen Teil 400 sind die Drähte 220 derart fest fixiert, so dass sich der Ring 225 bei einer Kontraktion der Drähte 220 verschiebt. Hierbei ist anzumerken, dass ein dünner Draht manchmal nur schlecht Druckkräfte übertragen kann. Die Ausknickgefahr wäre sehr groß. Ein dicker Draht benötigt hingegen mehr Energie zur Umwandlung der Kristallgitter. Daher wird Ziehen durch Betätigen bevorzugt. Die Rückstellung sollte dann beispielsweise eine Feder ermöglichen. Auf diese Weise kann durch eine Längenänderung des Drahtes 220 oder der Drähte 220 entlang seiner/ihrer Längserstreckung der Ring 225 in unterschiedliche Richtungen 420 bewegt werden, wenn die Drähte 220 mit einem elektrischen Signals von der Steuereinheit 160 angesteuert werden.
Gemäß einer in 4b dargestellten Ausführungsvariante kann auch der Ankerring 225 durch mindestens einen Formgedächtnisdraht 220 (FGL-Draht) bewegt werden. Dieser Draht 220 ist zick-zack-förmig zwischen Ring 225 und festem Teil 400 angeordnet und wird jedes Mal an einer Umlenkeinheit 430 (beispielsweise eine Öse oder ein auf Druckübertragung ausgelegtes Gelenk) am Ring 225 oder am festen Teil 400 umgelenkt. Der Vorteil einer solchen Konstruktion besteht darin, dass durch Ausnutzung trigonometrischer Effekte der Verschiebeweg größer ist als die Kontraktion der Formgedächtnisdrähte 220. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass nur ein einziger Draht 220 verwendet werden braucht.
In den 4a und 4b ist somit ein Aktuator gezeigt, bei dem sich das Stellglied 225, das hier als Ring ausgebildet ist, in eine Richtung bewegt, nämlich nach rechts, wenn sich die Drähte 220 ansprechend auf ein Ansteuersignal verkürzen. Selbstverständlich können diese Drähte 220 aus dem Formgedächtnismaterial auch auf beiden Seiten des Rings 225 befestigt werden und sich gegenseitig zurückstellen. Somit ist es möglich, den Ring 225 von einer Mittelstellung aus nach rechts oder nach links zu bewegen.
Eine zweistufige Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung mit Federrückstellung ist in der 4c exemplarisch dargestellt, wobei der Stellgrößengeber durch aus zwei in Reihe geschalteten Aktuatoren besteht, die den Ring 225 bewegen. Federn 440 halten die Drähte gespannt und sorgen für eine Rückstellung. Wird nur ein Aktuator aktiviert, verschiebt sich der Ring 225 um die Länge 470. Werden beide Aktuatoren aktiviert erfolgt eine Verschiebung des Rings 225 um die Länge 480 als Summe der Längenänderungen 450 und 460 der beiden Aktuatoren. Durch die drei Zustände ohne „Aktuierung”, mit Aktuierung nur eines Aktuators und mit Aktuierung beider Aktuatoren lässt sich der Ring 225 zwischen 3 Positionen verschieben. Werden die Aktuatoren mit unterschiedlichem Verstellweg realisiert, lässt sich der Ring 225 in vier Positionen verschieben. Dies kann durch keine Aktuierung der Aktuatoren, Aktuierung des Aktuators mit dem geringeren Verstellweg, Aktuierung des Aktuator mit dem größeren Verstellweg und einer gleichzeitigen Aktuierung von beiden Aktuatoren erfolgen. Das Prinzip lässt sich durch Reihenschaltung weiterer Aktuatoren auf mehrere Stufen erweitern.
Alternativ können auch statt dem Ring 225 mehrere kleinere Bolzen/Stellelemente 225 verwendet werden, die über jeweils einen Formgedächtnisdraht 220 bewegt werden. Der Vorteil ist, dass hier die Summe des Gewichtes der kleinen Bolzen 220 leichter als der Ring ist, die Fertigungskosten sind jedoch sehr ähnlich. Eine solche Ausführungsvariante ist in der 5a dargestellt.
Alternativ können der Ring 225/220 (entsprechend der Darstellung aus 5b) oder diese eben erwähnten Bolzen 225/220 (entsprechend der Darstellung aus 5c) direkt aus dem Formgedächtnismaterial gefertigt werden. Der schraffierte Bereich in der 5b und der 5c bedeutet das Zusatzvolumen des Formgedächtnis-Elementes 220 im unbestromten Zustand, d. h. im Zustand, in dem keine Spannung oder kein Strom des Ansteuersignals auf das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial wirkt.
In der 6 ist eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Dabei weist der Ring 225 eine Öffnung auf. In der Öffnung ist ein Konus-förmiges Befestigungselement eingefügt, welches fest mit dem Formgedächtnisdraht 220 verbunden ist. Der Formgedächtnisdraht 220 ist wiederum fest mit dem Gehäuse des Aktuators 215 verbunden. Eine Feder 440 hält den Ring 225 bzw. das Konus-förmige Element in einer Ruhelage, in der das Deformationselement 130 seine maximale Steifigkeit aufweist.
Bei einer Beaufschlagung des Formgedächtnisdrahtes 220 mit einem elektrischen Ansteuersignal aus einer Steuereinheit verkürzt sich der Formgedächtnisdraht 220 und zieht somit den Ring 225 nach links. Dies führt zu einer Verringerung der Steifigkeit des Deformationselementes 130 durch die Verringerung der maximal von den Matrizenplatten 210 aufnehmbaren Gegenkraft in radiale Richtung.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung aus 7 ist ein Aktuator 215 ausgebildet, der nicht direkt, sondern mit einer Übersetzung arbeitet. Im Gegensatz zur Ausführung des Aktuators 215 gemäß der Darstellung aus 6 ist der Formgedächtnisdraht 220 gemäß dieser Ausführungsvariante nun an einem Hebelelement 710 befestigt, das ein Stellglied 225 (beispielsweise den Ring) verschiebt. Diese Übersetzung des Ausdehnungsweges des Formgedächtnisdrahtes 220 hat das Ziel den Verstellweg für das Stellglied 225 zu erhöhen.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial meist als Formgedächtnisdraht angenommen, der sich beim Anlegen einer Spannung zusammenzieht. Typische Werte für eine Längenänderung eines solchen Drahtes 220 betragen hier 5% bis 10%. Es handelt sich hier also um eine axiale Richtungsänderung. Allerdings sind andere Ausprägungen bzw. Geometrien der Formgedächtnislegierungen verwendbar, wie ein Formgedächtniselement, das einen Hub durch Biegung erzeugt, wie es mit Bezug zur Schnittdarstellung aus 8 näher beschrieben ist. Alternativ kann auch ein Formgedächtniselement verwendet werden, das einen Hub erzeugt, in dem es wie eine Membran arbeitet. Eine derartige Ausführungsvariante ist in der Schnittdarstellung aus 9 dargestellt.
In der 8 ist eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Aktuatoren mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial dargestellt. Hierbei ist das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial als Biegebalken ausgebildet, bei dem das obere Ende mit einem Gehäuse des Deformationselements 130 starr verbunden ist. Das „bewegliche”, freie Ende des Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial ist mit dem horizontal beweglichen Schieber oder Stellglied 225 verbunden, das wiederum durch die Feder 440 in einer Ruhelage gehalten wird, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial nicht mit einem Ansteuersignal beaufschlagt ist. In dieser Lage ist der Schieber 225 somit in einer Position, in der die linke Matrizenplatte 210 an einer radialen Bewegung nach oben gehindert wird. Die rechte Matrizenplatte hat keine Sollbruchstelle. Sie ist beispielsweise ein massives Drehteil und kann die volle bei der Verjüngung erzeugte Radialkraft abstützen. Die erste Matrizenplatte ist auch bei jedem Crash aktiv, bei dem das Rohr durch die Matrizen geschoben wird. Die in 8 dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn der Verstellweg des Schiebers 225 größer ist, jedoch ein spezielles Übersetzungselement wie ein Hebel nicht erforderlich ist. Insbesondere lässt sich durch das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial in Form des Biegebalkens eine schnelle Auslenkung des Schiebers 225 um eine größere Wegstrecke (gegen die von der Feder 440 ausgeübte Kraft) verschieben. Wird das Element 220 als Bimetall aus einem Verbund von Formgedächtnismaterial und Material ohne Formgedächtnis ausgeführt, kann das Material ohne Formgedächtnis die Rückstellung übernehmen. In diesem Fall kann die Feder 440 entfallen.
In 9 ist eine weitere Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Aktuatoren mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial dargestellt. Entsprechend den Ausführungsvarianten aus den 6 und 7 wird auch in der Ausführungsvariante gemäß der 9 wieder eine Kombination aus einem Schieber 225 in Verbindung mit einer Feder 440 verwendet, wobei die Feder 440 den Schieber 225 in einer Ruhelage hält, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial nicht mit einem Ansteuersignal beaufschlagt wird. In der Ausführungsvariante gemäß 9 wird nun ein Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial verwendet, das an zwei gegenüberliegenden Enden fest eingespannt und mit einem Gehäuse des Aktuators 215 fest verbunden ist. Wird nun das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial mit einem Ansteuersignal, beispielsweise von einer Auswerte- oder Steuereinheit, beaufschlagt, wird sich in einem Mittelbereich dieses Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial wellenförmig ausbuchten, wobei einerseits durch die Fixierung der beiden Enden des Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial eine große Kraft bei dieser Verbiegung realisiert werden kann und zugleich dennoch eine sehr präzise Auslenkung auf eine gewünschte Auslenkungsstrecke möglich ist. Eine Fixierung des Elementes 220 reduziert die Beweglichkeit stark, so dass die aktuierte Kraft im Wesentlichen innere Spannungen hervorrufen wird. Um signifikante Verschiebungen zu erzielen ist es notwendig, das Element 220 an mindestens einer Seite mit einem Loslager zu lagern. Um nun auch einen ausreichend großen Stellenweg für den Schieber 225 sicherzustellen, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial aktiviert wird, wird gemäß der Ausführungsvariante nach 9 ein Hebelelement 710 eingesetzt, dessen erstes Ende mit dem Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial gekoppelt ist und dessen zweites Ende mit dem Schieber 225 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein kleiner aber präzise einstellbarer Auslenkungsweg durch das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial in eine präzise Position des Schiebers 225 entlang dessen Verschiebebereichs eingestellt werden. Hierdurch ist es wiederum möglich, einen sehr schnell reagierenden Aktuator 215 zur Adaption der Steifigkeit eines Deformationselements 130 bereitzustellen.
Zur Triggerung der Aktivierung können alle bekannten Sensorprinzipien, die in der Lage sind einen Crash zu erkennen eingesetzt werden. Es eignen sich vorausschauende Sensoren wie Radar, Licht und Ultraschal, aber auch Sensoren wie Beschleunigungs-, Druck oder Temperatursensoren sind hierfür geeignet. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes. Dabei weist das Verfahren 1000 einen Schritt des Empfangens 1010 eines Sensorsignals auf, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert. Weiterhin weist das Verfahren 1000, ansprechend auf das Sensorsignal, einen Schritt des Ausgebens 1020 eines Ansteuersignals an ein Element aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators auf, wobei das Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.
11 zeigt einen weiteren Systemaufbau. Das rohrförmige Teilelement des Deformationselements (130) wird durch eine Deformationskraft (209) gegen die Umformmatrizen (210) gedrückt. Bei ausreichend hoher Deformationskraft (409) wird das Deformationselement (130) an den Matrizen (210) umgeformt. Die Umformkraft stützt sich gegen den Längsträger (135/145) ab. Ein Schiebeelement (225), das verschiebbar an den Matrizen (210) angeordnet ist, kann bei entsprechender Position (230, 235, 240), die bei der Deformation entstehende, auf die Matrizen (210) wirkende radiale Kraft aufnehmen. Ist das Schiebeelement (225) so positioniert, dass es keine radialen Kräfte von den Matrizen (210) aufnehmen kann, brechen die Matrizen (210) auf und können das Deformationselement (130) nicht mehr umformen. Die Verschiebung des Schiebelementes (225) erfolgt achsparallel zu den Umformelementen. Aktuiert wird das Schiebeelement (225) durch einen Aktuator (300) aus einem Formgedächtnismaterial, zum Beispiel einem elektroaktivem Polymer. Elektrische Anschlüsse (310) ermöglichen es, den Aktuator (215) mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen und hierdurch zu aktuieren. Hierbei längt sich der Aktuator (215). Diese Längenänderung verschiebt das Schiebeelement (225).
Den Zusammenhang zwischen der Aktuierungsspannung und dem resultierenden Dehnungshub veranschaulicht 13. Dieser Zusammenhang kann dazu genutzt werden, durch Verändern der Aktuierungsspannung die Position des Schiebelements (225) zu variieren. Liegt am Aktuator (215) keine Spannung an, so befindet sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebeelements (225) in einer ersten Position (230). In dieser Position wird keine der brechbaren Matrizen (210) von dem Schiebeelement abgestützt. Das Deformationselement weist dann die geringste Steifigkeit auf. D. h. das Deformationselement kann nur die ihm minimal mögliche Kollisionsenergie abbauen. Bei einer hohen elektrischen Spannung längt sich der Aktuator (215) derart, dass sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebelements (225) in einer zweiten Position (240) befindet. In dieser Position werden alle brechbaren Matrizen (210) von dem Schiebeelement abgestützt. Das Deformationselement weist dann die höchste Steifigkeit auf. D. h. das Deformationselement kann die ihm maximal mögliche Kollisionsenergie abbauen. Bei entsprechend niedrigerer Spannung befindet sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebeelements (225) in einer dritten Position (235). In dieser Position werden nur ein Teil der brechbaren Matrizen (120, 130) abgestützt. Das Deformationselement weist dann eine Steifigkeit zwischen der höchsten und der geringsten Steifigkeit auf. D. h. das Deformationselement kann nur eine Menge Kollisionsenergie abbaue, die zwischen der ihm möglichen maximalen und minimalen Menge liegt.
Der in 11 dargestellte Systemaufbau bildet den Referenzaufbau für die nachfolgenden vorteilhaften, alternativen Ausführungsformen.
Eine erste, alternative Ausführungsform, dargestellt in 13, hat den Vorteil, dass der Aktuator (215) in Richtung des Längsträgers (135/145) angeordnet ist.
Eine zweite, alternative Ausführungsform, dargestellt in 14, hat den Vorteil, dass statt einem Schiebelement (225) zwei Schiebeelemente (225a, 225b) verwendet werden, die in Richtung des Längsträgers bzw. des Deformationselementes von den Matrizen (210) weg bewegt werden. Dadurch werden, insbesondere bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit mehreren einstellbaren Steifigkeitsniveaus, die erforderlichen Verschiebewege der Scheibeelemente reduziert. 14 zeigt eine entsprechende Ausführung. In dem Fall, dass alle Matrizen abgestützt werden sollen bzw. aktiv sein sollen, erfolgt keine Aktuierung des Aktuators (215). Bei einer Teilaktuierung des Aktuators (215) und entsprechender Auslegung der Rückstellfedern (440) wird das Schiebeelement (225) gegen die Rückstellfeder (440) verschoben, so dass die Matrize (210) sich nicht radial gegen dass Schiebeelement (225) abstützen kann. Wird der Aktuator (215) vollständig aktuiert, wird auch das Schiebeelement 225a gegen die Rückstellfeder (440) verschoben, so dass nur noch die feststehende Matrize (210) wirksam ist. Besonders vorteilhaft ist diese zweite, alternative Ausführungsform in Verbindung mit der alternativen Ausführungsform, die in 18 dargestellt ist und weiter unten genauer erläutert wird. Durch die Verbindung dieser beiden Ausführungsformen kann die Baulänge nochmals reduziert werden. Das in dieser Ausführungsform vorgestellte Prinzip der Betätigung von zwei Schiebeelementen mit einem Aktuator ist auch für Aktuatoren auf der Basis von Formgedächtnismaterial oder elektrodynamischen Aktuatoren nutzbar, wenn der notwendige Aktuatorhub reduziert werden soll.
In einer dritten, alternativen Ausführungsform, dargestellt in 15, kann die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals reduziert werden, dazu wird die Verwendung eines Rautengewebes (320), um den Hub der radial wirkenden Aktuatoren (215) zu übersetzen, vorgeschlagen. Bei Aktuierung der Aktuatoren (215) nimmt deren Außendurchmesser zu. Das rautenförmige Gewebe 320, das in 16 genauer dargestellt wird, besteht aus zahlreichen Einzelrauten (325). Durch die Gewebefasern sind die Seitenlängen der Einzelrauten nahezu konstant. Wird die Raute in der Höhe gestreckt (326) hat dies wegen der konstanten Seitenlängen eine Reduktion der Rautenbreite zur Folge (327). Diese Eigenschaften der Einzelrauten führen dazu, dass das Rautengewebe auf eine Durchmesserzunahme (321) mit einer Längenreduzierung (322) reagiert (30), die zum Verschieben des Schiebeelements (225) zwischen der ersten, zweiten und dritten Position (230, 235, 240) genutzt wird. Auf die Darstellung von Zwischenpositionen wurde wegen der Übersichtlichkeit verzichtet. Um die Längenreduzierung (322) zu verstärken, sind zwischen den Aktuatoren (215) Stützringe (330) angeordnet. Eine entgegen der durch die Aktuatoren (215) und das Rautengewebe (320) erzeugten Bewegung des Schiebelementes wirkende Rückstellfeder (440) sorgt dafür, dass das Rautengewebe (320) stets gespannt ist. Die Rückstellung des Schiebeelements erfolgt durch eine Feder bzw. ein Federelement (440). Die Aktuatoren aus Rautengewebe aus elektroaktiven Polymer müssen bei der Aktuierung, d. h. bei der Verschiebung des Schiebeelements (225) zumindest die Federkraft der Feder bzw. des Federelements (440) überwinden.
Das Prinzip dieser Variante lässt sich auch auf Formgedächtnismaterial anwenden. Dabei sind jedoch die Aktuatoren auf der Außenseite des Rautengewebes anzubringen und die Stützringe innen anzuordnen. Ferner ist bei thermischer Aktuierung auf eine thermische Beständigkeit des Rautengewebes zu achten bzw. das Rautengewebe durch eine Schicht thermisch zu isolieren.
Mit einer vierten Ausführungsform, dargestellt in 17, wird ebenfalls das Ziel verfolgt die Gesamtlängen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren. Dabei werden die Aktuatoren (215) durch Kaskadenelemente (340) seriell miteinander verbunden, so dass die Baulänge des Aktuatorsystems nur unwesentlich länger ist als die eines einzelnen Aktuators. Statt Aktuatoren (215) aus Formgedächtnismaterialien können auch Aktuatoren aus elektroaktivem Polymeren verwendet werden. Die Werkstoffausnutzung von Aktuatoren aus Formgedächtnismaterial ist vor allem bei Beanspruchung unter Zug vorteilhaft. Aktuatoren aus Formgedächtnismaterial sind daher in der Regel aus Draht ausgeführt und können keine Druckkräfte aufnehmen. Daher ist dann eine Rückstellung des Schiebeelementes analog zur Ausführungsform nach 15 mittels einer Feder bzw. eines Federelements (440) erforderlich. Diese Ausführungsform ist nicht explizit in 17 gezeigt, sondern ergibt sich bei der Adaption des Prinzips, dargestellt in 15, auf das Prinzip dargestellt in 17.
In einer fünften, alternativen Ausführungsform, dargestellt in 18, wird eine stufenförmige Gestaltung der Matrizen (210) und der Schiebeelemente (225) vorgeschlagen, um die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren. Durch die stufenförmige Gestaltung müssen die Schiebeelemente bei ausreichender Stufenhöhe nur in der Größenordnung einer Stufenbreite verschoben werden. Die Aktuatorlänge kann entsprechend der Anzahl an Stufen reduziert werden. Eine Rückstellfeder (440) hält das Schiebeelement (225) in den Fällen, in denen der Aktuator (215) nicht oder nur teilaktuiert ist, in einer die Matrize (210) radial unterstützenden Position.
Das in dieser alternativen Ausführungsform vorgeschlagene Prinzip stufenförmiger Matrizen und Schiebeelemente, um den notwendigen Aktuatorhub zu reduzieren, ist auch für Aktuatoren auf der Basis von Formgedächtnismaterial oder elektrodynamischen Aktuatoren nutzbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004008189 T2 [0004]

Claims

Aktuator (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes (130), wobei der Aktuator (215) ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.
Aktuator (215) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (215) ferner ein mit dem Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes bewegliches Stellglied (225) aufweist, das ausgebildet ist, um in verschiedenen Positionen (230, 235, 240) entlang eines Stellweges eine unterschiedliche Steifigkeit des Deformationselementes (130) zu repräsentieren.
Aktuator (215) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (225) mittels eines Federelementes (440) in eine Ruhelage gebracht ist.
Aktuator (215) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (225) als verschiebbarer Ring ausgebildet ist.
Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (215) ein mit dem Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes Hebelelement (710) aufweist, das ausgebildet ist, um bei einer Verformung des Elementes (220) aus dem Formgedächtnismaterial eine Vergrößerung des Stellweges zur Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes (130) zu bewirken.
Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial als Rautengewebe (320) ausgestaltet ist.
Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial als Draht oder als Bolzen ausgebildet ist, wobei das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial ferner ausgebildet ist, um sich bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal entlang einer Erstreckungsrichtung des Drahtes oder des Bolzens zusammen zu ziehen.
Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus Formgedächtnismaterial aus elektroaktivem Polymer gestaltet ist.
Aktuator (215) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) sich bei Beaufschlagung mit einer Spannung längt.
Deformationselement (130), das einen Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Vorrichtung zur Ansteuerung eines Deformationselements nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner zumindest eine Kapazität, insbesondere zumindest einen Doppelschicht-Kondensator aufweist, der ausgebildet und mit dem Element (220) verschaltet ist, um Aktivierungsenergie für das Element (220) zwischenzuspeichern.
Verfahren (1000) zur Ansteuerung eines Aktuators (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements (130), wobei das Verfahren (1000) die folgenden Schritte aufweist: – Empfangen (1010) eines Sensorsignals, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes (170) auf ein Fahrzeug (100) repräsentiert; und – ansprechend auf das Sensorsignal, Ausgeben (1020) eines Ansteuersignals an ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators (215), das als Stellgrößengeber des Aktuators (215) wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes (130) einzustellen.
Steuergerät (160), das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (1000) gemäß Anspruch 9 durchzuführen.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens (1000) nach einem Anspruch 9, wenn das Programm auf einem Steuergerät (160) ausgeführt wird.