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Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur mit schaltbaren, formvariablen Elementen.
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Moderne Fahrzeuge weisen eine Vielzahl von Sensoren sowie optische Überwachungs- und Funktionssysteme auf, mit deren Hilfe die Umgebung entsprechend analysiert wird, um das Fahrzeug verkehrssicher und unfallfrei im Straßenverkehr bewegen zu können. Aus Gründen der Optik, Ästhetik und Aerodynamik werden diese Systeme nach Möglichkeit unterhalb der Fahrzeugstruktur angeordnet. Beispielsweise kann ein Radarsensor hinter dem Fahrzeugemblem oder im Kühlergrill eingebaut und damit weitestgehend versteckt werden.
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Derzeit kommen im Fahrzeugbau lasttragende Strukturen, sogenannte Tragstrukturen, zum Einsatz, die zum einen die im Betrieb auftretenden Kräfte übertragen und zum anderen die im Falle eines Zusammenstoßes bzw. Crashs auftretenden Energien aufnehmen. Diese Tragstrukturen stellen starre Gebilde dar, die aus hochfesten und steifen Materialien, z.B. Stahl, hergestellt werden. Sie weisen in der Regel eine geschlossene Oberfläche mit festgelegten physikalischen Eigenschaften auf.
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Einzelne Öffnungen und Durchbrüche können in die Tragstruktur z.B. zu Kühlzwecken oder in Form eines Tankdeckels eingearbeitet sein. Hierbei kommen mechanische Elemente in Form von Scharnieren und Lamellen zur Anwendung. Diese Elemente sind im Regelfall unterhalb der Tragstruktur angeordnet, um die Optik nicht zu stören. Durch die Mechanik der Scharniere und Gelenke nehmen die bekannten Bauweisen in Dickenrichtung viel Bauraum in Anspruch. Daher bleiben Öffnungen und Durchbrüche bisher nur auf einige wenige Bereiche in der Tragstruktur begrenzt.
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Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte Tragstruktur für Fahrzeuge bereitzustellen, bei denen diese Nachteile überwunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bereitgestellt wird eine gitterförmige Tragstruktur mit einer über Hohlräumen des Gitters angeordneten formvariablen Struktur, welche die gitterförmige Tragstruktur überdeckt und damit fest verbunden ist, aufweisend formvariable Elemente, von denen jedes an mindestens zwei Seiten gegenüber der Tragstruktur freigeschnitten ist und gegenüber der Tragstruktur verformt werden kann, wobei jedes formvariable Element abhängig von Umgebungs- und Fahrbedingungen derart aktiviert und damit verformt wird, dass es einen darunter liegenden Bereich zugänglich macht.
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Durch die Anordnung von formvariablen Elementen auf der Tragstruktur des Fahrzeugs, welche je nach Bedarf, also abhängig von bestimmten Bedingungen aktiviert werden, können verbesserte optische, thermische und elektromagnetische Eigenschaften erzielt werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass in dem Bereich unterhalb eines formvariablen Elements ein Mittel zur Überwachung der Umgebung des Fahrzeugs angeordnet ist, umfassend zumindest einen Sensor oder eine Kamera. Durch Anordnung von Überwachungsmitteln unterhalb eines formvariablen Elements, so dass es nur sichtbar wird, wenn nötig, kann die Aerodynamik des Fahrzeugs verbessert werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass die formvariable Struktur aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Formgedächtnislegierungen besteht. Vorteilhaft ist die formvariable Struktur eine Kombination aus angeordneten Fasern, die unterschiedliche Längen und Richtungen aufweisen, sowie Matrixwerkstoffen und/oder Folien und/oder Blech. Weiter vorteilhaft besteht die formvariable Struktur aus Carbonfaser verstärkten Kunststoffen, die in einer Richtung angeordnet sind, und quer dazu und darauf angeordneten Carbonfasern oder Metall. Somit kann in einfacher Weise eine reproduzierbare und robuste Struktur geschaffen werden. Fasern können Carbonfasern, Glasfasern, Basalt etc. sein. Matrixwerkstoffe dienen unter anderem dazu, die Fasern räumlich zu fixieren sowie die Last einzuleiten und auszuleiten, sowie die Fasern zu verbinden und damit die gewünschten Eigenschaften herzustellen. Grundsätzlich wird zwischen thermoplastischer und duroplastischer Matrix unterschieden, wobei die Wahl je nach Anwendung erfolgt. Unter Folien werden sehr dünne Materialien, also z.B. Kunststoff-Folien, verstanden. Unter Blech werden dünne metallische Materialien verstanden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein Heizelement auf einem formvariablen Element angeordnet ist. Somit kann unabhängig von äußeren Einflüssen eine dedizierte Aktivierung oder Deaktivierung des formvariablen Elements erfolgen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass an einem formvariablen Element ein Verriegelungselement angeordnet ist, welches das die formvariable Element sowohl in der aktivierten als auch in der nicht aktivierten Stellung arretiert. Dies dient zur zusätzlichen Absicherung vor einem unerwünschten Öffnen des formvariablen Elements.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass zumindest ein Dichtungselement zwischen der Tragstruktur und einem freigeschnittenen Bereich eines formvariablen Elements angeordnet ist, wobei die elektromagnetischen und die elektrostatischen Eigenschaften, insbesondere die elektromagnetischen Dämpfungseigenschaften, des formvariablen Elements und des zugehörigen Dichtungselements unterschiedlich sind. Durch ein Dichtelement, das die Eigenschaft hat, für bestimmte Signale, z.B. Radarwellen, durchlässig zu sein, kann ein Schutz vor Spritzwasser bzw. generell Umwelteinflüssen erzeugt werden.
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Ferner wird ein Fahrzeug aufweisend die Tragstruktur, vorgeschlagen, das ferner ein Steuergerät aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Aktivierung der formvariablen Elemente abhängig von Umgebungs- und Fahrbedingungen zu aktivieren.
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Ferner wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei durch Ausnutzen der während des Herstellprozesses in die Materialien eingebrachten thermischen Spannungen die formvariablen Elementen entweder so hergestellt werden, dass sie in der Ausgangsposition geschlossen oder in der Ausgangsposition bereits geöffnet sind. Vorteilhafterweise werden, wenn die formvariablen Elemente aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, während des Härtungsprozesses des Faserverbundwerkstoffs Dichtungselemente in Form einer dehnbaren Membran mit den formvariablen Elementen verbunden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen Ausschnitt einer Tragstruktur 1 einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs mit einer schaltbaren, formvariablen Struktur 2 gemäß einer Ausführung der Erfindung.
- 2 zeigt eine Ausführung eines formvariablen Elements 2a gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine weitere Ausführung eines formvariablen Elements 2a gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine Draufsicht auf ein formvariables Element 2a mit einem darauf angeordneten Heizelement 2e gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 5a und Fig. 5b zeigen die Reaktion einer formvariablen Struktur 2 auf thermische Beeinflussungen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 6a und Fig. 6b zeigen eine geschlossene formvariable Struktur 2 und eine geöffnete Klappe 2a zur Erzielung einer optischen Beeinflussung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 7a und Fig. 7b zeigen eine geschlossene formvariable Struktur 2 und eine geöffnete Klappe 2a mit Dichtungselement 3 zur Erzielung einer elektromagnetischen Beeinflussung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 8a und Fig. 8b zeigen Werkzeug zur Herstellung einer Klappe 2a, die bei Referenztemperatur geschlossen ist, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Kern der Erfindung ist es, geschlossene Oberflächen von Tragstrukturen von Fahrzeugen mit schaltbaren, verformbaren bzw. formvariablen Elementen zu durchsetzen, so dass sowohl funktionelle als auch optische Effekte in die Tragstruktur integriert werden können. Durch die formvariablen Elemente können die physikalischen Eigenschaften der Tragstruktur, wie zum Beispiel die Durchlässigkeit gegenüber elektromagnetischen Wellen, verändert werden.
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Formvariable Elemente sind in diesem Zusammenhang Bauteile oder Teile der Außenhaut der Fahrzeugstruktur, die ihre Form, d.h. im Wesentlichen ihre Ausrichtung, Durchbiegung und Lage zumindest zum Teil aufgrund von einem äußeren Einfluss ändern können. Ein äußerer Einfluss kann sein, dass sich Temperaturänderungen ergeben oder Spannung an das Element angelegt wird. Details werden nachfolgend ausführlich beschrieben.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung ist die Art der Anordnung der formvariablen Elemente auf der Fahrzeugstruktur bzw. der Tragstruktur und der Zeitpunkt ihrer Aktivierung. Durch eine geeignete Anordnung und Aktivierung der Vielzahl an formvariablen Elementen können die physikalischen Eigenschaften der Tragstruktur an die jeweilige Fahrsituation z.B. abhängig von erfassten Umgebungsbedingungen angepasst werden. Umgekehrt können durch die formvariablen Elemente die physikalischen Eigenschaften der Tragstruktur deaktiviert werden, wenn sie nicht benötigt werden und z.B. die Aerodynamik oder die Optik des Fahrzeugs stören würden. Die formvariablen Elemente sind somit schaltbar. Die physikalischen Eigenschaften der Fahrzeugstruktur bzw. der Tragstruktur werden somit in intelligenter Weise der jeweiligen Fahr- bzw. Umweltsituation, also den Umgebungsbedingungen, angepasst. Wie bereits erwähnt, sind die vorgeschlagenen formvariablen Elemente in einer größeren Anzahl vorhanden und an der Tragstruktur bzw. der Karosserie so verteilt, dass unterschiedliche Funktionen erfüllt werden können, wie nachfolgend beschrieben.
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In Verbindung mit der Bauweise kommt ferner ein spezielles Fertigungsverfahren zum Einsatz, das es ermöglicht, die Tragstruktur bei geringem Fertigungsaufwand mit einer Vielzahl von formvariablen Elementen zu durchsetzen und die strukturelle Integrität zu erhalten. Hierbei bezieht sich die strukturelle Integrität darauf, dass die Oberfläche nicht durch Scharniere oder Gelenke gestört wird und die formvariable Struktur aus Gründen der Dichtigkeit und der Aerodynamik eine geschlossene Oberfläche aufweisen kann. Die Erfindung sieht zudem die Aktivierung der formvariablen Elemente über eine Methode vor, die in Dickenrichtung der Tragstruktur keinen oder nur einen sehr geringen Bauraum beansprucht. Die Aktivierung ist abhängig von Umgebungsbedingungen, insbesondere der jeweiligen Fahrsituation. Durch die Erfindung kann eine lasttragende Struktur, also die Tragstruktur, bei günstigen Fertigungskosten und geringer Bauhöhe mit einer Vielzahl von formvariablen Elementen zur Beeinflussung elektromagnetischer, optischer und geometrischer Eigenschaften durchsetzt werden, ohne die strukturellen oder ästhetischen Eigenschaften zu stören.
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Die Anordnung der formvariablen Elemente auf dem Fahrzeug und ihre Aktivierung werden an die jeweiligen Umgebungsbedingungen, also z.B. Fahr- bzw. Umweltsituation, angepasst. Die Struktur besteht zum einen aus gitterförmig angeordneten, steifen und festen Strukturelementen, so dass eine gitterförmige Tragstruktur entsteht, die zur Lastübertragung geeignet ist. Zum anderen besteht sie aus flexiblen Elementen, die gegenüber der Tragstruktur verformt werden können und somit eine formvariable Struktur bzw. formvariable Elemente aufweisen. Zudem können in der Struktur Dichtungselemente in Form einer dehnbaren Membran Verwendung finden, die zwischen der Tragstruktur und der formvariablen Struktur angeordnet sind. Durch die Aktivierung der formvariablen Struktur können die physikalischen Eigenschaften der Struktur beeinflusst werden.
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Die Anordnung der Elemente und der Zeitpunkt ihrer Aktivierung erfolgt in einer Weise, die auch einen autonomen Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht. Durch die Aktivierung der formvariablen Elemente kann die Informationsdichte zur Analyse des Umfelds des autonom fahrenden Fahrzeugs der jeweiligen Fahr- und Umweltsituation so angepasst werden, dass ein sicherer, unfallfreier Betrieb möglich ist.
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Genauer können mehrere Sensoren an einer Stelle an der Karosserie vorgesehen sein. Diese können redundant sein oder jeder davon einzelne Teilinformationen oder Informationen unterschiedlicher Art, z.B. Kamerabild und Radarsignal, liefern, wobei zur Auswertung eine Kombination der Informationen erfolgt. Somit kann die Erfassung der Umgebung verbessert werden.
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Die Anordnung an der Karosserie ist abhängig von der Funktionalität, welche die unterhalb der formvariablen Elemente vorgesehenen Bauteile erfüllen. So sind beispielsweise an äußeren Bereichen der Fahrzeugkarosserie mehrere Parksensoren unter den formvariablen Elementen vorgesehen. Auch können mehrere Parksensoren an einem einzigen Bereich vorgesehen sein, um eine Redundanz zu schaffen oder unterschiedlich ermittelte Informationen zu einem Gesamtbild zu kombinieren. Diese werden nur dann aktiviert, treten also nur dann in Erscheinung, wenn eine Parksituation vorliegt bzw. erkannt wird. Ferner können Abstandssensoren bzw. Kameras an oberen Bereichen des Fahrzeugs, also z.B. am Dach, auf der Motorhaube etc., vorgesehen sein, um beim Fahren verwendet zu werden.
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Auch ist es möglich, andere Funktionalitäten in dem Bereich unterhalb jedes formvariablen Elements vorzusehen. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsfunktion im Sinne von Ambientelicht vorgesehen sein, aber auch als Nebenscheinwerfer oder wenigstens unterstützend dazu. Auch können Informationsfunktionalitäten wie eine Laseranzeige bzw. eine Laserprojektor darunter vorgesehen sein, mit dem z.B. Informationen und auch Warnungen auf die Fahrbahn projiziert werden. Ferner kann auch eine Reinigungsvorrichtung für Scheinwerfer oder andere Bereiche des Fahrzeugs vorgesehen sein, d.h. dass entsprechende Düsen zur Säuberung der Scheinwerfer vorgesehen sind, welche aktiviert werden, wenn eine Verschmutzung oder Vereisung erkannt wird. Alle diese Funktionalitäten haben die Gemeinsamkeit, dass eine schnelle Reaktion, also Öffnung des formvariablen Elements nötig ist, um die Aufgabe zu erfüllen. Ferner sind alle diese Funktionalitäten nicht dauerhaft im Einsatz, sondern werden nur in speziellen Situationen benötigt, so dass sie vorteilhafterweise bis zur Verwendung nicht sichtbar sind. Die vorliegende Aufzählung nennt lediglich Beispiele für Situationen und Anordnungsmöglichkeiten der formvariablen Elemente und möglicher verwendbarer Funktionalitäten, ist aber nicht darauf beschränkt.
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Nachfolgend werden einzelne Ausführungen detailliert unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
- 1 zeigt einen Ausschnitt einer Tragstruktur 1 einer Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeugs mit daran angeordneten, schaltbaren, formvariablen Elementen 2 gemäß einer Ausführung der Erfindung. Die Kombination aus Tragstruktur 1 und formvariablen Elementen 2 wird nachfolgend als Tragstruktur 1 bezeichnet.
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Die Tragstruktur 1 stellt im Wesentlichen ein Gitter dar, das vorzugsweise aus dreiecks- oder viereckförmigen Elementen besteht. Die Anordnung des Gitters wird bestimmt durch die von der Tragstruktur 1 zu übertragenden Kräfte. Dabei werden die Ausrichtung der Gitterstäbe und die Anzahl der Gitterstäbe einerseits durch die Kraftrichtung und andererseits durch die Krafthöhe bestimmt. Die Tragstruktur 1 ist aus einem steifen und festen Material gefertigt. Vorzugsweise werden Metalle oder Faserverbundwerkstoffe verwendet. An den Kreuzungspunkten der Gitterstäbe wird vorzugsweise die Materialstärke verringert, um Materialanhäufungen zu vermeiden.
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Die formvariable Struktur 2 überdeckt die gitterförmige Tragstruktur 1, dient als Außenhaut des Fahrzeugs und ist mit der gitterförmigen Tragstruktur 1 über deren Gitterstäbe fest verbunden. Die formvariable Struktur 2 kann sich zwischen den Gitterstäben relativ zur gitterförmigen Tragstruktur 1 zumindest in Teilbereichen verformen, wie nachfolgend beschreiben. Hierzu ist die formvariable Struktur 2 an mindestens zwei Seiten gegenüber der Tragstruktur 1 freigeschnitten. Somit kann z.B. ein formvariables Element 2 in Form einer Klappe 2a entstehen, das lediglich an einem Bereich mit der Tragstruktur 1 verbunden ist. Alle anderen Bereiche können sich nach Aktivierung der Struktur 2 in vorgegebene Richtungen gemäß der Art der Aktivierung bewegen, also z.B. sich nach außen hin öffnen.
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Die Erfindung sieht vor, dass die formvariable Struktur 2 aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut ist und der Faseraufbau so ausgeführt ist, dass die Verbindungsstelle eine gelenklose, stoffschlüssige Scharnierfunktion 2b darstellt. Hierzu besteht der Faseraufbau vorzugsweise aus Lagen, die sowohl in Längs- als auch in Querrichtung zur Verbindungsstelle 2b angeordnet sind, also eine gitterförmige Struktur aufweisen. Das formvariable Element 2 stellt im Wesentlichen ein Biegeelement mit einer definierten Steifigkeit dar.
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Die Dichtungselemente 3 sind aus zähelastischem, also dehnbarem, Material wie z.B. einem Elastomer gebildet, und ermöglichen eine große Verformung bei geringen Kräften, sie dienen also als Membran. Diese dehnbaren Membranen 3 können zwischen den starren Strukturelementen und den formvariablen Elementen 2 angeordnet sein. Als starre Strukturelemente werden die Bereiche der formvariablen Struktur 2 bezeichnet, die nicht als formvariable Elemente 2 ausgebildet sind, also den restlichen Bereich der Außenhaut bilden. Die Dichtungselemente 3 können sich so verformen, dass sie die Relativbewegung zwischen der Tragstruktur 1 und der formvariablen Struktur 2 ausgleichen können und so die Gesamtstruktur, also die Außenhaut, auch bei großen Relativverschiebungen geschlossen bleibt.
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Die Erfindung sieht verschiedene Möglichkeiten vor, die formvariablen Elemente 2 zu verformen, wie in 2 und 3 gezeigt. In 2 ist gezeigt, dass die Verformung durch eine Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen kann. In 4 ist gezeigt, dass durch die kraftschlüssige Integration von Aktuatoren aus Formgedächtnislegierungen eine Verformung erfolgen kann. Ferner kann die formvariable Struktur als Federelement wirken (nicht gezeigt).
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Wie in 2 zu sehen, kann die Verformung durch Verwendung einer Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgen. Werden zwei Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kraftschlüssig und flächig übereinander zu einer Platte angeordnet, kommt es bei einer Temperaturänderung zu einer Krümmung der Platte. Die Verformung beruht auf der Einleitung eines Biegemoments. Während bei einem Material bei einer Temperaturänderung keine oder nur eine geringe Längenänderung auftritt, dehnt sich das zweite Material sehr stark aus, wodurch ein Biegemoment in die Platte eingeleitet wird, das zu seiner Krümmung führt.
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Die Erfindung sieht verschiedene Kombinationen von Materialien vor. Sehr hohe Temperaturausdehnungskoeffizienten weisen Metalle oder Faserverbundwerkstoffe quer zur Faserrichtung auf. Hingegen weisen Faserverbundwerkstoffe mit Carbonfasern in Faserlängsrichtung bei Temperaturänderung so gut wie keine Längenänderung auf. In einer bevorzugten Variante werden Carbonfaser verstärkte Kunststoffe für die formvariable Struktur und damit die formvariablen Elemente 2 verwendet. Die Erfindung sieht vor, dass die Fasern in Bezug auf das Scharnier 2b wie folgt orientiert sind. Die äußere Schicht aus Carbonfasern ist so angeordnet, dass die Fasern in Längsrichtung der Klappe 2a orientiert sind, was durch die gestrichelten Linien 2c angedeutet ist. Dadurch ergibt sich auf der Klappe 2a eine äußere Schicht, die in Klappenlängsrichtung einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Auf der Innenseite der Klappe 2a wird ein Metall oder Carbonfasern aufgebracht, die gegenüber der äußeren Lage quer orientiert sind, wie mit Bezugszeichen 2d angedeutet. Damit treten bei einer Temperaturänderung auf der Innenseite der Klappe 2a thermische Verschiebungen auf, die ein Biegemoment erzeugen und die Struktur 2 entsprechend krümmen. Bei einer Temperaturänderung kommt des durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und deren unsymmetrischer Anordnung zum Öffnen der Klappe 2a.
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In anderen Ausführungen kann auch eine Kombination aus unterschiedlichsten Materialien verwendet werden, z. B. aus angeordneten Fasern wie der beschriebenen Carbonfaser, einer Glasfaser, Basalt, etc.. Ferner können diese Fasern unterschiedliche Längen und Richtungen aufweisen, oder auch in einer Matrixangeordnet werden, was vor allem bei Kunststoff der Fall ist. Auch können Folien bzw. Bleche aus Metall oder auch aus Kunststoff verwendet werden.
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Die Erfindung sieht weiter vor, dass der Wärmeeintrag, der eine Öffnung der Klappe 2a zur Folge hat, auch über ein Heizelement 2e, das auf der Klappe 2a angeordnet ist, erfolgen kann, wie in 4 gezeigt. 4 zeigt eine Draufsicht auf die geschlossene formvariable Struktur bzw. das geschlossene formvariable Element 2, welches hier in Form eines Rechtecks gebildet ist. In einer bevorzugen Bauweise wird eine U-förmige Schlaufe aus Carbonfasern als Heizelement 2e auf der Klappe 2a angebracht. Die Enden dieses Heizelements 2e aus Carbonfasern weisen Kontaktierungspunkte auf. Wird eine elektrische Spannung angelegt, stellt sich entsprechend dem elektrischen Widerstand der Carbonfaser ein Stromfluss ein, der eine Erwärmung der Schlaufe und damit das Öffnen der Klappe 2a zur Folge hat.
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Bei der beschriebenen und in 2 gezeigten Bauweise korreliert die Höhe der Klappenöffnung 2a mit der Höhe der Temperaturänderung. Durch die Verwendung von Formgedächtnislegierungen ergibt für die in 3 beschriebene Variante ein anderes Verhalten, wie nachfolgend beschrieben.
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Bei der in 3 gezeigten Variante ist die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zur Aktivierung des formvariablen Elements 2 vorgesehen. In einer bevorzugten Bauweise sind Drähte aus einer Formgedächtnislegierung 4 zwischen dem Ende der Klappe und der Tragstruktur 1 kraftschlüssig angeordnet. Formgedächtnislegierungen 4 haben die Eigenschaft, dass es bei einer bestimmten Auslösetemperatur durch eine Phasenumwandlung des Metalls (Austenit/Martensit) zu einer starken Längenänderung des Materials kommt. Bei der beschriebenen Bauform kann die vollständige Öffnung der Klappe 2a erzielt werden, wenn eine bestimmte Auslösetemperatur erreicht wird. Liegt die Temperatur unterhalb der Auslösetemperatur, bleibt die Klappe 2a vollständig geschlossen. Die Erfindung sieht vor, dass die Erwärmung der Formgedächtnislegierung 4 durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgen kann. Hierzu sind an den Enden der Formgedächtnislegierung elektrische Kontakte 4a vorgesehen. Wird eine elektrische Spannung angelegt, erwärmt sich die Formgedächtnislegierung 4 und es kommt beim Erreichen der Auslösetemperatur zu einer Kontraktion und zum Öffnen der Klappe 2a.
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Nach einer Aktivierung müssen Formgedächtnislegierungen 4 erneut mechanisch vorgespannt werden. Hierzu ist die Biegesteifigkeit der formvariablen Struktur 2 so dimensioniert, dass sie die Drähte der bevorzugten Variante, wie in 4 gezeigt und bereits beschrieben, bei der Rückverformung wieder vorspannt. Dieser Vorgang ist möglich, da sich der E-Modul der Formgedächtnislegierungen 4 durch die Phasenumwandlung bei der Abkühlung um über 200% ändert.
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In den Figuren nicht gezeigt ist, dass die Erfindung ferner vorsehen kann, dass die formvariable Struktur 2 in der geschlossenen Stellung vorgespannt ist. Hierzu wird die formvariable Struktur 2 im Herstellungsprozess in der offenen Stellung gefertigt. Zum Schließen der Klappe 2a wird diese durch eine entsprechende Aktuatorik niedergedrückt und dann verriegelt. Diese Variante erlaubt ein sehr schnelles Öffnen der Klappe 2a. Nach dem Lösen der Verriegelung springt die Klappe 2a, die wie ein Federelement wirkt, auf.
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Die Erfindung sieht zusätzlich vor, dass die einzelnen Elemente der formvariablen Struktur 2 durch ein Verriegelungselement 7 bzw. einen Haken sowohl in der geschlossenen als auch in der offenen Stellung arretiert werden können, wie in 3 gezeigt. Das Verriegelungselement 7 wird hier in Form eines Stifts dargestellt. Die Aktivierung des Stifts kann elektromagnetisch erfolgen. 3 zeigt das arretierte formvariable Element 2 bei geschlossener Stellung. Das Verriegelungselement 7 greift in eine Nut der formvariablen Struktur 2, wodurch sie in ihrer Position fixiert ist. Zum Öffnen wird das Verriegelungselement 7 zurückgezogen und gibt die Fixierung über die Nut frei. Die formvariable Struktur 2 kann nun geöffnet werden. Wird der Stift bei geöffneter Klappenstellung eingefahren, kann die Klappe 2a nicht geschlossen werden, da der Stift die Klappenöffnung versperrt. Sie ist nun in der geöffneten Position fixiert.
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Durch die formvariablen Elemente 2 der Tragstruktur 1 könnten die thermischen, elektromagnetischen, optischen und geometrischen Eigenschaften der Gesamtstruktur, also der Außenhaut des Fahrzeugs, beeinflusst werden.
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5a und 5b zeigen die Reaktion einer formvariablen Struktur 2 auf thermische Beeinflussungen. Die thermische Beeinflussung nimmt Bezug auf die Ausführungen zur Aktuatorik über die Kombination von Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, also die in 2 gezeigte Variante. 5a zeigt die geschlossene Gesamtstruktur bei Referenztemperatur. Bei dieser Temperatur ist die Oberfläche der Gesamtstruktur weitestgehend geschlossen. Da bei geschlossener Gesamtstruktur keine Luftzirkulation zwischen der Innen- und der Außenseite der Gesamtstruktur, also im Wesentlichen zwischen der Umgebung und dem Inneren des Fahrzeugs, stattfinden kann, werden die thermischen Eigenschaften der Gesamtstruktur durch die thermodynamischen Materialkennwerte der Tragstruktur 1 und der formvariablen Struktur 2 bestimmt. Dies sind im Wesentlichen die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit. In Abhängigkeit von einer Temperaturänderung kommt es zu einer Veränderung der Stellung der formvariablen Struktur bzw. einzelner formvariabler Elemente 2 davon. Beispielsweise kann bei einer Temperaturerhöhung eine Öffnung der formvariablen Elemente 2 erfolgen. Dadurch kann zwischen der Innen- und der Außenseite der Gesamtstruktur eine Luftzirkulation stattfinden, wodurch sich die thermodynamischen Eigenschaften der Gesamtstruktur beeinflussen lassen, wie in 5b gezeigt. Hier ist zu sehen, dass die Klappe 2a, welche am Scharnier 2b mit dem starren Bereich der formvariablen Struktur 2 verbunden bleibt, geöffnet ist, und somit die Luftzirkulation erfolgen kann. Somit wird Wärme, die sich auf der Innenseite der Gesamtstruktur gebildet hat, automatisch abgeführt.
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In Bezug auf autonom fahrende Fahrzeuge ist dies z.B. für die automatisierte Zwangsbelüftung von Systemkomponenten hilfreich, z.B. bei der Kühlung von Bremsscheiben bei Bergfahrten. Ein weiteres Beispiel zur bedarfsgerechten Anpassung der thermischen Eigenschaften der Fahrzeugstruktur an die jeweilige Fahr- und Umweltsituation stellt die autonome Kühlung des Fahrzeugs dar. Hierbei sind die formvariablen Elemente 2 zur Steuerung der thermischen Eigenschaften im Dachbereich des Fahrzeugs angeordnet, wie in 1 durch stark vergrößerte formvariable Elemente 2 gezeigt. Ist das Fahrzeug abgestellt, können die Klappen 2a geöffnet werden und die warme Luft des Innenraums kann entweichen, so dass ein Aufheizen des Innenraums vermindert werden kann. Bei kalten oder regnerischen Umweltbedingungen werden oder bleiben die formvariablen Elemente 1 geschlossen. Die Erfindung sieht vor, dass die Aktivierung der Klappen 2a somit in Abhängigkeit von den herrschenden Umweltbedingungen erfolgt.
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Anhand der 6a und 6b wird die beschriebene optische Beeinflussung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. 6a zeigt die geschlossene Gesamtstruktur, bestehend aus der Tragstruktur 1 und der formvariablen Struktur bzw. den formvariablen Elementen 2. Auf der Innenseite der Gesamtstruktur ist ein optischer Sensor 5 auf der starren Tragstruktur 1, also vorzugsweise einem der Gitterstäbe, angeordnet.
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Bei autonom fahrenden Fahrzeugen ist dieser Sensor 5 dazu ausgelegt, im Entfernungsbereich bis ca. 5 m das Umfeld des Fahrzeugs zu erfassen und zu vermessen. Der optische Sensor 5 wird im Wesentlichen dazu verwendet, Rangier-und Parkvorgänge im Geschwindigkeitsbereich bis ca. 5 km/h zu steuern. Im höheren Geschwindigkeitsbereich ist der Sensor 5 nicht aktiv. Mit Hilfe der Erfindung kann die Fahrzeugstruktur an das Einsatzprofil des Sensors 5 je nach Fahrgeschwindigkeit angepasst werden. Ist der Sensor 5 nicht im Einsatz, ist die formvariable Struktur 2 nicht aktiviert. Die Gesamtstruktur ist also geschlossen. Dadurch ist der Sensor 5 nicht sichtbar und die aerodynamischen Eigenschaften der Gesamtstruktur weitestgehend ungestört. Die Erfindung sieht vor, dass die formvariablen Elemente 2 in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit geschalten werden. Die geschlossene Stellung ist somit für das abgestellte Fahrzeug oder für das Fahren bei erhöhter Geschwindigkeit von Vorteil.
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6b zeigt die geöffnete Gesamtstruktur bzw. ein geöffnetes formvariables Element 2. In dieser Position ist der optische Sensor 5 aktiv und kann das Umfeld des Fahrzeugs erfassen. Dabei wird die Funktion des Sensors 5 nicht durch eine abschirmende Wirkung der Fahrzeugstruktur beeinflusst, wie mit dem Pfeil in x-Richtung angedeutet. Die Aktivierung des formvariablen Elements 2 erfolgt in diesem Beispiel durch einen Draht aus Formgedächtnislegierung 4. Durch die Trennung der Tragstruktur 1 von den variablen Elementen 2 und dem einfachen Fertigungskonzept können mit Hilfe der Erfindung sehr viele, über die gesamte Tragstruktur 1 verteilte Sensoren 5 angeordnet werden, sodass ein umfassender Bezug des Fahrzeugs zu seinem Umfeld hergestellt werden kann.
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Anhand der 7a und 7b wird die beschriebene elektromagnetische Beeinflussung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. 7a zeigt wiederum die geschlossene Gesamtstruktur bestehend aus der Tragstruktur 1, dem formvariablen Element 2 und dem Dichtungselement 3. In diesem Fall ist ein Sensor 6, der im Frequenzbereich von Radarwellen arbeitet, innerhalb der Gesamtstruktur auf der formvariablen Struktur 2, genauer auf der Unterseite der Klappe 2a, angeordnet. Der Einsatz dieses Sensors 6 wird notwendig, wenn z.B. die Auflösung optischer Systeme durch schwierige Sicht- und/oder Fahrverhältnisse nicht mehr ausreichend sind. Die Erfindung sieht vor, dass die formvariablen Elemente 2 zur Beeinflussung der elektromagnetischen Eigenschaften der Fahrzeugstruktur im Dachbereich oder im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet sind, sodass die Radarwellen ungehindert in Fahrtrichtung austreten können. Zudem sieht die Erfindung vor, dass die formvariablen Elemente 2 zur elektromagnetischen Beeinflussung in Abhängigkeit von der Umweltsituation, der Fahrgeschwindigkeit und der Fahrtrichtung geschaltet werden.
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Bei geschlossener Stellung ist der Sensor 6 nicht sichtbar und die Aerodynamik des Fahrzeugs ist nicht beeinflusst, wie in 7a gezeigt. 7b zeigt das System im aktivierten Zustand. Die formvariable Struktur 2 ist aktiviert, d.h. die Klappe 2a ist geöffnet, und das zähelastische Dichtungselement 3 stark gedehnt. Durch die Anordnung des Sensors 6 auf der formvariablen Struktur 2 kann der Sensor 6 bei Aktivierung durch das zähelastische Dichtungselement 3 emittieren. Die Erfindung sieht vor, dass sich die elektromagnetischen und die elektrostatischen Eigenschaften, insbesondere die elektromagnetischen Dämpfungseigenschaften, der formvariablen Struktur 2 und der Dichtungselemente 3 deutlich unterscheiden. Dadurch ist es möglich, die elektromagnetischen Eigenschaften der Struktur zu beeinflussen. Zur Erläuterung ist hierzu in 7b ein Richtungspfeil x eingezeichnet. Bei geschlossener Struktur wird die elektromagnetische Durchlässigkeit der Struktur in x-Richtung weitestgehend durch die Materialien der Tragstruktur 1 und der formvariablen Struktur 2 bestimmt. Bei aktivierten formvariablen Elementen nimmt der Anteil der Dichtungselemente 3 am elektromagnetischen Verhalten in x-Richtung deutlich zu, wodurch das richtungsabhängige elektromagnetische Verhalten der Struktur beeinflusst werden kann.
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Die Aktivierung des formvariablen Elements 2, also der Klappe 2a, erfolgt in diesem Fall nach dem Prinzip der vorgespannten Feder. Dies ermöglicht ein schnelles Öffnen der Klappe 2a, um im Bedarfsfall über den dann aktivierten Radarsensor 6 das Umfeld des Fahrzeugs umfassend analysieren zu können. Das Schließen der Klappe 2a kann wiederum über einen Draht aus Formgedächtnislegierungen 4 erfolgen.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführung der Erfindung auf Fahrzeugebene, wie bereits beschrieben. Zu erkennen ist die Umsetzung der Bauweise für ein Dachmodul. Die Tragstruktur 1 ist gitterförmig ausgebildet. Die formvariablen Elemente 2, 2a, 2f, 3 sind in der Dachmitte angeordnet und können je nach Fahr- bzw. Umweltsituation aktiviert werden. Es sind Elemente zur Beeinflussung der thermischen und elektromagnetischen Eigenschaften der Struktur angeordnet. Ein Element ist zum Schutz des Radarsensors 6 mit einer flexiblen Membran 3 abgedeckt. Ist das Fahrzeug abgestellt, können an sonnigen Tagen alle Elemente 2 zur Beeinflussung der thermischen Eigenschaften aktiviert (offen) sein, wie mit Bezugszeichen 2f angedeutet. So kann die Aufheizung des Innenraums reduziert werden, indem die warme Luft entweichen kann. Während der Fahrt können diese formvariablen Elemente 2 geschlossen werden. Umgekehrt können die Elemente zur Beeinflussung der elektromagnetischen Eigenschaften 2a und 2f bei abgestelltem Fahrzeug geschlossen sein und werden im Fahrbetrieb nur bei Bedarf schnell geöffnet. Dies kann z.B. in Abhängigkeit von den Sichtverhältnissen erfolgen. Die Klappen 2a sind so angeordnet, dass die elektromagnetische Beeinflussung in die Fahrtrichtungen (Vorwärts-, Rückwärtsfahrt) ausgerichtet sind. Durch die Aktivierung der Klappen 2a, können z.B. Radarsensoren 6 auch bei schwierigen Sichtverhältnissen in die unterschiedlichen Fahrtrichtungen eines Fahrzeugs durch die Freigabe der vorgespannten Klappen 2a und Klappen 2a mit Dichtungselement 3 schnell aktiviert werden.
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Durch die Verwendung einer Membran mit entsprechender Beschichtung oder aus entsprechendem Material kann auch eine Reinigung der Membran erfolgen, wenn sie eingeklappt wird. Hierzu ist vorgesehen in den Figuren nicht gezeigt), dass sie beim Einklappen der zugehörigen formvariablen Struktur 2 den darauf vorhandenen Schmutz oder Flüssigkeiten abstreift. Dies kann dadurch geschehen, dass Teile davon gegeneinander reiben.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das unter einer formvariablen Struktur 2 vorgesehene Bauteil, z.B. eine Kamera oder ein Sensor, aber auch eine Waschdüse oder ein Licht, mit einer selbstreinigenden Schicht überzogen oder zumindest teilweise daraus besteht. Somit kann zusätzlich zum Schutz vor Außeneinflüssen durch das bedarfsgerechte Aktivieren und damit Aussetzen gegenüber Umwelteinflüssen ein weiterer Schutz vor Verschmutzungen, aber auch vor Beschädigungen durch Stöße etc. erreicht werden. Außerdem kann damit Reinigungswasser gespart werden und es müssen weniger Bauteile wie Wasserbehälter pro Sensor, Kamera etc. vorgesehen sein, da eine Selbstreinigung erfolgt.
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Die Schaltung der Elemente 2 erfolgt beispielsweise über Steuergeräte, die mit einem zentralen Rechner oder Steuergerät des Fahrzeugs kommunizieren. Durch die Aktivierung kann die Informationsdichte zur Analyse des Umfelds für das Fahrzeug so weit gesteigert werden, dass ein unfallfreier sicherer Betrieb möglich ist. Die Kommunikation mit dem Steuergerät kann sowohl wie bisher üblich über Kabel erfolgen. Aber es kann auch eine Kommunikationsstrecke über Leiterbahnen vorgesehen sein, welche auf der Tragstruktur vorgesehen sein können. Somit kann sowohl Material als auch Platz eingespart werden.
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Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei autonom fahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Die formvariablen Elemente wurde bisher lediglich als Klappe 2a beschrieben, da dies eine er Hauptanwendungen ist. Aber die formvariablen Elemente können auch als Schieber gebildet sein, also als eine Klappe, welche nicht nach oben oder unten wegklappt, sondern beispielsweise über Schienen oder andere Hilfsmittel unter oder über die Tragstruktur verschoben werden kann, um den darunter liegenden Bereich freizugeben. In diesem darunter liegenden Bereich sind die Mittel zur Überwachung der Umgebung des Fahrzeugs, also Sensoren 5 oder 6, Kameras oder andere geeignete Mittel angeordnet. Wie oben beschrieben kann auch eine Beleuchtungs- oder Lichtfunktion, eine Warn- oder Informationsfunktion nach außerhalb des Fahrzeugs, eine Waschfunktion für Scheinwerfer oder andere Bereiche des Fahrzeugs etc. realisiert werden. Alle diese beschriebenen Mittel können ihre Aufgabe nach Freigeben des Bereichs unterhalb des formvariablen Elements erfüllen.
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Die Erfindung sieht ein spezielles Fertigungsverfahren vor, das es ermöglicht, die Tragstruktur 1 bei geringem Fertigungsaufwand mit einer Vielzahl von formvariablen Elementen 2 zu durchsetzen und die strukturelle Integrität zu erhalten. Hierzu werden die gitterförmige Tragstruktur 1 und die formvariable Struktur 2 vorzugsweise getrennt voneinander gefertigt.
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Die gitterförmige Tragstruktur 1 wird vorzugsweise entweder aus Metall oder Faserverbundwerkstoffen hergestellt. In der Metallbauweise wird Stahlblech entsprechend ausgestanzt, sodass ein Gitter entsteht. Anschließend wird das Blech an den Ecken eingeschnitten und in einem Pressverfahren zu einer Gitterstruktur mit U-förmigem Querschnitt umgeformt. Die Variante der gitterförmigen Tragstruktur 2 aus Faserverbundwerkstoffen sieht den Einsatz von unidirektional verstärkten Prepregstreifen vor, die in ein entsprechendes Werkzeug eingelegt werden. An den Kreuzungspunkten wird jeweils nur ein Streifen weitergeführt, um eine Materialaufdickung zu vermeiden. Nach der Härtung kann die Gitterstruktur entformt werden. Eine bevorzugte Variante mit dreieckförmigen Elementen 1 ist in 1 zu sehen.
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Die Erfindung sieht für die formvariable Struktur 2 verschiedene Fertigungsvarianten vor. Die einzelnen Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Position der einzelnen formvariablen Elemente 2 in der Ausgangsposition. Entweder ist die Klappe 2a in der Ausgangsposition geschlossen oder in der Ausgangsposition bereits geöffnet.
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Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass die während des Fertigungsprozesses in die Werkstoffe eingebrachten thermischen Spannungen genutzt werden, die jeweilige Ausgangsposition einzustellen. Ist die Klappe 2a nur aus Faserverbundwerkstoffen aufgebaut, treten bei der Härtungsreaktion der Materialien Temperaturen von 80° bis 160 °C auf. Dies führt dazu, dass durch das Abkühlen thermische Spannungen in das Material eingebracht werden. Bei einem unsymmetrischen Lagenaufbau, wie er in 4 dargestellt ist, führt dies dazu, dass die Klappe 2a nach der Härtung in einem ebenen Werkzeug im Ausgangszustand bei Raumtemperatur bereits geöffnet ist. Bei einer Erwärmung geht diese Klappe 2a vom geöffneten Ausgangszustand in die geschlossene Endstellung über.
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Wird eine Klappe 2a angestrebt, die bei Referenztemperatur geschlossen ist, muss bei einem unsymmetrischen Lagenaufbau ein entsprechend vorgeformtes Werkzeug verwendet werden. Dies ist in 8a und 8b für ein rechteckförmiges formvariables Strukturelement 2 dargestellt. Das Werkzeug 8 ist aus Metall und hat zum Ausgleich von thermisch induzierten Spannungen entsprechend vorgeformte Elemente 8a zur Herstellung der formvariablen Strukturelemente 2. Die Faserverbundstruktur 9 wird zur Ausbildung der einzelnen Klappen an den entsprechenden Stellen an jeweils drei Seiten 9a eingeschnitten und in das Werkzeug 8 passgenau eingelegt, wie mit dem Pfeil zwischen 8a und 8b angedeutet. Hierdurch werden die strukturvariablen Elemente 2 in die gewünschte Ausgangsposition gebracht. Nach der Härtung bei erhöhter Temperatur liegen die Klappen 2a mit unsymmetrischem Lagenaufbau nach dem Entformen in geschlossener Position vor.
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Falls Dichtungselemente3 in Form einer dehnbaren Membran Anwendung finden, werden diese in einer bevorzugten Fertigungsvariante bereits während des Härtungsprozesses des Faserverbundwerkstoffs mit der formvariablen Struktur 2 verbunden. Das Elastomer des Dichtungselements 3 bindet dann mit der Polymermatrix des Faserverbundwerkstoffs ab und bildet einen festen Verbund.
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Die Erfindung sieht vor, dass die gitterförmige Tragstruktur 1 und die formvariable Struktur 2 vorzugsweise durch Kleben miteinander gefügt werden.
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Durch die vorgeschlagenen formvariablen Elemente ist also nicht nur eine deutlich erweiterte Funktionalität erzielbar, sondern es kann auch ein Schutz der Sensoren und anderer verwendeter Bauteile oder Mittel vor Schmutz, Stößen, Abnutzung etc. gewährleistet werden.
