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Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung mit einem flächigen, plattenförmigen Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein solches Bauteil ist in beliebigen Anwendungsbereichen einsetzbar und kann beispielhaft in einem Kraftfahrzeug als eine verstellbare Luftauslassklappe verbaut werden. Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis ist die Erfindung nachfolgend speziell am Beispiel einer solchen verstellbaren Luftauslassklappe beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die Luftauslassklappe beschränkt ist, sondern auf beliebige andere Technikfelder anwendbar ist, in denen ein Bauteil zwischen verschiedenen Gebrauchslagen verstellbar ist.
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Aus der
DE 10 2014 006 597 A1 ist eine solche gattungsgemäße Luftauslassklappe bekannt, mit der ein fahrzeugseitiger Luftauslass verschließbar ist. Der Luftauslass ist dabei in einer Fronthaube des Fahrzeugs ausgebildet. In einer ersten Gebrauchslage schließt die Luftauslassklappe den fahrzeugseitigen Luftauslass, während in einer zweiten Gebrauchslage die Luftauslassklappe den fahrzeugseitigen Luftauslass öffnet und nach fahrzeuginnen verstellt ist.
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Die ausreichend elastisch verformbare Luftauslassklappe kann in der obigen
DE 10 2014 006 597 A1 zum Beispiel über einen einstückig angeformten Scharnierabschnitt (etwa ein Filmscharnier) an der Fronthaube fest angebunden sein. Dadurch kann sich die Luftauslassklappe und Ausübung einer Stellkraft von der Schließposition in die Offenposition umgeklappt werden.
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Bei der obigen schwenkbaren Anbindung der Luftauslassklappe an der Frönthaube besteht die Gefahr, dass sich im Scharnierabschnitt eine designtechnisch sowie funktionell nachteilige Knicklinie in der Luftauslassklappe ausbildet. Zudem hat- sich gezeigt, dass speziell bei einer dreidimensional gewölbten Luftaüslassklappe vergleichsweise große Stellkräfte für eine Klappen-Verstellung erforderlich sind. Zudem können sich in einer solchen dreidimensional gewölbten Luftauslassklappe bei der Überführung zwischen den beiden Gebrauchslagen Materialstauchungen oder -streckungen im Klappenmaterial einstellen, die gegebenenfalls zu Formänderungen der Luftauslassklappe führen, die eine Luftauslassfunktion gegebenenfalls beeinträchtigen können.
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Aus der
DE 10 2012 111 488 A1 ist die Herstellung von Sandwichstruktur-Bauteilen beschrieben. Aus der
US 2006 0202 492 A1 sind unterschiedliche energieabsorbierende Zellstrukturen bekannt, die reversibel verformbar sind.
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Aus der
DE 10 2004 056 649 A1 ist ein Bauteil mit einer auxetischen Funktionsschicht bekannt. Weitere Bauteile mit einer auxetischen Funktionsschicht sind aus der
US 2010 / 0 119 792 A1 , aus der
US 2011 / 0 240 286 A1 , aus der
WO 2005/ 113 913 A1 und aus der
WO 2016/ 112 366 A1 bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stelleinrichtung mit einem flächigen, plattenförmigen Bauteil bereitzustellen, das im Vergleich zum obigen Stand der Technik mit reduzierten Stellkräften in einer einfachen Weise zielgerichtet verformbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist das flächige, plattenförmige Bauteil zumindest eine auxetische Funktionsschicht auf, die sich bei einer durch Zugbelastung erfolgenden Materialstreckung quer zur Streckrichtung reversibel um eine Längenänderung ausweitet. Umgekehrt zieht sich die auxetische Funktionsschicht bei einer durch Druckbelastung erfolgenden Materialstauchung quer zur Stauchrichtung reversibel um eine Längenänderung zusammen. Mittels der auxetischen Funktionsschicht wird beim Überführen des flächigen, plattenförmigen Bauteiles von der ersten in die zweite Gebrauchslage der folgende Wirkzusammenhang erreicht: So ergibt sich durch die Lage-Überführung in der auxetischen Funktionsschicht eine elastische Materialstreckung und/oder -stauchung, wodurch die auxetische Funktionsschicht dem Bauteil ein vordefiniertes Krümmungsverhalten aufprägt bzw. aufzwingt.
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Die Stellkraft-Beaufschlagung beim Verstellvorgang geht einher mit den oben erwähnten Längenänderungen in der auxetischen Funktionsschicht. Diese führen wiederum zu Materialspannungen im Bauteil, die durch Bauteil-Ausweichbewegungen abgebaut werden. Durch entsprechende Auslegung der auxetischen Funktionsschicht können die mit der Bauteil-Verstellung einhergehenden Bauteil-Ausweichbewegungen so eingestellt werden, dass sich eine angestrebte Formänderung der Freiformfläche des Bauteiles ergibt.
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Der Kern der Erfindung besteht somit darin, ein verstellbares Bauteil bereitzustellen, das in einfacher sowie betriebssicherer Weise zwischen verschiedenen Gebrauchslagen verstellbar ist. Die auxetische Schicht des verstellbaren Bauteils ist derart ausgelegt ist, dass sich bei einer Bauteil-Verstellung von einer ersten Gebrauchslage in eine zweite Gebrauchslage ein Bauteilabschnitt in einer Bauteil-Erstreckungsrichtung um eine Längenänderung ausweitet. Dies hat zur Folge, dass dem Bauteil eine Ausweichbewegung aufgeprägt wird und/oder der Bauteil-Mitte eine Überwölbung aufgeprägt wird, wodurch sich die zweite Gebrauchslage einstellt.
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Wie bereits erwähnt, ist das verstellbare Bauteil in beliebigen Technikfeldern anwendbar. In einer speziellen technischen Umsetzung kann das Bauteil ein sichtseitiges Fahrzeugbauteil eines Kraftfahrzeuges sein. Beispielhaft kann das Bauteil eine sichtseitige, elastisch ausreichend verformbare Deckschicht sowie die darunter sichtgeschützt angeordnete auxetische Funktionsschicht aufweisen. Im Hinblick auf eine einwandfreie Kraftübertragung von der auxetischen Funktionsschicht auf die elastisch verformbare Deckschicht ist es bevorzugt, wenn das Bauteil einen Dreilagenaufbau aufweist, und zwar mit der sichtseitigen Deckschicht sowie der auxetischen Funktionsschicht und einer mittleren Zwischenlage, mittels der die beim Verstellvorgang erfolgende Längenänderung der auxetischen Funktionsschicht auf die Deckschicht übertragen wird, ohne dass es aufgrund übermäßiger Scherbelastung zu einem Ablösen der auxetischen Funktionsschicht vom flächigen Bauteil kommt.
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In einer bevorzugten Realisierung kann die auxetische Funktionsschicht eine fachwerkartige Gitterkonstruktion aufweisen, die aus im Belastungsfall aus Zug und Druck beanspruchte Zug- und Druckstreben aufgebaut ist, die an Knotenstellen zusammenlaufen.
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Erfindungsgemäß ist das flächige, plattenförmige Bauteil eine Luftauslassklappe, mit der ein fahrzeugseitiger Luftauslass verschließbar ist. Eine solche Luftauslassklappe ist bereits aus der oben erwähnten
DE 10 2014 006 597 A1 bekannt, in der sowohl der Einbauort als auch die Funktionsweise, der Luftauslassklappe beschrieben ist. Von daher wird im Hinblick auf den Einbauort und die Funktionsweise der Luftauslassklappe auf diese Druckschrift verwiesen. Demzufolge schließt in der ersten Gebrauchslage (Schließstellung) die Luftauslassklappe den fahrzeugseitigen Luftauslass. In der Schließstellung kann die Luftauslassklappe flächenbündig mit einem fronthaubenseitigen Öffnungsrandbereich des Luftauslasses ausgerichtet sein und die Luftauslassklappen-Freiformfläche der Fronthaubenkontur folgen. Demgegenüber ist in der zweiten Gebrauchslage (Offenstellung) die Luftauslassklappe nach fahrzeugunten bzw. nach fahrzeuginnen verstellt, um dem Luftauslass zu öffnen.
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In einer konkreten Ausführungsform kann die Luftauslassklappe an ihrer, einer Windschutzscheibe zugewandten Seite fest an der Fronthaube angebunden sein und an ihrer fahrzeugvorderen Seite zwischen der ersten und zweiten Gebrauchslage verstellbar sein. Die Luftauslassklappe kann eine Freiformfläche aufweisen, die dreidimensional nach fahrzeugoben gewölbt ist. Zudem kann die Luftauslassklappe einen in etwa T-förmigen Umriss aufweisen, und zwar mit einem, in der Fahrzeugquerrichtung schmalen, windschutzscheibennahen Klappenabschnitt, an dem sich nach fahrzeugvorne ein in der Fahrzeugquerrichtung ausgeweiteter Klappenabschnitt anschließt, der beidseitig jeweils einen seitlich abragenden Klappen-Überstand aufweist.
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In diesem Fall kann die auxetische Schicht derart ausgelegt sein, dass sich bei einer Klappen-Überführung von der ersten Gebrauchslage (Schließstellung) in die zweite Gebrauchslage (Offenstellung) insbesondere der fahrzeugvordere Klappenabschnitt in der Fahrzeugquerrichtung um eine Längenänderung ausweitet. Dadurch kann dem seitlichen Klappen-Überstand eine Ausweichbewegung nach fahrzeugunten aufgeprägt werden, wodurch sich in der Offenstellung der freie Durchlassspalt zwischen der nach fahrzeugunten verstellten Luftauslassklappe und der Fronthaube erhöht. Alternativ und/oder zusätzlich wird der Klappen-Mitte eine weitere Ausgleichbewegung, das heißt Überwölbung, nach fahrzeugoben aufgeprägt, die den seitlichen Klappen-Rändern, insbesondere auch dem seitlichen Klappen-Überstand, eine weitere Ausgleichbewegung nach fahrzeugunten aufgezwungen werden, um den freie Luftauslass zwischen der Fronthaube und der Luftauslassklappe weiter zu vergrößern.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht eine Karosseriestruktur eines Vorderwagens eines Kraftfahrzeugs;
- 2 bis 4 ein nicht von der Erfindung umfasstes Vergleichsbeispiel;
- 5 bis 7 jeweils Ansichten entsprechend der 2 bis 4, die eine erfindungsgemäße Luftauslassklappe zeigen;
- 8 in einer Ansicht von unten die erfindungsgemäße Luftauslassklappe; und
- 9 einen Materialaufbau der erfindungsgemäßen Luftauslassklappe.
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In der
1 ist der Vorderwagen eines Kraftfahrzeugs gezeigt, der auch Gegenstand der
DE 10 2014 006 597 A1 ist. Demzufolge weist das Kraftfahrzeug eine Fronthaube
1 mit einem Luftauslass
3 auf. Der Luftauslass
3 ist mittels einer plattenförmigen Luftauslassklappe
5 verschließbar, die zwischen einer ersten Schliessstellung I. (
3 oder
6) und einer in der
1 gezeigten Offenstellung II verstellbar ist. In der Schliessstellung I schließt die Luftauslassklappe
5 den fronthaubenseitigen Luftauslass
3 und r ist in etwa flächenbündig und konturangepasst mit dem fronthaubenseitigen Öffnungsrandbereich des Luftauslasses
3 ausgerichtet. Demgegenüber ist in der Offenstellung II die Luftauslassklappe
5 mit Hilfe nicht dargestellter Stellglieder nach fahrzeugunten verstellt, wodurch sich zwischen der Fronthaube
1 und der Luftauslassklappe
5 ein freier Luftauslassspalt
7 (
1) ergibt. In \ der Offenstellung
11 wird auf die Luftauslassklappe
5 eine nach fahrzeugunten gerichtete Stellkraft Fs ausgeübt. Diese Stellkraft-Beaufschlagung führt zu einer Materialstreckung und/oder -stauchung in der Luftauslassklappe
5 sowie zu einer Klappen-Formänderung.
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Die Luftauslassklappe 5 weist eine auxetische Funktionsschicht 19 (8 oder 9) auf, die sich bei der durch die Stellkraft-Beaufschlagung erfolgenden Materialstreckung quer zur Streckrichtung reversibel um eine Längenänderung Δy ausweitet und bei einer Kraftentlastung (das heißt Rückstellung in die Schließssstellung I) um die Längenänderung Δy zusammenzieht. Auf diese Weise prägt die auxetische Funktionsschicht 19 beim Überführen von der Schliessstellüung I in die Offenstellung II der Luftauslassklappe 5 ein später beschriebenes Krümmungsverhalten auf. Die Funktionsweise der auxetischen Funktionsschicht 19 ist anhand der 9 veranschaulicht, in der beispielhaft eine Zugkraft-Komponente Z auf die auxetische Funktionsschicht 19 einwirkt, deren Kraftwirkrichtung senkrecht zur Blattebene verläuft. Die Zugkraft-Komponente Z bewirkt eine Materialstreckung der auxetischen Funktionsschicht 19 in der Kraftwirkrichtung. Diese Materialstreckung führt zu Längenänderungen Δy der auxetischen Funktionsschicht 19 in Querrichtung zur Streckrichtung (das heißt Kraftwirkrichtung).
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In der 1 ist die Luftauslassklappe 5 an ihrer Windschutzscheibenseite 9 fest an der Fronthaube 1 angebunden, während insbesondere die fahrzeugvordere Klappen-Seite zwischen der ersten und zweiten Gebrauchslage I, II verstellbar sind. Die Luftauslassklappe 5 ist in den Figuren in etwa T-förmig ausgebildet, und zwar mit einem, in Fahrzeugquerrichtung y schmalen, windschutzscheibennahen Klappenabschnitt 11, an den sich nach fahrzeugvorne ein in der Fahrzeugquerrichtung y ausgeweiteter Klappenabschnitt 13 anschließt. Dieser weist beidseitig jeweils einen seitlich abragenden Klappen-Überstand 15 auf.
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Im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der 2 bis 4 anhand eines nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiel ein Krümmungsverhalten der Luftauslassklappe 5 erläutert, wie es sich bei einem herkömmlichen Klappen-Materialaufbau einstellen würde. In den 2 bis 4 kann die die Luftauslassklappe 5 zum Beispiel aus einem elastisch ausreichend nachgiebigen Kunststoffmaterial bestehen. Bei dem in den 2 bis 4 angedeuteten Stellvorgang wird die Luftauslassklappe 5 dabei an ihrer Vorderkante 17 mit Stellkräften Fs beaufschlagt, um von einer Schließstellung I in die Offenstellung II zu gelangen. Bei einer solchen Stellkraft-Beaufschlagung wird die Luftauslassklappe 5 mit den Stellkräften Fs nach fahrzeugunten gezogen, und zwar in einer Verstellbewegung, die in der 2 oder 3 mit Pfeilen V1 angedeutet ist. Aufgrund der dreidimensional hochgewölbten Freiformfläche der Luftauslassklappe 5 ergeben sich in der Luftauslassklappe 5 elastische Materialstauchungen/-streckungen. Diese führen zu Materialspannungen, die durch Ausgleichbewegungen an den Klappen-Rändern ausgeglichen werden. In der 2, 3 oder 4 sind beispielhaft solche Ausgleichsbewegung V2 der beiden seitlichen Klappen-Überstände 15 nach fahrzeugoben eingezeichnet. Die Ausgleichsbewegungen V2 der Klappen-Überstände 15 nach fahrzeugoben reduzieren jedoch nachteilig den freien Luftauslassspalt 7 (1) zwischen der Luftauslassklappe 5 und der Fronthaube 1.
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Der Kern der Erfindung besteht demgegenüber darin, dass die erfindungsgemäße Luftauslassklappe 5 einen dreilagigen Materialaufbau aufweist, in dem die oben erwähnte auxetische Funktionsschicht 19 integriert ist, wie es aus den 8 und 9 hervorgeht. Demzufolge ist in der erfindungsgemäßen Luftauslassklappe 5 die auxetische Funktionsschicht 19 an der Klappen-Unterseite angeordnet und unter Zwischenschaltung einer Zwischenlage 21 aus Schaumstoff an einer sichtseitigen oberen Deckschicht 23 angebunden.
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Die auxetische Funktionsschicht 19 ist in der 8 als eine Gitterkonstruktion realisiert. Diese besteht aus im Belastungsfall (das heißt bei einer Stellkraft-Beaufschlagung) auf Zug und Druck beanspruchte Zug- und Druckstreben 25, 27. Der Verlauf der Zugstreben 25 und der Druckstreben 27 in der auxetischen Gitterkonstruktion ist derart ausgelegt, dass sich bei der Klappen-Überführung von der Schließstellung I in die Offenstellung II speziell der fahrzeugvordere Klappenabschnitt 13 in der Fahrzeugquerrichtung y um eine Längenänderung Δy (5, 6 und 7) ausweitet. Dadurch wird einerseits den beiden Klappen-Überständen 15 eine Ausweichbewegung V2 nach fahrzeugunten aufgeprägt. Zudem wird der Klappen-Mitte eine Überwölbung (Ausgleichsbewegung V3) nach fahrzeugoben ausgeprägt. Die beiden Ausgleichsbewegungen V2 und V3) unterstützen jeweils eine Formänderung der Klappen-Freiformfläche derart, dass sich bei gleicher oder geringerer Stellkraft-Beaufschlagung ein im Vergleich zu den 2 bis 4 größerer Luftauslassspalt 7 einstellt.
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In der 8 ist im Bereich ,des rechten Klappen-Überstands 15 ein sich bei Stellkraft-Beaufschlagung ergebender Kraftverlauf durch Pfeile angedeutet, wie er sich in den Zug- und Druckstreben 25, 27 der auxetischen Funktionsschicht 19 einstellt. Zudem sind in der 8 im Bereich der Klappen-Vorderkante 17 insgesamt drei in Querrichtung verteilte Krafteinleitungspunkte 29 gezeigt. An der Windschutzscheiben-Seite 9 weist die Luftauslassklappe 5 Anbindungspunkte 31 auf für eine bauteilsteifeAnbindung an dem Fahrzeug. Der in der 8 angedeutete Kraftverlauf in der auxetischen Funktionsschicht 19 führt zu der Ausgleichsbewegung V2 der Klappen-Überstände 15 nach fahrzeugunten sowie zu der weiteren Ausgleichsbewegung V3 (das heißt Überwölbung) der Klappen-Mitte nach fahrzeugoben.
