DE10352338A1

DE10352338A1 - Fahrzeugteil mit Aktuator

Info

Publication number: DE10352338A1
Application number: DE2003152338
Authority: DE
Inventors: Ulf Dr. König
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugteil mit mindestens einem Aktuator zur Änderung mechanischer Eigenschaften des Fahrzeugteils, wobei der mindestens eine Aktuator Nanostrukturteilchen, insbesondere Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Fahrzeugteile, deren physikalische Eigenschaften mittels Aktuatoren änderbar sind.

Im modernen Kraftfahrzeugbau ist es für unterschiedlichste Anwendungen wünschenswert, Fahrzeugteile, insbesondere Teile der Karosserie oder des Interieurs hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften veränderbar zu gestalten.

So ist es beispielsweise bekannt, einen Heckspoiler in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit ein- oder auszufahren. Ebenso wird insbesondere in Luxusmodellen die Option angeboten, die Form des Fahrersitzes an den jeweiligen Fahrer wählbar anzupassen.

Überwiegend werden diese Funktionalitäten durch Verwendung von mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Baugruppen realisiert.

Als eine etwas fortgeschrittenere Variante wird in der internationalen Patentanmeldung WO 01/92088 eine Kraftfahrzeug-Außenhaut vorgeschlagen, die einen Aktuator aufweist, der ein durch physikalische oder chemische Effekte bewegliches, polymeres und/oder als Ionenaustauscher fungierendes Material umfasst. In der genannten Schrift werden beispielsweise Aktuatoren beschrieben, die sogenannte Flüssigkristall-Elastomere aufweisen. Diese Aktuatoren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie flüssige Komponenten enthalten, wodurch ihre Herstellbarkeit und Verwendbarkeit für die genannten Anwendungen deutlich eingeschränkt ist. Darüber hinaus ist es notwendig, die in der genannten Schrift beschriebenen Aktuatoren zur Realisation ihrer Funktionalität elektrochemisch anzusteuern, was ihre Reaktionszeit beträchtlich erhöht.

Ferner schlägt die WO01/92088 elektrisch aktivierbare Aktuatoren auf Basis von Harzen, Gelen, Pulvern und Fasern vor. Die genannten Materialien zeigen jedoch erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Streckungen oder Kontraktionen sowie der maximal aufbringbaren Kräfte.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fahrzeugteil mit Aktuatoren anzugeben, das den oben genannten Nachteile wirksam begegnet.

Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeugteil mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Fahrzeugteil zeigt zur Änderung seiner physikalischen, insbesondere mechanischen Eigenschaften mindestens einen Aktuator, der Nanostrukturteilchen aufweist oder aus ihnen gebildet ist.

Dabei sind die Nanostrukturteilchen vorzugsweise aus Kohlenstoff gebildet.

Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen zeigen herausragende chemische und mechanische Eigenschaften.

Bekannte Vertreter der Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen sind die sogenannten Fullerene, fußballartige Moleküle aus beispielsweise 60 Kohlenstoffatomen.

Derartige Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen weisen diamantartige mechanische Stabilität bei einem Bruchteil der Dichte von Stahl auf; damit sind sie für die Anwendung in mechanischen Bauteilen insbesondere auch im Hinblick auf Leichtbau anwendungen für Fahrzeugteile besonders geeignet.

Darüber hinaus haben Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen die besondere Eigenschaft, bei Aufnahme oder Abgabe elektrischer Ladungsträger wie bspw. Ionen ihre räumlichen Abmessungen zu ändern. Dieses Verhalten eröffnet die Möglichkeit, die genannten Nanostrukturteilchen als mechanische Aktuatoren zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften von Fahrzeugteilen in vorteilhafter Weise anzuwenden.

Eine für die Verwendung als Aktuatoren besonders geeignete Klasse der Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen stellen Fasern dar, Riesenmoleküle aus unzähligen Kohlenstoffatomen. Ahnliche Nanofasern können auch aus anderen Materialien (z. B. Silikaten, Metallen oder Legierungen) bestehen. Herstellungsverfahren für derartige Fasern sind in der DE 10133393 A1 beschrieben.

Eine andere Klasse von Materialien sind Folien aus Shape-Memory Materialien aus speziellen Legierungen (z. B. NiTi). Zwei derartige mikro-/nano-dünne Folien übereinandergeschichtet ermöglichen bei unterschiedlicher Spannungsbelegung an ihnen eine Kontraktion, bsw. ein reversibles Zurückschnappen in die ursprüngliche Größe. Durch Stapelung einer Vielzahl solcher Doppelfolien addieren sich die Längenänderungen und Kräfte. Derartige Folien sind beispielsweise bei www.robotstore.com kommerziell erhältlich.

Die Fasern bzw. Folien können einfach in eine Materialstruktur integriert werden und bewirken aufgrund der Addition der einzelnen Längenänderungen beispielsweise beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine makroskopisch messbare Längenänderung. Durch das schichtweise Zusammenfügen mit entsprechenden, nicht beschalteten Nanofasern lässt sich eine Biegung erreichen. Auf diese Weise wird es bei erfindungsgemäßem Einbau in Fahrzeugteile möglich, beispielsweise eine gewünschte Formänderung eines Fahrzeugteils allein durch das Anlegen ei ner elektrischen Spannung an das betreffende Teil zu bewirken. Sobald die elektrische Spannung nicht mehr an dem betreffenden Fahrzeugteil anliegt, kehrt es in seine ursprüngliche Form zurück; der geschilderte Vorgang ist also reversibel.

Bei den Fasern kann es sich in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mindestens teilweise um Nanotubes mit einem Durchmesser von ca. 0,4 bis 30 nm handeln. In den Nanotubes sind die Kohlenstoffatome in einem regelmäßigen Verbund von sechseckigen Ringen (hexagonale Atomgitterstruktur) als Röhre angeordnet.

Diese Anordnung entspricht einer aufgerollten Schicht Graphit, jedoch ist sie hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften Graphit weit überlegen.

Aufgrund der stabilen Kohlenstoffkonfiguration im Röhrenverbund besitzen Nanotubes extreme Härte und Reißfestigkeit. Auch die Strom- und Wärmeleitfähigkeit der Nanotubes ist außergewöhnlich – Stromdichten bis zu 1000 Ampere pro Quadratzentimeter können erreicht werden, ohne dass das Material zu schmelzen beginnt. Die extrem hohe Wärmeleitfähigkeit (doppelt so hoch wie die des Diamant) trägt in vorteilhafter Weise zu einer schnellen und gleichmäßen Wärmeverteilung in dem erfindungsgemäßen Fahrzeugteil bei und unterbindet so wirksam das Auftreten thermisch induzierter mechanischer Spannungen. Nanotubes als Aktuatormaterial werden bspw. in der Publikation S. Roth and R.H. Baughman "Actuators of Individual Carbon Nanotubes" (Current Applied Physics 2, 311-314 (2002)) diskutiert.

Eine für die Verwendung als Aktuator weiterhin interessante Variante der Nanotubes stellen die sogenannten Multi-Wall-Bucky-Fibers dar. Sie bestehen aus mehreren konzentrisch ineinander geschachtelten Nanotubes. Diese Struktur erlaubt es, beispielsweise Ionen direkt zwischen die Zylinderwände der Multi-Wall-Bucky-Fibers einzulagern; im elektrischen Feld wandern die Ionen und erzeugen auf diese Weise die Längenänderung der Multi-Wall-Bucky-Fiber.

Die Nanostrukturteilchen können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in ein Polymer eingebettet sein. Polymere sind billig, technologisch beherrscht und in einer großen Sortenvielfalt verfügbar. Die Kombination der Polymere mit den Nanostrukturteilchen hat den besonderen Vorteil, dass sich auf diese Weise durch Verwendung verschiedener Polymere eine Vielzahl von unterschiedlichen fertig konfektionierten Aktuatoren in großen Stückzahlen günstig herstellen lassen. Die Aktuatoren können dabei beispielsweise als Polymerplättchen mit integrierten Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen gefertigt werden.

Insbesondere elektrisch leitende Polymere, die in den vergangenen Jahren zunehmende Verbreitung gefunden haben, zeigen für die genannte Anwendung ein hohes Potential; die für die Realisation der Aktuatorfunktionalität notwendigen beweglichen Ladungsträger lassen sich in ihnen besonders leicht verschieben bzw. sind in ihnen bereits vorhanden.

Zur Verwirklichung eines effektiven Aktuator ist es wünschenswert, dass die Nanostrukturteilchen in der Struktur mindestens teilweise in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass die wesentlichen Längenänderungen der Nanostrukturteilchen in der selben Richtung erfolgen, wodurch erreicht wird, dass sich die Längenänderungen der einzelnen Nanostrukturteilchen in dieser Richtung addieren. Ebenso addieren sich die einzelnen Komponenten der von den einzelnen Nanostrukturteilchen ausgeübten Kräfte, so dass sich durch diese Anordnung der Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen erhebliche Wege und Kräfte erzielen lassen. Als Alternative können die Nanostrukturteilchen auch ohne eine bestimmte Vorzugsrichtung im Material des Aktuators eingebracht werden; dies führt bei der Ansteuerung des Aktuators zu einer in jeder Richtung im Wesentlichen gleich großen Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Struktur. Vorzugsweise werden die Nanostrukturteilchen in dem Aktuator schichtweise in einer Lamellenstruktur angeordnet. Zur Realisation dieser Variante der Erfindung werden die Nanostrukturteilchen, die z. B. in der Form von Nanotubes vorliegen können, in zwei im wesentlichen parallelen Schichten angeordnet, die durch beispielsweise eine zwischen den beiden Schichten angeordnete Polymerschicht voneinander getrennt sind. Dabei können die beiden äußeren Schichten, die die Nanostrukturteilchen aufweisen, jeweils elektrisch kontaktiert werden. Die so entstandenen Lamellen können dann nebeneinander parallel zur Ausrichtung der Einzelschichten und/oder auch hintereinander angeordnet zu einzelnen Segmenten kombiniert werden. Der Vorteil dieser Anordung besteht darin, dass sich einerseits die Längenänderungen der hintereinander angeordneten Lamellen und andererseits die ausgeübten Kräfte der nebeneinander angeordneten Lamellen addieren. Darüber hinaus gestattet diese modulare Realisation eine einfache und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Aktuatoren. Als kleinste Einheit können die Lamellen oder auch die aus ihnen gebildeten Segmente identisch in großer Auflage hergestellt werden. Die konkrete Ausgestaltung der für die jeweilige Anwendung benötigten Bauform erfolgt dann durch die Integration der Einzellamellen bzw. der Einzelsegmente. Auf diese Weise wird es möglich, mit geringem Aufwand eine flexible Möglichkeit zur Realisation unterschiedlicher erfindungsgemäßer Fahrzeugteile zu schaffen.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die Aktuatoren in das Material des Fahrzeugteils integriert sind. Beispielsweise können die Aktuatoren bereits bei der Herstellung eines Kunststoff-Fahrzeugteiles in dieses integriert werden. Das Fahrzeugteil muss einerseits die notwendige Elastizität aufweisen, um die gewünschte Biegung bzw. Streckung oder Kontraktion zu erlauben und andererseits ausreichende Härte und Steifigkeit zeigen, um für den Einsatz als gegebenenfalls auch tragendes Karosserieteil geeignet zu sein. Eine mögliche Wahl für das Material des Karosserieteils stellt Polypropylen dar.

Bei der Integration der erfindungsgemäßen Aktuatoren in das Material des Fahrzeugteiles kommt ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung insbesondere von Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen zum Tragen: Einerseits tragen die verwendeten Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen durch ihre überragenden Steifigkeit zur Stabilisierung des erfindungsgemäßen Fahrzeugteils bei. Hierdurch sinken die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des verwendeten Kunststoffs, so dass sich die Zahl derjenigen Kunststoffarten, die zur Verwendung in einem derartigen Fahrzeugteil geeignet sind, deutlich erhöht.

Dies führt dazu, dass beispielsweise auch Kunststoffe verwendet werden können, die auf Grund ihrer hohen Elastizität und damit verbundenen mangelnden Steifigkeit zunächst für die Verwendung in konventionellen Karosserieteilen nicht in Frage kommen. Durch die Integration der beschriebenen Aktuatoren lassen sich nunmehr gerade diese Eigenschaften in vorteilhafter Weise ausnutzen: Das erfindungsgemäße Fahrzeugteil gewinnt einerseits durch die integrierten Aktuatoren an Steifigkeit und mechanischer Stabilität und ist andererseits elastisch genug, den durch die Aktuatoren induzierten Biegungen, Streckungen oder Kontraktionen zu folgen.

Darüber hinaus gestattet es das geringe Gewicht der verwendeten Nanostrukturteilchen, Leichtbauanforderungen weitestgehend gerecht zu werden.

Ebenso ist die Integration von vorgefertigten Aktuatoren in das Material des Fahrzeugteiles bei dessen Herstellung durch Eingießen oder Einspritzen denkbar. Hierzu können Verfahren angewendet werden, wie sie heute die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen verwendet werden, wobei traditionelle Mikrofasern durch Nanofasern zu ersetzen sind.

Im Ergebnis lässt sich durch die Integration der Aktuatoren ein leichtes, flexibles und dennoch hinreichend formstabiles Fahrzeugteil realisieren, das somit drei der im Fahrzeugbau wesentlichsten Forderungen an die verwendeten Komponenten erfüllt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Form des Fahrzeugteiles wählbar. Hierbei wird die Eigenschaft insbesondere der Nanotubes, beim Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Länge zu ändern, in vorteilhafter Weise ausgenutzt. Durch das schichtweise Zusammenfügen zweier Lagen eines Materials, das die beschriebenen Nanostrukturteilchen enthält und das anschließende Anlegen einer elektrischen Spannung an die beiden Lagen lässt sich erreichen, dass sich die eine Lage ausdehnt, während die andere ihre Abmessungen beibehält oder sich zusammenzieht. Somit lässt sich ein erfindungsgemäßes Fahrzeugteil mit einer bimetall-ähnlichen Funktionalität ausstatten. Der besondere Vorteil hierbei liegt darin, dass sich die Biegung des Fahrzeugteiles im Gegensatz zur langsamen, thermisch induzierten Biegung eines Bimetalls auf elektrischem Wege schneller erreichen lässt.

Diese Eigenschaft des erfindungsgemäßen Fahrzeugteiles lässt sich für unterschiedlichste Anwendungen ausnutzen. So lassen sich beispielsweise im Fahrzeuginnenbereich adaptive Strukturen realisieren, deren Form sich praktisch auf Knopfdruck an die Wünsche des Bedieners anpassen lassen. Beispielsweise können unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fahrzeugteile die Konturen der Fahrzeugsitze an die Körperformen des aktuellen Benutzers optimal angepasst werden. Ebenso lässt sich die Struktur des Lenkrades oder auch anderer Bedienelemente unter Berücksichtigung der persönlichen Vorlieben des Fahrers auswählen.

Im Außenbereich des Fahrzeuges kann das erfindungsgemäße Fahrzeugteil in vorteilhafter Weise dazu eingesetzt werden, z. B. die aerodynamischen Eigenschaften des Fahrzeuges an die momentan gegebene Fahrsituation, insbesondere die aktuelle Geschwindigkeit, anzupassen. Beispielsweise lässt sich ein adaptiver Dachspoiler realisieren, der sich bei Bedarf ausfahren lässt und ansonsten als Teil des Daches von außen nicht sichtbar in der Fahrzeugaußenhaut versenkt ist. Durch die Verwendung unterschiedlicher Aktuatoren kann der Dachspoiler auf unterschiedliche Weise ausgebildet werden. Zum Einen ist es möglich, den Dachspoiler durch die Verwendung von auf Biegung optimierten Aktuatorstrukturen in Verbindung mit einer Materialfuge zu realisieren; dabei wird ein Teil der Dachfläche in der Art einer Flosse ausgeklappt. Zum Anderen kann die gewünschte Funktionalität auch durch einen kombinierten Einsatz von auf Biegung- und Streckung optimierten Aktuatorstrukturen in der Weise geschaffen werden, dass auf eine Materialfuge verzichtet werden kann und die Dachfläche als geschlossene Fläche erhalten bleibt, wobei die Realisation des Spoilers durch eine lokale Formänderung des Daches erreicht wird.

Mit der beschriebenen Funktionalität lassen sich auch Effekte, die lediglich das optische Erscheinungsbild des Fahrzeuges ändern, in einfacher Weise verwirklichen. Denkbar ist insbesondere eine optische Verbreiterung des Fahrzeuges durch entsprechende, dynamische Modifikation der Form der Radschweller oder Modifikationen im Bereich der Frontpartie, insbesondere des Kühlergrills oder der Motorhaube. Auch die adaptive Anpassung des Tank- oder Kofferraumvolumens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Fahrzeugteile ist denkbar. Durch die beschriebenen Maßnahmen wird somit die Möglichkeit geschaffen, das äußere Erscheinungsbild eines Fahrzeuges schnell und ohne weitergehende konstruktive Maßnahmen an die aktuelle Fahrsituation oder an den aktuellen Wunsch des Fahrers anzupassen und damit dem Bedürfnis eines Fahrers nach individueller Abgrenzung wirksam Rechnung zu tragen.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht darin, dass die Steifigkeit des Fahrzeugteiles wählbar gestaltet werden kann. Dieser Effekt kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Nanostrukturteilchen bereits beim Herstellungsprozess unter einer bestimmten Vorspannung in das Material eingebracht werden. Die so entstehende, permanente Spannung im Material führt dazu, dass sich die Steifigkeit des erfindungsgemäßen Fahrzeugteiles gegenüber dem nicht vorgespannten Zustand deutlich erhöht. Werden beispielsweise Nanotubes unter einer vorangestellten Zugspannung in das Material des Fahrezeugteils eingebracht, so steht es unter einer permanenten mechanischen Vorspannung, wodurch sich seine Steifigkeit erhöht. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Nanofasern dehnen sich diese aus und die ausgeübte Zugspannung sinkt. Als Folge reduziert sich die Steifigkeit des Materials. Die Anwendungsmöglichkeiten für diesen Effekt gerade im Fahrzeugbau sind vielfältig. Sie reichen von der individuellen Einstellung einer gewünschten Sitzhärte über die adaptive Wahl der Härte der Federung bis hin zur schnellen, insbesondere elektrisch induzierten Regelung der Härte der Außenhaut des Fahrzeuges, was beispielsweise für die schnelle, dynamische Anpassung der Beschaffenheit der Fahrzeugeaußenhaut an bestimmte Crashsituationen von Bedeutung ist.

Die Auswahl der mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fahrzeugteiles kann insbesondere über eine Steuereinheit erfolgen. Karosserie, Tragstruktur oder Innenraum oder nur einzelne Fahrzeugteile können dabei in eine Vielzahl von separat ansteuerbaren Aktuatorsegmenten aufgeteilt sein.

Die Steuereinheit dient beispielsweise dazu, die Werte der an den Aktuatoren anliegenden Spannungen einzustellen und damit die mechanischen Eigenschaften des Fahrzeugteiles wie beispielsweise äußere Form oder Steifigkeit zu wählen. Dieser Wert kann über eine mit der Steuereinheit verbundene Bedieneinheit durch einen Benutzer oder durch werksseitige Einstellungen bereits bei der Produktion des mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeugteil ausgestatteten Fahrzeuges vorgenommen werden. Beide Alternativen lassen eine Vielzahl von Varianten der Gestaltung der mechanischen Eigenschaften sowohl des Fahrzeuginterieurs als auch des äußeren Erscheinungsbildes des Fahrzeuges zu.

Ebenso ist eine automatische Steuerung der mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Fahrzeugteils durch die Steuereinheit denkbar. Beispielsweise ist es vorteilhaft, Sensordaten als Eingangsgrößen für die Steuereinheit zu verwenden. Insbesondere kann zum Beispiel die äußere Form und damit die Aerodynamik des Fahrzeuges abhängig von der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit optimiert werden. Zur Erhöhung der Sicherheit ist es darüber hinaus wünschenswert, die von Pre-Crash-Sensoren gemessenen Parameter als Eingangsgrößen für die Steuereinheit einzusetzen. So kann durch eine bereits im Fahrzeug vorhandene Pre-Crash-Sensorik eine bevorstehende Kollision mit einem Objekt zuverlässig detektiert werden und zusätzlich die Art des Objektes bestimmt werden. Insbesondere kann unterschieden werden, ob es sich bei dem Objekt um einen Fußgänger oder ein anderes Fahrzeug handelt. In Abhängigkeit von dieser Unterscheidung können die mechanischen Eigenschaften der von einer bevorstehenden Kollision voraussichtlich betroffenen Bereiche der Fahrzeugaußenhaut kurzfristig im Hinblick auf das zu erwartende Kollisionsereignis hin optimiert werden. Wird beispielsweise eine bevorstehende Kollision mit einem Fußgänger erkannt, so wählt die Steuereinheit auf Basis der ihr zugeführten Sensordaten die an den Aktuatoren der betroffenen Fahrzeugteile anliegende Spannung so aus, dass deren Steifigkeit und damit Härte minimiert wird und somit das Verletzungsrisiko für den Fußgänger reduziert wird. Umgekehrt wählt die Steuereinheit nach der Detektion eines massiven, großen Objektes wie z. B. ein anderes Fahrzeug durch die Pre-Crash-Sensorik die angelegte Spannungen in der Weise aus, dass die Steifigkeit der betroffenen Fahrzeugteile erhöht wird. Damit wird das Verletzungsrisiko für die Fahrzeuginsassen wirksam vermindert.

Anhand der schematischen Darstellung in 1 wird im folgenden der Aufbau einer Lamelle, wie sie beispielsweise zur Realisation eines erfindungsgemäßen Aktuators verwendet werden kann, erläutert. Die Lamelle zeigt eine erste Schicht 1 mit Nanofaserbündeln und eine zweite Schicht 2, die im wesentlichen parallel zur ersten Schicht 1 verläuft und ebenfalls Nanofaserbündel aufweist. Dabei bestehen die beiden Schichten 1 und 2 aus einem leitenden Polymer, in das die Nanofaserbündel eingebettet sind. Zwischen den beiden Schichten 1 und 2 verläuft eine elektrische isolierende Schicht 3. Die beiden Schichten 1 und 2 weisen die elektrischen Anschlüsse 4 und 5 auf, die mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind. Beim Anlegen einer elektrischen Gleichspannung an die beiden Schichten 1 und 2 wie in der Figur gezeigt nehmen die Nanofaserbündel in Schicht 2 Ladungsträger bspw. Ionen auf. Umgekehrt geben die Nanofaserbündel in Schicht 1 Ladungsträger ab. Da mit der Aufnahme bzw. der Abgabe von Ladungsträgern eine Ausdehnung bzw. Kontraktion der beteiligten Nanofaserbündel verbunden ist, zeigt die Lamelle im Ergebnis bei Anlegen einer Spannung eine Biegung. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich auch dann, wenn lediglich Schicht 2 Ladungsträger aufnimmt, ohne dass Schicht 1 Ladungsträger abgibt.
2 zeigt ein Karosserieteil 21, das aus den beschriebenen Lamellen 23 aufgebaut ist. Die Lamellen 23 sind dabei im wesentlichen parallel zueinander zu einzelnen Segmenten 22 integriert und mit einer Gleichspannungsquelle 25 zur elektrischen Ansteuerung verbunden. Die einzelnen Segmente 22 sind untereinander mittels Kunststoff-Verbindungselementen 24 zusammengefügt. Durch diese Anordnung der Lamellen 23 addieren sich die Bewegungen und Kräfte der einzelnen Segmente 22 zu größeren Werten.
Eine weitere Variante ist in 3 dargestellt. Hier zeigt jedes Segment unterschiedliche Lamellen 32, 36 und gegebenenfalls ein unterschiedliches Trägermaterial 33, 35. Auch hier sind die einzelnen Segmente mit Kunststoff-Verbindungselementen 34 untereinander verbunden. Sie sind mit der Gleichspannungsquelle 31 elektrisch kontaktiert. Bei Anlegen einer Spannung ändern die Segmente ihre Ausdehnung. Eine Biegung kann hier beispielsweise dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Segmente nebeneinander angeordnet werden, die auf das Anliegen einer Spannung unterschiedlich reagieren. Ordnet man beispielsweise ein Segment, das sich bei Anlegen einer Spannung ausdehnt neben einem Segment an, das keine Reaktion zeigt, so erhält man sich im Ergebnis eine Biegung der gesamten Struktur.
4 zeigt eine Variante zur Realisation eines Spoilers, wobei durch die verwendeten Aktuatoren ausschließlich eine Biegung erfolgt. Der Aktuator 41 biegt sich beim Anlegen einer Spannung aus der Ausgangslage 40 des Karosserieteils nach oben und erzeugt auf diese Weise ein spoilerartiges Profil in der Fahrzeugeaußenhaut. Der Aktuator 42 bleibt unverändert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist es notwendig, eine Materialfuge vorzusehen.
In 5 ist die Realisation eines Spoilers ohne die Not wendigkeit, einem Materialfuge vorzusehen, dargestellt. Die Verformung der Fahrzeugeaußenhaut mit Ausgangslage 50 wird hier dadurch erreicht, dass Aktuatoren verwendet werden, durch die sowohl Verbiegungen als auch Längenänderungen realisiert werden können. Die beiden Aktuatoren 51 biegen sich durch und erzeugen so die notwendige Formänderung der Fahrzeugeaußenhaut. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass sich die Aktuatoren 52 verlängern.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Fahrzeugteils als verbreiterbarer Radschweller ist in 6 dargestellt. Sie zeigt einen Querschnitt durch einen Radschweller einmal ohne 6a und einmal mit Verbreiterung 6b. Die Verbreiterung wird dadurch erreicht, dass sich einerseits die Aktuatoren 62 verlängern und andererseits die Biegung der Aktuatoren 61 durch das Anlegen einer Spannung aufgehoben wird.
7 zeigt eine Schemazeichnung einer Fahrzeugkarosserie, die segmentartig aus den erfindungsgemäßen, separat ansteuerbaren Fahrzeugteilen aufgebaut ist. Eine derartige Konstruktion zeigt hinsichtlich möglicher Formänderungen eine maximale Zahl von Freiheitsgraden. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Karosserie ingesamt aus den erfindungsgemäßen Fahrzeugteilen besteht; vielmehr können ebenso nur bestimmte Teile eines Fahrzeuges in der beschriebenen Weise gestaltet werden.
Die Erfindung bietet exzellente Möglichkeiten, mechanische Eigenschaften und insbesondere Form und Steifigkeit von Fahrzeugteilen hochflexibel auszuwählen. Sie schafft neuartige Optionen für die dynamische Anpassung des Designs von Fahrzeugteilen und zeigt hohes Potenzial für die Realisation von Leichtbau-Fahrzeugen. In Kombination mit der ebenfalls gegebenen Möglichkeit, die aerodynamischen Eigenschaften einer Fahrzeugaußenhaut fahrsituationsabhängig zu optimieren, leistet sie einen wesentlichen Beitrag zur Verwirklichung maximal umweltverträglicher Kraftfahrzeuge. Darüber hinaus erhöht sie die Sicherheit sowohl der Benutzer der mit den erfindungsgemäßen Fahrzeugteilen ausgestatteten Kraftfahrzeuge als auch der anderen Verkehrsteilnehmer.

Claims

Fahrzeugteil mit mindestens einem Aktuator zur Änderung physikalischer Eigenschaften des Fahrzeugteils, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator unter Verwendung von Nanostrukturteilchen ausgebildet ist.
Fahrzeugteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanostrukturteilchen um Kohlenstoff-Nanostrukturteilchen handelt.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanostrukturteilchen um Fasern handelt.
Fahrzeugteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern mindestens teilweise um Nanotubes handelt.
Fahrzeugteil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fasern mindestens teilweise um Mul ti-Wall-Bucky-Fibers handelt.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturteilchen in Mikro- bzw. Nanofolien integriert sind.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturteilchen in einem Aktuator in einem Polymer eingebettet sind.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturteilchen mindestens teilweise in einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturteilchen schichtweise in einer Lamellenstruktur angeordet sind.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren in das Material des Fahrzeugteils integriert sind.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Fahrzeugteiles wählbar ist.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Fahrzeugteiles wählbar ist.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren mit einer Steuereinheit verbunden sind, die die Aktuatoren anhand von Sensordaten oder Benutzereingaben ansteuert.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeugteil um einen Teil der Fahrzeugaußenhaut, insbesondere einen Spoiler oder einen Radschweller, handelt.
Fahrzeugteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeugteil um einen Teil des Fahrzeug-Interieurs, insbesondere um ein Lenkrad, einen Fahrzeugsitz oder einen Teil eines Fahrzeugsitzes handelt.