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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Vorrichtungen zum Steuern einer
Fahrzeugluftströmung
und insbesondere Vorrichtungen zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung, die
durch Veränderungen
in aktiven Materialien in Ansprechen auf variierende Bedingungen
eingestellt werden können,
wobei die Einstellung durch Veränderungen
der Form, Abmessung und/oder Steifigkeit in dem aktiven Material
bewirkt wird.
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Die
Luftströmung über, unter,
um und/oder durch das Fahrzeug hindurch kann viele Aspekte des Fahrzeugverhaltens
beeinflussen, die den Luftwiderstand des Fahrzeugs, die Kraft des
Anhebens und Niederdrückens
des Fahrzeugs und die Kühlung/den Wärmeaustausch
für einen
Fahrzeugantriebsstrang und Klimaanlagensysteme umfassen. Verringerungen
beim Luftwiderstand eines Fahrzeugs verbessern die Kraftstoffwirtschaftlichkeit.
Anhebe- und Niederdrückkräfte des
Fahrzeugs können
die Stabilität und
Handhabung des Fahrzeugs beeinflussen. So wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich der Ausdruck "Luftströmung" auf die Bewegung
von Luft um und durch Teile eines Fahrzeugs relativ zu entweder der
Außenfläche des
Fahrzeugs oder Oberflächen von
Elementen des Fahrzeugs, längs
welchen eine Außenluftströmung gelenkt
werden kann, wie etwa die Oberflächen
im Motorraum. Der Ausdruck "Luftwiderstand" bezieht sich auf
den Widerstand, der durch Reibung in einer Richtung entgegengesetzt
zur Bewegung des Schwerpunktes für
einen bewegenden Körper
in einem Fluid hervorgerufen wird. Der Ausdruck "Anheben", wie er hierin verwendet wird, bezieht
sich auf die Komponente der Gesamtkraft aufgrund einer Luftströmung relativ
zu einem Fahrzeug, die auf das Fahrzeug in einer Richtung vertikal nach
oben wirkt. Der Ausdruck "Niederdrückkraft", der hierin verwendet
wird, bezieht sich auf die Komponente der Gesamtkraft aufgrund einer
Luftströmung
relativ zu dem Fahrzeug, die auf ein Fahrzeug in einer Richtung
vertikal nach unten wirkt.
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Vorrichtungen,
die auf dem Gebiet der Fahrzeugherstellung bekannt sind, um eine
Luftströmung relativ
zu einem Fahrzeug zu steuern, sind im Allgemeinen von einer vorgegebenen,
nicht einstellbaren Geometrie, Lage, Orientierung und Steifigkeit.
Derartige Vorrichtungen passen sich im Allgemeinen nicht an, wenn
sich die Fahrbedingungen verändern,
somit kann die Luftströmung
relativ zu dem Fahrzeug nicht derart eingestellt werden, dass sie
besser zu den sich verändernden
Fahrbedingungen passt. Zusätzlich können gegenwärtige, sich
unter dem Fahrzeug befindliche Luftströmungssteuervorrichtungen die
Bodenfreiheit vermindern. Fahrzeughersteller sehen sich der Herausforderung
gegenübergestellt,
die Luftströmung
zu steuern, während
eine ausreichende Bodenfreiheit aufrechterhalten wird, um einen Kontakt
und eine Beschädigung
mit bzw. durch Parkrampen, Parkblöcke, Schlaglöcher, Bordsteine
und dergleichen zu vermeiden. Darüber hinaus kann ungünstiges
Wetter, wie etwa tiefer Schneematsch oder Regenfall, die Vorrichtung
beschädigen
und/oder die Handhabung des Fahrzeugs beeinträchtigen.
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Gegenwärtige feststehende
Luftströmungssteuervorrichtungen
können
einstellbar sein, indem die Vorrichtungen an hydraulische, mechanische, elektrische
Stellglieder und/oder dergleichen montiert und/oder mit diesen verbunden
werden. Beispielsweise können
einige Fahrzeugspoiler ihre Lage und/oder Orientierung in Ansprechen
auf ein Stellgliedsignal einstel len. Jedoch erfordern derartige Stellglieder
im Allgemeinen zusätzliche
Komponenten, wie etwa Kolben, Motoren, Solenoide und/oder ähnliche
Mechanismen zur Aktivierung, was die Komplexität der Vorrichtung erhöht und häufig zu
vermehrten Fehlermöglichkeiten,
mehr Wartung und höheren
Herstellungskosten führt.
Deshalb gibt es einen Bedarf für
eine einstellbare Vorrichtung zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung unter
variierenden Fahrbedingungen, die die Vorrichtung vereinfacht und
gleichzeitig Probleme mit der Vorrichtung und die Anzahl von Fehlermöglichkeiten
vermindert.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Hierin
ist eine Luftströmungssteuervorrichtung
für ein
Fahrzeug, d.h. eine Luftablenkeinrichtung offenbart. Die Luftablenkeinrichtung
umfasst einen Körperabschnitt
mit mindestens einer Oberfläche
und ein aktives Material in Wirkverbindung mit der mindestens einen
Oberfläche,
wobei das aktive Material dazu dient, mindestens eine Eigenschaft
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wodurch sich eine Luftströmung über die
Luftablenkeinrichtung mit der Veränderung in der mindestens einen
Eigenschaft des aktiven Materials verändert.
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Es
ist auch ein System zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung offenbart,
umfassend eine feststehende Oberfläche eines Fahrzeugs; und eine Luftablenkeinrichtung,
die fest an der feststehenden Oberfläche angebracht ist, wobei die
Luftablenkeinrichtung einen Luftablenkkörper mit mindestens einer Oberfläche, ein
aktives Material in Wirkverbindung mit der mindestens einen Oberfläche, wobei
das aktive Material dazu dient, ein Merkmal des Ablenkkörpers in
Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu verändern, und eine Aktivierungsvorrichtung
in funktionaler Verbindung mit dem aktiven Material umfasst, wobei
die Aktivierungsvorrich tung dazu dient, das Aktivierungssignal selektiv
zu liefern, wobei das Aktivierungssignal eine Veränderung
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials einleitet,
wobei die Veränderung
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials ein Merkmal
des Luftablenkkörpers verändert.
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Es
ist auch ein Verfahren zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung offenbart,
wobei eine Luftströmungssteuervorrichtung
an einer feststehenden Oberfläche
des Fahrzeugs angeordnet wird, wobei die Luftströmungssteuervorrichtung einen
Körper
mit mindestens einer Oberfläche
und ein aktives Material in Wirkverbindung mit der mindestens einen
Oberfläche
umfasst, wobei das aktive Material dazu dient, mindestens eine Eigenschaft
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu verändern; das Aktivierungssignal
bei Erfüllen
und/oder Überschreiten
einer vorbestimmten Fahrzeugbedingung selektiv eingeleitet wird;
und die mindestens eine Eigenschaft des aktiven Materials von einer
ersten mindestens einen Eigenschaft zu einer zweiten mindestens
einen Eigenschaft verändert
wird.
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Die
oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden
Figuren und die ausführliche
Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Figuren, die als beispielhafte Ausführungsformen anzusehen sind
und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind, ist bzw. sind:
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1 eine
Perspektivansicht einer Luftströmungssteuervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Offenbarung;
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2a und 2b Perspektivansichten
einer Luftströmungssteuervorrichtung
mit einem aktiven Material auf einer Oberfläche gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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3a eine
Perspektivansicht einer Luftströmungssteuervorrichtung
mit einem aktiven Material, das in einer Oberfläche des Körpers eingebettet ist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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3b eine
Perspektivansicht einer Luftströmungssteuervorrichtung
mit einem aktiven Material, das in dem Körper eingebettet ist, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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4 eine
Perspektivansicht einer Luftströmungssteuervorrichtung,
bei der ein aktives Material außen
mit der Oberfläche
der Luftströmungssteuervorrichtung
verbunden ist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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5 eine
Perspektivansicht einer Luftströmungssteuervorrichtung,
bei der ein aktives Material außen
mit der Oberfläche
der Luftströmungssteuervorrichtung
verbunden ist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung;
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6 eine
Ansicht auf das Ende eines Rohrs, das in der Luftströmungsvorrichtung
von 5 angewandt wird;
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7 eine
Stirnansicht einer Torsionsfeder, die aus dem aktiven Material gebildet
ist, zur Verwendung in einer Luftströmungsvorrichtung gemäß einer anderen
Ausführungsform;
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8 eine
Luftströmungssteuervorrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform;
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9 eine
Luftströmungssteuervorrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform;
und
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10 eine
Luftströmungssteuervorrichtung gemäß einer
anderen Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Offenbarung liefert eine Luftströmungssteuervorrichtung für ein Fahrzeug,
wobei die Luftströmungssteuervorrichtung
in der Lage ist, die Form, Abmessung, Orientierung, Lage und/oder Steifigkeit
reversibel zu verändern,
wobei die Veränderung
durch die Aktivierung eines aktiven Materials bewirkt wird, was
zulässt,
dass die Luftströmungssteuervorrichtung
sich an variierende Fahrbedingungen anpassen kann. Die Anwendung
der aktiven Materialien, wie sie hierin beschrieben wird, stellt
vorteilhafterweise einen Betätigungsmechanismus
bereit, der leicht ist, inhärent
robust ist und eine geringere Komplexität als frühere äußere Betätigungsmittel aufweist. Darüber hinaus
sind die hierin beschriebenen Luftströmungssteuervorrichtungen auch
kostengünstig
und besitzen eine leicht anpassbare Konstruktion, die mit begrenzten
Veränderungen
an der vorhandenen Struktur integriert werden kann. So wie er hierin
verwendet wird, umfasst der Ausdruck "Fahrzeuge" jede Struktur, die einer Luft strömung ausgesetzt
ist, die Automobile, Überlandzugmaschinen,
Boote, Motorräder,
Flugzeuge, Bobs, Raumschiffe und dergleichen, umfasst aber nicht
darauf beschränkt
sein soll.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, umfasst eine Luftströmungssteuervorrichtung
für ein
Fahrzeug (die nachstehend hierin auch als Luftablenkeinrichtung
bezeichnet wird) und im Allgemeinen mit Bezugszeichen 10 angegeben
ist, einen Körperabschnitt 12,
der mindestens eine Oberfläche 13, 14, 15 aufweist,
und ein aktives Material 16 in Wirkverbindung mit mindestens
einer Oberfläche 13, 14, 15 und/oder
dem Körper 12,
wobei das aktive Material 16 eine erste mindestens eine
Eigenschaft aufweist, die in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal
an das aktive Material 16 wirksam verändert werden soll. Eine Eigenschaft
des aktiven Materials 16 und Veränderungen davon beziehen sich
auf Charakteristiken des aktiven Materials 16, wie etwa
die Form, Abmessung, Steifigkeit, Kombinationen davon und dergleichen,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Veränderungen
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 16 beeinflussen
verschiedene Merkmale der Luftströmungsvorrichtung 10,
wie etwa die Form, Abmessung, Lage, Orientierung, Steifigkeit, Kombinationen
davon und/oder dergleichen, aber ohne Einschränkung darauf, was zu einer
Veränderung
der Luftströmung über die
Vorrichtung hinweg führt.
Auf diese Weise ist die Vorrichtung 10 einstellbar, und
die Luftströmung über die
Vorrichtung 10 hinweg verändert sich mit der Veränderung
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 16 unter
variierenden Fahrbedingungen.
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Unter
Verwendung eines Automobils als ein Beispiel kann die Luftströmungssteuervorrichtung 10 irgendeine
einer Vielfalt von Ausgestaltungen aufweisen, wie etwa Luftstaueinrichtungen,
Kotflügelaufweitungen,
Seitenschürzen,
Führerhäuser, Heck- und
Heckklappenspoiler, Jalousie klappen zur Steuerung der Luftströmung durch
einen Kühler/Radiator, andere
Wärmetauscher,
den Motorraum, über
den Antriebsstrang und das Getriebe, sowie Luft- und Windabweiser
für Dachaufbauten,
Sonnendächer, Lüftungsfenster
und ähnliche
Anordnungen. Eine beispielhafte Luftstaueinrichtung umfasst einen
Vorsprung der Karosseriehülle
unterhalb der Front des Chassis eines Fahrzeugs und bewirkt, dass
das Ausmaß an
Luftturbulenz und Luftwiderstand unterhalb des Fahrzeuges vermindert
sowie Kühlluft
zu dem Kühler/Radiator
kanalisiert wird. Darüber
hinaus verbessern viele Luftströmungssteuervorrichtungen
und Luftablenkeinrichtungen im Besonderen die Fahrzeugstabilität und Erhöhen die
kraftstoffspezifische Kilometerleistung. Beispielsweise kann die
Luftstaueinrichtung bei niedrigen Geschwindigkeiten aktiv derart
positioniert werden, dass eine zusätzliche Bodenfreiheit bereitgestellt
wird, wie sie erwünscht
sein kann, um Abstand zu Rüttelschwellen
zu halten, einen Abstand zu Randsteinen zum Parken bereitzustellen
und dergleichen. Bei höheren
Geschwindigkeiten kann die Luftstaueinrichtung aktiv positioniert werden,
um die hereinkommende Luftströmung
in das Kühlsystem
hinein- oder um
das Fahrzeug herumzulenken und somit die Aerodynamik zu verbessern,
die Fahrzeugstabilität
zu verbessern, die kraftstoffspezifische Kilometerleistung zu erhöhen und dergleichen.
Es ist zu verstehen, dass die Vorrichtung 10 ein Teil eines
Fahrzeugkühlerjalousieklappensystems
und/oder einer unabhängige
Komponente des Fahrzeugs sein kann.
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Der
Körper 12 (der
hierin auch als Luftablenkkörper
bezeichnet wird) kann irgendeine von einer Vielfalt von Materialien
und Ausgestaltungen umfassen, die es ermöglichen, dass die Luftströmungsvorrichtung 10 funktionieren
kann, und kann darüber hinaus
mindestens eine Oberfläche 13, 14 oder 15 umfassen.
In einer Ausführungsform
umfasst der Körper 12 ein
flexibles Material, das eine angemessene Flexibilität zeigt,
um als eine einstellbare Luftströmungssteuervorrichtung
zu arbeiten, wenn das aktive Material 16 mindestens eine
Eigenschaft ändert.
In einer zusätzlichen
Ausführungsform
kann der Körper 12 ein
oder mehrere aktive Materialien 16 umfassen. Das aktive
Material 16 kann mindestens eine Eigenschaft in Ansprechen
auf ein Aktivierungssignal verändern,
und in den ursprünglichen
Zustand der mindestens einen Eigenschaft nach Unterbrechung des
Aktivierungssignals zurückkehren
oder es kann für
die Klassen von aktiven Materialien, die nicht automatisch bei Unterbrechung
des Aktivierungssignals zurückkehren,
ein alternatives Mittel angewandt werden, um die aktiven Materialien
in ihren ursprünglichen
Zustand zurückzuführen, wie
es nachstehend ausführlich
besprochen wird. Auf diese Weise funktioniert die Luftströmungssteuervorrichtung 10 derart, dass
sie sich an verändernde
Fahrbedingungen anpasst, während
die Vorrichtung vereinfacht und die Anzahl von Fehlermöglichkeiten
vermindert wird.
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Das
aktive Material 16 umfasst diejenigen Zusammensetzungen,
die eine Veränderung
des Steifigkeitsverhaltens, der Form und/oder der Abmessungen in
Ansprechen auf das Aktivierungssignal zeigen können, welche die Art von unterschiedlichen
aktiven Materialien 16 von elektrischen, magnetischen,
thermischen und ähnlichen
Gebieten annehmen können.
Bevorzugte aktive Materialien 16 umfassen die Klasse von
Formgedächtnismaterialien und
Kombinationen davon, sind aber nicht darauf beschränkt. Formgedächtnismaterialien
beziehen sich im Allgemeinen auf Materialien oder Zusammensetzungen,
die die Fähigkeit
besitzen, sich an ihre ursprünglich
mindestens eine Eigenschaft, wie etwa die Form, zu erinnern, die
anschließend
wieder in Erinnerung gerufen werden kann, indem ein äußerer Stimulus
angelegt wird, wie es hierin ausführlich besprochen wird. Als
solche ist eine Verformung aus der ursprünglichen Form eine temporäre Bedingung. Auf
diese Weise können
sich Formgedächtnismaterialien
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu der trainierten Form
verändern.
Beispielhafte aktive Materialien umfassen Formgedächt nislegierungen (SMA),
Formgedächtnispolymere
(SMP), elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMAs, elektrorheologische
Fluide (ER), magnetorheologische Fluide (MR), dielektrische Elastomere,
ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere,
piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen der vorstehenden
Materialien und dergleichen.
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Formgedächtnislegierungen
(SMA) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Metallmaterialien,
die die Fähigkeit
zeigen, in irgendeine zuvor definierte Form oder Größe zurückzukehren, wenn
sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
bei denen ihre Dehnfestigkeit, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form
als Funktion der Temperatur geändert werden.
Der Ausdruck "Dehnfestigkeit" bezieht sich auf
die Spannung, bei der ein Material eine festgelegte Abweichung von
der Proportionalität
von Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen
bei der Niedertemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt
werden, und nachdem sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt
werden, werden sie sich zur Austenitphase oder Elternphase transformieren,
wobei sie zu ihrer Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die
diesen Formgedächtniseffekt
nur bei Erwärmung
zeigen, werden als ein Einweg-Formgedächtnis besitzend bezeichnet.
Diejenigen Materialien, die auch ein Formgedächtnis nach dem Wiederabkühlen zeigen,
werden als ein Zweiweg-Formgedächtnisverhalten
besitzend bezeichnet.
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Geeignete
Formgedächtnislegierungsmaterialien
umfassen, ohne Einschränkung
darauf, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis,
Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis,
Legierungen auf Kupferbasis (z.B. Kupfer- Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen,
Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis,
Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen
auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis,
Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis
und dergleichen. Die Legierungen können eine binäre, ternäre oder
irgendeine höhere
Ordnung zeigen, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt,
z.B. eine Veränderung der
Formorientierung, Dämpfungsfähigkeit
und dergleichen, zeigt. Beispielsweise ist eine Legierung auf Nickel-Titan-Basis
im Handel unter der Marke NITINOL von Shape Memory Applications,
Inc. erhältlich.
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Formgedächtnispolymere
(SMP) sind in der Technik bekannt und beziehen sich im Allgemeinen auf
eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in irgendeine
zuvor definierte Form zurückzukehren,
wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden.
Formgedächtnispolymere
sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren,
bei denen ihre Form als Funktion der Temperatur geändert wird.
Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente auf, nämlich ein
hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder
permanente Form kann durch Schmelzen oder verarbeiten des Polymers
bei einer höheren
Temperatur als der höchste
thermische Übergang
gefolgt von einem Kühlen
unter diese thermische Übergangstemperatur
eingestellt werden. Der höchste
thermische Übergang
ist üblicherweise
die Glasübergangstemperatur
(Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form
kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur
erwärmt
wird, die höher
ist als die Tg oder die Übergangstemperatur
des weichen Segments aber niedriger ist als die Tg oder der Schmelzpunkt
des harten Segments. Die temporäre
Form wird eingestellt, während
das Material bei der Übergangstemperatur
des weichen Segments verarbeitet wird, gefolgt von einem Kühlen, um
die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgeführt werden, indem
das Material über
die Übergangstemperatur des
weichen Segments erwärmt
wird.
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Geeignete
Formgedächtnispolymere
umfassen Thermoplaste, warmhärtende
Materialien, sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende
Netze oder vermischte Netze. Die Polymere können einzelne Polymere oder
eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte
thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen
Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten, um ein Formgedächtnispolymer
zu bilden, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole,
Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate,
Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide,
Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester,
Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane,
Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere
davon. Beispiele geeigneter Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat,
Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat,
Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat,
Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat,
Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele anderer
geeigneter Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol,
Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat,
Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly(ethylenterephthalat), Polyethylen/Nylon
(Pfropf-Copolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat,
Poly(norbornen-polyhedrales Oligomersilsequioxan), Polyvinylchlorid,
Urethan/Butadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrol-Blockcopolymere
und dergleichen.
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Das
aktive Material 16 kann auch ein elektroaktives Polymer,
wie etwa ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe, leitfähige Polymere,
piezoelektrisches Material und dergleichen umfassen. So wie er hierin
verwendet wird, wird der Ausdruck "piezoelektrisch" dazu benutzt, ein Material zu beschreiben,
das sich mechanisch verformt, wenn ein Spannungspotenzial angelegt
wird, oder im Gegensatz dazu eine elektrische Ladung erzeugt, wenn
es mechanisch verformt wird.
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Geeignete
MR-Elastomermaterialien umfasseneine elastische Polymermatrix mit
einer Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln,
wobei die Partikel oben beschrieben sind, sind aber nicht darauf
beschränkt.
Geeignete Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk,
Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen,
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Elektroaktive
Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die piezoelektrische,
pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen
auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Die Materialien
wenden im Allgemeinen nachgiebige Elektroden an, die es ermöglichen,
dass sich Polymerfilme in Richtungen in der Ebene in Ansprechen
auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Beanspruchungen
ausdehnen oder zusammenziehen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives,
gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen)copolymer.
Diese Kombination hat die Fähigkeit
ein veränderliches
Ausmaß an
ferroelektrischen-elektrostriktiven Molekularverbundsystemen zu
erzeugen. Diese können
als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktives Stellglied
betrieben werden.
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Materialien,
die zur Verwendung als elektroaktives Polymer geeignet sind, können irgendein
im Wesentlichen isolierendes Polymer von Kautschuk (oder Kombinationen
davon) umfassen, das sich in Ansprechen auf eine elektrostatische
Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen
Feldes führt.
Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgespanntes
Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere,
Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF
umfassen, druckempfindliche Adhäsive,
Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen,
und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen,
können
Copolymere einschließen,
die Silikon- und Acrylreste umfassen, beispielsweise Polymermischungen,
die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen.
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Materialien,
die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf
der Basis von einer oder mehreren Materialbeschaffenheiten ausgewählt werden,
wie etwa eine hohe elektrische Durchbruchfestigkeit, ein niedriger
Elastizitätsmodul
(für große oder
kleine Verformungen), eine hohe Dielektrizitätskonstante und dergleichen.
In einer Ausführungsform
ist das Polymer derart gewählt,
dass es einen Elastizitätsmodul
von höchstens
ungefähr
100 MPa aufweist. In anderen Ausführungsformen ist das Polymer
derart gewählt,
dass es einen maximalen Betätigungsdruck
zwischen ungefähr
0,05 MPa und ungefähr
10 MPa und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa
aufweist. In einer anderen Ausführungsform
ist das Polymer derart gewählt,
dass es eine Dielektrizitätskonstante
zwischen ungefähr
2 und ungefähr
20 und vorzugsweise zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist.
Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche eingeschränkt sein.
Idealerweise wären
Materialien mit einer höheren
Dielektrizitätskonstante
als die oben angegebenen Bereiche erwünscht, wenn die Materialien
sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als
auch eine hohe dielektrische Festigkeit auf wiesen. In vielen Fällen können elektroaktive
Polymere als Dünnfilme
gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter
50 Mikrometer liegen.
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Da
sich elektroaktive Polymere bei hohen Dehnungen auslenken, sollten
sich Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, ebenfalls
auslenken, ohne das mechanische oder elektrische Verhalten preiszugeben.
Im Allgemeinen können
Elektroden, die zur Verwendung geeignet sind, von irgendeiner Form
und von irgendeinem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der
Lage sind, eine geeignete Spannung einem elektroaktiven Polymer
zuzuführen oder
eine geeignete Spannung von diesem zu empfangen. Die Spannung kann über die
Zeit entweder konstant sein oder variieren. In einer Ausführungsform
haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers an. Elektroden,
die an dem Polymer anhaften, sind vorzugsweise nachgiebig und schmiegen sich
an die sich verändernde
Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige
Elektroden umfassen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers,
an dem sie angebracht sind, anschmiegen. Die Elektroden können an
so einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angebracht sein
und einen aktiven Bereich gemäß ihrer
Geometrie definieren. Verschiedene Typen von Elektroden, die zur
Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen
strukturierte Elektroden mit Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten,
texturierte Elektroden mit variierenden Abmessungen außerhalb
der Ebene, leitfähige Fette,
wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen,
leitfähige
Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrillen und
Kohlenstoffnanoröhren,
und Mischungen von ionisch leitfähigen
Materialien.
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Materialien,
die für
Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren.
Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden,
können
Graphit, Ruß,
kollodiale Suspensionen, dünne
Metalle, einschließlich
Silber und Gold, mit Silber gefüllte
und mit Kohlenstoff gefüllte
Gele und Polymere, und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere
umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien
genauso gut mit partikelförmigen
Polymeren funktionieren und möglicherweise
nicht so gut mit anderen funktionieren. Beispielsweise funktionieren
Kohlenstofffibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren, während sie
mit Silikonpolymeren nicht gut funktionieren.
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Das
aktive Material kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen
kann das piezoelektrische Material auch als ein Stellglied zur Bereitstellung
einer schnellen Entfaltung ausgestaltet sein. So wie er hierin verwendet
wird, wird der Ausdruck "piezoelektrisch" dazu benutzt, ein
Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form
verändert),
wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder im Gegensatz dazu
eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird.
Ein piezoelektrisches Material ist vorzugsweise an Streifen aus
einem flexiblen Material oder einer keramischen Bahn angeordnet. Die
Streifen können
unimorph oder bimorph sein. Die Streifen sind vorzugsweise bimorph,
da Bimorphe im Allgemeinen mehr Verschiebung als Unimorphe zeigen.
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Ein
Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzelnen piezoelektrischen
Element besteht, das außen
mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen
verbunden ist, der durch ein piezoelektrisches Element stimuliert
wird, wenn er mit einer sich verändernden
Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn
er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die
Stellgliedbewegung für
einen Unimorph kann Zusammenziehung oder Ausdehnung sein. Unimorphe
können
eine Dehnung so hoch wie ungefähr
10 % zeigen, aber können
im Allgemeinen nur niedrigen Lasten relativ zu den Gesamtabmessungen
der Unimorphstruktur standhalten. Ein kommerzielles Beispiel eines
vorgespannten Unimorphs wird als "THUNDER" bezeichnet, was ein Acronym für THin Layer
Composite UNimorph ferroelectric Driver and sEnsoR ist. THUNDER
ist eine Verbundstruktur, die mit einer piezoelektrischen Keramikschicht
aufgebaut ist (beispielsweise Bleizirkonattitanat), welche an ihren
zwei Hauptflächen
elektroplatiert ist. Eine Metallvorspannschicht ist an der elektroplatierten
Oberfläche
auf mindestens einer Seite der keramischen Schicht durch eine Klebstoffschicht
geklebt (beispielsweise "LaRC-SI®", das von der National
Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt wurde). Während der Herstellung
eines THUNDER-Stellgliedes werden die Keramikschicht, die Klebstoffschicht
und die erste Vorspannschicht gleichzeitig auf eine Temperatur über dem
Schmelzpunkt des Klebstoffes erwärmt und
dann anschließend
abkühlen
gelassen, wodurch die Klebstoffschicht sich wieder verfestigt und
aushärtet.
Während
des Abkühlprozesses
wird die Keramikschicht aufgrund des höheren Wärmezusammenziehungskoeffizienten
der Metallvorspannschicht und der Klebstoffschicht als die der Keramikschicht
verspannt. Auch wegen der größeren thermischen
Zusammenziehung der Laminatmaterialien als die Keramikschicht verformt
sich die Keramikschicht zu einer Bogenform mit einer im Allgemeinen
konkaven Fläche.
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Im
Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst
eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die
zwischen zwei piezoelektrischen Elementen als Schicht angeordnet
ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein
keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen
wird, während
sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu 20 %
zeigen, aber können
im Allgemeinen, ähnlich
wie Unimorphe, keinen hohen Lasten relativ zu den Gesamtabmessungen
der Unimorphstruktur standhalten.
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Geeignete
piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen,
organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien
können
alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und
großer/großen Dipolmomentgruppe(n)
an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten
innerhalb der Moleküle
als Kandidaten für
den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten
Polymeren umfassen beispielsweise, sind aber nicht beschränkt auf
Poly(Natrium-4-styrolsulfonat) ("PSS"), Poly S-119 (Polyvinylaminrückgrat mit
Azochromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe,
einschließlich
Polyvinylidenfluorid ("PVDF"), sein Copolymer
Vinylidenfluorid ("VDF"), Trifluorethylen
(TrFE) und deren Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid
("PVC"), Polyvinylidenchlorid
("PVC2") und deren Derivate;
Polyarcylnitrile ("PAN") und deren Derivate;
Polycarbonsäuren,
einschließlich
Polymethacrylsäure
("PMA"), und deren Derivate,
Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane ("PUE") und deren Derivate;
Biopolymermoleküle,
wie etwa Poly-L-Milchsäuren
und deren Derivate und Membranproteine, sowie Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline
und deren Derivate und alle Derivate von Tetraminen, Polyimiden,
einschließlich
Kaptonmolekülen
und Polyetherimid ("PEI"), und deren Derivate;
alle Membranpolymere; Poly(N-Vinylpyrrolidon)
("PVP")-Homopolymer und deren
Derivate und zufällige
PVP-Co-Vinylacetat ("PVAc")-Copolymere; und
alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder
den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Nebenketten
und Mischungen davon.
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Weitere
piezoelektrische Materialien können Pt,
Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen
davon umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können beispielsweise
Metalloxid, wie etwa SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3,
FeO3, Fe3O4, ZnO und Mischungen davon umfassen; und Verbindungen
der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSc 2, ZnSe,
GaP, InP, ZnS und Mischungen davon.
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Geeignete
aktive Materialien umfassen auch magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen, wie
etwa MR-Elastomere, die als "intelligente" Materialien bekannt
sind, deren rheologisches Verhalten sich bei Anlegen eines Magnetfeldes
schnell verändert.
MR-Elastomere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln
mit Mikrometergröße in einem
warmhärtenden
elastischen Polymer oder Kautschuk. Die Steifigkeit der Elastomerstruktur
wird bewirkt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch
verändert
werden, dass die Stärke
des angelegten Magnetfeldes variiert wird. Die MR-Elastomere entwickeln
typischerweise Struktur, wenn sie einem Magnetfeld so kurz wie einige wenige
Millisekunden ausgesetzt werden. Werden die MR-Elastomere nicht
länger
dem Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Prozess um und das Elastomer
kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
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Die
Luftströmungssteuervorrichtung,
die in 1 dargestellt ist, kann eines oder mehrere der oben
erwähnten
aktiven Materialien 16 umfassen, die als Beschichtung,
Lage und/oder Abschnitte, wie etwa Streifen, auf mindestens eine
Oberfläche 13, 14 und/oder 15 des
Körpers 12 aufgebracht
sind. In einer Ausführungsform
sind unterschiedliche aktive Materialien auf eine Oberfläche 13, 14, 15 aufgebracht,
wobei die unterschiedlichen aktiven Materialien 16 nebeneinander
aufgebracht sind. In einer anderen Ausführungsform kann das aktive
Material 16 einen Verbund aus unterschiedlichen Formgedächtnismaterialien
umfassen. In beiden Ausführungsformen
versieht das aktive Material 16 die Luftströmungsvorrichtung 10 mit
einer Formänderungsfähigkeit,
die auf eine besondere Anwendung aktiv abgestimmt werden kann, wie
es ausführlicher
beschrieben wird.
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Mit
der Luftströmungsvorrichtung 10 ist
eine Aktivierungsvorrichtung 18 gekoppelt und beide stehen
in Wirkverbindung. Die Aktivierungsvorrichtung 18 steht
in funktionaler Verbindung mit der Luftströmungsvorrichtung 10 und/oder
mit dem aktiven Material 16 und dient dazu, selektiv ein
Aktivierungssignal an die Luftströmungssteuervorrichtung 10 zu
liefern und ein Merkmal der Luftströmungsvorrichtung 10 zu
verändern,
indem mindestens eine Eigenschaft des aktiven Materials 16 verändert wird.
Beispielsweise in dem Fall einer Unterströmungs-Luftströmungsvorrichtung 10 kann
das aktive Material 16 die Luftströmungsvorrichtung abhängig von
der Geschwindigkeit des Fahrzeugs zurückziehen oder ausfahren. Die
Aktivierungsvorrichtung 18 liefert bei Anforderung das
Aktivierungssignal oder den Stimulus an das aktive Material 16 der
Luftströmungsvorrichtung 10,
um die Veränderung
in einem oder mehreren Merkmalen von mindestens einem Abschnitt
der Vorrichtung 10 hervorzurufen. In einer Ausführungsform bleibt
die Veränderung
des Merkmals im Allgemeinen für
die Dauer des angelegten Aktivierungssignals bestehen. Nach Unterbrechung
des Aktivierungssignals kehrt das aktive Material 16 im
Allgemeinen in eine nicht mit Energie beaufschlagte Form und im
Wesentlichen zu der ursprünglich
mindestens einen Eigenschaft zurück,
wodurch die Luftströmungsvorrichtung 10 zu
dem ursprünglichen
Merkmal und/oder zu den ursprünglichen
Merkmalen zurückgeführt wird.
In einer anderen Ausführungsform
kann die Veränderung
in einer oder mehreren Eigenschaften des aktiven Materials 16 und/oder
Merkmals von mindestens einem Abschnitt der Vorrichtung 10 bei
Unterbrechung des Aktivie rungssignals bestehen bleiben. In dieser
Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ein Mittel zum Aufrechterhalten der Veränderung
in dem aktiven Material 16, wie eine Verriegelung, Sperre, Anschlag
und/oder dergleichen. Nach Lösen
des Mittels kehrt die Vorrichtung 10 zu dem ursprünglich mindestens
einen Merkmal zurück.
Die dargestellte Vorrichtung 10 ist lediglich beispielhaft
und soll nicht auf irgendeine besondere Form, Größe, Abmessung oder Ausgestaltung,
Material oder dergleichen beschränkt
sein.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfasst die Luftströmungsvorrichtung 10 mindestens
einen Sensor 26, der mit der Luftströmungssteuervorrichtung 10 und/oder
dem aktiven Material 16 in Wirkverbindung steht, wobei
der Sensor geeignet ist, Signale zu übertragen, die mindestens eine
Fahrzeugbedingung angeben. Diese Ausführungsform kann darüber hinaus
einen Controller 24 umfassen, der wirksam mit dem Sensor 26 und
der Aktivierungsvorrichtung 18 verbunden ist, wobei der
Controller derart programmiert und konfiguriert ist, dass er bewirkt,
dass die Aktivierungsvorrichtung 18 ein Aktivierungssignal an
das aktive Material 16 liefert, wenn die Signale des Sensors 26 eine
vorbestimmte Fahrzeugbedingung angeben.
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Die
vorliegende Offenbarung soll nicht auf irgendein besonderes Aktivierungssignal
beschränkt sein.
Das besondere Aktivierungssignal wird von der Empfindlichkeit des
aktiven Materials 16 abhängen. Als solches kann das
Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein magnetisches
Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein chemisches
Aktivierungssignal und/oder ein anderes ähnliches Aktivierungssignal
oder eine Kombination von Aktivierungssignalen liefern.
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Wie
es in den 2a und 2b gezeigt
ist, die Perspektivansichten einer Luftströmungssteuervorrichtung sind,
die mit Bezugszeichen 20 bezeichnet ist, kann eine Luftströmungsvorrichtung 20 eine oder
mehrere Oberflächen 13, 14, 15 zur
Steuerung einer Luftströmung
umfassen. In einer Ausführungsform
kann der Körper 12 der
Luftströmungsvorrichtung 20 ein
geeignetes aktives Material 16 umfassen. In einer anderen
Ausführungsform
kann der Körper 12 aktives
Material 16 oder andere geeignete Zusammensetzungen umfassen,
die eine oder mehrere Oberflächen 13, 14, 15 aufweisen,
die eine oder mehrere aktive Materialien 16 umfassen. Die
aktiven Materialien 16 in dieser Vorrichtung 20,
wie sie in 2a gezeigt ist, können eine
im Wesentlichen gerade Form bei Raumtemperatur aufweisen, und können, wie
es in 2b gezeigt ist, eine gekrümmte Form
(d.h. krummliniengeformt) aufweisen, wenn sie über einen Temperaturbereich
hinaus erwärmt
werden, auf den im Allgemeinen während
des Fahrzeugbetriebes getroffen wird. In dieser Hinsicht kann die Luftströmungsvorrichtung 20 eine
Luftströmung
steuern, während
sie eine ausreichende Bodenfreiheit aufrechterhält, um einen Kontakt und eine
Beschädigung
durch Straßenhindernisse
und ungünstige
Witterungsrückstände zu vermeiden.
In dieser Ausführungsform
ist das aktive Material vorzugsweise derart gewählt, dass es auf eine thermische
Aktivierung empfindlich ist.
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Wie
es gezeigt ist, sind ein oder mehrere Drähte 22 in dem aktiven
Material 16 der Vorrichtung 20 eingebettet, um
ein thermisches Aktivierungsmittel in der Form einer Widerstandsheizung
bereitzustellen. In zusätzlichen
Ausführungsformen
können Steuerungen,
wie etwa ein Controller 24 und/oder Sensor 26,
bewirken, dass bei niedriger Fahrgeschwindigkeit ein Strom durch
die eingebetteten Drähte 22 fließt, was
bewirkt, dass das aktive Material 16 sich nach oben krümmt, wobei
es eine trainierte Form bei höherer
Temperatur annimmt. Dies kann zu einem Ansteigen in der Luftströmungssteuervorrichtung 20 führen, und
indem dies so geschieht, die Bodenfreiheit des Fahrzeugs erhöhen. Wenn
darüber hinaus
oberhalb einer vorbestimmten Geschwindigkeit gefahren wird, kann
der Controller 24 den Strom unterbrechen und zulassen,
dass die Luftströmungssteuervorrichtung 20 abkühlt, wodurch
sie gerade gerichtet und entfaltet wird. In einer anderen Ausführungsform
kann die Veränderung
des Merkmals derart umgekehrt werden, dass bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten
eine Erwärmung
angewandt werden kann, um eine Hochtemperaturform zu erzielen, und
der Strom würde
bei einer niedrigeren Fahrzeuggeschwindigkeit unterbrochen werden,
um eine Niedertemperaturform zu erzielen. In einer anderen Ausführungsform
kann die Veränderung
in einer oder mehreren Eigenschaften des aktiven Materials 16 und/oder
der Eigenschaft der Vorrichtung 10 nach Unterbrechung des
Aktivierungssignals bestehen bleiben. In dieser Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung 10 ein Mittel, um die Veränderung
in dem aktiven Material 16 aufrechtzuerhalten, wie etwa
eine Verriegelung, eine Sperre, einen Anschlag und/oder dergleichen.
Nach dem Lösen
des Mittels, um die Veränderung
in dem aktiven Material 16 aufrechtzuerhalten, kehrt die
Vorrichtung 10 zu dem ursprünglichen mindestens einen Merkmal
zurück.
Auf diese Weise kann sich die Vorrichtung 20 in Ansprechen auf
das Aktivierungssignal nach oben krümmen, die Krümmung nach
oben bis zum Lösen
des Mittels aufrechterhalten, wonach die Vorrichtung 20 zurückkehren
und sich gerade richten wird. Darüber hinaus kann die Luftströmungssteuervorrichtung 20,
die verformt wird, wie etwa während
eines Aufpralls in eine gewünschte
Form zurückgestellt
oder geheilt werden, indem der geeignete Temperaturbereich angewandt
wird. Die Auswahl des Materials, das der Körper 12 und/oder das
aktive Material 16 umfasst, wird durch die gewünschte Anwendung
bestimmt. Darüber
hinaus liegt die Auswahl des Verriegelungsmittels im Können des
Fachmannes.
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In
den 3a und 3b sind
Perspektivansichten einer mit Bezugszeichen 30 bezeichneten Luftströmungssteuervorrichtung
gezeigt, die Streifen und/oder Teilstücke aus aktivem Material 16 umfasst. In 3a umfasst
die Vorrichtung 30 Streifen und/oder Teilstücke von
aktivem Material 16, die an einer oder mehreren Oberflächen 13, 14, 15 des
Körpers 12 eingebettet
sind. In einer alternativen Ansicht, die in 3b gezeigt
ist, sind die Streifen und/oder Teilstücke von aktivem Material 16 in
dem Körper 12 der
Vorrichtung 30 eingebettet. In dieser Ausführungsform
umfasst der Körper 12 ein
flexibles Material mit Streifen von aktivem Material 16,
das vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, in regelmäßigen Intervallen
eingebettet ist. Die Platzierung des aktiven Materials 16 ist
nicht auf irgendeine besondere Anordnung oder ein besonderes Muster
beschränkt
und wird durch die gewünschte
Anwendung der Vorrichtung 30 bestimmt. In einer Ausführungsform,
wie bei Streifen von SMA, weist das aktive Material 16 eine
trainierte gekrümmte
Form in der Austenitphase auf, die in dieser Ansicht nicht gezeigt
ist. Bei Stillstand oder niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten kann
das aktive Material 16 etwa durch eine Widerstandsheizung
aktiviert werden, die bewirken kann, dass sich das aktive Material 16 krümmt und
indem es dies macht, die Luftströmungssteuervorrichtung 30 nach
oben und heraus aus der Außenluftströmung windet.
Die Veränderung
der Form kann durch ein Aktivierungssignal eingeleitet werden, das
von einer Aktivierungsvorrichtung 18, einem Controller 24 und/oder
Sensor 26 übertragen
wird.
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Im
Hinblick auf SMA wird die Steifigkeit in der Austenitphase infolge
der Phasenänderung
größer sein
als die Steifigkeit in der Martensitphase. Die Anzahl und Größe der eingebetteten
Streifen aktiven Materials kann derart gewählt werden, dass das eingebettete
aktive Material 16 in der Austenitphase bewirkt, dass sich
das Volumen der Luftströmungssteuervorrichtung 30 verformt.
Wenn sich jedoch das aktive Material 16 in der Marten sitphase
befindet, ist das flexible Matrixmaterial, das das Volumen der Luftströmungssteuervorrichtung 30 umfasst,
ausreichend steif, um die Vorrichtung 30 in eine gerade, entfaltete
Anordnung zurückzuführen, und
indem sie dies macht, das aktive Material 16 gerade zu
richten. Bei höheren
Geschwindigkeiten, die über
einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit liegen, kann der Stromfluss,
der ein Widerstandsheizen bewirkt, gestoppt werden, was hervorruft,
dass das aktive Material 16 in die Martensitphase zurückkehrt.
Auf diese Weise kehrt die Luftströmungssteuervorrichtung 30 in
einen gerade gerichteten, entfalteten Zustand zurück. Wie
es zuvor besprochen wurde, kann die Luftströmungssteuervorrichtung 30 zurückgestellt
werden, wenn sie infolge einer Kraft, wie etwa eines Aufpralls,
aufgrund plastischer Verformung der Streifen aktiven Materials 16 verformt
worden ist, indem das aktive Material 16 auf die Temperatur
der Austenitphase erwärmt
wird. Die anderen oben erwähnten aktiven
Materialien können
auf ähnliche
Weise unter Verwendung eines geeigneten Aktivierungssignals, das
für das
ausgewählte
aktive Material besonders ist, aktiviert werden, wie es Fachleute
im Hinblick auf diese Offenbarung feststellen werden.
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In
einer zusätzlichen
Ausführungsform,
die in 4 in einer Perspektivansicht gezeigt ist, umfasst eine
Luftströmungssteuervorrichtung 40 aktives
Material 16 in der Form von Schraubenfedern, die in einer
funktionalen Wirkung zu dem Körper 12 der
Luftströmungssteuervorrichtung 40 angeordnet
sind. In dieser Ausführungsform
kann das aktive Material 16 außen entweder direkt oder fern
von einer Oberfläche 13, 14, 15 der
Luftströmungssteuervorrichtung 40 verbunden
sein. Wie es in 4 gezeigt ist, ist eine Oberfläche 13 des
Körpers 12 mit
einem Rohr 42 auf solch eine Weise gekoppelt, dass das
Rohr 42 frei ist, um seine Achse zu rotieren. Ein Federmechanismus 44 und
das aktive Material 16 sind beide mit dem Rohr 42 auf
eine entgegenwirkende Weise gekoppelt, so dass ihre jeweili gen Zugkräfte einander ausgleichen.
Auf diese Weise kann die Rotation des Rohres 42 durch ein äußeres Mittel
die Zugspannung in einem erhöhen,
während
sie die Zugspannung in dem anderen vermindert. Bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten
(d.h. niedriger als eine vorbestimmte Geschwindigkeit) führt die
Zugspannung in dem Federmechanismus 44 kombiniert mit der
reduzierten Steifigkeit und größeren Länge eines
nicht erwärmten
aktiven Materials 16 zu einer Rotation der Luftströmungssteuervorrichtung 40 aus
der Luftströmung heraus.
Bei höherer
Geschwindigkeit (d.h. größer als die
vorbestimmte Geschwindigkeit) wird die Temperatur des aktiven Materials 16 durch
Widerstandsheizen erhöht,
um eine Phasenänderung
in dem aktiven Material 16 von der Martensitphase in die
Austenitphase zu erzeugen. Die Drähte, die aus aktivem Material 16 bestehen,
zeigen bis zu ungefähr
4 Prozent (%) Längenreduktion
mit einer bis zu 3-fachen Zunahme des Steifigkeitsverhaltens. Auf
diese Weise können
die kombinierten Längenreduktion
und Steifigkeitsverhaltenszunahme zu einer Entfaltung der Luftströmungssteuervorrichtung 40 führen, z.B.
wie durch Rotation des Rohres 42 und Strecken des Ausgleichsfedermechanismus 44.
Bei Unterbrechung des Widerstandsheizens kühlt das aktive Material 16 auf
die Martensitphase ab und der gestreckte Federmechanismus 44 kann
dazu verwendet werden, die Luftströmungssteuervorrichtung 40 in
eine verstaute Position zurückzuführen. In
einer anderen Ausführungsform
kann die Änderung
in einer oder mehreren Eigenschaften des aktiven Materials 16 und/oder
in einem oder mehreren Merkmalen der Vorrichtung 10 bei
Unterbrechung des Aktivierungssignals bestehen bleiben. In dieser
Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung 10 ein Mittel, um die Veränderung
in dem aktiven Material 16 aufrechtzuerhalten, wie etwa
eine Verriegelung, eine Sperre, einen Anschlag und/oder dergleichen.
Nach dem Lösen
des Mittels, um die Veränderung
in dem aktiven Material 16 aufrechtzuerhalten, kehrt die
Vorrichtung 10 zu dem ursprünglichen mindestens einen Merkmal
zurück.
Wie es zuvor bespro chen wurde, können
die Aktivierungsvorrichtung 18, der Controller 24 und/oder
der Sensor 26 miteinander und mit der Luftströmungssteuervorrichtung 40 funktionieren,
um die Veränderungen
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 16 einzuleiten.
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In
anderen Ausführungsformen,
wie sie in den 5–7 gezeigt
sind, wenden Luftströmungsvorrichtungen 50, 60, 66 einen
Klappenrotationsmechanismus an, um die Luftströmung zu variieren. In 5 umfasst
der Luftströmungs-Controller 50 im
Allgemeinen eine Klappe 52, die durch Oberflächen 13, 14 und 15 definiert
ist, welche mit einem Rohr (d.h. Dorn) 54 verbunden ist,
wobei das Rohr 54 drehbar an einem aktiven Material 16 angebracht
ist, das in der Form eines Drahtes, z.B. aus einer Formgedächtnislegierung,
gezeigt ist. Ein Ende des Drahtes 16 ist fest an dem Rohr 54 angebracht,
und das andere Ende ist fest an einer feststehenden und starren
Trägerstruktur 56 innerhalb
des Fahrzeugs angebracht. Das Hindurchleiten eines ausreichenden Stromes
oder das Anlegen von Wärme
an den Draht 16 bewirkt eine Phasentransformation, so dass
eine Bewegung der Klappe bewirkt wird. Abhängig von der Ausgestaltung
der Anbringung des Drahtes kann der Luftströmungs-Controller 50 derart
ausgestaltet sein, dass unterschiedliche Auslenkungen im nicht mit
Energie beaufschlagten bzw. im mit Energie beaufschlagten Zustand
bereitgestellt werden. Beispielsweise kann ein Aktivieren des aktiven
Materials 16 bewirken, dass die Klappe von einer unteren
Position (d.h. senkrecht zum Boden) zu einer ausgenommenen Position
(etwa parallel zum Boden) rotiert. Alternativ kann sich das aktive
Material im nicht mit Energie beaufschlagten Zustand in der ausgenommenen
Position und im mit Energie beaufschlagten Zustand in der unteren
Position befinden. Eine elastische Feder, die nicht gezeigt ist,
kann als ein Gegengewicht in Kombination mit der Vorrichtung 50 angewandt
werden, um die Klappe in ihre ursprüngliche Position zurückzuführen. Die
Stärke
der Gegengewichtsfeder ist vor zugsweise derart ausgebildet, dass
sie zur Querschnittsfläche
des Drahtes 16 auf Basis des aktiven Materials passt, z.B.
die Spannung, die erforderlich ist, um das Formgedächtnislegierungsmaterial
während
des Abkühlens
zu verdrehen. Alternativ können
ein oder mehrere entgegenwirkende Federn oder Drähte, die aus einer SMA gebildet
sind, verwendet werden.
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Wie
es in 6 gezeigt ist, umfasst die Luftströmungssteuervorrichtung 60 eine
Torsionsfeder 62, die aus einem geeigneten aktiven Material 16 gebildet
ist. Die Torsionsfeder ist vorzugsweise in einem Ende des Rohrs 54 angeordnet.
In dieser Ausführungsform
ist das Rohr 54 vorzugsweise hohl, um die Torsionsfeder 62 aufzunehmen.
Die Torsionsfeder 62 kann schraubenförmig oder spiralförmig sein,
wobei ihre Aktivierung Biegespannungen in der Feder im Gegensatz
zu Scherspannungen bewirkt. Als solche bewirkt die Aktivierung des
aktiven Materials 16, dass die Klappe 52 (die
durch die Oberflächen 13, 14 und 15 definiert
ist), um eine durch das Rohr 54 definierte Achse rotiert.
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In 7 umfasst
die Luftströmungsvorrichtung 66 eine
Schraubenfeder 68, die aus einem aktiven Material gebildet
ist, um eine Klappenrotation zu bewirken.
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In
einer anderen Ausführungsform,
wie sie in 8 gezeigt ist, kann die Luftströmungssteuervorrichtung 70 derart
ausgestaltet sein, dass sie ein auftreffendes Strömungsfeld
anwendet und einen Unterstützungsmechanismus
für eine
Klappenentfaltung bereitstellt. Eine oder mehrere Laschen 74,
die aus dem aktiven Material 16 gebildet sind, sind schwenkbar
und aktiv an etwa einem distalen Ende der Klappe (die allgemein
bei 72 gezeigt ist) angebracht, was einen Abschnitt der
Klappe 72 aktiv in dem hereinkommenden Luftstrom positioniert.
Das heißt
die Aktivierung der Lasche bewirkt, dass die Lasche die Klappe von
der starren Trägerstruktur 76 wegschiebt. Der
Luftstrom, wie er allgemein durch den Pfeil 78 gezeigt
ist, trifft dann auf eine Oberfläche
der Klappe 72 mit einer Kraft auf, die bewirkt, dass die
Entfaltung der Klappe nach unten erhöht wird. Eine Ausgleichsfeder
(nicht gezeigt) kann angewandt werden, um die Klappe in ihrer ursprünglichen
Position zurückzuführen, und
kann derart entworfen sein, dass die Klappe 62 bei einer
festgelegten Fluidströmungsgeschwindigkeit
zu der ursprünglichen
Position zurückkehren wird.
Die aktive Materialkomponente 16 kann aus vielen unterschiedlichen
Materialien bestehen. Die Laschen können aus einer Vielfalt von
intelligenten Materialien aufgebaut sein, wie etwa, ohne darauf
beschränkt
zu sein, einen piezoelektrisch Bimorph, einem SMA-Streifen, der
auf eine gekrümmte
Form bei hoher Temperatur trainiert ist, oder ein elektroaktiver Polymerbimorph,
wie etwa ein Ionen-Polymer-Verbund (IMPC), da das erforderliche
Ausmaß an
Verschiebung ein effektives Ausmaß ist, um ein Auftreffen der
Luftströmung
auf die Klappe hervorzurufen. Jede dieser Optionen kann die Auslenkung
hervorrufen, die notwendig ist, um die Klappe 72 in das
Luftströmungsfeld 78 zu
schieben und die Entfaltung zu beginnen.
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In
einer anderen Ausführungsform,
wie sie in 9 gezeigt ist, umfasst eine
Luftströmungssteuervorrichtung 80 eine
Klappe 82, die aus einem Abschnitt auf der Basis eines
aktiven Materials und einem Abschnitt 84 auf der Basis
eines nicht aktiven Materials gebildet ist. Eine Aktivierung des
Abschnittes auf der Basis eines aktiven Materials bewirkt eine Änderung
in der Formorientierung, d.h. Biegung, die anschließend eine
Verschiebung des Abschnittes 84 auf Basis eines nicht aktiven
Materials hervorruft. Die Verschiebung, d.h. Biegung, wird hervorgerufen,
indem die Drähte
und/oder Bänder
aus der neutralen Achse des nicht aktiven Materials heraus platziert werden,
was eine Krümmung
des nicht aktiven Materials bei Aktivierung hervorruft, z.B. eine
Schrumpfung der SMA. Als solche können die Drähte und/oder Bänder an
einer Oberfläche
des nicht aktiven Materials und/oder darin eingebettet platziert sein,
so dass diese Aktivierung des aktiven Materials das gewünschte Ausmaß an Verschiebung
hervorruft. Indem ein Ende festgehalten wird (vorzugsweise ist der
Abschnitt auf Basis des aktiven Materials an der Fahrzeugstruktur
angebracht), kann eine Veränderung
einer Krümmung
des Abschnittes 82 auf der Basis eines aktiven Materials
eine Veränderung
des Oberflächengebietes
senkrecht zu der Strömung
und eine Rotation der Oberfläche
in Bezug auf den festen Punkt, z.B. der Fahrzeugstruktur, hervorrufen.
Alternativ kann der Abschnitt 82 aus einem elastischen Material
gebildet sein, an dem ein oder mehrere Drähte und/oder Bänder 86 angebracht
sind, wobei die Drähte
und/oder Bänder
aus einem aktiven Material gebildet sind. Die Drähte und/oder Bänder 86 sind derart
ausgestaltet, dass diese Aktivierung eine Veränderung in der Krümmung des
Abschnittes 82 hervorruft, was zu einer Auslenkung des
Abschnittes 84 auf der Basis eines nicht aktiven Materials
führt.
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In
jeder der beiden Ausführungsformen
kann die Arbeitsweise der Luftströmungssteuervorrichtung als
eine Verformung oder ein Morphen eines Abschnittes der Klappenoberfläche beschrieben
werden, so dass das normale Gebiet und die normale Orientierung
der Oberfläche
in Bezug auf einen hereinkommenden Luftstrom geändert wird. Diese Veränderung in der normalen Oberfläche und Orientierung kann eine
Veränderung
in dem Luftstrom bewirken und die Luftströmung in der Region der Vorrichtung 80 entweder
umlenken, vorbeileiten oder blockieren. Eine derartige Vorrichtung
könnte
bei vielen Kraftfahrzeuganwendungen von Nutzen sein, um die Luftströmung zu
manipulieren. Einige mögliche
Anwendungen, wie sie oben festgestellt wurden, umfassen Luftstaueinrichtungen,
Spoiler und Jalousieklappen. Es ist anzumerken, dass der Maßstab einstellbar
ist, so dass Vorrichtungen mit kleinerem Maßstab, wie innere Jalousieklappen
zur Klimasteuerung, und größere Oberflächen, wie
etwa Luftstaueinrich tungen unter Verwendung der gleichen Ausführungsform
mit einer geringfügigen
Modifikation hergestellt werden können, wie es Fachleute erkennen
werden.
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Nach 10 umfasst
nun eine Luftströmungssteuervorrichtung 90 eine
Klappe, die aus mehreren Schichten 92, 94 gebildet
ist. Die Schicht 94 ist aus einem aktiven Material 16 gebildet
und an mindestens einer Schicht 92 angeordnet, wobei eine davon
in der Figur gezeigt ist. Die Schicht 92 ist elastisch,
so dass die Schicht 92 ihre Formorientierung bei Aktivierung
der Schicht 94 verändert.
Wahlweise ist eine flexible Abstandshalterschicht 96 enthalten, wie
es gezeigt ist. Die Abstandshalterschicht 96 kann dazu
verwendet werden, das Verhalten auf der Basis der Charakteristiken
des aktiven Materials zu optimieren.
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Es
ist ein Verfahren zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung offenbart.
In dieser Ausführungsform
umfasst das Verfahren zunächst,
dass die Luftströmungssteuervorrichtung
von irgendeiner oder einer Kombination der vorhergehenden Ausführungsformen,
z.B. Vorrichtungen 10, 20, 30, 40, 50, 60, 66, 70, 80, 90 derart
angeordnet wird, dass eine Luftströmung in Kontakt während einer
Bewegung des Fahrzeuges bereitgestellt wird, wobei die Luftströmungssteuervorrichtung
einen Körper
und ein aktives Material in Wirkverbindung mit dem Körper umfasst,
wobei das aktive Material dazu dient, mindestens eine Eigenschaft
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu verändern. Sobald sie angeordnet
ist, wird ein Aktivierungssignal selektiv in das aktive Material
eingeleitet. Durch selektives Einleiten des Aktivierungssignals
verändert
sich die mindestens eine Eigenschaft des aktiven Materials. In einer
anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren, dass das Aktivierungssignal unterbrochen
wird, um die Veränderung
von mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials umzukehren.
In einer zusätzlichen
Ausführungsform umfasst
das Verfah ren, dass die Veränderung
in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials bei Unterbrechung
des Aktivierungssignals aufrechterhalten wird.
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Wie
es zuvor besprochen wurde, umfassen geeignete Formgedächtnismaterialien,
die eine Formänderung
in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal erfahren können, Formgedächtnislegierungszusammensetzungen.
Formgedächtnislegierungen
gibt es in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen.
Die am üblichsten
benutzten dieser Phasen sind die oben besprochenen sogenannten Martensit-
und Austenitphasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die
Martensitphase im Allgemeinen auf eine stärker verformbare Niedertemperaturphase,
wohingegen die Austenitphase sich im Allgemeinen auf eine steifere
Phase bei höherer
Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase
befindet und erwärmt
wird, beginnt sie sich zu der Austenitphase zu verändern. Die Temperatur,
bei der dieses Phänomen
beginnt, wird häufig
als die Austenitstarttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur,
bei der dieses Phänomen
abgeschlossen ist, wird die Austenitendtemperatur (Af) genannt.
Wenn die Formgedächtnislegierung
in der Austenitphase ist und abgekühlt wird, beginnt sie, sich
zu der Martensitphase zu verändern,
und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die
Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der
Austenit die Transformation in Martensit beendet, wird die Martensitendtemperatur (Mf)
genannt. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer
martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der
austenitschen Phase steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das Vorstehende
ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen
ein thermisches Aktivierungssignal, das eine Größe aufweist, um Transformationen
zwischen den Martensit- und Austenitphasen hervorzurufen.
-
Formgedächtnislegierungen
können
abhängig
von der Legierungszusammensetzung und der Verarbeitungsgeschichte
einen Einweg-Formgedächtniseffekt,
einen intrinsischen Zweiwegeffekt oder einen extrinsischen Zweiweg-Formgedächtniseffekt
zeigen. Warm behandelte Formgedächtnislegierungen
zeigen typischerweise nur den Einweg-Formgedächtniseffekt. Eine ausreichende
Erwärmung
im Anschluss an eine Niedertemperaturverformung des Formgedächtnismaterials
wird den Übergang
des Typs von Martensit zu Austenit einleiten, und das Material wird
die ursprüngliche,
geglühte Form
wiederherstellen. Somit werden die Einweg-Formgedächtniseffekte
nur bei Erwärmung
beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen
umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte
zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und werden wahrscheinlich
eine äußere mechanische
Kraft erfordern, um sich in die Form zurückzubilden, die zuvor für die Luftströmungssteuerung
geeignet war.
-
Intrinsische
und extrinsische Zweiweg-Formgedächtnismaterialien
zeichnen sich durch einen Formübergang
sowohl bei Erwärmung
von der Martensitphase in die Austenitphase als auch durch einen
zusätzlichen
Formübergang
bei Abkühlung
von der Austenitphase zurück
zur Martensitphase aus. Aktive Materialien 16, die einen
intrinsischen Formgedächtniseffekt
zeigen, werden aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung
gefertigt, die hervorrufen wird, dass die aktiven Materialien 16 sich infolge
der oben erwähnten
Phasentransformationen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Zweiweg-Formgedächtnisverhalten
muss in das Formgedächtnismaterial
durch Verarbeitung eingeleitet werden. Derartige Prozeduren umfassen
eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase
befindet, ein Erwärmen/Kühlen unter
Einspannung oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifikation, wie etwa
Lasertempern, Polieren oder Shotpeening. Sobald das Materi al trainiert worden
ist, um den Zweiweg-Formgedächtniseffekt zu
zeigen, ist die Formveränderung
zwischen den Nieder- und Hochtemperaturzuständen im Allgemeinen reversibel
und hält über eine
hohe Anzahl von thermischen Zyklen an. Im Gegensatz dazu sind aktive
Materialien 16, die die extrinsichen Zweiweg-Formgedächtniseffekte
zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung,
die einen Einwegeffekt zeigt, mit einem anderen Element kombinieren,
das eine Rückstellkraft
bereitstellt, um die ursprüngliche
Form zurückzubilden.
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Die
Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung
sich an ihrer Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird,
kann durch geringfügige
Veränderungen
in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden.
Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen
beispielsweise kann sie von über
ungefähr
100°C auf
unter ungefähr –100°C verändert werden.
Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einen Bereich von nur ein
paar Graden auf und der Start oder das Ende der Transformation kann
auf innerhalb eines Grades oder zwei, abhängig von der gewünschten
Anwendung und der Legierungszusammensetzung, gesteuert werden. Die
mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren über den
Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, stark, wobei typischerweise
die Luftströmungssteuervorrichtungen
mit Formgedächtniseffekten,
superelastischen Effekten und einer hohen Dämpfungsfähigkeit versehen werden.
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Eine
andere geeignete Klasse von Formgedächtnismaterialien ist SMP.
Die meisten SMP zeigen einen "Einweg"-Effekt, wobei das
SMP eine permanente Form zeigt. Nach dem Erwärmen des SMP über die
erste Übergangstemperatur
wird eine permanente Form erzielt, und die Form wird nicht ohne die
Verwendung von äußeren Kräften zu
der temporären
Form zu rückkehren.
Beispielsweise kann für aktive
Materialien 16, die Unterschiede in der Steifigkeit der
aktivierten und nicht aktivierten Zustände zeigen, während der
Aktivierung der Luftströmungssteuervorrichtung 10, 20, 30, 40 Energie
elastisch gespeichert werden. Als solche kann die Energie auf irgendeine
Weise gespeichert werden, die für
den Betrieb der Luftströmungssteuervorrichtungen
geeignet ist, die innerhalb des Körpers der Vorrichtung und/oder
in elastischen Komponenten, wie etwa Federn, die innerhalb der Vorrichtung
arbeiten und/oder außen
mit der Vorrichtung verbunden sind, einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Auf diese Weise ist die gespeicherte Energie verfügbar, um
die Vorrichtung in einen ursprünglichen
Zustand von mindestens einem Merkmal, wie etwa die Form, Abmessung,
Steifigkeit, Lage und/oder Orientierung, bei Unterbrechung eines
Aktivierungssignals und/oder Lösen
eines Mittels, wie etwa einer Verriegelung, Sperre, Anschlag und/oder
dergleichen zurückzuführen, wie
es hierin besprochen wurde. In einem anderen Beispiel sind mehr
als ein aktives Material 16, welche Unterschiede in der
Steifigkeit der aktivierten und nicht aktivierten Zustände zeigen, derart
orientiert, dass sie der Veränderung
in mindestens einer Eigenschaft, die jede erzeugt, entgegenwirken.
Als solche können
ein oder mehrere entgegenwirkende aktive Materialien 16,
ohne die Aktivierung der anderen entgegenwirkenden aktiven Materialien 16 selektiv
aktiviert werden. Auf diese Weise kann die Veränderung in mindestens einer
Eigenschaft des selektiv aktivierten aktiven Materials 16 umgekehrt
werden, indem die aktivierten aktiven Materialien 16 deaktiviert
werden und andere entgegenwirkende aktive Materialien 16 selektiv
aktiviert werden. Die oben erwähnten
Beispiele sind veranschaulichend und beschränken die Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung nicht.
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Als
eine Alternative können
einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen
vorbereitet werden, die einen "Zweiweg"-Effekt aufweisen.
Diese Systeme bestehen aus mindestens zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise
könnte
eine Komponente ein erstes vernetztes Polymer sein, während die
andere Komponente ein davon verschiedenes vernetztes Polymer ist.
Die Komponenten werden durch Schichttechniken oder durch einander
durchdringende Netze kombiniert, wobei zwei Komponenten vernetzt
sind, aber nicht miteinander. Durch Veränderung der Temperatur verändert das
Formgedächtnispolymer
seine Form in Richtung der ersten permanenten Form oder der zweiten
permanenten Form. Jede der permanenten Formen gehört zu einer Komponente
des Formgedächtnispolymers.
Die zwei permanenten Formen stehen immer zwischen beiden Formen
im Gleichgewicht. Die Temperaturabhängigkeit der Form wird durch
die Tatsache hervorgerufen, dass die mechanische Beschaffenheit
von einer Komponente ("Komponente
A") beinahe unabhängig von
der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall ist.
Die mechanische Beschaffenheit der anderen Komponente ("Komponente B") hängt von
der Temperatur ab. In einer Ausführungsform
wird die Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich
mit der Komponente A fester, während
die Komponente A bei hohen Temperaturen fester wird und die tatsächliche
Form bestimmt. Eine Zweiweg-Gedächtnisvorrichtung
kann vorbereitet werden, indem die permanente Form der Komponente
A festgelegt wird ("erste
permanente Form");
die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente B verformt
wird ("zweite permanente
Form"); und die permanente
Form der Komponente B fixiert wird, während eine Spannung auf die
Komponente aufgebracht wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die permanente Form des aktiven Materials 16 eine im Wesentlichen
gerade gerichtete Form und die temporäre Form des aktiven Materials 16 ist
eine gekrümmte
Form (siehe 2a–2b). In
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Formgedächtnispolymer
zwei permanente Formen. In der ersten permanenten Form sind die
aktiven Materialien 16 in einer im Wesentlichen gerade
gerichteten Form, und in der zweiten permanenten Form sind die aktiven
Materialien 16 in einer gekrümmten Form.
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Die
Temperatur, die für
die Wiederherstellung der permanenten Form notwendig ist, kann auf irgendeine
Temperatur zwischen ungefähr –63°C und ungefähr 120°C oder darüber festgelegt
werden. Das Konstruieren der Zusammensetzung und der Struktur des
Polymers selbst kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung
zulassen. Eine bevorzugte Temperatur zur Wiederherstellung der Form
ist größer als
oder gleich ungefähr –30°C, stärker bevorzugt
größer als
oder gleich ungefähr
0°C, und
am stärksten
bevorzugt eine Temperatur größer als
oder gleich ungefähr 50°C. Ebenso
ist eine bevorzugte Temperatur zur Wiederherstellung der Form kleiner
als oder gleich ungefähr
120°C, und
am stärksten
bevorzugt kleiner als oder gleich ungefähr 120°C und größer als oder gleich ungefähr 80°C.
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Wie
es zuvor erwähnt
und definiert wurde, kann das aktive Material 16 auch ein
elektroaktives Polymer wie etwa ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe und
leitfähige
Polymere umfassen. Das aktive Material 16 kann auch ein
piezoelektrisches Material umfassen. Das piezoelektrische Material
ist vorzugsweise auf Streifen eines flexiblen Blechs angeordnet. Die
Streifen können
unimorph oder bimorph sein. Die Streifen sind vorzugsweise bimorph,
da Bimorphe im Allgemeinen mehr Verschiebung als Unimorphe zeigen.
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Das
Anwenden des piezoelektrischen Materials wird wahrscheinlich ein
elektrisches Signal benötigen,
um eine gekrümmte
Form zu erzeugen. Nach Unterbrechung des Aktivierungssignals richtet sich
das aktive Material gerade.
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Aktive
Materialien umfassen auch Formgedächtnismaterialien, wie etwa
magnetische Materialien und magnetorheologische Elastomere, sind
aber nicht darauf beschränkt.
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Geeignete
magnetische Materialien umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Weich-
oder Hartmagnete; Hämatit;
Magnetit; magnetisches Material auf der Basis von Eisen, Nickel
und Kobalt, Legierungen der vorstehenden, oder Kombinationen, die
mindestens eines der vorstehenden umfassen, und dergleichen. Legierungen
von Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel,
Vanadium, Molybdän,
Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen. Geeignete MR-Elastomermaterialien
sind zuvor beschrieben worden.
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Die
Luftströmungssteuervorrichtungen
und -verfahren der vorliegenden Offenbarung sind in der Lage, Merkmale,
wie etwa die Form, Abmessung, Steifigkeit, Lage, Kombinationen davon
und dergleichen einzustellen, indem die mindestens eine Eigenschaft
des aktiven Materials 16 derart verändert wird, dass sie zu den
Gegebenheiten von unterschiedlichen Fahrbedingungen passt. Veränderungen
in mindestens einer Eigenschaft eines aktiven Materials 16 umfassen
die Form, Abmessung, Steifigkeit, Kombinationen davon und dergleichen.
Die Benutzung aktiver Materialien 16, um diese Veränderungen
zu bewirken, stellt Vorrichtungen mit erhöhter Einfachheit und Robustheit
bereit, während
die Anzahl von Fehlermöglichkeiten,
das Vorrichtungsvolumen und die Energieanforderungen für die Aktivierung
aufgrund höherer
Energiedichten vermindert werden.
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Wenn
es nicht anders angegeben ist, sind alle Zahlen, die Größen von
Bestandteilen, Beschaffenheiten, wie etwa das Molekulargewicht,
Reaktionsbedingungen und so weiter, ausdrücken, die in der Beschreibung
und den Ansprüchen
verwendet werden, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch
den Ausdruck "ungefähr" modifiziert werden. Dementsprechend
sind, es sei denn es ist gegenteilig angegeben, Zahlenparameter,
die in der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen angeführt sind, Annäherungen,
die abhängig
von den gewünschten
Eigenschaften/Beschaffenheiten, die durch die vorliegende Offenbarung
zu erhalten angestrebt wird, variieren können. Zuallerletzt und nicht als
Versuch, die Anwendung der Lehre von den Äquivalenten auf den Schutzumfang
der Ansprüche
einzuschränken,
sollte jeder Zahlenparameter zumindest im Lichte der Anzahl von
angegebenen signifikanten Stellen und durch Anwenden gewöhnlicher Rundungstechniken
begrenzt sein.
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Obgleich
die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist,
werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden
können
und Äquivalente
anstelle von Elementen davon eingesetzt werden können, ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich
können
viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation
oder ein besonderes Material an Lehren der Erfindung anzupassen,
ohne von ihrem wesentlichen Schutzumfang abzuweichen. Deshalb ist beabsichtigt,
dass die Erfindung nicht auf eine besondere offenbarte Ausführungsform
als die beste Art und Weise, die zum Ausführen der Erfindung in Betracht
gezogen wird, beschränkt
ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die
in den Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche fallen.
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Zusammenfassung
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Eine
Luftströmungssteuervorrichtung
umfasst einen Körper
und ein aktives Material in Wirkverbindung mit dem Körper. Das
aktive Material, wie etwa ein Formgedächtnismaterial, dient dazu,
mindestens eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal
zu verändern.
Das aktive Material kann seine Form, Abmessungen und/oder Steifigkeit verändern, wodurch
eine Veränderung
in mindestens einem Merkmal der Luftströmungssteuervorrichtung, wie
etwa die Form, Abmessung, Lage, Orientierung und/oder Steifigkeit,
erzeugt wird, um eine Fahrzeugluftströmung derart zu steuern, dass
sie besser zu Veränderungen
in Fahrbedingungen, wie etwa Witterung, Bodenfreiheit und Geschwindigkeit
passt, während
die Wartung und der Grad an Fehlermöglichkeiten vermindert werden.
Als solche vermindert die Vorrichtung Fahrzeugschäden aufgrund
ungeeigneter Bodenfreiheit, während
die Fahrzeugstabilität
und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit erhöht werden. Eine Aktivierungsvorrichtung,
ein Controller und Sensoren können
angewandt werden, um die Veränderung
in mindestens einem Merkmal der Luftströmungssteuervorrichtung, wie
etwa die Form, Abmessung, Lage, Orientierung und/oder Steifigkeit
der Vorrichtung, weiter zu steuern. Ein Verfahren zum Steuern einer Fahrzeugluftströmung leitet
selektiv ein Aktivierungssignal ein, um eine Veränderung mindestens eines Merkmals
der Vorrichtung zu initiieren, die bei Unterbrechung des Aktivierungssignals
umgekehrt werden kann.