DE112005001912T5

DE112005001912T5 - Haubenhubmechanismen unter Verwendung aktiver Materialien und Verwendungsverfahren

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Publication number: DE112005001912T5
Application number: DE112005001912T
Authority: DE
Inventors: Diann Milford Brei; John Ann Arbor Redmond; Nathan A. Waterford Wilmot; Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; Gary L. Farmington Hills Jones
Original assignee: Motors Liquidation Co; University of Michigan
Current assignee: Motors Liquidation Co; University of Michigan
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: DE112005001912B4; WO2006017487A2; US20060028051A1; WO2006017487A3; US7063377B2; CN101035690A; US7455147B2; US20060202512A1

Abstract

Fahrzeughaubenhubmechanismus, umfassend:
eine Fahrzeughaube;
ein aktives Material in Wirkverbindung mit der Fahrzeughaube, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material, einen Verbund aus ionischem Polymer und Metall oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst; und
eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu dient, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen und eine reversible Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die reversible Veränderung zu einem erhöhten Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil führt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen Haubenhubmechanismus zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, wobei der Haubenhubmechanismus die Verwendung aktiver Materialien umfasst.
Zahlreiche Motorfahrzeuge verwenden eine schwenkbare Haube, die in einem Bereich zwischen dem Fahrgastraum und dem vorderen Stossfänger des Motorfahrzeuges oder zwischen dem Fahrgastraum und dem rückwärtigen Stossfänger des Motorfahrzeuges angeordnet ist. Die schwenkbare Haube liefert einen Mechanismus zum Zugang zu dem darunter liegenden Motor oder Gepäckraum. Die schwenkbare Haube ist typischerweise aus einer relativ dünnen Metall- oder Kunststoffplatte gebildet, welche auf die geeignete Kontur entsprechend der Gesamtauslegung der Fahrzeugkarosserie geformt ist. Als Folge der relativ dünnen Art des die schwenkbare Haube bildenden Materials erstreckt sich eine Trägerstruktur, wie eine konturierte Platte mit geprägten Rippenträgern, typischerweise über die Unterseite des Haubenabschnittes, so dass der Struktur ein gewisses Ausmaß von Dimensionsstabilität erteilt wird.
Erwägungen der Aerodynamik, des Stylings und der Gepäckaufnahme haben insgesamt unter anderem zu der Auslegung der vorderen Enden und der Haubenbereiche von derzeitigen Fahrzeugen beigetragen. Aerodynamische Windschnittigkeit (und Kraftstoffwirtschaftlichkeitserwägungen) haben insbesondere dazu beigetragen, dass die Haube sich in enger Nachbarschaft zu dem Motor- oder Gepäckraum befindet. Daher ist die Deformation der Haube, wie die, die beim Aufprall eines Gegenstandes auf die Haube auftreten kann, und damit die Fähigkeit der Haube zur Absorption von Energie bei entsprechenden Kraftniveaus vor dem Aufstoßen gegen harte Objekte unterhalb hiervon etwas durch die Inhalte des Raums eingeschränkt.
Um dies zu berücksichtigen, haben Hersteller von Automobilen eine Anzahl von Mechanismen vorgeschlagen, welche die Orientierung und/oder Position der Haube in Bezug auf ein Fahrzeug vor einem Deformationsereignis wie dem Aufprallereignis, wie zuvor beschrieben, verändern. Beispielsweise können Haubenheber durch Aufprallsensoren aktiviert werden, um den Zwischenraum zwischen der Haube und dem darunter liegenden Raum zu vergrößern. Die Haubenheber verändern die Orientierung der Haube durch deren Anheben (in den meisten Mechanismen durch Anheben an einer rückwärtigen Kante unter Beibehaltung der Befestigung einer Vorderkante an der Fahrzeugstruktur, d.h. durch Hochklappen) über den Motorraum. Bei der Deformation gibt es als Folge der Erhöhung des Zwischenraumes eine Erhöhung der Energiemenge, welche durch Deformation des Bleches vor seinem Aufstoßen absorbiert werden kann. Ein Nachteil solcher Haubenhubmechanismen ist, dass sie die Neigung besitzen, irreversibel zu sein (was sie zur Verwendung nur mit Crash- und nicht mit Vor-Crashsensoren am besten geeignet macht), so dass solche Mechanismen selbst dann, wenn eine Kollision tatsächlich nicht vorkommt, ersetzt/repariert werden müssen.
Dementsprechend besteht weiterhin in der Technik Bedarf für Kraftfahrzeughaubenbauteile, die verbesserte Energieabsorptionsfähigkeiten ha ben. Die Mittel/Mechanismen, die diese Energieabsorptionsfähigkeiten bereitstellen, sind wunschgemäß ebenfalls reversibel.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin ist ein Fahrzeughaubenhubmechanismus offenbart, umfassend: eine Fahrzeughaube; ein aktives Material in Wirkverbindung mit der Fahrzeughaube, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein piezoelektrisches Material, einen Verbund aus ionischem Polymer und Metall, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektrorheologisches Fluid oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst; und eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu dient, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen und eine reversible Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die reversible Veränderung zu einem erhöhten Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil führt.
Hierin ist auch ein Verfahren offenbart, das umfasst, dass eine Fahrzeughaube in einer Ruheposition bereitgestellt wird, wobei die Ruheposition einen minimalen Zwischenraumabstand zwischen einer Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil umfasst; ein Aktivierungssignal an ein aktives Material angelegt wird und eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material mit der Fahrzeughaube in Wirkverbindung steht; und eine Haubengeometrie, Haubenorientierung, Haubenlage oder eine Kombination mit mindestens einer der vorstehenden Veränderungen durch die Verän derung in der mindestens einen Eigenschaft des aktiven Materials verändert wird, was dazu dient, die Haube aus der Ruheposition in eine Hubposition zu bewegen, wobei der Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil erhöht wird.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug auf die Figuren genommen, welche beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben:
1 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Linearstab in der Ruheposition und der Hubposition;
2 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Torsionsstab in der Ruheposition und der Hubposition;
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Knickdraht in der Ruheposition und der Hubposition;
4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit sich wölbender Außenfläche in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B);
5 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Federschichtaufbau in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B);
6 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Hebel in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B):
7 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Keil in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B);
8 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines aktiven Haubenhubmechanismus mit Nocken in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B);
9 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines passiven Haubenhubmechanismus mit Schraubenfeder in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B);
10 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines passiven Haubenhubmechanismus mit gespannter Blattfeder in Ruheposition (A) und Hubposition (B);
11 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines passiven Haubenhubmechanismus mit Mittenverriegelung und komprimierter Haube in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B); und
12 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines passiven Haubenhubmechanismus mit Endverriegelung und gespannter Haube in der Ruheposition (A) und der Hubposition (B).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin werden Verfahren und Haubenhubmechanismen für die reversible Erhöhung der Energieabsorptionsfähigkeit bei geeigneten Kraftniveaus einer Fahrzeughaube offenbart. Im Gegensatz zum Stand der Technik beruhen die hierin offenbarten Verfahren und Hubmechanismen vorteilhafterweise auf aktiven Materialien. So wie er hierin verwendet wird, ist der Ausdruck "Haube" ein Synonym für "Verschluss" und bezieht sich im Allgemeinen auf Deckel, die einen Motorraum oder einen Gepäckraum oder Kraftstofftankbereiche abdecken, sowie Fahrzeugtüren für den Eintritt von Fahrgästen in und den Austritt aus dem Fahrzeug, Hubtore, Heckklappen, Frachtluken und dergleichen. Der Ausdruck "Fahrzeugkarosserie", so wie er hierin verwendet wird, bezieht sich allgemein auf Teile des Fahrzeugs, an denen die Haube befestigt werden kann, und umfasst unter anderem Stoßfänger, Holme, Kotflügel, Chassis, Säulen, Rahmen und Teilrahmenbauteile und Karosseriebleche. Der Ausdruck "aktives Material", so wie er hierin verwendet wird, bezieht sich im Allgemeinen auf ein Material, das bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Veränderung in einer Eigenschaft, wie etwa Abmessung, Form, Scherkraft oder Biegemodul zeigt. Geeignete aktive Materialien schließen, ohne Beschränkung, ein: Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMA, Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR) und elektrorheologische Fluide (ER). Abhängig von dem besonderen aktiven Material kann das Aktivierungssignal, ohne Beschränkung, die Form eines elektrischen Stroms, einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Beanspruchung oder dergleichen annehmen.
So wie sie hierin verwendet werden, bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen keinerlei Reihenfolge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der, die, das", "ein", "eine" bedeuten keine Einschränkung der Quantität, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des genannten Gegenstandes. Darüber hinaus sind alle hierin offenbarten Bereiche inklusive der Endpunkte und unabhängig kombinierbar.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum reversiblen und bedarfsabhängigen Erhöhen der Energieabsorptionsfähigkeit in einer Haube im Allgemeinen, dass ein Aktivierungssignal mit einer Aktivierungsvorrichtung erzeugt wird, das Aktivierungssignal an das aktive Material angelegt wird und ein Zwischenraumabstand zwischen der Haube und einem darunter liegenden Bauteil erhöht wird. Das Erzeugen des Aktivierungssignals kann das Erfassen eines Aufprallereignisses, das Erfassen eines unmittelbaren Bevorstehens eines Aufprallereignisses, eine manuelle Aktivierung durch einen Insassen, eine elektronische Aktivierung durch ein eingebautes logisches Steuerungssystem auf der Basis von Eingängen, wie etwa beispielsweise die Aktivierung eines Fahrzeugstabilitätsverbesserungssystems (VSES von vehicle stability enhancement system), das Ein- oder Ausschalten der Zündung, die Aktivierung einer Antiblockierbremse und dergleichen, umfassen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Haubenhubmechanismus im Allgemeinen eine Aktivierungsvorrichtung, und das aktive Material in Wirkverbindung mit der Haube, wobei das aktive Material eine Eigenschaftsveränderung erfährt, die zu einem erhöhten Zwischenraumabstand zwischen der Haube und dam darunter liegenden Bauteil führt.
Die Aktivierungsvorrichtung dient dazu, selektiv das Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen. Das Aktivierungssignal, das von der Aktivierungsvorrichtung geliefert wird, kann ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal und dergleichen und Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden Signale umfassen, wobei das besondere Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Ausgestaltung des aktiven Materials abhängt. Beispielsweise kann ein magnetisches und/oder ein elektrisches Signal zur Veränderung der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus magnetostriktiven Materialien gefertigt ist, angelegt werden. Ein Wärmesignal kann zum Verändern der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus Formgedächtnislegierungen und/oder Formgedächtnispolymeren gefertigt ist, angelegt werden. Ein elektrisches Signal kann zum Verändern der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus elektroaktiven Materialien, Piezoelektrika, Elektrostatika und/oder Verbundmaterialien aus ionischem Polymer und Metall gefertigt ist, angelegt werden.
Wunschgemäß bleibt die Veränderung in der Eigenschaft des aktiven Materials für die Dauer des angelegten Aktivierungssignals bestehen. Ebenfalls wunschgemäß kehrt bei Unterbrechung des Aktivierungssignals die Eigenschaft im Wesentlichen zu ihrer ursprünglichen Form vor der Veränderung zurück. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise eine Reversibilität auftreten.
Abhängig von dem besonderen gewählten Haubenhubmechanismus, kann das aktive Material einen erhöhten Zwischenraumabstand über eine Ver änderung in einer Haubenform (d.h. Geometrie), einer Haubenlage, einer Haubenorientierung oder einer Kombination mit mindestens einer der vorstehenden Veränderungen bereitstellen. Bevor das aktive Material den erhöhten Zwischenraumabstand bereitstellt, befindet sich die Haube in der so genannten "Ruheposition". Wenn das aktive Material den erhöhten Zwischenraumabstand bereitgestellt hat, sagt man, dass sich die Haube in einer "Hubposition" oder "angehobenen Position" befindet. Die Haube kann sich aus der Ruheposition in die Hubposition durch ein aktives und/oder ein passives Mittel verändern, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
In manchen Ausführungsformen kann sich die Haube aus der Ruheposition in die Hubposition durch einen aktiven Haubenhubmechanismus verändern. Aktive Haubenhubmechanismen umfassen direkte, zusammengesetzte und indirekte aktive Haubenhubmechanismen.
Bei direkten Mechanismen wirkt das aktive Material direkt auf die Haube, um den erhöhten Zwischenraumabstand bereitzustellen. Geeignete direkte aktive Haubenhubmechanismen umfassen Linearstabmechanismen, Torsionsstabmechanismen, Knickdrahtmechanismen und dergleichen.
Beispielsweise zeigt 1 einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus 10 mit Linearstab in der Ruheposition und der Hubposition. Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Ein Hebestab 24 ist an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. Ein aktives Material 18 ist an dem Hebestab 24 angeordnet. Ein Verbinder 22 ist mit aktiven Material 18 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Hebestab 24 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Ver binder 22 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt), die sich an einer festen Stelle befindet, bereit. Ein Zwischenraumabstand 20 ist als ein Abstand zwischen der Haube 12 und einem Bauteil mit starrem Körper 16 unter der Haube, z.B. einem Motor, definiert. In der Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine lineare Zugkraft auf den Hebestab 24 aus, was zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 aufgrund einer Veränderung in der Haubenlage führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der Hubposition. Wenn beispielsweise das aktive Material eine Formgedächtnislegierung oder ein Formgedächtnispolymer ist, kann das Aktivierungssignal ein thermisches Signal umfassen, das eine Kontraktion der Formgedächtnislegierung oder des Formgedächtnispolymers bewirkt, die zu einer Veränderung in der Haubenlage führt.
Alternativ können mehrere Hebestäbe parallel verwendet werden, um eine Veränderung sowohl der Haubenlage als auch der Haubenorientierung zu ermöglichen.
In einer anderen Ausführungsform kann der Hebestab 24 aktives Material 18 substituieren und ist aus einem aktiven Material gebildet. Alternativ kann der Hebestab 24 ein aktives Material umfassen, das wahlweise das gleiche aktive Material ist, das in dem aktiven Material 18 verwendet wird.
2 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus mit Torsionsstab 50 in der Ruheposition und der Hubposition. Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Die Drehung des Drehpunktes 14 wird durch einen Torsionsstab (nicht gezeigt) gesteuert. Der Torsionsstab ist mit dem aktiven Material (nicht gezeigt) gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. In der Ruheposition, die in 2 als gestrichelte Haube 12 gezeigt ist, ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Erzeugen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material bewirken eine Veränderung in der Eigenschaft des aktiven Materials. Wenn die Veränderung in der Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material eine Drehkraft auf den Torsionsstab aus, die zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 aufgrund einer Veränderung in der Haubenlage führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der Hubposition, die in 2 als schraffierte Haube 12 gezeigt ist.
3 zeigt einen beispielhaften Haubenhubmechanismus mit Knickdraht 100 in der Ruheposition und der Hubposition. Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende, der ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereitstellt. Aktives Material 18 ist an der Haube 12 an dem gleichen Ende wie der Drehpunkt 14 fest angebracht. An einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 ist aktives Material 18 mit einem Verbinder 112 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder 112 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an der Haube 12 und an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. Ein vorbestimmter Knickpunkt 114 ist an einer Position an der Haube 12 zwischen dem Drehpunkt 14 und dem Verbinder 112 angeordnet. In der Ruheposition, die in 3 als gestrichelte Haube 12 gezeigt ist, ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine lineare Zugkraft auf die Haube 12 aus, die dazu führt, dass die Haube 12 an dem vorbestimmten Knickpunkt 114 abknickt, und die zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubengeometrie und Haubenorientierung, die in 3 als schraffierte Haube 12 gezeigt ist.
In einer anderen Ausführungsform kann aktives Material 18 fest an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angebracht sein; und mit dem Verbinder 112 an dem gleichen Ende wie der Drehpunkt 14 gekoppelt sein und mit diesem in Wirkverbindung stehen.
Bei Verbundmechanismen ist das aktive Material 18 in der Haube 12 einbettet. Geeignete aktive Haubenhubmechanismen mit Verbund umfassen Mechanismen mit sich wölbender Außenfläche, Federschichtmechanismen und dergleichen. 4 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismen mit sich wölbender Außenfläche 150 in der Ruheposition (4A) und der Hubposition (4B). Die Haube 12 umfasst einen äußeren Abschnitt 164 und einen inneren Abschnitt 166 sowie einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Aktives Material 18 ist in dem äußeren Abschnitt 164 der Haube 12 eingebettet. Aktives Material 18 ist an der Haube 12 an dem gleichen Ende wie der Drehpunkt 14 fest angebracht. An einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 ist aktives Material 18 mit dem Verbinder 162 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder 162 stellt ein Anbringungsmittel für das aktive Material 18 an dem äußeren Abschnitt 164 der Haube 12 und an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 4A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in der Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine Zugkraft aus, die dazu führt, dass der äußere Abschnitt 164 der Haube 12 sich von dem starren Körper 16 unter der Haube weg wölbt, und die zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 4B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubengeometrie und/oder Haubenorientierung. Wenn beispielsweise das aktive Material eine Formgedächtnislegierung ist, kann das Aktivierungssignal ein Wärmesignal umfassen, das eine Kontraktion der Formgedächtnislegierung bewirkt, die zu einer Veränderung in der Haubengeometrie und/oder Orientierung führt.
In einer anderen Ausführungsform wölben sich sowohl der äußere Abschnitt 164 als auch der innere Abschnitt 166 der Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weg, wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist. Alternativ kann die Haube 12 einen einzigen Abschnitt umfassen, der sich von dem starren Körper 16 unter der Haube weg wölbt, wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist.
5 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus mit Federschichtaufbau 200 in der Ruheposition (5A) und der Hubposition (5B). Die Haube 12 umfasst einen äußeren Abschnitt 212 und einen inneren Abschnitt 214, wobei eine oder mehrere Federn 204 dazwischen angeordnet sind. Die eine oder die mehreren Federn 204 üben eine Druckkraft auf den äußeren Abschnitt 212 der Haube 12 von dem inneren Abschnitt 214 der Haube 12 weg aus. Die eine oder die mehreren Federn 204 werden durch das aktive Material (nicht gezeigt), welches in der Haube 12 eingebettet ist, zusammengedrückt. In der in 5A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material bewirkt eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, gibt das aktive Material die eine oder die mehreren Federn 204 frei, was dazu führt, dass der äußere Abschnitt 212 der Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weg geschoben wird, und was zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 5B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubenlage.
In einer anderen Ausführungsform sind die eine oder die mehreren Federn 204 aus einem aktiven Material gebildet. Alternativ können die eine oder die mehreren Federn 204 ein aktives Material umfassen, das wahlweise das gleiche aktive Material ist, das in der Haube 12 eingebettet ist, falls dieses vorhanden ist.
Bei indirekten Mechanismen wirkt das aktive Material indirekt auf die Haube über ein Hebelmaterial. Geeignete indirekte aktive Haubenhubmechanismen umfassen Hebelmechanismen, Keilmechanismen, Nockenmechanismen und dergleichen.
6 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus mit Hebel 250 in der Ruheposition (6A) und der Hubposition (6B). Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Ein Hebel 264 ist an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 ist aktives Material 18 an dem Hebel 264 angeordnet. Der Hebel 264 kann um einen Hebeldrehpunkt 266 rotieren. Ein Verbinder 262 ist mit dem aktiven Material 18 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Hebel 264 gekoppelt und steht damit in Wirkverbindung. Der Verbinder 262 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 6A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine lineare Zugkraft auf den Hebel 264 aus, der um Hebeldrehpunkt 266 rotiert, um den Zwischenraumabstand 20 zu erhöhen, und verändert die Haubenlage. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 6B gezeigten Hubposition.
7 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus mit Keil 300 in der Ruheposition (7A) und der Hubposition (7B). Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Ein Keil 314 ist in der Nähe der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 304 angeordnet. Aktives Material 18 ist fest an dem Keil 314 angebracht. An einem Ende entgegengesetzt zu dem Keil 314 und dem gleichen wie Drehpunkt 14 ist aktives Material 18 mit einem Verbinder 312 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder 312 stellt ein Anbringungsmittel für das aktive Material 18 an der Haube 12 und an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 7A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine lineare Zugkraft auf den Keil 314 in Richtung des Verbinders 312 aus, die zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 7B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubenlage.
In einer anderen Ausführungsform kann aktives Material 18 fest an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Keil 314 angebracht sein; und mit dem Verbinder 312 an dem Keil 314 gekoppelt sein und mit diesem in Wirkverbindung stehen.
8 zeigt einen beispielhaften aktiven Haubenhubmechanismus mit Nocken 350 in der Ruheposition (8A) und der Hubposition (8B). Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Ein Nocken 364 ist an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 ist aktives Material 18 mit dem Nocken 364 an einem Nockendrehpunkt 366 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Nocken 364 kann um den Nockendrehpunkt 366 rotieren. Der Verbinder 362 ist mit aktivem Material 18 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Nocken 364 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder 362 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 8A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, übt das aktive Material 18 eine lineare Zugkraft auf den Nocken 364 aus, der um den Nockendrehpunkt 366 rotiert, um den Zwischenraumabstand 20 zu erhöhen, und verändert die Haubenlage. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 8B gezeigten Hubposition.
In einer anderen Ausführungsform könnte der Nocken durch einen Torsionsstift, der beispielsweise aus SMA hergestellt ist, gedreht werden; um die Haube anzuheben, wenn die SMA erwärmt wird. Eine Torsionsfeder könnte den Nocken zurücksetzen, wenn die SAM abgekühlt wird. Das Nockenprofil könnte mit einer flachen Oberseite oder einer Kerbe konstruiert sein, so dass die Haube in der angehobenen Position gehalten werden könnte.
In manchen Ausführungsformen kann ein passiver Haubenhubmechanismus angewandt werden, bei dem Nutzen aus gespeicherter Energie gezogen wird, um die Veränderung aus der Ruheposition in die Hubposition zu bewirken. Passive Haubenhubmechanismen umfassen externe und in der Haube befindliche passive Haubenhubmechanismen.
Bei externen Mechanismen gibt das aktive Material 18 Energie frei, die in einer externen Vorrichtung, wie beispielsweise einer Feder; gespeichert ist. Geeignete externe passive Haubenhubmechanismen umfassen Schraubenfedermechanismen, Blattfedermechanismen und dergleichen.
9 zeigt einen beispielhaften passiven Haubenhubmechanismus mit Schraubenfeder 400 in der Ruheposition (9A) und der Hubposition (9B). Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Eine oder mehrere Schraubenfedern 414 sind an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 404 angeordnet. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 sind die eine oder die mehreren Schraubenfedern 414 an der Fahrzeugkarosserie angeordnet. Die eine oder die mehreren Schraubenfedern 414 üben eine Druckkraft auf die Haube 12 von der Fahrzeugkarosserie weg aus. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 und dem glei chen Ende wie die Fahrzeugkarosserie ist aktives Material 18 mit der einen oder den mehreren Schraubenfedern 414 gekoppelt und steht mit dieser/diesen in Wirkverbindung. Die eine oder mehreren Schraubenfedern 414 werden durch das aktive Material (nicht gezeigt) zusammengedrückt. Ein Verbinder 412 ist mit aktivem Material 18 an einem Ende entgegengesetzt zu der einen oder zu den mehreren Schraubenfedern 414 gekoppelt und steht mit dieser/diesen in Wirkverbindung. Der Verbinder 412 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 9A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, gibt das aktive Material 18 die einen oder die mehreren Schraubenfedern 414 in eine nicht zusammengedrückte Position frei, was dazu führt, dass die Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weggedrückt wird, und was zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 9B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubenlage.
In einer anderen Ausführungsform können die eine oder die mehreren Schraubenfedern 414 aus einem aktiven Material gebildet sein, das gleich oder verschieden ist von dem aktiven Material 18, falls dieses vorhanden ist.
10 zeigt einen beispielhaften Haubenhubmechanismus mit Blattfeder 450 in der Ruheposition (10A) und der Hubposition (10B). Die Haube 12 umfasst einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Eine oder mehrere Blattfedern 464 sind fest an einem Ende an der Haube 12 an dem gleichen Ende wie der Drehpunkt 14 angebracht. Die eine oder die mehreren Blattfedern 464 werden an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 gegen die Haube 12 unter Spannung gehalten. Aktives Material 18 ist mit der einen oder den mehreren Blattfedern 464 an dem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Aktives Material 18 stellt ein Anbringungsmittel für die eine oder die mehreren Blattfedern 464 an der Haube 12 bereit. An einem Ende entgegengesetzt zu der einen oder den mehreren Blattfedern 464 ist aktives Material 18 mit einem Verbinder 462 gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder 462 stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 10A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, gibt das aktive Material 18 die eine oder die mehreren Blattfedern 464 von der Haube 12 frei, was dazu führt, dass sich die Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weg wölbt, und was zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 10B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubengeometrie und Haubenlage.
Mit den in der Haube befindlichen Mechanismen gibt das aktive Material 18 Energie frei, die in einer Anordnung der Haube 12 vor der Zusammendrückung gespeichert ist. Geeignete in der Haube befindliche passive Haubenhubmechanismen umfassen Mittenverriegelungsmechanismen, Endverriegelungsmechanismen und dergleichen.
11 zeigt einen beispielhaften passiven Haubenhubmechanismus mit Mittenverriegelung 500 in der Ruheposition (11A) und der Hubposition (11B). Die Haube 12 umfasst einen äußeren Abschnitt 514 und einen inneren Abschnitt 516 sowie einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Aktives Material 18 ist an irgendeiner Position an der Haube 12 zwischen dem Drehpunkt 14 und einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. Aktives Material 18 ist mit der Haube 12 gekoppelt und steht mit dieser in Wirkverbindung. Aktives Material 18 stellt ein Anbringungsmittel für den äußeren Abschnitt 514 und den inneren Abschnitt 516 der Haube 12 bereit. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 ist aktives Material 18 mit einem Verbinder (nicht gezeigt) gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 10A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal. Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirkt eine Veränderung in der Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der Eigenschaft bewirkt ist, wird das Freigeben des äußeren Abschnitts 514 der Haube 12 von dem inneren Abschnitt 516 der Haube 12 bewirkt, was dazu führt, dass sich der äußere Abschnitt 514 der Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weg wölbt, und was zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 11B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubengeometrie und/oder Haubenorientierung.
12 zeigt einen beispielhaften passiven Haubenhubmechanismus mit Endverriegelung 550 in der Ruheposition (12A) und der Hubposition (12B). Die Haube 12 umfasst einen äußeren Abschnitt 564 und einen inneren Abschnitt 566 sowie einen Drehzapfenpunkt 14 an einem Ende. Der Drehpunkt 14 stellt ein Anbringungsmittel für die Haube 12 an einer Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) bereit. Aktives Material 18 ist an der Haube 12 an einem Ende entgegengesetzt zu dem Drehpunkt 14 angeordnet. Aktives Material 18 ist mit der Haube 12 gekoppelt und steht mit dieser in Wirkverbindung. Aktives Material 18 stellt ein Anbringungsmittel für den äußeren Abschnitt 564 und den inneren Abschnitt 566 der Haube 12 bereit. An einem Ende entgegengesetzt zu der Haube 12 ist aktives Material 18 mit einem Verbinder (nicht gezeigt) gekoppelt und steht mit diesem in Wirkverbindung. Der Verbinder stellt ein Anbringungsmittel für aktives Material 18 an einer Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereit. In der in 12A gezeigten Ruheposition ist der Zwischenraumabstand 20 minimal.
Das Herstellen des Aktivierungssignals mit der Aktivierungsvorrichtung (nicht gezeigt) und das Anlegen des Aktivierungssignals an das aktive Material 18 bewirken eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials 18. Wenn die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft bewirkt ist, wird das Freigeben des äußeren Abschnitts 564 der Haube 12 von dem inneren Abschnitt 566 der Haube 12 bewirkt, das dazu führt, dass sich der äußere Abschnitt 564 der Haube 12 von dem starren Körper 16 unter der Haube weg wölbt, und das zu einem erhöhten Zwischenraumabstand 20 führt. Unter diesen Umständen befindet sich die Haube 12 nicht länger in der Ruheposition sondern in der in 12B gezeigten Hubposition aufgrund einer Veränderung in der Haubengeometrie und/oder Haubenorientierung.
Die in den 1–12 gezeigten Haubenhubmechanismen sind lediglich beispielhaft und sollen nicht auf irgendeine besondere Form, Größe, Ausgestaltung, Materialzusammensetzung oder dergleichen beschränkt sein. Obwohl die beschriebenen Haubenhubmechanismen einen Drehpunkt an einem Ende der Haube aufweisen, umfassen andere Ausführungsformen mehrere Drehpunkte an einem oder mehr als einem Ende der Haube 12, um ein Anheben von irgendeinem Ende auf der Basis der Notwendigkeit einer erhöhten Energieabsorption an diesen Enden an einem gegebenen Punkt zu ermöglichen. Ein Haubenhubmechanismus kann derart implementiert werden, dass ein einzelnes diskretes Mittel bereitgestellt wird, um einen erhöhten Zwischenraum oder eine erhöhte Energieabsorption vorzusehen; oder es kann mehr als ein Hubmechanismus von einem oder mehreren Typen implementiert werden, um mehrere Mittel für einen erhöhten Zwischenraum oder eine erhöhte Energieabsorption vorzusehen. In anderen Ausführungsformen können die aktiven Materialien durch Verriegelungen auf der Basis von aktivem Material ersetzt werden, wobei die aktiven Materialien das Einrücken und Ausrücken der Verriegelungen bewirken.
So wie es zuvor beschrieben wurde, umfassen beispielhafte aktive Materialien, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische Materialien, magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), und elektrorheologische Fluide (ER).
Geeignete Formgedächtnislegierungen können einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen ihr eigenen (intrinsischen) Zweiwegeeffekt oder einen äußeren (extrinsischen) Zweiwege-Formgedächtniseffekt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und dem Verarbeitungsverlauf zeigen. Die zwei Phasen, die in Formgedächtnislegierungen auftreten, werden häufig als Martensit- und Austenitphasen bezeichnet. Die Martensitphase ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen vorliegt. Die Austenitphase, die festere Phase der Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Formgedächtnismaterialien, geformt aus Formgedächtnislegierungszusammensetzungen, welche Einweg-Formgedächtniseffekte zeigen, formen sich nicht automatisch wieder um, und sie erfordern wahrscheinlich in Abhängigkeit von der Auslegung des Formgedächtnismaterials eine äußere mechanische Kraft, um die Formorientierung, welche zuvor gezeigt wurde, wieder anzunehmen. Formgedächtnismaterialien, die einen eigenen Formgedächtniseffekt zeigen, werden aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die sie selbst automatisch umformen wird.
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 kann sie beispielsweise von oberhalb von etwa 100°C bis unterhalb etwa –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 in starkem Masse über den ihre Um wandlung überspannenden Temperaturbereich, wobei typischerweise das Formgedächtnismaterial mit Formgedächtniseffekten wie auch hoher Dämpfungskapazität geliefert wird. Die eigene hohe Dämpfungskapazität der Formgedächtnislegierungen kann verwendet werden, um die energieabsorbierenden Eigenschaften weiter zu erhöhen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, ohne Beschränkung: 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-Zinnlegierungen), 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 binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, sofern die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z.B. eine Veränderung in Formorientierung, Dämpfungskapazität und dergleichen. Beispielsweise ist eine Legierung auf Nickel-Titan-Basis im Handel unter der Marke NITINOL von Shape Memory Applications, Inc. erhältlich.
Andere geeignete aktive Materialien sind Formgedächtnispolymere. Ähnlich dem Verhalten einer Formgedächtnislegierung erfährt das Formgedächtnispolymer, falls die Temperatur über die Übergangstemperatur angehoben wird, auch eine Veränderung in der Formorientierung. Anders als bei SMA bewirkt das Erhöhen der Temperatur über die Übergangstemperatur hinaus einen wesentlichen Abfall des Moduls. Obgleich SMA als Stellglieder gut geeignet sind, sind SMP besser als "Umkehrstellglieder" geeeignet. D.h. indem das SMP durch Erwärmen über die Übergangstem peratur hinaus einen starken Abfall des Moduls erfährt, kann eine Freigabe der gespeicherten Energie auftreten, die von dem SMP in seiner Hochmodulform bei niedriger Temperatur blockiert wird. Zur Einstellung der permanenten Form des Formgedächtnispolymers muss das Polymer bei ungefähr dem oder oberhalb der Tg oder des Schmelzpunktes des harten Segmentes des Polymers sein. "Segment" bezieht sich auf einen Block oder eine Folge von Polymer bildendem Teil des Formgedächtnispolymers. Die Formgedächtnispolymere werden bei der Temperatur mit einer aufgebrachten Kraft gefolgt von Abkühlen zur Annahme der permanenten Form geformt. Die zur Einstellung der permanenten Form erforderliche Temperatur liegt bevorzugt zwischen etwa 100°C bis etwa 300°C. Das Einstellen der temporären Form des Formgedächtnispolymer erfordert, dass das Formgedächtnispolymermaterial auf eine Temperatur bei dem oder oberhalb der Tg oder der Übergangstemperatur des weichen Segmentes, jedoch unterhalb der Tg oder des Schmelzpunktes des harten Segments gebracht wird. Bei der Übergangstemperatur des weichen Segmentes (auch bezeichnet als "erste Übergangstemperatur") wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers eingestellt, gefolgt von Abkühlen des Formgedächtnispolymers zum Verbleib in der temporären Form. Die temporäre Form wird so lange beibehalten, wie sie unterhalb der Übergangstemperatur des weichen Segmentes verbleibt. Die permanente Form wird wieder erlangt, wenn die Formgedächtnispolymerfasern erneut auf die oder über die Übergangstemperatur des weichen Segments gebracht werden. Wiederholung der Stufen des Erhitzens, Formgebens und Abkühlens kann die temporäre Form wieder einstellen. Die Übergangstemperatur des weichen Segmentes kann für eine besondere Anwendung durch Modifizieren der Struktur und der Zusammensetzung des Polymers ausgewählt werden. Die Übergangstemperaturen des weichen Segments liegen im Bereich von etwa –63°C bis über etwa 120°C.
Formgedächtnispolymere können mehr als zwei Übergangstemperaturen aufweisen. Eine Formgedächtnispolymerzusammensetzung, welche ein hartes Segment und zwei weiche Segmente umfasst, kann drei Übergangstemperaturen besitzen: die höchste Übergangstemperatur für das harte Segment und eine Übergangstemperatur für jedes weiche Segment.
Die meisten Formgedächtnispolymere zeigen einen "Einweg"-Effekt, bei welchem das Formgedächtnispolymere eine permanente Form zeigt. Beim Erhitzen des Formgedächtnispolymers über die erste Übergangstemperatur wird die permanente Form erreicht, und die Form kehrt nicht zu der temporären Form ohne Anwendung von äußeren Kräften zurück. Als eine Alternative können einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen hergestellt werden, um einen "Zweiwege"-Effekt zu zeigen. 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 kombiniert, oder sie sind sich durchdringende Netze, in welchen zwei Komponenten vernetzt sind jedoch nicht miteinander vernetzt sind. 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 mechanischen Eigenschaften von einer Komponente ("Komponente A") beinahe unabhängig von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente ("Komponente B") hängen 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 Vorrichtung mit Zweiwege-Gedächtnis kann dadurch hergestellt werden, dass die permanente Form von Komponente A ("erste permanente Form") eingestellt wird, die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente B ("zweite permanente Form") deformiert wird und die permanente Form der Komponente B unter Anlage einer Spannung an die Komponente fixiert wird.
Ähnlich den Formgedächtnislegierungsmaterialien können Formgedächtnispolymere in vielen unterschiedlichen Formen und Ausgestaltungen konfiguriert sein. Die Temperatur, welche zur Formwiederherstellung erforderlich ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber eingestellt 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 für die Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung geringer als oder gleich etwa 120°C, stärker bevorzugt geringer als oder gleich etwa 90°C und am stärksten bevorzugt geringer als oder gleich etwa 70°C.
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 zur Formung eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Poly(aminosäuren), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen: Poly(methylmethacrylat), Poly(ethylmethacrylat), Poly(butylmethacrylat), Poly(isobutylmethacrylat), Poly(hexylmethacrylat), Poly(isodecylmethacrylat), Poly(laurylmethacrylat), Poly(phenylmethacrylat), Poly(methylacrylat), Poly(isopropylacrylat), Poly(isobutylacrylat) und Poly(octadecylacrylat). Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen: Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat, Polyethylen, Poly(ethylenoxid)-poly(ethylenterephthalat), Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, Poly(norbornyl-polyhedral-oligomeres-silsesquioxan), Polyvinylchlorid, Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere und dergleichen.
Das Formgedächtnispolymer oder die Formgedächtnislegierung können mittels beliebiger geeigneter Vorrichtungen aktiviert werden, bevorzugt einer Vorrichtung, um das Material einer Temperaturänderung über oder unter eine Übergangstemperatur zu unterwerfen. Beispielsweise kann für erhöhte Temperaturen Wärme unter Verwendung von heißem Gas (z.B. Luft), Dampf, heißer Flüssigkeit oder elektrischem Strom angeliefert werden. Die Aktivierungsmittel können beispielsweise in Form von Wärmeleitung aus einem Heizelement in Kontakt mit dem Formgedächtnismaterial, durch Wärmekonvektion aus einer erhitzten Leitung in der Nähe des thermisch aktiven Formgedächtnismaterials, ein Heißluftgebläse oder einen Heißluftstrom, durch Mikrowelleneinwirkung, durch Widerstandserhitzung und dergleichen gegeben sein. Im Fall eines Temperaturabfalls kann Wärme unter Verwendung von kaltem Gas oder durch Verdampfung eines Kühlmittels entzogen werden. Die Aktivierungsvorrichtung kann beispielsweise in Form eines kalten Raumes oder einer kalten Umhüllung oder einer kalten Sonde mit einer gekühlten Spitze, einem Steuersignal zu einer thermoelektrischen Einheit, einem Kaltluftgebläse oder Kaltluftstrom oder Mittel zur Einführung eines Kühlmittels (beispielsweise von flüssigem Stickstoff) wenigstens in die Nähe des Formgedächtnismaterials vorliegen.
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-Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht darauf beschränkt sein: ferromagnetische oder paramagnetische Teilchen, dispergiert in einem Trägerfluid. Geeignete Teilchen umfassen: Eisen, Eisenlegierungen wie solche unter Einschluss von Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer; Eisenoxide einschließlich Fe₂O₃, und Fe₃O₄, Eisennitrid, Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel und Legierungen von Nickel, Kobalt und Legierungen von Kobalt, Chromdioxid, rostfreier Stahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele von geeigneten Teilchen umfassen: Reineisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen von Eisenoxidpulver/Reineisenpulver und Mischungen von Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzug tes magnetisch ansprechendes teilchenförmiges Material ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Teilchengröße sollte derart ausgewählt sein, dass die Teilchen Multibereichseigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Mittlere Abmessungsgrößen für Teilchen können geringer als oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer mehr bevorzugt sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Teilchenabmessung von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 mehr bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Teilchen sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Vol.-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Silikoncopolymere, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle, halogenierte organische Flüssigkeiten wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe, Diester, Polyoxyalkylene, fluorierte Silikone, Cyanoalkylsiloxane, Glycole, synthetische Kohlenwasserstofföle einschließlich ungesättigten und gesättigten sowie Kombinationen, welche wenigstens eines der zuvor genannten Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann geringer als oder gleich etwa 100000 Centipoise sein, wobei weniger als oder gleich etwa 10000 Centipoise bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 1000 Centipoise mehr bevorzugt sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt sind.
Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere solche, welche hydrophile Mineraltone wie Bentonit oder Hectorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann umfassen: Wasser oder Wasser, welches eine kleine Menge von polaren, mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglycol, Propylenglycol und dergleichen umfasst. Die Menge von polaren organischen Lösungsmitteln ist geringer als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids und bevorzugt weniger als oder gleich etwa 3,0 %. Ebenfalls ist die Menge von polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1 % und stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Vol.-% des gesamten MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt geringer als oder gleich etwa 13 und bevorzugt geringer als oder gleich etwa 9,0. Ebenfalls ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer als oder gleich etwa 8,0.
Es kann natürlicher oder synthetischer Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist geringer als oder gleich etwa 10 Gew.-% des gesamten MR-Fluids, bevorzugt weniger als oder gleich etwa 8,0 Gew.-% und stärker bevorzugt geringer als oder gleich etwa 6,0 Gew.-%. Bevorzugt liegt der Bentonit oder Hectorit mit größer als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Gew.-% und besonders bevorzugt größer als oder gleich etwa 2,0 Gew.-% des gesamten MR-Fluids vor.
Optionale Komponenten des MR-Fluids umfassen: Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispersionsmittel, Korrosionsinhibitoren, Gleitmittel, Antiverschleißzusätze für extremen Druck, Antioxidantien, thixotrope Mittel und konventionelle Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen: Eisenoleat, Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat, sowie Tenside wie Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerinmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische polymere Ester, und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkupplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole wie Polyethylenglycol und partiell veresterte Polyole können ebenfalls enthalten sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, eine elastische Polymermatrix mit einer Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Teilchen, wobei die Teilchen oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt; Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
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 Ansprechen auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Beanspruchungen in Richtungen in der Ebene ausdehnen oder zusammenziehen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven gepfropften Elastomers mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluoridtrifluorethylen)-copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit zur Erzeugung einer variierenden Menge von ferroelektrischen-elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktives Stellglied betrieben werden. Die Aktivierung eines auf EAP basierenden Polsters benutzt bevorzugt ein elektrisches Signal, um eine Veränderung in der Formorientierung herbeizuführen, welche zur Herbeiführung von Verschiebung ausreicht. Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung an das EAP kann einen reversiblen Sprungmechanismus liefern.
Materialien, die zur Verwendung als das elektroaktive Polymer geeignet sind, können irgendein im Wesentlichen isolierendes Polymer oder 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.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis von einer oder mehreren Materialeigenschaften 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 etwa 100 MPa aufweist. In anderen Ausführungsformen ist das Polymer derart gewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 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 aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnfilme gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
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, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder von diesem eine geeignete Spannung 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 variie renden 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.
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 mit besonderen Polymeren gut funktionieren und mit anderen möglicherweise nicht so gut funktionieren. Beispielsweise funktionieren Kohlenstofffibrillen gut mit Acrylelastomerpolymeren, während sie mit Silikonpolymeren nicht gut funktionieren.
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. Wie er hierin benutzt wird, wird der Ausdruck "piezoelektrisch" zur Beschreibung eines Materials verwendet, welches sich mechanisch deformiert (die Form verändert), wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder welches umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch deformiert wird. Bei Anwendung des piezoelektrischen Materials wird ein elektrisches Signal für die Aktivierung benutzt. Bei Aktivierung kann das piezoelektrische Material eine Verschiebung in den mit Energie beaufschlagten Zustand bewirken. Bei Unterbrechung des Aktivierungssignals werden die Streifen ihre ursprüngliche Formorientierung, z.B. eine gerade gerichtete Formorientierung, annehmen.
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.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen 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 Knickung oder Auslenkung führt, wenn er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Stellgliedbewegung für einen Unimorph kann Zusammenziehung oder Ausdehnung sein. Unimorphe Teile können eine Dehnung bis zu einer Höhen von etwa 10 % zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten. Ein kommerzielles Beispiel eines vorgespannten unimorphen Teiles wird als "THUNDER" bezeichnet, wobei dies eine Abkürzung ist für "THin layer composite UNimorph ferroelectric Driver and sEnsoR". THUNDER ist eine Verbundstruktur, die mit einer piezoelektrischen Keramikschicht aufgebaut ist (beispielsweise Bleizirkonattitanat), welche an ihren zwei Hauptflächen elektroplatiert ist. Eine Vorspannungsschicht aus Metall ist an der elektroplattierten Oberfläche auf mindestens einer Seite der keramischen Schicht mittels einer Klebstoffschicht befestigt (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 sich die Klebstoffschicht 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.
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 Unimorph-Struktur standhalten.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien können alle polymeren Materialien mit einer nicht-zentrosymmetrischer Struktur und Gruppe/n mit großem Dipolmoment auf der Hauptkette oder auf der Seitenkette oder auf beiden Ketten innerhalb des Moleküls als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten Polymeren umfassen beispielsweise, sind jedoch nicht darauf beschränkt: Poly(natrium-4-styrolsulfonat) ("PSS"), Poly 5-119 (Poly(vinylamin)rückgrat-azochromophor) und deren Derivate, Polyfluorkohlenstoffe einschließlich Polyvinylidenfluorid ("PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid ("VDF"), Trifluorethylen (TrFE) und deren Derivate, Polychlorkohlenstoffe einschliesslich Polyvinylchlorid ("PVC"), Polyvinylidenchlorid ("PVDC") und deren Derivate Polyacrylnitrile ("PAN") und deren Derivate, Polycarbonsäuren einschließlich Poly(methacrylsäure) ("PMA") und deren Derivate, Polyharnstoffe und deren Derivate, Polyurethane ("PU") und deren Derivate, Biopolymermoleküle wie Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Membranproteine wie Phosphat-Biomoleküle, Polyaniline und deren Derivate und alle Derivate von Tetraminen, Polyimiden einschließlich Kapton-Molekülen und Polyetherimid ("PEI") und deren Derivate, alle Membranpolymere, Poly(N-vinylpyrrolidon) ("PVP") Homopolymer und seine Derivate und statistische PVP-Covinylacetat ("PVAc") Copolymere und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten, sowie Mischungen hiervon.
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; sowie Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSc 2, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon umfassen.
Vorteilhafterweise liefern die oben genannten Haubenhubmechanismen, die die hierin beschriebenen aktiven Materialien benutzen, relativ robuste Systeme im Vergleich mit Hubmechanismen gemäß dem Stand der Technik. Zusätzlich zur Bereitstellung von Reversibilität sind darüber hinaus die auf aktivem Material basierenden Stellglieder relativ kompakt und von signifikant niedrigerem Gewicht. Darüber hinaus werden Fachleute feststellen, dass die Haubenhubmechanismen, so wie sie hierin verwendet werden, derart gestaltet sein können, dass, unter anderem, ein erleichterter Betrieb und während eines Aufprallereignisses die Absorption von mehr Energie zugelassen wird. Fachleute werden auch feststellen, dass die aktiven Materialien, so wie sie hierin verwendet werden, im Allgemeinen eine Eingabe von Unfallsensoren, Vor-Unfallsensoren und eingebauten Logiksystemen zulassen.
Obwohl die Beschreibung mit Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen gegeben wurde, ist vom Fachmann zu erkennen, dass verschiedene Abänderungen durchgeführt werden können, und dass Äquivalente anstelle von Elementen hiervon ohne Abweichung vom Umfang der Beschreibung substituiert werden könnten. Zusätzlich können zahlreiche Modifikationen zur Anpassung einer besonderen Situation oder eines besonderen Materials an die Lehren der Beschreibung ohne Abweichung von dem wesentlichen Umfang hiervon durchgeführt werden. Daher soll die Beschreibung nicht auf die besondere Ausführungsform, welche als beste Art zur Durchführung dieser Beschreibung angegeben wurde, beschränkt sein, sondern die Beschreibung schließt alle Ausführungsformen, welche unter den Umfang der angefügten Ansprüche fallen, ein.
Zusammenfassung
Ein Haubenhubmechanismus zum reversiblen Erhöhen der Energieabsorptionsfähigkeit bei geeigneten Kraftniveaus einer Fahrzeughaube umfasst eine Fahrzeughaube; ein aktives Material in Wirkverbindung mit der Fahrzeughaube, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material, einen Verbund aus ionischem Polymer und Metall oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst; und eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu dient, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen und eine reversible Veränderung in einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die reversible Veränderung zu einem erhöhten Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil führt.

Claims

Fahrzeughaubenhubmechanismus, umfassend: eine Fahrzeughaube; ein aktives Material in Wirkverbindung mit der Fahrzeughaube, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material, einen Verbund aus ionischem Polymer und Metall oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst; und eine Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, wobei die Aktivierungsvorrichtung dazu dient, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material anzulegen und eine reversible Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials zu bewirken, wobei die reversible Veränderung zu einem erhöhten Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil führt.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeughaube und das darunter liegende Bauteil eine Fahrzeugfahrgastraumtür und einen Fahrzeugfahrgastraumholm, einen Motordeckel und eine Fahrzeugkarosserie, einen Gepäckraumdeckel und einen Gepäckraumholm, einen Kraftstofftankfüllstutzendeckel und eine Fahrzeugkarosserie, eine Frachtluke und eine Fahrzeugkarosserie, eine Heckklappe und eine Fahrzeugkarosserie, einen Kof ferraumdeckel und eine Fahrzeugkarosserie und ein Hubtor und eine Fahrzeugkarosserie bilden.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Eigenschaft, die eine reversible Veränderung erfährt, eine Abmessung, eine Form, eine Scherkraft, eine Formorientierung, einen Biegemodul, eine Phase eines Stoffes oder Kombinationen mit einer oder mehreren der vorstehenden Eigenschaften umfasst.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei der erhöhte Zwischenraumabstand eine Veränderung in der Haubengeometrie, eine Veränderung in der Haubenlage, eine Veränderung in der Haubenorientierung oder Kombinationen mit mindestens einer der vorstehenden Veränderungen umfasst.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei das aktive Material direkt auf die Fahrzeughaube wirkt, um den erhöhten Zwischenraumabstand bereitzustellen.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei die Fahrzeughaube das aktive Material umfasst.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei das aktive Material indirekt auf die Fahrzeughaube wirkt, um den erhöhten Zwischenraumabstand bereitzustellen.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 7, der ferner ein Hebelmaterial umfasst, um den erhöhten Zwischenraumabstand indirekt bereitzustellen.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei das aktive Material eine gespeicherte Energie freigibt, um den erhöhten Zwischenraumabstand bereitzustellen.
Fahrzeughaubenhubmechanismus nach Anspruch 1, wobei der Fahrzeughaubenhubmechanismus einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Linearstab, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Torsionsstab, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Knickung, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit sich wölbender Außenfläche, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Federschichtaufbau, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Hebel, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Keil, einen aktiven Haubenhubmechanismus mit Nocken, einen passiven Haubenhubmechanismus mit Schraubenfeder, einen passiven Haubenhubmechanismus mit Blattfeder, einen passiven Haubenhubmechanismus mit Mittenverriegelung oder einen passiven Haubenhubmechanismus mit Endverriegelung umfasst.
Verfahren, das umfasst, dass: eine Fahrzeughaube in einer Ruheposition bereitgestellt wird, wobei die Ruheposition einen minimalen Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil umfasst; ein Aktivierungssignal an ein aktives Material angelegt wird und eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials bewirkt wird, wobei das aktive Material mit der Fahrzeughaube in Wirkverbindung steht; und eine Haubengeometrie, Haubenorientierung, Haubenlage oder eine Kombination mit mindestens einer der vorstehenden Verände rungen durch die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft des aktiven Materials verändert wird, was dazu dient, die Haube aus der Ruheposition in eine Hubposition zu bewegen, wobei der Zwischenraumabstand zwischen der Fahrzeughaube und einem darunter liegenden Bauteil erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fahrzeughaube eine erhöhte Energieabsorptionsfähigkeit aufweist, wenn sie sich in der Hubposition befindet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals umfasst, dass ein Aufprallereignis erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erfassen mit einem Voraufprallsensor bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erfassen mit einem Aufprallsensor bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals eine manuelle Aktivierung, eine elektronische Aktivierung durch ein eingebautes Logiksystem oder das Ein- oder Ausschalten der Zündung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, eine mechanische Last oder eine Kombination mit mindestens einem der vorstehenden Aktivierungssignale umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung, ein Formgedächtnispolymer, ein magnetorheologisches Fluid, ein elektroaktives Polymer, ein magnetorheologisches Elastomer, ein elektrorheologisches Fluid, ein piezoelektrisches Material oder Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden aktiven Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Abmessung, eine Form, eine Scherkraft, eine Formorientierung, einen Biegemodul, eine Phase eines Stoffes oder Kombinationen mit einer oder mehreren der vorstehenden Eigenschaften umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Veränderung reversibel ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anlegen des Aktivierungssignals das Aktivieren von mehr als einem aktiven Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fahrzeughaube nach Unterbrechung des Aktivierungssignals in die Ruheposition zurückkehren kann.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fahrzeughaube und das darunter liegende Bauteil eine Fahrzeugfahrgastraumtür und einen Fahrzeugfahrgastraumholm, einen Motordeckel und eine Fahrzeugkarosserie, einen Gepäckraumdeckel und einen Gepäckraumholm, einen Kraftstofftankfüllstutzendeckel und eine Fahrzeugkarosserie, eine Frachtraumluke und eine Fahrzeugkarosserie, eine Heckklappe und eine Fahrzeugkarosserie, einen Kofferraumdeckel und eine Fahrzeugkarosserie und ein Hubtor und eine Fahrzeugkarosserie bilden.