WO2011113857A1 - Aktuator und verfahren zur ansteuerung eines aktuators zur adaption einer steifigkeit eines deformationselements - Google Patents

Aktuator und verfahren zur ansteuerung eines aktuators zur adaption einer steifigkeit eines deformationselements Download PDF

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WO2011113857A1
WO2011113857A1 PCT/EP2011/053951 EP2011053951W WO2011113857A1 WO 2011113857 A1 WO2011113857 A1 WO 2011113857A1 EP 2011053951 W EP2011053951 W EP 2011053951W WO 2011113857 A1 WO2011113857 A1 WO 2011113857A1
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WO
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actuator
shape memory
memory material
deformation
deformation element
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PCT/EP2011/053951
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Inventor
Thomas Friedrich
Joachim Breidert
Bernd Goetzelmann
Reiner Marchthaler
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Robert Bosch Gmbh
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    • B60R19/26—Arrangements for mounting bumpers on vehicles comprising yieldable mounting means
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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0258—Shape-memory metals, e.g. Ni-Ti alloys

Definitions

  • the present invention relates to an actuator according to claim 1, a method according to claim 8, a control device according to claim 9, and a computer program product according to claim 10.
  • crash box which is also referred to as an impact damper or deformation element.
  • This muffler can be either reversible (ie after an accident is a regression of the structure of the impact damper possible) or irreversibly designed (ie after an accident, the impact damper to replace). It can be installed, for example, such a crash box between the bumper cross member and a vehicle longitudinal member of a motor vehicle having a housing-like deformation profile as a folded construction made of sheet metal and a longitudinal carrier side flange plate, wherein the flange plate is formed as part of the folding structure.
  • Document DE 60 2004 008 189 T2 discloses an impact energy absorbing device when mounted in use on a vehicle body component, the device comprising one or more deformable elements of shape memory material aligned with the device for deformation by impact are.
  • each of the one or more deformable elements has a first strength level at an operating temperature of the device and a second level of strength at a higher temperature.
  • each of the one or more deformable elements is selectively heatable to the higher temperature prior to impact or at the beginning of the impact from the operating temperature to tune the energy absorbing capability of the device without altering the shape of the one or more deformable elements.
  • the present invention provides an actuator, furthermore a method and a control unit which uses this method and finally a corresponding computer program product according to the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • the present invention provides an actuator for adapting a stiffness of a deformation element, wherein the actuator comprises an element of a shape memory material as a manipulated variable generator.
  • the present invention provides a method for controlling an actuator for adapting a stiffness of a deformation element, the method having the following steps: Receiving a sensor signal representing an impact or impending impact of an object on a vehicle; and responsive to the sensor signal, outputting a drive signal to an element of a shape memory material of the actuator, which acts as a manipulated variable sender of the actuator to adjust the adaptation of the stiffness of the deformation element.
  • the present invention further provides a control unit which is designed to carry out or implement the steps of the method according to the invention. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
  • a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control signals in dependence thereon.
  • the control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • Also of advantage is a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above, when the program is executed on a control unit.
  • a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory
  • a manipulated variable generator is understood in particular to mean an active element or partial element which executes a mechanical movement in response to an electrical signal. This movement or the resulting deflection from a rest position is then tapped off and, for example, transferred to another element, so that a setting of a desired Function can be realized.
  • an actuator is understood to be an element which receives a movement of the manipulated variable generator and, by changing its position relative to the original rest position, causes a change in the rigidity of the deformation element.
  • the actuator itself, for example, another, conveniently a higher strength than that
  • the present invention is based on the finding that a technically very simple and reliable acting actuator can be produced when an element made of a shape memory material is used as a manipulated variable generator in the actuator.
  • the shape memory material may be, for example, a metallic shape memory alloy.
  • the element of the shape memory material can be subjected to electrical current and expand into a plurality of different positions or positions. This expansion of the element with the shape memory material can be effected either directly by the electric current or by heating due to the electric current from a corresponding drive signal.
  • the actuator By expansion, contraction or other deformation of the element with the shape memory material, the actuator can be set in different operating states, each causing a different stiffness of a deformation element.
  • the shape memory material may be an element of an electroactive polymer.
  • An advantage of electroactive polymers are their short activation times of a few milliseconds. Because of the well-developed relationship between the movement of the element and applied electrical voltage with moderate elasticity, partial movements are possible by different activation voltages. As a result, the mechanical structure for multi-stage actuators can be made simpler.
  • the inventive approach offers several advantages over the prior art. The first advantage resulting from the use of an element with a shape memory material is that the reversibility of the actuator is ensured after tripping. In fact, a sensor can be made very sensitive with the risk of possible false triggering.
  • a false trip is here meant an undesirable adjustment of the actuator, which can be triggered for example by a pothole in the road, or a slight collision with a garbage can or a garage door. Since the system is reversible when the element is used with the shape memory material, the actuator can be returned to its original position. The driver does not notice.
  • a second advantage is that little shape memory material needs to be used to implement the correct function of the actuator. This means that a thus constructed actuator causes low cost and low weight, which is not unimportant in view of the known C0 2 debate with respect to a low pollutant emissions of the vehicle, in which the actuator or a deformation element equipped therewith.
  • the actuator further has a movable actuator which is coupled to the element of the shape memory material and which is designed to represent a different stiffness of the deformation element in different positions along a travel path.
  • a movable actuator which is coupled to the element of the shape memory material and which is designed to represent a different stiffness of the deformation element in different positions along a travel path.
  • the actuator may be formed as a sliding ring.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage that in the case of an annular deformation element an equal rigidity of this deformation element can be set at all points. This results from the fact that in the actuator, the entire ring is displaced as a whole and thus by the shift the ring effected adaptation of the stiffness in the entire deformation element acts uniformly.
  • the actuator can be brought by means of a spring element in a rest position, the maximum
  • Stiffness of a deformable by the actuator deformation element represents. This means that the original position of the actuator when driving in flowing traffic causes a maximum stiffness of the deformation element in order to optimize a self-protection of the vehicle.
  • Such an embodiment of the present invention offers the advantage that a defined position of the actuator can be ensured if no control signal is supplied to the element with the shape memory material It is ensured that even after a one-time modulation of the element with the shape memory material (which usually has a non-linear hysteresis property), the actuator is returned to its defined rest position, at the same time ensuring that the impact damper / Deformation element has a maximum rigidity, so that in a collision with high differential speed at the same time large masses the occupants suffer as little as possible or no injuries.
  • the actuator may have a lever element coupled to the element of the shape memory material in order to increase the adjustment path for adapting the rigidity of the deformation element during deformation of the element from the shape memory material
  • the shape memory material may be formed as a wire or a bolt, and the shape memory material may be further configured to shrink (contract) upon application of a drive signal.
  • a deformation element which has an actuator according to an embodiment described above.
  • the stated advantages of using such a fast actuator can be used very well and cost effectively.
  • the present invention can be used particularly well in an application scenario in which the deformation element has a tapering force absorption structure and the actuator is designed to bring about an adaptation of a maximum force that can be absorbed by a wall of the force absorption structure.
  • the rapid response of the actuator to a drive signal can be used particularly well for accident prevention while reducing weight as described above.
  • an activation of an actuator can be provided, in which the activation energy is temporarily stored in one or more capacitors or double-layer capacitors.
  • an actuator may be provided, which further comprises at least one capacitor, in particular at least one double-layer capacitor, wherein the capacitance or the capacitor is formed and connected to the element to temporarily store activation energy for the element.
  • a deformation element can be provided which, in addition to the actuator described above, has an energy storage unit coupled to the element of the shape memory material, in particular in the form of one or more capacitors or capacitors, wherein upon activation an energy stored in the capacitors or capacitors is used to activate the element from the shape memory material. This advantageously ensures that sufficient energy is available for activation within a very short time.
  • the capacitances can also be designed as double-layer capacitors.
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the present invention
  • Figures 2a-b are sectional views of a more detailed section of a deformation element incorporating an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is an isometric cross-sectional view of an actuator having a shape memory material element in accordance with an embodiment of the present invention
  • Fig. 4a-c are schematic representations of arrangements of elements
  • Shape memory material as a manipulated variable in an actuator according to embodiments of the present invention
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a variant embodiment for increasing the adjustment path in the case of an actuator having an element made of a shape memory material as manipulated variable generator for adaptive crash structures;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of an embodiment variant for increasing the adjustment path in the case of an actuator having an element made of a shape memory material as manipulated variable generator for adaptive crash structures;
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an embodiment variant for increasing the adjustment path in the case of an actuator having an element made of a shape memory material as manipulated variable generator for adaptive crash structures;
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of an embodiment variant for increasing the adjustment path in the case of an actuator having an element made of a shape memory material as manipulated variable generator for adaptive crash structures;
  • FIG. 10 is a flowchart of an embodiment of the present invention as a method.
  • Fig. 1 1 is a schematic representation of a variant with by
  • Fig. 13 is a graph of the relationship of Aktu michsweakened (U) and
  • Fig. 14 is a schematic representation of a variant with the
  • Fig. 15 is a schematic representation of a variant with a
  • FIG. 16 is a schematic representation of an embodiment variant with a
  • Fig. 18 is a schematic representation of an embodiment variant with actuators ren with cascade elements
  • an embodiment comprises a "and / or" link between a first feature / step and a second feature / step, this can be read so that the embodiment according to an embodiment, both the first feature / the first step and the second feature / the second step and according to another embodiment either only the first feature / step or only the second feature / step.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a vehicle in which an actuator according to an embodiment of the present invention is installed.
  • a vehicle 100 is shown, which has a cross member 120 in the front region 1 10, viewed in the direction of travel 15.
  • the cross member 120 is connected via a first deformation element 130 (which is also referred to as an impact damper) with a left side member 135 of the vehicle 100.
  • the cross member 120 is connected via a second deformation element 140 (which is also referred to as an impact damper) with a right side member 145 of the vehicle.
  • a first sensor or a first sensor system 150 may be provided on the left side of the vehicle, which is designed to measure physical parameters such as acceleration or pressure in order to detect an impact of an object 170 on the vehicle 100.
  • another sensor (or sensor system) 155 may be provided on a vehicle right side that is also configured to measure physical parameters, such as acceleration or pressure, to impact an object 170 on the vehicle
  • the first sensor / the first sensor system 150 transmit a corresponding first sensor signal to an evaluation unit 160 and the second sensor / the second sensor system 155 a corresponding second sensor signal to the evaluation unit 160.
  • the sensor systems 150 and 155 are shown in FIG. 1 outside the crash structures , but they can also be placed within the crash structure.
  • the value unit 160 connected to a first actuator 162, which allows an adaptation of the rigidity of the first deformation element 130.
  • the evaluation unit 160 is connected to a second actuator 165, which allows adaptation or adaptation of the rigidity of the second deformation element 140.
  • an offset collision is detected by different parameter values of the first sensor 150 and the second 155 sensor.
  • Such an offset collision may, for example, also be referred to as an axial offset collision.
  • Deformation force acts as on the second deformation element (impact damper) 140.
  • the stiffness of the first deformation element 130 should be higher than the rigidity of the second deformation element 140 for optimum occupant protection in order to prevent vehicle rotation after collision as good as possible .
  • an adaptation of the rigidity of the second deformation element 140 takes place (in this case a reduction of the rigidity)
  • a higher impact energy can be absorbed in the first deformation element than in the second deformation element 140.
  • an adaptation of the rigidity of the second deformation element 140 takes place by the evaluation unit 160 by means of an actuation of the actuator 165 of the second deformation element with a corresponding drive signal.
  • This signal then causes an adaptation of the rigidity of the second deformation element 140, as will be described in more detail below.
  • the evaluation unit 160 can now activate a personal safety device for an occupant 180 of the vehicle, for example one that specifically effects personal protection during such lateral rotations.
  • the evaluation unit 160 activates a side airbag 185 to hold the occupant 180 in a predetermined position on a vehicle seat. If, in contrast, an overlapping area 175 is detected in the evaluation unit 160, which in the
  • the evaluation unit 160 should control the actuators 162 and 165 in such a way that the maximum structural stiffness is given by both sides if the relative collision speed is correspondingly high.
  • An important aspect of the present invention based on the principle of a shape memory material, in particular a shape memory alloy element, is to produce a fast actuator.
  • the principle for adjusting the actuator based on the shape memory alloy principle can be applied to various embodiments, such as "crash box with cutting elements", hydraulic / pneumatic crash boxes (for switching a valve) or the rejuvenation principle, ie many crash boxes in which a mechanical part for adaptation being transferred.
  • FIG. 2 shows sectional views of a more detailed section of a deformation element / impact damper having an actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2a shows a longitudinal section through a deformation element 130 (impact absorber), in which FIG
  • FIG. 2 a is a cross-sectional view through the deformation element 130 is shown.
  • FIG. 2 a shows a deformation element 130, as it is installed in the left side of the vehicle, for example, according to the illustration from FIG. 1.
  • the deformation element 130 has at least one tube-shaped part element 205, which is installed via an elastic element 207 between the cross member 120 and the left side member 135.
  • the tube-shaped sub-element 205 is pressed in the direction of the longitudinal member 135.
  • one end of the tube-shaped sub-element 205 is pressed plates on Matrizen 210, which have concentrically aligned openings.
  • the matrix plate 210 which is located closest to the side member 135 has the smallest opening and the die plate 210 which is located farthest from the side member 135 has the largest opening. Furthermore, the inner edges of the openings of the individual die plates 210 are provided with bevels, so that there is a continuous tapered total opening of the plurality of stacked die plates 210 in the direction of the longitudinal beam
  • the rigidity of the deformation element 130 can be changed by an actuator 215 having a shape memory material element as a manipulated variable emitter 220, which has an actuator 225 (which is in a simple form, for example, as a movable slide) is moved in different positions such as in a first position 230, in a second position 235 or in a third position 240.
  • the manipulated variable generator 220 can act as a type of "motor” which makes it possible to move the actuator 225 (ie the slider) .
  • the movement of the slider 225 thus enables the slider 225 to release a radial compensating movement of the die plates 210, so that these die plates 210 oppose a lower resistance to a tube-shaped subelement 205 to be moved on the longitudinal carrier 135 than would be possible without the displacement of the slide 225.
  • Shape memory material is equipped as Stellgingngeber, this Ak- tuator 215 can then respond very quickly and reversibly to a drive signal from an evaluation unit 160.
  • This evaluation unit 160 may for example be installed centrally in a vehicle, as shown by way of example in FIG. 1. Alternatively, an appropriately designed evaluation unit 160 may also be arranged in the region of the actuator 215, which would allow a shortening of the signal propagation times for corresponding drive signals.
  • FIG. 2b shows a cross-sectional view of the deformation element 130 shown in FIG. 2a.
  • a housing 250 is shown which surrounds the tube-shaped subelement 205 in an annular manner.
  • six actuators 215 are shown, which are also arranged in a ring shape around the die plates 210 with openings of different inner diameter.
  • These die plates 210 have predetermined breaking points 255 which make it possible, for example, to set a precisely defined impact energy absorption behavior.
  • the approach is disclosed in more detail, with the aid of a shape memory material (with / without translation) to realize an actuator for adjusting the stiffness of adaptive crash structures.
  • shape memory material will be further exemplified using the shape memory alloy as an example, wherein the shape memory material is not limited to a shape memory alloy.
  • the functional principle of the new actuator will be further explained by means of the rejuvenation principle.
  • such an adaptive crash structure is described in more detail on the basis of the tapering principle using the arrangement from FIG.
  • the technical objective in the embodiment of the invention presented below is to displace an actuator 225, for example an actuator ring 225, axially in a first direction (for example to the right) or a second direction (for example to the left).
  • the position of the ring 225 influences the rigidity of the adaptive crash structure 130 (i.e., the deformation element).
  • the ring 225 is thus part of the actuator 215.
  • an important aspect of the present invention consists in using an element made of a material having a shape memory (in particular special from a shape memory alloy) to move this ring according to the situational accident requirements, that is to say to realize the actuator by means of the shape memory alloy.
  • a ring 225 as an actuator and another locking or sliding element 225 could be used.
  • Shape memory alloys also abbreviated as FGL, shape memory alloy, SMA
  • FGL shape memory alloy
  • SMA shape memory alloy
  • the shape transformation of the material with the shape memory based on metallic materials on the temperature-dependent lattice transformation of two different crystal structures (allotropic transformation) of this material There is the so-called high-temperature phase, which is also referred to as austenite, and the low-temperature phase, which is also referred to as martensite. Both temperature phases can merge into each other due to temperature change or applied mechanical stress. For use as an actuator, the temperature-dependent phase transformation is used. Two types of phase transformation can be used: the so-called “one-way effect” and the "two-way effect". In the one-way effect, the twisted marititic material is converted to the austenitic phase with lower shear angles by heating.
  • an external mechanical stress is required to regain the twinned martensite.
  • the external mechanical stress can be applied by an elastic element, eg a spring or a counteracting actuator.
  • preferred marttensitic variants are imprinted by "training", whereby the material changes directly into the twinned structure during cooling without external mechanical stress.
  • the two-way effect is only of limited use for the production of mechanical work .
  • a well-known representative for the structural change between austenitic and martensitic phase is iron or steel or a nickel-titanium alloys, where it depends on the exact proportions.
  • Shape memory alloys need in each crystal system a number of equal shear systems, which result from the spatial symmetry of the unit cell. If all shears are equally distributed during a transformation, no external change in shape can be recognized. If, for example, only a few shear systems are preferred due to external forces, changes in shape are observed.
  • Shape memory materials such as shape memory alloys can transmit very large forces without conspicuous fatigue in several 100,000 cycles of motion. They are by far superior in their specific work capacity, in comparison to other actuator materials, i. Ratio of work done to material volume).
  • the ring 225 shown in Fig. 3, for example, can be moved over a wire construction, as shown in detail in FIG.
  • the (anchor) ring 225 is moved with at least one shape memory wire 220 (FGL wire), ie, a wire 220 as a shape memory material element.
  • FGL wire shape memory wire
  • These wires 220 are fixedly connected, for example, as shown in FIG. 4a, both to the ring 225 and to a part 400 which is rigidly connected to a housing of the actuator 215.
  • the wires 220 are fixed so tightly that the ring 225 shifts upon contraction of the wires 220. It should be noted that sometimes a thin wire can only poorly transmit compressive forces. The Ausknickgefahr would be very big.
  • a thick wire requires more energy to transform the crystal lattice. Therefore, pulling by pressing is preferred.
  • the provision should then allow, for example, a spring.
  • the anchor ring 225 can also be moved by at least one shape memory wire 220 (FGL wire).
  • This wire 220 is arranged in a zig-zag between ring 225 and fixed part 400 and is deflected each time on a deflection unit 430 (for example an eyelet or a joint designed for pressure transmission) on the ring 225 or on the fixed part 400.
  • a deflection unit 430 for example an eyelet or a joint designed for pressure transmission
  • FIGS. 4a and 4b thus show an actuator in which the actuator 225, which is here designed as a ring, moves in one direction, namely to the right, when the wires 220 shorten in response to a drive signal.
  • these shape memory material wires 220 may also be fixed on both sides of the ring 225 and may reset each other. Thus, it is possible to move the ring 225 from a center position to the right or to the left.
  • FIG. 4c A two-stage embodiment variant of the present invention with spring return position is shown by way of example in FIG. 4c, wherein the manipulated variable generator consists of two actuators connected in series, which move the ring 225. Springs 440 keep the wires taut and provide for a return. If only one actuator is activated, the ring 225 shifts by the length 470. If both actuators are activated, the ring 225 is shifted by the length 480 as the sum of the length changes 450 and 460 of the two
  • the ring 225 can be moved between 3 positions.When the actuators are realized with different displacement, the ring 225 can be moved in four positions There is no actuation of the actuators, actuation of the actuator with the smaller adjustment path, actuation of the actuator with the larger adjustment path and simultaneous actuation of both actuators.
  • the principle can be expanded to several stages by series connection of further actuators.
  • a plurality of smaller bolts / adjusting elements 225 can be used, which are moved via a respective shape memory wire 220. The advantage is that here the sum of the weight of the small bolts 220 is lighter than the ring, but the manufacturing costs are very similar. Such a variant is shown in FIG. 5a.
  • FIG. 6 is a sectional view of another embodiment of the present invention.
  • the ring 225 has an opening. In the opening a cone-shaped fastener is inserted, which is fixedly connected to the shape memory wire 220.
  • the shape memory wire 220 is in turn fixedly connected to the housing of the actuator 215.
  • a spring 440 holds the ring 225 or the cone-shaped element in a rest position in which the deformation element 130 has its maximum rigidity.
  • the shape memory wire 220 When the shape memory wire 220 is acted upon by an electrical control signal from a control unit, the shape memory wire 220 is shortened, thus pulling the ring 225 to the left. This leads to a reduction in the rigidity of the deformation element 130 by reducing the maximum counterforce that can be absorbed by the die plates 210 in the radial direction.
  • an actuator 215 is formed which does not work directly but with a translation.
  • the shape memory wire 220 according to this embodiment is now attached to a lever member 710 which displaces an actuator 225 (for example, the ring). This translation of the expansion path of the molding Memory wire 220 has the goal to increase the adjustment path for the actuator 225.
  • the shape memory material element 220 has been mostly adopted as a shape memory wire which contracts when a voltage is applied. Typical values for a change in length of such a wire 220 here are 5% to 10%. So this is an axial change of direction.
  • other shapes or geometries of the shape memory alloys are usable, such as a shape memory element that generates a stroke by bending, as described in more detail with reference to the sectional view of FIG. 8.
  • a shape memory element can also be used which produces a stroke in which it works like a membrane. Such a variant is shown in the sectional view of FIG. 9.
  • FIG. 8 shows a sectional representation of another embodiment variant for increasing the adjustment path in the case of actuators with an element made of a shape memory material.
  • the element 220 of the shape memory material is designed as a bending beam, in which the upper end is rigidly connected to a housing of the deformation element 130.
  • the "moveable" free end of the shape memory material element 220 is connected to the horizontally movable slider or actuator 225, which in turn is held in a rest position by the spring 440 when the shape memory material element 220 does not apply a drive signal In this position, the slider 225 is thus in a position in which the left die plate 210 is prevented from radial upward movement
  • the right die plate has no predetermined breaking point, for example, it is a solid turned part and can be full at the taper
  • the first die plate is also active in every crash in which the tube is pushed through the dies
  • the element 220 of the shape memory material in the form of the bending beam kens allows a rapid deflection of the slide 225 by a greater distance
  • the element 220 designed as a bimetal of a composite of shape memory material and material without shape memory
  • the material without shape memory can take over the provision.
  • the spring 440 can be omitted.
  • FIG. 9 shows a further sectional representation of another embodiment variant for increasing the adjustment path in the case of actuators with an element made of a shape memory material.
  • a combination of a slide 225 in conjunction with a spring 440 is again used in the embodiment according to FIG. 9, wherein the spring 440 holds the slide 225 in a rest position when the element 220 is not acted upon by the shape memory material with a control signal.
  • an element 220 of the shape memory material is now used, which is firmly clamped at two opposite ends and firmly connected to a housing of the actuator 215.
  • the element 220 of the shape memory material is then acted on by a drive signal, for example by an evaluation or control unit, then bifurcated out of the shape memory material in a central area of this element 220, whereby the two ends of the element 220 from the shape memory material are fixed on the one hand a large force can be realized in this bending and at the same time still a very precise deflection to a desired deflection distance is possible.
  • a fixation of the element 220 greatly reduces the mobility, so that the actuated force will cause substantially internal stresses. In order to achieve significant displacements, it is necessary to support element 220 on at least one side with a floating bearing.
  • a lever element 710 is used, whose first end is coupled to the element 220 of the shape memory material and its second end is coupled to the slider 225.
  • a small but precisely adjustable deflection path can be adjusted by the shape memory material element 220 to a precise position of the slider 225 along its displacement range.
  • This makes it possible in turn to provide a very fast reacting actuator 215 for adapting the rigidity of a deformation element 130.
  • all known sensor principles that are able to detect a crash can be used.
  • Predictive sensors such as radar, light and ultrasound are suitable, but also sensors such as acceleration, pressure or temperature sensors are suitable for this purpose.
  • 10 shows a flow diagram of a method 1000 for controlling an actuator for adapting a stiffness of a deformation element.
  • the method 1000 includes a step of receiving 1010 a sensor signal representing an impact or imminent impact of an object on a vehicle.
  • the method 1000 in response to the sensor signal, comprises a step of outputting a drive signal to a shape memory material element of the actuator, wherein the shape memory material element acts as a manipulated variable generator of the actuator to adjust the stiffness of the deformation element.
  • Fig. 1 1 shows a further system structure.
  • the tubular partial element of the deformation element (130) is pressed against the forming dies (210) by a deformation force (209). If the deformation force (409) is sufficiently high, the deformation element (130) is deformed on the dies (210).
  • the forming force is supported against the longitudinal member (135/145).
  • a sliding element (225), which is arranged displaceably on the dies (210), can receive, at a corresponding position (230, 235, 240), the radial forces which arise during the deformation and act on the dies (210).
  • the slide member (225) If the slide member (225) is positioned so that it can not absorb radial forces from the dies (210), the dies (210) will break and fail to reshape the deformation member (130).
  • the displacement of the sliding element (225) takes place axially parallel to the forming elements.
  • the sliding element (225) is actuated by an actuator (300) of a shape memory material, for example an electroactive polymer. Electrical connections (310) make it possible to apply an electric voltage to the actuator (215) and thereby to actuate it. In this case, the actuator lengthens (215). This change in length shifts the sliding element (225).
  • the deformation element In this position, all the breakable dies (210) are supported by the sliding element.
  • the deformation element then has the highest rigidity. That is, the deformation element can reduce the maximum possible collision energy.
  • the side of the sliding element (225) facing the longitudinal member (135/145) is in a third position (235). In this position, only a part of the breakable dies (120, 130) are supported.
  • the deformation element then has a rigidity between the highest and the lowest rigidity. That is, the deformation element can only decompose a lot of collision energy, which lies between the possible maximum and minimum amount.
  • FIG. 11 forms the reference structure for the following advantageous, alternative embodiments.
  • a first, alternative embodiment, shown in Fig. 13, has the advantage that the actuator (215) in the direction of the longitudinal member (135/145) is arranged.
  • a second, alternative embodiment, shown in FIG. 14, has the advantage that, instead of a sliding element (225), two sliding elements (225a, 225b) are used, which are displaced in the direction of the longitudinal member or the deformation element from the dies (210). be moved away.
  • a sliding element 225
  • two sliding elements 225a, 225b
  • the required displacement paths of the disk elements are reduced.
  • Fig. 14 shows a corresponding embodiment. In the event that all matrices are to be supported or should be active, there is no actuation of the actuator (215).
  • the overall length of the device according to the invention can be further reduced by the use of a diamond mesh (320) to translate the stroke of the radially acting actuators (215).
  • a diamond mesh 320
  • the diamond-shaped tissue 320 which is shown in greater detail in FIG. 16, consists of numerous individual grooves (325). Due to the tissue fibers, the side lengths of the single rhombi are almost constant. Stretching the rhombus (326) results in a reduction of the rhombic width due to the constant side lengths (327).
  • the provision of the sliding element is effected by a spring or a spring element (440).
  • the actuators made of diamond fabric of electroactive polymer must overcome at least the spring force of the spring or the spring element (440) during the actuation, ie during the displacement of the sliding element (225).
  • the pnnzip of this variant can also be applied to shape memory material.
  • the actuators are to be mounted on the outside of the diamond mesh and the support rings to be arranged inside.
  • thermal activation attention must be paid to thermal resistance of the rhomboid tissue or thermal insulation of the rhomboid tissue by a layer.
  • the aim is also to reduce the overall lengths of the device according to the invention.
  • the actuators (215) are connected in series by cascade elements (340), so that the overall length of the actuator system is only slightly longer than that of a single actuator.
  • actuators (215) of shape memory materials actuators made of electroactive polymers can also be used.
  • the material utilization of actuators of shape memory material is particularly advantageous under stress under train. Actuators made of shape memory material are therefore usually made of wire and can not absorb pressure forces. Therefore, then a provision of the sliding element is analogous to the embodiment of FIG. 15 by means of a spring or a spring element (440) required. This embodiment is not explicitly shown in FIG. 17, but results from the adaptation of the principle shown in FIG. 15 to the principle shown in FIG. 17.
  • a step-shaped design of the dies (210) and the slide members (225) is proposed to reduce the overall length of the device according to the invention. Due to the stepped design, the sliding elements must be moved with sufficient step height only in the order of one step width. The actuator length can be reduced according to the number of stages.
  • a return spring (440) keeps the sliding element (225) in a position radially supporting the die (210) in cases where the actuator (215) is not or only partially actuated.
  • stepped dies and sliding elements proposed in this alternative embodiment, in order to reduce the necessary actuator stroke, can also be used for actuators based on shape memory material or electrodynamic actuators.

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Abstract

Es wird ein Aktuator (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes (130) vorgeschlagen, wobei der Aktuator (215) ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Aktuator und Verfahren zur Ansteuerunq eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator gemäß Anspruch 1 , ein Verfahren gemäß Anspruch 8, ein Steuergerät gemäß Anspruch 9, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 10.
Seit der Einführung der Fahrgastzelle hat sich die Fahrzeugsicherheit deutlich weiterentwickelt. Durch die aktive und passive Sicherheit konnte die Zahl der Getöteten deutlich reduziert werden. Davon kann ein Großteil auf eine Vermeidung von Fahrzeug- Fahrzeug Frontkollisionen mit schwerem Verletzungsgrad bis hin zur Todesfolge zurückgeführt werden. Erreicht wurde dies durch die Einführung von Metallträgern in die Fahrzeugstruktur. In Summe wird heute in modernen Fahrzeugen bis zu 300 kg an Metall für die passive Sicherheit aufgebracht. Aktuell gibt es zwei Trends, die großen Einfluss auf die Auslegung neuer Fahrzeugstrukturen haben. Erstens ist eine Verknappung der Erdölressourcen und somit die Verteuerung des Kraftstoffs zukünftig anzunehmen und zweitens ist eine Erderwärmung durch die Zunahme des C02-Ausstosses zu befürchten. Beide Trends führen dazu, dass zum einen kleinere Fahrzeuge und zum anderen auch leichtere Fahrzeuge in Zukunft verstärkt nachgefragt werden. Hierbei ist es die Herausforderung, die kleinen Fahrzeuge sicherer (d.h. mindestens so sicher wie die großen Fahrzeuge) und große Fahrzeuge, unter Beibehaltung der Sicherheit, leichter zu machen.
Eine wichtige Komponente für die Absorption von Unfallenergie ist eine sogenannte Crashbox, die auch als Pralldämpfer oder Deformationselement bezeichnet wird. Dieser Pralldämpfer kann entweder reversibel (d.h. nach einem Unfall ist eine Rückbildung der Struktur des Pralldämpfers möglich) oder irreversibel ausgelegt sein (d.h. nach einem Unfall ist der Pralldämpfer auszutauschen). Es kann beispielsweise eine solche Crashbox zwischen dem Stoßfängerquerträger und einem Fahrzeuglängsträger eines Kraftfahrzeugs verbaut werden, die ein gehäuseartiges Deformationsprofil als Faltkonstruktion aus Metallblech und eine längsträgerseitige Flanschplatte aufweist, wobei die Flanschplatte als Bestandteil der Faltkonstruktion ausgebildet ist.
In der Druckschrift DE 60 2004 008 189 T2 ist eine Vorrichtung zur Absorption von Aufprallenergie offenbart, wenn sie im Gebrauch an einer Fahrzeugkarosseriekomponente befestigt ist, wobei die Vorrichtung ein oder mehrere verformbare Elemente aus Formgedächtnismaterial umfasst, die zur Verformung durch einen Aufprall auf die Vorrichtung ausgerichtet sind. Dabei weist jedes von dem einen oder den mehreren verformbaren Elementen ein erstes Festigkeitsniveau bei ei- ner Betriebstemperatur der Vorrichtung und ein zweites Festigkeitsniveau bei einer höheren Temperatur auf. Ferner ist jedes von dem einen oder den mehreren verformbaren Elementen vor dem Aufprall oder zu Beginn des Aufpralls von der Betriebstemperatur aus selektiv auf die höhere Temperatur erwärmbar, um die Energieabsorptionsfähigkeit der Vorrichtung abzustimmen, ohne die Form des einen oder der mehreren verformbaren Elemente zu verändern.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Aktuator, weiter- hin ein Verfahren und ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Aktuator zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes, wobei der Aktuator ein Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ansteuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Empfangen eines Sensorsignals, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert; und ansprechend auf das Sensorsignal, Ausgeben eines Ansteuersignais an ein Element aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators, das als Stellgrö- ßengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzuset- zen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden wer- den, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Unter einem Stellgrößengeber wird vorliegend insbesondere ein aktives Element oder Teilelement verstanden, das ansprechend auf ein elektrisches Signal eine mechanische Bewegung ausführt. Diese Bewegung oder die daraus resultieren- de Auslenkung aus einer Ruhelage wird dann abgegriffen und beispielsweise auf ein anderes Element übertragen, so dass eine Einstellung einer gewünschten Funktion realisiert werden kann. Unter einem Stellglied wird vorliegend ein Element verstanden, das eine Bewegung des Stellgrößengebers aufnimmt und durch Veränderung seiner Position zur ursprünglichen Ruhelage eine Änderung der Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt. Dabei kann das Stellglied selbst beispielsweise eine andere, günstigerweise eine höhere Festigkeit als das
Element aus einem Formgedächtnismaterial aufweisen, so dass durch die Übertragung der Bewegung des Elementes aus einem Formgedächtnismaterial auf das Stellglied auf einfache Weise die Verformbarkeit des Deformationselementes verändert, insbesondere verringert werden kann.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein technisch sehr einfacher und zuverlässig wirkender Aktuator hergestellt werden kann, wenn in dem Aktuator ein Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber verwendet wird.
Das Formgedächtnismaterial kann dabei beispielsweise eine metallische Formgedächtnislegierung sein. Dabei kann das Element aus dem Formgedächtnismaterial mit elektrischen Strom beaufschlagt werden und sich in mehrere unterschiedliche Positionen oder Stellungen ausdehnen. Diese Ausdehnung des Ele- mentes mit dem Formgedächtnismaterial kann entweder direkt durch den elektrischen Strom oder durch eine Erwärmung auf Grund des elektrischen Stroms von einem entsprechenden Ansteuersignal bewirkt werden. Durch die Ausdehnung, Schrumpfung (Kontraktion) oder anderweitige Verformung des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial lässt sich der Aktuator in unterschiedliche Be- triebszustände einstellen, die jeweils eine unterschiedliche Steifigkeit eines Deformationselementes bewirken.
Ebenso kann es sich bei dem Formgedächtnismaterial um ein Element aus einem elektroaktiven Polymer handelt. Vorteilhaft an elektroaktiven Polymeren sind ihre kurzen Aktivierungszeiten von wenigen Millisekunden. Wegen des gut ausgeprägten Zusammenhangs zwischen der Bewegung des Elements und anliegender elektrischer Spannung bei gleichzeitig mäßiger Elastizität, sind auch Teilbewegungen durch unterschiedliche Aktivierungsspannungen möglich. Hierdurch kann der mechanische Aufbau für mehrstufige Aktuatoren einfacher ausgeführt werden. Der erfindungsgemäße Ansatz bietet dabei mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Der erste, aus der Verwendung eines Elementes mit einem Formgedächtnismaterial resultierende Vorteil besteht darin, dass die Reversibilität des Aktuators nach einer Auslösung sichergestellt ist. In der Tat kann eine Sensorik sehr empfindlich gestaltet werden mit dem Risiko eventuelle Fehlauslösungen herbeizuführen. Unter einer Fehlauslösung ist hier eine unerwünschte Verstellung des Aktuators gemeint, die beispielsweise durch ein Schlagloch in der Straße, oder eine leichte Kollision mit einer Mülltonne oder einem Garagentor ausgelöst werden kann. Da das System bei einer Verwendung des Elementes mit dem Formgedächtnismaterial reversibel ist, lässt sich der Aktuator wieder in seine Ursprungsposition zurückstellen. Der Fahrer merkt davon nichts. Ein zweiter Vorteil besteht darin, dass wenig Formgedächtnismaterial verwendet werden braucht, um die korrekte Funktion des Aktuators umzusetzen. Dies bedeutet, dass ein derart konstruierter Aktuator niedrige Kosten und ein niedriges Gewicht verursacht, was angesichts der bekannten C02-Debatte in Bezug auf einen geringen Schadstoffausstoß des Fahrzeugs, in dem der Aktuator bzw. ein damit ausgerüstetes Deformationselement nicht unwichtig ist.
Besonders günstig ist es, wenn der Aktuator ferner ein mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes bewegliches Stellglied aufweist, das ausgebildet ist, um in verschiedenen Positionen entlang eines Stellweges eine unterschiedliche Steifigkeit des Deformationselementes zu repräsentieren. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht das Element aus dem Formgedächtnismaterial selbst die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes durchführt, sondern eine schnelle Bewegung oder Verformung des Elements mit dem Formgedächtnismaterial zu einer mechanischen Verschiebung des Stellglieds führt. Dieses Stellglied kann dann eine entsprechend hohe Festigkeit aufweisen, um Kräfte bei der Verformung des Deformationselementes besser aufnehmen zu können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Stellglied als verschiebbarer Ring ausgebildet sein. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einem ringförmigen Deformationselement an allen Stellen eine gleiche Steifigkeit dieses Deformationselementes eingestellt werden kann. Dies resultiert daraus, dass in dem Aktuator der gesamte Ring im Ganzen verschoben wird und somit die durch die Verschiebung des Rings bewirkte Adaption der Steifigkeit im gesamten Deformationselement einheitlich wirkt.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Stellglied mit- tels eines Federelementes in eine Ruhelage gebracht sein, die eine maximale
Steifigkeit eines durch den Aktuator zu adaptierenden Deformationselementes repräsentiert. Dies bedeutet, dass die ursprüngliche Stellung des Stellgliedes bei der Fahrt im fließenden Verkehr eine maximale Steifigkeit des Deformationselementes bewirkt, um einen Selbstschutz des Fahrzeugs zu optimieren. Bei Ver- Stellung wird der Aktuator bzw. das Deformationsglied„weicher" eingestellt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine definierte Lage des Stellglieds sichergestellt werden kann, wenn kein An- steuersignal dem Element mit dem Formgedächtnismaterial zugeführt wird. Dabei wird sichergestellt, dass auch nach einem einmaligen Aussteuern des Ele- mentes mit dem Formgedächtnismaterial (welches meist eine nicht-lineare Hysterese-Eigenschaft aufweist) das Stellglied wieder in seine definierte Ruhelage zurückgebracht wird. Zugleich wird auf diese Weise sichergestellt, dass der Pralldämpfer / das Deformationselement eine maximale Steifigkeit aufweist, so dass bei einem Zusammenprall mit hoher Differenzgeschwindigkeit bei gleichzei- tig großen Massen die Insassen möglichst nur geringe oder keine Verletzungen erleiden.
Der Stellweg des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial ist begrenzt. Um einen größeren Stellweg zur Adaption der Steifigkeit des Pralldämpfers zu bewir- ken, kann der Aktuator ein mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes Hebelelement aufweisen, um bei einer Verformung des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial eine Vergrößerung des Stellweges zur Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes zu bewirken. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das das Element aus dem Formgedächtnismaterial als Draht oder als Bolzen ausgebildet sein, wobei das Element aus dem Formgedächtnismaterial ferner ausgebildet sein kann, um bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal zu schrump- fen(kontrahieren). Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein solches ausgeformtes Element (Draht oder Bolzen) aus dem Formgedächtnismaterial nach einer Beaufschlagung mit einem Ansteu- ersignal eine sehr große Kraftwirkung im Bereich seines Ausdehnungswegs entfalten kann. Dies kann beispielsweise eine sichere Verschiebung des Stellglieds gewährleisten.
Besonders günstig ist es, wenn (beispielsweise in einem Fahrzeug) ein Deformationselement eingesetzt wird, das einen Aktuator gemäß einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform aufweist. In diesem Fall können die genannten Vorteile des Einsatzes eines solchen schnellen Aktuators sehr gut und kostensparend genutzt werden.
Besonders gut kann die vorliegende Erfindung in einem Einsatzszenario eingesetzt werden, in dem das Deformationselement eine sich verjüngende Kraftaufnahmestruktur aufweist und der Aktuator ausgebildet ist, um eine Adaption einer maximalen Kraft zu bewirken, die von einer Wand der Kraftaufnahmestruktur aufnehmbar ist. Hier kann die schnelle Reaktion des Aktuators auf ein Ansteuer- signal besonders gut zum Unfallschutz bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion gemäß den vorstehenden Ausführungen genutzt werden.
Ferner kann eine Aktivierung eines Aktuators vorgesehen sein, bei dem die Aktivierungsenergie in einem oder mehreren Kondensatoren bzw. Doppelschicht- Kondensatoren zwischengespeichert wird. Speziell kann ein Aktuator vorgesehen sein, der ferner zumindest eine Kapazität, insbesondere zumindest einen Doppelschicht-Kondensator aufweist, wobei die Kapazität oder der Kondensator ausgebildet und mit dem Element verschaltet ist, um Aktivierungsenergie für das Element zwischenzuspeichern. Insbesondere kann auf diese Weise ein Deformationselement vorgesehen sein, das neben den vorstehend beschriebenen Aktuator eine mit dem Element aus dem Formgedächtnismaterial gekoppelte Energiespeichereinheit, insbesondere in der Form eines oder mehrerer Kapazitäten oder Kondensatoren aufweist, wobei bei der Aktivierung eine in den Kapazitäten oder Kondensatoren gespeicherte Energie zur Aktivierung des Elementes aus dem Formgedächtnismaterial verwendet wird. Dies stellt vorteilhaft sicher, dass für die Aktivierung ausreichend Energie innerhalb einer sehr kurzen Zeit verfügbar ist. Die Kapazitäten können dabei auch als Doppelschicht-Kondensatoren ausgebildet sein. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2a-b Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;
Fig. 3 eine isometrische Schnittdarstellung eines Aktuators mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a-c schematische Darstellungen von Anordnungen von Elementen aus
Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber in einem Aktuator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5a-c schematische Darstellungen von Bolzen als Stellglied oder als Stellgrößengeber in einem Aktuator gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellweges bei einem Aktuator mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber für adaptive Crashstrukturen; und
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren. Fig. 1 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit durch
Polymer-Aktuatoren verschiebbaren Schiebeelemente
Fig. 13 ein Graph der den Zusammenhang von Aktuierungsspannung (U) und
Dehungshub (s) für ein elektroaktives Polymer zeigt
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit zur
Längsträgerseite ausgerichtetem Aktuator
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit einem
Aktuator (300) zur Aktivierung zweier Schiebeelemente (220, 230) Fig. 16 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit einem
Aktuator mit Rautengewebe
Fig. 17 eine schematische Darstellung der Verformungszusammenhänge des
Rautengewebes und einer Einzelraute
Fig. 18 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante mit Aktuato- ren mit Kaskadenelementen
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammenge- fasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal / Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal / den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal /den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal / Schritt oder nur das zweite Merkmal / Schritt aufweist.
Zunächst ist festzuhalten, dass es ein Mangel im Stand der Technik ist, dass viele beschriebene adaptive Systeme nicht schnell genug sind, einen Crash ordnungsgemäß und insbesondere ohne vorausschauende Sensorik detektieren zu können und früh genug noch die Steifigkeit der Crashstruktur zu ändern. Durch die Verwendung von solchen langsamen Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik sind somit vorausschauende Sensoren notwendig, die das System nicht sehr robust und darüber hinaus sehr teuer machen. Ein besonderes Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese beiden genannten Herausforderungen anzugehen, nämlich einerseits kleinere genauso sicher wie größere Fahrzeuge und andererseits auch leichtere Fahrzeuge möglichst genauso sicher wie schwerere Fahrzeuge auszulegen. Diese Herausforderungen können mit Hilfe von adaptiven Strukturen gemeistert werden. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine schnelle, robuste und kostengünstige Lösung zur Adaption einer
Steifigkeit einer Crashstruktur zu schaffen, indem nur ein einziger Aktuator pro Deformationselement verwendet wird. Ein möglicher Ansatz zur Lösung eines solchen Problems wird nachfolgend näher vorgestellt. Fig.1 zeigt ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs, in dem ein Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbaut ist. Dabei ist in Fig.1 ein Fahrzeug 100 dargestellt, das im Frontbereich 1 10, in Fahrtrichtung 1 15 gesehen, einen Querträger 120 aufweist. Der Querträger 120 ist über ein erstes Deformationselement 130 (das auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem linken Längsträger 135 des Fahrzeugs 100 verbunden. Weiterhin ist der Querträger 120 über ein zweites Deformationselement 140 (das ebenfalls auch als Pralldämpfer bezeichnet wird) mit einem rechten Längsträger 145 des Fahrzeugs verbunden. Ferner kann auf der linken Fahrzeugseite ein erster Sensor oder ein erstes Sensorsystem 150 vorgesehen sein, der /das zur Messung von physikali- sehen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das Fahrzeug 100 zu erkennen. Auch kann ein weiterer Sensor (oder ein weiteres Sensorsystem) 155 auf einer rechten Fahrzeugseite vorgesehen sein, der /das ebenfalls zur Messung von physikalischen Parametern wie beispielsweise einer Beschleunigung oder eines Drucks ausgebildet ist, um einen Aufprall eines Objektes 170 auf das
Fahrzeug 100 zu erkennen. Dabei übertragen der erste Sensor / das erste Sensorsystem 150 ein entsprechendes erstes Sensorsignal zu einer Auswerteeinheit 160 und der zweite Sensor / das zweite Sensorsystem 155 ein entsprechendes zweites Sensorsignal zu der Auswerteeinheit 160. Die Sensorsysteme 150 und 155 sind in Fig. 1 außerhalb der Crashstrukturen eingezeichnet, allerdings können diese auch innerhalb der Crashstruktur platziert werden. Ferner ist die Aus- werteeinheit 160 mit einem ersten Aktuator 162 verbunden, der eine Adaption der Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 ermöglicht. Auch ist die Auswerteeinheit 160 mit einem zweiten Aktuator 165 verbunden, der eine Adaption oder Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselements 140 er- möglicht.
Erfolgt nun ein Aufprall eines Objektes, wie beispielsweise des in Fig.1 dargestellten Fahrzeugs 170 auf den Frontbereich 1 10 des Fahrzeugs 100, wird eine Deformation des Fahrzeugs 100 erfolgen, die ein Eindrücken des Querträgers 120 in Richtung des Fahrzeuginneren bewirkt. Da jedoch das entgegenkommende Fahrzeug 170 meist in einem Überlappungsbereich 175 auf den Frontbereich 1 10 des Fahrzeugs 100 trifft, wird auch beim Aufprall ein unterschiedliches Deformationsverhalten der einzelnen Komponenten des Fahrzeugs 100 resultieren. In diesem Fall wird eine Offset-Kollision durch unterschiedliche Parameterwerte des ersten Sensors 150 und des zweiten 155 Sensors erkannt. Eine solche Offset-Kollision kann beispielsweise auch als Achsversatz-Kollision bezeichnet werden. Bei einer solchen Kollision wird insbesondere in das erste Deformationselement 130 an der linken Fahrzeugseite eine größere Kraft eingeleitet, als in das zweite Deformationselement 140 auf der rechten Fahrzeugseite. Dies hat zur Folge, dass auf das erste Deformationselement (Pralldämpfer) 130 eine größere
Deformationskraft wirkt, als auf das zweite Deformationselement (Pralldämpfer) 140. Aus diesem Grund sollte für einen optimalen Insassenschutz die Steifigkeit des ersten Deformationselements 130 höher sein als die Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140, um eine Fahrzeugdrehung nach dem Zusammen- prall möglichst gut verhindern zu können. Wenn eine solche Adaption der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140 erfolgt (in diesem Fall eine Verringerung der Steifigkeit), kann dann im ersten Deformationselement eine höhere Aufprallenergie absorbiert werden als im zweiten Deformationselement 140. Um eine solche Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140 zu erreichen, erfolgt durch die Auswerteeinheit 160 eine Adaption der Steifigkeit des zweiten Deformationselements 140 mittels einer Beaufschlagung des Aktua- tors 165 des zweiten Deformationselements mit einem entsprechenden Ansteu- ersignal. Dieses Signal bewirkt dann eine Anpassung der Steifigkeit des zweiten Deformationselementes 140, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Wird nun in der Auswerteeinheit 160 ein Aufprall des Objekts 170 im linken Teil des Frontbereichs 1 10 erkannt, kann ferner auch daraus geschlossen werden, dass meist unmittelbar nach dem Aufprall eine Drehung des Fahrzeugs 100 erfolgen wird, die nicht immer ganz zu verhindern sein wird. Für einen solchen Fall kann nun die Auswerteeinheit 160 ein Personensicherheitsmittel für einen Insassen 180 des Fahrzeugs aktivieren, zum Beispiel eines das speziell einen Personenschutz bei solchen seitlichen Drehungen bewirkt. Beispielsweise kann durch die Auswerteeinheit 160 ein Seitenairbag 185 aktiviert werden, um den Insassen 180 in einer vorbestimmten Position auf einem Fahrzeugsitz zu halten. Wird da- gegen in der Auswerteeinheit 160 ein Überlappungsbereich 175 erkannt, der im
Wesentlichen der gesamten Fahrzeugfront 1 10 entspricht, so ist von einem Frontalaufprall des Objekts 170 mit hoher Überlappungsdeckung auszugehen, so dass keine oder nur eine geringe Fahrzeugdrehung zu erwarten ist. In diesem Fall sollte die Auswerteeinheit 160 die Aktuatoren 162 und 165 so ansteuern, dass die maximale Struktursteifigkeit von beiden Seiten gegeben ist, wenn die relative Kollisionsgeschwindigkeit dementsprechend hoch ist.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, aufbauend auf dem Prinzip eines Materials mit einem Formgedächtnis, insbesondere einem Element aus einer Formgedächtnislegierung, einen schnellen Aktuator herzustellen. Das Prinzip zur Verstellung des Aktuators basierend auf dem Formgedächtnislegierungs- prinzip lässt sich auf verschiedene Ausführungsformen, wie„Crashbox mit Schneideelemente", hydraulischen / pneumatischen Crashboxen (zum Schalten eines Ventils) oder dem Verjüngungsprinzip, also vielen Crashboxen bei denen ein mechanisches Teil zur Adaption benötigt wird, übertragen.
Fig. 2 zeigt Schnittansichten eines detaillierteren Ausschnitts eines Deformationselementes/Pralldämpfers, der einen Aktuator gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei ist in Fig. 2a eine Längsschnitt- ansieht durch ein Deformationselement 130 (Pralldämpfer) dargestellt, wobei in
Fig. 2b eine Querschnittansicht durch das Deformationselement 130 dargestellt ist. Fig. 2a zeigt also ein Deformationselement 130, wie es beispielsweise entsprechend der Darstellung aus Fig.1 in der linken Fahrzeugseite verbaut ist. Dabei weist das Deformationselement 130 zumindest ein Rohr-förmig ausgebildetes Teilelement 205 auf, das über ein elastisches Element 207 zwischen dem Querträger 120 und dem linken Längsträger 135 eingebaut ist. Bei einem Aufprall ei- nes Objektes 170 in Aufprallrichtung 209 auf den Querträger 120 wird somit das Rohr-förmige Teilelement 205 in Richtung des Längsträgers 135 gedrückt. Dabei wird ein Ende des Rohr-förmigen Teilelementes 205 an Matrizen platten 210 gedrückt, die konzentrisch ausgerichtete Öffnungen haben. Diejenige Matrizen plat- te 210, die am Nähesten am Längsträger 135 angeordnet ist, hat dabei die kleinste Öffnung und diejenige Matrizenplatte 210, die am weitesten entfernt vom Längsträger 135 angeordnet ist, hat die größte Öffnung. Weiterhin sind die Innenränder der Öffnungen der einzelnen Matrizenplatten 210 mit Schrägen versehen, so dass sich eine kontinuierlich verjüngende Gesamtöffnung der Mehrzahl von aufeinander gestapelten Matrizenplatten 210 in Richtung zum Längsträger
135 ergibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass bei einem Aufprall eines Objektes auf das Fahrzeug das Rohr-förmige Teilelement 205 verjüngt wird, wodurch Aufprallenergie absorbiert wird.
Da nun beim Zusammendrücken (Verjüngen) eine entsprechende Gegenkraft auf die einzelnen Matrizenplatten 210 radial nach außen wirkt, kann die Steifigkeit des Deformationselementes 130 durch einen Aktuator 215 mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber 220 verändert werden, der ein Stellglied 225 (das in einer einfachen Form beispielsweise als beweglicher Schieber ausgebildet ist) in unterschiedliche Stellungen wie beispielsweise in eine erste Stellung 230, in eine zweite Stellung 235 oder in eine dritte Stellung 240 bewegt. Der Stellgrößengeber 220 kann dabei als eine Art„Motor" wirken, der eine Bewegung des Stellglieds 225 (d.h. des Schiebers) ermöglicht. Durch die Bewegung des Schiebers 225 kann somit erreicht werden, dass der Schieber 225 eine radiale Ausgleichsbewegung der Matrizenplatten 210 frei gibt, so dass diese Matrizenplatten 210 einem sich auf den Längsträger 135 zu bewegenden Rohr-förmigen Teilelement 205 einen geringeren Widerstand entgegen setzen, als dies ohne die Verschiebung des Schiebers 225 möglich wäre. Alternativ zur Darstellung aus Fig. 2a ist es auch vorteilhaft, die Defaultstellung des Aktuators auf„steif" einzustellen, so dass eine Aktuierung den Absorber Richtung„weich" verstellt.
Auf die oben beschriebene Weise kann folglich die Steifigkeit des Deformationselements 130 verändert werden. Somit wird durch die vorliegende Erfindung im Wesentlichen ein Aktuator 215 vorgestellt, der mit einem Element 220 aus einem
Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber ausgestattet ist, wobei dieser Ak- tuator 215 dann sehr schnell und reversibel auf ein Ansteuersignal von einer Auswerteeinheit 160 reagieren kann. Diese Auswerteeinheit 160 kann beispielsweise zentral in einem Fahrzeug verbaut sein, wie dies beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist. Alternativ kann eine entsprechend ausgebildete Auswerteeinheit 160 auch im Bereich des Aktuators 215 angeordnet sein, wodurch sich eine Verkürzung der Signallaufzeiten für entsprechende Ansteuersignale realisieren ließe.
Fig. 2b zeigt eine Querschnittansicht des in Fig. 2a dargestellten Deformationselements 130. Dabei ist ein Gehäuse 250 dargestellt, das das Rohr-förmige Teilelement 205 ringförmig umgibt. Weiterhin sind sechs Aktuatoren 215 gezeigt, die ebenfalls Ring-förmig um die Matrizen platten 210 mit Öffnungen unterschiedlichen Innendurchmessers angeordnet sind. Diese Matrizenplatten 210 haben Sollbruchstellen 255 die es beispielsweise ermöglichen, ein exakt definiertes Aufprallenergie-Absorptionsverhalten einzustellen.
In der nachfolgenden Beschreibung wird der Ansatz näher offenbart, mit Hilfe eines Formgedächtnismaterials (mit/ohne Übersetzung) einen Aktuator zur Verstellung der Steifigkeit von adaptiven Crashstrukturen zu realisieren. Aus Gründen der Einfachheit wird in der folgenden Beschreibung das Formgedächtnismaterial am Beispiel einer Formgedächtnislegierung näher vorgestellt, wobei das Formgedächtnismaterial nicht auf eine Formgedächtnislegierung beschränkt ist. Exemplarisch wird weiterhin das Funktionsprinzip des neuen Aktuators an Hand des Verjüngungsprinzips näher erklärt. Hierzu wird beispielsweise eine solche adaptive Crashstruktur auf der Basis des Verjüngungsprinzips unter Verwendung der Anordnung aus Fig. 3 näher beschrieben.
Das technische Ziel in dem nachfolgend vorgestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es, ein Stellglied 225, beispielsweise einen Stellglied-Ring 225, axial in die eine erste Richtung (beispielsweise nach rechts) oder eine zweite Richtung (beispielsweise nach links) zu verschieben. Die Position des Rings 225 (in der Darstellung gemäß der Fig. 3 von der Mitte nach rechts oder nach links) be- einflusst die Steifigkeit der adaptiven Crashstruktur 130 (d.h. des Deformationselementes). Der Ring 225 ist also ein Bestandteil des Aktuators 215.
Wie bereits erwähnt besteht ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, mittels eines Elementes aus einem Material mit einem Formgedächtnis (ins- besondere aus einer Formgedächtnislegierung) diesen Ring den situativen Unfall-Anforderungen entsprechend zu bewegen, sprich mittels der Formgedächtnislegierung den Aktuator zu realisieren. Statt eines Rings 225 als Stellglied könnte auch ein anderes Sperr- oder Schieberelement 225 verwendet werden.
Formgedächtnislegierungen (auch als FGL abgekürzt, engl, shape memory alloy, SMA) werden oft auch als Memorymetalle bezeichnet. Dies rührt von dem Phänomen, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung„erinnern" können. Als Material für das Element mit dem Formgedächtnis können jedoch auch andere Werkstoffe wie beispielsweise Kunststoffe mit einem Formgedächtnis in Betracht gezogen werden, ohne dass die Funktionalität des hier vorgeschlagenen Ansatzes beeinträchtigt würde.
Die Formwandlung des Materials mit dem Formgedächtnis basiert bei metallischen Werkstoffen auf der temperaturabhängigen Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen (allotrope Umwandlung) dieses Werkstoffes. Es gibt die so genannte Hochtemperaturphase, die auch als Austenit bezeichnet wird, und die Niedertemperaturphase, die auch als Martensit bezeichnet wird. Beide Temperaturphasen können durch Temperaturänderung oder anliegende mechanische Spannung ineinander übergehen. Für die Nutzung als Aktuator wird die temperaturabhängige Phasenumwandlung genutzt. Dabei lassen sich zwei Ausprägungen der Phasenumwandlung nutzen: Der sogenannte„Einwegeffekt" und der„Zweiwegeffekt". Beim Einwegeffekt wird entzwillingtes marentsitisches Material durch Erwärmen in die austenitische Phase mit geringeren Scherwinkeln umgewandelt. Nach dem Abkühlen und einer Umwandlung in verzwillingten Martensit ist eine äußere mechanische Spannung erforderlich, um wieder entzwillingten Martensit zu erhalten. Die äußere mechanische Spannung kann durch ein elastisches Element, z.B. eine Feder oder einen entgegenwirkenden Aktuator, aufgebracht werden. Beim Zweiwegeffekt werden durch„Trainieren" bevorzugte Mar- tensitvarianten eingeprägt, durch die das Material beim Abkühlen ohne äußere mechanische Spannung direkt in die entzwillingte Struktur wechselt. Wegen der geringen mechanischen Stabilität der martensitischen Vorzugsvarianten ist der Zweiwegeffekt nur in geringem Umfang zur Erzeugung mechanischer Arbeit geeignet. Ein bekannter Vertreter für den Strukturwandel zwischen austentitischer und martensitischer Phase ist u. a. Eisen bzw. Stahl oder eine Nickel-Titan- Legierungen, wobei es auf die genauen Anteile ankommt. Allerdings besitzt Stahl kein Formgedächtnis, es muss daher noch eine andere Bedingung erfüllt sein. Formgedächtnis-Legierungen brauchen in jedem Kristallsystem eine Reihe gleichberechtigter Schersysteme, die sich aus der Raumsymmetrie der Elementarzelle ergeben. Sind alle Scherungen bei einer Umwandlung gleich verteilt, ist keine äußere Formänderung zu erkennen. Werden aber beispielsweise durch äußere Kräfte nur einige Schersysteme bevorzugt, werden Formänderungen be- obachtet.
Formgedächtnismaterialien wie beispielsweise Formgedächtnislegierungen können sehr große Kräfte ohne auffallende Ermüdung in mehreren 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Sie bestechen durch ihr im Vergleich zu anderen Aktor- Werkstoffen mit Abstand größtes spezifisches Arbeitsvermögen d.h. Verhältnis von geleisteter Arbeit zu Werkstoffvolumen).
Der in Fig. 3 dargestellte Ring 225 kann beispielsweise über eine Drahtkonstruktion bewegt werden, wie er in der Fig. 4 näher dargestellt ist. Der (Anker-) Ring 225 wird mit mindestens einem Formgedächtnisdraht 220 (FGL-Draht) bewegt, d.h. einem Draht 220 als Element aus einem Formgedächtnismaterial. Diese Drähte 220 sind beispielsweise entsprechend der Darstellung aus Fig. 4a sowohl am Ring 225 als auch an einem Teil 400 fest verbunden, der starr mit einem Gehäuse des Aktuators 215 verbunden ist. Sowohl am Ring 225 als auch am festen Teil 400 sind die Drähte 220 derart fest fixiert, so dass sich der Ring 225 bei einer Kontraktion der Drähte 220 verschiebt. Hierbei ist anzumerken, dass ein dünner Draht manchmal nur schlecht Druckkräfte übertragen kann. Die Ausknickgefahr wäre sehr groß. Ein dicker Draht benötigt hingegen mehr Energie zur Umwandlung der Kristallgitter. Daher wird Ziehen durch Betätigen bevorzugt. Die Rückstellung sollte dann beispielsweise eine Feder ermöglichen. Auf diese Weise kann durch eine Längenänderung des Drahtes 220 oder der Drähte 220 entlang seiner / ihrer Längserstreckung der Ring 225 in unterschiedliche Richtungen 420 bewegt werden, wenn die Drähte 220 mit einem elektrischen Signals von der Steuereinheit 160 angesteuert werden. Gemäß einer in Fig. 4b dargestellten Ausführungsvariante kann auch der Ankerring 225 durch mindestens einen Formgedächtnisdraht 220 (FGL-Draht) bewegt werden. Dieser Draht 220 ist zick-zack-förmig zwischen Ring 225 und festem Teil 400 angeordnet und wird jedes Mal an einer Umlenkeinheit 430 (beispielsweise eine Öse oder ein auf Druckübertragung ausgelegtes Gelenk) am Ring 225 oder am festen Teil 400 umgelenkt. Der Vorteil einer solchen Konstruktion besteht darin, dass durch Ausnutzung trigonometrischer Effekte der Verschiebeweg größer ist als die Kontraktion der Formgedächtnisdrähte 220. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass nur ein einziger Draht 220 verwendet werden braucht.
In den Figuren 4a und 4b ist somit ein Aktuator gezeigt, bei dem sich das Stellglied 225, das hier als Ring ausgebildet ist, in eine Richtung bewegt, nämlich nach rechts, wenn sich die Drähte 220 ansprechend auf ein Ansteuersignal verkürzen. Selbstverständlich können diese Drähte 220 aus dem Formgedächtnis- material auch auf beiden Seiten des Rings 225 befestigt werden und sich gegenseitig zurückstellen. Somit ist es möglich, den Ring 225 von einer Mittelstellung aus nach rechts oder nach links zu bewegen.
Eine zweistufige Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung mit Federrück- Stellung ist in der Fig. 4c exemplarisch dargestellt, wobei der Stellgrößengeber durch aus zwei in Reihe geschalteten Aktuatoren besteht, die den Ring 225 bewegen. Federn 440 halten die Drähte gespannt und sorgen für eine Rückstellung. Wird nur ein Aktuator aktiviert, verschiebt sich der Ring 225 um die Länge 470. Werden beide Aktuatoren aktiviert erfolgt eine Verschiebung des Rings 225 um die Länge 480 als Summe der Längenänderungen 450 und 460 der beiden
Aktuatoren. Durch die drei Zustände ohne„Aktuierung", mit Aktuierung nur eines Aktuators und mit Aktuierung beider Aktuatoren lässt sich der Ring 225 zwischen 3 Positionen verschieben. Werden die Aktuatoren mit unterschiedlichem Verstellweg realisiert, lässt sich der Ring 225 in vier Positionen verschieben. Dies kann durch keine Aktuierung der Aktuatoren, Aktuierung des Aktuators mit dem geringeren Verstellweg, Aktuierung des Aktuator mit dem größeren Verstellweg und einer gleichzeitigen Aktuierung von beiden Aktuatoren erfolgen. Das Prinzip lässt sich durch Reihenschaltung weiterer Aktuatoren auf mehrere Stufen erweitern. Alternativ können auch statt dem Ring 225 mehrere kleinere Bolzen / Stellelemente 225 verwendet werden, die über jeweils einen Formgedächtnisdraht 220 bewegt werden. Der Vorteil ist, dass hier die Summe des Gewichtes der kleinen Bolzen 220 leichter als der Ring ist, die Fertigungskosten sind jedoch sehr ähn- lieh. Eine solche Ausführungsvariante ist in der Fig. 5a dargestellt.
Alternativ können der Ring 225 / 220 (entsprechend der Darstellung aus Fig. 5b) oder diese eben erwähnten Bolzen 225 / 220 (entsprechend der Darstellung aus Fig. 5c) direkt aus dem Formgedächtnismaterial gefertigt werden. Der schraffierte Bereich in der Fig. 5b und der Fig. 5c bedeutet das Zusatzvolumen des Formgedächtnis-Elementes 220 im unbestromten Zustand, d.h. im Zustand, in dem keine Spannung oder kein Strom des Ansteuersignais auf das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial wirkt. In der Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Dabei weist der Ring 225 eine Öffnung auf. In der Öffnung ist ein Konus-förmiges Befestigungselement eingefügt, welches fest mit dem Formgedächtnisdraht 220 verbunden ist. Der Formgedächtnisdraht 220 ist wiederum fest mit dem Gehäuse des Aktuators 215 verbunden. Ei- ne Feder 440 hält den Ring 225 bzw. das Konus-förmige Element in einer Ruhelage, in der das Deformationselement 130 seine maximale Steifigkeit aufweist.
Bei einer Beaufschlagung des Formgedächtnisdrahtes 220 mit einem elektrischen Ansteuersignal aus einer Steuereinheit verkürzt sich der Formgedächtnis- draht 220 und zieht somit den Ring 225 nach links. Dies führt zu einer Verringerung der Steifigkeit des Deformationselementes 130 durch die Verringerung der maximal von den Matrizenplatten 210 aufnehmbaren Gegenkraft in radiale Richtung. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung aus Fig. 7 ist ein Aktuator 215 ausgebildet, der nicht direkt, sondern mit einer Übersetzung arbeitet. Im Gegensatz zur Ausführung des Aktuators 215 gemäß der Darstellung aus Fig. 6 ist der Formgedächtnisdraht 220 gemäß dieser Ausführungsvariante nun an einem Hebelelement 710 befestigt, das ein Stellglied 225 (beispielsweise den Ring) verschiebt. Diese Übersetzung des Ausdehnungsweges des Formge- dächtnisdrahtes 220 hat das Ziel den Verstellweg für das Stellglied 225 zu erhöhen.
In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurde das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial meist als Formgedächtnisdraht angenommen, der sich beim Anlegen einer Spannung zusammenzieht. Typische Werte für eine Längenänderung eines solchen Drahtes 220 betragen hier 5% bis 10%. Es handelt sich hier also um eine axiale Richtungsänderung. Allerdings sind andere Ausprägungen bzw. Geometrien der Formgedächtnislegierungen verwendbar, wie ein Formgedächtniselement, das einen Hub durch Biegung erzeugt, wie es mit Bezug zur Schnittdarstellung aus Fig. 8 näher beschrieben ist. Alternativ kann auch ein Formgedächtniselement verwendet werden, das einen Hub erzeugt, in dem es wie eine Membran arbeitet. Eine derartige Ausführungsvariante ist in der Schnittdarstellung aus Fig. 9 dargestellt.
In der Fig. 8 ist eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Aktuatoren mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial dargestellt. Hierbei ist das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial als Biegebalken ausgebildet, bei dem das obere Ende mit ei- nem Gehäuse des Deformationselements 130 starr verbunden ist. Das„bewegliche", freie Ende des Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial ist mit dem horizontal beweglichen Schieber oder Stellglied 225 verbunden, das wiederum durch die Feder 440 in einer Ruhelage gehalten wird, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial nicht mit einem Ansteuersignal beauf- schlagt ist. In dieser Lage ist der Schieber 225 somit in einer Position, in der die linke Matrizen platte 210 an einer radialen Bewegung nach oben gehindert wird. Die rechte Matrizenplatte hat keine Sollbruchstelle. Sie ist beispielsweise ein massives Drehteil und kann die volle bei der Verjüngung erzeugte Radialkraft abstützen. Die erste Matrizenplatte ist auch bei jedem Crash aktiv, bei dem das Rohr durch die Matrizen geschoben wird. Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn der Verstellweg des Schiebers 225 größer ist, jedoch ein spezielles Übersetzungselement wie ein Hebel nicht erforderlich ist. Insbesondere lässt sich durch das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial in Form des Biegebal- kens eine schnelle Auslenkung des Schiebers 225 um eine größere Wegstrecke
(gegen die von der Feder 440 ausgeübte Kraft) verschieben. Wird das Element 220 als Bimetall aus einem Verbund von Formgedächtnismaterial und Material ohne Formgedächtnis ausgeführt, kann das Material ohne Formgedächtnis die Rückstellung übernehmen. In diesem Fall kann die Feder 440 entfallen.
In Fig. 9 ist eine weitere Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsvariante zur Vergrößerung des Verstellwegs bei Aktuatoren mit einem Element aus einem Formgedächtnismaterial dargestellt. Entsprechend den Ausführungsvarianten aus den Figuren 6 und 7 wird auch in der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 9 wieder eine Kombination aus einem Schieber 225 in Verbindung mit einer Feder 440 verwendet, wobei die Feder 440 den Schieber 225 in einer Ruhelage hält, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial nicht mit einem An- steuersignal beaufschlagt wird. In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 9 wird nun ein Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial verwendet, das an zwei gegenüberliegenden Enden fest eingespannt und mit einem Gehäuse des Aktua- tors 215 fest verbunden ist. Wird nun das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial mit einem Ansteuersignal, beispielsweise von einer Auswerte- oder Steuereinheit, beaufschlagt, wird sich in einem Mittelbereich dieses Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial wellenförmig ausbuchten, wobei einerseits durch die Fixierung der beiden Enden des Elementes 220 aus dem Formgedächtnismaterial eine große Kraft bei dieser Verbiegung realisiert werden kann und zugleich dennoch eine sehr präzise Auslenkung auf eine gewünschte Auslenkungsstrecke möglich ist. Eine Fixierung des Elementes 220 reduziert die Beweglichkeit stark, so dass die aktuierte Kraft im Wesentlichen innere Spannungen hervorrufen wird. Um signifikante Verschiebungen zu erzielen ist es notwendig, das Element 220 an mindestens einer Seite mit einem Loslager zu lagern. Um nun auch einen ausreichend großen Stellenweg für den Schieber 225 sicherzustellen, wenn das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial aktiviert wird, wird gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 9 ein Hebelelement 710 eingesetzt, dessen erstes Ende mit dem Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial gekoppelt ist und dessen zweites Ende mit dem Schieber 225 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann ein kleiner aber präzise einstellbarer Auslenkungsweg durch das Element 220 aus dem Formgedächtnismaterial in eine präzise Position des Schiebers 225 entlang dessen Verschiebebereichs eingestellt werden. Hierdurch ist es wiederum möglich, einen sehr schnell reagierenden Aktuator 215 zur Adaption der Steifigkeit eines Deformationselements 130 bereitzustellen. Zur Triggern ng der Aktivierung können alle bekannten Sensorprinzipien, die in der Lage sind einen Crash zu erkennen eingesetzt werden. Es eignen sich vorausschauende Sensoren wie Radar, Licht und Ultraschal, aber auch Sensoren wie Beschleunigungs-, Druck oder Temperatursensoren sind hierfür geeignet. Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zur An Steuerung eines Aktuators zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes. Dabei weist das Verfahren 1000 einen Schritt des Empfangens 1010 eines Sensorsignals auf, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes auf ein Fahrzeug repräsentiert. Weiterhin weist das Verfahren 1000, ansprechend auf das Sensorsignal, einen Schritt des Ausgebens 1020 eines Ansteuersignais an ein Element aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators auf, wobei das Element aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber des Aktuators wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes einzustellen.
Fig. 1 1 zeigt einen weiteren Systemaufbau. Das rohrförmige Teilelement des Deformationselements (130) wird durch eine Deformationskraft (209) gegen die Umformmatrizen (210) gedrückt. Bei ausreichend hoher Deformationskraft (409) wird das Deformationselement (130) an den Matrizen (210) umgeformt. Die Umformkraft stützt sich gegen den Längsträger (135/145) ab. Ein Schiebeelement (225), das verschiebbar an den Matrizen (210) angeordnet ist, kann bei entsprechender Position (230, 235, 240), die bei der Deformation entstehende, auf die Matrizen (210) wirkende radiale Kraft aufnehmen. Ist das Schiebeelement (225) so positioniert, dass es keine radialen Kräfte von den Matrizen (210) aufnehmen kann, brechen die Matrizen (210) auf und können das Deformationselement (130) nicht mehr umformen. Die Verschiebung des Schiebelementes (225) erfolgt achsparallel zu den Umformelementen. Aktuiert wird das Schiebeelement (225) durch einen Aktuator (300) aus einem Formgedächtnismaterial, zum Beispiel einem elektroaktivem Polymer. Elektrische Anschlüsse (310) ermöglichen es, den Aktuator (215) mit einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen und hierdurch zu aktuieren. Hierbei längt sich der Aktuator (215). Diese Längenänderung verschiebt das Schiebeelement (225).
Den Zusammenhang zwischen der Aktuierungsspannung und dem resultierenden Dehnungshub veranschaulicht Figur 13. Dieser Zusammenhang kann dazu genutzt werden, durch Verändern der Aktuierungsspannung die Position des Schiebelements (225) zu variieren. Liegt am Aktuator (215) keine Spannung an, so befindet sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebeelements (225) in einer ersten Position (230). In dieser Position wird keine der brechbaren Matrizen (210) von dem Schiebeelement abgestützt. Das Deformati- onselement weist dann die geringste Steifigkeit auf. D.h. das Deformationselement kann nur die ihm minimal mögliche Kollisionsenergie abbauen. Bei einer hohen elektrischen Spannung längt sich der Aktuator (215) derart, dass sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebelements (225) in einer zweiten Position (240) befindet. In dieser Position werden alle brechbaren Matri- zen (210) von dem Schiebeelement abgestützt. Das Deformationselement weist dann die höchste Steifigkeit auf. D.h. das Deformationselement kann die ihm maximal mögliche Kollisionsenergie abbauen. Bei entsprechend niedrigerer Spannung befindet sich die dem Längsträger (135/145) zugewandte Seite des Schiebeelements (225) in einer dritten Position (235). In dieser Position werden nur ein Teil der brechbaren Matrizen (120, 130) abgestützt. Das Deformationselement weist dann eine Steifigkeit zwischen der höchsten und der geringsten Steifigkeit auf. D.h. das Deformationselement kann nur eine Menge Kollisionsenergie abbaue, die zwischen der ihm möglichen maximalen und minimalen Menge liegt.
Der in Fig. 1 1 dargestellte Systemaufbau bildet den Referenzaufbau für die nachfolgenden vorteilhaften, alternativen Ausführungsformen.
Eine erste, alternative Ausführungsform, dargestellt in Fig. 13, hat den Vorteil, dass der Aktuator (215) in Richtung des Längsträgers (135/145) angeordnet ist.
Eine zweite, alternative Ausführungsform, dargestellt in Fig. 14, hat den Vorteil, dass statt einem Schiebelement (225) zwei Schiebeelemente (225a, 225b) verwendet werden, die in Richtung des Längsträgers bzw. des Deformationselemen- tes von den Matrizen (210) weg bewegt werden. Dadurch werden, insbesondere bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit mehreren einstellbaren Steifigkeitsniveaus, die erforderlichen Verschiebewege der Scheibeelemente reduziert. Fig. 14 zeigt eine entsprechende Ausführung. In dem Fall, dass alle Matrizen abgestützt werden sollen bzw. aktiv sein sollen, erfolgt keine Aktuierung des Aktuators (215). Bei einer Teilaktuierung des Aktuators (215) und entsprechender Auslegung der Rückstellfedern (440) wird das Schiebeelement (225) gegen die Rückstellfeder (440) verschoben, so dass die Matrize (210) sich nicht radial gegen dass Schiebeelement (225) abstützen kann. Wird der Aktuator (215) vollständig aktuiert, wird auch das Schiebeelement 225a gegen die Rückstellfeder (440) verschoben, so dass nur noch die feststehende Matrize (210) wirksam ist. Besonders vorteilhaft ist diese zweite, alternative Ausführungsform in Verbindung mit der alternativen Ausführungsform, die in Fig. 18 dargestellt ist und weiter unten genauer erläutert wird. Durch die Verbindung dieser beiden Ausführungsformen kann die Baulänge nochmals reduziert werden. Das in dieser Ausführungsform vorgestellte Prinzip der Betätigung von zwei Schiebeelementen mit einem Aktuator ist auch für Aktuatoren auf der Basis von Formgedächtnismaterial oder elektrodynamischen Aktuatoren nutzbar, wenn der notwendige Aktua- torhub reduziert werden soll.
In einer dritten, alternativen Ausführungsform, dargestellt in Fig. 15, kann die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals reduziert werden, dazu wird die Verwendung eines Rautengewebes (320), um den Hub der radial wirkenden Aktuatoren (215) zu übersetzen, vorgeschlagen. Bei Aktuierung der Aktuatoren (215) nimmt deren Außendurchmesser zu. Das rautenförmige Gewebe 320, das in Fig. 16 genauer dargestellt wird, besteht aus zahlreichen Einzelrauten (325). Durch die Gewebefasern sind die Seitenlängen der Einzelrauten nahezu konstant. Wird die Raute in der Höhe gestreckt (326) hat dies wegen der konstanten Seitenlängen eine Reduktion der Rautenbreite zur Folge (327). Diese Eigenschaften der Einzelrauten führen dazu, dass das Rautengewebe auf eine Durchmesserzunahme (321 ) mit einer Längenreduzierung (322) reagiert (30), die zum Verschieben des Schiebeelements (225) zwischen der ersten, zweiten und dritten Position (230, 235, 240) genutzt wird. Auf die Darstellung von Zwischenpositionen wurde wegen der Übersichtlichkeit verzichtet. Um die Längenreduzierung (322) zu verstärken, sind zwischen den Aktuatoren (215) Stützringe (330) angeordnet. Eine entgegen der durch die Aktuatoren (215) und das Rautengewebe (320) erzeugten Bewegung des Schiebelementes wirkende Rückstellfeder (440) sorgt dafür, dass das Rautengewebe (320) stets gespannt ist.
Die Rückstellung des Schiebeelements erfolgt durch eine Feder bzw. ein Federelement (440). Die Aktuatoren aus Rautengewebe aus elektroaktiven Polymer müssen bei der Aktuierung, d.h. bei der Verschiebung des Schiebeelements (225) zumindest die Federkraft der Feder bzw. des Federelements (440) überwinden. Das Pnnzip dieser Variante lässt sich auch auf Formgedächtnismaterial anwenden. Dabei sind jedoch die Aktuatoren auf der Außenseite des Rautengewebes anzubringen und die Stützringe innen anzuordnen. Ferner ist bei thermischer Ak- tuierung auf eine thermische Beständigkeit des Rautengewebes zu achten bzw. das Rautengewebe durch eine Schicht thermisch zu isolieren.
Mit einer vierten Ausführungsform, dargestellt in Fig. 17, wird ebenfalls das Ziel verfolgt die Gesamtlängen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren. Dabei werden die Aktuatoren (215) durch Kaskadenelemente (340) seriell miteinander verbunden, so dass die Baulänge des Aktuatorsystems nur unwesentlich länger ist als die eines einzelnen Aktuators.
Statt Aktuatoren (215) aus Formgedächtnismaterialien können auch Aktuatoren aus elektroaktivem Polymeren verwendet werden. Die Werkstoffausnutzung von Aktuatoren aus Formgedächtnismaterial ist vor allem bei Beanspruchung unter Zug vorteilhaft. Aktuatoren aus Formgedächtnismaterial sind daher in der Regel aus Draht ausgeführt und können keine Druckkräfte aufnehmen. Daher ist dann eine Rückstellung des Schiebeelementes analog zur Ausführungsform nach Fig. 15 mittels einer Feder bzw. eines Federelements (440) erforderlich. Diese Ausführungsform ist nicht explizit in Fig. 17 gezeigt, sondern ergibt sich bei der Adaption des Prinzips, dargestellt in Fig. 15, auf das Prinzip dargestellt in Fig. 17.
In einer fünften, alternativen Ausführungsform, dargestellt in Fig. 18, wird eine stufenförmige Gestaltung der Matrizen (210) und der Schiebeelemente (225) vorgeschlagen, um die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu reduzieren. Durch die stufenförmige Gestaltung müssen die Schiebeelemente bei ausreichender Stufenhöhe nur in der Größenordnung einer Stufenbreite verschoben werden. Die Aktuatorlänge kann entsprechend der Anzahl an Stufen reduziert werden. Eine Rückstellfeder (440) hält das Schiebeelement (225) in den Fällen, in denen der Aktuator (215) nicht oder nur teilaktuiert ist, in einer die Matrize (210) radial unterstützenden Position.
Das in dieser alternativen Ausführungsform vorgeschlagene Prinzip stufenförmiger Matrizen und Schiebeelemente, um den notwendigen Aktuatorhub zu reduzieren, ist auch für Aktuatoren auf der Basis von Formgedächtnismaterial oder elektrodynamischen Aktuatoren nutzbar.

Claims

Ansprüche
1 . Aktuator (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselementes (130), wobei der Aktuator (215) ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial als Stellgrößengeber aufweist.
2. Aktuator (215) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (215) ferner ein mit dem Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes bewegliches Stellglied (225) aufweist, das ausgebildet ist, um in verschiedenen Positionen (230, 235, 240) entlang eines Stellweges eine unterschiedliche Steifigkeit des Deformationselementes (130) zu repräsentieren.
3. Aktuator (215) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Stellglied (225) mittels eines Federelementes (440) in eine Ruhelage gebracht ist.
4. Aktuator (215) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (225) als verschiebbarer Ring ausgebildet ist.
5. Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (215) ein mit dem Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial gekoppeltes Hebelelement (710) aufweist, das ausgebildet ist, um bei einer Verformung des Elementes (220) aus dem Formgedächtnismaterial eine Vergrößerung des Stellweges zur Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes (130) zu bewirken.
6. Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial als Rautengewebe (320) ausgestaltet ist.
7. Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial als Draht oder als Bolzen ausgebildet ist, wobei das Element (220) aus dem Formgedächtnismaterial ferner ausgebildet ist, um sich bei Beaufschlagung mit einem Ansteuersignal entlang einer Erstreckungsrichtung des Drahtes oder des Bolzens zusammen zu ziehen.
8. Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (220) aus Formgedächtnismaterial aus elektroaktivem Polymer gestaltet ist.
9. Aktuator (215) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Element (220) sich bei Beaufschlagung mit einer Spannung längt.
Deformationselement (130), das einen Aktuator (215) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
1 1 . Vorrichtung zur Ansteuerung eines Deformationselements nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner zumindest eine Kapazität, insbesondere zumindest einen Doppelschicht-Kondensator aufweist, der ausgebildet und mit dem Element (220) verschaltet ist, um Aktivierungsenergie für das Element (220) zwischenzuspeichern.
12. Verfahren (1000) zur Ansteuerung eines Aktuators (215) zur Adaption einer Steifigkeit eines Deformationselements (130), wobei das Verfahren (1000) die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen (1010) eines Sensorsignals, das einen Aufprall oder einen bevorstehenden Aufprall eines Objektes (170) auf ein Fahrzeug (100) repräsentiert; und
- ansprechend auf das Sensorsignal, Ausgeben (1020) eines Ansteuersig- nals an ein Element (220) aus einem Formgedächtnismaterial des Aktuators (215), das als Stellgrößengeber des Aktuators (215) wirkt, um die Adaption der Steifigkeit des Deformationselementes (130) einzustellen. 13. Steuergerät (160), das ausgebildet ist, um die Schritte eines Verfahrens (1000) gemäß Anspruch 9 durchzuführen.
14. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens (1000) nach einem Anspruch 9, wenn das Programm auf einem Steuergerät (160) ausgeführt wird.
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