DE112008000323B4

DE112008000323B4 - Durch aktives Material betätigtes Luftklappensystem

Info

Publication number: DE112008000323B4
Application number: DE112008000323.8T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson; Jan H. Aase; James H. Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: US7866737B2; DE112008000323T5; US20080178526A1; WO2008094731A3; WO2008094731A2

Abstract

Luftklappensystem (10; 38; 62; 78; 118; 178; 206), umfassend: einen Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214), der zumindest einen selektiv betätigbaren Draht (32; 58; 72; 110; 142; 224) umfasst, der aus einem aktiven Material gebildet ist, das betreibbar ist, um bei Betätigung die Form zu verändern; eine Luftklappe (12; 64; 80; 122; 182, 184; 208), die funktional selektiv zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position verschwenkbar ist, wobei die Luftklappe funktional mit dem Aktormechanismus verbunden ist; und wobei der Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) betreibbar ist, um die Luftklappe (12; 64; 80; 122; 182, 184; 208) selektiv zu verschwenken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (32; 58; 72; 110; 142; 224) betätigt wird, gekennzeichnet durch, einen Abschaltmechanismus (34; 60; 76; 116; 134), der funktional mit dem Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) verbunden ist und betreibbar ist, um zu bewirken, dass der Aktormechanismus die Luftklappe (32; 58; 72; 110; 142; 224) in dem Fall eines Ausfalls des Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) selektiv in die offene Position verschwenkt, wobei der Abschaltmechanismus (34; 60; 76; 116; 134) zumindest einen weiteren selektiv betätigbaren Draht (34; 60; 76; 116; 150) umfasst, der ein erstes Ende aufweist, das verankert ist, und ein zweites Ende, das an dem Aktormechanismus (20; 44; 70; 130; 124; 194, 196; 214) montiert ist, und wobei der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht den Aktormechanismus betätigt, wenn der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht betätigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Luftklappensysteme zum Steuern einer Fluidströmung, wie etwa einer Luftströmung, die durch Änderungen in aktiven Materialien eingestellt werden können, die in einem Aktormechanismus enthalten sind oder einen solchen umfassen, wobei die Einstellung über Form-, Abmessungs- und/oder Steifigkeitsänderungen in dem aktiven Material bewirkt wird.
Die Luftströmung über, unter, um und/oder durch das Fahrzeug hindurch kann viele Aspekte des Fahrzeugverhaltens beeinflussen, die den Luftwiderstand des Fahrzeugs, die Kraft des Anhebens und Niederdrückens des Fahrzeugs und die Kühlung/den Wärmeaustausch für einen Fahrzeugantriebsstrang und Klimaanlagensysteme umfassen. Verringerungen beim Luftwiderstand eines Fahrzeugs können die Kraftstoffwirtschaftlichkeit verbessern. Die Anhebe- und Niederdrückungskraft des Fahrzeugs können die Handhabung des Fahrzeugs beeinflussen.
Vorrichtungen, die auf dem Gebiet der Fahrzeugherstellung bekannt sind, um eine Luftströmung relativ zu einem Fahrzeug zu steuern, sind im Allgemeinen von einer vorgegebenen, nicht einstellbaren Geometrie, Lage, Orientierung und Steifigkeit.
Die DE 691 21 019 T2 offenbart einen auf Wärme reagierenden Gedächtnismetallschalter, der dazu eingesetzt werden kann, Jalousien oder Klappen einer Belüftungseinrichtung zu verstellen.
Die DE 601 06 840 T2 offenbart eine mittels Formgedächtnisaktoren verstellbare Luftströmungseinrichtung für ein Klimaanlagensystem in einem Kraftfahrzeug.
Aus der DE 102 22 320 A1 , der JP S58-180 717 A und der JP S59-59 521 A sind Betätigungseinrichtungen auf der Basis von Formgedächtnislegierungen für Luftsteuerklappen im Bereich des Kühlers von Kraftfahrzeugen bekannt.
Die US 2006/0 172 694 A1 beschreibt die Verstellung einer Klappe in einer Gebäudeklimaanlage mittels eines eine Formgedächtnislegierung nutzenden Stellgliedes.
Die US 4 497 241 A offenbart eine Jalousieklappe, die über eine Formgedächtnislegierungsfeder und einer dieser entgegenwirkenden Vorspannfeder verstellbar ist.
Die DE 11 2004 002 393 T5 beschreibt eine Luftströmungssteuervorrichtung auf der Basis von aktiven Materialien, die für Jalousieklappen zur Kühlluftsteuerung durch einen Kühler, Wärmetauscher, einen Motorraum und Antriebsstrang sowie für unterschiedliche Spoiler verwendbar ist.
Aus der DE 102 18 700 A1 ist eine Vorrichtung zur temperaturabhängigen Auslösung einer Notfunktion mittels eines Schmelzelements bekannt, das bei erhöhter Temperatur schmilzt, wodurch ein Betätigungselement freigegeben wird.
Die DE 196 01 596 A1 offenbart ein Luftklappensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, das Luftklappensystem in dem Fall eines Ausfalls des primären Aktormechanismus zu öffnen.
Diese Aufgabe wird durch ein Luftklappensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine schematische Draufsicht eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems, die einen geschlossenen Betriebszustand veranschaulicht;
2 ist eine schematische Draufsicht des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 1, die einen offenen Betriebszustand veranschaulicht;
3 ist eine schematische Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines Luftklappensystems mit einem aktiven Material, das einen offenen Betriebszustand veranschaulicht;
4 ist eine schematische Seitenansicht des Luftklappensystems mit aktivem Material von 3, die einen geschlossenen Betriebszustand veranschaulicht;
5 ist eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems, die einen geschlossenen Betriebszustand veranschaulicht;
6 ist eine schematische Draufsicht des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 5, die einen offenen Betriebszustand veranschaulicht;
7 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems, die einen offenen Betriebszustand veranschaulicht;
8 ist eine schematische Draufsicht des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 7, die einen geschlossenen Betriebszustand veranschaulicht;
9 ist eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems, die einen offenen Betriebszustand veranschaulicht;
10 ist eine Draufsicht eines Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9 in einem geschlossenen Betriebszustand, die den Betrieb eines Spannblocks und einer Feder veranschaulicht;
11 ist eine Draufsicht des in 10 gezeigten Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9 in dem offenen Betriebszustand, die den Betrieb des Spannblocks und der Feder veranschaulicht;
12 ist eine Draufsicht des in den 10 und 11 gezeigten Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9 in dem offenen und eingerasteten Betriebszustand, die den Betrieb des Spannblocks und der Feder veranschaulicht;
13 ist eine Perspektivansicht eines Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9, die einen Abschaltmechanismus veranschaulicht;
14 ist eine Perspektivansicht eines Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9 in dem geschlossenen Betriebszustand, die einen Rastarm veranschaulicht;
15 ist eine Perspektivansicht eines Teils des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems von 9 in dem offenen und eingerasteten Betriebszustand, die den Rastarm von 14 veranschaulicht;
16 ist eine Perspektivansicht einer Frontblende eines Fahrzeugs, an dem ein durch aktives Material betätigtes Luftklappensystem montiert ist; und
17 ist eine Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems in einem offenen Betriebszustand.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Bauteilen überall in den verschiedenen Figuren entsprechen, ist in den 1 und 2 ein durch aktives Material betätigtes Luftklappensystem 10 gezeigt, das mehrere selektiv öffenbare/schließbare Luftklappen 12 aufweist. Jede der Luftklappen 12 ist drehbar an Wellenelementen 14 montiert. Jedes der Wellenelemente 14 ist funktional mit einem Betätigungsstab 16 über ein Verbindungsglied 18 verbunden. Ein Aktormechanismus 20 ist funktional mit dem Betätigungsstab 16 verbunden und ist betreibbar, um das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 10 selektiv zwischen einem geschlossenen Betriebszustand, wie in 1 gezeigt ist, und einem offenen Betriebszustand, wie in 2 gezeigt ist, zu überführen.
Der Aktormechanismus 20 umfasst einen verschwenkbaren Kniehebel 22 mit einem ersten Armabschnitt 24 und einem zweiten Armabschnitt 26. Der Kniehebel 22 ist funktional mit dem Betätigungsstab 16 verbunden und ist betreibbar, um den Betätigungsstab 16 selektiv zu bewegen. Dabei bewirkt der Betätigungsstab 16 das Verschwenken der Wellenelemente 14 durch die Verbindungsglieder 18. Ein Federelement 28 ist zwischen einem Anker/einer Raste 30 und dem ersten Armabschnitt 24 des Kniehebels 22 angeordnet und ist betreibbar, um den Kniehebel 22 in die Uhrzeigerrichtung, wie in den 1 und 2 betrachtet, vorzuspannen. Zusätzlich ist ein selektiv betätigbarer Draht 32, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, zwischen dem Anker/der Raste 30 und dem zweiten Armabschnitt 26 des Kniehebels 22 angeordnet. Der Draht 32 wird sich bei Betätigung zusammenziehen, um den Kniehebel 22 in die Gegenuhrzeigerrichtung, wie in den 1 und 2 betrachtet, gegen die Vorspannung der Feder 28 vorzuspannen. Dies wird bewirken, dass sich der Betätigungsstab 16 nach rechts, wie in den 1 und 2 betrachtet, bewegt, wodurch das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 10 in den offenen Betriebszustand verstellt wird. Der Anker/die Raste 30 wird eingerückt, wobei die Luftklappen in der offenen Position verrastet werden, und das Betätigungssignal kann unterbrochen werden. Ein kurzes erneutes Anlegen des Betätigungssignals wird zu einem Lösen des Ankers/der Raste 30 und zu einer Rückkehr der Luftklappen in eine geschlossene Position infolge der Wirkung der Vorspannfeder 28 führen. Ein Draht 34, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, ist an den Betätigungsstab 16 montiert und dient dazu, die Luftklappen 12 in dem Fall eines Ausfalls des Aktormechanismus 20 selektiv zu öffnen.
Formgedächtnislegierungen (SMA) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Metallmaterialien, die die Fähigkeit zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenübergänge zu vollführen, in welchen ihre Dehnungsfestigkeit, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur geändert werden. Der Ausdruck ”Dehnungsfestigkeit” bezieht sich auf die Spannung, bei der ein Material eine festgelegte Abweichung gegenüber einer Proportionalität von Spannung und Dehnung zeigt. Formgedächtnislegierungen können im Allgemeinen in der Niedertemperatur- oder Martensitphase pseudoplastisch verformt werden und werden, wenn sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt werden, eine Transformation in eine Austenitphase, oder Elternphase, durchführen, wobei sie in ihre Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur bei Erwärmung zeigen, werden so bezeichnet, dass sie ein Einweg-Formgedächtnis aufweisen. Diejenigen Materialien, die ein Formgedächtnis auch beim erneuten Abkühlen zeigen, werden so bezeichnet, dass sie ein Zweiwege-Formgedächtnisverhalten aufweisen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, ohne Einschränkung, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupfer-Basis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binärer, ternärer oder irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, Dämpfungsfähigkeit und dergleichen, zeigt.
In einer beispielhaften Anwendung wird das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 10 angewandt, um den Betrag an Luftströmung, der in einen Motorraum eines Fahrzeugs, nicht gezeigt, eingelassen wird, selektiv zu begrenzen. In einer solchen Anwendung kann es vorteilhaft sein, den Betrag an Luftströmung, der in den Motorraum bei Betrieb bei kalter Witterung eintritt, zu verringern, um die Aufwärmzeit zu verkürzen und den Wirkungsgrad zu erhöhen, indem Luftwiderstand vermindert wird. In einem solchen Fall wird sich der Draht 32 unter vorbestimmten Bedingungen zusammenziehen, etwa wenn die Kühlmitteltemperatur ein vorbestimmtes Niveau erreicht, um eine Luftströmung in den Motorraum zuzulassen, indem die Luftklappen 12 geöffnet werden. Das Zusammenziehen (die Betätigung) des Drahtes 32 aus aktivem Material kann durch entweder passive oder aktive Mittel bewirkt werden. Um eine passive Betätigung zu bewirken, kann der Draht 32 Motorraumwärme, Motorwärme oder Motorkühlmittelwärme durch entweder Strahlungs- oder Leitungsmittel ausgesetzt werden. Bei Verwendung eines aktiven Mittels kann ein Controller 36 vorgesehen sein, um einen Strom oder anderen Stimulus zum Betätigen des Drahtes 32 einzuleiten.
Der Draht 34 ist als ein Hilfsmechanismus vorgesehen, um die Luftklappen 12 selektiv zu öffnen und somit ein Überhitzen des Motorraums in dem Fall zu vermeiden, dass der Aktormechanismus 20 ausfällt. Ähnlich wie der Draht 32 kann der Draht 34 aktiv oder passiv betätigt werden. Bei Betätigung wird sich der Draht 34 zusammenziehen, wobei er den Betätigungsstab 16 nach rechts, wie in den 1 und 2 betrachtet, vorspannt, wodurch die Luftklappen 12 geöffnet werden.
Nun unter Bezugnahme auf die 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 38 gezeigt. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 38 umfasst eine feststehende innere Tafel 40, die mehrere Durchbrechungen 42 definiert. Eine Zahnstange 44 wird durch einen Rastarm 48 gegen die Vorspannung eines Federelements 46 gehalten. Mehrere Zähne 50 sind an der Zahnstange 44 definiert und ausgestaltet, um kämmend mit einem Zahnrad 52 in Eingriff zu stehen. Eine Tafel 54 ist benachbart zu der inneren Tafel 40 montiert und definiert mehrere Durchbrechungen 55. Die Tafel 54 definiert mehrere Zähne 56, die betreibbar sind, um kämmend mit dem Zahnrad 52 in Eingriff zu stehen, so dass, wenn sich die Zahnstange 44 in eine Richtung bewegt, die Tafel 54 durch das Zahnrad 52 in die entgegengesetzte Richtung angetrieben wird. Ein Draht 58, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, dient dazu, die Zahnstange 44 gegen die Vorspannung des Federelements 46 vorzuspannen.
Im Betrieb wird das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 38 durch die selektive Betätigung und die resultierende Zusammenziehung des Drahts 58 in einen offenen Betriebszustand platziert. Indem sich der Draht 58 zusammenzieht, wird die Zahnstange 44 nach oben, wie in den 3 und 4 betrachtet, gegen die Vorspannung des Federelements 46 vorgespannt, so dass die Durchbrechungen 42 der inneren Tafel 40 sich mit den Durchbrechungen 55 der Tafel 54 ausrichten. Zusätzlich steht der Rastarm 48 mit der Zahnstange 44 in Eingriff, wodurch das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 38 in dem offenen Zustand eingerastet wird, und das Betätigungssignal wird abgeschaltet. Sollte der geschlossene Betriebszustand des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 38 erwünscht sein, wird der Draht 58 kurz erneut betätigt, wodurch der Rastarm 48 ausgerückt und zugelassen wird, dass das Federelement 46 die Zahnstange 44 nach unten, wie in 4 betrachtet, vorspannt. Diese Bewegung der Zahnstange 44 nach unten bewirkt, dass das Zahnrad 52 die Tafel 54 nach oben drängt, so dass die Durchbrechungen 55 der Tafel 54 sich nicht länger mit den Durchbrechungen 42 der inneren Tafel 40 ausrichten. Ein Draht 60, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, ist an die Zahnstange 44 montiert und betreibbar, um das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 38 in dem Fall selektiv in den offenen Betriebszustand zu stellen, dass der Draht 58 nicht länger betreibbar ist, um das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 38 zu betätigen. Wie es vorstehend im Hinblick auf Drähte 32 und 34 der 1 und 2 besprochen wurde, können die Drähte 58 und 60 aktiv oder passiv betätigt sein.
Nun unter Bezugnahme auf die 5 und 6 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 62 gezeigt. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 62 umfasst mehrere Luftklappen 64, die an einem jeweiligen drehbaren Wellenelement 66 montiert sind. Ein Zahnrad 68 ist fest an jede der Wellen 66 montiert und steht mit einer Zahnstange 70 in kämmendem Eingriff. Ein Draht 72, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, ist funktional mit der Zahnstange 70 verbunden. Der Draht 72 ist betreibbar, um die Zahnstange 70 gegen die Vorspannung eines Federelements 74 vorzuspannen.
Im Betrieb wird das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 62, wie in 6 gezeigt, durch die selektive Betätigung und die resultierende Zusammenziehung des Drahts 72 in einen offenen Betriebszustand verstellt. Durch Zusammenziehen des Drahts 72 wird die Zahnstange 70 nach rechts, wie in den 5 und 6 betrachtet, gegen die Vorspannung des Federelements 74 vorgespannt, so dass die Zahnräder 68 die Luftklappen 64 aus einer geschlossenen Position, wie in 5 gezeigt ist, in eine offene Position, wie in 6 gezeigt ist, rotieren. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 62 kann durch die selektive Unterbrechung der Betätigung und Entspannung des Drahts 72 in einen geschlossenen Zustand, wie in 5 gezeigt ist, verstellt werden. Ein Draht 76, der aus aktivem Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, ist an die Zahnstange 70 montiert und ist betreibbar, um das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 62 in dem Fall selektiv in den offenen Betriebszustand zu stellen, dass der Draht 72 nicht länger betreibbar ist, um die Zahnstange 70 nach rechts vorzuspannen. Wie es vorstehend in Bezug auf die Drähte 32 und 34 der 1 und 2 besprochen wurde, können die Drähte 72 und 76 aktiv oder passiv betätigt sein. Wieder kann das Rastsystem wie oben eingearbeitet sein, was ein Halten der Luftklappen mit null Leistung in entweder der offenen oder geschlossenen Position mit einer vorspannenden Rückstellfeder zulässt, die dazu verwendet wird, um die Luftklappen nach Lösen der Raste in den offenen Zustand zurückzuführen.
Nun unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 78 gezeigt. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 78 umfasst mehrere Luftklappen 80, die jeweils drehbar an Wellenelementen 82 montiert sind. Jedes der Wellenelemente 82 ist funktional mit einem Betätigungsstab 84 über ein Verbindungsglied 86 verbunden. Ein Aktormechanismus 88 ist funktional mit dem Betätigungsstab 84 verbunden und ist betreibbar, um das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 78 selektiv zwischen einem geschlossenen Betriebszustand, wie in 8 gezeigt ist, und einen offenen Betriebszustand, wie in 7 gezeigt ist, zu überführen. Ein Federelement 90 ist funktional mit dem Betätigungsstab 84 verbunden und dient dazu, den Betätigungsstab 84 nach links, wie in den 7 und 8 betrachtet, vorzuspannen, um das Öffnen der Luftklappen 80 zu bewirken. Der Aktormechanismus 88 umfasst ein Plattenelement 89, das durch einen Stift 96 schwenkbar an ein Gehäuse 94 montiert ist. Das Plattenelement 89 weist eine daran montierte Klinkenanordnung 98 auf. Die Klinkenanordnung 98 umfasst eine erste Klaue 100, eine zweite Klaue 102, ein Klinkenrad 104 und ein Zahnrad 106. Das Klinkenrad 104 und das Zahnrad 106 sind drehbar an das Plattenelement 89 montiert und sind aneinander zur Drehung als eine Einheit montiert. Die erste Klaue 100 ist an einen Kniehebel 108 montiert und durch eine Feder gegen das Klinkenrad 104 vorgespannt. Zusätzlich ist die zweite Klaue 102 durch eine Feder gegen das Klinkenrad 104 vorgespannt. Ein Draht 110, der aus aktivem Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, ist zwischen dem Plattenelement 89 und dem Kniehebel 108 angeordnet und ist betreibbar, um die erste Klaue 100 selektiv gegen das Klinkenrad 104 vorzuspannen und somit eine Drehung davon im Uhrzeigersinn, wie in den 7 und 8 betrachtet, zu bewirken. Ein Zahnrad 112 ist funktional mit dem Aktorstab 84 verbunden und steht in kämmendem Eingriff mit dem Zahnrad 106. Wenn die erste Klaue 100 eine Drehung des Klinkenrades 104 und des Zahnrades 106 im Uhrzeigersinn bewirkt, wird deshalb infolge einer selektiven Betätigung und Zusammenziehung des Drahtes 110 das Zahnrad 112 in die Gegenuhrzeigerrichtung, wie in den 7 und 8 betrachtet, gedreht. Diese Drehung des Zahnrades 112 im Gegenuhrzeigersinn bewegt dadurch die Luftklappen 80 selektiv und inkrementell aus der offenen Position, wie in 7 gezeigt ist, in die geschlossene Position, wie in 8 gezeigt ist, gegen die Vorspannkraft des Federelements 90.
Ein Federelement 114 ist zwischen dem Gehäuse 94 und dem Plattenelement 89 angeordnet und ist betreibbar, um das Zahnrad 106 der Klinkenanordnung 98 gegen das Zahnrad 112 vorzuspannen, wodurch der kämmende Eingriff zwischen den Zahnrädern 106 und 112 aufrechterhalten wird. Ein Draht 116, der aus aktivem Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, ist an das Plattenelement 89 montiert und ist betreibbar, um das Plattenelement 89 und die daran montierte Klinkenanordnung 98 selektiv aus dem Eingriff mit dem Zahnrad 112 heraus vorzuspannen. Dadurch wird die Vorspannung des Federelements 90 den Betätigungsstab 84 nach links drängen, wodurch die Luftklappen 80 geöffnet werden. Der Draht 116 ist auch vorteilhaft, um die Luftklappen 80 in dem Fall eines Ausfalls des Betätigungsmechanismus 88 zu öffnen. Die Drähte 110 und 116 können aktiv oder passiv betätigt sein, wie es oben beschrieben wurde.
Unter Bezugnahme auf 9 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 118 gezeigt. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 118 umfasst ein Gehäuse 120 mit mehreren, darin angeordneten, selektiv drehbaren Luftklappen 122. Die Luftklappen 122 sind zwischen einer offenen Position, wie in 9 gezeigt ist, und einer geschlossenen Position drehbar. Ein Betätigungsmechanismus 124 ist an das Gehäuse 120 montiert und ist betreibbar, um eine Drehung der Luftklappen 122 zu bewirken. Die Luftklappen 122 sind durch Wellenelemente 126 schwenkbar oder drehbar in dem Gehäuse 120 montiert. Ein Zahnrad 128 ist an jedem Wellenelement 126 befestigt und steht in kämmendem Eingriff mit einer Zahnstange 130. Die Drehung der Luftklappen 122 wird durch eine Bewegung der Zahnstange 130 bewirkt. Ein Rastarm 132 ist betreibbar, um selektiv die Position aufrechtzuerhalten oder die Bewegung der Zahnstange 130 zu verhindern, wenn sich die Luftklappen 122 in der offenen Position befinden. Der Aufbau und die Arbeitsweise des Rastarms 132 werden nachstehend anhand der 14 und 15 ausführlicher besprochen. Ein Abschaltmechanismus 134 ist an die Zahnstange 130 montiert und ist betreibbar, um die Luftklappen 122 in dem Fall eines Ausfalls des Betätigungsmechanismus 124 in die offene Position vorzuspannen. Der Abschaltmechanismus 134 wird nachstehend anhand von 13 ausführlicher besprochen.
Nun unter Bezugnahme auf die 10–12 ist ein Teil des durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 118 der 9 gezeigt, wobei der Betätigungsmechanismus 124 detaillierter veranschaulicht ist. Der Betätigungsmechanismus 124 umfasst ferner einen Spannblock 136, einen Kniehebel 138, ein Federelement 140 und einen Draht 142 (als gestrichelte Linie gezeigt). Der Kniehebel 138 ist an einem Stift 144 schwenkbar montiert und umfasst einen ersten Armabschnitt 146 und einen zweiten Armabschnitt 148. Das Federelement 140 ist an den zweiten Armabschnitt 148 montiert und ist betreibbar, um den Kniehebel 138 in eine Gegenuhrzeigerrichtung, wie in den 10–12 betrachtet, vorzuspannen. Der Spannblock 136 ist an den ersten Armabschnitt 146 des Kniehebels 138 montiert. Der Draht 142 ist an den Spannblock 136 montiert und ist vorzugsweise aus aktivem Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet. Der Spannblock 136 ist betreibbar, um die Zahnstange 130 nach links, wie in den 10–12 betrachtet, vorzuspannen, wenn der Draht 142 derart betätigt wird, dass er sich zusammenzieht und die Luftklappen 122 öffnet, wie in 9 gezeigt ist. Der Draht 142 kann passiv oder aktiv betätigt sein, wie es oben beschrieben ist.
Im Betrieb veranschaulicht 10 den Betätigungsmechanismus 124 in dem geschlossenen Betriebszustand, wobei die Zahnstange 130 sich in der Position am weitesten rechts gegen den Spannblock 136 befindet und der Draht 142 sich in dem nicht betätigten und entspannten Zustand befindet. Unter Bezugnahme auf 11 wird der Draht 142 derart betätigt und zusammengezogen, dass der Spannblock 136 die Zahnstange nach links, wie in 11 betrachtet, vorspannt, um die Drehung der Wellenelemente 126 und somit der Luftklappen 122 zu bewirken, wie in 9 gezeigt ist. Wenn die Zahnstange 130 nach links bewegt wird, bewegen sich die Luftklappen 122 aus der geschlossenen Position in die offene Position, wie in 9 gezeigt ist. Der Rastarm 132 von 9 steht mit der Zahnstange 130 in Eingriff, um die Position der Zahnstange aufrechtzuerhalten, wenn sich der Draht 142 bei Deaktivierung entspannt. Nun unter Bezugnahme auf 12 ist der Draht 142 im entspannten Zustand veranschaulicht. Das Federelement 140 spannt den Kniehebel 138 in die Gegenuhrzeigerrichtung vor, wodurch der Spannblock 136 nach rechts gedrängt wird, um den Draht 142 in einem straffen Zustand zu halten. Dies ist vorteilhaft für den zuverlässigen Betrieb des Betätigungsmechanismus 124, indem die Wahrscheinlichkeit vermindert wird, dass der Draht 142 an anderen Teilen des Betätigungsmechanismus 124 hängen bleibt oder einen Kurzschluss mit diesem herstellt.
Unter Bezugnahme auf 13 ist ein Teil des Luftklappensystems 118 mit Betätigung durch aktives Material gezeigt, wobei der Aufbau und die Arbeitsweise des Abschaltmechanismus 134 veranschaulicht sind. Der Abschaltmechanismus 134 umfasst einen Draht 150, der aus aktivem Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, und einen Mantel 152, der ein mit Polyvinylchlorid beschichtetes flexibles Stahlrohr umfasst, das ein Polytetrafluorethylen-Innenrohr umschließt, in welchem sich der Draht 150 bewegt. Ein Ende des Drahtes 150 ist an der Zahnstange 130 montiert und das entgegengesetzte Ende ist an einem Ankerblock 154 befestigt, wie in 9 gezeigt ist. Der Ankerblock 154 kann verwendet werden, um eine Einstellung an der Länge des Drahtes 150 vorzunehmen. Der Draht 150 ist vorzugsweise im Wesentlichen gleich lang wie die effektive Länge des Drahtes 142 der 10–12, so dass er die Fähigkeit hat, die Zahnstange 130 zu bewegen und die Öffnung von Klappen 122 in dem Fall eines Ausfalls des Betätigungsmechanismus 124 zu bewirken. Der Draht 150 kann aktiv oder passiv betätigt sein, wie etwa durch eines der oben beschriebenen Verfahren. Als ein alternatives Verfahren einer passiven Betätigung wird das Ende des Hilfsabschaltmechanismus 134, der den daran angebrachten Ankerblock 154 aufweist, derart verstellt, dass, wenn die Umgebungstemperatur des Ortes eine vorbestimmte Temperatur übersteigt, der Draht 150 sich zusammenziehen wird, um die Zahnstange 130 vorzuspannen, wodurch die Luftklappen 122 geöffnet werden, um eine Überhitzungsbedingung zu vermeiden.
Unter Bezugnahme auf die 14 und 15 ist ein Teil des Luftklappensystems 118 mit Betätigung durch aktives Material von 9 gezeigt, das den Aufbau und die Arbeitsweise des Rastarms 132 veranschaulicht. Der Rastarm 132 ist an einem ersten Ende 156 schwenkbar an einem feststehenden Element 158 des Betätigungsmechanismus 124 montiert. Eine Torsionsfeder 160 dient dazu, den Rastarm 132 in die Gegenuhrzeigerrichtung, wie in den 14 und 15 betrachtet, gegen einen Stift 162 vorzuspannen, der an die Zahnstange 130 montiert ist. Ein Rastabschnitt 164 ist an einem zweiten Ende 166 des Rastarms 132 gebildet und ist betreibbar, um den Stift 162 selektiv in Eingriff zu bringen, wodurch die Zahnstange 130 in ihrer Position verrastet oder gehalten wird, wenn sich die Luftklappen 122 in der offenen Position befinden. Der Rastabschnitt 164 umfasst eine Öffnung 168, die durch das zweite Ende 166 des Rastarms 132 definiert ist und hinreichend ausgestaltet ist, dass der Drehzapfen 162 dort hindurchtreten kann. Zusätzlich umfasst der Rastabschnitt 164 jeweils einen ersten und zweiten Vertiefungsabschnitt 170 und 172.
Im Betrieb, mit Bezug auf 14, befindet sich das Luftklappensystem 118 mit Betätigung durch aktives Material in dem geschlossenen Zustand. Das heißt, die Luftklappen 122 sind geschlossen, und ein Balkenabschnitt 174 des Rastarms 132 ruht auf dem Stift 162. Nun unter Bezugnahme auf 15 ist die Zahnstange 130 nach links, wie in 15 betrachtet, bewegt worden, so dass die Zahnräder 128 die Wellenelemente 126 drehen, wodurch die Luftklappen 122 geöffnet werden. Wenn die Zahnstange 130 nach links bewegt wird, läuft der Stift 162 gegen das zweite Ende 166 des Rastarms 132, bis er durch die Öffnung 168 hindurchtritt und auf dem ersten Vertiefungsabschnitt 170 ruht. In dieser Position arbeitet der Rastarm 132 mit dem Stift 162 zusammen, um die Bewegung der Zahnstange 130 nach rechts zu verhindern, wodurch die Luftklappen 122 in der offenen Position gehalten werden. Eine Rampeneinrichtung 176, die in 15 in gestrichelten Linien gezeigt ist, ist an der Unterseite des Rastarms 132 vorgesehen und divergiert im Allgemeinen in Richtung des zweiten Vertiefungsabschnitts 172. Die Rampeneinrichtung 176 ist betreibbar, um die Zahnstange 130 auszurasten, um die Luftklappen 122 zu schließen. Um die Luftklappen 122 zu schließen, wird die Zahnstange 130 weiter nach links bewegt, so dass der Stift 162 sich von dem ersten Vertiefungsabschnitt 170 zu dem zweiten Vertiefungsabschnitt 172 bewegt, wodurch der Stift 162 mit der Rampeneinrichtung 176 ausgerichtet wird. Die Zahnstange 130 wird durch eine Feder, nicht gezeigt, oder ein anderes Mittel nach rechts bewegt, wodurch der Stift 162 gezwungen wird, sich entlang der Rampeneinrichtung 176 unter den Rastabschnitt 164 des Rastarms 132 zu bewegen, um zu der in 14 gezeigten Position zu gelangen.
Nun unter Bezugnahme auf 16 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 178 gezeigt, das in einer Frontblende 180 eines Fahrzeugs montiert ist. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 178 umfasst mehrere erste und zweite selektiv öffenbare/schließbare Luftklappen 182 bzw. 184, die in einer jeweiligen ersten Öffnung 186 und zweiten Öffnung 188 montiert sind, die durch die Frontblende 180 definiert sind. Die Luftklappen 182 sind durch ein Gestänge 190 für eine Bewegung als eine Einheit miteinander verbunden, während die Luftklappen 184 durch ein Gestänge 192 für eine Bewegung als eine Einheit miteinander verbunden sind. Ein erster und zweiter Aktormechanismus 194 bzw. 196 arbeiten jeweils, um die jeweiligen Luftklappen 182 und 184 selektiv zu öffnen und zu schließen. Der erste Aktormechanismus 194 ist mit einem Wellenelement 198 über ein Gestänge 200 gekoppelt. Das Wellenelement 198 lagert verschwenkbar eine der mehreren Luftklappen 182, so dass der erste Aktormechanismus 194 nur das Wellenelement 198 über das Gestänge 200 drehen muss, um den Betrieb einer jeden der mehreren Luftklappen 182 zu bewirken. Ähnlich ist der zweite Aktormechanismus 196 mit einem Wellenelement 202 über ein Gestänge 204 gekoppelt. Das Wellenelement 202 lagert verschwenkbar eine der mehreren Luftklappen 184, so dass der zweite Aktormechanismus 196 nur das Wellenelement 202 über das Gestänge 204 drehen muss, um den Betrieb einer jeden der mehreren Luftklappen 184 zu bewirken. Der erste und zweite Aktormechanismus 194 und 196 werden mittels eines aktiven Materials, wie etwa eines Formgedächtnislegierungsmaterials, betätigt. Der erste und zweite Aktormechanismus 194 und 196 können aktiv oder passiv betätigt sein, wie es vorstehend beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf 17 ist eine alternative Ausführungsform eines durch aktives Material betätigten Luftklappensystems 206 gezeigt. Das durch aktives Material betätigte Luftklappensystem 206 umfasst mehrere selektiv öffenbare/schließbare Luftklappen 208, die drehbar auf einem jeweiligen Wellenelement 210 gelagert sind. Die Luftklappen 208 sind durch ein Gestänge 212 für eine Bewegung als eine Einheit miteinander verbunden. Ein Aktormechanismus 214 dient dazu, die Luftklappen 208 selektiv zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position, wie in 17 gezeigt ist, zu drehen. Der Aktormechanismus umfasst eine erste bzw. zweite Zahnstange 216 bzw. 218. Ein Zahnrad 220 steht in kämmendem Eingriff mit jeder der ersten und zweiten Zahnstangen 216 und 218. Ein Federelement 222 dient dazu, die zweite Zahnstange 218 vorzuspannen, während ein Draht 224, der aus einem aktiven Material, wie etwa einer Formgedächtnislegierung, gebildet ist, an die erste Zahnstange 216 montiert ist. Der Draht 224 ist betreibbar, um die erste Zahnstange 216 vorzuspannen, wenn der Draht 224 betätigt wird, was zu der Zusammenziehung des Drahts 224 führt. Ein Riemen 226 verbindet die erste und zweite Zahnstange 216 und 218 und umgibt im Allgemeinen eine Riemenscheibe 228, die an einem der Wellenelemente 210 für eine Drehung als eine Einheit damit montiert ist. Eine Riemenscheibe 230 ist vorgesehen, um die Kraftvektoren des Riemens 226 zu verändern.
Um die Luftklappen 208 im Betrieb in die offene Position zu verstellen, wie in 17 gezeigt ist, wird der Draht 224 betätigt und zusammengezogen, wodurch die erste Zahnstange 216 in die Richtung des Pfeils 232 vorgespannt wird, was eine entgegengesetzte Bewegung der zweiten Zahnstange 218 gegen die Vorspannung der Feder 222 in die Richtung des Pfeils 234 bewirkt. Die Bewegung der ersten und zweiten Zahnstange 216 und 218 drängt den Riemen 226, um die Riemenscheibe 228 in die Uhrzeigerrichtung, wie in 17 betrachtet, anzutreiben, wodurch die Luftklappen 208 geöffnet werden. Um alternativ die Luftklappen 208 in eine geschlossene Position zu verstellen, wird die Betätigung des Drahts 224 weggenommen und dieser entspannt, wodurch die auf die erste Zahnstange 216 wirkende Vorspannkraft verringert wird. Die Feder 222 spannt die zweite Zahnstange in die Richtung des Pfeils 232 vor, was eine entgegengerichtete Bewegung der ersten Zahnstange 216 in die Richtung des Pfeils 234 bewirkt. Die Bewegung der ersten und zweiten Zahnstange 216 und 218 drängt den Riemen 226, um die Riemenscheibe 228 in die Gegenuhrzeigerrichtung, wie in 17 betrachtet, anzutreiben, wodurch die Luftklappen 208 geschlossen werden. Wie bei anderen Ausführungsformen könnte eine Raste verwendet werden, um ein Halten mit einer Leistung von Null in entweder der offenen oder der geschlossenen Position bereitzustellen
Die Luftklappen 12 der 1 und 2, die Luftklappen 64 der 5 und 6, die Luftklappen 80 der 7 und 8, die Luftklappen 122 der 9 und 13–15, die Luftklappen 182 und 184 der 16 und die Luftklappen 208 der 17 werden nachstehend gemeinsam einfach als ”Luftklappen” bezeichnet. Die Luftklappen sind vorzugsweise aus einem Material mit ausreichender Festigkeit gebildet und weisen eine ausreichende Dicke auf, um im Betrieb eine übermäßige Durchbiegung zu vermeiden. Zusätzlich können die Luftklappen eine Oberflächenbeschichtung mit niedriger Reibung oder eine hydrophobe Beschichtung aufweisen, um die Ansammlung von Fremdstoffen darauf zu verringern, die die Bewegung der Luftklappen beeinträchtigen könnten. Darüber hinaus können Fluidkreise innerhalb der Luftklappen vorgesehen sein, um die Luftklappe bei einer Anwendung, bei der Eis- oder Schneeaufbau auftreten kann, zu erwärmen. Schmutz oder Fremdmaterial können von den Luftklappen durch auftreffende Düsenstrahlen beseitigt werden. Die Luftklappen können mit einer aerodynamischen Form gebildet sein, und Drehpunkte können derart gewählt sein, dass sie beim Öffnen und/oder Schließen der Luftklappen helfen. Zusätzlich weisen die vorstehend beschriebenen Luftklappen einen Ausfallmodus ”Ausfall-Nach-Offen” auf, bei dem die Luftklappen in dem Fall eines Ausfalls des Betätigungsmechanismus öffnen werden, wodurch ein Überhitzungszustand vermieden wird.
Die Drähte 32 und 34 der 1 und 2, 58 und 60 der 3 und 4, 72 und 76 der 5 und 6, 110 und 116 der 7 und 8, 142 der 10–12, 150 der 13 und 224 der 17 können aus irgendeinem Typ von länglichem aktivem Material gebildet sein, einschließlich jene mit runden, ovalen, rechteckigen, quadratischen usw. Querschnitten. Zusätzlich kann eine Lastbegrenzungseinrichtung in den verschiedenen vorstehend beschriebenen Aktormechanismen enthalten sein, um vor Überspannung der Drähte zu schützen. Eine derartige Lastbegrenzungseinrichtung kann einen Nocken umfassen, der durch eine Hochspannungsfeder vorgespannt ist, die entgegengesetzt zu dem Draht montiert ist.
Zusätzlich zu den oben erwähnten spezifischen aktiven Materialien werden Fachleute erkennen, dass andere Ausführungsformen der hierin beschriebenen, durch aktives Material betätigten Luftklappensysteme Gebrauch von einer breiten Vielfalt von aktiven Materialien machen können. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen (SMA), Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische Materialien, magnetorheologische Fluide (als Rastmechanismen) und Elastomere (MR) und elektrorheologische Fluide (ER) (als Rastmechanismen).
Geeignete Formgedächtnislegierungen können einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen ihnen eigenen (intrinsischen) Zweiwegeeffekt oder einen äußeren (extrinsischen) Zweiwege-Formgedächtniseffekt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und dem Verarbeitungsverlauf zeigen. Die zwei Phasen, die in Formgedächtnislegierungen auftreten, werden häufig als Martensit- und Austenitphasen bezeichnet. Die Martensitphase ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen vorliegt. Die Austenitphase, die festere Phase der Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Formgedächtnismaterialien, die aus Formgedächtnislegierungszusammensetzungen gebildet sind, die Einweg-Formgedächtniseffekte zeigen, bilden sich nicht automatisch wieder zurück, und werden wahrscheinlicher in Abhängigkeit von der Konstruktion des Formgedächtnismaterials eine äußere mechanische Kraft erfordern, um sich wieder in die Formorientierung, die sie zuvor zeigten, zurückzubilden. Formgedächtnismaterialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, werden aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die sich selbst automatisch zurückbilden wird.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung bei Erwärmung an ihre Hochtemperaturform erinnert, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden.
Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie beispielsweise von oberhalb von etwa 100°C bis unterhalb etwa –100°C verändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einen Bereich von nur ein paar Graden auf und der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb eines Grades oder zwei, abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung, gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren in starkem Masse über den ihre Umwandlung überspannenden Temperaturbereich, wobei typischerweise das Formgedächtnismaterial mit Formgedächtniseffekten wie auch hoher Dämpfungskapazität versehen wird. Die inhärente hohe Dämpfungskapazität der Formgedächtnislegierungen kann verwendet werden, um die energieabsorbierenden Eigenschaften weiter zu erhöhen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, ohne Einschränkung: Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binärer, ternärer oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, der Dämpfungskapazität und dergleichen, zeigt.
Andere geeignete aktive Materialien sind Formgedächtnispolymere. Ähnlich dem Verhalten einer Formgedächtnislegierung erfährt das Formgedächtnispolymer, falls die Temperatur über seine Übergangstemperatur angehoben wird, auch eine Änderung in der Formorientierung. Anders als bei SMA bewirkt das Erhöhen der Temperatur über die Übergangstemperatur hinaus einen beträchtlichen Abfall des Moduls. Obgleich SMA als Aktoren gut geeignet sind, sind SMP besser als ”Umkehraktoren” geeignet. D. h. indem das SMP durch Erwärmen über die Übergangstemperatur hinaus einen starken Abfall des Moduls erfährt, kann eine Freigabe der gespeicherten Energie auftreten, die von dem SMP in seiner Hochmodulform bei niedriger Temperatur blockiert wird. Zur Festlegung der permanenten Form des Formgedächtnispolymers muss das Polymer bei etwa der der Tg oder dem Schmelzpunkt oder oberhalb von der Tg oder dem Schmelzpunkt des harten Segmentes des Polymers sein. ”Segment” bezieht sich auf einen Block oder eine Folge von Polymer bildendem Teil des Formgedächtnispolymers. Die Formgedächtnispolymere werden bei der Temperatur mit einer aufgebrachten Kraft gefolgt von Abkühlen zur Festlegung der permanenten Form geformt. Die zur Festlegung der permanenten Form erforderliche Temperatur liegt bevorzugt zwischen etwa 100°C bis etwa 300°C. Das Festlegen der temporären Form des Formgedächtnispolymers erfordert, dass das Formgedächtnispolymermaterial auf eine Temperatur bei der oder oberhalb der Tg oder der Übergangstemperatur des weichen Segmentes, jedoch unterhalb der Tg oder des Schmelzpunktes des harten Segments gebracht wird. Bei der Übergangstemperatur des weichen Segments (die auch als ”erste Übergangstemperatur” bezeichnet wird) wird die temporäre Form des Formgedächtnispolymers festgelegt, gefolgt von einem Abkühlen des Formgedächtnispolymers, um es in der temporären Form zu verriegeln. Die temporäre Form wird so lange beibehalten, wie es unterhalb der Umwandlungstemperatur des weichen Segmentes verbleibt. Die permanente Form wird wieder erlangt, wenn die Formgedächtnispolymerfasern erneut auf die oder über die Übergangstemperatur des weichen Segments gebracht werden. Eine Wiederholung der Schritte des Erhitzens, Formgebens und Abkühlens kann die temporäre Form wieder zurückstellen. Die Übergangstemperatur des weichen Segmentes kann für eine besondere Anwendung durch Modifizieren der Struktur und der Zusammensetzung des Polymers ausgewählt werden. Die Übergangstemperaturen des weichen Segments liegen im Bereich von etwa –63°C bis über etwa 120°C.
Formgedächtnispolymere können mehr als zwei Übergangstemperaturen aufweisen. Eine Formgedächtnispolymerzusammensetzung, welche ein hartes Segment und zwei weiche Segmente umfasst, kann drei Übergangstemperaturen besitzen: die höchste Übergangstemperatur für das harte Segment und eine Übergangstemperatur für jedes weiche Segment.
Die meisten Formgedächtnispolymere zeigen einen ”Einweg”-Effekt, bei welchem das Formgedächtnispolymer eine permanente Form zeigt. Beim Erhitzen des Formgedächtnispolymers über die erste Übergangstemperatur wird die permanente Form erreicht, und die Form wird ohne Anwendung von äußeren Kräften nicht zu der temporären Form zurückkehren. Als eine Alternative können einige Formgedächtnispolymerzusammensetzungen so hergestellt werden, dass sie einen ”Zweiwege”-Effekt zeigen. Diese Systeme bestehen aus mindestens zwei Polymerkomponenten. Beispielsweise könnte eine Komponente ein erstes vernetztes Polymer sein, während die andere Komponente ein unterschiedliches vernetztes Polymer ist. Die Komponenten werden durch Schichttechniken kombiniert, oder sie sind sich durchdringende Netze, in welchen zwei Komponenten vernetzt sind jedoch nicht miteinander vernetzt sind. Durch Veränderung der Temperatur verändert das Formgedächtnispolymer seine Form in Richtung der ersten permanenten Form oder der zweiten permanenten Form. Jede der permanenten Formen gehört zu einer Komponente des Formgedächtnispolymers. Die zwei permanenten Formen stehen immer zwischen beiden Formen im Gleichgewicht. Die Temperaturabhängigkeit der Form wird durch die Tatsache hervorgerufen, dass die mechanischen Eigenschaften von einer Komponente (”Komponente A”) beinahe unabhängig von der Temperatur in dem interessierenden Temperaturintervall sind. Die mechanischen Eigenschaften der anderen Komponente (”Komponente B”) hängen von der Temperatur ab. In einer Ausführungsform wird die Komponente B bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich mit der Komponente A fester, während die Komponente A bei hohen Temperaturen fester wird und die tatsächliche Form bestimmt. Eine Vorrichtung mit Zweiwegegedächtnis kann dadurch hergestellt werden, dass die permanente Form von Komponente A (”erste permanente Form”) festgelegt wird, die Vorrichtung in die permanente Form der Komponente B (”zweite permanente Form”) deformiert wird und die permanente Form der Komponente B unter Anlegen einer Spannung an die Komponente fixiert wird.
Ähnlich den Formgedächtnislegierungsmaterialien können Formgedächtnispolymere in vielen unterschiedlichen Formen und Ausgestaltungen konfiguriert sein. Die Temperatur, welche zur Wiederherstellung der permanenten Form erforderlich ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber eingestellt werden. Das Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung geringer als oder gleich etwa 120°C, stärker bevorzugt geringer als oder gleich etwa 90°C und am stärksten bevorzugt geringer als oder gleich etwa 70°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, warmhärtende Materialien, sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende Netze oder vermischte Netze. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zur Bildung eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen: Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen: Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsesquioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere und dergleichen.
Das Formgedächtnispolymer oder die Formgedächtnislegierung können durch beliebige geeignete Mittel aktiviert werden, bevorzugt ein Mittel, um das Material einer Temperaturänderung über oder unter eine Übergangstemperatur zu unterwerfen. Beispielsweise kann für erhöhte Temperaturen Wärme unter Verwendung von heißem Gas (z. B. Luft), Dampf, heißer Flüssigkeit oder elektrischem Strom angeliefert werden. Das Aktivierungsmittel kann beispielsweise in Form von Wärmeleitung aus einem Heizelement in Kontakt mit dem Formgedächtnismaterial, durch Wärmekonvektion aus einer erhitzten Leitung in der Nähe des thermisch aktiven Formgedächtnismaterials, ein Heißluftgebläse oder einen Heißluftstrom, durch Mikrowelleneinwirkung, durch Widerstandserhitzung und dergleichen vorliegen. Im Fall eines Temperaturabfalls kann Wärme unter Verwendung von kaltem Gas oder durch Verdampfung eines Kühlmittels entzogen werden. Das Aktivierungsmittel kann beispielsweise in Form eines kalten Raumes oder einer kalten Umhüllung oder einer Kühlsonde mit einer gekühlten Spitze, einem Steuersignal zu einer thermoelektrischen Einheit, einem Kaltluftgebläse oder Kaltluftstrom oder ein Mittel zur Einführung eines Kühlmittels (beispielsweise von flüssigem Stickstoff) wenigstens in die Nähe des Formgedächtnismaterials vorliegen.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein: Weich- oder Hartmagnete; Hämatit; Magnetit; magnetisches Material auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen der vorstehenden, oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden umfassen, und dergleichen. Legierungen von Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht darauf beschränkt sein: ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe₂O₃ und Fe₃O₄ umfassen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreien Stahl, Siliziumstahl oder dergleichen. Beispiele von geeigneten Partikeln umfassen: Reineisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen von Eisenoxidpulver/Reineisenpulver und Mischungen von Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes partikelförmiges Material ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte derart ausgewählt sein, dass die Partikel Multi-Domänen-Eigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Mittlere Abmessungsgrößen für Partikel können geringer als oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Partikelabmessung von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 stärker bevorzugt sind und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Vol.-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Silikonöle, Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die ungesättigte und gesättigte umfassen; und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann kleiner als oder gleich etwa 100000 Centipoise sein, wobei kleiner als oder gleich etwa 10000 Centipoise bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 1000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone, wie Bentonit oder Hectorit, umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge an polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmitteln, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner als oder gleich etwa 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 3,0%. Ebenso ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1 Volumen-% und stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 13 und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer als oder gleich etwa 8,0.
Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist kleiner als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit in einer Menge von größer als oder gleich etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt größer als oder gleich etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen: Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispersionsmittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Antiverschleißzusätze für extremen Druck, Antioxidantien, thixotrope Mittel und konventionelle Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und teilweise verestere Polyole, können ebenfalls enthalten sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, eine elastische Polymermatrix mit einer Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Die Materialien wenden im Allgemeinen nachgiebige Elektroden an, die es ermöglichen, dass sich Polymerfilme in Ansprechen auf angelegte elektrische Felder oder mechanische Spannungen in Richtungen in der Ebene ausdehnen oder zusammenziehen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives-gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluoridtrifluorethylen)-copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit ein veränderliches Ausmaß an ferroelektrischen-elektrostriktiven Molekularverbundsystemen zu erzeugen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktor betrieben werden. Die Aktivierung eines auf EAP basierenden Polsters benutzt bevorzugt ein elektrisches Signal, um eine Veränderung in der Formorientierung herbeizuführen, welche zur Herbeiführung von Verschiebung ausreicht. Umkehrung der Polarität der angelegten Spannung an das EAP kann einen reversiblen Sprungmechanismus liefern.
Materialien, die zur Verwendung als das elektroaktive Polymer geeignet sind, können irgendein im Wesentlichen isolierendes Polymer oder Kautschuk (oder Kombinationen davon) umfassen, das sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgespanntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, können beispielsweise Copolymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen, einschließen.
Als ein elektroaktives Polymer verwendete Materialien können basierend auf einer oder mehreren Materialeigenschaften, wie einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen, ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist ein Polymer derart gewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und vorzugsweise zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und vorzugsweise zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche erwünscht, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnfilme gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
Da sich elektroaktive Polymere mit hohen Dehnungen auslenken, sollten sich Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, ebenfalls auslenken, ohne das mechanische oder elektrische Leistungsvermögen preiszugeben. Im Allgemeinen können Elektroden, die zur Verwendung geeignet sind, von irgendeiner Form und von irgendeinem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Fläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich an die sich verändernde Form des Polymers an. Entsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden einschließen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie angebracht sind, anpassen. Die Elektroden können an nur einem Abschnitt des elektroaktiven Polymers angebracht sein und ein aktives Gebiet gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die variierende Abmessungen aus der Ebene heraus umfassen, leitfähige Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrilen und Kohlenstoffnanoröhren, und Mischungen von ionisch leitenden Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialen, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit besonderen Polymeren gut funktionieren können, aber mit anderen nicht genauso gut funktionieren können. Beispielsweise funktionieren Kohlenstofffibrillen mit Acrylelastomerpolymeren gut, wohingegen sie mit Silikonpolymeren nicht genauso gut funktionieren.
Das aktive Material kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktor zur Bereitstellung einer schnellen Entfaltung ausgestaltet sein. Wie er hierin benutzt wird, wird der Ausdruck ”piezoelektrisch” zur Beschreibung eines Materials verwendet, welches sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotenzial angelegt wird, oder welches umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Bei Anwendung des piezoelektrischen Materials wird ein elektrisches Signal für die Aktivierung benutzt. Bei Aktivierung kann das piezoelektrische Material eine Verschiebung in den mit Energie beaufschlagten Zustand bewirken. Bei Unterbrechung des Aktivierungssignals werden die Streifen ihre ursprüngliche Formorientierung, z. B. eine gerade gerichtete Formorientierung, annehmen.
Ein piezoelektrisches Material ist vorzugsweise auf Streifen aus einem flexiblen Material oder einer keramischen Bahn angeordnet. Die Streifen können ein Unimorph oder ein Bimorph sein. Die Streifen sind vorzugsweise ein Bimorph, da Bimorphe im Allgemeinen eine stärkere Verschiebung als Unimorphe zeigen.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen verbunden ist, der durch ein piezoelektrisches Element stimuliert wird, wenn er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Knickung oder Auslenkung führt, wenn er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktorbewegung für einen Unimorph kann Zusammenziehung oder Ausdehnung sein. Unimorphe können eine Dehnung bis zu einer Höhe von etwa 10% zeigen, jedoch können sie im Allgemeinen nur geringen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der Unimorph-Struktur standhalten. Im Gegensatz zu der piezoelektrischen Unimorph-Vorrichtung umfasst eine Bimorph-Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe zeigen eine stärkere Verschiebung als Unimorphe, da sich ein Keramikelement unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keine hohen Belastungen bezüglich der Gesamtabmessungen der Unimorph-Struktur aushalten.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und großer Dipolmomentgruppe/großen Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an den Seitenketten oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele von geeigneten Polymeren umfassen beispielsweise, sind aber nicht darauf beschränkt, Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (”PSS”), Poly S-119 (Polyvinylaminrückgrat mit Azochromophor) und deren Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid (”PVDF”), sein Copolymer Vinylidenfluorid (”VDF”), Trifluorethylen (TrFE) und deren Derivate; Polychlorkohlenstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid (”PVC”), Polyvinylidenchlorid (”PVDC”) und deren Derivate; Polyarcylnitrile (”PAN”) und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure (”PMA”), und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane (”PU”) und deren Derivate; Biopolymermoleküle, wie etwa Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Membranproteine, sowie Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und deren Derivate, und alle Derivate von Tetraminen; Polyimide, einschließlich Kaptonmoleküle und Polyetherimid (”PEI”), und deren Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-Vinylpyrrolidon(”PVP”)-Homopolymer und deren Derivate und zufällige PVP-Co-Vinylacetat(”PVAc”)-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten und Mischungen davon.
Weitere piezoelektrische Materialien können Pt, Pd, Ni, Ti, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metalllegierungen und Mischungen davon umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können beispielsweise Metalloxid, wie etwa SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon; sowie Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon umfassen. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMA, Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR) und elektrorheologische Fluide (ER).
Das Aktivierungssignal, das von der Aktivierungsvorrichtung geliefert wird, kann ein Wärmesignal, ein magnetisches Signal, ein elektrisches Signal, ein pneumatisches Signal, ein mechanisches Signal und dergleichen und Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden Signale umfassen, wobei das besondere Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Ausgestaltung des aktiven Materials abhängt. Beispielsweise kann ein magnetisches und/oder ein elektrisches Signal zur Veränderung der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus magnetostriktiven Materialien gefertigt ist, angelegt werden. Ein Wärmesignal kann zum Verändern der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus Formgedächtnislegierungen und/oder Formgedächtnispolymeren gefertigt ist, angelegt werden. Ein elektrisches Signal kann zum Verändern der Eigenschaft des aktiven Materials, das aus elektroaktiven Materialien, Piezoelektrika, Elektrostatika und/oder Verbundmaterialien aus ionischem Polymer und Metall gefertigt ist, angelegt werden.
Obgleich vorstehend Beispiele von fahrzeugtechnischen Anwendungen der durch aktives Material betätigten Luftklappensysteme angegeben sind, werden Fachleute erkennen, das die hierin beschriebenen, durch aktives Material betätigten Luftklappensysteme ebenso in anderen, nicht kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen benutzt werden können. Obgleich die besten Ausführungsarten der Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur praktischen Ausführung der Erfindung im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Luftklappensystem (10; 38; 62; 78; 118; 178; 206), umfassend: einen Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214), der zumindest einen selektiv betätigbaren Draht (32; 58; 72; 110; 142; 224) umfasst, der aus einem aktiven Material gebildet ist, das betreibbar ist, um bei Betätigung die Form zu verändern; eine Luftklappe (12; 64; 80; 122; 182, 184; 208), die funktional selektiv zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position verschwenkbar ist, wobei die Luftklappe funktional mit dem Aktormechanismus verbunden ist; und wobei der Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) betreibbar ist, um die Luftklappe (12; 64; 80; 122; 182, 184; 208) selektiv zu verschwenken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (32; 58; 72; 110; 142; 224) betätigt wird, gekennzeichnet durch, einen Abschaltmechanismus (34; 60; 76; 116; 134), der funktional mit dem Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) verbunden ist und betreibbar ist, um zu bewirken, dass der Aktormechanismus die Luftklappe (32; 58; 72; 110; 142; 224) in dem Fall eines Ausfalls des Aktormechanismus (20; 44, 52; 68, 70; 88; 124; 194, 196; 214) selektiv in die offene Position verschwenkt, wobei der Abschaltmechanismus (34; 60; 76; 116; 134) zumindest einen weiteren selektiv betätigbaren Draht (34; 60; 76; 116; 150) umfasst, der ein erstes Ende aufweist, das verankert ist, und ein zweites Ende, das an dem Aktormechanismus (20; 44; 70; 130; 124; 194, 196; 214) montiert ist, und wobei der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht den Aktormechanismus betätigt, wenn der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht betätigt wird.
Luftklappensystem (10; 38; 62; 78; 118; 178; 206) nach Anspruch 1, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung ist.
Luftklappensystem (10; 38; 62; 78; 118; 178; 206) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (32; 58; 72; 110; 142; 224) in Ansprechen auf Strahlungs- oder Leitungswärme von Motorraumwärme, Motorwärme oder Motorkühlmittelwärme betätigt wird.
Luftklappensystem (10, 38, 62, 78, 118, 178; 206) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht (34; 60; 76; 116; 150) aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (142) und der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht (150) im Wesentlichen die gleichen Längen aufweisen.
Luftklappensystem (38; 62; 118; 206) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine bewegliche Zahnstange (44; 70; 130; 216); eine drehbare Welle (66; 126), an der die Luftklappe (64; 122; 142; 208) montiert ist; ein Zahnrad (52; 68; 129; 220), das an der Welle für eine Drehung als eine Einheit damit montiert ist; wobei die bewegliche Zahnstange (44; 70; 130; 216) in kämmendem Eingriff mit dem Zahnrad steht; und wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (58; 72; 142; 224) an die bewegliche Luftklappe (64; 122; 142; 208) montiert ist und betreibbar ist, um die bewegliche Zahnstange zu bewegen, um die Luftklappe zu verschwenken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (58; 72; 142; 224) betätigt wird.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 6, ferner umfassend: einen Stift (162), der an die bewegliche Zahnstange (130) montiert ist; und einen Rastarm (132), der betreibbar ist, um den Stift selektiv in Eingriff zu bringen um die Bewegung der beweglichen Zahnstange zu verhindern.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 1, das ferner ein Federelement (140) umfasst, das betreibbar ist, um den zumindest einen selektiv betätigbaren Draht (142) zu spannen.
Luftklappensystem (78) nach Anspruch 1, wobei der Betätigungsmechanismus (88) einen Klinkenmechanismus (98) umfasst, der betreibbar ist, um die zumindest eine Luftklappe (80) selektiv zu verschwenken, wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (110) betreibbar ist, um eine Bewegung des Klinkenmechanismus (98) zu bewirken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (110) betätigt wird.
Luftklappensystem (118), umfassend: einen Aktormechanismus (124), der zumindest einen selektiv betätigbaren Draht (142) umfasst, der aus einem aktiven Material gebildet ist, das betreibbar ist, um bei Betätigung die Form zu verändern, wobei das aktive Material eine Formgedächtnislegierung ist; eine Luftklappe (122), die funktional selektiv zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position verschwenkbar ist, wobei die Luftklappe (122) funktional mit dem Aktormechanismus (124) verbunden ist; wobei der Aktormechanismus (124) betreibbar ist, um die Luftklappe (122) selektiv zu verschwenken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (142) betätigt wird; eine bewegliche Zahnstange (130); eine drehbare Welle (126), an der die Luftklappe (122) montiert ist; ein Zahnrad (128), das an der Welle (126) für eine Drehung als eine Einheit damit montiert ist; wobei die bewegliche Zahnstange (130) in kämmendem Eingriff mit dem Zahnrad (128) steht; wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (142) an die bewegliche Zahnstange (130) montiert ist und betreibbar ist, um die bewegliche Zahnstange (130) zu bewegen und somit die Luftklappe (122) zu verschwenken, wenn der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (142) betätigt wird; einen Stift (162), der an die bewegliche Zahnstange (130) montiert ist; einen Rastarm (132), der betreibbar ist, um den Stift (162) selektiv in Eingriff zu bringen, um die Bewegung der beweglichen Zahnstange (130) zu verhindern, und einen Abschaltmechanismus (134), der funktional mit dem Aktormechanismus (124) verbunden ist und betreibbar ist, um zu bewirken, dass der Aktormechanismus (124) die Luftklappe (122) in dem Fall eines Ausfalls des Aktormechanismus selektiv in die offene Position verschwenkt.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 10, wobei der Abschaltmechanismus (134) zumindest einen weiteren selektiv betätigbaren Draht (150) umfasst, der ein erstes Ende aufweist, das verankert ist, und ein zweites Ende, das an dem Aktormechanismus (124) montiert ist, und wobei der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht (150) den Aktormechanismus (124) betätigt, wenn der zumindest eine weitere selektiv betätigbare Draht (150) betätigt wird.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 11, wobei der zumindest eine selektiv betätigbare Draht (142) aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist.
Luftklappensystem (118) nach Anspruch 10, das ferner ein Federelement (140) umfasst, das betreibbar ist, um den zumindest einen selektiv betätigbaren Draht (142) zu spannen.