DE112007001053B4

DE112007001053B4 - Reversibles Öffnen und Schließen eines Grills mithilfe von aktiven Materialien

Info

Publication number: DE112007001053B4
Application number: DE112007001053T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: US20080133090A1; WO2007130847A2; WO2007130847A3; DE112007001053T5; CN101437705B; US7498926B2; CN101437705A

Abstract

Kühlergrill, der positioniert ist, um eine Fluidströmung selektiv zu steuern und folgende Merkmale umfasst: einen Flügel (14, 30, 50, 60), der drehbar an einem Rahmen (12) befestigt ist; ein aktives Material (16, 19, 62) in funktioneller Verbindung mit dem Flügel (14, 30, 50, 60), wobei das aktive Material (16, 19, 62) dazu dient, zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei sich die Fluidströmung durch den Kühlergrill (10) hindurch mit der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials (16, 19, 62) ändert; und eine Aktivierungsvorrichtung (20, 36, 54, 66), die ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material (16, 19, 62) zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftbegrenzungssteuerung, die mit der Aktivierungsvorrichtung (20, 36, 54, 66) gekoppelt und zum Schutz gegen eine Überbelastung ausgebildet ist, und ein Mittel zum Beibehalten der Position des Flügels (14, 30, 50, 60) nach einer...

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenlegung betrifft einen Kühlergrill gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Luftströmung durch ein Fahrzeug kann viele Aspekte einer Fahrzeugleistung einschließlich des Fahrzeugluftwiderstands, der Kühlung/des Wärmeaustausches für einen Fahrzeugantriebsstrang, Klimatisierungssysteme, Bremsen und dergleichen beeinflussen. Reduktionen im Fahrzeugluftwiderstand verbessern die Kraftstoffökonomie. So, wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Luftströmung” auf die Bewegung der Luft durch Teile eines Fahrzeugs relativ zu der Außenfläche des Fahrzeugs oder Flächen von Elementen des Fahrzeugs, entlang welcher eine äußere Luftströmung gelenkt werden kann, wie z. B. Flächen im Motorraum. Der Ausdruck „Luftwiderstand” bezieht sich auf den Widerstand, der durch Reibung in einer Richtung bewirkt wird, die jener der Bewegung des Schwerpunkts für einen sich bewegenden Körper in einem Fluid entgegengesetzt ist. Fahrzeuggrille auf dem Gebiet der Fahrzeugherstellung bestehen im Allgemeinen aus Flügeln aus einer vorbestimmten, nicht verstellbaren Geometrie, Anordnung, Orientierung und Steifigkeit. Solche Vorrichtungen passen sich im Allgemeinen nicht an, wenn sich Fahrbedingungen ändern und somit kann die Luftströmung durch den Grill hindurch nicht verstellt werden, um den sich ändernden Fahrbedingungen besser gerecht zu werden.
Demgemäß besteht ein Bedarf an einem verstellbaren äußeren Fahrzeuggrill zum Steuern einer Fluidströmung unter sich ändernden Bedingungen wie z. B. einem verstellbaren äußeren Fahrzeuggrill zum Steuern einer Luftströmung durch den Grill hindurch unter sich ändernden Fahrbedingungen.
Die DE 196 01 596 A1 offenbart einen Kühlergrill gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterer Stand der Technik ist aus FR 980 935 A , DE 102 22 320 A1 , DE 102 18 700 A1 und US 5 732 666 A bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders störungsunanfälligen Kühlergrill mit einer verhältnismäßig hohen Lebensdauer anzugeben.
Kurzzusammenfassung
Die Aufgabe wird durch einen Kühlergrill mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Hierin offenbart sind aktive Grille (Kühlergrille) und Verfahren zum Manipulieren einer Fluidströmung durch den aktiven Grill hindurch. In einer Ausführungsform umfasst ein aktiver Grill, der zum selektiven Steuern einer Fluidströmung positioniert ist, einen Flügel, der drehbar an einem Rahmen befestigt ist; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit dem Flügel, wobei das aktive Material dazu dient, zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei sich die Fluidströmung durch den Grill hindurch mit der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials ändert.
Ein Fahrzeug kann einen aktiven Grill umfassen, der positioniert ist, um eine Luftströmung zu einem Motorraum zu steuern, wobei der aktive Grill eine Vielzahl von Flügeln umfasst; und ein aktives Material in funktioneller Verbindung mit den Flügeln, wobei das aktive Material dazu dient, zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei sich eine Luftströmung durch den Grill hindurch mit der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials ändert.
Ein Verfahren zum Manipulieren einer Fluidströmung durch einen aus einer Vielzahl von Flügeln gebildeten Grill hindurch umfasst, dass ein aktives Material, das funktionell mit der Vielzahl von Flügeln gekoppelt ist, aktiviert wird, um zumindest einen der Vielzahl von Flügeln drehbar aus einer ersten Position in eine zweite Position zu bewegen, wobei das Bewegen aus der ersten Position in die zweite Position eine Menge an durch den Grill hindurch strömender Luft ändert.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die folgende/n Fig. und detaillierte Beschreibung beispielhaft dargelegt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nunmehr Bezug nehmend auf die Fig., die beispielhafte Ausführungsformen darstellen sollen, sind gleiche Elemente gleich bezeichnet.
1 ist eine vordere Aufrissansicht eines aktiven äußeren Grills in einem Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenlegung;
2 veranschaulicht schematisch ein System, das einen Flügel zur Verwendung in dem aktiven Grill umfasst, wobei das Positionieren des Flügels innerhalb des Grills mit einem Aktuator auf der Basis eines aktiven Materials erfolgt;
3 ist eine partielle perspektivische Darstellung des aktiven Grills in der offenen und der geschlossenen Position;
4 ist eine seitliche Querschnittsansicht des aktiven Grills von 3;
5 ist eine perspektivische Darstellung des Flügels zur Verwendung in dem aktiven Grill, wobei der Flügel zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem aktiven Material gebildet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
6 ist eine perspektivische Darstellung eines Flügels zur Verwendung in dem aktiven Grill, wobei der Flügel zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem aktiven Material gebildet ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung; und
7 ist eine perspektivische Darstellung eines Flügels zur Verwendung in dem aktiven Grill, wobei der Flügel zumindest einen Abschnitt aufweist, der aus einem aktiven Material gebildet ist, gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Offenlegung sieht einen aktiven Grill vor, wobei Elemente des Grills in der Lage sind, eine Form, Abmessung, Orientierung, Anordnung und/oder Steifigkeit reversibel zu ändern, wobei die Änderung durch die Aktivierung eines aktiven Materials bewirkt wird, um dadurch zuzulassen, dass sich der Grill sich ändernden Bedingungen anpasst, und sowohl das optische Erscheinungsbild der Vorderseite der Grilleinheit als auch das Objekt wie z. B. ein Fahrzeug, in dem er eingebaut ist, zu verändern. Beispielsweise kann bei Fahrzeuganwendungen ein selektives Öffnen und Schließen der Elemente des aktiven Grills den aerodynamischen Luftwiderstandskoeffizienten verändern. Durch Schließen des Grills bei hohen Geschwindigkeiten kann der Luftwiderstand verringert und die Kraftstoffökonomie verbessert werden. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf ein bestimmtes Gebiet der Verwendung eines aktiven Grills wie z. B. an einem Fahrzeug, an einer Wandentlüftung in einem Gebäude etc. beschränkt sein. Außerdem soll die vorliegende Offenlegung nicht auf irgendeine spezielle funktionelle Verwendung des aktiven Grills wie z. B. als ein Stylingmerkmal, eine Steuerung einer Kühl/Heizluftströmung etc. beschränkt sein. Ebenso soll die vorliegende Offenlegung auf keinen speziellen Ort der Anwendung an einem Fahrzeug wie z. B. vorne über dem Stoßdämpfer, an der Motorhaube, an der Seite der Vorderseite des Fahrzeugs im Kotflügelbereich, im Dach des Fahrzeugs und dergleichen beschränkt sein.
Der Ausdruck „aktives Material”, so wie hierin verwendet, bezieht sich allgemein auf ein Material, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. einer Abmessung, einer Form, einer Phase, einer Orientierung, einer Steifigkeit, einer Scherkraft und dergleichen zeigt. Das aktive Material kann ein beliebiges einer Vielzahl von aktiven Materialien umfassen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien, z. B. Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere und elektroaktive Polymere wie z. B. Ionische Polymermetallverbundstoffe, leitfähige Polymere und piezoelektrisches Material, magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen wie z. B. MR-Elastomere und weitere ähnliche Materialien, die nach Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zeigen können. Abhängig von dem speziellen aktiven Material kann das Aktivierungssignal die Form eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines magnetischen Feldes, einer mechanischen Beanspruchung oder Belastung und dergleichen besitzen, ohne darauf beschränkt zu sein. Von den oben angeführten Materialien umfassen Anordnungen auf der Basis einer SMA und eines SMP vorzugsweise einen Rückstellmechanismus, um die ursprüngliche Geometrie der Anordnung wiederherzustellen. Der Rückstellmechanismus kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch oder pyrotechnisch sein oder auf einem der zuvor erwähnten intelligenten Materialien basieren. Wie hierin beschrieben wird, ist der aktive äußere Fahrzeuggrill außen an dem Fahrzeug befestigt, oder darin integriert, um eine Luftströmung hierdurch selektiv zu steuern. Der aktive Grill kann ausgebildet sein, um sich ändernde Fahrbedingungen aktiv zu erfassen und darauf anzusprechen, wobei keine äußere Leistungsquelle benötigt wird, oder kann alternativ als Aktuator in funktioneller Verbindung mit einer Leistungsquelle ausgebildet sein, um die Form, Abmessung, Orientierung, Anordnung und/oder Steifigkeit der Flügel, einzeln oder in Kombination, zu ändern.
Wie in 1 gezeigt, umfasst ein beispielhafter äußerer Grill für ein Fahrzeug, allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, einen Rahmen 12, eine Vielzahl von beabstandeten, innerhalb des Rahmens 12 drehbar befestigten Flügeln 14, die kollektiv den Grill definieren, und ein/en Aktuator oder Material auf der Basis eines aktiven Materials, um die selektive Bewegung der Flügel zu bewirken. Die Flügel 14 können ausgebildet sein, um sich nach Aktivierung des aktiven Materials selektiv zu öffnen und/oder zu schließen.
In einer Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, umfasst der Grill 16 ein aktives Material 16 in funktioneller Verbindung mit dem Flügel 14, wobei das aktive Material 16 zumindest eine Eigenschaft besitzt, die dazu dient, sich in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal an dem aktiven Material 16 zu ändern. Eine Eigenschaft des aktiven Materials 16 und Änderungen davon beziehen sich auf Charakteristika des aktiven Materials 16 wie z. B. jedoch nicht beschränkt auf eine Form, Abmessung, Steifigkeit, Kombinationen davon und dergleichen. Die Änderungen der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials 16 beeinflussen verschiedene Merkmale des Grills 10 wie z. B., jedoch nicht beschränkt auf eine Form, Abmessung, Anordnung, Orientierung, Steifigkeit, Kombinationen davon und/oder dergleichen, die zu einer Änderung der Luftströmung durch den Grill 16 hindurch führen. Auf diese Weise ist der Grill 10 verstellbar und eine Luftströmung durch die Vorrichtung 10 hindurch ändert sich mit der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials 16 unter sich rändernden Fahrbedingungen. Das in 2 gezeigte aktive Material kann z. B. eine Formgedächtnislegierung sein, die bei einer Aktivierung ausgebildet sein kann, um sich zusammenzuziehen und dadurch den Flügel um einen Drehpunkt 18 zu drehen. Eine Vorspannfeder 19 oder ein anderes aktives Material kann verwendet werden, um die Position des Flügels 14 wiederherzustellen. Es sollte angemerkt werden, dass der Flügel 14 in Abhängigkeit von der Größe des Aktivierungssignals, der speziellen verwendeten aktiven Materialien, des eingesetzten Betätigungsmechanismus und dergleichen drehbar in eine unbegrenzte Zahl von Positionen positioniert werden kann.
Mit dem Flügel 14 gekoppelt und in funktioneller Verbindung mit diesem is/steht eine Aktivierungsvorrichtung 20. Die Aktivierungsvorrrichtung 20 steht in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Material 16 und dient dazu, selektiv ein Aktivierungssignal an das aktive Material bereitzustellen und eine Position/Orientierung der Flügel 14 durch Ändern zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials 16 zu verändern. Zum Beispiel kann sich das aktive Material 16 bei geringen Geschwindigkeiten in eine offene Position zurückziehen (bei einer Aktivierung seine Längenabmessung verkürzen) und zulassen, dass eine Luftströmung durch den Grill hindurch und in den Motorraum hinein strömt. Nach Deaktivierung des aktiven Materials kann die Vorspannfeder oder das andere aktive Material aktiviert werden, um die Flügel in eine geschlossene Position zu positionieren, wie es beim Fahren mit hohen Geschwindigkeiten wünschenswert sein kann.
Die Aktivierungsvorrichtung 20 stellt bei Bedarf das Aktivierungssignal oder einen Reiz an das aktive Material 16 bereit, um die Änderung eines oder mehrerer Merkmale zumindest eines Abschnitts des Grills 10 zu bewirken. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf irgendein spezielles aktives Material 16 und/oder Kombinationen von aktiven Materialien 16 beschränkt sein. Gleichermaßen soll die vorliegende Offenlegung nicht auf irgendein spezielles Aktivierungssignal beschränkt sein. Das spezielle Aktivierungssignal wird von der Empfindlichkeit des aktiven Materials 16 abhängig sein. Als solches kann das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal und/oder ein anderes ähnliches Aktivierungssignal umfassen. Des Weiteren soll der Ausdruck „in Ansprechen auf das Aktivierungssignal” sowohl passive als auch aktive Mittel zum Bereitstellen von Änderungen einer Form, Abmessung, Steifigkeit und Kombinationen davon umfassen.
In einer Ausführungsform bleibt die Änderung des Merkmals allgemein für die Dauer des angelegten Aktivierungssignals bestehen. Bei einer Unterbrechung des Aktivierungssignals kehrt das aktive Material 16 allgemein in eine antriebslose Form zurück und kehrt im Wesentlichen zu der ursprünglichen zumindest einen Eigenschaft zurück, um so die Grillflügel in ihre ursprüngliche Position zurückzubringen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Änderung der Eigenschaften des aktiven Materials 16 und/oder des Merkmals zumindest eines Abschnitts des aktiven Grills 10 bei Unterbrechung des Aktivierungssignals bestehen bleiben. In dieser Ausführungsform umfasst der aktive Grill 10 ein Mittel 21 zum Erhalten der Änderung des aktiven Materials 16, z. B. eine Verriegelung, eine Sperre, einen Anschlag und/oder dergleichen. Nach dem Lösen des Mittels kehrt der aktive Grill 10 zu seinem ursprünglichen zumindest einem Merkmal zurück. Der veranschaulichte aktive Grill 10 ist rein beispielhaft und soll nicht auf irgendein/e spezielle/s Form, Größe, Abmessung oder Ausgestaltung, Material oder dergleichen beschränkt sein. Zum Beispiel können die Flügel je nach gewünschter Anwendung vertikal oder horizontal orientiert sein. Ebenso kann der Aktuator aus einem aktiven Material vertikal oder horizontal mit den Flügeln ausgerichtet sein, um einen Bewegung derselben zu bewirken. In einer weiteren Ausführungsform ist der Betrieb eines separaten Aktuators, der antagonistisch mit dem aktiven Material 16 angeordnet ist, anstelle einer Vorspannfeder verwendet, um den aktiven Grill 10 zu dem ursprünglichen zumindest einen Merkmal zurückzubringen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der aktive Grill 10 zumindest einen Sensor 26 in funktioneller Verbindung mit dem aktiven Grill 10 und/oder dem aktiven Material 16, wobei der Sensor geeignet ist, um Signale zu übertragen, die zumindest einen Fahrzeugzustand anzeigen.
Diese Ausführungsform kann ferner einen Controller 22 umfassen, der funktionell mit dem Sensor 24 und der Aktivierungsvorrichtung 20 verbunden ist, wobei der Controller programmiert und konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die Aktivierungsvorrichtung 20 ein Aktivierungssignal an das aktive Material 16 bereitstellt, wenn die Signale des Sensors 24 einen vorbestimmten Fahrzeugzustand anzeigen wie z. B. die Temperatur einer Brennstoffzelle oder eines Radiatorkühlsystems.
Die 3 und 4 veranschaulichen verschiedene Ansichten des aktiven Grills in der offenen und der geschlossenen Position. Eine Luftströmung durch den aktiven Grill 10 hindurch (wie durch Pfeile 28 in 4 angezeigt) wird geregelt, indem die Flügel selektiv aus einer vollständig geschlossenen Position in eine geöffnete Position positioniert werden. Es sollte angemerkt werden, dass der aktive Grill ausgebildet sein kann, um einen oder mehrere verschiedene Aktuatoren aus einem aktiven Material zu enthalten, um zuzulassen, dass einer der Flügel oder alle Flügel selektiv öffnen und/oder schließen.
Der Flügel 14 (hierin auch als ein Luftleitkörper bezeichnet) kann ein/e beliebige/s aus einer Vielfalt von Materialien und Konfigurationen sein, das/die die Funktion des aktiven Grills 10 gestatten. Umfasst sind Grillflügel, die die gesamte Höhe oder Breite des physischen Grills überspannen. Ebenfalls umfasst sind Grillflügel, die in mehrere separate Elemente unterteilt sind, welche einzeln nur einen Abschnitt wie z. B. eine Hälfte der physikalischen Öffnung überspannen. Dieser Ansatz wäre einer, der eine effizientere/effektivere Überspannung einer stark gekrümmten Grillgeometrie zulassen würde, indem er kleinere „sichelförmige” Grillelemente zulässt, deren Drehachsen kürzere Sehnen wären, d. h. je größer die Anzahl von Sehnenabschnitten, die einen Bogen überspannen, umso kleiner ist der Bogen (die Krümmung) eines jeden. Ein Beispiel ist das Aufteilen eines Grills mit horizontalen Flügeln in zwei Abschnitte, wobei die Trennlinie die horizontale Mitte der Gesamtöffnung nach unten verläuft. Ein einziger vertikaler Träger in der Mitte könnte verwendet werden, um sowohl die linken als auch die rechten Abschnitte gleichzeitig zu steuern. Alternativ könnten einzelne vertikale Träger an jeder Außenkante oder Doppelträger in der Mitte verwendet werden, um eine getrennte Aktivierung von linken und rechten Abschnitten vorzusehen. Des Weiteren wird in Erwägung gezogen, dass spezielle hydrophobe Beschichtungen (einschließlich solcher auf Nano-Basis) für die Grillflügel als ein Ansatz verwendet werden können, um sowohl die Häufigkeit der Fälle, in denen der Grill mit Schnee/Eis/Schlamm überzogen und verstopft wird, als auch die Grillöffnungskraft (die erforderlich ist, um die Schicht/Verstopfung loszubrechen), wenn diese vorliegen, zu minimieren.
Zum Beispiel werden im Hinblick auf Ansätze für eine starre Verschiebung, Dreh-, lokale Verschiebungs- und Gesamtverschiebungsansätze vorgeschlagen. Eine zweite Klasse besteht darin, dass ein außen verbundenes aktives Material verwendet wird, um ein flexibles Element des Grills zu biegen oder anderweitig zu verformen, um dadurch die Öffnungsgeometrie zu ändern. Eine dritte Klasse von Ausführungsformen ist jene, in der das aktive Material innerhalb eines flexiblen Elements des Grills eingebettet ist und seine Betätigung eine Änderung der Grillgeometrie und der Öffnungsgröße bewirkt. Eine vierte Klasse von Ausführungsformen ist jene, in der das aktive Material das Element des Grills bildet und seine Betätigung eine Änderung der Grillgeometrie und der Öffnungsgröße bewirkt. Eine fünfte Klasse von Ausführungsformen ist jene, in der eine der oben erwähnten vier Klassen von Ansätzen verwendet wird, um ein von dem Grill getrenntes, möglicherweise jedoch daran angebrachtes Element zu aktivieren, wobei eine Aktivierung dieses Elements – z. B. einer Klappe – bewirkt, dass das Element eine oder mehrere Öffnungen in dem Grill abdeckt. Unter den in dieser Offenlegung umfassten Alternativen befinden sich eine vollständige Einrast-Austausch-Aktivgrilleinheit, die anstelle eines derzeitigen passiven Grills verwendet werden kann, und eine aktive Einheit, die eng gegen die Rückseite eines passiven Grills einrastet, wobei die hintere Einheit die aktiven Schließelemente enthält, d. h. ein Nachrüstgrill.
In den 5A und 5B besteht der Flügel 30 aus einem flexiblen Material, das eine entsprechende Flexibilität aufweist, um als ein verstellbarer aktiver Grill zu dienen, der innerhalb eines elastischen oder flexiblen Materials 34 angeordnet ist, wenn das aktive Material 32 zumindest eine Eigenschaft ändert. Beispielweise kann der Flügel 30 zumindest einen Abschnitt umfassen, der aus dem aktiven Material 16 gebildet ist, wie in der Form eines Gitters gezeigt. Die aktiven Materialien 32 können eine im Wesentlichen gerade Form bei einer ersten Temperatur (5a) und eine gekrümmte Form (d. h. eine gebogene Form, wie in 5b gezeigt) aufweisen, wenn sie über eine Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Eine Aktivierungsvorrichtung 36 ist mit dem aktiven Material gekoppelt, um eine selektive Aktivierung vorzusehen. Ein Controller 38 und eine Sensor 40 können programmiert sein, um die Aktivierungsvorrichtung 36 zu steuern.
Wie in 6 gezeigt, ist eine perspektivische Darstellung eines Flügels 50 abgebildet, der Streifen und/oder Abschnitte aus einem aktiven Material 52 aufweist, die auf oder in einem flexiblen Matrixmaterial 54 eingebettet sind. Die Anordnung des aktiven Materials 52 ist auf kein/e spezielle/s Konfiguration oder Muster beschränkt und wird durch die gewünschte Anwendung des Grills bestimmt sein. In einer Ausführungsform, wie in Streifen aus einer SMA, weist das aktive Material 52 eine gelernte, gekrümmte Form in der Austenitphase auf, die in dieser Darstellung nicht gezeigt ist. Beim Stehen oder bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten kann das aktive Material 52 über eine Widerstandsheizung oder passiv über Motorwärme erwärmt werden, die bewirken kann, dass sich das aktive Material 52 krümmt und dabei eine Luftströmung durch den Grill hindurch zulässt. Die Änderung der Form kann durch ein Aktivierungssignal initiiert werden, das von der Aktivierungsvorrichtung 54, dem Controller 56 und/oder dem Sensor 58 ausgesendet wird.
In Folge der Phasenänderung in der Formgedächtnislegierung wird die Steifigkeit des Flügels größer sein als in der Martensitphase. Die Anzahl und Größe der eingebetteten Streifen aus einem aktiven Material können so gewählt sein, dass das eingebettete aktive Material 52, wenn es sich in der Austenitphase befindet, bewirkt, dass sich der Großteil der aktiven Grillflügel 50 verformt. Wenn das SMA-Material sich jedoch in der Martensitphase befindet, ist das flexible Material, das den Großteil der Flügel 50 umfasst, ausreichend steif, um den Vorrichtungsgrillflügel in eine gerade, ausgefahrene Konfiguration zurückzubringen und dabei das aktive Material 52 gerade zu richten. Bei höheren Geschwindigkeiten oberhalb einer vorbestimmten Fahrzeuggeschwindigkeit kann der Stromfluss, der die Widerstandsheizung bewirkt, angehalten werden, wodurch bewirkt wird, dass das aktive Material 52 in die Martensitphase zurückkehrt. Auf diese Weise kehren die aktiven Grillflügel 50 in einen gerade gerichteten, ausgefahrenen Zustand zurück und verhindern dadurch eine Luftströmung durch den aktiven Grill hindurch. Vorteilhafterweise können die Flügel 50 wiederhergestellt werden, wenn sie in Folge einer Kraft wie z. B. eines Zusammenstoßes auf Grund einer plastischen Verformung der Streifen aus dem aktiven Material 52 verformt werden, indem das aktive Material 52 auf die Austenitphasentemperatur erwärmt wird.
In einer weiteren Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, umfasst eine perspektivische Darstellung eines Flügels 60 ein aktives Material 62 in der Form von Spiralfedern, die in funktioneller Wirkung positioniert sind. In dieser Ausführungsform kann das aktive Material 62 außen entweder direkt oder entfernt mit einer Fläche des Flügels 60 verbunden sein. Der Flügel 60 ist auf solch eine Weise mit einem hohlen Rohr 64 gekoppelt, dass das Rohr 64 sich frei um seine Achse drehen kann. Ein Federmechanismus 65 und das aktive Material 62 sind beide auf entgegengesetzte Weise mit dem Rohr 64 gekoppelt, sodass sich deren jeweilige Spannungen ausgleichen. Auf diese Weise kann die Drehung des Rohres 64 über ein äußeres Mittel die Spannung in einer Richtung erhöhen und gleichzeitig die Spannung in der anderen Richtung reduzieren. Bei geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten (d. h. geringer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit) resultiert die Spannung in dem Federmechanismus 65 kombiniert mit der reduzierten Steifigkeit und größeren Länge eines nicht erwärmten aktiven Materials 62 in einer Rotation des Flügels 60. Bei höheren Geschwindigkeiten (d. h. höher als die vorbestimmte Geschwindigkeit) kann die Temperatur des aktiven Materials 62 über eine Widerstandsheizung oder eine konduktive Erwärmung erhöht werden, um eine Phasenänderung in dem aktiven Material 62 von der Martensitphase in die Austenitphase zu erzeugen. Die aus einem aktiven Material 62 bestehenden Drähte zeigen vorzugsweise eine Reduktion in der Länge von bis zu etwa 4 Prozent (%) bei einer bis zu 3-fachen Erhöhung der Steifigkeitseigenschaften. Auf diese Weise kann die Kombination aus der Reduktion in der Länge und der Erhöhung der Steifigkeitseigenschaften zu einer Rotation des Flügels 60, d. h. einer Rotation des Rohres 64 und einem Strecken des Ausgleichsfedermechanismus 65 führen. Bei einer Unterbrechung der Widerstandsheizung kühlt das aktive Material 62 in die Martensitphase ab und der gestreckte Federmechanismus 65 kann verwendet werden, um den Flügel in seine ursprüngliche Position zurückzubringen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Änderung einer oder mehrerer Eigenschaften des aktiven Materials 62 und/oder die Position des Flügels 60 nach Unterbrechung des Aktivierungssignals bestehen bleiben. In dieser Ausführungsform umfasst der Flügel 60 ein Mittel, um die Änderung des aktiven Materials 62 aufrechtzuerhalten, z. B. eine Verriegelung, eine Sperre, einen Anschlag und/oder dergleichen. Nach Lösen des Mittels zum Aufrechterhalten der Änderung des aktiven Materials 62 kehrt der Flügel 60 in seine ursprüngliche Position zurück. Wie zuvor erläutert, können die Aktivierungsvorrichtung 66, der Controller 68 und/oder der Sensor 70 miteinander und mit dem Flügel 60 arbeiten, um die Änderungen zumindest einer Eigenschaft des aktiven Materials 62 und die Positionierung des Flügels zu initiieren.
Wie oben angemerkt, können die Flügel 14, 30, 50, 60, die den Grill 10 in jeder der oben erläuterten Ausführungsformen definieren, sich zwischen zwei Positionen – vollständig offen und vollständig geschlossen – bewegen; sie können sich zwischen mehreren diskreten Öffnungsgraden zwischen vollständig offen und geschlossen bewegen; oder das Öffnen und Schließen von verschiedenen von mehreren aktiven Elementen wird einzeln oder in Gruppen gesteuert. Als solches wird eine seitliche und/oder vertikale Schließbewegung der Flügel verwendet, um eine entweder vertikale oder seitliche Grillöffnung zu schließen/öffnen.
Das aktive Material in jeder der oben erläuterten Ausführungsformen umfasst jene Zusammensetzungen, die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches für verschiedene aktive Materialien die Form elektrischer, magnetischer, thermischer und dergleichen Felder annehmen kann, eine Änderung der Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder der Abmessungen zeigen können. Das Aktivierungssignal kann passiv oder aktiv sein. Das heißt, das Aktivierungssignal kann aktiv an das Formgedächtnismaterial angelegt werden, wie z. B. durch Anlegen eines Stromes an einen Widerstandsdraht, der mit dem Formgedächtnismaterial in funktioneller Verbindung steht, oder kann indirekt angelegt werden, wie z. B. durch Eintauchen in ein Motorkühlmittel, ein Eintauchen in die Betriebstemperaturen des Fahrzeugs und dergleichen. Bevorzugte aktive Materialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf die Klasse von Formgedächtnismaterialien und Kombinationen davon. Formgedächtnismaterialien beziehen sich allgemein auf Materialien oder Zusammensetzungen, welche die Fähigkeit besitzen, sich an ihre ursprüngliche zumindest eine Eigenschaft wie z. B. eine Form zu erinnern, die anschließend für verschiedene dieser Materialien, entweder durch das Anlegen oder Unterbrechen eines äußeren Reizes, abgerufen werden kann, wie hierin im Detail beschrieben wird. Als solches ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein vorübergehender Zustand. Auf diese Weise können die verschiedenen Formgedächtnismaterialien sich in Ansprechen auf entweder das Anlegen oder Wegnehmen eines Aktivierungssignals in die gelernte Form ändern.
Geeignete aktive Materialien für den Grill auf der Basis eines aktiven Materials umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen („SMAs”; z. B. thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA)), elektroaktive Polymere (EAPs) wie z. B. dielektrische Elastomere, ionische Polymermetallverbundstoffe (IPMC), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramik) und Formgedächtnispolymere (SMPs), Formgedächtniskeramik (SMCs), Baroplastik, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide und Elastomere), Zusammensetzungen der vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden aktiven Materialien umfassen. Der Einfachheit halber und beispielhaft wird hierin auf Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere Bezug genommen. Die Formgedächtniskeramik, Baroplaste und dergleichen kann/können auf eine ähnliche Weise verwendet werden. Zum Beispiel bewirkt bei baroplastischen Materialien eine druckinduzierte Vermischung von Nanophasendomänen von Komponenten hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Farmänderung. Ein Baroplast kann bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. SMCs sind ähnlich wie SMAs, sind jedoch in der Lage, wesentlich höheren Betriebstemperaturen standzuhalten als andere Formgedächtnismaterialien. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Die Fähigkeit von Formgedächtnismaterialien, nach dem Anlegen oder Entfernen äußerer Reize in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, hat zu ihrer Verwendung in Aktuatoren geführt, um Kraft aufzubringen, die zu einer gewünschten Bewegung führt. Aktuatoren aus einem aktiven Material bieten die Möglichkeit einer Reduktion der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Lärms des Aktuators und einer Erhöhung der Robustheit im Vergleich zu traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Ferromagnetische SMAs zum Beispiel zeigen schnelle Abmessungsänderungen von bis zu mehreren Prozent in Ansprechen auf ein angelegtes magnetisches Feld (und proportional zu seiner Stärke). Diese Änderungen sind jedoch Änderungen in eine Richtung und nutzen die Aufbringung entweder einer Vorspannkraft oder einer Feldumkehr, um die ferromagnetische SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen.
Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen oder Polarität.
Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird oft als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Der Bereich zwischen As und Af wird oft als der Martensit-zu-Austenit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf oft als der Austenit-zu-Martensit-Übergangstemperaturbereich bezeichnet wird. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Allgemein steigen diese Temperaturen mit steigender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Anfangstemperatur (bei oder unterhalb von As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Anfangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnismaterial-Probe beginnt, bis zur Fertigstellung bei der Austenit-Endtemperatur in ihre ursprüngliche (nicht gespannte) permanente Form zurückzukehren. Somit ist ein geeigneter/s Aktivierungseingang oder -signal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um Übergänge zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert (d. h. ihre ursprüngliche, nicht gespannte Form), wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Farmgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung über einen größeren Temperaturbereich an den Tag legen. Der Anfang oder das Ende des Übergangs kann innerhalb mehrerer Grade abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen typischerweise einen Formgedächtniseffekt und einen superelastischen Effekt bereit. Zum Beispiel wird in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können durch Neuausrichtung der Kristallstrukturanordnung mit der aufgebrachten Spannung große Verformungen durchmachen. Das Material behält diese Form, nachdem die Spannung entfernt wurde. Anders ausgedrückt, durch Spannung induzierte Phasenänderungen in der SMA erfolgen von der Art her in zwei Richtungen; die Aufbringung von ausreichend Spannung, wenn sich eine SMA in ihrer Austenitphase befindet, bewirkt eine Änderung in ihre Martensitphase mit niedrigerem Modul. Das Entfernen der aufgebrachten Spannung wird bewirken, dass die SMA in ihre Austenitphase zurückschaltet und damit ihre Anfangsform und den höheren Modul wiedererlangt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und versehen die Grillflügel typischerweise mit Formgedächtniseffekten, superelastischen Effekten und hohem Dämpfungsvermögen.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen 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-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung ist zum Teil von dem Temperaturbereich der beabsichtigten Anwendung abhängig.
Die Rückverformung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur ist begleitet von sehr großen Spannungen (im Vergleich mit denen, die erforderlich sind, um das Material zu verformen), die so hoch sein können wie die natürliche Fließgrenze des Austenitmaterials, manchmal bis zu dem Dreifachen oder mehr der verformten Martensitphase. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Betriebszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich 4% oder dergleichen der verformten Länge des verwendeten Drahtes erhalten werden. In Experimenten, die mit Formgedächtnislegierungsdrähten mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter (mm) durchgeführt wurden, wurde die maximale Dehnung in der Größenordnung von 4% erhalten. Dieser Prozentsatz kann für dünnere Drähte oder für Anwendungen mit einer geringen Zyklenanzahl auf bis zu 8% zunehmen.
MSMAs sind Legierungen, die oft aus Ni-Mn-Ga bestehen und die Form infolge einer durch ein magnetisches Feld induzierten Dehnung ändern können. MSMAs besitzen interne Varianten mit verschiedenen magnetischen und kristallographischen Orientierungen. In einem magnetischen Feld ändern sich die Proportionen dieser Varianten, was zu einer Änderung der gesamten Form des Materials führt. Ein MSMA-Aktuator erfordert allgemein, dass das MSMA-Material zwischen den Spulen eines Elektromagneten angeordnet wird. Der elektrische Strom, der durch die Spule fließt, induziert ein magnetisches Feld durch das MSMA-Material, das eine Änderung der Form bewirkt.
Wie zuvor erwähnt, sind weitere beispielhafte Formgedächtnismaterialien Formgedächtnispolymere (SMPs). „Formgedächtnispolymer” bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das beim Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft wie z. B. eines Moduls, einer Abmessung, eines thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Lichtdurchlässigkeit), oder einer Kombination, die zumindest eine der vorhergehenden Eigenschaften in Kombination mit einer Änderung in seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie umfasst, zeigt. Formgedächtnispolymere können wärmeempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -abfuhr oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um hohe Schwingungsamplituden auf dem Molekularniveau anzuregen, die zu einer inneren Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), fotoempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein elektromagnetisches Strahlungsaktivierungssignal bewirkt), feuchtigkeitsempfindlich (d. h., die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Flüssigkeitsaktivierungssignal wie z. B. Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), chemisch empfindlich (d. h., empfindlich gegenüber einer Veränderung der Konzentration einer oder mehrerer chemischer Spezies in seiner Umgebung, z. B. der Konzentration an H+-Ionen, also des pH der Umgebung) oder eine Kombination sein, die zumindest eines der vorhergehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMPs phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei verschiedene Einheiten umfassen, welche so beschrieben werden können, dass sie verschiedene Segmente innerhalb des SMPs definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMPs beiträgt. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Segment” auf einen Block, einen Pfröpfling oder eine Sequenz desselben oder ähnlicher Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (semi-)kristallin oder amorph sein und weist eine/n entsprechende/n Schmelzpunkt bzw. eine Glasübergangstemperatur (Tg) auf. Der Begriff „Wärmeübergangstemperatur” wird hierin einfacherweise verwendet, um allgemein entweder auf eine Tg oder einen Schmelzpunkt Bezug zu nehmen, je nachdem, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMPs, die (n) Segmente umfassen, kann gesagt werden, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere Wärmeübergangstemperatur aufweist als jedes weiche Segment. Somit weist das SMP (n) Wärmeübergangstemperaturen auf. Die Wärmeübergangstemperatur des harten Segments wird als die „letzte Übergangstemperatur” bezeichnet und die niedrigste Wärmeübergangstemperatur des so genannten „weichsten” Segments wird als die „erste Übergangstemperatur” bezeichnet. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die durch dieselbe Wärmeübergangstemperatur, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, gekennzeichnet sind, gesagt werden kann, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann durch ein nachfolgendes Abkühlen des SMPs unter diese Temperatur festgelegt oder ins Gedächtnis eingeprägt werden. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe „ursprüngliche Form”, „vorher definierte Form”, „vorbestimmte Form” und „permanente Form” gleichbedeutend und sollen untereinander austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als eine Wärmeübergangstemperatur eines jeglichen weichen Segments ist, jedoch unter der letzten Übergangstemperatur liegt, eine äußere Spannung oder Belastung aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und es dann unter die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Belastung aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiedererlangt werden, indem das Material, während die Spannung oder Belastung entfernt ist, über die bestimmte Wärmeübergangstemperatur des weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Es sollte somit einzusehen sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen zu zeigen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen zu zeigen. In ähnlicher Weise wird bei Verwendung eines Ansatzes mit einer Schichtung oder einem Verbund eine Kombination aus mehreren SMPs Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen. Während SMPs verschiedentlich in Bahnen-, Platten-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, um eine Flügelsteifigkeit zu verstellen/zu steuern, besitzen sie den Nachteil, dass sie kontinuierlich Leistung benötigen, um in ihrer Form mit niedrigerem Modul zu bleiben. Sie sind somit besser für eine reversible Form-, Positions- und Orientierungseinstellung des Flügels (über Erwärmungs-/Kühl-/Wiedererwärmungszyklen) auf der Basis von Fahrpräferenzen geeignet.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material auch als ein Aktuator ausgebildet sein, um ein schnelles Ausfahren vorzusehen. Wie hierin verwendet, wird der Begriff „piezoelektrisch” verwendet, um ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mechanisch verformt wird. Piezoelektrische Materialien zeigen eine geringe Änderung in den Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung unterworfen werden, wobei das Ansprechen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional ist und sehr schnell erfolgt (in der Lage ist, den Bereich von tausend Hertz ohne weiteres zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. kleiner als 0,1%), werden sie, um das Ausmaß ihrer Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, üblicherweise in Form von piezokeramischen unimorphen und bimorphen flachen Patch-Aktuatoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich beim Anlegen einer relativ niedrigen Spannung in eine konkave oder konvexe Form verbiegen. Die/das Formveränderung/Durchbiegen solcher Patches innerhalb der Auskleidung des Halters ist geeignet, um das gehaltene Objekt zu greifen/freizugeben.
Ein Typ eines Unimorphs ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer/m flexiblen Metallfolie oder -streifen verbunden ist, die/der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn sie/er mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Wölbung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktuatorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. 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 unimorphen Struktur standhalten.
Im Gegensatz zu der unimorphen piezoelektrischen Vorrichtung umfasst eine bimorphe Vorrichtung eine dazwischen liegende flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen geschichtet angeordnet ist. Bimorphe zeigen mehr Verschiebung als Unimorphe, da sich ein keramisches Element unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das andere ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu etwa 20% zeigen, aber können im Allgemeinen, ähnlich wie Unimorphe, keinen hohen Belastungen relativ zu den Gesamtabmessungen der unimorphen Struktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-Styrolsulfat („PSS”), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF”), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Trifluorethylen („TrFE”) und ihre Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC”), Polyvinylidenchlorid („PVC2”) und ihre Derivate; Polyacrylonitrile („PAN”) und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure („PMA”) und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PUE”) und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyanilin und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid („PEI”) und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon) („PVP”)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc”)-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen, und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. einem duroplastischen elastischen Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur wird/werden erzielt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten magnetischen Feldes variiert wird. Die MR- Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem magnetischen Feld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem magnetischen Feld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können bei hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen höher sind als jene, die von einer Piezoelektrik benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives Pfropf-Elastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine vielfältige Menge von ferroelektrischen-electrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer und/oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, druckempfindliche Haftmittel, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen (z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer und dergleichen).
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 oder im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. eine Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der mit Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können fügsam sein und sich der sich verändernden Form des Polymers anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, strukturierte Elektroden mit verschiedenen Dimensionen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten (wie z. B. Kohlepasten und Silberpasten), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien) wie auch Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (einschließlich Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktive sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren magnetischen Feld unterworfen werden. Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Rotationen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist am größten bei ferromagnetischen oder ferromagnetischen Festkörpern (z. B. Terfenol-D). Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten magnetischen Feldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Die aktiven Grille und Verfahren der vorliegenden Offenlegung sind in der Lage, Flügelmerkmale wie z. B. eine Form, Abmessung, Steifigkeit, Anordnung, Kombinationen davon und dergleichen anzupassen, indem die zumindest eine Eigenschaft eines aktiven Materials geändert wird, um den Anforderungen verschiedener Fahrzustände zu entsprechen. Änderungen der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials 16 umfassen die Form, Abmessung, Steifigkeit, Kombinationen davon und dergleichen. Die Verwendung von aktiven Materialien, um diese Änderungen zu bewirken, sieht einen aktiven Grill mit erhöhter Einfachheit und Robustheit vor, während die Fehlerursachen und der Volumen- und Energiebedarf der Vorrichtung zur Aktivierung auf Grund höherer Energiedichten reduziert sind.
Wenn nicht anders angegeben, sind alle Zahlen, die Mengen an Inhaltsstoffen, Eigenschaften wie z. B. ein Molekulargewicht, Reaktionsbedingungen und dergleichen zum Ausdruck bringen, welche in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, in allen Fällen um den Begriff „etwa” modifiziert zu verstehen. Wenn nicht anders angegeben, sind demgemäß die numerischen Parameter, die in der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind, Annäherungen, die in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften, deren Erhalt durch die vorliegende Offenlegung angestrebt wird, variieren können. Schließlich soll, und dies ist nicht als Versuch zu sehen, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten auf den Umfang der Ansprüche einzuschränken, jeder numerische Parameter zumindest im Licht der Anzahl angegebener signifikanter Stellen und durch Anwenden üblicher Rundungsverfahren ausgelegt werden.
Der aktive Grill zum Regeln einer Luftströmung kann verwendet werden, um eine Luftströmung durch und/oder über einen Kühler, einen Brennstoffzellenraum, eine Brennstoffzelle und/oder einen Motorraum in einem Fahrzeug zu steuern. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass der Grill zur Verwendung in weiteren Teilen des Fahrzeugs wie z. B. einer Luftströmungssteuerung über dem Getriebegehäuse, dem Klimaanlagen-Wärmetauscher, den Bremsen, durch Radöffnungen hindurch und dergleichen ausgebildet und geeignet sein kann, jedoch nicht beschränkt sein soll.
Die Elemente der Steuerlogik umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf die folgenden: ein durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmtes Öffnen/Schließen; eine Kraftbegrenzungssteuerung an dem Betätigungsmechanismus zum Schutz gegen eine Überbelastung auf Grund eines Klemmens oder Blockierens durch Schmutz, Vereisen, etc.; einen über einen manuellen Knopf gesteuerten Öffnungs- und Schließvorgang; physikalische Konstruktionen der beweglichen Elemente mit einer örtlich begrenzten Spitzenflexibilität, um das Einklemmen von Finger etc. zu vermeiden; eine Logik, die anzeigt, dass das Schließen nur stattfinden könnte, wenn der Motor läuft und ein Gang im Fahrzeug eingelegt ist und/oder ein Gang im Fahrzeug eingelegt ist und es sich bewegt; die Verwendung mehrerer Drahtbündel zur Aktivierung, in denen nur eine begrenzte Anzahl von Drähten verwendet würde, wenn das Fahrzeug steht, sodass Fingereinklemmbelastungen auf sichere Bereiche begrenzt wären; alle Drähte aktiviert wären, wenn das Fahrzeug sich bewegt; eine Logik, dass der Grill offen sein würde, wenn das Fahrzeug geparkt wäre und die Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt, um zu vermeiden, dass der Grill geschlossen festfriert; eine Verwendung eines verfügbaren Signals wie z. B. der Temperatur des Kühlmittels, der Temperatur in Motorraum etc., um das Öffnen und Schließen des Grills zu steuern; eine Logik, dass der Grill geschlossen sein würde, wenn das Fahrzeug geparkt wäre und die Temperatur unter (möglicherweise deutlich unter) dem Gefrierpunkt liegt, um zu vermeiden, dass der Motor zu schnell auskühlt; eine Logik, dass der Grill anfänglich in jedem Fahrzeugbetriebszyklus geschlossen ist, bis sich der Motor erwärmt, um ein schnelleres Erwärmen und eine damit verbundene potentielle Emissionsreduktion zuzulassen; und das Einschließen eines passiven Sicherheitsübersteuerungsmechanismus (auf der Basis des Formgedächtnisses einer SMA), um ein automatisches Öffnen zu bewirken, wenn übermäßige Temperaturen in dem Bereich erreicht werden, in dem der passive Sicherheitsübersteuerungsmechanismus angeordnet ist.

Claims

Kühlergrill, der positioniert ist, um eine Fluidströmung selektiv zu steuern und folgende Merkmale umfasst: einen Flügel (14, 30, 50, 60), der drehbar an einem Rahmen (12) befestigt ist; ein aktives Material (16, 19, 62) in funktioneller Verbindung mit dem Flügel (14, 30, 50, 60), wobei das aktive Material (16, 19, 62) dazu dient, zumindest eine Eigenschaft in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal zu ändern, wobei sich die Fluidströmung durch den Kühlergrill (10) hindurch mit der Änderung der zumindest einen Eigenschaft des aktiven Materials (16, 19, 62) ändert; und eine Aktivierungsvorrichtung (20, 36, 54, 66), die ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material (16, 19, 62) zu liefern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftbegrenzungssteuerung, die mit der Aktivierungsvorrichtung (20, 36, 54, 66) gekoppelt und zum Schutz gegen eine Überbelastung ausgebildet ist, und ein Mittel zum Beibehalten der Position des Flügels (14, 30, 50, 60) nach einer Unterbrechung des Aktivierungssignals vorgesehen sind.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei der Flügel (30, 50, 60) aus dem aktiven Material gebildet ist.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei der Flügel (30, 50, 60) zumindest teilweise aus dem aktiven Material gebildet ist.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei das aktive Material (16, 19, 62) eine Formgedächtnislegierung, ein elektroaktives Polymer, einen ionischen Polymermetallverbundstoff, ein piezoelektrisches Material, ein Formgedächtnispolymer, eine Formgedächtniskeramik, ein magnetorheologisches Material, ein elektrorheologisches Material, ein elektrostriktives Material und/oder ein magnetostriktives Material umfasst.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal und/oder eine mechanische Belastung umfasst.
Kühlergrill nach Anspruch 1, ferner mit einem Controller (22, 38, 56, 68), der funktionell mit der Aktivierungsvorrichtung (20, 36, 54, 66) gekoppelt ist, die ausgebildet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material (16, 19, 62) zu liefern.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft eine Änderung einer Form, einer Abmessung, einer Phase, einer Formorientierung, einer Steifigkeit, einer Scherfestigkeit und/oder Viskosität umfasst.
Kühlergrill nach Anspruch 1, ferner mit einer Vorspannfeder (19), die ausgebildet ist, um den Flügel (14) in die erste Position zurückzubringen.
Kühlergrill nach Anspruch 1, wobei der Flügel (14) mit einem Aktuator aus einem aktiven Material (16) gekoppelt ist, der ausgebildet ist, um den Flügel (14) in eine offene oder geschlossene Position zu drehen.
Kühlergrill nach Anspruch 9, wobei der Aktuator auf der Basis eines aktiven Materials (16) ein Draht ist, der aus dem aktiven Material gebildet ist, wobei ein Ende an dem Flügel (14) angebracht ist und ein weiteres Ende an einer feststehenden Fläche angebracht ist.
Kühlergrill nach Anspruch 1, ferner mit einem Sensor (24, 40, 58, 70), der ausgebildet ist, um einen vorbestimmten Fahrzeugzustand zu detektieren.