DE112008003596B4

DE112008003596B4 - Verstellbarer Lufteinlass mittels Betätigung durch ein aktives Material

Info

Publication number: DE112008003596B4
Application number: DE112008003596.2T
Authority: DE
Inventors: Paul W. Alexander; Alan L. Browne; Xiujie Gao; Thomas H. Froling; Richard J. Skurkis; Matthew D. Scrase; Clifford Jason Yee; Evan P. Joranlien; Mark D. Dickens; Arnold G. Warner; Laurence M. Lemaire
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2028-12-31
Also published as: WO2009088841A2; US8607744B2; US20090173305A1; DE112008003596T5; WO2009088841A3; CN102016262B; CN102016262A

Abstract

Aktiver Lufteinlass (10), der zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor (12a) geeignet ist, wobei der Einlass umfasst: ein Gehäuse (22), das eine Öffnung (24) in fluidtechnischer Verbindung mit einer umliegenden Umgebung und dem Motor (12a) definiert; zumindest ein Abdeckteil (26), das verschiebbar ist, um dazu gebracht zu werden, sich zwischen offenen und geschlossenen Zuständen relativ zu der Öffnung (24) zu bewegen, wobei das Abdeckteil (26) im geschlossenen Zustand zumindest einen Abschnitt der Öffnung (24) abdeckt und im geöffneten Zustand den Abschnitt nicht blockiert, um eine Zunahme einer Luftströmung zwischen der Umgebung und dem Motor (12a) zuzulassen; und zumindest einen Aktuator (28), der antriebstechnisch mit dem Abdeckteil (26) verbunden ist und ein Element (30) aus einem aktiven Material umfasst, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wobei der Aktuator (28) derart ausgebildet ist, dass die Änderung dazu dienen kann, zu bewirken oder zu ermöglichen, dass sich das Abdeckteil (26) in den offenen oder in den geschlossenen Zustand bewegt, um den Zustrom von Luft zur Bildung eines zur Verbrennung geeigneten Luft/Kraftstoff-Gemischs zu steuern.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf aktive Lufteinlässe und Verfahren zum Regeln von Fluidströmungen in einen Verbrennungsmotor. Im Spezielleren betrifft die Erfindung aktive Lufteinlässe, die eine Betätigung mit einem aktiven Material und entsprechende Verriegelungs-, Vorspann- und Überlastungs/Überhitzungsschutzkonfigurationen verwenden.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Es wurden Lufteinlasssysteme wie z. B. jene, die zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren geeignet sind, entwickelt, um den Zustrom von Luft, Feuchtigkeit und schwebenden Partikeln in den Motor zu handhaben. In einer Kraftfahrzeugeinstellung wird Luft z. B. typischerweise in eine Leitung und/oder Läuferanordnung zugeführt, bevor sie mit Kraftstoff kombiniert wird, um ein zur Verbrennung geeignetes Luft/Kraftstoff-Gemisch zu bilden. Die Fähigkeit, den Zustrom von Luft zu steuern, gestattet es, das Gemisch wie erwünscht zu modifizieren. Als solche wurden aktive Lufteinlässe entwickelt, die zwischen zumindest geschlossenen und offenen Zuständen beeinflussbar sind. Herkömmlicherweise umfassen aktive Lufteinlässe typischerweise drehbare Lamellen, rekonfigurierbare Gleitverschlüsse oder andere verschiebbare Abdeckungen und Motoren, Solenoide oder andere mechanische Vorrichtungen, die selektiv die Drehung, Rekonfiguration und/oder Verschiebung bewirken. Herkömmliche aktive Einlässe werfen jedoch verschiedenartige Probleme auf dem technischen Gebiet auf. Zum Beispiel hatte das Hinzufügen von verschiedenen elektrischen und mechanischen Komponenten Unterbringungsschwierigkeiten, eine Erhöhung der Masse und Komplexität und eine verminderte Zuverlässigkeit im Vergleich zu nicht aktiven Konfigurationen zur Folge.
Aus dem Stand der Technik in der EP 1 362 732 A1 ist ein aktiver Lufteinlass bekannt, der zur Steuerung eines Kühlluftstromes geeignet ist. Der Lufteinlass aus diesem Stand der Technik umfasst: ein Gehäuse; zumindest ein Abdeckteil, das verschiebbar ist, um dazu gebracht zu werden, sich zwischen offenen und geschlossenen Zuständen relativ zu der Öffnung zu bewegen, wobei das Teil im geschlossenen Zustand zumindest einen Abschnitt der Öffnung abdeckt und im geöffneten Zustand den Abschnitt nicht blockiert, um eine Zunahme einer Fluidströmung zuzulassen; und zumindest einen Aktuator, der antriebstechnisch mit dem Teil verbunden ist und ein Element aus einem aktiven Material umfasst, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wobei der Aktuator derart ausgebildet ist, dass die Änderung dazu dienen kann, zu bewirken oder zu ermöglichen, dass sich das Teil in einen von dem offenen und dem geschlossenen Zustand bewegt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung präsentiert ein aktives Lufteinlasssystem und ein Verfahren zum Regeln einer Fluidströmung in einen Motor mittels Betätigung durch ein aktives Material, um die zuvor erwähnten Probleme zu mildern oder zu behandeln. Das bedeutet, der erfindungsgemäße Einlass ist geeignet, um Unterbringungsoptionen zu verbessern, reduziert die funktionell äquivalente Masse und Komplexität/Anzahl von beweglichen Teilen und ist zuverlässiger im Vergleich zu herkömmlichen aktiven Lufteinlasssystemen. Die Erfindung ist geeignet, um Betriebslärm (sowohl akustisch als auch in Bezug auf EMF) und andere Energievergeudung/Nebenprodukte in Verbindung mit einer herkömmlichen Betätigung zu reduzieren. Der/das erfindungsgemäße Einlass und Verfahren nutzen die Fähigkeit von aktiven Materialien, sich in Bezug auf den Elastizitätsmodul, die Form oder eine anderweitige Grundeigenschaft zu ändern, wenn sie aktiviert werden, um ein Öffnen und/oder Schließen einer Fluidleitung effektiver zu bewirken. Die Erfindung ist ferner geeignet, um einen aktiven Lufteinlass bereitzustellen, der eine bei Ausfall des Versorgungsdruckes geschlossene und luftunterstützte Schließ/Abdichtfunktion bietet.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen aktiven Lufteinlass, der zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor geeignet ist. Der Einlass umfasst ein Gehäuse, das eine Öffnung in fluidtechnischer Verbindung mit einer umliegenden Umgebung und dem Motor definiert. Der Einlass umfasst ferner zumindest ein Teil, das verschiebbar ist, um dazu gebracht zu werden, sich zwischen offenen und geschlossenen Zuständen wie auch Zwischenpositionen relativ zu der Öffnung zu bewegen. Das Teil deckt zumindest einen Abschnitt der Öffnung im geschlossenen Zustand ab und blockiert den Abschnitt nicht, um eine Fluidströmung zwischen der Umgebung und dem Motor im geöffneten Zustand zuzulassen. Schließlich ist zumindest ein Aktuator antriebstechnisch mit dem Teil verbunden und umfasst ein Element aus einem aktiven Material, das betrieben wird, um eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist. Der Aktuator ist derart ausgebildet, dass die Änderung dazu dient, zu bewirken, dass sich das Teil in einen von dem offenen und dem geschlossenen Zustand bewegt, um eine Fluidströmung in den Motor zu regeln.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Modifizieren einer Fluidströmung in den Motor. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass der Motor über eine Öffnung fluidtechnisch mit einer umliegenden Umgebung gekoppelt wird, um eine Fluidströmung dazwischen zuzulassen, und ein Element aus einem aktiven Material relativ zu der Öffnung angebracht wird. Als Nächstes wird ein Abtastwert einer Umgebungsbedingung oder Fahrzeugcharakteristik bestimmt und der Abtastwert wird mit einer Schwelle verglichen, um einen nicht konformen Zustand zu bestimmen. Wenn der Abtastwert die Schwelle überschreitet, wird das Element aktiviert und die Öffnung wird modifiziert, um die Fluidströmung in den Motor als ein Ergebnis einer Aktivierung des Elements zu modifizieren. Es wird bevorzugt zumindest ein Sensor verwendet, um selbstständig den Abtastwert zu bestimmen.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die bevorzugte Einlasskonfigurationen und Verfahren umfassen, die Formgedächtnisdraht-Aktuatoren, Einzel- und Mehrflügel-Lamellen, drehbare Trommeln, Bogensehnenaktuatoren, Verriegelungs- und Überlastungsschutzvorrichtungen und anderes verwenden, werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und den beiliegenden Zeichnungsfig. offensichtlich.
Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung
(Eine) bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung ist/sind unten stehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei perspektivische Veranschaulichungen eine maßstabgetreue Zeichnung der speziellen abgebildeten Ausführungsform repräsentieren:
1 ist eine Vorderansicht eines Fahrzeuges mit einem aktiven Lufteinlass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der mit einem Sensor, einer Eingangsvorrichtung, einem Controller und einer Leistungsversorgung gekoppelt ist;
1a ist eine perspektivische Darstellung einer Fahrzeugmotorhaubenhutze und einem darin fungierenden aktiven Einlass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine perspektivische Darstellung eines aktiven Einzelflügel- oder -klappen-Einlasses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3a ist eine Seitenansicht des in 2 gezeigten Einlasses, welcher insbesondere die Klappe in einem geschlossenen Zustand und einen Aktuator mit einem aktiven Material mit einem Formgedächtnislegierungsdraht und einer Vorspannfeder, die antriebstechnisch damit verbunden ist, veranschaulicht;
3b ist eine Seitenansicht des in den 3–3a gezeigten Einlasses, wobei sich die Klappe in einem durch die Aktivierung des Drahtes bewirkten geöffneten Zustand befindet;
3c ist eine Seitenansicht des in den 3–3b gezeigten Einlasses, wobei die Bewegung der Klappe durch einen Fremdkörper blockiert ist, während der Draht gerade aktiviert wird;
3d ist eine Seitenansicht des in den 3–3c gezeigten Einlasses, wobei der Lastbegrenzungsschutz eingerückt ist, um einen sekundären Ausgangspfad für das Element infolge der Sperre bereitzustellen;
4a ist eine Seitenansicht eines Einlasses auf der Basis eines aktiven Materials, die insbesondere die Schwenkachse der Klappe und einen Verriegelungsmechanismus auf der Basis einer Ratsche mit einem Sperrhebel, einem Zahnradverbinder, einem Formgedächtnislegierungsdraht und einer Vorspannfeder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vergrößerter Bildansicht veranschaulicht;
4b ist eine vergrößerte Abbildung der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus, die in 4a gezeigt sind, wobei die Klappe in einen geöffneten Zustand geschwungen wurde, sodass der Sperrhebel und das Zahnrad ausgerückt sind;
4c ist eine vergrößerte Abbildung der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus, die in 4a gezeigt sind, wobei der Draht aktiviert wurde, um den Sperrhebel und das Zahnrad außer Eingriff zu bringen;
4d ist eine vergrößerte Abbildung der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus, die in 4a gezeigt sind, wobei die Klappe in den geschlossenen Zustand zurückgekehrt ist, wobei jedoch nicht zugelassen wurde, dass der Draht abkühlt;
5a ist ein schematischer Aufriss eines aktiven Einlassaktuators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der ein Teil bewegt und einen Formgedächtnislegierungs-Aktuatordraht, eine Rückstellfeder, einen Lastschutz mit einer Zugfeder und einem Hebel und einen Überhitzungsschutzmechanismus umfasst, der aus einem Zusatz-SMA-Draht besteht, der mit dem Hebel verbunden ist;
5b ist ein schematischer Aufriss des in 5a gezeigten Aktuators, wobei der Lastschutz betätigt wurde;
5c ist ein schematischer Aufriss des in 5a gezeigten Aktuators, wobei der Überhitzungsschutzmechanismus betätigt wurde;
6a ist ein schematischer Aufriss eines aktiven Einlassaktuators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der ein Teil bewegt und einen Formgedächtnislegierungs-Aktuatordraht in einer Bogensehnenkonfiguration, eine erste und eine zweite Rückstellfeder, einen Lastschutz mit einer ersten und einer zweiten Zugfeder und Hebeln und einen Überhitzungsschutzmechanismus umfasst, der aus einem Zusatz-SMA-Draht besteht, der die Hebel miteinander verbindet;
6b ist ein schematischer Aufriss des in 6a gezeigten Aktuators, wobei der Lastschutz betätigt wurde;
6c ist ein schematischer Aufriss des in 6a gezeigten Aktuators, wobei der Überhitzungsschutzmechanismus betätigt wurde;
7a ist eine perspektivische Darstellung eines Einlasses mit einer einzigen Klappe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der eine mittig angeordnete Schwenkachse aufweist;
7b ist eine Seitenansicht des in 7a gezeigten Einlasses, wobei die Klappe in einen vollständig geöffneten Zustand und in Strichlinie zurück in den vollständig geschlossenen Zustand geschwungen gezeigt ist;
8 ist eine perspektivische Darstellung eines Einlasses auf der Basis eines aktiven Materials mit mehreren horizontalen Schwenkachsen und zugeordneten Klappen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine perspektivische Darstellung eines Einlasses auf der Basis eines aktiven Materials mit mehreren vertikalen Schwenkachsen und zugeordneten Klappen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10a ist eine Seitenansicht des in 8 gezeigten Einlasses und eine Draufsicht des in 9 gezeigten Einlasses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein einziger Aktuator mit einem aktiven Material in die Klappen eingreift;
10b ist eine Seitenansicht des in 10a gezeigten Einlasses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Vielzahl von separat fungierenden Aktuatoren aus einem aktiven Material zu variierenden Graden in die Klappen eingreift;
11a ist eine Seitenansicht eines mehrflügeligen Abdeckteils, eines Gehäuseschlitzes und eines Aktuators mit einem Läufer, der innerhalb des Schlitzes linear verschiebbar ist, einem Formgedächtnislegierungs-Aktuatordraht in einer Bogensehnenkonfiguration, der in den Läufer eingreift, einem Verbindungsglied, das den oberen Flügel und den Läufer miteinander verbindet, und einer Rückstellfeder, die innerhalb des Schlitzes wirksam ist, um in den Läufer einzugreifen, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
11b ist eine Seitenansicht der Flügel und des Aktuators, die in 11a gezeigt sind, wobei der Draht aktiviert wurde und die Flügel dazu gebracht wurden, infolgedessen nach vorne zu schwingen;
12a ist eine Seitenansicht eines mehrflügeligen Abdeckteils und eines Aktuators, der aus einem Formgedächtnislegierungs-Aktuatordraht besteht, der die Flügel miteinander verbindet, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
12b ist eine Draufsicht der Flügel und des Aktuators, die in 12a gezeigt sind, wobei der Draht aktiviert wurde und die Flügel dazu gebracht wurden, infolgedessen nach vorne zu schwingen;
13 ist eine perspektivische Darstellung eines Einlasses, der ein Gehäuse, ein mehrflügeliges Abdeckteil, das durch ineinandergreifende Zahnräder gekoppelt ist, um sich entgegengesetzt zu drehen, und einen Aktuator mit einem Formgedächtnislegierungsdraht in Bogensehnenkonfiguration umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
14a ist eine Seitenansicht des in 13 gezeigten Einlasses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei der Aktuator ferner eine Riemenscheibe umfasst und der Draht in einer linearen Konfiguration vorhanden ist, um in der Riemenscheibe mitgeführt und umgelenkt zu werden;
14b ist eine Seitenansicht des in 14a gezeigten Einlasses, wobei der Draht aktiviert wurde und die Flügel dazu gebracht wurden, infolgedessen nach vorne zu schwingen;
15a ist eine Seitenansicht eines Gehäuseschlitzes, eines mehrflügeligen Abdeckteils, das durch ein dreiteiliges Verbindungsglied gekoppelt ist, welches einen Hauptstab, der ausgebildet ist, um sich innerhalb des Schlitzes linear zu verschieben, und einen ersten und einen zweiten Schwingarm umfasst, und eines Aktuators mit einem in den Hauptstab eingreifenden Formgedächtnislegierungsdraht in Bogensehnenkonfiguration gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
15b ist eine Seitenansicht des in 15a gezeigten Einlasses, wobei der Draht aktiviert wurde und die Flügel dazu gebracht wurden, infolgedessen nach vorne zu schwingen;
16a ist eine Seitenansicht eines Gehäuseschlitzes, eines mehrflügeligen Abdeckteils, das durch einen Scherenantrieb gekoppelt ist, welcher einen zentralen Stift, der ausgebildet ist, um sich innerhalb des Schlitzes linear zu verschieben, und einen ersten und einen zweiten Schwingarm umfasst, und eines Aktuators mit einem mit den Armen verbundenen und in den Stift eingreifenden Formgedächtnislegierungsdraht in Bogensehnenkonfiguration gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
16b ist eine Seitenansicht des in 16a gezeigten Einlasses, wobei der Draht aktiviert wurde und die Flügel dazu gebracht wurden, infolgedessen nach vorne zu schwingen;
17a ist eine Vorderansicht und eine Draufsicht eines mehrwandigen Abdeckteils, wobei die Wände durch einen Formgedächtnislegierungs-Aktuatordraht miteinander verbunden sind und jede Wand eine Vielzahl von (vier) Wandlöchern definiert und die Löcher vollständig versetzt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
17b ist eine Vorderansicht und eine Draufsicht des in 17a gezeigten Teils, wobei der Draht aktiviert wurde und die Löcher vollständig ausgerichtet sind, um eine Vielzahl von vier Durchgangslöchern zu definieren;
18 ist eine perspektivische Darstellung eines aktiven Lufteinlasses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der ein Gehäuse, ein Trommelabdeckteil und einen Aktuator mit einem in die Endkappe der Trommel eingreifenden Formgedächtnislegierungsdraht und einen Schwingarm und elektromagnetische Verriegelungsmechanismen umfasst;
19 ist eine perspektivische Darstellung eines Trommelabdeckteils, eines Ratschenschnittstellen-Verriegelungsmechanismus mit einem Sperrhebel und einer Blattfeder und eines Formgedächtnisaktuatordrahtes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
20a ist eine Seitenansicht einer Trommel und eines Gehäuses, wobei sich die Trommel im geöffneten Zustand befindet;
20b ist eine Seitenansicht einer Trommel und des Gehäuses, die in 20a gezeigt sind, wobei sich die Trommel im geschlossenen Zustand befindet und das Gehäuse ferner Abflusslöcher definiert;
21 ist eine Seitenansicht einer nicht symmetrischen Trommel und eines Gehäuses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
22 ist eine Seitenansicht einer halben Trommel und eines Gehäuses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
23 ist eine Seitenansicht einer Trommel und eines Gehäuses, wobei die Trommel einen ersten und einen zweiten Schlitz definiert, die orthogonal überkreuzt sind, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Lufteinlasssystem (d. h. einen „Einlass”) 10, das eine Betätigung durch ein aktives Material verwendet, um eine Funktionalität zu bewirken. Das bedeutet, die Betätigung durch ein aktives Material kann verwendet werden, um eine oder mehrere von den Einlassfunktionen anzutreiben, die eine Verriegelung, eine Entriegelung, ein Öffnen und ein Schließen der beweglichen Teile des Lufteinlasssystems 10 umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind; außerdem können sie in Kombination mit herkömmlichen Mitteln zur Betätigung verwendet werden, um eine separate Funktion vorzusehen oder die gleich Funktion zu unterstützen (wie z. B., um das Kraftniveau über jenes hinaus zu verstärken, das durch den herkömmlichen Aktuator bereitgestellt werden könnte, falls erforderlich). Der Einlass 10 ist hierin mit Bezug auf den Verbrennungsmotor 12a eines Fahrzeuges 12 beschrieben und veranschaulicht und kann in der Motorhaubenhutze 14 einer „Motorhaubenöffnung” eingebaut sein, wie in 1a gezeigt; es ist jedoch einzusehen, dass die Vorteile und Vorzüge des erfindungsgemäßen Einlasses 10 in anderen Anwendungen wie z. B. variablen Auslässen, Auspuffen, HVAC-Registern oder wann immer ein verbessertes Management einer Luft-, Partikel- und/oder Feuchtigkeitsströmung in eine Öffnung hinein erwünscht ist, verwendet werden.
Die Erfindung sieht ein Mittel vor, um selektiv die Strömung von Umgebungsluft in einen Verbrennungsmotor 12a zuzulassen oder zu drosseln (z. B. zu erhöhen oder zu reduzieren), wobei die Selektivität durch Umgebungsbedingungen wie z. B. einen Luftfeuchtigkeitsgehalt oder eine Feuchte, benachbarte Fluidströmungsraten oder Fahrzeugcharakteristika/bedingungen wie z. B. die Fahrzeuggeschwindigkeit, die/das Motordrehzahl/drehmoment/temperatur, eine Frontscheibenwischerbetätigung, eine Zeit und eine GPS/Kartenpositionierung oder eine andere telematische Information ausgelöst werden kann. Als solches umfasst das erfindungsgemäße System 10 bevorzugt zumindest einen Sensor 16, der betrieben wird, um die relevante Charakteristik und/oder Bedingung zu bestimmen; und/oder eine Eingangsvorrichtung 18, die kommunikativ mit einem Controller 20 gekoppelt ist, an dem sich zur Verarbeitung ein Betätigungsmodul befindet (1).
I. Aktives Material, Erläuterung und Funktion
Wie hierin verwendet, soll der Ausdruck „aktives Material” das bedeuten, was ein Fachmann darunter versteht, und umfasst jedes/n Material oder Verbundstoff, das/der eine reversible Änderung in einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien jene Zusammensetzungen umfassen, die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches vom Typ für verschiedene aktive Materialien, von elektrischen, magnetischen, thermischen und dergleichen Feldern sein kann, eine Änderung von Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder Abmessungen zeigen.
Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien wie z. B. Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere. Formgedächtnismaterialien beziehen sich allgemein auf Materialien oder Zusammensetzungen, die die Fähigkeit besitzen, sich an ihre ursprüngliche zumindest eine Eigenschaft wie z. B. die Form zu erinnern, die später abgerufen werden kann, indem ein äußerer Reiz angewendet wird. Als solches ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand. Auf diese Weise können sich Formgedächtnismaterialien in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen die zuvor erwähnten Formgedächtnislegierungen (SMA) und Formgedächtnispolymere (SMP), wie auch Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAP) und ferromagnetische SMAs, elektrorheologische(ER)-Zusammensetzungen, magnetorheologische(MR)-Zusammensetzungen, dielektrische Elastomere, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen aus den oben stehenden Materialien und dergleichen.
Formgedächtnislegierungen (SMAs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich auf eine Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt werden und werden sich, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur beim Erwärmen zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnis in eine Richtung aufweisen. Jene Materialien, die auch beim Wiederabkühlen ein Formgedächtnis zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen aufweisen.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. 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 (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet. Eine Aktivierung kann durch eine Temperaturänderung bewirkt werden, die durch eine Signalisierung mittels elektrischem Strom (z. B. über elektrische Leitungen (nicht gezeigt), die mit dem Fahrzeugladesystem und der Batterie verbunden sind), eine Fluidströmungswandlung (z. B. über einen selektiven Eingriff mit dem Fahrzeugkühlsystem (ebenfalls nicht gezeigt)) oder eine andere physikalische oder chemische Umwandlung verursacht wird.
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 als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um die Form zurückzubilden, die davor zur Luftströmungssteuerung geeignet war.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien sind durch eine Formänderung sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase gekennzeichnet. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, einen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung kombinieren, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element zu kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
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-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-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Es ist daher einzusehen, dass SMAs für die Zwecke dieser Erfindung einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% (je nach Vorverformung) aufweisen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden. Es ist einzusehen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenumwandlungen in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (z. B. eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen wird. Eine Ohm'sche Heizung kann verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Spannungsinduzierte Phasenänderungen in SMAs verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Die Anwendung einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul umwandelt, in der sie eine „superelastische” Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Die Wegnahme der angewendeten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMAs (FSMAs), die eine Unterklasse der SMAs sind, können in der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit zeigen. Außerdem sind FSMAs ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Reiz, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein perfektes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz unterworfen sind. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen besitzen SMPs zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder verarbeitet wird, die höher ist, als der höchste thermische Übergang, gefolgt von einem Abkühlen unter diese thermische Übergangstemperatur. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasübergangstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Übergangstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material bei der Übergangstemperatur des weichen Segments bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die Übergangstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
Zum Beispiel kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer weiteren Ausführungsform kann das Material eine Feder bilden, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie deaktiviert ist.
Die für die Wiederherstellung der Permanentform erforderliche Temperatur kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung ist höher oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt höher oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur höher oder gleich 50°C. Auch ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung niedriger oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt niedriger oder gleich etwa 120°C und höher oder gleich etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dentritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterphthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylen-Terephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, polyurethanhaltige Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Es ist somit einzusehen, dass für die Zwecke dieser Erfindung SMPs einen dramatischen Abfall des Moduls zeigen, wenn sie über die Glasübergangstemperatur ihres Bestandteiles erwärmt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Wenn eine Belastung/Verformung aufrechterhalten wird, während die Temperatur abfällt, wird die verformte Form des SMP eingestellt, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird, wobei sie unter dieser Bedingung wieder in seine Gussform zurückkehren wird. Während SMPs verschiedentlich in Block-, Tafel-, Platten-, Gitter-, Gebinde-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, benötigen sie eine kontinuierliche Leistung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf 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 geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen z. B., sind jedoch nicht beschränkt auf Poly(natrium-4-Styrolsulfonat), Poly(Poly(vinylamin)-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Co-Trifluorethylen und seine Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Poly(vinylchlorid), Polyvinylidenchlorid und seine Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Poly(methacrylsäure) und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate; Biomoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Zellmembranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle wie z. B. Phosphodilipide; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyamide umfassend aromatische Polyamide und Polyimide, umfassend Kapton und Polyetherimid und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-Vinylpyrrolidon)(PVP)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, und Mischungen davon.
Piezoelektrische Materialien können auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe gewählt sind, welche aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirconium, Niobium, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und Oxiden, die mindestens eines der vorhergehenden Metalle umfassen, besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon und Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Bevorzugt ist das Piezoelektrische Material aus der Gruppe gewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirconattitanat und Bariumtitanat und Mischungen daraus besteht.
Geeignete magnetorheologische Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen, Eisenlegierungen wie z. B. solche, die Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide einschließlich Fe₂O₃ and Fe₃O₄; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Cobalt und Cobaltlegierungen; Chromdioxid; Edelstahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele für geeignete Partikel umfassen reine Eisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen aus Eisenoxidpulver und reinem Eisenpulver und Mischungen aus Eisenoxidpulver und reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes auf Magnetismus ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Mehrdomäneneigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Die Durchmessergrößen für die Partikel können weniger als oder gleich etwa 1000 Mikrometer betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 100 Mikrometer bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von mehr als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei mehr als oder gleich etwa 0,5 bevorzugter sind und mehr als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt sind. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge von etwa 5,0 bis etwa 50 Vol-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere unpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikon-Copolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatoröle; halogenierte organische Flüssigkeiten wie z. B. Chlorkohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene, fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle mit sowohl ungesättigten als auch gesättigten; und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann weniger als oder gleich etwa 100000 Centipoise betragen, wobei weniger als oder gleich etwa 10000 Centipoise bevorzugt sind und weniger als oder gleich etwa 1000 Centipoise bevorzugter sind. Ebenfalls bevorzugt ist eine Viskosität von mehr als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei mehr als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt sind und mehr als oder gleich etwa 500 Centipoise speziell bevorzugt sind.
Es können wässrige Trägerfluide verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile Mineraltone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer geringen Menge von polaren, wassermischbaren organischen Lösungsmitteln wie z. B. 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 Vol.-% des gesamten MR-Fluids und bevorzugt kleiner oder gleich etwa 3,0%. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1% und bevorzugter größer als oder gleich etwa 1,0 Vol-% des gesamten MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 13 und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 9,0. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist auch größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer als oder gleich etwa 8,0.
Natürlicher oder synthetischer Bentonit oder Hektorit können verwendet werden. Die Menge von Bentonit oder Hektorit in dem MR-Fluid ist kleiner als oder gleich etwa 10 Gew.-% des gesamten MR-Fluids, bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gew.-% und bevorzugter kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gew.-%. Bevorzugt ist der Bentonit oder Hektorit in mehr als oder gleich etwa 0,1 Gew.-%, bevorzugter in mehr als oder gleich etwa 1,0 Gew.-% und besonders bevorzugt in mehr als oder gleich etwa 2,0 Gew.-% des gesamten MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in den MR-Fluiden umfassen Tone, organophile Tone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Hochdruckverschleißinhibitoren, Antioxidantien, thixotrope Stoffe und herkömmliche Antiabsetzmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphtenat, Eisenstearat, Aluminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und oberflächenaktive Verbindungen wie z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester, und Titanat-, Aluminat- und Zirkonat-Haftmittel und dergleichen. Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können ebenfalls umfasst sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf eine Elastopolymermatrix mit einer Suspension von ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder besitzen. Ein Beispiel eines elektrostriktiven Pfropfelastomers mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als ein piezoelektrischer Sensor oder sogar als ein elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi (oder eine Kombination davon) 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 vorverformtes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftkleber, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
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 (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es seinen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Bereiche beschränkt. 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. Geeignete Dicken für diese dünnen Filme können unterhalb von 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere sich bei hohen Belastungen 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 geeignet, 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 Zeit ändern. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt fügsam und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung fügsame Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallspuren und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Pasten wie z. B. Kohlepasten oder Silberpasten, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionenleitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere 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.
Schließlich ist einzusehen, dass Hochleistungsparaffin(HOP von High Output Paraffin)-Aktuatoren und andere Materialien, die eine starke (z. b. mehr als 8%) volumetrische Ausdehnung während einer Fest/Flüssig-Phasenänderung zeigen, verwendet werden können, um treibenden Kräfte für lineare Aktuatoren bereitzustellen. Als solches soll der Ausdruck „aktive Materialien” wie hierin verwendet, ferner auch diese Materialien einschließen. Mit Bezug auf HOP kann potentielle Energie in Form eines hydrostatischen Druckes produziert werden, indem die Ausdehnung des Paraffins innerhalb eines Aktuatorkörpers eingeschränkt wird. In einer Ausführungsform ist das Herz eines HOP-Aktuators eine abgedichtete ringförmige Kammer, die Paraffin in Kontakt mit Widerstandsheizelementen enthält. Wenn die Elemente eingeschaltet werden, wird das Paraffin über seinen Schmelzpunkt erwärmt. Geeignetes Paraffin dehnt sich während des Schmelzens um mindestens 15% im Volumen aus. Diese Zusammensetzung des Paraffins bestimmt die Betätigungscharakteristika. Die Standard-Paraffinformulierung kann variiert werden, um Betätigungstemperaturen von –70°C bis 80°C vorzusehen, wobei die für einen vollen Hub erforderliche Temperaturänderung von 2°C bis 50°C variiert werden kann. Der gespeicherte Druck kann von dem Aktuator in mechanische Arbeit umgewandelt werden, z. B. durch eine Linearachsenbewegung.
II. Beispielhafte aktive Lufteinlässe aus einem aktiven Material, Verfahren und Anwendungen
Wendet man sich der strukturellen Konfiguration der Erfindung zu, so sind in den 1–22 verschiedene Ausführungsformen eines aktiven Lufteinlasses 10 gezeigt, der eine Betätigung durch ein aktives Material verwendet. Das System 10 umfasst ein Gehäuse 22, z. B. integral durch die Motorhaubenhutze 14 eines Fahrzeuges definiert, wie in 1a gezeigt; andernfalls kann das Gehäuse 22 separat an dem Fahrzeug 12 befestigt sein. Das Gehäuse 22 definiert eine Öffnung 24 und ein Kanalstück, durch die Luft während einer relativen Bewegung strömt. Als solches ist die Öffnung 24 derart definiert, dass sie in Richtung der Strömung des Fluids (z. B. vor dem Fahrzeug 12) orientiert ist.
Wie in den veranschaulichten Ausführungsformen gezeigt, ist zumindest ein Abdeckteil 26 sicher an dem Gehäuse 22 befestigt und bevorzugt an oder in der Nähe der Öffnung 24 angeordnet. Das Teil 26 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Position relativ zu der Öffnung 24 verschiebbar und als solches verschiebbar (z. B. verschiebbar, verschwenkbar etc.) mit dem Gehäuse 22 gekoppelt. In der ersten Position ist der Einlass 10 geöffnet, sodass eine Luftströmung erhöht ist; und in der zweiten Position ist der Einlass 10 geschlossen, sodass eine Luftströmung verringert und stärker bevorzugt verhindert ist. Somit ist der Einlass 10 in der Lage, aus einem in den anderen von dem offenen und dem geschlossenen Zustand zu schalten, um so ursprüngliche und erreichte Zustände zu definieren. Im Spezielleren sind das Teil 26 und das Gehäuse 22 zusammenwirkend derart ausgebildet, dass das Teil 26 in der Lage ist, eine Vielzahl von Zwischenpositionen zu erreichen und demzufolge viele Öffnungsgrade aufweisen kann.
Obwohl einzeln beschrieben und veranschaulicht, ist einzusehen, dass eine Vielzahl von Einlässen 10 verwendet und separat in Kommunikation mit dem Motor 12a gesteuert sein kann.
Um eine Fluidströmung weiter zu verhindern, umfasst der bevorzugte Einlass 10 ferner eine elastische Dichtung (nicht gezeigt), die um die Öffnung 24 herum angeordnet ist. Die Dichtung befindet sich zwischen dem Teil 26 und dem Gehäuse 22, sodass sie durch diese im geschlossenen Zustand zusammengedrückt wird.
Die Bewegung des Teils 26 wird durch einen Aktuator 28 mit einem aktiven Material angetrieben. Der Aktuator 28 umfasst ein Element 30 aus einem aktiven Material (3a–d), das in der Lage ist, eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wie zuvor beschrieben. Der Aktuator 28 ist derart ausgebildet, dass die Änderung dazu dient, das Teil 26 dazu zu bringen, den modifizierten Zustand zu erreichen, und wobei bei einer derartigen Konfiguration nachfolgende Aktivierungen verwendet werden können, um sowohl den geöffneten als auch den geschlossenen Zustand zu erreichen.
Eine Leistungsversorgung 32 steht in funktioneller Verbindung mit dem Aktuator 28 und wird betrieben, um ein geeignetes Aktivierungssignal bereitzustellen (1). Die Leistungsversorgung 32 kann automatisch über eine Eingangsvorrichtung 18 angefordert und durch eine PWM, einen Regler oder einen Leistungswiderstand in Reihe geregelt werden. Zum Beispiel kann im Fall von Aktuatoren, die ein thermisch aktiviertes Formgedächtnismaterial umfassen, Strom durch die Leistungsversorgung 32 geliefert werden, um eine Ohm'sche Heizung zu bewirken, wenn sie durch einen Fahrzeuginsassen (nicht gezeigt) angefordert wird. Stärker bevorzugt kann die Versorgung 32, um den Schutz vor Überhitzung zu unterstützen, derart geregelt werden, dass sie zyklisch Leistung an den Aktuator 28 bereitstellt; es ist jedoch auch einzusehen, dass dies eine geringfügige Bewegung (z. B. ein Zittern und/oder Flattern) in dem Teil 26 verursachen kann. Alternativ kann die Leistungsversorgung 32 von einer umliegenden Energiequelle stammen, wie. z. B. Wärmeenergie von dem Fahrzeugkühlsystem, dem Motor oder der Sonne, sodass der Einlass 10 passiv aktiviert wird.
In der beispielhaften Ausführungsform, die in den 2–3d gezeigt ist, weist das Teil 26 einen einzigen Flügel (z. B. eine „Klappe” oder „Lamelle”) auf, die sich zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Position dreht, um so eine Schwenkachse p zu definieren. Stärker bevorzugt ist der Flügel 26 in der Lage, um neunzig Grad zwischen einer vertikal geschlossenen und horizontal geöffneten Position zu verschwenken und öffnet sich nach vorne, um ein luftunterstütztes Schließen und Abdichten vorzusehen. Der Flügel 26 kann über ein Scharnier 34 mit dem Gehäuse 22 gekoppelt sein. Das Scharnier 34 kann eine oberste Schwenkachse, sodass der Flügel 26 nach oben schwingt, um den offenen Zustand zu erreichen, eine unterste Achse, wobei der Flügel 26 nach unten schwingt, oder eine innere Achse definieren. Wenn eine horizontal geöffnete Position erreicht ist, definiert das Gehäuse 22 bevorzugt eine Vertiefung (nicht gezeigt), um den Flügel 26 im offenen Zustand aufzunehmen und zu schützen.
Im Spezielleren umfasst der Einlass in der veranschaulichten Ausführungsform, die in den 3a–d gezeigt ist, bevorzugt einen Verbinder 36, um den Flügel 26 mit dem Aktuator 28 zu verbinden. Der Verbinder 36 ist bevorzugt an dem Flügel 26 entlang einer Außenkante des Flügels 26 befestigt und/oder durch diesen definiert. Der Verbinder 36 weist einen Schwingarm auf, der konzentrisch mit der Schwenkachse des Teils 26 ausgerichtet ist, einen langen Arm 38 und einen kurzen Arm 40. Der lange Arm 38 erstreckt sich gleich verlaufend mit dem Teil 26 und definiert eine erste Armlänge, die der Längsabmessung des Teils 26 entspricht. Der kurze Arm 40 weist eine zweite Armlänge auf, die bevorzugt weniger als der Hälfte, stärker bevorzugt weniger als einem Viertel und am stärksten bevorzugt weniger als einem Achtel der ersten Armlänge entspricht.
Das Element 30 aus einem aktiven Material weist einen Formgedächtnisdraht 30 mit definierter Länge auf und ist an dem kurzen Arm 40 befestigt (3a–d). Der Draht 30 ist an einem Ende an dem kurzen Arm 40 und an dem anderen Ende an dem Gehäuse 22 oder einer anderen Fahrzeugstruktur befestigt. Bei einer Aktivierung durch die Leistungsversorgung 32 nimmt die Länge des Drahtes 30 ab, was bewirkt, dass sich das Teil 26 um seine Achse verschwenkt. Bei einer Unterbrechung des Aktivierungssignals kehrt der Draht 30 in seine ursprüngliche Abmessung zurück oder erfährt eine plastische Verformung, die von dem verwendeten aktiven Material abhängig ist, um das Schließen des Teils 26 zu bewirken. Wie in 3b gezeigt, wird der Draht 30, sobald er aktiviert ist, dazu gebracht, infolge der Drehung durch den kurzen Arm 40 zu schwingen; um einen Spannungsaufbau und/oder ein Knicken an dem festen Ende zu verhindern, ist es wünschenswert, den Draht 30 verschwenkbar mit dem Gehäuse 22 zu verbinden.
Beispielhafte Aktuatordrähte 30 können Spannungs- und Dehnungswerte von 170 MPa bzw. 2,5% aufweisen, was eine Abdichtkraft von 2 N zur Folge hat, wenn sie aktiviert sind. Es ist einzusehen, dass SMA-Drähte mit Durchmessergrößen von 0,012, 0,015 und 0,02 mm eine maximale Zugkraft von 1250, 2000 bzw. 3560 g aufweisen. Der Aktuator 28 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass 2,5 bis 12 V und 2 Ampere Strom bereitgestellt werden, um den Einlass 10 zu betätigen. Auf der Basis dieser Konfigurationen wurden Betätigungszeiten von weniger als fünf Sekunden, eine ungefähre Lebensdauer von 100000 Betätigungen und eine Betriebsumgebung von –40 bis 90°C beobachtet.
In einer weiteren Konfiguration umfasst der Aktuator 28 zumindest einen Formgedächtnisdraht 30, der in das Teil 26 eingreift, um so eine Bogensehnenkonfiguration aufzuweisen. Das bedeutet, dass der Eingriff mit dem Teil 26 einen Scheitel in dem Draht 30 bildet. Es ist einzusehen, dass der Draht 30 eine Auslenkung (Änderung in der Länge) produziert, wenn er aktiviert ist, die bewirkt, dass sich das Teil 26 um eine Distanz verschiebt, die auf Grund der trigonometrischen Beziehung der Bogensehnenkonfiguration größer ist als die Auslenkung.
Es ist auch einzusehen, dass, wenn sich der Flügel 26 zu der Vorderseite hin öffnet, eine Fluidströmung wirksam sein kann, um das Teil 26 zurück in den geschlossenen Zustand zu bringen. Stärker bevorzugt kann jedoch ein Vorspannmechanismus 42 antriebstechnisch mit dem Teil 26 verbunden sein, um so eine Vorspannkraft auszuüben, die wirksam ist, um das Teil 26 dazu zu bringen, sich zu seinem ursprünglichen Zustand hin zu bewegen, wenn die Änderung rückgängig gemacht (z. B. der Draht 30 deaktiviert) wird. Zum Beispiel, wie in 3b gezeigt, kann auch ein Vorspannmechanismus 42 in Form einer Druckrückstellfeder an dem kurzen Arm 40 befestigt und ausgebildet sein, um eine plastische Verformung in dem abkühlenden Draht 30 zu produzieren und das Schließen des Teils 26 zu bewirken. Infolgedessen wird das Teil 26 im leistungslosen Zustand gegen das Gehäuse 22 gehalten, sodass eine bei Ausfall des Versorgungsdruckes geschlossene Konfiguration bereitgestellt ist (alternativ kann eine Torsionsfeder um die Schwenkachse herum angeordnet und ausgebildet sein, um auf dieselbe Weise zu wirken). Es ist einzusehen, dass die Vorspannfeder 42 den Formgedächtnisdraht 30 streckt, um eine spannungsinduzierte Umwandlung in die Martensitphase zusätzlich zu der durch das Abkühlen verursachten zu bewirken.
Es ist auch einzusehen, dass die zuvor erwähnten Konfigurationen umgedreht sein könnten, wobei eine Druckfeder (nicht gezeigt) arbeitet, um ein Teil 26 offen zu treiben und der Draht 30 arbeitet, um den Einlass 10 selektiv zu schließen. Überdies könnten zwei antagonistische Aktuatoren mit einem aktiven Material, einer, der den Einlass 10 öffnen würde, und ein weiterer, der ihn schließen würde (oder alternativ ein einziger Aktuator mit einer Zwei-Wege-Wirkung), verwendet werden.
In dem bevorzugten System 10 ist ein Verriegelungsmechanismus 44 (4a–d) mit dem Teil 26 gekoppelt und ausgebildet, um selektiv in dieses einzugreifen, um das Teil 26 in dem erreichten Zustand festzuhalten, wenn die Änderung rückgängig gemacht wird (d. h. das Element 30 deaktiviert wird). Zum Beispiel, in den 4a–d, ist der Verriegelungsmechanismus 44 federgetrieben und ausgebildet, um zu bewirken, dass der Mechanismus 44 in das Teil 26 eingreift. Ein zweites Element aus einem aktiven Material (z. B. ein Formgedächtnisdraht) 46, das eine Aktivierungskraft aufweist, die höher ist als die Verriegelungskraft, wird betrieben, um zu bewirken, dass der Mechanismus 44 aus dem Teil 26 ausrückt und es freigibt, wenn es aktiviert wird.
Im Spezielleren umfasst der Verriegelungsmechanismus 44 einen Sperrhebel 48 (4a), der widerstehend um eine Achse zwischen eingerückten und ausgerückten Positionen verschwenkbar ist, und der Verbinder 36 weist ein drehbares Zahnrad 50 auf das zumindest einen Zahn definiert, der ausgebildet ist, um den Sperrhebel 48 zu fangen, wenn er sich in der eingerückten Position befindet. Im Spezielleren weist das Zahnrad 50 eine Vielzahl von Zähnen auf, die es ihm ermöglicht, in den Sperrhebel 48 an einer Vielzahl von stufenweisen Positionen einzugreifen, die variable Öffnungsgrade (z. B. zwischen 17° und 52°) zur Folge haben. Eine Feder 52, die in den Sperrhebel 48 eingreift, ist ausgebildet, um zu bewirken, dass der Mechanismus 44 in das Teil 26 eingreift. Der zweite Draht 46 ist gegenüberliegend an dem Sperrhebel 48 angebracht und zieht sich zusammen, wenn er aktiviert wird, um so zu bewirken, dass der Mechanismus 44 ausrückt und das Teil 26 freigibt.
Es ist einzusehen, dass alternativ die Rollen des zweiten Elements 46 und der Feder 52 vertauscht sein können, indem ihre Verbindungspunkte zu dem Sperrhebel 48 umgestellt werden; das bedeutet, dass das zweite Element 46 ausgebildet sein könnte, um zu bewirken, dass der Mechanismus 44 in das Teil 26 eingreift, wenn er aktiviert ist, und die Vorspannfeder einen Federmodul aufweist, der kleiner ist als die Aktivierungskraft, sodass sie ausgebildet ist, um zu bewirken, dass der Mechanismus 44 nur dann ausrückt und das Teil 26 freigibt, wenn das zweite Element 46 deaktiviert wird.
Wie in 18 gezeigt, kann das Einlasssystem 10 ferner einen Elektromagneten (oder ein Solenoid) 54 anstelle eines oder zusätzlich zu einem federbasierten Verriegelungsmechanismus 44 umfassen. Bei elektrischem Bedarf wird der Magnet 54 dazu gebracht, selektiv in das Teil 26 oder ein daran befestigtes Metallband (nicht gezeigt) einzugreifen, um das Teil 26 im erreichten Zustand festzuhalten. Es ist einzusehen, dass die Verriegelung alternativ auch in der Mitte oder an den Seiten des Einlasses 10 bewerkstelligt sein kann, indem ein Solenoidstift (nicht gezeigt) verwendet wird. Der Magnet (oder das Solenoid) 54 stellt sicher, dass der Einlass 10 im Fall einer elektrischen Störung zum Ursprung und im Spezielleren in den geschlossenen Zustand zurückfedert. Es ist einzusehen, dass im Spezielleren, um den Einlass 10 im geöffneten Zustand zu halten, das/der Solenoid/Magnet kontinuierlich Leistung benötigt; wenn die Leistung (entweder mittels Steuerung oder infolge einer Störung) unterbrochen wird, wird das Teil 26 entriegeln und dazu gebracht werden, in den geschlossenen Zustand zurückzukehren.
Zurückkommend auf die 3a–d umfasst der bevorzugte Aktuator 28 einen Lastbegrenzungsschutz 56, der mit dem Element 30 gekoppelt ist. Der Schutz 56 ist derart ausgebildet, dass er einen sekundären Ausgangspfad für das Element 30 bietet, wenn es dem Signal ausgesetzt, aber an der gewünschten Bewegung gehindert ist. Es ist einzusehen, dass dies ein Dehnungs-/Spannungsentlastungsvermögen bereitstellt und dadurch die Lebensdauer des Elements 30 erhöht. Das bedeutet, es ist einzusehen, dass, wenn ein aktives Material eine Umwandlung erfährt, jedoch daran gehindert wird, die daraus folgende physikalische Änderung zu erfahren (z. B. indem ein gestreckter SMA-Draht über seine Umwandlungstemperatur erwärmt, jedoch nicht zugelassen wird, dass der Draht in seinen nicht gespannten Zustand zurückkehrt), nachteilige Auswirkungen am Materialverhalten und/oder der Langlebigkeit auftreten können. Es ist z. B. vorhersehbar, dass in der vorliegenden Erfindung das Teil 26, entweder durch einen Fremdkörper 58 (3c–d) oder eine andere Form von Hindernis (z. B. ein deformiertes Karosserieblech, das eine Bewegung blockiert, oder eine Eis/Schmutzansammlung an dem Einlassteil) behindert sein kann, sich zu bewegen, wenn es aktiviert wird. Als solches ist der sekundäre Ausgangspfad bevorzugt vorgesehen, der zulässt, dass das Element 30 auf das Aktivierungssignal anspricht, während der Zustand des Teils 26 unverändert bleibt.
Zum Beispiel kann der Draht 30 in den veranschaulichten Ausführungsformen ferner mit einer Zugfeder 60 verbunden sein, die in Reihe damit und gegenüberliegend dem Verbinder 36 angeordnet ist (3a–d). Die Feder 60 ist bis zu einem Punkt gestreckt, an dem die angewendete Vorspannung dem Lastniveau entspricht, wobei einzusehen ist, dass der Aktuator 28 beginnen würde, eine übermäßige Kraft zu erfahren, wenn er blockiert ist. Infolgedessen wird eine Aktivierung des Aktuators 28 zuerst eine Kraft anwenden, die versucht, das Teil 26 zu öffnen, wenn das Kraftniveau jedoch die Vorspannung in der Feder 60 überschreitet (z. B. das Teil 26 blockiert ist), wird die Kontraktion des Drahtes 30 die Feder 60 im Gegensatz zu dem Teil 26 beeinflussen, um dadurch einen Ausgangspfad für die Drahtdehnung vorzusehen und die Unversehrtheit des aktiven Einlasses 10 zu bewahren (3d).
Im Spezielleren, und wie auch in den 3a–d gezeigt, kann der Schutz 56 einen Hebel (oder „Nocken”) 62 zwischen dem Element 30 und der Feder 60 umfassen. Der Hebel 62 definiert einen ersten und einen zweiten Arm 64, 66 und eine Schwenkachse. Hier ist das Element 30 an dem ersten Arm 64 befestigt, sodass es von der Achse um eine erste Distanz beabstandet ist. Die Feder 60 ist an dem zweiten Arm 66 befestigt und von der Achse um eine zweite Distanz beabstandet, die bevorzugt größer ist als die erste. Diese Konfiguration sorgt für eine Hebelübersetzung und erleichtert die Unterbringung.
Noch stärker bevorzugt umfasst der Schutz 56 ferner einen Überhitzungsverhinderungsmechanismus 68, der vor einer unerwünschten (oder unbeabsichtigten) Erwärmung des Aktuators 28 und daher einer versehentlichen Betätigung des Einlasses 10 schützt. Diesbezüglich ist einzusehen, dass übermäßige Temperaturen unter der Motorhaube bewirken, dass sich der Aktuator 28 unbeabsichtigt aktiviert. In den 5a–c ist der Überhitzungsschutz durch einen zusätzlichen SMA-Draht 68 vorgesehen, der eine niedrigere Umwandlungstemperatur aufweist als das Aktuatorelement (z. B. der erste Draht) 30. Der zusätzliche Draht 68 ist auch an dem ersten Arm 64 des Hebels 62 und an einer festen Struktur (z. B. dem Gehäuse 22) an dem anderen Ende befestigt. Als solches wird der zusätzliche SMA-Draht 68, wenn der Aktuator und die zusätzlichen Drähte 30, 68 passiv erwärmt werden, zuerst zur Aktivierung gebracht, um sich zusammenzuziehen und den Hebel 62 zu dem Aktuatordraht 30 hin zu ziehen (5c). Dies bewirkt, dass sich in dem Aktuatordraht 30 ein Durchhang bildet, was ermöglicht, dass er aktiviert wird, ohne eine Spannungsbelastung zu erfahren.
In der Bogensehnenkonfiguration der 6a–c umfasst der Schutz 56 eine erste und eine zweite gestreckte Feder 60a, b, die in Reihe mit dem Draht 30 verbunden sind. Ebenso sind ein erster und ein zweiter Hebel 62a, b bevorzugt zwischen dem Draht 30 und den Federn 60a, b angeordnet. Jeder Hebel 62 definiert einen ersten und einen zweiten Arm und eine Schwenkachse. Der Draht 30 ist an den ersten Armen 64a, b befestigt und von den Achsen um eine erste Distanz beabstandet, und die Federn 60a, b sind an den zweiten Armen 66a, b befestigt und von den Achsen um eine zweite Distanz beabstandet, die bevorzugt größer ist als die erste, um eine Hebelübersetzung vorzusehen. Der Schutz 56 umfasst bevorzugt einen zusätzlichen (oder zweiten) Formgedächtnisdraht 68, der die Hebel 62a, b miteinander verbindet. Der zusätzliche Draht 68 bewirkt, wenn er aktiviert wird, dass sich die Hebel 62a, b nach innen drehen (6c), ohne die Position des Teils 26 zu beeinflussen, was somit einen Durchhang produziert und die Spannung in dem Aktuatordraht 30 entlastet.
Wie zuvor angeführt, kann das Flügelteil 26 eine mittlere Schwenkachse definieren, sodass es in der Lage ist, sich um seine Längsmittellinie zu drehen (7a–b). Es ist einzusehen, dass sich in dieser Konfiguration die Hälfte des Teils 26 im geöffneten Zustand innerhalb des Gehäuses 22 erstrecken wird, was einen geringeren Vorsprung von der Öffnung 24 zur Folge hat. Der Flügel 26 kann durch einen SMA-Draht, der mit dem Flügel 26 verbunden und ausgebildet ist, um diesen zu ziehen, zum Verschwenken gebracht werden; oder stärker bevorzugt kann ein SMA-Schubrohr oder ein anderer Drehaktuator verwendet werden. Um Platz zu sparen, umfasst der Einlass 10 bevorzugt eine Mehrflügellamellenkonfiguration, wobei eine Vielzahl von Lamellen 26 miteinander verbunden sind und verbindend betätigt werden, um dazu gebracht zu werden, sich übereinstimmend und einheitlich zu bewegen (8–12b). In dieser Konfiguration können benachbarte Lamellen durch ein Viergelenkgetriebe 70, wie auf dem technischen Gebiet bekannt, verbunden sein.
Die 8 und 9 zeigen Einlässe 10, die eine Vielzahl von horizontal oder vertikal orientierten Flügeln 26 aufweisen, die jeweils verschwenkbar mit dem Gehäuse 22 verbunden sind, um so eine gleiche Vielzahl von Schwenkachsen zu definieren. Ein einziger Aktuator 28 kann mit jedem der Teile 26 verbunden und ausgebildet sein, um eine übereinstimmende Bewegung zu bewirken, wie in 10a gezeigt; oder stärker bevorzugt kann ein separater Aktuator 28 die Bewegung eines zugeordneten Teils 26 steuern, wie in 10b gezeigt. Wiederum ist das Teil 26 bevorzugt vorgespannt, um einen Abschnitt der Öffnung abdichtend zu schließen, wenn das zugeordnete Element 30 deaktiviert wird. Eine einzige Verriegelung 44 (oder Raste) kann direkt in das Verbindungsgliedersystem 70 im Gegensatz zu den Flügeln 26 eingreifen, wobei eine gleichmäßige Bewegung bereitgestellt ist; oder mehrere Verriegelungen 44 können einzeln in eine Vielzahl von separat funktionierenden Flügeln eingreifen.
In der Konfiguration, die in den 11a–b gezeigt ist, definiert das Gehäuse 22 einen Schlitz 72, ein Läufer 74 ruht derart innerhalb des Schlitzes 72, dass er linear verschiebbar ist, und ein SMA-Draht 30 steht derart mit dem Läufer 74 in Eingriff, dass er in einer Bogensehnenkonfiguration vorliegt. Der Draht 30 ist fest an dem Gehäuse 22 oder einer anderen Struktur an seinem distalen Ende befestigt und im Spezielleren damit über Lastbegrenzungsschützer 56 verbunden, wie zuvor beschrieben. Ein Verbindungsglied 76 mit einer festen Länge ist drehbar mit dem Läufer 74 und bevorzugt dem oberen Flügel 26 gekoppelt, um die Unterbringung zu erleichtern, und reduziert Behinderungen. Die verbundenen Flügel 26 werden durch die lineare Verschiebung des Läufers 74, die durch Aktivieren des Drahtes 30 verursacht wird, dazu gebracht, sich zu drehen (11b). Eine Vorspannfeder 77 kann innerhalb des Schlitzes 72 angeordnet und ausgebildet sein, um die Flügel 26 zu dem geschlossenen Zustand hin vorzuspannen.
Effizienter können benachbarte Flügel 26 durch einen SMA-Draht 30 miteinander verbunden sein (12a–b), sodass eine Kontraktion des Drahtes 30 bewirkt, dass die Flügel 26 nach außen zu dem geöffneten Zustand hin schwingen. Zum Beispiel kann für nach vorne schwingende Flügel 26 der Draht 30 bevorzugt an der Innenfläche des oberen benachbarten Flügels 26a und an der Außenfläche des unteren benachbarten Flügels 26b befestigt sein. Der Draht 30 weist eine deaktivierte Länge auf, die größer ist als die Flügelhöhe und ist als solcher bevorzugt an einem Punkt an dem unteren Flügel 26b befestigt, der entsprechend tiefer liegt als der Befestigungspunkt des oberen Flügels 26a. Stärker bevorzugt ist der Draht 30 an der Schwenkachse des oberen benachbarten Flügels 26a und an der oberen Hälfte des unteren Flügels 26b befestigt, wie am besten in 12b gezeigt. Der Draht 30 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass er eine aktivierte Länge aufweist, die allgemein gleich der Flügelhöhe ist, sodass die Flügel 26 dazu gebracht werden, allgemein horizontale Orientierungen im geöffneten Zustand zu erreichen. Es ist einzusehen, dass in dieser Konfiguration der Aktuator 28 innerhalb des Einlasses 10 selbstständig ist und dass die Anzahl von Aktuatorteilen reduziert ist.
In einer weiteren Ausführungsform können gespiegelte obere und untere Flügel 26a, b dazu gebracht werden, sich entgegengesetzt zu drehen, um eine Behinderung im zentralen Bereich der Öffnung 24 zu entfernen (13–16b). In dieser Konfiguration sind die Flügel 26a, b bevorzugt im geschlossenen Zustand zu der Öffnung 24 hin abgewinkelt und zusammenwirkend ausgebildet, um überlappende distale Kanten vorzusehen (14a), wodurch eine Fluidströmung während einer Bewegung zum Abdichten des Einlasses 10 im geschlossenen Zustand bewirkt wird.
Die gespiegelten Flügel 26a, b sind bevorzugt derart verbunden, sodass sie dazu gebracht werden, sich gemeinsam zu bewegen, wenn nur einer angetrieben wird. Zum Beispiel können die Flügel 26a, b mit einem ersten und einem zweiten Zahnrad 78a, b ineinandergreifen, wie in den 14a–b gezeigt. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst der Aktuator 28 eine Riemenscheibe 80, die konzentrisch mit der Schwenkachse des oberen Flügels ausgerichtet ist, und einen SMA-Draht 30, der mit dem unteren Flügel 26b verbunden ist. Der Draht 30 ist in der Riemenscheibe 80 mitgeführt, sodass er in Richtung einer horizontalen Orientierung umgelenkt wird, die eine größere Drahtlänge ermöglicht. Es ist einzusehen, dass der Aktuator 28 in dieser Konfiguration vollständig an den Seiten des Einlasses 10 beherbergt sein kann, um dadurch den Fluidströmungsdurchgang freizumachen. Wenn beispielsweise der Draht 30 aktiviert wird, wird der untere Flügel 26b dazu gebracht, nach vorne zu schwingen. Demzufolge weist der untere Flügel 26b eine kürzere Aktuatoreingriffszone 26c auf. Wenn die Flügelachsen um 50 mm voneinander beabstandet sind, kann die Zone 26c eine Länge von 15 mm aufweisen. Durch das Ineinandergreifen zwischen den Zahnrädern 78a, b wird der obere Flügel 26a auch dazu gebracht, nach vorne zu schwingen. Es ist einzusehen, dass durch die Übersetzungen der obere Flügel 26a dazu gebracht werden kann, um eine größere oder kleinere Distanz zu schwingen als der untere Flügel 26b; und infolgedessen können der obere und der untere Flügel 26a, b verschiedene Längen oder Konfigurationen aufweisen.
Alternativ und wie am besten in den 15a–b gezeigt, in denen das Gehäuse 22 wiederum einen Schlitz 72 definiert, können die Flügel 26a, b durch ein dreiteiliges Schiebeverbindungsglied 82 miteinander in Eingriff stehen. Das Verbindungsglied 82 umfasst einen Hauptstab 84, der innerhalb des Schlitzes 72 angeordnet ist, sodass er relativ dazu linear verschiebbar ist. Ein erster und ein zweiter Schwingarm 86a, b sind verschwenkbar mit dem Hauptstab 84 verbunden. An ihren gegenüberliegenden Enden sind die Schwingarme 86a, b verschwenkbar mit den jeweiligen Flügeln 26a, b verbunden, die feste Schwenkachsen definieren. Infolgedessen sind die Flügel 26a, b derart ausgebildet, dass sie sich wechselseitig und übereinstimmend in entgegengesetzten Richtungen drehen, wenn der Hauptstab 84 dazu gebracht wird, sich linear zu verschieben (15b). Im Spezielleren sind die Schwingarme 86a, b an festen Punkten mit dem Hauptstab 84, um erste Beabstandungsdistanz zu definieren, und mit den Flügeln 26a, b verbunden, sodass die Flügelverbindungspunkte eine Distanz definieren, die größer ist als die erste an ihrem engsten Punkt (z. B. des geschlossenen Zustands).
In dieser Konfiguration (15a–b) kann der Aktuator 28 im Wesentlichen aus einem SMA-Draht 30 bestehen, der fest an dem Gehäuse 22 oder an einer anderweitigen festen Struktur befestigt ist und stärker bevorzugt über einen Lastbegrenzungsschutz 56 damit verbunden ist, wie zuvor beschrieben. Der Draht 30 ist durch einen Stift 88, der an dem Hauptstab 84 befestigt ist, mitgeführt, und wird dadurch dazu gebracht, dass er eine Bogensehnenkonfiguration aufweist. Im Spezielleren folgt der Stift 88 dem Schlitz 72 (und kann einen kontinuierlichen Körper aufweisen, der darin angeordnet ist) (15a–b), um so Momente während einer Betätigung zu reduzieren. Wiederum kann ein Vorspannmechanismus 44 wie z. B. eine Druckfeder (nicht gezeigt) innerhalb des Schlitzes 72 angeordnet und ausgebildet sein, um in den Hauptstab 84 einzugreifen, wenn er sich verschiebt, um den Einlass 10 zu dem geschlossenen Zustand hin vorzuspannen.
In einer weiteren Alternative zu der Ausführungsform mit den gespiegelten Flügeln (16a–b) ist das dreiteilige Verbindungsglied 82 modifiziert, sodass es einen Scherenschiebeantrieb 90 aufweist, indem die Schwingarme 86a, b erweitert sind und der Hauptstab 84 mit einem Stift oder Läufer nebeneinandergestellt ist, der innerhalb des Schlitzes 72 angeordnet ist. Der Stift 84 weist ein Drehgelenk auf, um das herum sich die Schwingarme 86a, b rotatorisch zwischen einem zusammengeklappten geschlossenen Zustand und einem stumpfwinkligeren geöffneten Zustand verschieben (vergleiche 16a–b). In dieser Konfiguration kann der Aktuator 28 aus einem SMA-Draht 30 bestehen, der fest an den Schwingarmen 86a, b, bevorzugt bei oder in der Nähe ihrer distalen oder mit den Flügeln verbundenen Enden, befestigt ist, um so vollständig selbständig zu sein. Der Draht 30 wiederum wird um den Stift herum mitgeführt, sodass die Kontraktion des Drahtes 30 und die festen Schwenkachsen der Flügel 26 bewirken, dass sich der Stift linear verschiebt und die Arme 86a, b und somit die Flügel 26a, b nach außen schwingen. Schließlich kann ferner auch ein Lastbegrenzungsschutz vorgesehen und auch an den Armen 86a, b befestigt sein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Abdeckteil 26 eine Vielzahl von benachbart positionierten Schiebewänden 92, wobei jede Wand 92 zumindest ein Loch 94 definiert (17a–b). Die Löcher 94 können selektiv ausgerichtet sein, um so zusammenwirkend ein Durchgangsloch 96 im geöffneten Zustand zu definieren. In dieser Konfiguration kann der Aktuator 28 aus einem SMA-Draht 30 bestehen, der die Wände 92 diagonal miteinander verbindet. Zum Beispiel und wie in den 17a–b gezeigt, ist eine Vielzahl von drei Wänden 92a, b, c ausgebildet, um zusammenwirkend eine Vielzahl von vier Durchgangslöchern 96 in Zweiersätzen zu definieren und können durch einen SMA-Draht 30 miteinander verbunden sein, der an den Oberseiten der Wände 92a, b, c befestigt ist. Der Draht 30 ist an der mittleren Wand 92b an ihrem Mittelpunkt befestigt, sodass die mittlere Wand 92b dazu gebracht wird, sich um eine relative Distanz zu verschieben, die einer Hälfte der relativen Distanz entspricht, welche die äußeren Wände 92a, c durchlaufen.
Der Draht 30 und die Wände 92a, b, c sind zusammenwirkend derart ausgebildet, dass die Löcher 94 vollständig versetzt sind, sodass eine Fluidströmung verschlossen ist, wenn der Draht 30 deaktiviert ist (17a), und vollständig ausgerichtet sind, sodass eine Fluidströmung zugelassen wird, wenn der Draht 30 aktiviert ist. Wo es notwendig ist, ist ein Gummibalg (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Zwischenräume, die zwischen den Wänden 92a, b, c gebildet sind, im geschlossenen Zustand zu füllen. Schließlich, um eine Rückführung vorzusehen, ist einzusehen, dass zumindest eine Feder (auch nicht gezeigt) sicher benachbart zu einer seitlichen Kante einer jeden Wand 92 positioniert sein kann und kann abhängig davon, ob sich die Wand 92 darauf zu oder davon weg verschiebt, eine Zug- oder eine Druckfeder sein.
In einer noch weiteren Ausführungsform weist das Teil 26 eine Trommel 98 auf, die einen Durchgangsschlitz 100 definiert (18–22). Die Trommel 98 ist innerhalb des Gehäuses 22 angeordnet und relativ dazu drehbar (18, 20a–b), sodass der Schlitz 100 und die Öffnung 24 selektiv ausgerichtet sein können (20a–b). Für einen Fahrzeuglufteinlass kann der Schlitz 100 eine Höhe von 35 mm aufweisen. In dieser Konfiguration ist der Aktuator 28 derart ausgebildet, dass eine Aktivierung des Elements 30 die Drehung der Trommel bewirkt. Zum Beispiel, und wie in 18 gezeigt, kann ein SMA-Draht 30 mit der Trommel 98 verbunden und derart ausgebildet sein, dass ein Moment um die Trommelachse bewirkt wird, indem der Draht 30 aktiviert wird. Im Spezielleren ist im geschlossenen Zustand (20a) der Durchgangsschlitz 100 vertikal orientiert, um durch das Gehäuse 22 verschlossen zu sein; im geöffneten Zustand (20b) ist die Öffnung 24 horizontal mit dem Schlitz 100 ausgerichtet, um so zusammenwirkend einen offenen Durchgang vorzusehen. Der Draht 30 ist daher so dimensioniert, dass er die Betätigungskraft und die Trommelverrückung produziert, die erforderlich sind, um den erforderlichen Grad (z. B. 90°) an Drehung zu bewirken.
Alternativ kann das Teil 26 eine nicht symmetrische 102 (21) oder Halbtrommel-104 (22)-Konfiguration aufweisen, wobei sich die modifizierte Trommel um neunzig Grad zwischen einer horizontal geschlossenen und einer vertikal geöffneten Position dreht. Es ist einzusehen, dass das Packaging, die Komplexität und die Masse in dieser Konfiguration reduziert sind, da volle Umdrehungen von 360 Grad und Trommelunterbringungen nicht erforderlich sind. Es ist auch einzusehen, dass die Trommel 98 orthogonal überkreuzte Schlitze aufweisen kann (23), sodass ein Drehwinkel von nur 45° notwendig ist, um den Einlass 10 zu öffnen und zu schließen. Schließlich definiert das Gehäuse 22 in Trommelkonfigurationen bevorzugt Ablauflöcher 106 (20a), um ein Auffangen von Feuchtigkeit zu vermeiden.
In der veranschaulichten Ausführungsform, die in 19 gezeigt ist, umfasst das Teil 26 eine Ratschenschnittstelle 108, die an dem betätigten Ende der Trommel 98 definiert oder befestigt ist. Der Aktuator 28 umfasst einen Sperrhebel 110 in vorgespanntem Eingriff mit der Schnittstelle 108. Im Spezielleren umfasst die Schnittstelle 108 eine Achse oder einen Zapfen 112, die/der konzentrisch mit der Schwenkachse der Trommel 98 ausgerichtet ist, während der Sperrhebel 110 ein Loch definiert, welches ausgebildet ist, um den Zapfen 112 frei aufzunehmen. Eine Druckfeder (nicht gezeigt) greift in den Sperrhebel 110 ein und drückt ihn zu der Schnittstelle 108 hin. Wie auf dem technischen Gebiet einzusehen ist, definieren die Schnittstelle 108 und der Sperrhebel 110 zusammenwirkend eine Vielzahl von ineinandergreifenden Zähnen (auch nicht gezeigt), die geneigte Eingriffsflächen in einer Drehrichtung aufweisen, in der anderen jedoch vollständig eingreifen, um so eine relative Drehung in nur einer Richtung zuzulassen.
In dieser Ausführungsform kann der Verriegelungsmechanismus 44 eine Blattfeder 114 umfassen (19), die ausgebildet ist, um in die Schnittstelle 108 einzugreifen, um so eine Vorspannkraft nach unten gegen diese zu produzieren und dadurch zu verhindern, dass sich die Trommel 98 in der verfügbaren Richtung dreht. Die Blattfeder 114 ist an dem Gehäuse 22 oder einer anderweitigen festen Struktur getragen. Die durch den Draht 30 produzierte Betätigungskraft ist ausreichend, um die Vorspannkraft der Blattfeder 114 zu überwinden, um zu bewirken, dass sich sowohl der Sperrhebel 110 als auch die Trommel 98 in Stufen von neunzig Grad drehen.
Im Spezielleren, wenn der SMA-Draht 30 abkühlt, streckt eine mit dem Sperrhebel 110 verbundene Rückstellfeder den SMA-Draht 30 und bringt den Sperrhebel 110 in seine ursprüngliche Position zurück. Die Ratschenzähne gleiten übereinander, um zuzulassen, dass der Sperrhebel 110 zurückkehrt, während die Blattfeder 114 die Trommel 98 in Position hält. Sobald der Draht 30 abgekühlt und wieder gestreckt ist, ist der Aktuator 28 für einen weiteren Zyklus und neunzig Grad weitere Drehung bereit. Somit kann infolge der Konfiguration der Trommel 98 und der Ratschenschnittstelle 108 ein einziger SMA-Draht 30 den Einlass 10 durch Ziehen in eine Richtung sowohl öffnen als auch schließen.
In der alternativen Verriegelungskonfiguration, die in 18 gezeigt ist, weist die Trommel 98 eine distale Endkappe 116 auf, in die der Aktuator 28 eingreift. Ein SMA-Draht 30 ist mit einem Stift 118 verbunden, der mit der Endkappe 116 an einer Stelle im zweiten Viertel befestigt ist, wenn sich die Trommel 98 in geöffnetem Zustand befindet. Der Draht 30 ist derart ausgebildet, dass eine Aktivierung zur Folge hat, dass der Stift 118 dazu gebracht wird, sich um neunzig Grad zu dem ersten Quadranten der Kappe 116 zu bewegen. Ferner wird eine Rückstelltorsionsfeder (nicht gezeigt) dazu gebracht, potentielle Energie durch die Drahtbetätigung zu speichern. Die Feder setzt die Energie bei einer Deaktivierung (oder wenn der Draht abkühlt) frei, um dadurch zu bewirken, dass sich die Trommel 98 zurück in den normal geöffneten Zustand dreht.
Wie in 18 weiter gezeigt, wird der Verriegelungsmechanismus 44 durch einen vorgespannten Schwingarm 120 aufweist, der eine Biegung und eine Eingriffscheibe 122 definiert, die konzentrisch mit der Mittellinie der Biegung ausgerichtet ist. Die Kappe 116 definiert drei gleich beabstandete Verriegelungseingriffsstifte 124, die eine „L”-Form definieren, um so sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen (18) Zustand in den Mechanismus 44 einzugreifen und diesen festzuhalten. Es ist einzusehen, dass die Betätigungs- und Rückstellkräfte als solche ausreichend sind, um die Verriegelungsfestigkeit zu überwinden. Es ist auch einzusehen, dass, wenn sie nicht ausreichen, alternativ ein Elektromagnet 54 (18) hinzugefügt sein kann, um selektiv in den Arm 120 einzugreifen und diesen anzuheben und dadurch die Trommel 98 zu befreien, um den modifizierten Zustand zu erreichen.
Es wird in Erwägung gezogen, dass andere Aktuatorkonfigurationen mit einem aktiven Material wie z. B. Schubrohre, die mit antagonistisch vorgespannten Torsionsfedern gekoppelt sind, implementiert sein können, um eine Drehbewegung zu bewirken. Es ist auch einzusehen, dass andere aktive Materialien neben einer SMA alternativ als das Element 30 aus einem aktiven Material verwendet werden könnten, die elektroaktive Polymere in Form von gerollten oder dünnen Streifen aus dielektrischen Elastomeren und piezoelektrischen Unimorphen oder Bimorphen umfassen, von denen jedes eine schnelle, reversible und feldstärkenproportionale Verrückung bereitstellen könnte. Überdies ist einzusehen, dass das Element 30 andere geometrische Formen als ein einzelner Draht annehmen könnte, wie etwa mehrere Drähte parallel (z. B. Bündel), mehrere Drähte, die als ein Kabel geflochten oder miteinander verdrillt sind, und dünne Streifen. Es ist einzusehen, dass der Ausdruck „Draht” als solcher diese weiteren geometrischen Formen einschließt. Es liegt auch innerhalb des Umfanges der Erfindung, verschiedentlich Dreh-, Falt-, Schiebe- oder Blendenabdeckteile 26 in Übereinstimmung mit der Erfindung zu verwenden.
Somit umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zum selektiven Modifizieren der Menge einer Luftströmung in einen Fahrzeugmotor, dass der Motor 12a und eine umliegende Umgebung über eine Öffnung 24 fluidtechnisch verbunden werden und ein verschiebbares Teil angebracht wird, das dazu dient, zumindest einen Abschnitt der Öffnung 24 zu verschließen. Das Teil 26 ist antriebstechnisch mit einem Aktuator 28 gekoppelt, der ein Element aus einem aktiven Material umfasst. Ein Abtastwert einer Umgebungsbedingung oder Fahrzeugcharakteristik wird dann unabhängig durch einen Sensor 16 bestimmt. Der Sensor 16 leitet die Information, die sich auf den Wert bezieht, an einen Controller 20 weiter, der programmiertechnisch ausgebildet ist, um den Abtastwert mit einer Schwelle zu vergleichen, und wenn die Schwelle überschritten ist, ist der Controller 20 ferner ausgebildet, um einen nicht konformen Wert zu finden.
Wenn ein nicht konformer Wert bestimmt wird, wird das Element 30 aktiviert und die Öffnung 24 wird infolge der Aktivierung modifiziert, um so eine Fluidströmung in den Motor 12a hinein zu modifizieren. Es ist einzusehen, dass der Sensor 16 ohne Einschränkung ein Geschwindigkeitsmesser, ein Psychrometer, ein Hygrometer oder ein anderweitiger Temperatur/Feuchtigkeitssensor, ein Drehzahlmesser oder ein anderweitiger Motordrehzahlsensor, ein Dynamometer oder ein anderweitiger Motordrehmomentsensor oder ein telematisches System sein kann, das ausgebildet ist, um eine Position des Fahrzeuges mithilfe eines Positionierungssystems zu bestimmen und den Abtastwert von einer Kennfeld-Datenbank auf der Basis der Position abzurufen.
Die hierin offenbarten Bereiche sind inklusive und kombinierbar (z. B. Bereiche von „bis zu etwa 25 Gewichts-% oder im Spezielleren etwa 5 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-%” sind inklusive der Endpunkte und aller Zwischenwerte der Bereiche von „etwa 5 Gewichts-% bis etwa 25 Gewichts-%” usw.). „Kombination” ist inklusive Mischungen, Gemischen, Legierungen, Reaktionsprodukten und dergleichen. Ferner bezeichnen die Ausdrücke „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen hierin keinerlei Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern dienen dazu, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Begriffe „ein/e/s” bezeichnen hierin keine Beschränkung einer Menge, sondern bezeichnen das Vorhandensein von zumindest einem der Elemente, auf die Bezug genommen wird. Die Angabe „etwa”, die in Verbindung mit einer Größe verwendet wird, versteht sich einschließlich des angegebenen Werts und besitzt die durch den Kontext bestimmte Bedeutung (umfasst z. B. den der Messung der speziellen Größe zugehörigen Fehlergrad). Das Suffix „(s)”, wie hierin verwendet, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffes umfassen, den es modifiziert, und umfasst daher einen oder mehrere von diesem Begriff (z. B. umfasst/en der/die Farbstoff/e einen oder mehrere Farbstoffe). Die Bezugnahme über die gesamte Beschreibung auf „eine bestimmte Ausführungsform”, „eine weitere Ausführungsform”, „eine Ausführungsform” und dergleichen bedeutet, dass ein bestimmtes Element (z. B. ein Merkmal, eine Struktur und/oder eine Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Darüber hinaus sollte einzusehen sein, dass die beschriebenen Elemente auf jede beliebige geeignete Weise in den verschiedenen Ausführungsformen kombiniert sein können.
(Ein) geeignete(s) Algorithmen, Verarbeitungsvermögen und Sensoreingänge im Hinblick auf diese Erfindung sind dem Fachmann überlassen. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben; für den Fachmann wird einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Art, die Erfindung auszuführen, in Erwägung gezogen wird; vielmehr wird die Erfindung alle Ausführungsformen einschließen, die in den Schutzumfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Aktiver Lufteinlass (10), der zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor (12a) geeignet ist, wobei der Einlass umfasst: ein Gehäuse (22), das eine Öffnung (24) in fluidtechnischer Verbindung mit einer umliegenden Umgebung und dem Motor (12a) definiert; zumindest ein Abdeckteil (26), das verschiebbar ist, um dazu gebracht zu werden, sich zwischen offenen und geschlossenen Zuständen relativ zu der Öffnung (24) zu bewegen, wobei das Abdeckteil (26) im geschlossenen Zustand zumindest einen Abschnitt der Öffnung (24) abdeckt und im geöffneten Zustand den Abschnitt nicht blockiert, um eine Zunahme einer Luftströmung zwischen der Umgebung und dem Motor (12a) zuzulassen; und zumindest einen Aktuator (28), der antriebstechnisch mit dem Abdeckteil (26) verbunden ist und ein Element (30) aus einem aktiven Material umfasst, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wobei der Aktuator (28) derart ausgebildet ist, dass die Änderung dazu dienen kann, zu bewirken oder zu ermöglichen, dass sich das Abdeckteil (26) in den offenen oder in den geschlossenen Zustand bewegt, um den Zustrom von Luft zur Bildung eines zur Verbrennung geeigneten Luft/Kraftstoff-Gemischs zu steuern.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das aktive Material aus der Gruppe gewählt ist, die im Wesentlichen aus Formgedächtnislegierungen, ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren, piezoelektrischen Materialien, elektroaktiven Polymeren, magnetorheologischen Fluiden und Elastomeren, elektrorheologischen Fluiden und Verbundstoffen aus denselben besteht.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das Abdeckteil (26) eine Ratschenschnittstelle (108) umfasst und der Aktuator (28) einen Sperrhebel (110) umfasst, der in Eingriff mit der Schnittstelle (108) vorgespannt ist, wobei der Sperrhebel (110) und die Schnittstelle (108) zusammenwirkend ausgebildet sind, um eine relative Drehung nur in einer Richtung zuzulassen.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Abdeckteil (26) einen Flügel (26) umfasst und der Flügel (26) eine mittlere Schwenkachse (p) mit dem Gehäuse (22) definiert.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Abdeckteil (26) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Flügeln (26) umfasst, um sich bei Vorliegen des offenen oder des geschlossenen Zustands einheitlich und zusammenwirkend zu bewegen.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Abdeckteil (26) eine Vielzahl von benachbart positionierten Schiebewänden (92) umfasst, wobei jede Wand (92) zumindest ein Loch (94) definiert und die Löcher (94) in der Lage sind, selektiv ausgerichtet zu sein, um zusammenwirkend ein Durchgangsloch (96) zu definieren, nur wenn sie sich im geöffneten Zustand befinden.
Einlass nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Abdeckteil (26) eine Trommel (98) umfasst, die einen länglichen Durchgangsschlitz (100) definiert, wobei die Trommel (98) relativ zu dem Gehäuse (22) drehbar und zusammenwirkend damit ausgebildet ist, um den Durchgangsschlitz (100) und die Öffnung (24) selektiv auszurichten.
Einlass nach Anspruch 7, wobei die Trommel (98) eine geometrische Konfiguration aufweist, die aus der Gruppe gewählt ist, welche im Wesentlichen aus nicht symmetrischen Trommeln, halben Trommeln und Trommeln, die mehrere seitliche Schlitze definieren, besteht.
Einlass nach Anspruch 1, welcher ferner umfasst: einen Vorspannmechanismus (42), der antriebstechnisch mit dem Abdeckteil (26) verbunden ist, um eine Vorspannkraft darauf auszuüben, wobei die Kraft dazu dienen kann, zu bewirken, dass sich das Abdeckteil (26) in den anderen von dem offenen und dem geschlossenen Zustand bewegt, wenn die Änderung rückgängig gemacht wird.
Einlass nach Anspruch 1, welcher ferner umfasst: einen Verriegelungsmechanismus (44), der mit dem Abdeckteil (26) gekoppelt und ausgebildet ist, um selektiv mit diesem in Eingriff zu stehen, um das Abdeckteil (26) in dem offenen oder dem geschlossenen Zustand festzuhalten, wenn die Änderung rückgängig gemacht wird.
Einlass nach Anspruch 10, wobei der Verriegelungsmechanismus (44) eine Vorspannfeder (52), die ausgebildet ist, um zu bewirken, dass der Mechanismus (44) mit dem Abdeckteil (26) in Eingriff steht, und ein zweites Element (46) aus einem aktiven Material umfasst, welches eine Aktivierungskraft aufweist, die größer ist als der Federmodul der Feder (52), sodass es betreibbar ist, um zu bewirken, dass der Mechanismus (44) von dem Abdeckteil (26) außer Eingriff gelangt und dieses freigibt, wenn der Mechanismus (44) mit dem Abdeckteil (26) in Eingriff steht und das zweite Element (46) aktiviert wird.
Einlass nach Anspruch 10, wobei der Verriegelungsmechanismus (44) einen Magnet oder ein Solenoid (54) umfasst und der Magnet oder das Solenoid (54) dazu gebracht wird, selektiv mit dem Abdeckteil (26) in Eingriff zu gelangen, um das Abdeckteil (26) im geöffneten Zustand festzuhalten, wenn die Änderung rückgängig gemacht wird.
Einlass nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (28) zumindest einen Formgedächtnisdraht umfasst und mit dem Abdeckteil (26) in Eingriff steht, sodass der Draht eine Bogensehnenkonfiguration aufweist, die einen Scheitel definiert, wobei der Draht eine Verrückung produziert, wenn er aktiviert ist, und das Abdeckteil (26) dazu gebracht wird, sich um eine Distanz zu verschieben, die größer ist als die Verrückung.
Einlass nach Anspruch 13, wobei das zumindest eine Abdeckteil (26) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Flügeln (26) umfasst und jeder Flügel (26) verschwenkbar mit dem Gehäuse (22) verbunden ist, um so eine gleiche Vielzahl von Schwenkachsen zu definieren, wobei der Aktuator (28) einen Formgedächtnisdraht umfasst, der antriebstechnisch mit dem oberen Flügel (26) verbunden ist.
Einlass nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse (22) einen Schlitz (72) definiert, ein Läufer (74) derart innerhalb des Schlitzes (72) ruht, dass er linear verschiebbar ist, der Draht eine Bogensehnenkonfiguration aufweist und mit dem Läufer (74) in Eingriff steht und ein Verbindungsglied (76) mit fixer Länge drehbar mit dem Läufer (74) und dem oberen Flügel (26) gekoppelt ist, sodass die Flügel (26) dazu gebracht werden, dass sie sich durch die lineare Verschiebung des Läufers (74) drehen, und die lineare Verschiebung des Läufers (74) durch Aktivieren des Drahtes bewirkt wird.
Einlass nach Anspruch 1, welcher ferner einen Lastbegrenzungsschutz (56) umfasst, der mit dem Element (30) gekoppelt und ausgebildet ist, um einen sekundären Ausgangspfad für dieses vorzusehen, wenn das Element (30) dem Signal ausgesetzt ist und das Abdeckteil (26) an einer Bewegung in den offenen oder den geschlossenen Zustand gehindert wird.
Einlass nach Anspruch 16, wobei der Schutz (56) zumindest eine gestreckte Feder (60) umfasst, die in Reihe mit dem Element (30) verbunden ist.
Einlass nach Anspruch 17, wobei der Schutz (56) ferner einen Hebel (62) zwischen dem Element (30) und der Feder (60) umfasst, wobei der Hebel (62) einen ersten und einen zweiten Arm (64, 66) und eine Schwenkachse definiert und das Element (30) an einem der Arme (64, 66) befestigt und von der Achse eine erste Distanz beabstandet ist und die Feder (60) an dem anderen von den Armen (66, 64) befestigt und von der Achse eine zweite Distanz beabstandet ist, welche größer ist als die erste.
Einlass nach Anspruch 17, wobei der Schutz (56) ferner ein zusätzliches Formgedächtniselement (68) umfasst, das mit dem Hebel (62) verbunden und ausgebildet ist, um zu bewirken, dass sich der Hebel (62) darauf zu dreht, um eine Spannung abzubauen und einen Durchhang in dem Aktuatorelement (30) zu produzieren und einen Überhitzungsschutzmechanismus (68) vorzusehen.
Aktiver Lufteinlass, der zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor (12a) geeignet ist, wobei der Einlass umfasst: ein Gehäuse (22), das eine Öffnung (24) in fluidtechnischer Verbindung mit einer umliegenden Umgebung und dem Motor (12a) definiert; zumindest ein Teil (26), das verschiebbar ist, um dazu gebracht zu werden, sich zwischen offenen und geschlossenen Zuständen relativ zu der Öffnung (24) zu bewegen, und eine Vielzahl von Flügeln (26) umfasst, die verschwenkbar mit dem Gehäuse (22) verbunden sind, um so eine gleiche Vielzahl von Schwenkachsen zu definieren, wobei die Flügel (26) im geschlossenen Zustand zusammenwirkend zumindest einen Abschnitt der Öffnung (24) abdecken und im geöffneten Zustand den Abschnitt nicht blockieren, um eine Luftströmung zwischen dem Motor (12a) und der Umgebung zuzulassen; und zumindest einen Aktuator (28), der mit den Flügeln (26) antriebstechnisch gekoppelt ist und ein Element (30) aus einem aktiven Material umfasst, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer Grundeigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt ist, wobei der Aktuator (28) und die Flügel (26) zusammenwirkend derart ausgebildet sind, dass die Änderung dazu dienen kann, die Flügel (26) dazu zu bringen, sich wechselseitig und konform in entgegengesetzten Richtungen zu drehen, um zur Steuerung des Zustroms von Luft zur Bildung eines zur Verbrennung geeigneten Luft/Kraftstoff-Gemischs den offenen oder den gegeschlossenen Zustand zu erreichen.
Einlass nach Anspruch 20, wobei ein erster und ein zweiter Flügel (26) durch ein erstes und ein zweites Zahnrad (78a, 78b) miteinander in Eingriff stehen.
Einlass nach Anspruch 20, wobei der erste und der zweite Flügel (26) zu der Öffnung (24) hin abgewinkelt und zusammenwirkend ausgebildet sind, um überlappende distale Kanten vorzusehen, um im geschlossenen Zustand abdichtend miteinander in Eingriff zu stehen.
Einlass nach Anspruch 20, wobei das Gehäuse (22) einen Schlitz (72) definiert, wobei ein erster und ein zweiter Flügel (26) durch ein dreiteiliges Stabverbindungsglied (82) miteinander in Eingriff stehen, wobei das Verbindungsglied (82) einen Hauptstab (84), der innerhalb des Schlitzes (72) eingeschoben ist, um linear verschiebbar zu sein, und einen ersten und einen zweiten Schwingarm (86a, 86b) aufweist, die verschwenkbar mit dem Hauptstab (84) und einzeln mit den Flügeln (26) verbunden sind, sodass die Flügel (26) derart ausgebildet sind, dass sie sich wechselseitig und konform in entgegengesetzten Richtungen drehen, wenn der Hauptstab (84) dazu gebracht wird, sich linear zu verschieben.
Verfahren zum selektiven Modifizieren einer Luftströmung in einen Fahrzeugmotor (12a), wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: a. der Motor (12a) über eine Öffnung (24) fluidtechnisch mit einer umliegenden Umgebung gekoppelt wird, um eine Luftströmung dazwischen zuzulassen; b. ein Element (30) aus einem aktiven Material relativ zu der Öffnung (24) angebracht wird; c. ein Abtastwert einer Umgebungsbedingung oder Fahrzeugcharakteristik bestimmt wird; d. der Abtastwert mit einer Schwelle verglichen wird und ein nicht konformer Wert bestimmt wird, wenn der Abtastwert die Schwelle überschreitet; e. das Element (30) aktiviert wird, wenn der nicht konforme Wert bestimmt wird; und f. die Öffnung (24) modifiziert wird, um die Luftströmung zur Bildung eines zur Verbrennung geeigneten Luft/Kraftstoff-Gemischs infolge der Aktivierung des Elements (30) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei Schritt c) ferner die Schritte umfasst, dass zumindest ein Sensor relativ zu dem Motor oder der Umgebung angebracht wird und der Wert mithilfe des Sensors detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Sensor (16) ein Geschwindigkeitsmesser, ein Dynamometer, ein Drehzahlmesser, ein Psychrometer, ein Thermo-Hygrometer oder ein Positionierungssystem ist, welches dazu dient, die Position des Fahrzeugs zu bestimmen und den Abtastwert von einer Kennfeld-Datenbank abzurufen, die mit der Position in Beziehung steht.