使用活性材料激活的可枢转地展开的气坝的制作方法

专利名称：使用活性材料激活的可枢转地展开的气坝的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及气坝和展开气坝的方法，且更具体地涉及可枢转地展开的气坝 和使用活性材料激活来操纵气坝的方法。
背景技术：
已经开发气坝来减少移动车辆下面的空气流对气动阻力的贡献。更具体地，气坝 用于将空气流横向改向，从而最小化由不规则车下表面引起的紊流，否则空气流会从车辆 下面流过。应当理解的是，空气流的这种改向引起了车辆的燃料效率增加。气坝通常具有 固定配置，例如赛车上的配置(不收起)。然而，由于其接近地面，常规气坝在本领域中引起 各种问题，例如，倾向于被损坏(例如，通过刮蹭或接触外来物质/地面)。零星的冲击通常 永久性地改变气坝的形状，从而降低其效率。这进一步导致使用寿命的减少以及相关修理 和/或更换成本的增加。因而，更近以来开发了竖直展开的气坝，其允许各种地面间隙，从 而允许选择性使用和在不使用时收起。然而，这些气坝也在本领域中引起问题，其中包括需 要复杂的机构来将展开致动器从外部元件密封并提供无约束横向一致运动。

发明内容
根据前述问题，本文提出了一种借助于使用活性材料激活的可枢转地展开的气 坝。除了其它之外，本发明可用于提供更安静(在声音和EMF方面都是如此)和比对等机 电致动器更轻巧的致动气坝的装置。本发明的用途包括能够在需要时通过远程致动或者基于传感器输入通过控制算 法来可逆地收起气坝的能力，与固定模型相比，降低了损坏气坝的可能性，从而扩展到气坝 的可用应用。气坝的可枢转结构获得了将致动器从外部环境和外来物质(例如，道路杂物、雪 和冰)密封的更有效手段。此外，与线性展开的气坝相比，实现无约束运动的手段也得以简 化。另外，枢转结构能够最小化对气坝的损坏(否则在撞击物体时可能发生损坏)，因为这 种接触产生作用于枢转气坝上的净提升/收起力，该力将气坝向上推动并不再接触。取决于枢转点的位置(和从而所需旋转角度)和枢转臂的横向位置，本发明还可 用于增加包装灵活性。最后，应当理解的是，与对等机电展开系统相比，使用活性材料激活 获得了降低的实施成本、维护成本和修理成本。本发明的第一方面涉及适合用于车辆的主动气坝。所述气坝包括联接到车辆并可 相对于车辆枢转运动的偏转器，从而限定枢转轴，这使气坝能实现收起和展开状况。在处于 展开状况时，所述偏转器配置成阻塞车辆运动时车辆下面的空气流。所述气坝还包括活性 材料致动器，其中，所述致动器包括可操作在暴露于激活信号时经受至少一种基本属性的 变化的活性材料。所述材料被驱动联接到所述偏转器，使得所述致动器配置成由于所述变 化在所述偏转器上施加第一力，所述第一力使得所述偏转器枢转至收起和展开状况之一。本发明的第二方面涉及一种车辆，所述车辆具有与前述一致的主动气坝，且还包括可操作检测车辆或外部状况的传感器以及可操作产生信号的源，使得所述材料暴露于所 述信号。所述传感器优选通过控制器在中间并通信联接到致动器和源，且配置成仅在检测 到所述状况时选择性地使得所述源产生和传输信号。本发明的其它方面和优势，包括使用用于致动的包含形状记忆材料的缆线或金属 丝和用于固定气坝的闩锁机构，将从优选实施例的以下详细说明和附图显而易见。


本发明的优选实施例在下文参考附图详细描述，在附图中图1是根据本发明的 优选实施例的采用主动气坝的车辆的透视图；图2是根据本发明的优选实施例的相对于前 缓冲器处于收起状况的气坝的透视图，所述气坝包括第一和第二横向枢转臂以及活性材料 致动器，所述活性材料致动器包括紧固件和缆线；图3是根据本发明的优选实施例的前缓 冲器和主动气坝的侧视图，所述主动气坝包括缆线致动器、紧固件、紧固件调节元件和枢转 臂；图3a是图3所示的气坝和缓冲器的侧视图，其中，气坝相对于缓冲器处于展开状况；图 4是主动气坝致动器的部分透视图，所述致动器包括绕轴缠绕的缆线和配置成逐渐增加力 与位移的复合齿轮；图4a是图4的替代实施例，其中轴通过第二缆线联接到枢转臂。第二 缆线相对于轴线与护罩构件相对地连接到臂，从而形成杠杆；图5是前缓冲器和主动气坝 的透视图，所述主动气坝限定轨道且包括活性材料致动器，所述活性材料致动器包括在轨 道内拉动的缆线、和配置成将金属丝内的力矢量改向的第一和第二横向带轮；图5a是图5 所示的气坝和前缓冲器的侧视图，具体地示出了轨道和金属丝；图6是根据本发明的优选 实施例的气坝和缓冲器的后部透视图，部分示出了笔式闩锁机构；图7是根据本发明的优 选实施例的前缓冲器和主动气坝的侧视图，所述气坝包括复合齿轮和摆臂闩锁机构；图7a 是图7所示的缓冲器和气坝的侧视图，其中，摆臂被分离；图8是前缓冲器和气坝的侧视图， 所述气坝包括基于棘爪和棘轮的闩锁机构；图9是根据本发明的优选实施例的前缓冲器和 气坝的透视图，所述气坝处于展开状况，限定螺丝扣枢转臂，且包括连接到螺丝扣并具有双 带轮配置的致动器，其中，所述螺丝扣为致动器提供应变释放；图10是图9所示的缓冲器和 气坝的侧视图，具体地示出了在气坝被阻止旋转时的螺丝扣动作(虚线形式)；和图IOa是 图9和10所示的缓冲器和气坝的侧视图，其中，气坝枢转至收起状况。
具体实施例方式如图I-IOa所示，本发明涉及具有活性材料激活的可枢转地展开的气坝10。在所 示实施例中，气坝10由车辆12示例性地使用且相对于车辆12使用，例如机动车、货车或 SUV。本发明的气坝10相对于车辆12的其余部分在最上收起和展开状况之间枢转；因而可 与线性展开的现有技术主动气坝区分。在展开状况(图1)中，应当理解的是，气坝10可操 作阻塞和以其它方式将来自于车辆12下面的空气流改向朝向车辆12的侧部。因而，在收 起状况，气坝10和车辆12协作地具有一致的横向尺寸，更优选地具有上叠层。如图2和6 所示，例如，气坝10可配置成在车辆12的前缓冲器或仪表板14后面的区域中收起。气坝 10和车辆12协作地配置，使得在处于完全展开状况时气坝10的高度相对于地面具有优选 间隙或者通路。进一步关于最佳性能，气坝10的最下轮廓优选是水平的，从而导致沿车辆 12的宽度的一致间隙。I.活性材料的描述和功能
本发明中使用的术语“活性材料”应既包括本领域技术人员对它的常规理解，还包 括当其暴露于外部信号源时某些基本性质(如化学性质、固有的物理性质)能实现可逆改 变的任何材料或合成物。因此，活性材料应当包括那些响应激活信号能够在硬度属性、形状 和/或尺寸产生改变的成分，对于不同的活性材料，激活信号可以采用电的、磁的、热的以 及其它类似场的类型。适用于本发明使用的活性材料包括但不限于形状记忆材料，如形状记忆合金和 形状记忆聚合物。形状记忆材料一般指的是能够记忆它们初始的至少一个属性(如形状) 的材料和成分，所述属性可以以后在外界激励作用下重新恢复。这样，初始形状的变形是暂 时的状况。通过这种方式，形状记忆材料可以响应于激活信号从而变成训练形状。示例性形 状记忆材料包括前面提及的形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)，以及形状记忆 陶瓷，电活性聚合物(EAP)，铁磁形状记忆合金。也可以使用电流变(ER)成分，磁流变(MR) 成分，介电弹性体，离聚物金属成分(IPMC)，压电聚合物，压电陶瓷，以及上述材料的不同结 合体及类似物。形状记忆合金(SMA’ s) —般指的是一组金属材料，其在经受合适的温度激励时能 够恢复某些之前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能发生相变，其中它们的屈服强度、硬 度、尺寸和/或形状也将会随温度而改变。其中“屈服强度”指的是使材料展现距应力和应 变比发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温或在马氏体相时，形状记忆合金能够发生塑 性变形，且在暴露给一定高温时将改变成奥氏体相或母相，从而回到它们变形前的形状。 仅在加热时展现这种形状记忆效应的材料称为具有单向形状记忆。在再次冷却时也展现形 状记忆的材料称为具有双向记忆性能。形状记忆合金存在几个与温度相关的不同相。这些相中最常用到的就是前面提到 的所谓马氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般指的是更易发生变形的低温 相，而奥氏体相一般指的是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其 开始改变成奥氏体相。这种现象开始发生时的温度通常称为奥氏体起始温度(As)，这种现 象结束时的温度则称为奥氏体完成温度(Af)。当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始改变成马氏体相，这种现象开 始发生时的温度通常称为马氏体起始温度(Ms)。奥氏体完成转变成马氏体时的温度则称为 马氏体完成温度(Mf)。一般来说，形状记忆合金在马氏体相较软、较容易发生变形，而在奥 氏体相较硬、更刚性且更刚硬。由上可知，适合用于形状记忆合金的激活信号是具有在马氏 体和奥氏体之间弓I起转变的大小的热激活信号。取决于合金成分和加工过程，形状记忆合金可以具有单向形状记忆效应、内在的 双向形状记忆效应、或外在的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金一般只具有单 向的形状记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体 的转变类型，而材料将恢复到初始的退火后的形状。然而，单向的形状记忆效应只能在加热 时看到。包括具有单向形状记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料无法自动重新成形， 可能需要外部的机械力来使其重新形成先前适合空气流控制的形状。内在的双向形状记忆材料和外在的双向形状记忆材料的特征在于，既可以在从马 氏体相加热为奥氏体相时发生形状改变，同时也可以在从奥氏体相冷却回到马氏体相时发 生附加形状改变。具有内在的形状记忆效应的活性材料是由会使活性材料由于上述提及的相变而自动重新成形的形状记忆合金成分制成。内在的双向形状记忆特性必须通过加工过 程引入形状记忆合金。这些加工过程包括在马氏体相时的材料极限变形，约束或载荷条件 下的加热冷却处理，激光退火、抛光或喷丸加工等表面改性。一旦材料被训练具有了双向形 状记忆效应，那么这种高低温状态之间的形状变化通常是可逆的并且一般在经过很多个 热循环后仍然能保持有效。相比而言，具有外在的双向形状记忆效应的活性材料是将具有 单向记忆效应的形状记忆合金成分与提供回复力以重新形成初始形状的另一种成分组合 而成的复合物或多成分材料。形状记忆合金被加热到某一温度时会记忆其高温形态，而此温度可以通过合金成 分的细微改变和通过热处理过程进行调整。例如，镍钛形状记忆合金中，上述温度可以从高 于约100°C变至低于约-100°c。形状恢复过程只在几摄氏度的范围内发生，而且根据期望 应用以及合金的成分，可以将此转变过程的开始或结束控制只在1或2度范围之内。在跨 过形状记忆合金发生转变的温度范围内，其机械属性会发生巨大的变化，通常为系统提供 形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。合适的形状记忆合金包括，但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍 镓基合金、铜基合金(如铜锌合金、铜铝合金、铜金合金和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基 合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁钼基合金、铁钯基合金及类似物。这些合金可以是二元 的、三元的或其它任何更高元的，只要合金成分在例如外形取向变化、阻尼容量等方面上具 有形状记忆效应即可。因此，为了实现本发明，应当理解的是，当加热至高于SMA的马氏体-奥氏体相变 温度时，SMA具有2.5倍的模量增加和高达8%的尺寸变化(取决于预应变量)。应当理解 的是，热诱导的SMA相变是单向的，这样就需要设置一个偏压力回复机构(如弹簧)来在一 旦去除所施加的场时恢复SMA至初始配置。使用焦耳加热能使整个系统可电子控制。但是， 应力诱导的SMA相变本质上是双向的。当SMA处于奥氏体相时，施加足够的应力会使其改 变成模量更低的马氏体相，此时其展现高达8%的“超弹性”变形。所施加的应力的移除会 导致SMA改变回奥氏体相，从而恢复其初始形状和较高模量。基于所述配置，已经观察到小于5秒的激活时间，大约100000次激活的寿命和 在-40至90°C之间的工作环境。铁磁SMA(FSMA)是SMA的子类，且同样可以应用于本发明。这种材料跟常规的SMA 材料一样，具有应力或热诱导的在马氏体和奥氏体之间的相变。另外，FSMA是铁磁体的， 具有很强的磁晶各向异性，其允许场对齐的马氏体变体的取向/比例。当磁场移除后，材料 可能会出现完全双向记忆、部分双向记忆或单向记忆。对于部分或单向记忆，外部激励、温 度、磁场或应力可允许材料恢复初始状态。完全双向记忆可用于在供应连续功率时进行比 例控制。对于轨道填充应用来说，单向形状记忆效应是最有用的。在汽车应用中，外部磁场 一般通过软磁芯的电磁体产生，但是为了快速反应也可利用一对亥姆霍兹线圈。形状记忆聚合物(SMP) —般指的是一组聚合物材料，其在经受合适的温度激励时 能够恢复先前限定的形状。形状记忆聚合物能发生相变，其中它们的形状将会随温度而改 变。通常，SMP具有两种主要部分，硬部分和软部分。先前限定或永久形状可以通过在比最 高热转变温度更高的温度下熔融或处理聚合物且随后冷却到该热转变温度之下来设定。最 高热转变通常是硬部分的玻璃转变温度(Tg)或熔融点。暂时形状可以通过将材料加热至比软部分的Tg或熔融点更高但是比硬部分的Tg或转变温度更低的温度来设定。在以软部 分的转变温度处理材料并随后冷却以固定形状时，设定暂时形状。材料可通过将材料加热 至高于软部分的转变温度来逆变至永久形状。例如，聚合物材料的永久形状可以是具有大致直线形状且限定第一长度的金属 丝，而暂时形状可以是限定比第一长度更小的第二长度的类似金属丝。在另一个实施例中， 材料可作为弹簧，在激活时具有第一弹性模量，在失活时具有第二模量。永久形状恢复所需温度可以设定为在大约_63°C和大约120°C或以上之间的任何 温度。设计聚合物本身的成分和结构可以允许针对期望应用选择特定温度。形状恢复的优 选温度大于或等于大约-30°C，更优选大于或等于大约0°C，最优选大于或等于大约50°C。 而且，形状恢复的优选温度小于或等于大约120°C，更优选小于或等于大约120°C，最优选 小于或等于大约80°C。合适的形状记忆聚合物包括热塑性、热固性、互穿网络、半互穿网络或混合网络。 聚合物可以是单种聚合物或者聚合物的混合物。聚合物可以具有侧链或树枝结构元件的线 性或分支热塑性弹性体。适合形成形状记忆聚合物的聚合物组分包括但不限于聚磷腈、 聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烃基烯、聚 丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚烷基氧化物、聚亚烷基对苯二甲酸酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚 乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚二醇、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚 醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的范例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸 乙醇)、聚(丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(己基丙烯酸酯)、聚(异癸基丙烯 酸酯)，聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(苯基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(异丙基丙烯 酸酯)、聚(异丁基丙烯酸酯)和聚(十八基丙烯酸酯)。其他合适的聚合物的范例包括 聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚乙烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯 醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚环氧乙烷-聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共 聚物)、聚己酸内酯一聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己酸内酯)丙烯酸酯-η-丙烯酸丁酯、聚 (冰片基多面低聚硅酸酯)、聚氯乙烯、尿烷/ 丁二稀共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯 乙烯_ 丁二稀_苯乙烯嵌段共聚物等等。因而，对于本发明，应当理解的是，SMP在加热至高于其具有较低玻璃转变温度的 成分的玻璃转变温度时展现模型的剧烈下降。如果在温度下降时保持加载/变形，变形形 状将在SMP中设定，直到在没有负载时被再次加热，在该状况下，将恢复模制形状。虽然SMP 可变化地使用块、薄片、厚片、栅格、束、纤维或泡沫形式，但是它们需要连续功率来保持其 较低模量状态。合适的压电材料包括但不打算限于无机化合物、有机化合物和金属。对于有机化 合物来说，所有具有非中心对称结构和在分子主链上、或侧链上或同时在主侧链上具有大 偶极距基团的聚合材料，都可以作为压电膜的合适候选。示例性的聚合物例如包括但不限 于，聚(4-苯乙烯磺酸钠)，聚(聚(乙烯胺)骨架偶氮色基)以及它们的衍生物；聚碳氟化 合物，包括聚偏氟乙烯，其共聚物偏氟乙烯(“VDF”)，氯三氟乙烯共聚物以及它们的衍生物； 聚氯烃，包括聚(氯乙烯)，聚偏二氯乙烯以及它们的衍生物；聚丙烯腈及其衍生物；多聚羧 酸(polycarboxylic acid )，包括聚(异丁烯酸)以及它们的衍生物；聚脲及其衍生物；生 物分子如聚左旋乳酸及其衍生物，细胞膜蛋白，生物分子磷酸酯(如磷酸酯类)；聚苯胺及其衍生物；四胺的所有衍生物；聚酰胺，包括芳香族聚酰胺和芳香族聚胺，包括Kapton和 聚醚酰亚胺，以及它们的衍生物；所有的膜聚合物；N-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)均聚物及其衍 生物；随机聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与醋酸乙烯酯共聚物；所有在主链上、或侧链上或同时在 主侧链上具有大偶极距基团的芳香族聚合物，以及它们的混合物。压电材料还可以包括选自以下组的金属铅、锑、锰、钽、锆、铌、镧、钼、钯、镍、钨、 铝、锶、钛、钡、钙、铬、银、铁、硅、铜，以及包含上述金属中至少一种的合金和包含上述金 属中至少一种的氧化物。合适的金属氧化物包括SiO2, Al2O3，ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4, ZnO,以及上述物质的混合物，以及VIA族和IIB族化合物，如CdSe，CdS， GaAsjAgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS,以及上述物质的混合物。优选的是，压电材料选自包括 以下的组聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅、钛酸钡及上述物质的混合物。合适的磁流变流体材料包括但不意在限于，散置在载流流体内的铁磁或顺磁颗 粒。合适的颗粒包括铁；铁合金，例如包括铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、镁和/或铜的铁合 金；氧化铁，包括Fe2O3和Fe3O4 ；氮化铁；碳化铁；羰基铁；镍和镍合金；钴和钴合金；二氧化 铬；不锈钢；硅钢；和类似物。合适的颗粒的示例包括纯铁粉、还原铁粉、氧化铁粉/纯铁粉 混合物以及氧化铁粉/还原铁粉混合物。优选磁响应颗粒是羰基铁，优选地，还原羰基铁。颗粒尺寸应当被选择，使得颗粒在经受磁场时展现多域特性。颗粒的直径尺寸可 以小于或等于约1000微米，优选小于或等于约500微米，更优选小于或等于约100微米。也 优选的是，颗粒直径大于或等于约0. 1微米，更优选大于或等于约0. 5微米，尤其优选大于 或等于约10微米。颗粒数量按总MR流体成分的体积计优选在约5. 0%至约50%之间。合适的载流流体包括有机流体，尤其是无极性有机流体。示例包括但不限于硅 油；矿物油；石蜡油；有机硅共聚物；白油；液压油；变压器油；卤化有机液体，例如，氯化 烃，卤化烷烃，全氟聚醚和氟化烃；二酯；聚氧化烯；氟硅；氰烷基硅氧烷；乙二醇；合成烃 油，包括不饱和和饱和的；以及包括前述流体中的至少一种的组合物。载体成分的粘度可以小于或等于约100000厘泊，优选小于或等于约10000厘泊， 更优选小于或等于约1000厘泊。也优选的是，粘度大于或等于约1厘泊，优选大于或等于 约250厘泊，尤其优选大于或等于约500厘泊。也可以使用含水载流流体，尤其是包括亲水性矿物粘土(例如膨润土或锂蒙脱 石)的载流流体。含水载流流体可包括水或含有少量的极性的、可与水混合的有机溶剂的 水，所述有机溶剂例如甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚矾、二甲替甲酰胺、碳酸乙二酯、丙烯碳酸 酯、丙酮、四氢呋喃、二乙醚、乙二醇、丙二醇等。极性有机溶剂的量按总MR流体的体积计小 于或等于约5. 0%，且优选小于或等于约3. 0%。而且，极性有机溶剂的量按总MR流体的体 积计优选大于或等于约0. 1%，且更优选大于或等于约1. 0%。含水载流流体的PH优选小 于或等于约13，且优选小于或等于约9. 0。而且，含水载流流体的PH大于或等于约5. 0，且 优选大于或等于约8.0。可使用天然或合成膨润土或锂蒙脱石。MR流体中膨润土或锂蒙脱石的量按总 MR流体的重量计小于或等于约10%，优选小于或等于约8.0%，且更优选小于或等于约 6.0%。优选地，膨润土或锂蒙脱石具有按总MR流体的重量计大于或等于约0. 1%，更优选 大于或等于约1.0%，且尤其优选大于或等于约2.0%。MR流体中的可选成分包括粘土、有机粘土、羧酸皂(carboxylate soap)、分散剂、腐蚀抑制剂、润滑剂、极端压力防磨损添加剂、抗氧化剂、触变剂和常规悬浮剂。羧酸皂包 括油酸铁；环烷酸铁；硬脂酸铁；二硬脂酸铝或三硬脂酸铝；硬脂酸锂；硬脂酸钙；硬脂酸 锌和硬脂酸钠；以及表面活化剂，例如磺酸酯、磷酸酯、硬脂酸、甘油单油酸酯、去水山梨醇 倍半油酸酯、月桂酸酯、脂肪酸、脂肪醇、含氟聚酯(fluoroaliphatic polymeric ester), 和钛酸酯、铝酸酯和锆酸酯偶联剂等。也可以包括聚亚烷基二醇(例如聚乙二醇)和部分 酯化多元醇。合适的MR弹性体材料包括但不意在限于包括铁磁或顺磁颗粒悬浮体的弹性体 聚合物基体，其中，所述颗粒在上文描述。合适的聚合物基体包括但不限于聚a烯烃、天然 橡胶、硅酮、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯等。电活性聚合物包括展现出响应于电或磁场的压电、热电或电致伸缩属性的聚合物 材料。一个示例为具有压电聚(偏氟乙烯三氟)共聚物的电致伸缩接枝弹性体。该组合物 能够产生各种数量的铁电-电致伸缩分子复合系统。这些可以操作为压电传感器或甚至电 致伸缩致动器。适合用作电活性聚合物的材料可包括，任何基本绝缘的聚合物或弹性体(或它们 的组合)，它们响应于静电力发生变形，或者说其变形导致电场的变化。适合于用作预应变 聚合物的典型材料包括硅化弹性体，腈纶弹性体，聚氨酯，热塑性弹性体，包含PVDF的共聚 物，压敏粘接剂、氟化弹性体，包含硅和丙烯酸基的聚合物，及类似物。例如，包含硅和丙烯 酸基的聚合物可以包括包含硅和丙烯酸基的共聚物，包含硅化弹性体和丙烯酸基弹性体的 共混聚合物。可基于一个或多个材料属性来选择用作电活性聚合物的材料，所述材料属性例 如高的击穿电场强度，低的弹性模量(对于大或小的变形)，高的介电常数等。在一个实 施例中，选择聚合物使得其弹性模量最多约为lOOMPa。在另一实施例中，选择聚合物使得其 最大激活压力为约0. 05MPa至约IOMPa之间，优选为约0. 3MPa至约3MPa之间。在又一实 施例中，选择聚合物使得其介电常数为约2至约20，优选是约2. 5至约12。本发明并不限 于这些范围。理想地，如果材料既有高的介电常数又有高的介电强度的话，那么将期望具有 比上述给出的范围更高的介电常数的材料。在许多情况下，电活性聚合物会以薄膜的形式 进行制作和实施。这些薄膜的合适厚度可以低于50微米。由于电活性聚合物在高应变下会发生偏转，在不损害其机械或电性能的前提下， 连接在聚合物上电极也会偏转。一般来说，适合使用的电极可以是任何形状和材料，只要它 们能给电活性聚合物提供合适的电压或从电活性聚合物接收合适的电压即可。电压可以是 常量，或者可随时间变化。在一个实施例中，电极粘附在聚合物的表面上。粘附在聚合物的 电极优选是顺从性的并与聚合物的变形相符。相应地，本发明可包括和与其附连的电活性 聚合物的形状相符的顺从电极。电极可能仅应用于电活性材料的一部分，并根据其几何形 状限定活性区域。适合与本发明一起使用的各种类型的电极包括包含微量金属和电荷分 配层的结构化电极；变化的脱离平面尺寸的纹理电极；导电油脂，如碳润滑脂或银油脂；胶 态悬浮体；高纵横比的导电材料，如碳纤维和碳纳米管；以及离子传导材料的混合物。用于本发明中所述的电极的材料各种各样。适用于电极的材料可包括石墨、碳黑、 胶态悬浮体、包括金和银的薄金属、填银和填碳的胶体和聚合物、以及离子传导或电子传导 聚合物。可以理解，某些电极材料可能适用于某种特殊的聚合物，但对别的聚合物并不适用。例如，碳纤维适用于丙烯酸基弹性体聚合物，但对硅聚物并不适用。11示例性活性材料PRV、方法和应用转到本发明的结构配置，示出了可枢转地展开的主动气坝10(图I-IOa)的各个实 施例。图1是采用主动气坝10的车辆12的透视图，本发明的内部工件以虚线形式示出。气 坝10通常包括偏转器16，偏转器16联接到车辆12且可相对于车辆12在收起状况和展开 状况(比较图3和3a)之间枢转运动。因而，偏转器16和车辆12协作限定主枢转轴线ρ。在完全收起状况，偏转器16优选从视觉完全隐藏，最佳地见于图10a。当处于展开 状况时，偏转器16配置成阻塞在车辆12运动时车辆12下面的空气流(未示出)。这就是 说，偏转器16限定下边缘，且在优选实施例中，限定靠近下边缘的纵向突起远端唇缘18(图 3a)。唇缘18在展开状况下用作气动分离器；且在收起时用作上止挡件(图3，3a和12a)。在所示实施例中，偏转器16包括护罩构件20，护罩构件20优选具有大致不可渗 透表面和曲线形状(图3和5a)。在优选实施例中，其中，构件20限定处于展开状况的暴 露和隐藏部分20a，b，暴露部分20a可由更柔性材料制成，从而对冲击(图5a)作出弹性响 应，而隐藏部分20b保持刚性以提供结构支撑。偏转器16和车辆12优选限定导向器以促进无约束运动和稳定性。例如且如图 5a所示，其中，缓冲器14限定靠近构件20的导向器(或凹槽)22，构件20限定肋部24，肋 部24配置成在枢转期间在导向器22内滑动。因而，偏转器16通过肋部24和导向器22协 作地横向紧固。止挡件26设置在肋部24的顶部处，且用于限制构件20的向下移动(图 5a) ο构件20通过至少一个且优选为两个由枢转轴30 (图1和3)互连的枢转臂28可 枢转地连接到车辆12。枢转臂28优选具有横向枢转点，从而利于包装。最佳地见于图5a， 在正面图中，构件20具有由枢转臂28的长度得到的半径限定的圆弧，从而利于包装。还应 当理解的是，旋转角度和所需动量(力)均线性取决于半径。本发明的气坝10包括活性材料致动器32，活性材料致动器32包括在前文部分I 所述的活性材料。材料被驱动地联接到偏转器16，使得致动器32配置成在偏转器16上施 加第一力。由于变化(即，材料的激活或失活)，所述力使得偏转器16枢转至收起和展开 状况之一。致动器32优选包括偏压机构34，例如弹簧，偏压机构34也被驱动联接到偏转 器16。机构34配置成在偏转器16上施加第二力，所述第二力小于所述第一力且与所述第 一力相反，但是大于在所述变化颠倒时由致动器32施加到偏转器16上的力。例如，致动器 32和机构34可协作地配置成使得偏转器16在材料失活(图3a)时展开且在激活(图3) 时收起；或者在失活时收起且在激活时展开。可替代地，应当理解，重力可代替机构34，使 得偏转器16的重量使之选择性地展开。在所示实施例中，致动器32包括含有形状记忆材料(例如形状记忆合金或ΕΑΡ) 缆线(例如，金属丝、带、束或其它细长机构元件)36 ；然而，使用其它形状和配置的活性材 料元件当然在本发明的范围内，例如限定不同激活或失活模量的弹簧(未示出)，其中，所 述模量配置成分别存储和展开偏转器16，或者包括形状记忆材料的至少一个转矩管。缆线 36配置成可操作地执行且更具体地使得偏转器16在气坝10的预期使用寿命内在激活或失 活时移动。因而，应当理解的是，在可能经常导致展开时，例如在进行高速公路运动时，优选 选择合适规格的材料。在一个实施例中，分别具有170MPa和2. 5%的应力和应变值且激活电流在2. 5至12V之间和2安培的形状记忆合金金属丝是优选的。缆线36可示例性地限定线性竖直(图3)、水平(图9)、弓弦(图2)或缠绕(图 4)配置。例如，缆线36可在固定端部处附接到车辆12的车架，且在另一端部(图2和3) 通过结构紧固件38附接到一个枢转臂28。更优选地，紧固件38附接到横杆40，横杆40将 枢转臂28互连且从轴30隔开，如图2所示。优选紧固件38可具有配置成增加缆线36和 偏转器16之间的保持强度的夹具、压扁管或其它装置。紧固件38包括调节元件42，调节 元件42配置成改变紧固件38的高度，从而将偏转器16的位置调节为收起或展开状况。例 如，元件42可具有螺纹螺栓44，螺栓44具有能手动旋转旋纽46，在旋转时改变第一和第二 紧固件48、50(图3)之间的间距。在一个实施例中，且如图4所示，活性材料缆线36可围绕枢转轴30缠绕且连接到 枢转轴30。在该配置中，由于材料的激活或失活引起的缆线36的线性尺寸的变化通过枢 转轴30直接引起旋转运动，从而使得可刚性连接到轴30的偏转器16枢转。可替代地，且 如图4a所示，轴30可通过连接器(例如第二缆线52)联接到枢转臂28。缆线36相对于 轴线与护罩构件20相对地连接到臂28，从而形成杠杆。基于其距轴线的相对间距，优选在 构件20所经历的旋转运动和连接器和臂28之间的连接点方面提供机械优势。也在图4中 示出，第一和第二齿轮54、56可被使得选择性地接合卷轴58和枢转轴30，且取决于相对直 径，用于也提供机械优势(即，逐渐增加的力与位移，或者替代地位移与力)。如图5和9-lOa所示，致动器32还可包括至少一个且更优选多个带轮60，带轮60 接合并牵拉缆线36，从而依照包装问题改向缆线36内的力矢量。这就是说，至少一个带轮 60可以用于围绕障碍(未示出)导航，例如车下电路、结构或装置。例如，在图9中，第二带 轮60用于在用第一带轮60a纵向定向缆线36之后将矢量朝横向取向改向。在该配置中， 缆线36优选包括带轮接合部分62，带轮接合部分62由与形状记忆材料相比更耐用和/或 摩擦降低材料(例如钢或硬塑料)支撑。部分62可通过连接器(未示出)联接到形状记 忆材料。在图5和5a所示的实施例中，其中，护罩构件20限定上边缘和横向轨道64，缆线 36可在轨道64内牵拉且使得接合第一和第二横向带轮60a，b。每个带轮60配置成将缆线 36内的力矢量朝车辆12上的竖直固定点改向(图5)，从而提供用于收起的竖直力。替代 地，应当理解的是，缆线36可牵拉每个带轮60的上部四分之一，从而使得从其纵向延伸。 最后，优选设置密封元件66，例如使得气坝10和车辆12 (图5a)互相接合的弹性膜，以确保 保护致动器部件。为了将偏转器16保持在收起和展开状况之一，优选的气坝10还包括由偏转器16 和车辆12协作地限定的闩锁机构(即，闩锁)68。应当理解的是，一旦气坝10实现期望展 开或收起状况，闩锁68允许功率(例如，激活信号)中断，从而提供增加燃料经济性和车辆 范围的附加优势。替代地，应当理解，掣子(未示出)可取代闩锁68或者在闩锁68之外使 用，从而进一步将气坝10保持在展开或收起状况。掣子例如可以基于摩擦；或者在另一个 配置中，具有部分机械互锁，需要较高的力来使得一个或多个弹性元件变形，从而脱离机械 互锁。在图6中，机构68呈现圆珠笔式闩锁，包括联接到车辆12并从车辆12延伸的接 合销70和附接到偏转器16的轮廓表面72。这就是说，销70和表面72协作地配置使得表面72被致使在第一向上运动期间接合销70 ；表面72配置成使得由于第一运动，销通过已 经引起悬置销70的第一表面区域74竖直紧固；且在随后向上运动期间(例如，通过进一步 激活材料引起)，销70接合表面72的第二区域76，这使得销70摆动到这样的位置其中再 次允许偏转器16引起的竖直运动。替代地，图7和7a示出了主动气坝10，包括处于接合和脱离状况的复合齿轮和摆 臂闩锁机构68。更具体地，在该配置中，机构68包括上部和下部齿轮78、80以及可旋转地 连接到车辆12的摆臂82。下部齿轮80同心对齐枢转轴30且被固定地附接到枢转轴30， 从而随枢转轴30 —起旋转。上部齿轮78具有复合配置，包括小齿轮84和外部盘86，外部 盘86具有整体地附接到其上的接合销88。齿轮78、80的可操作直径协作地配置成增加销 88相对于枢转轴30的旋转角度。更具体地，销88优选被致使进行完整的旋转，从而以一个 方向选择性地接合臂82。摆臂82具有协作地限定凹部的第一和第二叉90、92。臂82优选通过重量(例如， 将臂82的枢转轴线相对于销88的接合位置偏心定位)或者通过扭簧94以顺时针方向偏 压。在偏转器16收起时，使得销88以逆时针方向旋转。一旦锁定在接合状况(图9)，销88 就不能以相反方向旋转，甚至在致动器32去激励时也是如此。当偏转器16保持闩锁在期 望状况时，允许装置(例如，传动系内的滑动离合器(未示出))允许致动器32重新设定。 气坝10于是通过释放闩锁68展开，例如通过使得闩锁68轴向移动大于销高度的距离。一 旦重新设定和展开，致动器32能够再次使得偏转器16收起，销88以逆时针方向旋转，直到 再次接合臂82。第二叉92设直用于限制偏转器16跳到期望收起状况的能力。在图8所示的替代闩锁配置中，气坝10包括棘爪96和棘轮98。在该配置中，棘轮 98限定至少一个且更优选多个齿，齿与主轴线ρ同心对齐。棘爪96朝接合棘轮98偏压，从 而选择性地接合齿并防止棘轮98以一个方向旋转。例如，扭簧100可联接到棘爪96且配 置成将棘爪96朝接合棘轮98偏压，如图8所示。应当理解的是，在该配置中，闩锁68具有 导致各种展开程度的多个中间调节位置。在该配置中，机构68包括分离致动器102，分离致动器102可操作使得棘爪78选 择性地从棘轮98分离，从而允许以所述一个方向旋转。更具体地，且类似于主致动器32， 分离致动器102也利用活性材料激活的益处和优势。例如，致动器102可由固定联接到车 辆12和棘爪96的形状记忆金属丝构成。金属丝102具有大于弹簧100的弹性模量的致动 力，从而使得机构68在被激活时分离和释放偏转器16。替代地，应当理解的是，致动器102 和弹簧100的作用可以颠倒；其中，致动器102配置成在激活时使得棘爪96接合棘轮98， 且偏压弹簧100具有小于致动力的弹性模量，从而配置成仅在致动器102去激励时使得棘 爪96分离和释放棘轮98。应当理解的是，靠近机构68的枢转轴导致对密封的需求减少。最后，优选气坝10包括负载限制保护器104，负载限制保护器104提供应变/应力 释放能力，从而增加致动器32的寿命(和/或降低第二致动器102的需要)。在这方面，应 当理解的是，当活性材料经历转变但是被防止经历得到的物理变化(例如，将伸展SMA金属 丝加热至高于其转变温度但是不允许金属丝逆变至其无应力状态)时，可能发生对材料性 能和/或寿命的有害影响。在本发明中，例如，可预见偏转器16可在致动时被限制移动，通 过外来物体或者另一形式的障碍物(例如，变形的车身面板阻止运动或冰/泥浆积聚)。 因而，为了防止损坏致动器32，优选包括促发运动的第二输出路径，从而允许材料在偏转器16的状况保持不变时对激活信号作出响应。在图9-lOa中，保护器104由代替横杆40的中间定位螺丝扣表示。螺丝扣104包 括限定从主轴线P隔开的枢转节点Iio的第一和第二臂部分106、108。节点110朝正常状 况偏压，如图所示。例如，扭簧112可联接到接头110和远端连接件，从而螺丝扣104是可 抵抗地重构的。致动器32在接头110处接合螺丝扣104，且相对于偏转器16的重量进行 配制，从而使得部分106、108仅在偏转器16被阻止运动时枢转。图10示出了释放螺丝扣 104(以虚线形式)的动作的应力。在操作中，气坝10的选择性展开可通过控制器114实现，控制器114通信地联接 到激活信号源116 (例如车辆12的充电系统或其它功率源)以及至少一个传感器和/或输 入装置118 (图1)。控制器114可预先编程以基于车辆的传感输入或外部状况使得源116 传递激活信号。例如，可由传感器118监测车辆速度和偏航率以指示预定车辆状况(例如， 在直线上大于50mph的速度且在曲线上35mph)，其中，展开气坝10是期望的。因而，其它传 感器输入可包括来自于具有地图数据库(图1)的GPS (或其它定位系统)120的远程处理 信息，以确定路外、所在地或高速导航/定位，且还包括确定4轮驱动的致动，检测障碍或迫 近的碰撞事件，和确定(例如，通过传感或通信技术)预定气候状况。替代地，传感器118 可将致动器32和源16直接互连，且配置成仅在检测到所述状况时使得源116产生和传输 信号。本发明公开的范围是包括式的，并可以相互组合(如，范围“高达约25wt%或更具 体地约5wt%至约20wt% ”包括端点值和范围约5wt%至约25wt%之间的所有中间值)。“组 合物”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等等。此外，短语“第一”、“第二”等等在此并不 代表任何顺序，数量或重要性，只是用来相互区分，本文的数字“一”也并不代表对数量的限 制，而是代表所述对象具有至少一个。修饰词“约”在与数字连用时包括所述数值以及依环 境而定的含义(如，包括与特定数值测量相关的误差程度)。本文使用的后缀“(多个)”旨 在包括其修饰的对象可以是单数和复数，因此包括一个或多个该物品(如着色剂(多个) 包括一个或多个着色剂)。说明书中的“一个实施例”、“另一实施例”、“一实施例”等，意味 实施例中此特定的内容(如，特征，结构和/或特性)可以应用于此处至少一个的实施例， 也可以或者可以不存在于其它实施例中。另外，应当理解的是，所述内容可以以任何合适的 方式在不同的实施例中进行组合。本领域技术人员能够根据本发明公开的内容可想到合适的算法、程序以及传感器 输入。本发明已经参考示例性实施例进行描述；本领域技术人员应当理解，在不偏离本发明 的范围的情况下可以作出不同变化且等价物可替换其中部件。另外，为使得本发明的教导 适应特定的情况或材料而作出的许多变形均不能认为其偏离本发明的实质范围。因此，本 发明的内容不仅限于作为实现本发明最佳方式公开的优选实施例，本发明将包括落在权利 要求书范围内的所有实施例。
权利要求
一种适合用于车辆的主动气坝，所述气坝包括联接到车辆并可相对于车辆可枢转运动的偏转器，从而限定枢转轴线并实现收起和展开状况，其中，在处于展开状况时，所述偏转器配置成阻塞车辆运动时车辆下面的空气流；和活性材料致动器，所述活性材料致动器包括可操作在暴露于激活信号时经受至少一种基本属性的变化的活性材料，且被驱动联接到所述偏转器，使得所述致动器配置成由于所述变化在所述偏转器上施加第一力，所述第一力使得所述偏转器枢转至收起和展开状况中的一种状况。
2.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述材料选自基本包括以下材料的组形状记 忆合金、铁磁形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电材料、电活性聚合物、磁流变流体和弹性 体、电流变流体及其复合物。
3.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述致动器包括偏压弹簧，所述偏压弹簧被驱动 地联接到所述偏转器，且配置成在偏转器上施加第二力，所述第二力小于第一力且与第一 力相反，所述材料和弹簧协作地配置，使得偏转器在材料未暴露于信号时偏转器移动至所 述收起和展开状况中的另一种状况。
4.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述偏转器限定下边缘、靠近所述边缘的远端唇 缘以及止挡件，所述远端唇缘配置成在所述偏转器处于展开状况时用作大致平行于空气流 纵向定向的分离器，在偏转器处于收起状况时，所述止挡件与车辆接合。
5.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述致动器包括金属丝，所述金属丝包含形状记 忆材料且具有弓弦状配置。
6.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述致动器包括含有形状记忆材料的金属丝，所 述金属丝围绕轴线缠绕且连接到所述轴线，从而配置成使得偏转器在收起状况和展开状况 之间枢转。
7.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述致动器和偏转器协作地用作负载限制器，所 述负载限制器配置成在偏转器被阻止围绕轴线枢转时释放材料中的应变。
8.根据权利要求7所述的气坝，其中，所述偏转器包括至少一个枢转臂，所述枢转臂包 括限定从所述轴线隔开的枢转接头的第一和第二臂部分，从而用作螺丝扣，所述接头朝正 常状况偏压，所述致动器在所述接头处接合臂，且配置成仅在偏转器被阻止围绕轴线枢转 时使得所述部分相对枢转。
9.根据权利要求1所述的气坝，其中，所述偏转器包括限定轴线的至少一个枢转臂， 所述致动器包括附接到车辆的缆线和将臂和缆线互连的结构紧固件，所述臂被致使向上枢 转，从而通过在缆线中产生力矢量而使得偏转器移动至收起状况。
10.根据权利要求9所述的气坝，其中，所述缆线包括所述材料。
11.根据权利要求9所述的气坝，其中，所述致动器还包括相对于车辆和缆线紧固的至 少一个带轮，所述带轮配置成牵拉缆线，从而改变矢量的方向。
12.根据权利要求11所述的气坝，其中，偏转器限定上边缘和靠近所述边缘的横向轨 道，所述缆线在所述轨道内横向延伸且由第一和第二带轮牵拉，从而呈现靠近车辆的竖直 部分。
13.根据权利要求9所述的气坝，其中，所述紧固件包括调节元件，所述元件配置成改变紧固件的高度，从而调节偏转器的位置处于收起或展开状况。
14.根据权利要求9所述的气坝，其中，所述偏转器和车辆协作地限定掣子或闩锁机 构，所述掣子或闩锁机构配置成在材料不暴露于信号时将偏转器保持在所述收起状况和展 开状况中的一种状况。
15.根据权利要求14所述的气坝，其中，所述机构具有笔式闩锁，所述笔式闩锁包括联 接到车辆并从车辆延伸的接合销和附接到偏转器的轮廓表面，所述销和表面协作地配置使 得在第一向上偏转器运动期间所述表面接合所述销，从而销由所述表面的第一区域竖直紧 固，且在第二随后向上运动期间使得销接合所述表面的第二区域，其中，偏转器能够竖直运 动。
16.根据权利要求14所述的气坝，其中，所述偏转器限定枢转轴线，所述机构包括复合 齿轮系统和摆臂，所述复合齿轮系统包括接合销且配置成增加销相对于枢转轴线的旋转角 度，所述摆臂配置成选择性地接合所述销，从而防止在接合位置以一个方向旋转。
17.根据权利要求14所述的气坝，其中，所述偏转器限定枢转轴线，所述机构包括与所 述轴线同心对齐的棘爪和棘轮，所述棘爪朝着接合棘轮偏压，从而防止以一个方向旋转，且 所述机构包括分离致动器，所述分离致动器配置成使得棘爪选择性地分离棘轮，从而允许 以所述一个方向旋转。
18.根据权利要求17所述的气坝，其中，所述分离致动器包括活性材料元件。
19.一种车辆，所述车辆包括可枢转展开的主动气坝，所述车辆包括结构车架；可操作检测车辆或外部状况的传感器；联接到车架并可相对于车架枢转运动的偏转器，从而实现收起和展开状况，其中，在处 于展开状况时，所述偏转器配置成阻塞车辆运动时车辆下面的空气流；活性材料致动器，所述活性材料致动器包括可操作在暴露于激活信号时经受至少一种 基本属性的变化的活性材料，且被驱动联接到所述偏转器，使得所述致动器配置成由于所 述变化在所述偏转器上施加第一力，所述第一力使得所述偏转器运动至收起和展开状况中 的一种状况；和可操作产生信号的源，使得所述材料暴露于所述信号，所述传感器在中间并通信联接到致动器和源，且配置成仅在检测到所述状况时选择性 地使得所述源产生和传输信号。
20.根据权利要求19所述的车辆，其中，所述状况选自基本包括以下状况的组车辆速 度、4轮驱动的致动、路外定位、检测到障碍物或迫近的碰撞事件、以及预定气候状况。
全文摘要
本发明涉及使用活性材料激活的可枢转地展开的气坝。适合用于车辆的主动气坝，包括可相对于车辆枢转运动的偏转器，从而实现收起和展开状况，其中在处于展开状况时，所述偏转器配置成阻塞车辆下面的空气流，所述气坝还包括活性材料致动器，其中，所述致动器包括被驱动联接到所述偏转器的活性材料，且配置成由于激活所述材料导致所述偏转器枢转至收起和展开状况中的一种状况，车辆优选配置成当检测到预定的车辆或外部状况时使致动器枢转偏转器。
文档编号B62D37/02GK101947980SQ20091025902
公开日2011年1月19日 申请日期2009年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者A·L·布朗, J·H·布朗, K·B·罗伯, N·L·约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作公司;合金力学公司