使用活性材料致动的方向盘释放/冲击的制作方法

专利名称：使用活性材料致动的方向盘释放/冲击的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方向盘冲击系统，并且更具体地，涉及使用了活性材料致动的方向盘冲击系统和能量吸收方法。
背景技术：
为了降低碰撞事件期间伤害到驾驶员的风险，传统的转向柱经常以能量吸收元件作为特征，例如，可破坏的转向轴，以及破裂式的安装特征。更具体地，这些特征使得转向柱 能够面对由驾驶员所施加的冲击，这就是众所周知的“方向盘冲击”。然而，在增加安全性的 同时，这些特征通常具有通用的容差，其中能量吸收率保持恒定而不考虑事件或者驾驶员 的特性。更进一步的考虑在于，这些系统提供的典型的不可逆的剪切和变形导致了一次性 使用，其在使用后必须修理和/或替换零部件。已经开发了一种能量吸收系统，其中可变阻尼器被从外部耦接到柱并且由气囊展 开来驱动，然而该系统还存在需要考虑的地方。例如，外部结构的添加在通常由转向柱提供 的紧密间隔内产生了封装上挑战。而且，关于驾驶员的安全要认识到的是，冲击的最优化发 生在典型气囊展开结束附近或者是在其展开之后，而不是在其展开的开始时。

发明内容
本发明提供了一种方向盘冲击系统和能量吸收方法，其使用了活性材料致动从而 基于和驾驶员人体测量学及撞击事件的具体本质有关的传感器的输入使冲击力和转向柱 的能量吸收能力相合适，其中撞击事件的具体本质包括诸如车辆减速度、车辆速度、驾驶员 是否系安全带、气囊是否展开等因素。系统还用来提供可容易地进行重新设置的冲击系统， 该系统在使用后不要求修理和/或更换零部件。本发明的第一方面涉及适于与机动车辆和驾驶员共同使用的，并且具有选择性能 量吸收能力的转向柱。该柱包括配置成用于在碰撞事件期间传递由驾驶员产生的冲击力的 结构构件。能量吸收元件连通地耦接到该构件从而接收来自其的力。该元件至少部分地由 活性材料形成，该活性材料当暴露于活化信号时，可以在第一相和第二相之间变化。在事件 期间，元件由于所述力从而导致变形，并因此在第一相中以第一能量吸收率吸收来自该力 的能量，并且在第二相中以第二能量吸收率吸收来自该力的能量。本发明的第二方面涉及在碰撞事件期间使用活性材料致动来实现方向盘冲击的 方法。该方法包括相对于方向盘将转向柱固定在固定位置中的步骤，从而使得在事件期间 转向柱和方向盘承受冲击力，并且协作地提供第一能量吸收率。柱至少部分地由具有第一 相的活性材料形成。该方法包括预测地或者实际地确定事件的发生，然后当事件被确定时， 将材料暴露于活化信号从而导致材料转变到第二相，其中能量吸收率作为该相变化的结果 而改变。本发明还提供了以下的解决方案方案1 一种适于与机动车辆一起使用并且具有选择性能量吸收能力的转向柱，所述柱包括结构构件，其配置成在碰撞事件期间传递所产生的冲击力；能量吸收元件，其连通地耦接到所述构件并且与所述构件同心地对齐，从而接收 来自所述构件的力，所述能量吸收元件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料当暴露 于活化信号时，能够在第一相和第二相之间变化；所述元件和力被协作地配置，从而使得所述元件由于所述力而导致变形，并因此 在所述第一相中以第一能量吸收量值吸收来自所述力的能量，以及在所述第二相中以第二 能量吸收量值吸收来自所述力的能量。方案2 如方案1所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以便预测即将发生的碰撞事件，并且当所述事件被预 测到时，导致产生所述信号。方案3 如方案1所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以便检测与实际事件相关联的力、位移或者加速度，并 且当所述事件被检测到，导致产生所述信号。方案4 如方案1所述的柱，其中，所述材料选自基本上由下列所构成的组形状记 忆合金、形状记忆聚合物、电活性聚合物、磁流变复合物、电流变复合物、和压电材料。方案5 如方案1所述的柱，其中，所述元件配置成从多个可调节的能量吸收量值 中提供选定的冲击量值。方案6 如方案5所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以确定碰撞事件；和控制器，其通信耦接到所述传感器和元件；所述传感器和控制器协作地配置成确定所述事件的严重程度，并且当所述事件被 确定时，导致产生所述信号；所述量值与所述事件的严重程度相关。方案7 如方案6所述的柱，其中，所述控制器配置成接收所述事件的严重程度，所 述事件的严重程度基于所述车辆的质量、当前的速度、挤压力、碰到的物体的性质、座椅安 全带的使用、气囊的展开、座椅的前-后位置、和躯干接近方向盘的程度被确定。方案8 如方案5所述的柱，进一步包括控制器，其通信耦接到所述元件，并且配置成接收与所述驾驶员的人体测量特性 相关的输入；所述控制器配置成当所述事件被确定时导致产生所述信号；所述量值与所述输入相关。方案9 如方案5所述的柱，进一步包括控制器，其通信耦接到所述元件，并且配置成接收与所述车辆的预期碰撞脉冲相关的输入；所述控制器配置成当所述事件被确定时导致产生所述信号；所述量值与所述输入相关。方案10 —种使用活性材料致动在碰撞事件期间影响方向盘冲击的方法，所述方法包括下面的步骤
a)相对于方向盘将转向柱固定在固定位置中，其中所述柱包括活性材料，所述活 性材料具有第一相，并且具有第一能量吸收率；b)确定所述事件的发生；C)当所述事件被确定时，将所述材料暴露于活化信号从而导致所述材料向第二相 变化，并且因此，作为所述变化的结果将能量吸收量值修改到大于所述第一能量吸收量值 的第二能量吸收量值；和d)在所述事件期间，通过所述柱和方向盘承受冲击力，并且以所述第二量值吸收 来自所述冲击力的能量。方案11 如方案10所述的方法，其中，步骤C)进一步包括步骤当所述材料变化 到所述第二相时改变所述材料的刚度或者模量，并且作为所述改变的结果从而改变所述量值。方案12 如方案11所述的方法，其中，所述柱进一步包括伸缩的第一部分和第二 部分，所述部分的相邻表面具有由所述材料构成的可破坏的表面凸块，当所述部分伸缩时， 导致所述凸块相互接合，并且当所述材料处于相对于所述第一相的第二相中时，所述凸块 更容易被破坏。方案13 如方案10所述的方法，其中，所述柱进一步包括一个或者多个机械互锁 装置，并且步骤c)进一步包括步骤当所述材料变化到所述第二相时，导致所述互锁装置 的位移，从而使所述互锁装置释放或接合。方案14 如方案10所述的方法，其中，步骤c)进一步包括步骤当处于所述第二 相中时，增加所述材料的可恢复的假塑性应变能力，并且作为其结果改变所述能量吸收率。方案15 如方案10所述的方法，其中，步骤c)进一步包括步骤当处于所述第二 相中时，增加所述材料的可恢复的超弹性应变能力，并且作为其结果改变所述量值。方案16 如方案10所述的方法，其中，步骤C)进一步包括步骤当处于所述第二 相中时，增加所述材料的剪切强度，并且作为其结果改变所述量值。方案17 如方案16所述的方法，其中，所述柱进一步包括伸缩的第一部分和第二 部分，所述部分协作地限定有内部空间，并且磁约束(magneto-restrictive)流体或者电 约束(electro-restrictive)流体被容纳于所述空间中，使得当所述部分伸缩时，取决于 所施加的场的量值所述部分会遭遇不同的约束力。方案18 如方案10所述的方法，其中，所述柱进一步包括两个相对运动的部分，并 且步骤c)进一步包括步骤作为使所述材料变化到所述第二相的结果，增加所述部分之间 的夹紧力或者摩擦力，并且作为增加所述夹紧力或者摩擦力的结果改变所述量值。方案19 如方案10所述的方法，其中，所述柱通过阀被流体地耦接到气动系统或 者液压系统，并且步骤c)进一步包括步骤作为使所述材料变化到所述第二相的结果来操 纵所述阀，并且作为操纵所述阀的结果来改变所述量值。方案20 —种适于与转向柱一起使用并且具有选择性能量吸收能力的能量吸收元件，其中所述元件包括可纵向连接到所述柱的至少一部分的柱接合部分，以便接收来自 其的力，并且所述能量吸收元件至少部分由活性材料形成，所述活性材料当暴露于活化信 号时能够在第一相和第二相之间变化，并且所述能量吸收元件配置成由于所述力从而导致 变形，并且因此，当所述材料处于所述第一相中时以所述第一能量吸收率吸收来自所述力的能量，而当所述材料处于所述第二相中时以所述第二能量吸收率吸收来自所述力的能量。因此，本领域技术人员可以认识到，相比于传统的冲击系统，本发明具有很多优点。从下面对一个或多个优选实施例的描述和附图，包括了使用形状记忆合金、形状记忆聚 合物、磁流变和电流变复合物、压电材料、伸缩部分和其它构造的能量吸收元件的示例性实 施例的本发明的其它方面和优点将变得明显。


参考下面的附图，将详细描述本发明的一个或多个优选实施例，附图中图1是根据本发明优选实施例的具有创新性能量吸收元件的转向柱的透视图；图2是包括能量吸收元件的第一实施例的柱段的侧视图，其中形状记忆的可破坏 壁将柱轴的分叉部分相互连接；图3是包括能量吸收元件的第二实施例的柱段的侧视图，其中该柱包括伸缩的第 一部分和第二部分，并且多个形状记忆凸块与这些部分的相邻表面对齐并相互接合；图4是包括能量吸收元件的第三实施例的柱段的侧视图，其中该柱包括伸缩式 的第一部分和第二部分，并且互锁销可释放地耦接到形状记忆线，并且该销使这些部分接 合；图4a是包括能量吸收元件的替代性第三实施例的柱段的局部视图，其中该互锁 销耦接到形状记忆弹簧；图5是包括能量吸收元件的第四实施例的柱段的透视图，其中该元件包括通过多 个斜杆相互连接的第一盘和第二盘；图6是包括能量吸收元件的第五实施例的柱段的侧视图，其中该柱包括协作地限 定内部空间的第一和第二伸缩部分，并且该元件包括容纳于该空间内的磁约束流体或电约 束流体；图7是包括能量吸收元件的第六实施例的柱段的侧视图，其中该柱包括伸缩式的 第一部分和第二部分，并且包括多个压电元件，所述多个压电元件与这些部分的相邻表面 对齐并相互接合；图8是包括能量吸收元件的第七实施例的柱段的侧视图，其中该柱包括协作地限 定内部空间的第一和第二伸缩部分，并且该元件包括与该空间连通的外部气动系统或者液 压系统，并且还具有活性材料致动的阀。
具体实施例方式本发明涉及一种适于与转向柱12(图1) 一起使用的能量吸收系统10，例如，通常 包括机动车(未示出)的类型。总体上，创造性的系统10使用了活性材料所具有的独特性 质的能力，以在碰撞事件过程中影响方向盘冲击/释放和/或冲击力。因此，要认识到的 是，相比于传统的冲击系统，驾驶员(也未示出)经历的冲击力和能量吸收通常更贴合碰撞 事件的特定本质。更优选地，系统10提供选择性可调节的事件和/或驾驶员的具体解决方 案。针对本发明的目的，要认识到的是柱12包括至少一个结构构件14，其配置成在碰撞事件期间传递冲击力，该冲击力通常在由于车辆的突然减速引起驾驶员直接或者通过驾 驶员安全气囊对方向盘加载时产生。如图1所示，构件14可以是转向轴或者其部件，或者 是柱12的另一部分的部件，诸如支架或者套筒组件。系统10包括能量吸收元件16，其连通地耦接到构件14并且配置成在事件期间接 收来自其的力。创造性的元件16至少部分由活性材料形成，所述活性材料当暴露于活化信 号时，可以在第一相和第二相之间改变。元件16配置成使得其由于力而变形，并由此在第 一相中时以第一能量吸收率吸收来自该力的能量，并且在第二相中时以第二能量吸收率吸 收来自该力的能量，其中所述能量吸收率优选地表现出至少10% (更优选地25%，并且最 优选地100% )的相对差值。这样，系统10还包括活化源18 (图2)，其设置成产生活化信号并且将活化信号 传递到材料。正如本领域技术人员可以认识到的那样，活化信号基于所采用的活性材料的 特定性质可以是热的、磁的、电的、化学的、和/或其它类似的活化信号或者活化信号的组 合。在车辆设置中，源18包括车辆的充电系统，其可控制地通过导电的引线20耦接到元件 16 (图2)，或者替代性地通过无线连通。源活化可以是直接的或者间接的。可以认识到，直接活化可以产生于来自车辆的 发动机或者来自使驾驶员安全气囊膨胀所使用的烟火的热副产品。关于间接活化，引线20 优选地接合元件16，以便通过材料的电阻输送电流(图2)，这又产生了热活化信号。该活 化可以通过碰撞本身或者指示碰撞发生可能性增加的传感器输入触发。特别是对于后者， 其中碰撞虽然没有发生，然而信号一旦中断，则可以优选地通过使材料回复到原始状态来 使系统重新设置；或者对于当发生活化信号中断时不自动回复的活性材料种类，则可以采 用替代性方式使活性材料回复到原始状态。I活性材料的详述和使用如这里使用的，术语“活性材料”应当被给予如本领域技术人员所理解那样的常规 理解，并且包括当暴露于外部信号源时，在基本性质(如，化学性质、固有的物理性质)上能 实现可逆转变的任何材料或复合物。因此，活性材料应当包括那些响应活化信号，从而能够 在刚度性质、形状和/或尺寸产生改变的复合物或材料，其中根据材料的不同，对于不同的 活性材料，活化信号可以采用电的、磁的、热的以及其它类似的场类型。用于与本发明一起使用的优选活性材料包括但不限于，形状记忆材料种类、其在 组合、以及模量或者剪切强度上具有可逆改变的材料。形状记忆材料通常是指具有记忆其 原始的至少一个属性(例如，形状)的能力的材料或者复合物，该属性能够随后通过外界激 励作用而重新恢复，如本文所详细描述的那样。这样，从原始形状的变形只是一个暂时的状 态。通过这种方式，形状记忆材料可以响应于活化信号从而变成所训练的形状。示例性的 形状记忆材料包括形状记忆合金(SMA)，形状记忆聚合物(SMP)，电活性聚合物(EAP)，铁磁 形状记忆合金，电流变流体(ER)，磁流变流体(MR)，电介质弹性体，离子聚合物金属复合物 (IPMC)，压电聚合物，压电陶瓷，以及上述材料及其类似物的各种组合。形状记忆合金(SMA’ S) —般被认为是一组金属材料，其确证具有在经受合适的温度激励后恢复某些之前限定的形状或尺寸的能力。形状记忆合金能经历相变，其中它们的 屈服强度、刚度、尺寸和/或形状作为温度的函数改变。术语“屈服强度”指的是使材料显示 出距离应力和应变的比例以规定偏差时的应力。一般来说，在低温时，或在马氏体相阶段，形状记忆合金能够发生塑性变形，并且在暴露于较高的温度其将转变成奥氏体相，或母相， 并回到其变形前的形状。只有在加热时才呈现此形状记忆效果的材料称为具有单向形状记 忆。那些在再冷却时还呈现形状记忆的材料称为具有双向形状记忆行为。形状记忆合金存在几个取决于温度的不同的相。这些相中最常用到的就是前面提 到的所谓的马氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般被认为是更易发生变形 的低温相，而奥氏体相则是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其 开始转变成奥氏体相。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阶段并被冷 却，其开始转变成马氏体相，这种现象开始发生时的温度通常称为马氏体起始温度(Ms)。这 种奥氏体转变成马氏体现象完成时的温度则称为马氏体完成温度(Mf)。一般来说，形状记 忆合金在其马氏体相中时更软且更容易发生变形，而在其奥氏体相中时则更硬、更有刚性 和/或更刚硬。由上可知，用于与形状记忆合金一起使用的合适的活化信号是热活化信号， 其具有引起在马氏体和奥氏体之间转变的量值。形状记忆合金取决于合金成分和加工历史具有单向形状记忆功效，固有的双向形 状记忆功效，或非固有的双向形状记忆功效。退火处理的形状记忆合金通常只具有单向形 状记忆功效。在低温变形后对形状记忆合金进行充分加热将导致马氏体向奥氏体的转变， 并且材料将恢复到原始的退火后的形状。因此，单向形状记忆功效只能在加热时被观察到。 包括了具有单向形状记忆功效的形状记忆合金的活性材料无法自动重组，从而可能需要外 部的机械作用力来重组其之前适于空气流控制的形状。固有的和非固有的双向形状记忆材料的特征在于，既可以通过加热使马氏体相转 变为奥氏体相从而改变形状，同时也可以通过冷却从奥氏体相逆向相变为马氏体相从而实 现额外的形状转变。具有固有形状记忆功效的活性材料是由会使该活性材料由于上述提及 的相变而将其自动重组的形状记忆合金成分制造成。固有的双向形状记忆行为必需通过加 工处理引入到形状记忆材料中。这样的过程包括在马氏体相中的同时使材料极端变形，在 约束和负载条件下的加热冷却处理，或者诸如激光退火、抛光或喷丸加工等表面改良。一旦 材料已经被训练从而具有了双向形状记忆功效，那么这种高温和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。反之，具有非固有的双向形状 记忆功效的活性材料是将具有单向记忆功效的形状记忆合金成分与另一种提供了回复力 以重组成其原始形状的元件组合而成的复合物或者多组分材料。当加热时，形状记忆合金被加热到某一温度时会记住其高温形式，该温度可以通 过对合金成分进行一些细微改变以及通过热处理过程来进行调整。例如，在镍钛形状记忆 合金中，上述温度可以从约100°C以上变化至约-100°c以下。形状恢复过程只在几度的范 围内发生，而且根据所期望的应用以及合金的成分，可以将该转变过程的开始和结束控制 在1或2度范围内。在形状记忆合金发生转变前后的温度范围里，其机械性能会发生巨大 的变化，从而典型地提供了具有形状记忆功效、超弹性功效和高阻尼能力的的空气流控制
直ο合适的形状记忆合金材料包括但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合 金、镍镓基合金、铜基合金(例如，铜锌合金、铜铝合金、含铜黄金和铜锡合金)、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、铁钼基合金、铁钯基合金及其它类似物。这些合金可以是二元的、三元的或其它任何更高元的，只要合金成分具有形状记忆功 效(例如，形状取向中的变化、阻尼能力和类似性质)即可。形状记忆聚合物(SMP’ S)在本领域是已知的，一般被认为是一组聚合材料，其确 证具有在经受合适的热活化后恢复到某些之前限定的形状的能力。形状记忆聚合物能经历 相变，其中它们的形状作为温度的函数改变。通常，SMP’ s具有两个主段，硬段和软段。通过 以高于最高热转换温度时的温度熔化或者加工聚合物，随后在热转变温度以下进行冷却， 可以设定先前限定的或者永久的形状。最高的热转变通常是硬段的玻璃态转变温度(Tg)或 者熔点。通过加热材料到高于软段的Tg或者转变温度的温度，但是低于硬段的Tg或者转变 温度的温度，可以设定暂时形状。在以软段的转变温度对材料进行处理的同时设定暂时形 状，然后通过冷却来固定形状。通过将材料加热到高于软段的转变温度，该材料可以逆变回 到其永久形状。在优选实施例中，活性材料的永久形状是基本上限定了第一长度的伸直形状，而 活性材料的暂时形状是限定了小于第一长度的第二长度的类似的形状。在另一实施例中， 形状记忆聚合物具有弹性，当活化时具有第一弹性模量，当去活化时具有第二模量。永久形状恢复所需要的温度可以设定为在约_63°C至约120°C或更高温度之间的 任一温度。对聚合物自身的结构或成分进行工程处理，允许关于期望的应用考虑特定温度 的选择。用于形状恢复的优选温度是高于或等于大约_30°C的温度，更优选的是高于或者等 于大约0°C的温度，且最优选的是高于或者等于大约50°C的温度。同样地，用于形状恢复的 优选温度是低于或者等于大约120°C，并且最优选的是低于或者等于大约120°C并且高于 或者等于大约80°C。合适的形状记忆聚合物包括热塑性塑料、热固塑料、互穿网、半互穿网、或者混合 网。聚合物可以是单独的聚合物或者混合的聚合物。聚合物可以是具有侧链或者树枝状结 构元件的线形的或者分支的热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的合适的聚合物的组分包 括但不限于聚磷腈，聚(乙烯醇)，聚酰胺，聚酯酰胺，聚(氨基酸)，聚酸酐，聚碳酸酯，聚 丙烯酸酯，聚亚烷基(polyalkylenes)，聚丙烯酰胺，聚(亚烷基)二醇，聚烯化氧，聚(亚烷 基)对苯二甲酸盐，聚原酸酯(polyortho esters)，聚乙烯醚，聚乙烯酯，乙烯聚合物卤化 物，聚酯，聚交酯，聚乙交酯，聚硅氧烷，聚亚安酯，聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯、和及其共聚物。 合适的聚丙烯酸酯的例子包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙 烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸异丁酯)、聚(甲基丙烯酸正己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)， 聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(甲基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、 聚(丙烯酸异丁酯)、以及聚(丙烯酸十八酯)。其它合适的聚合物的例子还包括聚苯乙 烯、聚丙烯、聚苯酚乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚氯丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯醋酸乙 烯酯、聚乙烯、聚(环氧乙烷)_聚(对苯二甲酸亚乙酯)，聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)，聚 己酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)，聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-η-丙烯酸丁酯，聚(降莰 基-多面体低聚物石夕酸盐)(poly (norbornyl-polyhedral oligomeric silsequioxane))、 聚氯乙烯、聚氨酯/ 丁二烯共聚物、聚亚安酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共 聚物和类似共聚物。活性材料还包括电活性聚合物，例如，离子聚合物金属复合物、导电聚合物、压电材料和类似材料。在这里，术语“压电”用来描述当施加电压电势时，会发生机械变形的材料，或者相逆地，当机械变形时产生电荷的材料。电活性聚合物包括响应于电场或者机械场具有压电、热电或者电致伸缩性质的聚合材料。这些材料通常采用顺应的电极，该电极使得聚合物膜能够响应于所施加的电场或 者机械应力在平面方向中扩展或者收缩。电导伸缩-接枝弹性体的例子是采用了压电的聚 (偏二氟乙烯_三氟醚_乙烯)共聚物。该组合具有产生变化量的铁电_电致伸缩的分子 复合物系统的能力。这些可以作为压电传感器或者甚至电致伸缩致动器操作。作为电活性共聚物使用的合适的材料可以包括任何基本上绝缘的聚合物或橡胶 (或它们的组合)，它们响应于静电力发生变形，或者其变形导致电场的变化。适于用作 预应变聚合物的示例性材料包括硅弹性体，丙烯酸酯弹性体，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、包含硅和丙烯酸半族(moieties)的聚合物、及其 类似物。例如，包含硅和丙烯酸半族的聚合物可以有包含硅和丙烯酸半族的共聚物，包含硅 弹性体和丙烯酸酯弹性体的共混聚合物。用作电活性聚合物的材料可以基于一个或多个材料属性来选择，这些材料属性例 如高的电击穿强度，低的弹性模量(用于大或小的变形)，高的介电常数，以及类似的属 性。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 聚合物使得其最大致动压强在约0. 05MPa和约IOMPa之间，优选在约0. 3MPa和约3MPa之 间。在另一实施例中，选择聚合物使得其介电常数在大约2和大约20之间，并且优选地在 大约2.5和大约12之间。本发明并不是意图被限制在这些范围。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，那么其介电常数比上述给出的范围更高的材料将是所 期望的。在许多情况下，电活性聚合物会制作和实施成薄膜。这些薄膜的厚度在50微米以 下较为合适。由于电活性聚合物在高应变下会发生偏转，所以附接到该聚合物的电极也会偏 转，而不会损伤其机械和电性能。一般来说，适于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。电压可以是 常量，或者可以随时间变化。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 的电极优选地与聚合物的变形是顺应且一致的。相应地，本发明可以包括顺应性电极，其可 以与所附接的电活性聚合物的形状一致。电极可能仅应用于电活性聚合物的一部分，并由 其几何形状限定活性区域。适于与本发明一起使用的各种类型的电极包括了包含金属轨迹 和电荷分布层的结构化电极，包括从平面尺寸变化的纹理电极，导电油脂(如碳油脂或银 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)，以及离子导电材料的混 合物。用于本发明的电极的材料可以改变。用于电极的合适的材料包括石墨、碳黑、胶 态悬浮体、包括银和金的薄金属、填充银和填充碳的凝胶和聚合物、以及离子聚合物或者导 电聚合物。可以理解的是，某些电极材料可以与特殊的聚合物很好地共同工作，而与其它的 聚合物则不能很好工作。作为例子，碳纤维与丙烯酸酯弹性体能够很好地工作，然而不能与 硅弹性体很好地工作。活性材料还可以包括压电材料。同样地，在特定的实施例中，压电材料可以配置 成用于提供快速展开的致动器。如这里使用的，术语“压电”用于描述当施加电压电势时发 生机械变形(形状变化)的材料，或者相反地当发生机械变形时产生电荷的材料。优选地，压电材料被布置在可挠金属或者陶瓷片的带上。该带可以是单压电晶片(unimorphs)或者 双压电晶片。优选地，该带是双压电晶片，因为双压电晶片通常比单压电晶片具有更多的位 移。
单压电晶片的一种类型是由外部结合到可挠金属箔或者带的单个压电元件构成 的结构，当采用变化的电压激活时其通过压电元件被激励，并且当其相对于压电元件移动 时产生轴向的弯曲或者偏转。通过收缩或者扩展可以实现用于单压电晶片的致动器运动。 单压电晶片可以具有高达大约10%的应变，但是相对于单压电晶片结构的整体尺寸通常只 能承受较低的负载。与单压电晶片压电装置相反，双压电晶片装置包括夹在两个压电元件之间的中间 可挠金属箔。双压电晶片具有比单压电晶片更多的位移，这是因为在施加电压的情况下一 个陶瓷元件收缩而另一个伸展。双压电晶片具有接近大约20%的应变，但是与单压电晶片 相似，相对于单压电晶片结构的整体尺寸通常不能承受高负载。合适的压电材料包括无机化合物、有机化合物和金属。关于有机材料，所有具有非 中心对称结构和在主链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 作为合适的压电膜的候选。合适的聚合物的示例包括但不局限于，例如聚(4-苯乙烯磺酸 钠)(“PSS”)，聚S-119(聚(乙烯胺)骨架偶氮色基)以及它们的衍生物；聚碳氟化合物， 包括聚偏二氟乙烯(“PVDF”)，聚偏二氟乙烯的共聚物(“VDF”)，三氟乙烯(“TrFE”)以 及它们的衍生物；聚氯烃，包括聚(氯乙烯)(“PVC”)，聚偏二氯乙烯(“PVC2”)以及它们 的衍生物；聚丙烯腈(“PAN”)及其衍生物；多羧酸，包括聚(甲基丙烯酸(“PMA”)以及它 们的衍生物；聚脲及其衍生物；聚亚安酯(“PUE”)及其衍生物；生物聚合分子(如左旋乳 酸)及其衍生物，膜蛋白，和磷酸酯生物分子；聚苯胺及其衍生物；四胺的所有衍生物；聚酰 胺，包括聚酰亚胺(Kapton)分子和聚醚酰亚胺(“PET”)，以及它们的衍生物；所有的膜聚 合体；聚(N-乙烯替吡咯烷酮)(“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(“PVAc”)共聚物；所有在主链上、或侧链上或同时在主侧链上具有偶极距 基团的芳香族聚合物，以及它们的混合物。另外，压电材料还可以包括以下金属钼、钯、镍、钛、铬、铁、银、金、铜，以及金属合 金和其混合物。这些压电材料还可以包括金属氧化物，诸如SiO2, Al2O3，ZrO2, TiO2, SrTiO3, PbTiO3, BaTiO3, FeO3, Fe3O4，ZnO,以及上述物质的混合物，还包括VIA族和IIB族化合物，诸 如 CdSe，CdS, GaAs, AgCaSe2, ZnSe, GaP, InP, ZnS,以及上述物质的混合物。合适的活性材料还包括磁流变(MR)成分，诸如MR弹性体，众所周知其为“灵活”材 料，一旦施加磁场则其流变性质可以快速改变。MR弹性体是在热固弹性聚合物或者橡胶中 的微米大小的、可磁性极化颗粒的悬浮体。通过改变施加的磁场强度，从而改变剪切和压缩 /张紧模量，来实现弹性体结构的刚度。当暴露于磁场中仅仅几个毫秒时，MR弹性体通常就 展开结构。中断MR弹性体到磁场的暴露，能使该过程反向，并且弹性体恢复到其低模量状 态。合适的MR弹性体材料包括，但是并不意图被限于此包括铁磁或者永磁粒子悬 浮体的弹性聚合体基体，其中粒子如上所述。合适的聚合体基体包括，但是并不限于此， 聚_ α -烯烃、天然橡胶、硅树脂、聚丁二烯、聚乙烯、聚异戊二烯和类似物。II.能量吸收的示例性构造
现在参考图2到图8，系统10所示出的示例性实施例教导了本发明的各个方面和 好处，并且特别地如下面所描述优选的系统10还包括至少一个(并且优选地为多个)传感器22，其可操作地确 定碰撞事件增大的可能性或者实际的发生。例如，传感器22可以包括短范围雷达和长范围 雷达、激光雷达、基于摄像机的探测装置和/或激光探测装置，正如在变线辅助、防止碰撞、 以及其它车辆安全系统中所常规使用的那样。例如，传感器22优选地可操作以便通过确定 何时超过了事件的概率阈值，从而预测即将发生的碰撞事件，并且最终系统10优选地包括 控制器24，控制器24通信地耦接到传感器22，并且还中间耦接到电源18和元件16，如图2 中示意性示出那样。更优选地，系统10只有在前端碰撞时间期间可选择性地操作。传感器22和控制器24通信地耦接到元件16，并且被可编程地配置成当预测到事件时，引起信号的产生。然而，在该构造中，要认识到的是，因为主动性错误的可能性，系统 10必须可重新设置并且在没有碰撞的情况下不影响行驶功能。替代性地，传感器22可操作 地检测实际事件，并且更具体的是检测与实际事件相关联的力、位移、或者加速度。例如，至 少一个力变换器22可以耦接到控制器24。在优选的实施例中，优选地通过改变活化信号的幅度、图样、或者频率，或者通过 改变材料的活化部分，系统10配置成从多个不同的能量吸收量值中提供选定的量值。例 如，当事件的严重程度可以基于例如车辆的质量、当前的速度、挤压力、碰到的物体的性质、 座椅安全带的使用、空气气囊的展开、座椅的前-后位置和/或躯干临近方向盘的程度等而 确定时，则系统10优选地配置成与所述严重程度成比例地增加能量吸收率(柱冲击力的量 值)。更优选地，控制器24还配置成接收相关的输入，并且根据驾驶员的人体测量的特征、 和/或车辆的碰撞减速度脉冲来改变冲击力，其中冲击力与所述输入相关。回到元件16的结构构造，在操作的第一模式中，当通过活化使得材料向第二相变 化时，材料的刚度或者模量增加。刚度或者模量越高，对应地能量吸收的量值也增加。例如， 在图2中，第一和第二构件14被能量吸收元件16中间地相互连接，其中能量吸收元件16 由形状记忆的可破坏壁26构成。壁26优选地连续并且提供构件14的喇叭口段，喇叭口段 具有锥形的斜坡，从而方便在事件期间弯曲。在第一去活化的正常起作用的相中，壁26优 选刚度较小但是也足够刚硬以支撑柱12;在第二活化的相(以虚线示出(图2))，壁26变 得更加刚硬，以便在事件期间随着其变形而吸收更多量的能量。替代性地，要认识到的是， 壁26相比于活化阶段可以在去活化状态中更坚硬和刚硬，这取决于材料的选择和配置。在另一实施例中，柱12还包括伸缩的第一部分28和第二部分30，并且其相邻的 表面具有可破坏的表面凸块32，凸块32由活性材料构成，并且与基部一起限定了内部空间 (图3)。部分28，30被直径地配置成，当部分28，30套合时可以导致凸块32相互接合，以 便更容易被破坏，其中材料处于第一低刚度相。通过活化不同数量的凸块并且因此改变其 刚度，可以选择性地调节柱的冲击力以匹配特定的碰撞事件的要求。图4中示出了另一个实施例，其中吸收元件16具有机械互锁装置。更具体地，在 该构造中的部分28，30限定了可对准的贯通开口 34。匹配贯通开口 34的横截面形状(例 如，圆形、椭圆形、多边形)的一个或者多个销36紧密地容纳于其中，并且具有足够的长度 同时接合部分28，30。因此，如图4中的实线所示，当一个或者多个销36插入在孔34中时， 能够防止部分28，30之间的相对运动。
如所示，一个或多个销36牢固地连接到形状记忆线38上，线38优选包括形状记 忆合金。当受到热活化时，可以认识到的是，合金的晶体结构重新构造为第二相，其又引起 线38的收缩。然后，致动的或者重新构造的力传递到一个或者多个销36上，因此使得互锁 装置释放(如附图4中的虚线所示)。替代性地，并且如附图4a所示，也由SMA材料构成的 竖直取向的弹簧40在受到热活化时，可以引起纵向收缩，并增加弹簧模量(k)。共同地，这 些动作采用比上述线构造的力更大力来协调地导致销36从内部开口 34移出。销36的重 量优选使得当去活化时，导致弹簧40伸展，因此允许销36重新进入开口 34。可认识到的 是，如果使用多于一个的销36，则基于碰撞的严重程度，可以拉出的选定数目的销36，使得 剩余的销36在冲击轴之间产生匹配需要的能量吸收水平的犁入力(plowing force)(进一 步通过金属加工)。相反地，在初始时仅一个销36能够被接合，而另外的任意数目的销36 通过SMA的动作来接合，这取决于碰撞的严重程度和需要吸收的能量的量。
在另一实施例中，互锁销36由活性材料制成，其刚度可以通过温度引起的相变化 而改变，诸如SMP和SMA。通过在一个或者多个销36中选择性地启动相变化，柱12的冲击 力可以增量方式向上或向下调节，以匹配特定的碰撞场景的要求(在冲击期间，通过销36 和周围的伸缩连接结构的机械干涉和变形产生冲击力)。在另一实施例中，吸收元件16在柱12内具有联接物或者接头，其可以在受到活化 时假塑性或者超弹性地应变和/或变形(图5)。例如，在该构造中，元件16可以包括第一 盘和第二盘42，其通过至少一个(优选地通过多个)杆44相互连接。盘42纵向邻接并且 牢固地附接到临近的元件14，使得接头互相连接相邻的元件14。在某一构造中，杆44由 SMA材料制成，当去活化时处于马氏体相中。这里，要认识到的是，当热活化到奥氏体相时， 杆44的刚度增加。因此，柱12中的能量吸收的量值增加。在另一实施例中，当处于第二相中时，材料的剪切强度改变，作为其结果，能量吸 收率增加。例如，其中柱12包括伸缩的第一部分28和第二部分30，并且在它们之间限定内 部空间(例如，两个部分28，30具有封闭的相邻端，诸如在阻尼器构造中那样，并且内部部 分28通过由外部部分30限定的开口平移)，诸如磁流变流体或者电流变流体体这样的活性 材料可以容纳在空间中(图6)。部分28，30在由外部部分30限定的开口处密封接合。内 部部分28的封闭端段48和外部部分30的内壁协作地限定间隙，流体46可以通过此缝隙 徙动。当材料处于活化相和去活化相时，因为在流体中屈服强度的改变，所以在内部28和 流体46之间存在不同的阻力。在图7示出的另一实施例中，柱12再次包括相对运动的部分28，30，并且元件16 配置成选择性地降低部分28，30之间的夹紧力或者摩擦。更具体地，元件16构造为通过减 小作用在部分28，30上的法向力而减小摩擦。例如，至少一个并且优选地为多个(单压电 晶片或者双压电晶片)压电复合物50置于部分28，30之间并且配置成接触部分28，30中 的每一个，并且处于去活化相中。复合物50牢固地附接到内部部分28的外壁或者外部部 分30的内壁，并且通过静摩擦来固定另一个。当活化压电材料时，由于复合物50收缩，所 以复合物50和所接合部分之间的摩擦减小。通过在事件期间使部分28，30能够滑动，减小 的法向力和随之发生的摩擦力增加了通过柱12的能量吸收的量。最后，还是在本发明的范围内，使用活性材料以实现柱12和流体耦接的外部系统 52之间的逐渐的、递增的或者绝对的接合(图8)，以便导致能量吸收被改变。例如，柱12通过阀54流体地耦接到气动系统或者液压系统52，活性材料致动可用于操作阀54。对阀54的开度进行操纵，允许由部分28，30限定的空间被不同量的气动压力(和气动流)或者 液压压力(和液压流)接合。这里，在内部部分段48和外部部分30之间可以设置成最小 为没有间隙。改变流体压力的结果是改变冲击力和由此产生的能量吸收的量值。要认识到的是，这里描述的每一个实施例可以通过将已经正常活化的元件16去 活化从而可逆地操作，以便实现在能量吸收中的减小或增加。已经参考示例性的实施例对本发明进行了描述；本领域技术人员要理解的是，在 不偏离本发明的范围的情况下，可以作出各种改变并且可以等同物替代元件。例如，可以使 用同等作用的活性材料代替本文所描述的材料，或者添加到本文所描述的材料。另外，在不 偏离本发明的实质范围的情况下，可以作出许多改进以使具体的情况或者材料适应本发明 的教导。因此，本发明并意图被限于作为预期实现本发明的最佳模式所公开的特定的实施 例，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。
权利要求
一种适于与机动车辆一起使用并且具有选择性能量吸收能力的转向柱，所述柱包括结构构件，其配置成在碰撞事件期间传递所产生的冲击力；能量吸收元件，其连通地耦接到所述构件并且与所述构件同心地对齐，从而接收来自所述构件的力，所述能量吸收元件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料当暴露于活化信号时，能够在第一相和第二相之间变化；所述元件和力被协作地配置，从而使所述元件由于所述力而导致变形，并因此在所述第一相中以第一能量吸收量值吸收来自所述力的能量，以及在所述第二相中以第二能量吸收量值吸收来自所述力的能量。
2.如权利要求1所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以便预测即将发生的碰撞事件，并且当所述事件被预测到 时，导致产生所述信号。
3.如权利要求1所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以便检测与实际事件相关联的力、位移或者加速度，并且当 所述事件被检测到时，导致产生所述信号。
4.如权利要求1所述的柱，其中，所述材料选自基本上由下列所构成的组形状记忆合 金、形状记忆聚合物、电活性聚合物、磁流变复合物、电流变复合物、和压电材料。
5.如权利要求1所述的柱，其中，所述元件配置成从多个可调节的能量吸收量值中提 供选定的冲击量值。
6.如权利要求5所述的柱，进一步包括至少一个传感器，其可操作以确定碰撞事件；和控制器，其通信耦接到所述传感器和元件；所述传感器和控制器协作地配置成确定所述事件的严重程度，并且当所述事件被确定 时，导致产生所述信号；所述量值与所述事件的严重程度相关。
7.如权利要求6所述的柱，其中，所述控制器配置成接收所述事件的严重程度，所述事 件的严重程度基于所述车辆的质量、当前的速度、挤压力、碰到的物体的性质、座椅安全带 的使用、气囊的展开、座椅的前-后位置、和躯干接近方向盘的程度被确定。
8.如权利要求5所述的柱体，进一步包括控制器，其通信耦接到所述元件，并且配置成接收与所述驾驶员的人体测量特性相关 的输入；所述控制器配置成当所述事件被确定时导致产生所述信号；所述量值与输入相关。
9.一种适于与转向柱一起使用并且具有选择性能量吸收能力的能量吸收元件，其中所 述元件包括可纵向连接到所述柱的至少一部分的柱接合部分，以便接收来自其的力，并且 所述能量吸收元件至少部分由活性材料形成，所述活性材料当暴露于活化信号时能够在第 一相和第二相之间变化，并且所述能量吸收元件配置成由于所述力从而导致变形，并且因 此，当所述材料处于所述第一相中时以所述第一能量吸收率吸收来自所述力的能量，以及 当所述材料处于所述第二相中时以所述第二能量吸收率吸收来自所述力的能量。
10. 一种使用活性材料致动在碰撞事件期间影响方向盘冲击的方法，所述方法包括下 面的步骤a)相对于方向盘将转向柱固定在固定位置中，其中所述柱包括活性材料，所述活性材 料具有第一相，并且具有第一能量吸收率；b)确定所述事件的发生；c)当所述事件被确定时，将所述材料暴露于活化信号从而导致所述材料向第二相变 化，并且因此，作为所述变化的结果将能量吸收量值修改到大于所述第一能量吸收量值的 第二能量吸收量值；和d)在所述事件期间，通过所述柱和方向盘承受冲击力，并且以所述第二量值吸收来自 所述冲击力的能量。
全文摘要
本发明涉及使用活性材料致动的方向盘释放/冲击。具体地，提供了一种适于与转向柱共同使用并且在碰撞事件期间可以选择性吸收能量的可调的方向盘释放/冲击系统，包括转向柱和能量吸收元件，能量吸收元件构造为在碰撞事件期间接收来自柱的力，其中所述能量吸收元件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料当暴露于活化信号时，可以在第一相和第二相之间变化，并且所述能量吸收元件配置成由于力而导致变形，并因此在第一相中时以第一能量吸收量值吸收来自力的能量，并且在第二相中时以第二能量吸收量值吸收来自力的能量。
文档编号B62D1/19GK101837801SQ201010155229
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者A·L·布劳恩, G·黑姆, J·赫尔伯特, N·L·约翰逊 申请人:通用汽车环球科技运作公司