可逆展開的擾流器的製作方法

2023-05-10 02:02:56 2

專利名稱：可逆展開的擾流器的製作方法
技術領域：
本公開內容涉及一種用於車輛的氣流控制裝置，並且更特
別地涉及一種使用活性材料來實現展開和縮回的可逆展開車輛擾流 器。
背景技術：
車輛上方、下方、周圍和/或穿過的氣流會影響車輛性能 的許多方面，包括車輛阻力、車輛上升和下降力，和用於車輛動力系 和空調系統的冷/熱交換。在車輛阻力方面的減小改善了燃料經濟性。 車輛上升和下降力會影響車輛穩定性和操控性。在此使用的術語"氣流 "指的是在車輛部件周圍或穿過的空氣相對於車輛外表面或外部氣流 可沿其引導的車輛元件表面的運動，例如發動機艙中的表面。術語"阻 力"指的是對於在流體中移動的車身，由與重心運動方向相反的方向的 摩擦引起的阻力。在此使用的術語"上升力"指的是由於氣流相對於車 輛的合力沿垂直向上方向作用於車輛的分力。在此使用的術語"下降力 "指的是由於氣流相對於車輛的合力沿垂直向下方向作用於車輛的分 力。在車輛製造領域中用於相對於車輛控制氣流的已知裝置通 常是預定的、具有不可調節幾何形狀、位置、方向和剛性。在行車條件 改變時，這種裝置通常不適應該改變，因此不能將相對於車輛的氣流 控制到更好地適合變化的行車條件。另外，現行的車輛下方的氣流控 制裝置可減小離地間隙。車輛設計師面臨控制氣流同時保持足夠的離 地間隙的挑戰以避免接觸停車斜道、停車擋塊、坑窪、路緣等等和由 其造成的損壞。此外，例如大雪、水凌或降雨的惡劣天氣會損壞該裝 置和/或削弱車輛的操控性。有許多用於車輛的通用類型的氣流控制裝置。其中的一個 是擾流器。圖1圖示了在與其功能有關的位置處包括擾流器5的車輛1， 如下所述。擾流器被設計為通過增加車輛後部的向下力來改進牽引力。 使用擾流器增加了轉彎能力並改進了高速時的穩定性，但是往往以額外的氣動阻力和重量為代價。沒有擾流器，車輛後部區域在高速時將 會經受與流體流動空氣動力學有關的更大提升力。現行的擾流器通常是固定的幾何形狀、位置、方向和硬度。 因此在行車條件改變時這種裝置不會被再定位、再調整、再成形等等， 因此車身上方/周圍的氣流不能調節到更適合變化了的行車條件。在不 具有固定幾何形狀、位置等的那些擾流器中，通常通過將該裝置裝配 和/或連接到液壓、機械、電促動器和/或類似促動器使擾流器是可調 節的。例如，某些車輛擾流器可根據驅動器信號調整位置和/或方向。 然而，這種促動器通常要求另外的部件，例如活塞、馬達、螺線管和/ 或用於致動的類似機構，其增加了裝置的複雜性，往往導致有所增加 的故障型式、維護和製造成本。因此，需要擁有可展開擾流器，其可根據行車條件調節並 增進了裝置的簡單性同時減少了裝置問題和故障模式的數目。

發明內容
在此公開的是可逆展開的擾流器以及方法。在一個實施例 中，擾流器限定了可增加或減少車輛運動期間氣流下降力的車輛表面。 擾流器包括外殼，具有開口；氣流控制元件，可平移地設置在外殼 中並與該開口滑動接合；和活性材料促動器，包括與該氣流控制元件 可操作連通的活性材料來實現該氣流控制元件從外殼的展開和縮回其 中。在另一實施例中，擾流器包括外殼，包括可轉動地設置在 該外殼中的氣流控制元件，其中在車輛運動期間該氣流控制元件的轉
動提高或降低了氣流下降力；和活性材料促動器，包括與該氣流控制 元件可操作連通的活性材料來實現氣流控制元件的轉動。在又一個實施例中，用於車輛的擾流器包括可平移向車輛 表面的支柱；安裝於該支柱上的氣流控制元件；以及活性材料促動器， 包括與該支柱連通的活性材料來實現支柱相對於車輛表面的移動。在另外一個實施例中，擾流器包括位於車輛上的撓性表面 使得在其彎曲時影響氣流下降力；與該撓性表面接觸的可轉動凸輪； 和與該氣流控制元件連通的活性材料促動器來實現凸輪的轉動並引起 該撓性表面的彎曲。
上述及其他特徵可通過下面的附圖和詳細說明來例i正。


現在參考附圖，其是示例性實施例並且其中類似元件給出 同樣的編號圖l圖示了包括位於通常與其功能有關的位置的擾流器的 車輛；圖2圖示了根據本公開內容的一個實施例、處於縮回位置
的、用於車輛的可逆展開的擾流器的截面圖；圖3圖示了處於展開位置的圖2中可逆展開的擾流器的截面
圖；圖4圖示了根據本公開內容的另一個實施例、處於展開位
置的、用於車輛的可逆展開的擾流器的截面圖；圖5圖示了處於縮回位置的圖4中可逆展開的擾流器的截面
圖；圖6圖示了根據本公開內容的又一個實施例、處於縮回位
置的、用於車輛的可逆展開的擾流器的截面圖；圖7圖示了處於展開位置的圖6中可逆展開的擾流器的截面
圖；圖8圖示了根據另一個實施例、採用旋轉機構的可逆展開 的擾流器的截面圖；圖9圖示了根據又一個實施例、採用旋轉機構的可逆展開 的擾流器的截面圖；圖10圖示了根據另一個實施例、利用活性材料可平移支柱
的可逆展開的擾流器的透視圖；圖11是圖10中可逆展開的擾流器的截面圖；圖12圖示了用於縮回圖10中的擾流器的合適的活性材料促
動器；和圖13圖示了用於展開圖10中的擾流器的合適的活性材料促 動器。
具體實施方式
在此公開了活性材料驅動的可逆展開的氣流擾流器。該氣 流擾流器適合於用在這樣的車輛上，其上可能希望具有符合需要的較 大的下降力，例如有時在比賽性駕駛場合所用車輛上。很明顯，氣流 擾流器安裝在可在行車條件期間影響對車輛的下降力的車輛表面上。 雖然無意限於這種位置，通常該位置在車輛的後底板或其周圍。在這 些實施例中，擾流器的展開或收起在每種情況下優選基於通過活性材 料的正好一個激勵循環(或者至多是非常少量的激勵循環)實現的剛 體平移或者旋轉。與利用活性材料來實現這些改變有關的特定優勢包 括有所增加的裝置簡單性、有所減小的故障型式數量和因此有所增加 的裝置穩固性，和有所減小的裝置體積、質量和由於其高能量密度的 激勵能量需求。
所包括的活性材料的種類是根據激勵信號在硬度和/或尺 寸方面表現出變化的那些材料，該信號根據特定的活性材料可採用不 同形式。合適的活性材料包括，但不限於，形狀記憶合金(SMA)、形 狀記憶聚合物(SMP)、電活性聚合物(EAP)、鐵磁性SMA、電流變流 體(ER)、磁流變流體(MR)、壓電陶瓷、上述材料的不同組合等等， 例如待審的美國專利申請號10/983， 330、 10/893,119 、 1 0/872,327, 和1 0/983, 329中公開的，其全文引用以供參考。
用於控制車輛氣流的基於活性材料的擾流器裝置通常是指 這種裝置，其中活性材料(一個或多個)外部直接或者遠程連接到氣 流控制元件表面，造成剛體平移、轉動或氣流控制裝置的氣流控制表 面的變形。
使用形狀記憶合金作為示例性活性材料，形狀記憶合金線 26在一端限制到外殼12中選定的一個壁或固定錨結構38而在另一端限 制到氣流控制元件16的第二部分30。如圖所示，可展開的氣流元件16 是大體"L"形，具有與槽口24滑動接合的第一部分28和大體垂直於第一部分的第二部分30。外殼12進一步包括偏壓彈簧保持結構32,其附接 於滑動裝配有氣流控制元件16的下壁22或與其一體成形。偏壓彈簧34 放置在氣流控制元件16的笫二部分和偏壓彈簧保持結構32中間並與它 們處於偏壓關係。偏壓彈簧保持結構32進一步包括用於容納形狀記憶 合金線26的通道36,該線26具有固定附接於位於外殼內部的錨結構38 的一端和固定附接於第二部分30的另一端。形狀記憶合金線26設置在 一個或多個滑輪42 (其中顯示兩個)周圍並旋入通道36以提供氣流控 制元件16的垂直運動。形狀記憶合金線26的激勵引起相轉換，其導致流控制元件16從槽口 24滑動展開。去激勵造成偏壓彈簧假塑性地 (pseudoplastically )變形形狀記憶合金回到其起始位置和長度附 近，這還導致縮回氣流控制元件16。以這種方式，會改變由箭頭46標 識的氣流，該氣流用來影響由於車輛上的氣流引起的車輛阻力。可選 的密封片44或其它裝置設置在槽口24附近以防止顆粒材料進入外殼。
對於在此^^開的這些及其他實施例，偏壓彈簧通常這樣選 擇以使其軸向剛性(即彈簧常數)大於在活性材料沒有激勵時活性材 料的剛性。例如，在形狀記憶合金線的情況下，偏壓彈簧的軸向剛性 選擇為大於形狀記憶合金線在其處於較低溫度馬氏體剛性時的剛性， 而小於線在其處於高溫奧氏體階段時的剛性。
在圖4和5中，顯示擾流器50分別處於展開和縮回位置。擾 流器50包括外殼52,具有下壁54、上壁56和側壁58。外殼52進一步包 括氣流控制元件62可滑動接合於其中的槽口60。氣流控制元件62大體 "L"形，具有第一部分64和大體上垂直於第一部分的第二部分66。偏壓 彈簧68具有固定附接於第二部分66的一端和固定附接於下壁54的另一 端。活性材料70例如在一端限制到所選擇的一個壁或外殼62中的固定 錨結構72而在另一端限制到氣流控制元件62的第二部分66。形狀記憶 合金線70設置在一個或多個滑輪74周圍並被構造為提供氣流控制元件 62的垂直運動。形狀記憶合金線70的激勵造成相轉換，其導致該線的 收縮而產生足夠克服與偏壓彈簧68有關的那些力的力。
在這個實施例中，形狀記憶合金線70的激勵將同時引起形 狀記憶合金線的收縮和偏壓彈簧的伸展以便展開氣流控制元件62,與 上述剛剛論述的上述實施例中所示的壓縮過程相反。形狀記憶合金線的去激勵將導致偏壓彈簧假塑性地變形該形狀記憶合金線來縮回氣流控制元件到外殼62內。密封件放置在槽口附近。
在圖6和7中，顯示擾流器80分別處於縮回和展開位置。擾 流器80包括具有下壁84、上壁86和側壁88的外殼82。外殼82進一步包 括氣流控制元件92可滑動接合於其中的槽口 90。槽口90延伸到下壁並 包括距上表面遠端設置的臺肩94。氣流控制元件92具有大體為平面的 形狀並與該槽口滑動接合。
活性材料96，例如形狀記憶合金線在一端限制到氣流控制 元件92而在另一端限制到該外殼82中的下壁84。形狀記憶合金線96被 構造為提供氣流控制元件82的垂直運動。偏壓彈簧98坐落於臺肩94上 並與氣流控制元件92相接觸。偏壓彈簧98如此確定尺寸以致在沒有形 狀記憶合金線的激勵信號的情況下，該偏壓彈簧將氣流控制元件8 2定 位到氣流路徑中，即引起該氣流控制元件從外殼的展開。當激勵形狀 記憶合金線時，該線收縮，使偏壓彈簧壓縮，從而縮回該氣流控制元 件82。因而，槽口到凹槽臺肩的長度大約等於或小於氣流可展開元件 92的長度和在通過形狀記憶合金線壓縮時偏壓彈簧的長度。
在如圖8所示的另一實施例中，描述了擾流器IOO，其中活 性材料(一個或多個)在外部直接或者遠程連接到氣流控制元件102。 在這個實施例中，氣流控制表面102附接於軸104,該軸繞其軸線自由 轉動。彈簧106和SMA線108以相對的方式附接於該空心管104，因此它 們的張力彼此平衡，並且經由外部裝置，導管的轉動將增加一個中的 張力同時減小另一個中的張力。在低車速時，與SMA線108中的有所減 小的剛性和較大長度相結合的彈簧l 06中的張力保持擾流器轉動以對 齊到車輛表面並且不成為障礙。在高車速時，SMA線的溫度提升，例如 經過電阻加熱，以產生SMA線中從馬氏體到奧氏體的相轉換。這通常導 致在其長度方面的4 %減小和在其剛性方面的顯著增加。在長度和剛性 方面的這種結合變化導致氣流控制裝置的轉動展開和平衡彈簧106的 伸展。在切斷造成SMA線電阻加熱的電流時，該線冷卻到其馬氏體相併 且該伸展彈簧使氣流控制裝置返回到其收起狀態。
雖然已經特別提到使用形狀記憶合金，應當注意的是在這 些實施例中還可以使用EAP代替SMA作為促動器以便獲得所要求的線性 或旋轉展開。特別是在通過平移展開的情況下，通過EAP填料(packaging)變得不是問題，例如在筋、板或板坯形式中不同，當受 到外加電壓時可使EAP經受100%的應變。實施例還是可預見的，如圖所示，其中外部附接的活性材料 用來改變擾流器的氣流控制表面的形態。如圖9所示，擾流器110包括 靠近氣流控制元件114的撓性表面設置的凸輪狀裝置。物理連接到凸輪 112的活性材料116 (例如SMA線或彈簧或EAP板或筋)的激勵將會使凸 輪轉動，該轉動使氣流控制裝置的撓性氣流控制表面彈性變形。 一旦 去除激勵信號，可以採取不同形式的偏壓彈簧118或彈性儲存在變形表 面中的能量可被用於使氣流控制裝置的表面返回到其初始形狀。在替代實施例中，擾流器裝置可被構造為帶有鎖緊機構，該 鎖緊機構直接涉及活性材料(例如通過ER和MR流體中剪切強度的場激 勵變化而保持到位)，或者是活性材料驅動或其它方式驅動的，該機 構使可展開的氣流控制裝置保持在展開或收起位置因此允許能量接通 或能量切斷的位置/形狀保持，即，在能量切斷方法中，在這些實施例 中僅僅在該主動的氣流控制裝置的展開或收起期間需要用於激勵的能量。在另一個實施例中，擾流器限定了放置在車輛表面內部凹 槽上、上方或內部的不連續主體(即氣流元件)，通過其相對於車輛 表面的運動/重新定位可以增加或減少車輛運動期間氣流下降力。如圖 10和11所示，圖示了利用其上坐落有空氣偏斜元件124的活性材料可移 動支柱122的擾流器120。擾流器120包括坐落在至少一個支柱124 (圖10中顯示有兩 個)上的擾流器主體122 (即氣流控制元件)。該支柱相對於車身126 是可平移的。舉例來說，支柱設置在形成自車身中的凹槽128中。然而， 需要注意的是該支柱可以不同地滑動接合於氣流控制元件中的槽口 、 車輛表面或兩者和/或包含可延伸或縮短其高度的伸縮部分。包括活性 材料的、與上述論述相似的活性材料促動器設置為與氣流控制元件可 操作連通來實現氣流控制元件相對於車輛表面的上升、下降和/或轉 動。可以採用插銷130來將氣流元件122鎖定在要求位置，例如完全展 開或縮回位置，然後在保持該氣流控制元件位置的同時允許活性材料 的去激勵。圖12圖示了在激勵活性材料時縮回支柱124的示例性活性材料促動器140。支柱124坐落在壓縮彈簧142上。例如形狀記憶合金線 的活性材料在一端146錨固到擾流器而在另一端148錨固到車輛126。可 以利用一個或多個滑輪150來配置活性材料促動器140。支柱124向下運 動並在如圖所示的活性材料144的激勵時被閂上。當去激勵時，可以有 選擇地拉開插銷使壓縮彈簧解壓並將支柱和氣流元件從車身展開。在 形狀記憶合金的情況下，該線將假塑性地變形。圖13圖示了當活性材料激勵時展開支柱的示例性活性材料 促動器160。在這個實施例中，如此偏壓壓縮彈簧162以致於在活性材 料(反作用力)沒有激勵時支柱124處於縮回位置。當活性材料166激 勵時，支柱從車身展開。使用形狀記憶合金作為示例性活性材料，SMA 的一端在錨固位置168錨固到車輛而在其另一端錨固位置170錨固到支 柱124。可選地，採用滑輪164。插銷130可被用於有選擇地將擾流器保 持在"向上"位置，即使在活性材料去激勵時。插銷可與活性材料促動 器(即活性材料驅動的)集成，也可以機械促動、液壓促動或氣動只 要對不同應用是期望的。在優選實施例中，促動器線水平放置在擾流 器長度或車身中。活性材料包括那些根據激勵信號在硬度特性、形狀和/或 尺寸方面表現出變化的複合物，對於不同的活性材料其可以採取電、 磁性、熱等領域類型。優選的活性材料包括但不限於形狀記憶材料類 及其組合。形狀記憶材料泛指能夠記憶其至少一個的原始屬性的材料 或合成物，例如隨後通過施加外部激勵恢復的形狀，正如在此詳細論 述的那樣。因而，自原始形狀的變形是臨時狀態。以這種方式，形狀 記憶材料可以根據激勵信號變換成受訓練形狀。當加熱SMP超過最後轉化溫度時，該SMP材料可以成形。通過 隨後將SMP冷卻到低於該溫度來設置或記住SMP的永久形狀。在此使用 的術語"初始形狀"、"先前限定的形狀"和"永久形狀"是同義詞並意在 交換使用。通過下述過程設定暫時形狀，將材料加熱到比任一軟部分 的熱轉化溫度高但仍舊低於最後轉化溫度的溫度，施加外應力或栽荷 來變形該SMP，然後冷卻到該軟部分的特定熱轉化溫度以下。可通過利用去除壓力或載荷將材料加熱到仍舊處於最後轉 化溫度下的軟部分的特定熱轉化溫度以上來恢復永久形狀。因此，顯 然的是通過結合多個軟部分可能顯示多個暫時形狀並且利用多個硬部 分可以顯示多個永久形狀。類似地使用層壓或合成方法，多個SMP的結 合將顯示多個臨時形狀和永久形狀之間的過渡。對於僅僅帶有兩個部分的SMP,形狀記憶聚合物的臨時形狀 設置在笫一轉化溫度，隨後在負荷下冷卻SMP來鎖定臨時形狀。只要SMP 保持低於第一轉化溫度就會保持臨時形狀。當再次使SMP超過第一轉化 溫度時恢復永久形狀。重複加熱、成形，和冷卻步驟可重複地重新設 置臨時形狀。大部分SMP顯示出"單向"作用，其中SMP顯示出一個永久形 狀。在沒有應力或栽荷時將形狀記憶聚合物加熱超過軟部分熱轉化溫 度時，可獲得永久形狀並且不使用外力該形狀不會恢復到臨時形狀。作為備選方案，某些形狀記憶聚合物合成物會顯示出"雙向" 作用，其中SMP顯示出兩個永久形狀。這些系統包括至少兩個聚合物部 件。例如， 一個部件是第一交聯聚合物而另一個部件是不同的交聯聚 合物。該部件可通過層壓方法結合，或者是互穿網絡，其中這兩個聚 合物部件是交聯的而不是彼此相連。通過改變溫度，形狀記憶聚合物 沿第一永久形狀或第二永久形狀的方向改變其形狀。每個永久形狀屬 於SMP的一個部件。整個形狀的溫度關係由這個事實引起， 一個部件(部 件A)的機械特性與所考慮的溫度範圍中的溫度無關。另一個部件(" 部件B")的機械性能在所考慮的溫度範圍內隨溫度而變。在一個實施例中，與部件A相比，部件B在低溫下變得堅固，而部件A在高溫下堅固 並確定實際形狀。可通過設定部件A的永久形狀("第一永久形狀")， 將該裝置變形為部件B的永久形狀("第二永久形狀")和在施加壓力時 固定部件B的永久形狀來準備雙向記憶裝置。本領域技術人員應該承認可以以多種不同形式和形狀來構 造SMP。設計聚合物本身的成分和結構會允許為所要求的應用選擇特定 的溫度。例如，根據特定應用，最後轉化溫度可能是大約(TC到大約300 。C或以上。形狀復原的溫度(即軟部分熱轉化溫度)可能大於或等於 大約-3(TC。形狀復原的另一個溫度可能大於或等於大約2(TC。形狀復 原的另一個溫度可能大於或等於大約7(TC。形狀復原的另一個溫度可 能小於或等於大約25(TC。形狀復原的又一個溫度可能小於或等於大約 20(TC。最後，形狀復原的另一個溫度可能小於或等於大約18(TC。用在SMP中的合適的聚合物包括熱塑性材料、熱固性材料、 互穿網絡、半互穿網絡，或聚合物的混合網絡。該聚合物可能是單體 聚合物或聚合物的混合物。該聚合物可能是帶有側鏈或枝狀結構部件 的線性或分枝熱塑性彈性體。用來形成形狀記憶聚合物的合適的聚合 物部件包括，但不限於，聚磷腈、聚乙烯醇、聚醯胺、聚酯氨化物、 聚(胺基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚鏈烯、聚丙烯醯胺、 聚亞烷基二醇、聚鏈烯氧化物、聚鏈烯對酞酸鹽、聚原酸酯、聚乙烯 醚、聚乙烯酯、聚乙烯卣化物、聚酯、聚交酯、聚羥基乙酸、聚矽氧 烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚氨化物、聚醚酯纖維、聚苯乙烯、聚 丙烯、聚乙烯石炭酸、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基 乙烯醚)乙烯-乙酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚(環氧乙烷)-聚(對苯 二甲酸亞乙酯)、聚乙烯/尼龍(接枝共聚物)、聚己酸內酯-聚醯胺 (塊狀共聚物)、聚(己內酯)二曱基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降 水片多面低聚倍半矽氧烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚氨 基甲酸酯塊狀共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯塊狀共聚物等等以及包 括上述聚合物部件中至少 一個的組合。合適的聚丙烯酸酯的實例包括 聚(曱基丙烯酸曱酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、層(甲基丙烯酸丁 酯)、聚(甲基丙彿酸異丁酯)、聚(己基異丁烯酸)、聚(異癸異 丁烯酸)、聚(曱基丙烯酸月桂酯)、聚(苯基異丁烯酸)、聚(丙 烯酸曱酯)、聚(異丙基丙烯酸鹽)、聚(丙烯酸酸異丁酯)和聚(十八烷基丙烯酸鹽)。用於形成如上所述的SMP中的不同部分的聚合物(s) 是可在市場上買到的或使用常規化學過程合成的。本發明所屬領域的 普通技術人員在不需要過度實驗情況下使用已知的化學過程和處理技 術可容易地製備這些聚合物。形狀記憶合金存在於幾個不同的隨溫度而變的相。這些相中 最通常使用的是所謂的馬氏體和奧氏體相。在接下來的論述中，馬氏 體相泛指更容易變形、更低溫度的相而奧氏體相泛指更硬、更高溫度 的相。當形狀記憶合金處於馬氏體相併加熱時，開始轉換為奧氏體相。 這些現象開始的溫度往往被稱為奧氏體開始溫度(As)。這些現象完 成的溫度被稱作奧氏體終點溫度(Af )。當形狀記憶合金處於奧氏體 相併被冷卻時，開始轉換為該馬氏體相，並且這些現象開始的溫度被 稱為馬氏體開始溫度(Ms)。奧氏體結束向馬氏體的變換的溫度被稱 作馬氏體終點溫度(Mf)。總的來說，形狀記憶合金在其馬氏體相更 軟更容易變形而在其奧氏體相更硬、更堅固和/或更有剛性。考慮到上 述特性，優選在等於或低於奧氏體轉化溫度(等於或低於As)時伸展 形狀記憶合金。隨後加熱到奧氏體轉化溫度以上使展開的形狀記憶合 金恢復到其永久形狀。因此，供形狀記憶合金使用的合適的激勵信號 是具有幅值的熱激勵信號以在馬氏體和奧氏體相之間引起變換。可通過合金成分方面的微小變化和經過熱處理來調整在加
熱時形狀記憶合金記憶其高溫形態的溫度。舉例來說，在鎳-鈦形狀記 憶合金中，可以從大約10(TC以上變化到大約-10(TC以下。形狀恢復過 程在只有幾度的範圍內出現並且變換的開始或結束可根據所要求的應 用和合金成分控制到一兩度。形狀記憶合金的機械性能在跨越其轉化 溫度的溫度範圍內極大地改變，通常提供形狀記憶作用、超彈性作用 和高阻尼性能。合適的形狀記憶合金材料包括，但沒有打算限於，鎳-鈦基 合金、銦-鈦基合金、鎳-鋁基合金、鎳-鎵基合金、銅基合金(例如銅 -鋅合金、銅鋁合金、銅-金和銅錫合金)、金-鎘基合金、銀-鎘基合 金、銦-鎘基合金、錳-銅基合金、鐵-柏基合金、鐵-釔基合金等等。 該合金可以是二元的、三元的，或任何高階的，只要合金成分顯示出 形狀記憶作用即可，例如在形態定向方面的變化、在屈服強度和/或彎 曲模量特性、阻尼能力、超彈性等等方面的變化。合適的形狀記憶合金成分的選擇取決於部件工作的溫度範圍。活性材料還包括，但不限於，例如磁性材料和磁流變彈性體 的形狀記憶材料。合適的磁性材料包括，但沒有意指限於，軟或硬磁 鐵；赤鐵體；磁鐵體；基於鐵、鎳和鈷的磁性材料，上述合金，或包 括上述中至少一個的組合等等。鐵、鎳和/或鈷合金可以包括鋁、矽、 鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鴿、錳和/或銅。合適的MR彈性材料已經在前描 述過。本公開內容的擾流器和方法能夠通過改變活性材料的至少 一個屬性來配合不同行車條件的需要來調整特徵，例如形狀、尺寸、 剛性、位置及其組合等等。在活性材料的至少一個屬性方面的變化包 括形狀、尺寸、剛性及其組合等等。利用活性材料來實現這些變化提 供了裝置有所增加的簡單性和實用性，同時減小故障型式數目、裝置 體積和由於高能量密度進行激勵的能量需求。活性材料還可包括電活性聚合物，例如離子型聚合物金屬復 合物、導電聚合物、壓電材料等等。在此使用的術語"壓電"用來描述 一種材料，當施加電壓電勢時機械變形，或相反地，在機械變形時產 生電荷。合適的MR彈性材料包括，但沒有意指限於，包括鐵磁性懸浮 液或順磁顆粒的彈性聚合母體，其中該粒子如上所述。合適的聚合母 體包括，但不限於，聚a-烯烴、天然橡膠、矽樹脂、聚丁二烯、聚乙 烯、聚異戊二烯等J: — —, 、，,一、，，、、
或電致伸縮特性的聚合材料。該材料通常根據施加的電場或機械應力
而採用能夠使聚合物膜沿共面方向展開或收縮的隨動電極。電致伸縮-接枝彈性體的實施例帶有壓電聚合(偏二氟乙烯-三氟醚-乙烯)共聚
物。該組合能夠產生鐵電體-電致伸縮分子合成系統的變化量。這可作
為壓電傳感器乃至電致伸縮促動器來工作。
物或橡膠(或其組合)，其,:據靜電力變形或其i;導致電場方^的
變化。適於用作預張緊聚合物的示例性材料包括矽橡膠，丙烯酸系彈 性體，聚氨基甲酸酯，熱塑性彈性體，包括PVDF (聚偏氟乙烯)、壓 敏粘合劑、氟橡膠的共聚物、包括矽樹脂的聚合物和丙烯酸組成部分等等。包括矽樹脂的聚合物和丙烯酸組成部分包括例如包括矽樹脂和 丙烯酸組成部分的共聚物，包括矽橡膠和丙烯酸系彈性體的聚合物混 合物。用作電活性聚合物的材料可基於一個或多個材料性質來選 擇，例如電擊穿強度、低彈性模量(用於可多可少的變形)、高介電 常數等等。在一個實施例中，這樣選擇聚合物以使其具有最多大約 lOOMPa的彈性模量。在另一個實施例中，這樣選擇聚合物以使其具有 位於大約0. 05MPa和大約1 OMPa之間的最大激勵壓力，並且優選在大約 0. 3MPa和大約3MPa之間。在另一個實施例中，這樣選擇聚合物以使其 具有位於大約2和大約20之間的介電常數，並且優選在大約2. 5和大約 12之間。本公開內容沒有意指限於這些範圍。理論上，如果材料兼備 高介電常數和高介電強度，具有比上述給出的範圍更高的介電常數的 材料是合乎需要的。多數情況下，電活性聚合物可倍製造和生產為薄 膜。適合於這些薄膜的厚度在50微米以下。當電活性聚合物在高應變下傾斜時，附接於該聚合物的電極 在不犧牲機械或電氣性能的情況下同時偏斜。總的來說，適合於使用 的電極可以是任何形狀和材料，只要它們能夠向電活性聚合物供給合 適的電壓或接收來自其的合適電壓。該電壓可能是恆定的或隨著時間 變化的。在一個實施例中，電極附接於聚合物的表面。附接於聚合物 的電極優選為隨動的並與聚合物的變形一致。因此，本公開內容包括 與附接有電極的電活性聚合物的形狀 一 致的隨動電極。該電極可能僅 僅應用於電活性聚合物的 一部分並根據其幾何形狀限定有效面積。適 合於在本公開內容使用的各種類型電極包括結構電極，包括金屬軌跡 和電荷分布層；包括根據平面尺寸變化的織物電極；例如碳潤滑油或 銀潤滑油的導電潤滑油；膠態懸浮物；例如碳纖維和碳納米管的大長 寬比的導電材料和離子鍵導電材料的混合物。用作本公開內容電極的材料可以改變。用於電極的合適材料
包括石墨，炭黑，膠態懸浮物，包括銀和金、填充銀和填充碳的凝膠 劑和聚合物的薄金屬和離子鍵或電子導電聚合物。很清楚某些電極材 料可以與特定的聚合物正常工作而與其它的就不能正常工作。舉例來 說，石墨纖維可與丙烯酸系彈性體聚合物正常工作而與矽氧烷聚合物 不能正常工作。
活性材料還可包括壓電材料。此外，在某些實施例中，壓電 材料被配置為用於提供迅速展開的促動器。在此使用的術語"壓電"用 來描迷一種材料，當施加電壓電勢時機械變形(改變形狀)，或相反 地，在機械變形時產生電荷。優選地，壓電材料放置在軟金屬條或陶 乾板上。該條可以是單壓電晶片或雙壓電晶片。優選地，該條是雙壓 電晶片，因為雙壓電晶片通常比單壓電晶片顯示出更大的位移。—種單壓電晶片是由外部結合於軟金屬薄片或條的單個壓 電元件組成的結構，當利用變化電壓激勵時其通過壓電元件激勵並當 其對抗壓電元件運動時引起軸向彎曲或偏轉。用於單壓電晶片的促動 器運動可以藉助於收縮或展開。單壓電晶片可以顯示出高達大約1 0%的 張力，但通常只能承受與單壓電晶片結構的總尺寸有關的低負栽。與單壓電晶片壓電裝置相比，雙壓電晶片裝置包括夾在兩個 壓電元件之間的中間軟金屬薄片。雙壓電晶片顯示出比單壓電晶片更 大的位移，因為在下一個陶乾元件收縮而另一個展開。雙壓電晶片可 以顯示出高達大約20 / 的應變，但與單壓電晶片相似，通常不能承受與 雙壓電晶片結構的總尺寸有關的高負荷。合適的壓電材料包括無機化合物、有機化合物和金屬。就有 機材料而言，在主鏈或側鏈或分子中的兩條鏈上具有非中心對稱結構 和大偶極矩組的所有聚合材料可被用作壓電膜的備選。例如合適的聚 合物的實施例包括，但不限於，聚4-苯乙烯磺酸鈉("PSS")、聚S-119 (聚(乙烯)胺主鏈偶氮色基)及其衍生物；多氟烴，包括聚偏氟乙 烯("PVDF")、其共聚物偏二氟乙烯("VDF")、三氟乙烯(TrFE)及 其衍生物；多氯烴，包括聚氯乙烯("PVC")、聚偏氯乙烯("PVC2") 及其衍生物；聚丙烯腈("PAN")及其衍生物；多聚羧酸，包括聚曱基 丙烯酸("PMA")及其衍生物；聚脲及其衍生物；聚氨基曱酸酯("PUE") 及其衍生物；生物聚合物分子，例如聚左旋乳酸及其衍生物和膜蛋白 以及生活分子；聚苯胺及其衍生物和四胺的所有衍生物；聚醯亞胺， 包括Kapton分子和聚醚醯亞胺("PEI")及其衍生物；所有薄膜聚合物； 聚氮-乙烯基吡咯烷酮("PVP")同聚體及其衍生物和隨機的PVP-乙酸 乙烯酯("PVAc")共聚物；和在主鏈或側鏈或同時在主鏈和側鏈中帶 有偶極矩組的所有芳香族聚合物及其混合物。此外，壓電材料包括鈾、4巴、鎳、鈦、鉻、鐵、銀、金、銅和金屬合金及其混合物。這些壓電材料還可以包括，例如諸如Si02、 A 1203 、 Zr02、 Ti02、 SrTi03、 PbTi03、 BaTi03、 Fe03、 Fe304 、 ZnO的金屬 氧化物及其混合物；族VIA和IEB化合物，例如CdSe、 CdS、 GaAs、 AgCaSe2、 ZnSe、 GaP、 InP、 ZnS及其混合物。合適的活性材料還包括磁流變(MR)合成物，例如被稱為" 聰明"材料的MR彈性體，其理論特性可以依據磁場應用而快速改變。MR 彈性體是微米大小的懸浮液、熱固性彈性聚合物或橡膠中的磁性極化 粒子。通過藉助於改變施加磁場的強度來改變剪切力和壓縮/張力模量 來實現彈性體結構的剛性。當暴露於磁場時MR彈性體通常僅僅在幾毫 秒內展開結構。停止MR彈性體暴露於磁場反向該過程並且彈性體回到 其低模量狀態。除非另有陳迷，在說明書和權利要求中表示成分數量、例如 分子量的特性、反應條件等等的所有數字在所有情況下將被理解為由 術語"大約"修飾。因此，除非表示與此相反，在接下來的說明書和附 加的權利要求中闡述的數字參數是近似值，可以根據通過本公開內容 設法獲得的要求特性而改變。至少，而不是企圖將等效教義的應用限 制為權利要求的範圍，根據給出的有效數字並藉助於運用一般的取整 方法可至少推斷出每個數字參數。雖然已經參考示例性實施例描述本公開內容，本領域的普通 技術人員可以理解在不脫離本公開內容範圍的情況下可進行各種變換 和用等價物替換其元件。另外，在不脫離其實質的範圍的情況下進行 許多改進來使特定情況或材料適應本公開內容的教導。因此，意圖是 本公開內容沒有限制為以預計用於實現這個公開內容的最佳方式公開 的特定實施例，而是包括落入附加權利要求範圍中的所有實施例。
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權利要求
1. 一種用於車輛的擾流器，該擾流器限定了在車輛運動期間能增加或減少氣流下降力的車輛表面，該擾流器包4舌 外殼，具有開口；氣流控制元件，可平移地設置在外殼中並與該開口滑動接合；和 活性材料促動器，包括與該氣流控制元件可操作連通的活性材料來 實現該氣流控制元件從該外殼的展開和到該外殼中的縮回。
2. 如權利要求l所述的擾流器，其特徵在於該活性材料是從由形狀 記憶合金、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、鐵磁性形狀記憶合金、 電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子型聚合物金屬複合物、 壓電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選出來的。
3. 如權利要求l所述的擾流器，其特徵在於該活性材料促動器包括 具有與該氣流控制元件相連的一端的形狀記憶合金線，和附接於氣流控制元件的偏壓彈簧，該偏壓彈簧被構造為向由該形狀記憶合金線提 供的力提供對抗力。
4. 如權利要求3所述的擾流器，其特徵在於該偏壓彈簧具有彈簧常 數，該彈簧常數大於在該形狀記憶合金線處於馬氏體相時該形狀記憶 合金線的彈簧常數而小於在該形狀記憶合金線處於奧氏體相時該形狀 記憶合金線的彈簧常數。
5. 如權利要求l所述的擾流器，進一步包括設置在該開口附近的片 狀密封件，該片狀密封件被構造為防止顆粒物質進入該外殼。
6. 如權利要求3所述的擾流器，進一步包括與該形狀記憶合金線可 操作連通的至少一個滑輪。
7. 如權利要求3所述的擾流器，其特徵在於該外殼包括上壁、下壁 和在其間延伸的側壁，其中該上壁包括位於外殼中的偏壓彈簧保持結 構，其中該氣流控制元件包括第一部分和笫二部分，該第一部分與該開口滑動接合併且偏壓彈簧位於該偏壓彈簧保持結構和第二部分中 間，並且其中該形狀記憶合金線淨皮構造為在激A力時收縮和壓縮該偏壓 彈簧並且使第一部分從該外殼中伸出。
8. 如權利要求7所述的擾流器，其特徵在於該偏壓彈簧被構造為在 沒有激勵該形狀記憶合金線時展開並將第一部分縮回該外殼中。
9. 如權利要求3所述的擾流器，其特徵在於該外殼包括上壁、下壁 和在其間延伸的側壁，其中該氣流控制元件包括第一部分和第二部分， 該第一部分與該開口滑動接合併且偏壓彈簧位於該下壁和第二部分中 間，並且其中該形狀記憶合金線被構造為在激勵時收縮和展開該偏壓 彈簧並且使第 一部分從該外殼中伸出。
10. 如權利要求9所述的擾流器，其特徵在於該偏壓彈簧被構造為在 沒有激勵該形狀記憶合金線時壓縮並將第 一部分縮回該外殼中。
11. 如權利要求3所述的擾流器，其特徵在於該氣流控制元件具有大 體線性的形狀定向，其與該開口滑動接合，其中該偏壓彈簧坐落在該 開口的臺肩上並位於該氣流控制元件和該臺肩的中間，並且其中該形控制元件縮回到該外殼中。
12. 如權利要求n所述的擾流器，其特徵在於該偏壓彈簧被構造為 在沒有激勵該形狀記憶合金線時伸展並將第一部分從該外殼展開。
13. —種用於車輛的擾流器，該擾流器限定了在車輛運動期間增加 或減少氣流下降力的車輛表面，該擾流器包括外殼，包括可轉動地設置在該外殼中的氣流控制元件，其中該氣流 控制元件的轉動增加或減少了車輛運動期間的氣流下降力；和活性材料促動器，與該氣流控制元件可操作連通來實現該氣流控制 元件的轉動。
14. 如權利要求13所述的擾流器，其特徵在於該氣流控制元件固定 地被附接於軸，並且該活性材料促動器包括活性材料和偏壓彈簧，所偏壓彈簧與^軸可;作連通來實現該活性才^料去激勵時的反向轉動。''
15. 如權利要求14所述的擾流器，其特徵在於該活性材料是從由形 狀記憶合金、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、鐵磁性形狀記憶合金、 電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子型聚合物金屬複合物、 壓電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選出來的。
16. —種用於車輛的擾流器，該擾流器限定了在車輛運動期間增加 或減少氣流下降力的車輛表面，該擾流器包括撓性表面，定位於車輛上使得在其彎曲時影響氣流下降力； 可轉動凸輪，與該撓性表面接觸；和活性材料促動器，與氣流控制元件可操作連通來實現該凸輪的轉動 並引起撓性表面的彎曲。
17. 如權利要求16所述的擾流器，其特徵在於該活性材料促動器包 括活性材料和偏壓彈簧，所述活性材料與該凸輪可操作連通來有選擇 地實現激勵時的轉動，所述偏壓彈簧與軸可操作連通來實現該活性材 料去激勵時的反向轉動，其中凸輪的轉動和反向轉動引起該彎曲。
18. 如權利要求17所述的擾流器，其特徵在於該活性材料是從由形 狀記憶合金、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、鐵磁性形狀記憶合金、 電流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子型聚合物金屬複合物、 壓電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選出來的。
19. 一種用於車輛的擾流器，該擾流器限定了在車輛運動期間增加 或減少氣流下降力的車輛表面，該擾流器包括支柱，可平移向車輛表面； 氣流控制元件，安裝於該支柱上；和活性材料促動器，包括活性材料和偏壓彈簧，該活性材料和偏壓彈 簧與支柱可操作連通，該支柱構造為實現相對於車輛表面的平移。
20. 如權利要求19所述的擾流器，進一步包括插銷，用於可釋放地 將支柱和氣流元件固定到固定位置。
21. 如權利要求19的擾流器，其特徵在於該活性材料是從由形狀記 憶合金、形狀記憶聚合物、電活性聚合物、鐵磁性形狀記憶合金、電 流變流體、磁流變流體、介電彈性體、離子型聚合物金屬複合物、壓 電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選出來的。
22. 如權利要求19所述的擾流器，其特徵在於該車輛表面包括配置 為容納氣流控制元件的凹槽。
全文摘要
一種用於車輛的可逆展開的擾流器，包括主體和與該主體可操作連通的活性材料。該活性材料，例如形狀記憶材料可操作以根據激勵信號來改變至少一個屬性。該活性材料可以改變其形狀、尺寸和/或硬度，產生活性擾流器氣流控制裝置的至少一個特性的變化，例如形狀、尺寸、位置、方向和/或硬度，來控制車輛氣流和下降力以更好地適合行車條件方面的變化，例如速度，同時減少維護和故障模式水平。可以採用促動裝置、控制器和傳感器來進一步控制活性擾流器氣流控制裝置的至少一個特性的變化，例如形狀、尺寸、位置、方向和/或硬度。用於控制車輛氣流的方法選擇性地引入激勵信號來起動該裝置的至少一個特徵的改變，在激勵信號停止時該特徵可以逆轉。
文檔編號B62J35/00GK101312873SQ200680043811
公開日2008年11月26日 申請日期2006年9月22日 優先權日2005年9月22日
發明者A·L·布勞恩, E·D·莫斯, K·B·羅伯, M·A·沃斯, N·L·詹森, T·J·尤赫特 申請人:通用汽車環球科技運作公司