專(zhuān)利名稱(chēng)：可逆地打開(kāi)和關(guān)閉使用活性材料的格柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及一種活性格柵，并且更具體地涉及可逆地打開(kāi)和關(guān)閉4吏 用活性材料的格柵的葉片。為了實(shí)現(xiàn)打開(kāi)和關(guān)閉，活性材料與限定格柵 的葉片有效相聯(lián)或者構(gòu)成葉片的至少一部分?；钚圆牧享憫?yīng)激活信號(hào)而 改變至少一種屬性以實(shí)現(xiàn)葉片的重新定位。
背景技術(shù)：
通過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的氣流能夠影響多方面的車(chē)輛性能，包括車(chē)輛阻力， 車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的冷/熱交換，空調(diào)系統(tǒng)，制動(dòng)器，及類(lèi)似方面。車(chē)輛阻 力的減小提高了燃料的經(jīng)濟(jì)性。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)"氣流，，表示空氣 相對(duì)于車(chē)輛的外表面或者車(chē)輛各部件的表面穿過(guò)車(chē)輛各部分的動(dòng)作，沿 上述表面例如發(fā)動(dòng)機(jī)搶內(nèi)的各表面能夠引導(dǎo)外部氣流。術(shù)語(yǔ)"阻力"表 示由與沿在流體內(nèi)移動(dòng)的物體的重心移動(dòng)方向相反的方向的摩擦導(dǎo)致 的阻力。機(jī)動(dòng)車(chē)輛生產(chǎn)的現(xiàn)有技術(shù)中的車(chē)輛格柵通常由形狀，位置，朝 向和硬度均為預(yù)定且不可調(diào)節(jié)的葉片構(gòu)成。這樣的裝置在行車(chē)條件改變 時(shí)通常不能適應(yīng)，因此無(wú)法調(diào)節(jié)通過(guò)格槺的氣流以更好地適應(yīng)行車(chē)條件 的改變。
因此，存在對(duì)于一種用于在變化的條件下控制流體流動(dòng)的可調(diào)節(jié)的 外部車(chē)輛格柵，例如， 一種用于在變化的行車(chē)條件下控制通過(guò)格柵的氣
流的可調(diào)節(jié)的外部車(chē)輛格柵的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本文中公開(kāi)的是活性格柵和控制流體流過(guò)所述活性格柵的方法。在 一個(gè)實(shí)施例中， 一種被設(shè)置成選擇性地控制流體流動(dòng)的活性格柵包括一
個(gè)樞軸安裝至框架的葉片；以及與所述葉片有效相聯(lián)的活性材料，所述 活性材料響應(yīng)激活信號(hào)而有效改變至少一種屬性，其中通過(guò)所述格柵的流體流動(dòng)隨著所述活性材料的至少一種屬性的改變而改變。
在另一個(gè)實(shí)施例中， 一種機(jī)動(dòng)車(chē)輛包括設(shè)置成選擇性地控制氣流進(jìn)
入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的活性格柵，其中所述活性格柵包括多個(gè)葉片；以及與所述 葉片有效相聯(lián)的活性材料，所述活性材料響應(yīng)激活信號(hào)而有效改變至少 一種屬性，其中通過(guò)所述格柵的氣流隨著所述活性材料的至少一種屬性 的改變而改變。
還包括一種控制氣流通過(guò)由多個(gè)葉片構(gòu)成的格柵的方法，該方法包
少一個(gè)從第一位置樞轉(zhuǎn)至第二位置,其中從第丄位置到第二位置的轉(zhuǎn)動(dòng) 改變了通過(guò)格柵的氣流量。
上述內(nèi)容以及其他特征通過(guò)下面的附圖和詳細(xì)說(shuō)明來(lái)進(jìn)行介紹。


下面參照表示示范性實(shí)施例的附圖，并且其中相似的部件標(biāo)記相同。
圖1是與本公開(kāi)相一致的機(jī)動(dòng)車(chē)輛內(nèi)的活性外部格柵的正視圖； 圖2示意性地示出了包括用于在活性格柵內(nèi)使用的葉片的系統(tǒng)，其
中將格柵內(nèi)的葉片與基于活性材料的致動(dòng)器一起設(shè)置； 圖3是打開(kāi)和關(guān)閉位置下的活性格柵的部分透視圖； 圖4是圖3中的活性格柵的側(cè)截面圖5是用于在活性格柵內(nèi)使用的葉片的透視圖，其中所述葉片有至 少一部分由與本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例相一致的活性材料制成；
圖6是用于在活性格柵內(nèi)使用的葉片的透視圖，其中所述葉片有至 少一部分由與本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例相一致的活性材料制成；和
圖7是用于在活性格柵內(nèi)使用的葉片的透視圖，其中所述葉片有至 少一部分由與本7>開(kāi)的再一個(gè)實(shí)施例相一致的活性材料制成。
具體實(shí)施例方式
本公開(kāi)提供了一種活性格柵，其中所述格柵的部件能夠可逆地改變 形狀，尺寸，朝向，位置和/或硬度，這種改變通過(guò)活性材料的致動(dòng)實(shí) 現(xiàn)，從而允許格槺適應(yīng)變化的條件并且也改變格柵單元正面和裝有格柵 的對(duì)象例如才幾動(dòng)車(chē)輛的#見(jiàn)覺(jué)外觀。例如，對(duì)于才幾動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用，選擇性地打開(kāi)和關(guān)閉活性格柵的部件能夠改變氣動(dòng)阻力系數(shù)。通過(guò)在高速下關(guān)閉 格柵，能夠減小阻力并提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。本公開(kāi)不應(yīng)理解為局限于活 性材料的任何特定的應(yīng)用領(lǐng)域例如用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛，用于建筑物內(nèi)的通風(fēng) 口等。另外，本公開(kāi)不應(yīng)理解為局限于活性材料的任何特定的功能用途 例如造型功能，冷卻/加熱氣流的控制等。類(lèi)似地，本公開(kāi)不應(yīng)理解為 局限于在機(jī)動(dòng)車(chē)輛上的任何特定位置使用例如在緩沖器上方的正面，在 引擎罩上，在車(chē)輛擋泥板區(qū)域內(nèi)的正面?zhèn)?，在?chē)輛頂部，及類(lèi)似位置。
本文中使用的術(shù)語(yǔ)"活性材料，，通常表示一種在施加激活信號(hào)時(shí)表 現(xiàn)出某種屬性例如尺寸，形狀，物相，朝向，硬度，剪切強(qiáng)度及類(lèi)似屬 性的變化的材料?；钚圆牧峡梢杂扇我獾亩喾N活性材料構(gòu)成，包括但不 限于形狀記憶材料，例如，形狀記憶合金，形狀記憶聚合物，和電活性 聚合物例如離子型聚合物金屬?gòu)?fù)合物，導(dǎo)電聚合物，以及壓電材料，磁
流變(MR)復(fù)合材料，例如MR彈性體，和其他能夠在接收激活信號(hào)時(shí) 表現(xiàn)出至少一種屬性變化的類(lèi)似材料。根據(jù)特定的活性材料，激活信號(hào) 可以采取不作為限制的電流，電場(chǎng)(電壓)，溫度變化，磁場(chǎng)，機(jī)械負(fù) 載或應(yīng)力，及類(lèi)似形式。在上述的材料中，基于SMA和SMP的部件優(yōu)選 地包括存儲(chǔ)部件初始形狀的返回機(jī)構(gòu)。返回機(jī)構(gòu)可以是機(jī)械，氣動(dòng)，液 壓，煙火式的，或基于上述的一種智能材料。如本文中將要介紹的那樣， 機(jī)動(dòng)車(chē)輛的外部活性格柵被從外部安裝或者和車(chē)輛構(gòu)成整體以選擇性 地控制從中通過(guò)的氣流?；钚愿駯拍軌虮辉O(shè)置為主動(dòng)地檢測(cè)并響應(yīng)行車(chē) 條件地變化，從而不再需要外部電源，或者可選地，被設(shè)置為與電源有 效相聯(lián)的致動(dòng)器以單獨(dú)地或組合地改變?nèi)~片的形狀，尺寸，朝向，位置 和/或硬度。
如圖1所示， 一種用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的示范性的外部格柵，用附圖標(biāo)記 IO表示，通常包括框架12，多個(gè)樞軸安裝在框架12內(nèi)共同限定格柵的 間隔開(kāi)的葉片14,和用于實(shí)現(xiàn)葉片的選擇性動(dòng)作的基于活性材料的致動(dòng) 器或材料。葉片14可以被設(shè)置為隨著活性材料的激活而選擇性地打開(kāi) 和/或關(guān)閉。
在圖2所示的一個(gè)實(shí)施例中，格柵10包括與葉片14有效相聯(lián)的活 性材料16，活性材料16具有能夠響應(yīng)對(duì)活性材料16的激活信號(hào)而有效 改變的至少一種屬性。活性材料16的一種屬性，及其改變，涉及活性 材料16的各種屬性例如但不限于形狀，尺寸，硬度，及其組合，和類(lèi)似屬性?；钚圆牧?6的至少一種屬性的改變影響格柵10的各種特征例 如但不限于形狀，尺寸，位置，朝向，硬度，及其組合，和/或類(lèi)似特 征，從而改變通過(guò)格柵16的氣流。用這種方式，格柵10是可調(diào)節(jié)的而 且通過(guò)裝置10的氣流在變化的行車(chē)條件下隨著活性材料16的至少一種 屬性的改變而改變。例如，圖2中所示的活性材料可以是形狀記憶合金， 其在激活后能夠被設(shè)置為收縮，從而繞樞軸點(diǎn)18樞軸旋轉(zhuǎn)葉片。偏置 彈簧19或其他的活性材料可以被用于恢復(fù)葉片14的位置。應(yīng)該注意葉 片14可以依賴(lài)于激活信號(hào)的大小，所使用的特定活性材料，所應(yīng)用的 致動(dòng)機(jī)構(gòu)，和類(lèi)似因素而被樞軸定位在無(wú)限多個(gè)位置內(nèi)。
連接至葉片14并與其有效相聯(lián)的是激活裝置20。激活裝置20與活 性材料16功能性連通，其可操作的用于選擇性地給活性材料提供激活 信號(hào)并通過(guò)改變活性材料16的至少一種屬性來(lái)改變?nèi)~片14的位置/朝 向。例如，活性材料16能夠低速收縮(在激活后縮短其長(zhǎng)度尺寸)至 打開(kāi)位置并允許氣流流過(guò)格柵并進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙。在活性材料解除激活 后，偏置彈簧或其他活性材料能夠被激活用于將葉片定位至例如在高速 下行車(chē)時(shí)可能需要的關(guān)閉位置。
激活裝置20按要求給活性材料16提供激活信號(hào)或刺激以造成格柵 10的至少一部分的一個(gè)或多個(gè)特征的變化。本公開(kāi)不應(yīng)理解為局限于任 何特定的活性材料16和/或活性材料16的組合。類(lèi)似地，本公開(kāi)不應(yīng)理 解為局限于任何特定的激活信號(hào)。特定的激活信號(hào)將依賴(lài)于活性材料16 的靈敏度。同樣地，激活信號(hào)可以包括熱激活信號(hào)，磁激活信號(hào)，電激 活信號(hào)，化學(xué)激活信號(hào)，和/或其他類(lèi)似的激活信號(hào)。而且，術(shù)語(yǔ)"響 應(yīng)激活信號(hào)"應(yīng)被理解為包括用于提供形狀，尺寸，硬度，及其組合的 改變的^皮動(dòng)以及主動(dòng)方式。
在一個(gè)實(shí)施例中，特征的改變通常在施加激活信號(hào)期間得以保持。 在激活信號(hào)停止后，活性材料16通?；謴?fù)到無(wú)動(dòng)力形式并基本返回到 初始的至少一種屬性，從而將格柵葉片送回其初始位置。在另一個(gè)實(shí)施 例中，活性材料16的屬性和/或活性格柵10的至少一部分的特征的變 化可以在激活信號(hào)停止后保持。在該實(shí)施例中，活性格柵10包括用于 保持活性材料16變化的裝置21，例如閂，鎖，止檔和/或類(lèi)似裝置。在 釋放該裝置后，活性格柵10返回到初始的至少一個(gè)特征。圖示的活性 格柵10僅僅是示范性的而不應(yīng)理解為局限于任何特定的形狀，大小，尺寸或結(jié)構(gòu)，材料，或類(lèi)似屬性。例如，葉片可以根據(jù)所需的應(yīng)用而垂 直或水平朝向。類(lèi)似地，活性材料致動(dòng)器可以與葉片垂直或水平對(duì)齊以
實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用以與活性材料16對(duì)抗的方式設(shè) 置的單個(gè)致動(dòng)器的操作而不是偏置彈簧來(lái)將活性格柵10返回到初始的 至少一個(gè)特征。
在另一個(gè)實(shí)施例中，活性格柵10包括與活性格柵10和/或活性材 料16有效相聯(lián)的至少一個(gè)傳感器26，其中該傳感器適用于傳輸指示至 少一種機(jī)動(dòng)車(chē)輛狀態(tài)的信號(hào)。該實(shí)施例可以進(jìn)一步包括被有效連接至傳 感器24和激活裝置20的控制器22,其中控制器被編程和設(shè)置為在傳感 器24的信號(hào)指示預(yù)定的機(jī)動(dòng)車(chē)輛狀態(tài)，例如燃料電池或散熱器冷卻系 統(tǒng)的溫度時(shí)促使激活裝置20給活性材料16提供激活信號(hào)。
圖3和圖4示出了開(kāi)放和關(guān)閉位置下的活性格柵的不同視圖。通過(guò) 選擇性地從完全關(guān)閉位置到開(kāi)放位置定位葉片來(lái)控制通過(guò)活性格柵10 的氣流(如圖4中的箭頭28所示)。應(yīng)該注意活性格柵可以被設(shè)置為帶 有一個(gè)或多個(gè)不同的活性材料致動(dòng)器以允許葉片中的一個(gè)或全部葉片 來(lái)選擇性地打開(kāi)和/或關(guān)閉。
葉片14 (在本文中也被稱(chēng)作空氣偏移體)可以是能夠使活性格柵 IO起作用的各種材料和結(jié)構(gòu)中的任意一種。包括跨越物理格柵的整個(gè)高 度或?qū)挾鹊母駯湃~片。也包括嵌入僅單獨(dú)跨越一部分例如物理開(kāi)口的一 半的多個(gè)獨(dú)立部件的格柵葉片。這種方法是一種通過(guò)允許更小的其旋轉(zhuǎn) 軸是更短的弦的"月牙形"格柵部件而允許更有效率/有效果的跨越高 度彎曲的格柵形狀的方法，也就是說(shuō)，跨越一個(gè)弧形的弦部件數(shù)量越多， 每個(gè)部件的弧度(曲率)就越小。 一個(gè)例子是將水平葉片的格柵分為兩 部分，其中分隔線沿整個(gè)開(kāi)口的水平中心向下?？梢栽谥行奶幨褂脝蝹€(gè) 垂直導(dǎo)軌來(lái)同時(shí)控制右邊和左邊的部分?？蛇x地可以在每一外側(cè)邊緣4吏 用單獨(dú)的垂直導(dǎo)軌或在中心處使用雙導(dǎo)軌以提供右手和左手部分的單 獨(dú)致動(dòng)。另外，可以預(yù)見(jiàn)到能夠?qū)⑻囟ǖ氖杷苛?包括納米涂料)用 于格柵葉片以作為最小化格柵被雪/冰/泥漿涂敷和堵塞情況的出現(xiàn)頻
敷/堵塞)的一種方法。
例如，根據(jù)剛性位移方法，提出了旋轉(zhuǎn)，局部滑動(dòng)，和整體滑動(dòng)的 方法。第二種方法是當(dāng)外部連接的活性材料被用于彎曲或以其他方式使格柵的柔性部件變形時(shí)，以此來(lái)改變開(kāi)口形狀。實(shí)施例的笫三種方法是 在其中活性材料被嵌入在格柵的柔性部件內(nèi)并且其致動(dòng)導(dǎo)致格柵形狀 和開(kāi)口大小的變化。實(shí)施例的第四種方法是在其中活性材料構(gòu)成格柵的 部件并且其致動(dòng)導(dǎo)致格柵形狀和開(kāi)口大小的變化。實(shí)施例的第五種方法 是在其中使用上述四種方法中的一種以激活獨(dú)立于格柵但是可能被連 接至格柵的部件，該部件-例如側(cè)翼-的激活導(dǎo)致該部件遮蓋格柵的一個(gè) 或多個(gè)開(kāi)口 。在可選方法中包括在本公開(kāi)內(nèi)的是用于替換當(dāng)前的被動(dòng)格 柵的完整的直接替代的活性格柵單元，和直接滑向被動(dòng)格柵背部的活性 單元，該背部單元包含活性關(guān)閉部件，也就是改進(jìn)型格柵。
在圖5A和圖5B中，葉片30由柔性材料構(gòu)成，柔性材料表現(xiàn)出足 夠的柔性以在活性材料32改變至少一種屬性時(shí)用作設(shè)置在彈性或可彎 曲材料34內(nèi)的可調(diào)節(jié)活性格柵。例如，葉片30可以包括由活性材料16 構(gòu)成的至少一部分，如圖中所示的柵格形式?；钚圆牧?2可以在第一 溫度下具有基本平坦的形狀(圖5a)而在被加熱至相變溫度以上時(shí)具有 彎曲的形狀(也就是如圖5b所示的曲線形狀)。激活裝置36被連接至 活性材料以提供選擇性的激活?？刂破?8和傳感器40能夠被編程為控 制激活裝置36。
如圖6所示，示出了葉片50的透視圖，具有嵌入在柔性材料54上 或嵌入在柔性材料54內(nèi)的活性材料52的條帶和/或部分。活性材料52 的設(shè)置不局限于任何特定的結(jié)構(gòu)或模式而是由所需的格柵應(yīng)用來(lái)決定。 在一個(gè)實(shí)施例中，例如在SMA條帶中，活性材料52具有在奧氏體相中 的整形彎曲形狀，未在本視圖中示出。在固定的或較低的車(chē)輛速度下， 活性材料52可以通過(guò)電阻加熱或者被動(dòng)地通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量而被加熱， 這可能會(huì)造成活性材料52彎曲并因此允許氣流通過(guò)格柵。形狀的改變 可以由通過(guò)激活裝置54，控制器56，和/或傳感器58傳輸?shù)募せ钚盘?hào) 發(fā)起。
作為形狀記憶合金相變的結(jié)果，葉片的硬度將會(huì)大于馬氏體相時(shí)的 硬度。嵌入的活性材料條帶的數(shù)量和尺寸可以被選擇為使得嵌入的活性 材料52在處于奧氏體相時(shí)造成活性格柵葉片50的體積變形。但是，當(dāng) SMA材料處于馬氏體相時(shí)，構(gòu)成葉片50體積的柔性材料足夠硬以將裝置 的格柵葉片返回到平坦，展開(kāi)的結(jié)構(gòu)，并因此矯直活性材料52。在較高 的速度下，超過(guò)預(yù)定的車(chē)輛速度時(shí)，當(dāng)前流量導(dǎo)致的電阻加熱可以被停止，使得活性材料52返回馬氏體相。用這種方式，活性格柵葉片50回 復(fù)到平坦的展開(kāi)狀態(tài)，從而防止氣流通過(guò)活性格柵。有利地，如果葉片 50的變形是作用力的結(jié)果，例如是由于通過(guò)將活性材料52加熱到奧氏 體相溫度使活性材料52的條帶塑性變形產(chǎn)生的應(yīng)力的結(jié)果，那么葉片 50可以被恢復(fù)。
在一個(gè)附加實(shí)施例中，如圖7所示，葉片60的透視圖包括設(shè)置在 有效工作范圍內(nèi)的螺旋彈簧形狀的活性材料62。在該實(shí)施例中，活性材 料62可以被外部直接連接或遠(yuǎn)程連接至葉片60的表面 葉片60被與 中空管64以管64可以繞其軸線自由旋轉(zhuǎn)這樣的方式連接。彈簧機(jī)構(gòu)65 和活性材料62都以相對(duì)的方式被連接至管64以使得它們各自的張力彼 此平衡。用這種方式，管64通過(guò)外部裝置的旋轉(zhuǎn)可以在一個(gè)方向上增 大張力同時(shí)在另一個(gè)方向上減小張力。在較低的車(chē)輛速度下(也就是低 于預(yù)定速度)，彈簧機(jī)構(gòu)65中的張力與未被加熱的活性材料62降低的 硬度和更大的長(zhǎng)度相結(jié)合造成葉片60的旋轉(zhuǎn)。在較高的速度下(也就 是高于預(yù)定速度)，活性材料62的溫度能夠通過(guò)電阻加熱或者傳導(dǎo)加熱 被升高以在活性材料62中產(chǎn)生從馬氏體相到奧氏體相的相變。由活性 材料62構(gòu)成的連線優(yōu)選地表現(xiàn)為長(zhǎng)度最多減小約4%和硬度屬性最多增 加3倍。用這種方式，長(zhǎng)度的減小結(jié)合硬度屬性的增加能夠造成葉片60 的旋轉(zhuǎn)，也就是管64的旋轉(zhuǎn)和反平衡彈簧機(jī)構(gòu)65的拉伸。在電阻加熱 停止后，活性材料62冷卻至馬氏體相且拉伸的彈簧機(jī)構(gòu)65能夠被用于 使葉片返回至其初始位置。在另一個(gè)實(shí)施例中，活性材料62的一種或 多種屬性的改變和/或葉片60的位置可以在激活信號(hào)停止后繼續(xù)保持。 在該實(shí)施例中，葉片60包括保持活性材料62變化的裝置，例如閂，鎖， 止檔和/或類(lèi)似裝置。在釋放保持活性材料62中的變化的裝置后，葉片 60返回到初始位置。如前所述，激活裝置66，控制器68和/或傳感器 70可以與彼此和葉片60結(jié)合發(fā)揮作用以發(fā)起活性材料62的至少一種屬 性的變化和葉片位置的變化。
如上所述，在上述任一實(shí)施例中確定格柵10的葉片14， 30， 50, 60都可以在兩個(gè)位置-完全打開(kāi)和完全關(guān)閉位置-之間移動(dòng)；可以在多 個(gè)介于完全打開(kāi)和完全關(guān)閉之間的不連續(xù)開(kāi)度之間移動(dòng)；或者單獨(dú)控制 或分組控制多個(gè)活性部件中不同部件的打開(kāi)和關(guān)閉。這樣，關(guān)閉葉片的 橫向和/或垂直移動(dòng)就被用于關(guān)閉/打開(kāi)垂直或橫向的格柵開(kāi)口。上述任一實(shí)施例中的活性材料包括能夠響應(yīng)激活信號(hào)表現(xiàn)出硬度 屬性，形狀和/或尺寸變化的那些組合，對(duì)于不同的活性材料激活信號(hào) 可以采取電場(chǎng)，磁場(chǎng)，熱場(chǎng)和類(lèi)似場(chǎng)的類(lèi)型。激活信號(hào)可以是被動(dòng)的或 主動(dòng)的。也就是說(shuō)，激活信號(hào)可以被主動(dòng)地施加至形狀記憶材料，例如 通過(guò)向與形狀記憶材料有效相聯(lián)的電阻導(dǎo)線施加電流，或者也可以被間 接地施加，例如通過(guò)浸入發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液內(nèi)，置于激動(dòng)車(chē)輛的工作溫度內(nèi)， 和類(lèi)似方式。優(yōu)選的活性材料包括但不限于各類(lèi)形狀記憶材料及其組 合。形狀記憶材料通常表示具有記憶其初始的至少一種屬性例如形狀的 能力的材料或組合，所述屬性隨后能夠通過(guò)施加或停止某種外界刺激而 從這些材料的不同狀態(tài)下被恢復(fù)，正如將在本文中詳細(xì)論述的那樣。因 此，初始形狀的變形是暫時(shí)狀態(tài)。用這種方式，不同的形狀記憶材料能 夠響應(yīng)于激活信號(hào)的施加或去除而改變?yōu)橛?xùn)練形狀。
記憶合金("SMA",例如熱激活和應(yīng)力激活的形狀記憶合金和磁控形狀 記憶合金(MSMA))，電活性聚合物(EAP)例如絕緣彈性體，離子型聚 合物金屬?gòu)?fù)合物(IPMC),壓電材料(例如聚合物，陶瓷)，和形狀記憶 聚合物(SMP)，形狀記憶陶資(SMC),壓塑性塑料，磁流變(MR)材料 (例如流體和彈性體)，電流變(ER)材料(例如流體和彈性體)，上述 活性材料和非活性材料的復(fù)合材料，由至少一種上述活性材料構(gòu)成的系 統(tǒng)，以及由至少一種上述活性材料構(gòu)成的組合。為了方便并作為示例， 本文中提及的活性材料表示形狀記憶合金和形狀記憶聚合物。形狀記憶 陶瓷，壓塑性塑料，和類(lèi)似材料，也可以按類(lèi)似方式使用。例如，對(duì)于 壓塑性塑料，壓力導(dǎo)致的高溫和低溫玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)部件的納米 相域混合實(shí)現(xiàn)形狀的改變。壓塑性塑料可以在相對(duì)低的溫度下重復(fù)使用 而不會(huì)退化。SMC類(lèi)似于SMA但是與其他的形狀記憶材料相比能夠承受 更高的工作溫度。SMC的一個(gè)例子是壓電材料。
形狀記憶材料在施加或去除外部刺激后返回其初始形狀的能力使 其被用于致動(dòng)器中來(lái)產(chǎn)生力/施加力以導(dǎo)致所需的動(dòng)作?；钚圆牧现聞?dòng) 器與傳統(tǒng)的機(jī)電式和液壓式致動(dòng)裝置相比提供了降低致動(dòng)器的尺寸，重 量，體積，成本，噪音和提高其魯棒性的可能性。例如鐵磁SMA響應(yīng)于 施加的磁場(chǎng)(并與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例)表現(xiàn)出快速的高達(dá)幾個(gè)百分點(diǎn)的尺 寸變化。但是，這些變化是單向變化并利用偏置力或反向場(chǎng)的使用來(lái)將鐵磁SMA返回其起始結(jié)構(gòu)。
形狀記憶合金是具有至少兩種不同的與溫度相關(guān)的相或極性的合 金組合。這些相中使用最為普遍的是所謂的馬氏體相和奧氏體相。在下 面的討論中，馬氏體相通常指的是更具有可變形性的溫度更低的相，而 奧氏體相通常指的是更剛性的溫度更高的相。當(dāng)形狀記憶合金處于馬氏 體相且被加熱時(shí)，其開(kāi)始變?yōu)閵W氏體相。該現(xiàn)象開(kāi)始時(shí)所處的溫度通常 被稱(chēng)作奧氏體起始溫度(As)。該現(xiàn)象完成時(shí)的溫度通常被稱(chēng)作奧氏體完 成溫度(Af)。當(dāng)形狀記憶合金處于奧氏體相并被冷卻時(shí)，其開(kāi)始變?yōu)轳R 氏體相，且該現(xiàn)象開(kāi)始時(shí)所處的溫度通常被稱(chēng)作馬氏體起始溫度(Ms)。
(Mf)。 As和二i間的范圍通常被稱(chēng)作馬氏體-奧氏體轉(zhuǎn);溫度范圍，而 Ms和Mf之間的范圍通常被稱(chēng)作奧氏體-馬氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍。應(yīng)該注意 到上述的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)SMA樣品所經(jīng)受應(yīng)力的函數(shù)。通常，這些溫度隨著 應(yīng)力的增加而增加。考慮到上述性質(zhì)，優(yōu)選在奧氏體起始溫度下或在低 于奧氏體起始溫度的溫度下(在As下或低于As的溫度下)進(jìn)行形狀記 憶合金的變形。隨后加熱到高于奧氏體起始溫度使變形的形狀記憶合金 樣品開(kāi)始回復(fù)到其初始(未經(jīng)受應(yīng)力)的永久形狀，直到在奧氏體完成 溫度下完成為止。因此，用于形狀記憶合金的適當(dāng)?shù)募せ钶斎牖蛐盘?hào)是 其大小足以導(dǎo)致在馬氏體相和奧氏體相之間進(jìn)行轉(zhuǎn)變的熱激活信號(hào)。
可以通過(guò)合金成分的微小變化并通過(guò)熱-機(jī)械處理來(lái)調(diào)整形狀記憶 合金被加熱時(shí)記憶其高溫形式(也就是其初始的未經(jīng)受應(yīng)力的形狀)所 處的溫度。例如在鎳-鈦形狀記憶合金中，該溫度可以從高于約ioor的 溫度變化至低于約-ioor;的溫度。形狀回復(fù)過(guò)程可在僅幾度的范圍內(nèi)發(fā) 生或者在更寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行更為漸進(jìn)式的回復(fù)。可根據(jù)所需的應(yīng)用 和合金成分將轉(zhuǎn)變的開(kāi)始或完成控制在幾度之內(nèi)。形狀記憶合金的機(jī)械 性質(zhì)在跨越其轉(zhuǎn)變過(guò)程的溫度范圍內(nèi)發(fā)生很大程度的變化，通常提供了 形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。例如，在馬氏體相形態(tài)下，，見(jiàn)察到了比在 奧氏體相形態(tài)下更低的彈性模量。處于馬氏體相形態(tài)的形狀記憶合金能 夠由于所施加的應(yīng)力使晶體結(jié)構(gòu)布置得以重新排列而經(jīng)受大的變形。在 去除應(yīng)力后，材料將保持該形狀。換句話說(shuō)，在SMA中由應(yīng)力誘發(fā)的相 變?cè)诒举|(zhì)上是雙向的，當(dāng)SMA處于其奧氏體相狀態(tài)時(shí)施加足夠的應(yīng)力即 可導(dǎo)致其變?yōu)槟Ａ扛偷鸟R氏體相。去除所施加的應(yīng)力將導(dǎo)致SMA切換回其奧氏體相，并因此回復(fù)其起始形狀和更高的模量。形狀記憶合金的 機(jī)械性質(zhì)在跨越其轉(zhuǎn)變過(guò)程的溫度范圍內(nèi)發(fā)生很大程度的變化，通常給 格柵葉片提供了形狀記憶效應(yīng)，超彈性效應(yīng)，和高阻尼容量。
示范性的形狀記憶合金材料包括基于鎳-鈦的合金，基于銦-鈦的合 金，基于鎳-鋁的合金，基于鎳-鎵的合金，基于銅的合金(例如銅-鋅 合金，銅-鋁合金，銅-金和銅-錫合金)，基于金-鎘的合金，基于銀-鎘 的合金，基于銦-鎘的合金，基于錳-銅的合金，基于鐵-鉑的合金，基 于鐵-鈀的合金等等。合金可以是二元合金，三元合金或者任何更高級(jí) 別的合金，只要合金成分呈現(xiàn)出形狀記憶效應(yīng)即可，例如在形狀，朝向， 屈服強(qiáng)度，撓曲模量，阻尼容量，超彈性，和/或類(lèi)似性質(zhì)方面的變化。 對(duì)適當(dāng)?shù)男螤钣洃浐辖鸪煞值倪x擇部分地取決于預(yù)期應(yīng)用的溫度范圍。
在更高溫度下回復(fù)至奧氏體相的過(guò)程伴隨著很高的(與使材料變形 所需的應(yīng)力相比)應(yīng)力，可以高達(dá)奧氏體材料的固有屈服強(qiáng)度，有時(shí)則 高達(dá)變形的馬氏體相的固有屈服強(qiáng)度的三倍或更多倍。對(duì)于需要大量操
作循環(huán)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以獲得小于或等于4%左右的所用金屬絲的變形長(zhǎng) 度的應(yīng)變。在使用直徑為0.5毫米(mm)的記憶形狀合金的金屬絲進(jìn)行 的實(shí)驗(yàn)中，獲得了大小為4%的最大應(yīng)變。對(duì)于循環(huán)次數(shù)較少的應(yīng)用場(chǎng)合， 該百分比可以增加至8%。
MSMA是合金，通常由Ni-Mn-Ga構(gòu)成，因磁場(chǎng)產(chǎn)生的應(yīng)力而改變形 狀。MSMA具有不同磁性和晶體朝向的內(nèi)變量。在磁場(chǎng)中，這些變量的比 例變化，導(dǎo)致材料的整體形狀變化。MSMA致動(dòng)器通常需要MSMA材料被 設(shè)置在電磁鐵的線圈之間。流過(guò)線團(tuán)的電流誘發(fā)磁場(chǎng)穿過(guò)MSMA材料， 導(dǎo)致形狀的變化。
如前所述，其他示范性的形狀記憶材料是形狀記憶聚合物(SMP)。
"形狀記憶聚合物"通常是指在施加激活信號(hào)后表現(xiàn)出屬性例如模量， 尺寸，熱膨脹系數(shù)，透濕性，光學(xué)屬性(例如透射率)或包括上述屬性 中的至少一種的組合隨其微觀結(jié)構(gòu)和/或形態(tài)的改變而改變的聚合材 料。形狀記憶聚合物可以是熱響應(yīng)的(也就是屬性的改變是由直接通過(guò) 熱量供給或去除傳輸?shù)?，或間接通過(guò)相當(dāng)于在導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生熱量的模量 水平下激發(fā)高幅振動(dòng)的一定頻率的振動(dòng)傳輸?shù)臒峒せ钚盘?hào)所導(dǎo)致)，光 響應(yīng)的(也就是屬性的改變是由電磁輻射激活信號(hào)所導(dǎo)致)，濕響應(yīng)的
(也就是屬性的改變是由流體激活信號(hào)例如濕度，水蒸氣或水所導(dǎo)致)，化學(xué)響應(yīng)的(也就是對(duì)環(huán)境中的一種或多種化學(xué)物質(zhì)的濃度變化例如環(huán)
境的PH值即氫離子濃度的變化做出響應(yīng))，或者包括上述類(lèi)型中的至少 一種的組合。
通常，SMP是相離析的共聚物，包括至少兩種可以描述為SMP內(nèi)定 義不同鏈段的不同單元，每種鏈段對(duì)SMP的整體性質(zhì)貢獻(xiàn)不同。如本文 中所用，術(shù)語(yǔ)"鏈段"指的是共聚形成SMP的相同或相似單體或低聚物 單元的嵌段，接枝或序列。每種鏈段可以是(半)結(jié)晶或無(wú)定形的并且 分別具有相應(yīng)熔點(diǎn)或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。術(shù)語(yǔ)"熱轉(zhuǎn)變溫度"在本 文中為了方便被用于根據(jù)該鏈段是無(wú)定形鏈段還是結(jié)晶鏈段來(lái)統(tǒng)稱(chēng)Tg 或熔點(diǎn)。如果SMP包括(n )個(gè)鏈段，就說(shuō)該SMP具有一個(gè)硬鏈段和(n-l ) 個(gè)軟鏈段，其中硬鏈段的熱轉(zhuǎn)變溫度高于所有軟鏈段。因此，該SMP具 有(n)個(gè)熱轉(zhuǎn)變溫度。硬鏈段的熱轉(zhuǎn)變溫度被稱(chēng)作"最終轉(zhuǎn)變溫度"， 而所謂"最軟，，鏈段的最低熱轉(zhuǎn)變溫度被稱(chēng)作"第一轉(zhuǎn)變溫度"。重要 的是，如果SMP具有多個(gè)由相同的熱轉(zhuǎn)變溫度表征的鏈段，且該溫度也 是最終轉(zhuǎn)變溫度，那么就稱(chēng)該SMP具有多個(gè)硬鏈段。
當(dāng)SMP被加熱到高于最終轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，該SMP材料能夠被賦予永久 形狀。SMP的永久形狀可以通過(guò)隨后將SMP冷卻至低于那個(gè)溫度而被固 定或記憶。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)"初始形狀，，，"原來(lái)定義的形狀"，"預(yù) 定形狀，，和"永久形狀"是同義的且旨在互換地使用。 一種暫時(shí)形狀的 設(shè)定可以通過(guò)將材料加熱至高于所有軟鏈段的熱轉(zhuǎn)變溫度卻低于最終 轉(zhuǎn)變溫度的溫度，施加外部應(yīng)力或載荷以使SMP變形，然后冷卻至軟鏈 段的特定熱轉(zhuǎn)變溫度之下同時(shí)保持變形的外部應(yīng)力或載荷。
定熱轉(zhuǎn)變溫度以上卻低于最終轉(zhuǎn)變溫度來(lái)恢復(fù)。因此，^f艮明顯通過(guò)組合 多種軟鏈段就有可能表現(xiàn)出多種暫時(shí)形狀，而用多種硬鏈段就有可能表 現(xiàn)出多種永久形狀。類(lèi)似地，使用層壓或負(fù)荷技術(shù)，多種SMP的組合將 表現(xiàn)出在多種暫時(shí)和永久形狀之間的轉(zhuǎn)換。盡管SMP可以應(yīng)用為各種片 材，板材，纖維，或泡沫形式以調(diào)節(jié)/控制葉片硬度，但是SMP還是具 有需要連續(xù)的動(dòng)力以保持其較低模量形狀的缺點(diǎn)。SMP因此而更好地適 用于根據(jù)駕駛偏好(通過(guò)加熱/冷卻/再加熱循環(huán))設(shè)定葉片的可逆形狀， 位置和朝向。
形狀記憶材料也可以包括壓電材料。此外，在某些實(shí)施例中，壓電材料可以被設(shè)置為致動(dòng)器以提供快速展開(kāi)。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)"壓電，， 被用于描述一種材料，在施加電壓電勢(shì)時(shí)，該材料機(jī)械變形(改變形狀)， 或者相反地，在機(jī)械變形時(shí)產(chǎn)生電荷。壓電材料在承受施加的電壓時(shí)表 現(xiàn)出很小的尺寸變化，該響應(yīng)與施加的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比且非常迅速(能
夠很容易地達(dá)到千赫范圍)。因?yàn)槠涑叽缱兓苄?例如小于0. 1%),所
以為了大幅度增加尺寸變化的大小，壓電材料通常以被構(gòu)造為在施加相 對(duì)小的電壓時(shí)可彎成凹形或凸形的壓電陶瓷單壓電晶片和雙壓電晶片 的平片式致動(dòng)器的形式使用。這種晶片在固定器襯墊內(nèi)的變形/彎曲適 合用于抓緊/釋放目標(biāo)物體。
一種類(lèi)型的單壓電晶片是外部粘合至柔性金屬箔或條帶的單個(gè)壓 電元件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，柔性金屬箔或條帶在用變化的電壓激活時(shí)被壓電元 件刺激并由于其對(duì)抗壓電元件的移動(dòng)而導(dǎo)致軸向的翹曲或撓曲。單壓電 晶片的致動(dòng)器動(dòng)作可以通過(guò)收縮或膨脹進(jìn)行。單壓電晶片可以表現(xiàn)出高
達(dá)約10%的應(yīng)變，但通常只能承受相對(duì)于單壓電晶片結(jié)構(gòu)的整體尺寸而
言較低的負(fù)荷。
與單壓電晶片壓電設(shè)備相反，雙壓電晶片設(shè)備包括夾在兩個(gè)壓電元 件之間的中間柔性金屬箔。因?yàn)樵谒┘拥碾妷合乱粋€(gè)陶瓷元件會(huì)收縮 而另一個(gè)則膨脹，所以雙壓電晶片表現(xiàn)出比單壓電晶片更大的位移。雙
壓電晶片可以表現(xiàn)出高達(dá)約20%的應(yīng)變，但類(lèi)似于單壓電晶片，通常不 能承受相對(duì)于單壓電晶片結(jié)構(gòu)的整體尺寸而言的高負(fù)荷。
示范性的壓電材料包括無(wú)機(jī)化合物，有機(jī)化合物和金屬。對(duì)于有機(jī) 材料而言，具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和在分子的主鏈或側(cè)鏈或既在主鏈又在 側(cè)鏈中具有大偶極矩基團(tuán)的所有聚合物材料都可以被用作壓電薄膜的 候選材料。聚合物的實(shí)例包括聚(4-苯乙烯磺酸鈉)("PSS，，)，聚S-119
(聚(乙烯胺)主鏈偶氮生色團(tuán))，和其衍生物；多氟烴，包括聚偏l，l-二氟乙烯("PVDF，，)，其共聚物1， 1-二氟乙烯("VDF，，)，三氟乙烯(TrFE )， 和其衍生物；多氯烴，包括聚(氯乙烯)("PVC，，)，聚偏l，l-二氯乙烯
("PVC2"),和其衍生物；聚丙烯腈("PAN")，和其衍生物；聚羧酸類(lèi)， 包括聚(甲基丙烯酸("PMA"))，和其衍生物；聚脲，和其衍生物；聚 氨酯("PUE")，和其衍生物；生物高分子例如聚-L-乳酸類(lèi)和其衍生物， 和膜蛋白質(zhì)，以及磷酸鹽生物分子；聚苯胺和其衍生物，以及全部四胺 衍生物；聚酰亞胺，包括Kapton⑧分子和聚醚酰亞胺("PEI")，和其衍生物；所有的膜聚合物；聚(N-乙烯基吡咯烷酮)("PVP，，)均聚物， 和其衍生物，和無(wú)規(guī)PVP-共乙酸乙烯酯("PVAC")共聚物；和所有在 主鏈或側(cè)鏈或既在主鏈又在側(cè)鏈中具有偶極矩基團(tuán)的芳香族聚合物，以 及包括上述聚合物中的至少 一種的組合。
進(jìn)一步地，壓電材料可包括Pt， Pd, Ni， Ti， Cr， Fe, Ag， Au, Cu，和包括上述金屬中的至少一種的金屬合金，以及包括上述材料中的 至少 一種的混合物。這些壓電材料還可以包括例如金屬氧化物，如Si02 ， A1203， Zr02， Ti02， SrTi03， PbTi03， BaTi03， Fe03， Fe304， ZnO， 和包括上述材料中的至少一種的混合物；以及VIA和IIB族化合物，例 如CdSe， CdS, GaAs, AgCaSe2， ZnSe, GaP， InP， ZnS,和包括上 述材料中的至少一種的混合物。
示范性的形狀記憶材料還包括磁流變(MR)和ER共聚物。MR 共聚物是微米級(jí)的可磁性極化的粒子(例如，如下所述的鐵磁或順磁例 子)在共聚物(例如熱固性彈性聚合物或橡膠)中的懸浮體。示范性的 共聚物基體包括聚-a-烯烴，天然橡膠，硅樹(shù)脂，聚丁二烯，聚乙烯， 聚異戊二烯，和包括上述材料中的至少一種的混合物。
通過(guò)變化所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，由改變剪切和抗壓/張力模量來(lái)獲得聚 合物結(jié)構(gòu)的硬度和潛在形狀。MR聚合物通常在暴露于磁場(chǎng)中僅僅幾亳 秒時(shí)就形成其結(jié)構(gòu)，其硬度和形狀的改變正比于所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。中 斷MR聚合物在磁場(chǎng)中的暴露而使該過(guò)程逆轉(zhuǎn)，該聚合物返回到其較低 的模量狀態(tài)。
電活性聚合物(EAP)是一對(duì)電極和低彈性模量介電材料的中間層 的層壓板。在電極之間施加電壓擠壓中間層使其在平面內(nèi)膨脹。它們表 現(xiàn)出與所施加的場(chǎng)成比例的響應(yīng)并能夠在高頻下被致動(dòng)。已經(jīng)介紹了 EAP變形層壓板。它們的主要缺點(diǎn)是與壓電材料所需的電壓相比需要施 加大約為三倍大小的電壓。
電活性聚合物包括響應(yīng)于電場(chǎng)或力學(xué)場(chǎng)而表現(xiàn)出壓電，熱電或電致 伸縮性質(zhì)的那些聚合物材料。電致伸縮接枝彈性體的實(shí)例是壓電聚(亞 乙烯基氟化物-三氟代乙烯)的共聚物。該組合物具有能夠產(chǎn)生變化量 的鐵電-電致伸縮分子復(fù)合體系的能力。
適于用作電活性聚合物的材料可以包括響應(yīng)于靜電力而產(chǎn)生變形 或者所產(chǎn)生的變形導(dǎo)致電場(chǎng)產(chǎn)生變化的任何基本絕緣的聚合物和/或橡膠。適于用作預(yù)應(yīng)變聚合物的示范性材料包括硅酮彈性體，丙烯酸彈性
體，聚氨酯，熱塑性彈性體，包括PVDF的共聚物，壓敏膠粘劑，含氟 彈性體，包括硅酮和丙烯酸基團(tuán)的聚合物(例如，包括硅酮和丙烯酸基 團(tuán)的共聚物，包括硅酮彈性體和丙烯酸彈性體的共混聚合物等)。
可以基于一種或多種材料性質(zhì)例如高的電擊穿強(qiáng)度，低的彈性模量 (例如對(duì)于大變形或小變形而言)，高介電常數(shù)等來(lái)選擇被用作電活性 聚合物的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物可被選擇為使其具有小于或等 于約lOOMpa的彈性模量。在另一個(gè)實(shí)施例中，聚合物可被選擇為使其 具有約0.05兆帕(Mpa )和約10Mpa的最大致動(dòng)壓力，或更具體地， 具有約0.3Mpa至約3Mpa的最大致動(dòng)壓力。在另一個(gè)實(shí)施例中，聚合 物可被選擇為使其具有大約為2和大約為20的介電常數(shù)，或更具體地， 具有大約為2.5和大約為12的介電常數(shù)。本公開(kāi)不應(yīng)理解為局限于這些 范圍。理想地，如果材料既具有高介電常數(shù)又具有高介電強(qiáng)度，那么具 有比上述給出的范圍更高的介電常數(shù)的材料將是所希望的。在很多情況 下，電活性聚合物可以被制作和實(shí)施為薄膜，例如具有小于或等于50 微米的厚度。
由于電活性聚合物會(huì)在高應(yīng)變下偏斜，因此，連接到聚合物上的電 極也應(yīng)該偏斜而不會(huì)有損于機(jī)械或電性能。通常，適于使用的電極可以 是任何形狀和材料，只要它們能夠?qū)⑦m當(dāng)?shù)碾妷禾峁┙o電活性聚合物或 者從電活性聚合物接收適當(dāng)?shù)碾妷杭纯?。電壓可以是常?shù)或者也可以隨 時(shí)間變化。在一個(gè)實(shí)施例中，電極附著到聚合物的表面。附著到聚合物 上的電極可以是適應(yīng)性的并符合聚合物變化的形狀。電極可以?xún)H僅被施 加到聚合物的一部分上并根據(jù)其幾何形狀限定出活性區(qū)域。各種類(lèi)型的 電極包括由金屬跡線和電荷分布層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)化電極，由超出平面尺寸 變化的傳導(dǎo)性油脂(例如碳油脂和銀油脂)構(gòu)成的網(wǎng)狀電極，膠狀懸浮 物，高縱橫比的傳導(dǎo)性材料(例如碳纖維和碳納米管，與離子傳導(dǎo)性材 料的混合物)，以及包括上述材料中的至少一種的混合物。
示范性的電極材料可以包括石墨，碳黑，膠體懸浮物，金屬(包括 銀和金)，充填凝膠和聚合物(例如充填銀和充填碳的凝膠和聚合物)， 和離子或電子傳導(dǎo)性聚合物，以及包括上述材料中的至少一種的混合 物。應(yīng)該理解某種電極材料可能對(duì)于特定的聚合物而言運(yùn)行良好但對(duì)其 他聚合物則運(yùn)行地不那么良好。作為實(shí)例，碳纖維對(duì)于丙烯酸彈性體聚合物而言運(yùn)行良好但對(duì)于硅酮聚合物而言則運(yùn)行地不那么良好。
磁致伸縮是固體在經(jīng)受外部磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生較大機(jī)械變形的現(xiàn)象。這種 磁致伸縮現(xiàn)象歸因于材料內(nèi)小磁疇的旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)在材料未暴露于磁 場(chǎng)中時(shí)是隨機(jī)朝向的。這種形狀的改變?cè)阼F磁體或鐵磁固體中最大(例
如Terfenol-D磁致伸縮材料)。這些材料具有非常快速的響應(yīng)能力，和 與所施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的應(yīng)變，并且它們?cè)谌コ艌?chǎng)后返回其起始 尺寸。但是，這些材料具有的最大應(yīng)變僅為大約0.1%到大約0.2%。
本公開(kāi)的活性格柵和方法能夠通過(guò)改變活性材料的至少一種屬性 來(lái)調(diào)節(jié)格柵特征例如形狀，尺寸，硬度，位置，其組合，和類(lèi)似特征以 滿(mǎn)足不同的行車(chē)條件的需要。活性材料16的至少一種屬性的改變包括 形狀，尺寸，硬度，其組合和類(lèi)似屬性的改變。利用活性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這 些變化給活性格柵提供了更好的簡(jiǎn)易性和魯棒性，同時(shí)減少了失效模式 的次數(shù)，設(shè)備的體積和用于因高能量密度而激活的能量需求。
除非另外指出，否則在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中使用的表示成分的數(shù)
量，性質(zhì)例如分子量，反應(yīng)條件等的所有數(shù)字應(yīng)被理解為在所有情況下 都用術(shù)語(yǔ)"約，，來(lái)修飾。因此，除非相反地指出，否則在以下說(shuō)明書(shū)和 所附權(quán)利要求中所述的數(shù)值參數(shù)都是可以根據(jù)本公開(kāi)試圖獲得的期望 性質(zhì)變化的近似值。至少，并且不是試圖用等價(jià)理論的應(yīng)用限制權(quán)利要 求的保護(hù)范圍，每個(gè)數(shù)值參數(shù)都應(yīng)至少按照所報(bào)告的有效數(shù)字并通過(guò)應(yīng) 用常規(guī)的取舍規(guī)則來(lái)進(jìn)行理解。
用于調(diào)節(jié)氣流的活性格柵可以被用于控制通過(guò)和/或穿過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)輛 內(nèi)的散熱器，燃料電池?fù)專(zhuān)剂想姵?，?或發(fā)動(dòng)機(jī)槍的氣流。但是，應(yīng) 該理解格柵可以被設(shè)置和適合用于機(jī)動(dòng)車(chē)輛的其他部分，例如但不應(yīng)理 解為局限于，傳輸殼體上，空調(diào)熱交換器上，制動(dòng)器上，穿過(guò)輪胎開(kāi)口， 和類(lèi)似部分的氣流控制。
控制邏輯的元素包括但不局限于由車(chē)速命令的打開(kāi)/關(guān)閉；致動(dòng)機(jī) 構(gòu)上的用于對(duì)因被碎片，冰塊等堵塞或鎖定造成的過(guò)載進(jìn)行保護(hù)的限力 控制；手動(dòng)按鈕控制的打開(kāi)和關(guān)閉操作；具有局部移動(dòng)靈活性以避免夾 手指等情況的移動(dòng)部件的物理設(shè)計(jì)；指示只能在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行且車(chē)輛掛檔 時(shí)和/或車(chē)輛掛檔且移動(dòng)時(shí)發(fā)生關(guān)閉的邏輯；用于致動(dòng)的多個(gè)線束的使 用，其中只有有限數(shù)量的控制線會(huì)在車(chē)輛靜止時(shí)使用以使夾手指的負(fù)荷
被限制在安全邊界內(nèi)；所有的控制線在車(chē)輛處于一定速度下時(shí)都被激活；使格柵在停車(chē)時(shí)且溫度低于冰點(diǎn)時(shí)打開(kāi)的邏輯以避免格柵受凍關(guān) 閉；使用可獲得的信號(hào)例如冷卻液的溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度等來(lái)控制格 柵的打開(kāi)和關(guān)閉；使格柵在停車(chē)時(shí)且溫度低于(可能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于)冰點(diǎn) 時(shí)打開(kāi)的邏輯以避免發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)快地冷卻；使格柵在任何車(chē)輛工作循環(huán)中 初始關(guān)閉直至發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)的邏輯以允許更快速地加熱和伴隨排放的潛 在減少；還包括被動(dòng)的安全超馳機(jī)構(gòu)(基于SMA的形狀記憶)以在被動(dòng) 機(jī)構(gòu)所處區(qū)域內(nèi)的溫度過(guò)高時(shí)導(dǎo)致自動(dòng)打開(kāi)。
盡管已經(jīng)參考示范性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了介紹，但是本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員應(yīng)該理解的是可以進(jìn)行各種變化并且可以用等價(jià)物取代其各 個(gè)部件而并不背離本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外，可以進(jìn)行多種變形以根據(jù) 本發(fā)明的教導(dǎo)適應(yīng)特定的情況或材料而并不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)保護(hù)范 圍。因此，應(yīng)該理解本發(fā)明不但不局限于為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而作為最佳方 式公開(kāi)的特定實(shí)施例，而且本發(fā)明應(yīng)該包括落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的 所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1、一種被設(shè)置成選擇性地控制流體流動(dòng)的活性格柵，包括樞軸安裝至框架的葉片；和與所述葉片有效相聯(lián)的活性材料，所述活性材料響應(yīng)激活信號(hào)而有效改變至少一種屬性，其中通過(guò)所述格柵的流體流動(dòng)隨著所述活性材料的所述至少一種屬性的改變而改變。
2、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所述葉片由所述活性材料 制成。
3、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所迷葉片的至少一部分由 所述活性材料制成。
4、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所述活性材料包括形狀記 憶合金，電活性聚合物，離子型聚合物金屬?gòu)?fù)合物，壓電材料，形狀記 憶聚合物，形狀記憶陶覺(jué)，磁流變材料，電流變材料，電致伸縮材料， 磁致伸縮材料，上述活性材料中的至少 一種和非活性材料的復(fù)合材料， 以及包括上述活性材料中的至少一種的組合。
5、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所述激活信號(hào)包括熱激活 信號(hào)，電激活信號(hào)，磁激活信號(hào)，化學(xué)激活信號(hào)，機(jī)械負(fù)載，或者包括 上述激活信號(hào)中的至少 一種的組合。
6、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括設(shè)置成將所述激活 信號(hào)提供給所述活性材料的激活裝置。
7、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括控制器，控制器有 效連接至設(shè)置成將所述激活信號(hào)提供給所述活性材料的激活裝置。
8、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所述至少一種屬性的改變 包括形狀，尺寸，物相，形狀朝向，硬度，剪切強(qiáng)度和/或粘度或者包 括上述屬性中的至少 一種的組合的改變。
9、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括設(shè)置成將所述葉片恢復(fù)為笫一位置的偏置彈簧。
10、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括用于在所述作用信 號(hào)停止后保持所述葉片位置的裝置。
11、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括連接至所述激活裝 置的設(shè)置成對(duì)過(guò)載進(jìn)行保護(hù)的限力控制裝置。
12、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，其中所述葉片被連接至設(shè)置成 將所述葉片樞轉(zhuǎn)至打開(kāi)或關(guān)閉位置的活性材料致動(dòng)器。
13、 如權(quán)利要求12所述的活性格柵，其中所述基于活性材料的致 動(dòng)器是用所述活性材料制成的一端連接至所述葉片而另一端連接至靜 止表面的控制線。
14、 如權(quán)利要求1所述的活性格柵，進(jìn)一步包括設(shè)置成檢測(cè)預(yù)定機(jī) 動(dòng)車(chē)輛狀態(tài)的傳感器。
15、 一種機(jī)動(dòng)車(chē)輛，包括設(shè)置成選擇性地控制氣流的活性格柵，其中所述活性格柵包括多個(gè) 葉片和與所述葉片有效相聯(lián)的活性材料，所述活性材料響應(yīng)激活信號(hào)而有效改變至少一種4性，其中通過(guò)所述格柵的氣流隨著所述活性材料的 所述至少一種屬性的改變而改變。
16、 如權(quán)利要求15所述的車(chē)輛，其中所述活性材料包括形狀記憶 合金，電活性聚合物，離子型聚合物金屬?gòu)?fù)合物，壓電材料，形狀記憶 聚合物，形狀記憶陶瓷，磁流變材料，電流變材料，電致伸縮材料，磁 致伸縮材料，上迷活性材料中的至少一種和非活性材料的復(fù)合材料，以 及包括上述活性材料中的至少 一種的組合。
17、 如權(quán)利要求15所述的車(chē)輛，其中所述至少一種屬性的改變包 括形狀，尺寸，物相，形狀朝向，硬度，剪切強(qiáng)度和/或粘度或者包括 上述屬性中的至少一種的組合的改變。
18、 一種控制流體流動(dòng)通過(guò)由多個(gè)葉片構(gòu)成的格柵的方法，所述方 法包括至少一個(gè)從第一位置樞轉(zhuǎn)至第二位置，其中從所述第一位置到所述第二 位置的移動(dòng)改變了流過(guò)所述格柵的流體量。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括在所述激活信號(hào)停止 后將所述多個(gè)葉片中的所述至少一個(gè)保持在所述第二位置。
20、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中將所述多個(gè)葉片中的所述至 少一個(gè)從所述第一位置樞轉(zhuǎn)至所述第二位置增加了流過(guò)所述格柵的流
全文摘要
一種活性格柵(10)，包括多個(gè)葉片(14)和與葉片(14)有效相聯(lián)的活性材料?；钚圆牧吓c葉片(14)有效相聯(lián)并響應(yīng)激活信號(hào)而有效改變至少一種屬性，其中流過(guò)格柵(10)的流體量隨著活性材料的所述至少一種屬性的改變而改變。作為示例，在機(jī)動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用中，位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙前方的格柵(10)的葉片(14)能夠被選擇性地設(shè)置為由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的升高而提供更多的氣流通過(guò)散熱器。這樣，活性格柵(10)能夠被設(shè)置成提高機(jī)動(dòng)車(chē)輛燃料的經(jīng)濟(jì)性同時(shí)保持適當(dāng)?shù)陌l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。可以使用激活裝置(20)，控制器(22)和傳感器(24)以進(jìn)一步控制活性格柵(10)的至少一種屬性的改變。
文檔編號(hào)B60Q1/00GK101437705SQ200780015856
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月1日
發(fā)明者A·L·布勞恩, N·L·約翰遜 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司