專利名稱：可逆展開的阻流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容涉及一種用于車輛的氣流控制裝置，并且更特別
地涉及一種用于車輛的可逆展開的阻流器，其使用活性材料來實(shí)現(xiàn)展 開和縮回。
背景技術(shù)：
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，和用于車輛動力系和 空調(diào)系統(tǒng)的冷/熱交換。在車輛阻力方面的減小改善了燃料經(jīng)濟(jì)性。車 輛上升和下降力會影響車輛穩(wěn)定性和操控性。在此使用的術(shù)語"氣流"
指的是在車輛部件周圍或穿過的空氣相對于車輛外表面或外部氣流可 沿其引導(dǎo)的車輛元件表面的運(yùn)動，例如發(fā)動機(jī)艙中的表面。術(shù)語"阻力
"指的是為了在流體中移動車身而由與重心運(yùn)動方向相反的方向的摩 擦引起的阻力。在此使用的術(shù)語"上升力"指的是由于氣流相對于車輛 的合力沿垂直向上方向作用于車輛的分力。在此使用的術(shù)語"下降力"
力Z ' ' 口 。 '在車輛制造領(lǐng)域中用于相對于車輛控制氣流的已知裝置通 常是預(yù)定的、具有不可調(diào)節(jié)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(yīng)該改變，因此不能將相對于車輛的氣流 控制到更好地適合變化的行車條件。另外，現(xiàn)行的車輛下方的氣流控 制裝置可減小離地間隙。車輛設(shè)計師面臨控制氣流同時保持足夠的離 地間隙的挑戰(zhàn)以避免接觸停車斜道、停車擋塊、坑洼、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?，F(xiàn)行的固定氣流控制裝置是可通過將該裝置裝配和/或連接 到液壓、機(jī)械、電氣促動器和/或其它促動器進(jìn)行調(diào)整的。例如，某些 車輛氣流控制裝置可以根據(jù)促動器信號調(diào)整位置和/或方向。然而，這種促動器通常要求另外的元件，例如活塞、馬達(dá)、螺線管和/或用于激 勵的類似機(jī)構(gòu)，這增加了該裝置的復(fù)雜性，往往導(dǎo)致有所增加的故障 型式、維護(hù)和制造成本。因此，存在對可調(diào)節(jié)裝置的需要，用于在改 變行車條件情況下控制車輛氣流，該裝置增進(jìn)了裝置的簡單性同時減 小了裝置問題和故障型式的數(shù)目。有許多用于車輛氣流控制裝置的通用類型，其中的兩個是阻 流器和擾流板。圖1圖示了在與其功能有關(guān)的位置處包括阻流器3和擾 流板5的車輛1，如下所述。就形式、功能、放置和設(shè)計而言，阻流器 不同于擾流板。阻流器通常被定義為前部氣流限制器，其設(shè)計為使車 輛周圍(下方)的氣體流動流暢，減小阻力系數(shù)，改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性、 操控性和高速時的操縱。與此相反，擾流板設(shè)計為通過增加車輛后部 的向下力來改進(jìn)抓地性。使用擾流板增加了轉(zhuǎn)彎能力并改進(jìn)了高速時 的穩(wěn)定性，但是往往以額外的氣動阻力和重量為代價?，F(xiàn)行的阻流器和擾流板通常是固定的幾何形狀、位置、方向 和剛性。因此在行車條件改變時這種裝置不會被再定位、再調(diào)整、再 成形等等，因此車身上方/下方/周圍的氣流不能調(diào)節(jié)到更好地適合變 化了的行車條件。此外，現(xiàn)行的阻流器減小了車輛的離地間隙，并因 此對設(shè)計師提出恒久的挑戰(zhàn)來提供氣流的必要控制同時保持充分的離 地間隙以避免接觸停車斜道、停車擋塊和由其造成的損壞，和與坑洼 及路緣碰撞。按此方式，如果車身下部的氣流控制裝置延伸到足夠靠 近地面，會存在關(guān)于經(jīng)過深積水、冰凌、雪和非道路的未鋪道面行駛 的問題。因此，需要擁有可根據(jù)行車條件有選擇地展開和縮回的可展 開阻流器。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開的是限定車輛表面的阻流器，通過可變的離地間隙 其可在車輛運(yùn)動期間改變車輛下方的氣流。在一個實(shí)施例中，車輛阻 流器系統(tǒng)包括外殼，具有開口；氣流控制元件，可平移地設(shè)置在外殼 中并與該開口滑動接合；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(shí)現(xiàn)該氣流控制元件從外殼的展開和縮回其 中。
在另一實(shí)施例中，阻流器包括外殼，外殼包括可轉(zhuǎn)動設(shè)置在 該外殼中的氣流控制元件，其中該氣流控制元件的轉(zhuǎn)動提高或降低了 車輛運(yùn)動期間車輛下方的氣流；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(shí)現(xiàn)氣流控制元件的轉(zhuǎn)動。在又一個實(shí)施例中，阻流器包括位于車輛上的撓性表面使得 在其彎曲時影響車輛下方的氣流；與該撓性表面接觸的轉(zhuǎn)動凸輪；和
活性材料促動器，包括與氣流控制元件可操作連通的活性材料來實(shí)現(xiàn) 凸輪的轉(zhuǎn)動并引起該撓性表面的彎曲。上述及其他特征可通過下面的附圖和詳細(xì)說明來例證。


現(xiàn)在參考附圖，其是示例性實(shí)施例并且其中類似元件給出同 樣的編號圖1圖示了包括位于通常與其各自功能有關(guān)的位置的阻流器 和擾流板的車輛；圖2圖示了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實(shí)施例、處于展開位置的、
用于車輛的可逆展開的阻流器的截面圖；圖3圖示了處于縮回位置的圖2中可逆展開的阻流器的截面
圖；圖4圖示了根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實(shí)施例、處于縮回位置 的、用于車輛的可逆展開的阻流器的截面圖；圖5圖示了處于展開位置的圖4中可逆展開的阻流器的截面
圖；圖6圖示了根據(jù)本公開內(nèi)容的又一個實(shí)施例、處于縮回位置 的、用于車輛的可逆展開的阻流器的截面圖；圖7圖示了處于縮回位置的圖6中可逆展開的阻流器的截面
圖；圖8圖示了根據(jù)另一個實(shí)施例、采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可逆展開的 阻流器的截面圖；和圖9圖示了根據(jù)又一個實(shí)施例、采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的可逆展開的 阻流器的截面具體實(shí)施例方式在此公開了活性材料驅(qū)動的可逆展開的阻流器。該阻流器適 合于用在這樣的車輛上，即希望其上具有可調(diào)的前部氣流限制器，該 氣流限制器設(shè)計為根據(jù)行車條件要求來使車輛周圍和下方的氣體流動 流暢，有選擇地減小阻力系數(shù)，以及改進(jìn)燃料經(jīng)濟(jì)性、操控性和高速 時的操縱，例如有時在比賽性駕駛中采用的車輛。更特別地，在這些 實(shí)施例中，阻流器的展開或收起在每種情況下優(yōu)選基于通過活性材料 的正好一個激勵循環(huán)(或者至多是非常少量的激勵循環(huán))實(shí)現(xiàn)的剛體 平移或者旋轉(zhuǎn)。明顯地，如上所述，存在與能夠展開/收起阻流器以配 合不同行車條件需要有關(guān)的優(yōu)勢。然而，除這些外，存在增進(jìn)使這些
裝置的功能性基于活性材料的重大優(yōu)勢。與利用活性材料來實(shí)現(xiàn)這些 改變有關(guān)的特定優(yōu)勢包括有所增加的裝置簡單性、有所減小的故障型 式數(shù)量和因此有所增加的裝置穩(wěn)固性，和有所減小的裝置體積、質(zhì)量
和由于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(jù)激勵信號在剛性和/或尺寸
方面表現(xiàn)出變化的那些材料，該激勵信號根據(jù)特定的活性材料可采用 不同形式。合適的活性材料包括，但不限于，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 液體(ER)、磁流變液體(MR)、介電彈性體、離子型聚合物金屬復(fù) 合物(IPMC)、壓電聚合物、壓電陶瓷、上述材料的不同組合等等， 例如未決的美國專利申請?zhí)? 0/983, 330、 1 0/893,1 19 、 1 0/872,327, 和1 0/983, 329中公開的，其全文引用以供參考。在圖2和3所示的實(shí)施例中，顯示的是分別處于展開和縮回位 置的、總的由參考數(shù)字10標(biāo)識的阻流器。阻流器10包括外殼12，該外 殼包含基于活性材料的促動器14和可展開的氣流元件16。外殼12具有 上壁18、從上壁伸出的側(cè)壁20和下壁22。外殼12包括位于下壁22中的 槽口 24并被構(gòu)造為允許氣流控制元件16縮回外殼12和從其中展開?；?性材料26與可展開的氣流元件連通以提供縮回和展開。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(jié)構(gòu)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和大體垂直于第一部分的第二部分30。外殼12進(jìn)一步包括偏壓彈簧保持結(jié)構(gòu)32，其附接于 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的第二部分和偏壓彈簧保持結(jié)構(gòu)32中間并與它們 處于偏壓關(guān)系。偏壓彈簧保持結(jié)構(gòu)32進(jìn)一步包括用于容納形狀記憶合 金線26的通道36，該線26具有固定附接于位于外殼內(nèi)部的錨結(jié)構(gòu)38的 一端和固定附接于第二部分30的另一端。形狀記憶合金線26設(shè)置在一 個或多個滑輪42 (其中顯示兩個)周圍并旋入通道36以提供氣流控制 元件16的垂直運(yùn)動。形狀記憶合金線26的激勵引起相轉(zhuǎn)換，其導(dǎo)致線 的收縮而產(chǎn)生足夠克服與偏壓彈簧34有關(guān)的那些力的力。結(jié)果是氣流 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(dǎo)致縮回氣流控制元件16。以這種方式，會改變由箭頭46標(biāo) 識的氣流，該氣流用來影響由于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(shè)置在槽口24附近以防止顆粒材料進(jìn)入外殼。對于在此公開的這些及其他實(shí)施例，偏壓彈簧通常這樣選擇 以使其軸向剛性(即彈簧常數(shù))大于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
擇為大于形狀記憶合金線在其處于較低溫度馬氏體剛性時的剛性，而 小于線在其處于高溫奧氏體階段時的剛性。在圖4和5中，顯示阻流器50分別處于縮回和展開位置。阻流 器50包括外殼52,具有上壁54、下壁56和側(cè)壁58。外殼52進(jìn)一步包括 氣流控制元件62可滑動接合于其中的槽口60。氣流控制元件62大體"L" 形，具有第一部分64和大體上垂直于第一部分的第二部分66。偏壓彈 簧68具有固定附接于第二部分66的一端和固定附接于上壁54的另一 端?；钚圆牧? 0例如在 一 端限制到所選擇的 一 個壁或外殼6 2中的固定 錨結(jié)構(gòu)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(shè)置在一個或多個滑輪74周圍并被構(gòu)造為提供氣流控制元件 62的垂直運(yùn)動。形狀記憶合金線70的激勵造成相轉(zhuǎn)換，其導(dǎo)致該線的 收縮而產(chǎn)生足夠克服與偏壓彈簧68有關(guān)的那些力的力。在這個實(shí)施例中，形狀記憶合金線7 0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(shí)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(dǎo)致偏壓彈簧假塑性地變形該形狀記憶合金線來縮回外殼62 內(nèi)部的氣流控制元件。密封件放置在槽口附近。在圖6和7中，顯示阻流器80分別處于展開和縮回位置。阻流 器8 0包括具有上壁84和側(cè)壁88的外殼82。外殼82進(jìn)一步包括氣流控制 元件92可滑動接合于其中的槽口90。槽口90延伸到上壁并包括距最初 開口90遠(yuǎn)端設(shè)置的臺肩94。氣流控制元件92具有大體為平面的形狀并
與該槽口滑動接合?；钚圆牧?6，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中的上壁84。形狀記憶合金線96被構(gòu) 造為提供氣流控制元件82的垂直運(yùn)動。偏壓彈簧98坐落于臺肩94上并 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(dāng)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于或小于氣流可展開元件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(shí)施例中，描述了阻流器IOO,其中活性 材料(一個或多個)在外部直接或者遠(yuǎn)程連接到氣流控制表面102。在 這個實(shí)施例中，氣流控制表面102附接于軸104,該軸繞其軸線自由轉(zhuǎn) 動。彈簧106和SMA線108以相對的方式附4妻于該軸104,因此它們的張 力彼此平衡，并且經(jīng)由外部裝置，導(dǎo)管的轉(zhuǎn)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(jié)合的彈簧106中的張力保持阻流器轉(zhuǎn)動以對齊到車 輛表面并且不成為障礙。在高車速時，SMA線的溫度提升，例如經(jīng)過電 阻加熱，以產(chǎn)生SMA線中從馬氏體到奧氏體的相轉(zhuǎn)換。這通常導(dǎo)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(jié)合變化導(dǎo)致氣流控制裝置的轉(zhuǎn)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并且該伸展
彈簧使氣流控制裝置返回到其收起狀態(tài)。雖然已經(jīng)特別提到使用形狀記憶合金，應(yīng)當(dāng)注意的是在這些 實(shí)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(zhuǎn)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(dāng)受到外加電壓時
可^f吏EAP經(jīng)受100%的應(yīng)變。實(shí)施例還是可預(yù)見的，如圖所示，其中外部附接的活性材料 用來改變阻流器的氣流控制表面的形態(tài)。如圖9所示，阻流器110包括 靠近氣流控制元件114的撓性表面設(shè)置的凸輪狀裝置。物理連接到凸輪 U2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(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)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，可以采取不同形式的偏壓彈簧118或彈性儲存在變形表 面中的能量可被用于使氣流控制裝置的表面返回到其初始形狀。在替代實(shí)施例中，阻流器裝置可被構(gòu)造為帶有活性材料驅(qū)動 或其它方式驅(qū)動的鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)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切斷位置/形狀保持，即，在這些實(shí)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于激勵的能 量。在此使用的術(shù)語"形狀記憶聚合物"通常指聚合材料，其在激 勵信號應(yīng)用時顯示出在特性方面的變化，例如彈性模數(shù)、形狀、尺寸、 形態(tài)定向或包括上述特性中的至少 一個的組合。形狀記憶聚合物可能 是熱響應(yīng)的(即特性方面的變化是由熱激勵信號引起的)、光響應(yīng)的 (即特性方面的變化是由基于光的激勵信號引起的)、濕度響應(yīng)的(即 特性方面的變化是由液體激勵信號引起的，例如濕氣、水汽，或水)、 或包括上述中的至少 一個的組合。作為通用材料種類的形狀記憶聚合 物在激勵時沒有顯示出大的回復(fù)力，使它們通常不能較好地適合用作 促動器。然而，正在出現(xiàn)回復(fù)力相當(dāng)大的材料配方，并且根據(jù)其為了 實(shí)現(xiàn)在此所述的阻流器的可逆展開的潛在的適用性可預(yù)想到被歸入本 發(fā)明。其用途的另外優(yōu)勢是當(dāng)去激勵時，模量增加足以使它們起到零
功率保持位置鎖定/閉鎖機(jī)構(gòu)的附加功能的作用。此外，在此使用的術(shù)語"第一"、"第二"等等沒有表示任何順 序或重要性，而是用來區(qū)分一個元件和另一個元件，并且術(shù)語"該"、" 一個"沒有表示數(shù)量限制，而是表示該存在至少一個提及的零件。而且， 在此公開的所有范圍都包括端點(diǎn)并且可獨(dú)立結(jié)合。
這兩個不同元件可被描述為SMP中的不同部分，每個部分對SMP的總體特性起到不同的貢獻(xiàn)。在此使用的術(shù)語"部分"指的是塊、接合部，或
相同和類似單體序列或低聚物元件，其被共聚合以形成SMP。每個部分 可以是結(jié)晶或非結(jié)晶的并且分別具有相應(yīng)的熔點(diǎn)或玻璃轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)。為了方便起見，術(shù)語"熱轉(zhuǎn)化溫度"在這里用來根據(jù)該部分是 非結(jié)晶部分或結(jié)晶部分而指Tg或熔點(diǎn)。對于包括(n)部分的SMP,認(rèn) 為SMP具有硬部分和(n-l)個軟部分，其中硬部分具有比任一軟部分 更高的熱轉(zhuǎn)化溫度。因此，SMP具有(n)個熱轉(zhuǎn)化溫度。硬部分的熱 轉(zhuǎn)化溫度被定義為"最后轉(zhuǎn)化溫度"，而所謂的"最軟"部分的最低熱轉(zhuǎn) 化溫度被定義為"第一轉(zhuǎn)化溫度"。重要的是應(yīng)當(dāng)指出如果SMP具有多個 以相同的也是最后轉(zhuǎn)化溫度的熱轉(zhuǎn)化溫度為特征的部分，那么認(rèn)為SMP
具有多個硬部分。當(dāng)加熱SMP超過最后轉(zhuǎn)化溫度時，該SMP材料可以成形。通過 隨后將SMP冷卻到低于該溫度來設(shè)置或記住SMP的永久形狀。在此使用 的術(shù)語"初始形狀"、"先前限定的形狀"和"永久形狀"是同義詞并意在 交換使用。通過下述過程設(shè)定暫時形狀，將材料加熱到比任一軟部分 的熱轉(zhuǎn)化溫度高但仍舊低于最后轉(zhuǎn)化溫度的溫度，施加外應(yīng)力或載荷 來變形該SMP，然后冷卻到該軟部分的特定熱轉(zhuǎn)化溫度以下?？赏ㄟ^利用去除壓力或載荷將材料加熱到仍舊處于最后轉(zhuǎn) 化溫度下的軟部分的特定熱轉(zhuǎn)化溫度以上來恢復(fù)永久形狀。因此，顯 然的是通過結(jié)合多個軟部分可能顯示多個暫時形狀并且利用多個硬部 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(jié) 合將顯示多個臨時形狀和永久形狀之間的過渡。對于僅僅帶有兩個部分的SMP,形狀記憶聚合物的臨時形狀 設(shè)置在第一轉(zhuǎn)化溫度，隨后在負(fù)荷下冷卻SMP來鎖定臨時形狀。只要SMP 保持低于第一轉(zhuǎn)化溫度就會保持臨時形狀。當(dāng)再次使SMP超過第一轉(zhuǎn)化 溫度時恢復(fù)永久形狀。重復(fù)加熱、成形，和冷卻步驟可重復(fù)地重新設(shè) 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(yīng)力或載荷時將形狀記憶聚合物加熱超過軟部分熱轉(zhuǎn)化溫 度時，可獲得永久形狀并且不使用外力該形狀不會恢復(fù)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(tǒng)包括至少兩個聚合物部件。例如， 一個部件是第一交聯(lián)聚合物而另一個部件是不同的交聯(lián)聚 合物。該部件可通過層壓方法結(jié)合，或者是互穿網(wǎng)絡(luò)，其中這兩個聚 合物部件是交聯(lián)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
于SMP的一個部件。整個形狀的溫度關(guān)系由這個事實(shí)引起， 一個部件(部 件A)的機(jī)械特性與所考慮的溫度范圍中的溫度無關(guān)。另一個部件(" 部件B")的機(jī)械性能在所考慮的溫度范圍內(nèi)隨溫度而變。在一個實(shí)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 并確定實(shí)際形狀。可通過設(shè)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(zhǔn)備雙向記憶裝置。本領(lǐng)域」忮術(shù)人員應(yīng)該承認(rèn)可以以多種不同形式和形狀來構(gòu) 造SMP。設(shè)計聚合物本身的成分和結(jié)構(gòu)會允許為所要求的應(yīng)用選擇特定 的溫度。例如，根據(jù)特定應(yīng)用，最后轉(zhuǎn)化溫度可能是大約(TC到大約300 。C或以上。形狀復(fù)原的溫度(即軟部分熱轉(zhuǎn)化溫度)可能大于或等于 大約-3(TC。形狀復(fù)原的另一個溫度可能大于或等于大約2(TC。形狀復(fù) 原的另 一個溫度可能大于或等于大約7 (TC 。形狀復(fù)原的另 一個溫度可 能小于或等于大約25(TC。形狀復(fù)原的又一個溫度可能小于或等于大約 200°C。最后，形狀復(fù)原的另一個溫度可能小于或等于大約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(wǎng)絡(luò)、半互穿網(wǎng)絡(luò)，或聚合物的混合網(wǎng)絡(luò)。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(cè)鏈或枝狀結(jié)構(gòu)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，但不限于，聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯氨化物、 聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚鏈烯、聚丙烯酰胺、 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、聚乙烯囟化物、聚酯、聚交酯、聚羥基乙酸、聚硅氧 烷、聚氨基曱酸酯、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(huán)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(nèi)酯-聚酰胺 (塊狀共聚物)、聚(己內(nèi)酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降水片多面低聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、聚氨酯/丁二烯共聚物、聚氨 基曱酸酯塊狀共聚物、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(shí)例包括 聚(曱基丙烯酸甲酯)、聚(曱基丙烯酸乙酯)、層(曱基丙烯酸丁 酯)、聚(甲基丙烯酸異丁酯)、聚(己基異丁烯酸)、聚(異癸異 丁烯酸)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(苯基異丁烯酸)、聚(丙 烯酸甲酯)、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)。用于形成如上所述的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(guī)化學(xué)過程合成的。本發(fā)明所屬領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員在不需要過度實(shí)驗(yàn)情況下使用已知的化學(xué)過程和處理技 術(shù)可容易地制備這些聚合物。形狀記憶合金存在于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(dāng)形狀記憶合金處于馬氏體相并加熱時，開始轉(zhuǎn)換為奧氏體相。 這些現(xiàn)象開始的溫度往往被稱為奧氏體開始溫度(As)。這些現(xiàn)象完 成的溫度被稱作奧氏體終點(diǎn)溫度(Af )。當(dāng)形狀記憶合金處于奧氏體 相并被冷卻時，開始轉(zhuǎn)換為該馬氏體相，并且這些現(xiàn)象開始的溫度被 稱為馬氏體開始溫度(Ms)。奧氏體結(jié)束向馬氏體的變換的溫度被稱 作馬氏體終點(diǎn)溫度(Mf )?？偟膩碚f，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?？紤]到上 述特性，優(yōu)選在等于或低于奧氏體轉(zhuǎn)化溫度(等于或低于As)時伸展 形狀記憶合金。隨后加熱到奧氏體轉(zhuǎn)化溫度以上使展開的形狀記憶合 金恢復(fù)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?？赏ㄟ^合金成分方面的微小變化和經(jīng)過熱處理來調(diào)整在加 熱時形狀記憶合金記憶其高溫形態(tài)的溫度。舉例來說，在鎳-鈦形狀記 憶合金中，可以從大約100。C以上變化到大約-IO(TC以下。形狀恢復(fù)過 程在只有幾度的范圍內(nèi)出現(xiàn)并且變換的開始或結(jié)束可根據(jù)所要求的應(yīng) 用和合金成分控制到一兩度。形狀記憶合金的機(jī)械性能在跨越其轉(zhuǎn)化 溫度的溫度范圍內(nèi)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，但沒有打算限于，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-鈿基合金、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(tài)定向方面的變化、在屈服強(qiáng)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 金成分的選擇取決于部件工作的溫度范圍?；钚圆牧线€包括，但不限于，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，但沒有意指限于，軟或硬磁 鐵；赤鐵體；磁鐵體；基于鐵、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、硅、 鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、錳和/或銅。合適的匿彈性材料已經(jīng)在前描 述過。本公開內(nèi)容的阻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(diào)整特征，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(shí)現(xiàn)這些變化提 供了裝置有所增加的簡單性和實(shí)用性，同時減小故障型式數(shù)目、裝置 體積和由于高能量密度進(jìn)行激勵的能量需求?；钚圆牧线€可包括電活性聚合物，例如離子型聚合物金屬復(fù) 合物、導(dǎo)電聚合物、壓電材料等等。在此使用的術(shù)語"壓電"用來描述 一種材料，當(dāng)施加電壓電勢時機(jī)械變形，或相反地，在機(jī)械變形時產(chǎn) 生電荷。合適的MR彈性材料包括，但沒有意指限于，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，但不限于，聚a-烯烴、天然橡膠、硅樹脂、聚丁二烯、聚乙 烯、聚異戊二烯等^: 一 —。、，、、 、、
或電致伸縮特性的聚合材料。該材料通常根據(jù)施加的電場或機(jī)械應(yīng)力
而采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(shí)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(chǎn)生鐵電體-電致伸縮分子合成系統(tǒng)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)，其々:據(jù)靜電力變形或其變^導(dǎo)致電場方^的 變化。適于用作預(yù)張緊聚合物的示例性材料包括硅橡膠，丙烯酸系彈
性體，聚氨基曱酸酯，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、包括硅樹脂的聚合物和丙烯酸組成部分 等等。包括硅樹脂的聚合物和丙烯酸組成部分包括例如包括硅樹脂和 丙烯酸組成部分的共聚物，包括硅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于一個或多個材料性質(zhì)來選 擇，例如電擊穿強(qiáng)度、低彈性模量(用于可多可少的變形)、高介電 常數(shù)等等。在一個實(shí)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(shí)施例中，這樣選擇聚合物以使其具有 位于大約0. G5MPa和大約1 OMPa之間的最大激勵壓力，并且優(yōu)選在大約 0. 3MPa和大約3MPa之間。在另一個實(shí)施例中，這樣選擇聚合物以-使其 具有位于大約2和大約20之間的介電常數(shù)，并且優(yōu)選在大約2. 5和大約 12之間。本公開內(nèi)容沒有意指限于這些范圍。理論上，如果材料兼?zhèn)?高介電常數(shù)和高介電強(qiáng)度，具有比上述給出的范圍更高的介電常數(shù)的 材料是合乎需要的。多數(shù)情況下，電活性聚合物可倍制造和生產(chǎn)為薄 膜。適合于這些薄膜的厚度在50微米以下。當(dāng)電活性聚合物在高應(yīng)變下傾斜時，附接于該聚合物的電極 在不犧牲機(jī)械或電氣性能的情況下同時偏斜?？偟膩碚f，適合于使用 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。該電壓可能是恒定的或隨著時間 變化的。在一個實(shí)施例中，電極附接于聚合物的表面。附接于聚合物 的電極優(yōu)選為隨動的并與聚合物的變形一致。因此，本公開內(nèi)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(yīng)用于電活性聚合物的 一部分并根據(jù)其幾何形狀限定有效面積。適 合于在本公開內(nèi)容使用的各種類型電極包括結(jié)構(gòu)電極，包括金屬軌跡 和電荷分布層；包括根據(jù)平面尺寸變化的織物電極；例如碳潤滑油或 銀潤滑油的導(dǎo)電潤滑油；膠態(tài)懸浮物；例如碳纖維和碳納米管的大長寬比的導(dǎo)電材料和離子鍵導(dǎo)電材料的混合物。用作本公開內(nèi)容電極的材料可以改變。用于電極的合適材料
包括石墨，炭黑，膠態(tài)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(dǎo)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硅氧烷聚合物 不能正常工作。活性材料還可包括壓電材料。此外，在某些實(shí)施例中，壓電 材料被配置為用于提供迅速展開的促動器。在此使用的術(shù)語"壓電"用 來描述一種材料，當(dāng)施加電壓電勢時機(jī)械變形(改變形狀)，或相反 地，在機(jī)械變形時產(chǎn)生電荷。優(yōu)選地，壓電材料放置在軟金屬條或陶 瓷板上。該條可以是單壓電晶片或雙壓電晶片。優(yōu)選地，該條是雙壓 電晶片，因?yàn)殡p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(jié)合于軟金屬薄片或條的單個壓 電元件組成的結(jié)構(gòu)，當(dāng)利用變化電壓激勵時其通過壓電元件激勵并當(dāng) 其對抗壓電元件運(yùn)動時引起軸向彎曲或偏轉(zhuǎn)。用于單壓電晶片的促動 器運(yùn)動可以借助于收縮或展開。單壓電晶片可以顯示出高達(dá)大約1 0 %的 張力，但通常只能承受與單壓電晶片結(jié)構(gòu)的總尺寸有關(guān)的低負(fù)載。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?yàn)樵谙乱粋€陶瓷元件收縮而另一個展開。雙壓電晶片可 以顯示出高達(dá)大約20%的張力，但與單壓電晶片相似，通常不能承受與 雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的總尺寸有關(guān)的高負(fù)荷。合適的壓電材料包括無機(jī)化合物、有機(jī)化合物和金屬。就有 機(jī)材料而言，在主鏈或側(cè)鏈或分子中的兩條鏈上具有非中心對稱結(jié)構(gòu) 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(shí)施例包括，但不限于，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；聚笨胺及其衍生物和四胺的所有衍生物；聚酰亞胺， 包括Kapton分子和聚醚酰亞胺("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(jī)的PVP-乙酸 乙烯酯("PVAc")共聚物；和在主鏈或側(cè)鏈或同時在主鏈和側(cè)鏈中帶 有偶極矩組的所有芳香族聚合物及其混合物。此外，壓電材料包括鉑、釔、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、 A1 203 、 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(jù)磁場應(yīng)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。通過借助于改變施加磁場的強(qiáng)度來改變剪切力和壓縮/張力模量 來實(shí)現(xiàn)彈性體結(jié)構(gòu)的剛性。當(dāng)暴露于磁場時MR彈性體通常僅僅在幾毫 秒內(nèi)展開結(jié)構(gòu)。停止MR彈性體暴露于磁場反向該過程并且彈性體回到 其低模量狀態(tài)。除非另有陳述，在說明書和權(quán)利要求中表示成分?jǐn)?shù)量、例如 分子量的特性、反應(yīng)條件等等的所有數(shù)字在所有情況下將被理解為由 術(shù)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(quán)利要求中闡述的數(shù)字參數(shù)是近似值，可以根據(jù)通過本公開內(nèi)容 設(shè)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(yīng)用限 制為權(quán)利要求的范圍，根據(jù)給出的有效數(shù)字并借助于運(yùn)用 一般的取整 方法可至少推斷出每個數(shù)字參數(shù)。雖然已經(jīng)參考示例性實(shí)施例描述本公開內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員可以理解在不脫離本公開內(nèi)容范圍的情況下可進(jìn)行各種變換 和用等價物替換其元件。另外，在不脫離其實(shí)質(zhì)的范圍的情況下進(jìn)行 許多改進(jìn)來使特定情況或材料適應(yīng)本公開內(nèi)容的教導(dǎo)。因此，意圖是 本公開內(nèi)容沒有限制為以預(yù)計用于實(shí)現(xiàn)這個公開內(nèi)容的最佳方式公開 的特定實(shí)施例，而是包括落入附加權(quán)利要求范圍中的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1. 一種用于車輛的阻流器，該阻流器限定了在車輛運(yùn)動期間可以增加或減小車輛下方氣流的車輛表面，該阻流器包括外殼，具有開口；氣流控制元件，可平移地設(shè)置在外殼中并與該開口滑動接合；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(shí)現(xiàn)該氣流控制元件從該外殼的展開和縮回到該外殼中。
2. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，其特征在于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、 電流變液體、磁流變液體、介電彈性體、離子型聚合物金屬復(fù)合物、 壓電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選擇。
3. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，其特征在于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，和附接于氣流 控制元件的偏壓彈簧，該偏壓彈簧被構(gòu)造為向由該形狀記憶合金線提供的力提供對抗力。
4. 如權(quán)利要求3所述的阻流器，其特征在于該偏壓彈簧具有彈簧常 數(shù)，該彈簧常數(shù)大于在該形狀記憶合金線處于馬氏體相時該形狀記憶 合金線的彈簧常數(shù)而小于在該形狀記憶合金線處于奧氏體相時該形狀 記憶合金線的彈簧常數(shù)。
5. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，進(jìn)一步包括設(shè)置在該開口附近的密 封件，該密封件被構(gòu)造為防止顆粒材料進(jìn)入該外殼。
6. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，進(jìn)一步包括至少一個與該形狀記憶 合金線可操作連通的滑輪。
7. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，其特征在于該外殼包括上壁、下壁 和在其間延伸的側(cè)壁，其中該下壁包括位于外殼中的偏壓彈簧保持結(jié) 構(gòu)，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，該第二部分帶有位于該偏壓彈簧保持結(jié)構(gòu)和第二部分中間 的偏壓彈簧，并且該形狀記憶合金線被構(gòu)造為在激勵時收縮并壓縮該 偏壓彈簧并使第一部分從該外殼中伸出。
8. 如權(quán)利要求7所述的阻流器，其特征在于該偏壓彈簧被構(gòu)造為在 沒有激勵該形狀記憶合金線時展開并將第一部分縮回該外殼中。
9. 如權(quán)利要求l所述的阻流器，其特征在于該外殼包括上壁、下壁和在其間延伸的側(cè)壁，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，該第二部分帶有位于該山壁和該第二 部分中間的偏壓彈簧，并且該形狀記憶合金線被構(gòu)造為在激勵時收縮 并展開該偏壓彈簧并使第一部分從該外殼中伸出。
10. 如權(quán)利要求9所述的阻流器，其特征在于該偏壓彈簧被構(gòu)造為在 沒有激勵該形狀記憶合金線時壓縮并將第 一部分縮回該外殼中。
11. 如權(quán)利要求1所述的阻流器，其特征在于該氣流控制元件具有大 體直線形的形態(tài)定向，其與該開口滑動接合，其中該偏壓彈簧坐落在 該開口的臺肩上并位于該氣流控制元件和該臺肩的中間，并且該形狀 記憶合金線被構(gòu)造為當(dāng)激勵時收縮并壓縮該偏壓彈簧并將該氣流控制 元件縮回到該外殼中。
12. 如權(quán)利要求ll所述的阻流器，其特征在于該偏壓彈簧被構(gòu)造為 在沒有激勵該形狀記憶合金線時展開并將第一部分從該外殼展開。
13.如權(quán)利要求1所述的阻流器，其特征在于活性材料與鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié) 合適合于提供零功率保持位置和將該氣流控制元件保持在固定位置。
14. 一種用于車輛的阻流器，該阻流器限定了在車輛運(yùn)動期間增加 或減小車輛下方氣流的車輛表面，該阻流器包括外殼，包括可轉(zhuǎn)動地設(shè)置在該外殼中的氣流控制元件，其中該氣流 控制元件的轉(zhuǎn)動增加或減小在車輛運(yùn)動期間車輛下方的氣流；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(shí)現(xiàn)該氣流控制元件的轉(zhuǎn)動。
15. 如權(quán)利要求14所述的阻流器，其特征在于該氣流控制元件固定 地被附接于軸，并且該活性材料促動器包括與該軸可操作連通以在激 勵時有選才奪地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的活'l"生材料，和與該軸可操作連通以在該活'性 材料去激勵時實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的偏壓彈簧。
16. 如權(quán)利要求13所述的阻流器，其特征在于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、 電流變液體、磁流變液體、介電彈性體、離子型聚合物金屬復(fù)合物、 壓電聚合物和壓電陶瓷組成的組中選擇。
17. 如權(quán)利要求13所述的阻流器，其特征在于活性材料與鎖緊機(jī)構(gòu) 結(jié)合適合于提供零功率保持位置和將該氣流控制元件保持在固定位 置。
18. —種用于車輛的阻流器，該阻流器限定了在車輛運(yùn)動期間增加 或減小車輛下方氣流的車輛表面，該阻流器包括撓性表面，位于車輛上使得在其彎曲時影響車輛下方的氣流； 可轉(zhuǎn)動的凸輪，與該撓性表面接觸；和活性材料促動器，包括與氣流控制元件可操作連通的活性材料來實(shí) 現(xiàn)該凸輪的轉(zhuǎn)動并引起撓性表面的彎曲。
19. 如權(quán)利要求18所述的阻流器，其特征在于該活性材料促動器包 括與該凸輪可操作連通以在激勵時有選擇地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的活性材料，和 與該軸可操作連通以在該活性材料去激勵時實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的偏壓彈簧，其 中凸輪的轉(zhuǎn)動和反轉(zhuǎn)引起彎曲。
20. 如權(quán)利要求18的阻流器，其特征在于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 流變液體、磁流變液體、介電彈性體、離子型聚合物金屬復(fù)合物、壓 電高聚合物和壓電陶瓷組成的組中選"^ 。
全文摘要
公開了一種可逆展開的阻流器，包括氣流控制元件和基于活性材料的促動器，用于展開該氣流控制元件以便改變車輛周圍的氣流。
文檔編號B62D35/00GK101287640SQ200680038052
公開日2008年10月15日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月12日
發(fā)明者A·L·布勞恩, J·H·奧瑟, K·B·羅伯, N·L·約翰遜 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司