DE112005000573T5

DE112005000573T5 - Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material

Info

Publication number: DE112005000573T5
Application number: DE112005000573T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Nancy L. Northville Johnson; William Ventura Barvosa-Carter; Geoffrey P. Los Angeles Mc Knight; Andrew C. Santa Monica Keefe; Christopher P. Newbury Park Henry
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: US20050212304A1; DE112005000562T5; WO2005089186A3; US8240677B2; US20050230925A1; US8109042B2; US20050198904A1; US7258347B2; WO2005089190A3; WO2005089186A2; US20050206096A1; DE112005000573B4; US20050206095A1; US7815233B2; DE112005000562B4; WO2005089190A2; US20050198907A1; US20050198774A1; US20070246898A1; US7815232B2

Abstract

Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material, umfassend:
eine Dichtungsstruktur, die ein aktives Material umfasst, das geeignet ist, mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsstruktur verändert, wobei das aktive Material Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst; und
einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, der geeignet ist, wahlweise das Aktivierungssignal bereitzustellen.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft und beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Application, Seriennr. 60/552,781, die am 12. März 2004 eingereicht wurde und deren Offenbarungsgehalt hierin vollständig miteingeschlossen ist.

HINTERGRUND

Diese Offenbarung betrifft Dichtungen und im Besonderen Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material zum Abdichten gegenüberliegender Flächen.

Gegenwärtige Verfahren und Anordnungen zum Abdichten gegenüberliegender Flächen, wie beispielsweise Türen und Kofferraumdeckel, umfassen die Verwendung von flexiblen elastischen Membranen und Strukturen, die sich bei Druckkontakt der gegenüberliegenden Flächen zusammendrücken, um eine Dichtung zu bilden. Typische Materialien umfassen verschiedene Formen von Elastomeren, z.B. Schäume und Feststoffe, die zu Strukturen ausgebildet sind, die massive und/oder hohle Querschnittsstrukturen aufweisen. Die Geometrien der Querschnitte werden verändert und können von kreisförmigen Formen bis zu unregelmäßigen Formen reichen, die mehrere Schlitze, verschiedene innere Querschnittsgeometrien und/oder ausgedehnte Rippen aufweisen.

Dichtungsanordnungen werden typischerweise für das Schall-, Luftströmungs- und/oder Fluidmanagement verwendet. Die Dichtungen sind im Allgemeinen einer Vielzahl von Bedingungen ausgesetzt. Beispielsweise werden bei Fahrzeuganwendungen Türdichtungen im Allgemeinen einem weiten Bereich von Temperaturen sowie Umgebungsbedingungen ausgesetzt, wie etwa Regen-, Schnee-, Sonnen-, Feuchtigkeitsbedingungen und dergleichen. Sie müssen auch beständig gegenüber Abrieb und wiederholte Arbeitsspiele sein. Gegenwärtige Materialien, die für Kraftfahrzeugdichtungen verwendet werden, sind passiv. Das heißt abgesehen von immanenten Veränderungen in den Moduleigenschaften des Dichtungsmaterials aufgrund von Umgebungsstimuli können die Steifigkeit und die Querschnittsgeometrien der Dichtungsanordnungen nicht aus der Ferne verändert oder gesteuert werden.

Ein anderes Problem bei gegenwärtigen passiven Dichtungen ist der Kompromiss in der Dichtungseffektivität. Eine Zunahme des statischen Grenzflächendruckes und/oder der Fläche der Dichtung kann im Allgemeinen die Dichtungseffektivität erhöhen. Jedoch kann bei Kraftfahrzeuganwendungen, wie etwa Fahrzeugtüren, der erhöhte Grenzflächendruck und/oder die vergrößerte Fläche der Dichtung zu erhöhten Anstrengungen zum Öffnen und Schließen der Tür führen.

Es ist dementsprechend erwünscht, aktive Dichtungsanordnungen zu besitzen, die gesteuert und aus der Ferne verändert werden können, um die Dichtungseffektivität zu verändern, wobei die aktiven Dichtungsanordnungen ihre Form, Orientierung und Moduleigenschaften aktiv verändern. Auf diese Weise können bei Dichtungsanwendungen, wie etwa der oben erwähnten Fahrzeugtüranwendung, die Anstrengungen zum Öffnen und Schließen einer Tür minimiert werden, die Dichtungseffektivität kann jedoch maximiert werden.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG

Hierin sind Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material offenbart. In einer Ausführungsform umfasst eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material eine Dichtungsstruktur, die ein aktives Material umfasst, das geeignet ist, mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsstruktur verändert, wobei das aktive Material Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst; und einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, der geeignet ist, wahlweise das Aktivierungssignal zu liefern.

Ein Fahrzeug, das mindestens zwei gegenüberliegende Flächen umfasst; und eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material zwischen den mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen, wobei die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material eine Dichtungsstruktur umfasst, die ein aktives Material aufweist, das geeignet ist, mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder Form der Dichtungsstruktur verändert; und einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktivem Material, der geeignet ist, wahlweise das Aktivierungssignal zu liefern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Abmessung der Dichtungsstruktur verändert.

Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun Bezug auf die Figuren genommen, die beispielhafte Ausführungsformen sind und in denen gleiche Elemente gleich nummeriert sind:
1 ist eine Querschnittsansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer Ausführungsform, wobei die aktive Dichtungsanordnung in ausgeschalteten und eingeschalteten Zuständen vorliegt;
2 ist eine Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
3 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform; und
4 und 5 sind eine Querschnitts- bzw. Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
6 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei die aktive Dichtungsanordnung in den ausgeschalteten und eingeschalteten Zuständen vorliegt;
8 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform, wobei die aktive Dichtungsanordnung in den ausgeschalteten und eingeschalteten Zuständen vorliegt;
9 und 10 sind eine Querschnitts- bzw. Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
11 und 12 sind eine Querschnitts- bzw. Perspektivsansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
13 und 14 sind eine Querschnitts- bzw. Perspektivansicht einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
15 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform;
16 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer Ausführungsform, wobei die aktive Dichtungsanordnung in den ausgeschalteten und eingeschalteten Zuständen vorliegt; und
17 ist ein Querschnitt einer Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gemäß einer Ausführungsform, wobei die aktive Dichtungsanordnung in den ausgeschalteten und eingeschalteten Zuständen vorliegt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin sind Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material und deren Verwendungen offenbart, wobei die Form, Orientierung und/oder Moduleigenschaften aus der Ferne aktiviert und/oder gesteuert werden können, um wahlweise eine erhöhte Dichtungseffektivität bereitzustellen. Für Türanwendungen können die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material derart programmiert sein, dass für minimale Anstrengungen zum Öffnen und zum Schließen zusätzlich zu den erhöhten Dichtungseffektivitätseigenschaften gesorgt wird. Obwohl hierin auf Kraftfahrzeuganwendungen Bezug genommen wird, ist in Betracht zu ziehen, dass die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material zum Abdichten von gegenüberliegenden Flächen für verschiedene Grenzflächen, wie etwa Kühlschranktüren, Fenster, Schubladen und dergleichen, angewandt werden können. Bei Kraftfahrzeuganwendungen wer den die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material vorzugsweise zwischen einer Öffnung in einem Fahrzeug und einer Fläche, die in gleitendem und abdichtendem Eingriff mit der Öffnung steht, wie etwa einer Fahrzeugtür, einer seitlichen Fahrgastschiebetür, einem Fenster, einem Sonnendach, einer Ladeluke, einer Heckklappe und dergleichen, benutzt.
Die Dichtungsanordnungen auf der Basis von aktivem Material umfassen im Allgemeinen ein aktives Material, das für einen Abdichtungseingriff zwischen zwei gegenüberliegenden Flächen geeignet ist, eine Aktivierungsvorrichtung und einen Controller in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung zum Liefern eines Aktivierungssignals an das aktive Material. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird können die Form, Orientierung und/oder Moduleigenschaften des aktiven Materials mittels eines angelegten Aktivierungssignals wahlweise geändert werden. Der Ausdruck "aktives Material", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf mehrere unterschiedliche Materialklassen, von denen alle eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft, wie Abmessung, Form, Orientierung und/oder dem Biegemodul, zeigen, wenn sie mindestens einem von vielen unterschiedlichen Arten von angelegten Aktivierungssignalen ausgesetzt werden, wobei Beispiele von derartigen Signalen thermisch, elektrisch, magnetisch, mechanisch, pneumatisch und dergleichen sind. Eine Klasse von aktiven Materialien ist Formgedächtnismaterialien. Diese Materialien zeigen einen Formgedächtniseffekt. Nachdem sie pseudoplastisch verformt worden sind, können sie insbesondere in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu ihrer ursprünglichen Form zurückgeführt werden. Geeignete Formgedächtnismaterialien umfassen ohne Einschränkung Formgedächtnislegierungen (SMA), ferromagnetische SMAs und Formgedächtnispolymere (SMP). Als eine zweite Klasse von aktiven Materialien können diejenigen betrachtet werden, die eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft zeigen, wenn sie einem angelegten Aktivierungssignals ausgesetzt werden, aber bei Wegnahme des angelegten Aktivierungssignal zu ihrem ursprünglichen Zustand zurückkehren. Aktive Materialien in dieser Kategorie umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische Fluide und Elastomere (MR), elektrorheologische Fluide (ER), elektrostriktive Polymere, ionische Polymergele, Verbundwerkstoffe aus einem oder mehreren der vorstehenden Materialien mit nichtaktiven Materialien, Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Materialien umfassen, und dergleichen. Das aktive Material kann in einer Dichtungsstruktur integriert sein oder kann die vollständige aktive Dichtungsstruktur definieren. Darüber hinaus kann wahlweise ein Abdichten mittels Biegemodulveränderungen, Formveränderungen, Rotationen, Umorientierung und dergleichen bewirkt werden. Von den oben angeführten Materialien können SMA- und SMP-basierte Dichtungsanordnungen in einigen Ausführungsformen ferner einen Rückführmechanismus umfassen, um die ursprüngliche Geometrie der Dichtungsanordnung wiederherzustellen. Der Rückführmechanismus kann mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch sein oder kann auf den vorstehend erwähnten aktiven Materialien beruhen.
Während des Betriebes kann das aktive Material derart konfiguriert sein, dass es eine Verbesserung für einen Schließmechanismus bereitstellt, oder konfiguriert sein, um als mechanische Schließvorrichtung zusätzlich dazu zu funktionieren, dass ein selektiver und gesteuerter Dichtungseingriff bereitgestellt wird. In denjenigen Anwendungen, in denen die aktiven Materialien in die Dichtungsstruktur integriert sind, sind die Materialien, die mit dem aktivem Material integriert sind, vorzugsweise diejenigen Materialien, die bereits für die Herstellung der Dichtungen benutzt werden. Beispielsweise können verschiedene Kautschuke, Schäume, Elastomere und dergleichen in Kombination mit dem aktiven Material benutzt werden, um eine aktive Dichtungsanordnung bereitzustellen. Als solche umfassen geeignete Dichtungsmaterialien, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Styrol-Butadien-Kautschuk, Polyurethane, Polyisopren, Neopren, chlorsulfonierte Polystyrole, verschiedene Elastomere und dergleichen.
Durch die Verwendung eines aktiven Materials in der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material kann die Dichtungsanordnung ihre Modul- und/oder Abmessungseigenschaften reversibel verändern, um einen verbesserten Dichtungseingriff zwischen gegenüberliegenden Flächen bereitzustellen, eine minimale Anstrengung zum Öffnen und Schließen einer Tür bereitzustellen, sowie einen Schließmechanismus bereitzustellen, wo dies erwünscht und konfiguriert ist. Ein Anlegen eines Aktivierungssignals an das aktive Material kann die reversible Veränderung bewirken. Geeignete Aktivierungssignale werden von der Art des aktiven Materials abhängen. Als solches kann das Aktivierungssignal, das zum reversiblen Verändern der Form und der Moduleigenschaften der Dichtungsstruktur bereitgestellt wird, ein Wärmesignal, ein elektrisches Signal, ein magnetisches Signal und Kombinationen mit mindestens einem der vorstehenden Signale und dergleichen umfassen.
Optional kann die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material einen oder mehrere Sensoren umfassen, die in Kombination mit einer erweiterten Steuerlogik verwendet werden, um beispielsweise das gleiche Niveau an Dichtungskraft unabhängig von den Umgebungsbedingungen, z.B. Feuchtigkeit, Temperatur, Druckdifferenz zwischen dem geschlossenen Innenraum und der Außenumgebung und dergleichen, aufrecht zu erhalten.
Wie es nachstehend ausführlicher erörtert wird, können die aktiven Materialien in den verschiedenen nachstehend beschriebenen Ausführungs formen verwendet werden, um die gesamte Dichtungsstruktur zu fertigen; können derart konfiguriert sein, dass sie die Dichtungsstruktur von außen aktiv steuern, z.B. Aktuatormittel bereitstellen, ein außenliegendes Skelett der Dichtungsstruktur bereitstellen; und/oder können konfiguriert sein, um die Dichtungsstruktur von innen aktiv zu steuern, z.B. die Skelettstruktur der Dichtungsstruktur bereitstellen.
Wie es zuvor erörtert wurde, erlauben die aktiven Materialien die Fern- und automatische Steuerung der Abdichtungsfunktion und stellen Verbesserungen in der Abdichtungsfunktionalität durch Software-Modifikationen im Gegensatz zu Hardware-Veränderungen bereit. Beispielsweise im Fall von Fahrzeugtüren kann die Steuerlogik benutzt werden, um das aktive Material, d.h. die Dichtungsanordnung, beim Öffnen oder Schließen der Tür zu aktivieren. Es können Schalter im Türgriff oder der Türsäule oder Türen in Wirkverbindung mit Sensoren angeordnet sein, die das aktive Material bei einer Türbewegung, bei einer Veränderung im Türspalt in Bezug auf die Fahrzeugkarosserie, bei einer Bewegung des Türgriffes, bei einer motorgestützten Öffnung von Schlossanordnungen und dergleichen aktivieren. Auf diese Weise kann das Öffnen und Schließen mit minimaler Anstrengung oder Widerstand programmiert sein, was auf Kräfte zurückzuführen ist, die zu der Dichtungsanordnung gehören.
Die verschiedenen Anwendungen, die mit den Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material benutzt werden können, umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, dichtungsunterstütztes Verriegeln; Geräuschverringerung; Verringerung der Kraft zum Öffnen und Schließen einer Tür; Verringerung und/oder Beseitigung von Irritationen (Abmessungen); aktives aktuatorunterstütztes Abdichten; Abdichten im ausge schalteten Zustand; Abdichten im eingeschalteten Zustand; und dergleichen.
Nun 1 zugewandt ist eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gezeigt, die allgemein mit Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, wobei die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material wahlweise eine Kraft auf eine gegenüberliegende Fläche 12 ausübt, um einen effektiven Dichtungseingriff zu bewirken. Dieser Ansatz zeigt eine Version der Dichtungsanwendung im eingeschalteten Zustand. Die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material umfasst ein aktives Material 16, das an einem starren Element 14 (z.B. einer Fahrzeugfläche) in der Nähe der gegenüberliegenden Fläche 12 angebracht ist. Das Element 14 kann irgendeine Komponente in dem Fahrzeug sein, die einen Verschluss oder eine Dichtung bildet, z.B. ein Türrahmen, ein Tür, ein Fenster, ein Fensterrahmen usw. Der tatsächliche Abstand von der gegenüberliegenden Fläche 12 zu der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material hängt im Allgemeinen von dem Ausmaß an Verschiebung ab, das durch das besondere aktive Material 16 bereitgestellt wird, das in der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material verwendet wird. Mit einer Struktur, die einen Hebelarm bietet, kann eine größere Verschiebung von dem aktivem Material erzielt werden, aber mit einer damit einhergehenden Abnahme der verfügbaren Kraft. Sobald das aktive Material 16 aktiviert worden ist, wird die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material gegen die gegenüberliegende Fläche 12 drücken, um den Dichtungsdruck und die Kontaktfläche zu erhöhen und somit einen effektiven Dichtungseingriff zu bewirken. Bei Türanwendungen wäre dies vorteilhaft gegenüber der gegenwärtigen passiven Dichtungstechnologie, da wenig Anstrengung aufgebracht werden muss, um die Tür zu schließen. Im Stand der Technik erfordert ein Schließen einer Tür im Allgemeinen eine Kraft, die ausreicht, um die passive Dichtung, die zwi schen der Tür und der gegenüberliegenden Fläche angeordnet ist, zusammenzudrücken, um einen Dichtungseingriff zu erhalten, wodurch eine beträchtliche Schließkraft erforderlich ist, um ein vollständiges Schließen zu bewirken. Unter Verwendung des aktiven Materials auf die beschriebene Weise kann die zum Zusammendrücken erforderliche Kraft in Bezug auf passive Dichtungsstrukturen aus dem Stand der Technik beseitigt und/oder minimiert werden.
Um den Abdichtungseingriff zu bewirken, erfährt das aktive Material 16 eine Veränderung in mindestens einer Eigenschaft in Reaktion auf ein geeignetes Aktivierungssignal. Beispielsweise kann das aktive Material 16 geeignet sein, zum Beispiel eine Längenabmessung, Form, Orientierung, Rotation und/oder Moduleigenschaft der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material zu verändern. Die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft, die manipuliert wird, bewirkt den Abdichtungseingriff, der abhängig von der Art von angewandtem aktivem Material 16 variieren kann.
Die Anordnung 10 auf der Basis von aktivem Material kann derart konfiguriert sein, dass sie eine Vielfalt von Formen annimmt. In 2 ist das aktive Material 16 in und entlang einer Länge eines elastischen rohrförmigen Körpers 20 angeordnet, wobei das aktive Material 16 die gegenüberliegenden Flächen, die die Innenwand definieren, berührt. Das aktive Material 16 steht in Wirkverbindung mit einer Aktivierungsvorrichtung 22 und einem Controller 24. Der Controller 24 ist geeignet, verschiedene Eingangssignale von Vorrichtungen, wie etwa Sensoren (nicht gezeigt), anzunehmen, die dazu verwendet werden können, beispielsweise den Zustand der Türposition, die Fahrzeuggeschwindigkeit, Umgebungsbedingungen, wie etwa Temperatur und Feuchtigkeitsgehalt, und dergleichen wie gewünscht zu ermitteln. Der Controller 24 verarbeitet die Eingangsinforma tion und sendet dann ein geeignetes Signal an die Aktivierungsvorrichtung 22. Die Aktivierungsvorrichtung 22 liefert wiederum ein geeignetes Aktivierungssignal an das aktive Material 16, so dass die gewünschte mindestens eine Eigenschaft verändert wird. In der gezeigten Ausführungsform kann die Aktivierung des aktiven Materials 16 die Form des elastischen rohrförmigen Körpers durch Ausdehnen oder Zusammenziehen des aktiven Materials bei einer selektiven Aktivierung verändern. Es ist zu verstehen, dass die folgenden Ausführungsformen von Dichtungsanordnungen aus aktivem Material eine Aktivierungsvorrichtung umfassen würden, die von einem Controller gesteuert wird, um wahlweise ein geeignetes Aktivierungssignal an das aktive Material zu liefern, es sei denn es ist anders angemerkt.
Es werden nun mehrere andere Ausführungsformen für die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material beschrieben. In einer Ausführungsform sind gewellte Strukturen 30 aus dem aktivem Material gebildet und in einer rohrförmigen Struktur 32 eingebettet, die aus einem elastischem Material gebildet ist. Jedes Ende 34, 36 der gewellten Strukturen 30 (von denen eine gezeigt ist) ist auf gegenüberstehende Weise zu der rohrförmigen Struktur 32 angebracht, und somit kann eine Aktivierung einer solchen deren Form verändern und bewirken, dass eine Kraft auf eine Dichtung ausgeübt wird. Die gewellten Strukturen 30 haben den Effekt, eine größere Verschiebung von den aktiven Materialien zuzulassen und die Nachgiebigkeit des aktiven Materials zu erhöhen, um sich besser an Abdichtungsanforderungen anzupassen. Geeignete aktive Materialien zur Verwendung in der gewellten Struktur umfassen Formgedächtnislegierungen, piezoelektrische Verbundwerkstoffe und Laminate, Bimorphe und ionische Aktuatoren. Die Größe und Form der Wellen kann für die vorgesehene Anwendung durch Fachleute optimiert werden, sie kann aber im Allgemeinen aus zwischen 1/2 und 100 periodischen Wellenformen ab hängig von den Abmessungen und dem gewünschten Ausmaß an Verschiebung für die Anwendung der rohrförmigen Struktur 32 bestehen. Um sich besser an Kraft/Auslenkungsanforderungen anzupassen, kann zusätzlich eine Anzahl von dünnen gewellten Strukturen parallel verwendet werden. Geeignete Materialien für das äußere Abdeckmaterial umfassen Elastomere und Polymere.
Nun den 4 und 5 zugewandt ist eine andere Ausführungsform der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material gezeigt. Die Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material umfasst einen Draht 38, der aus dem aktivem Material gebildet ist und mit einer flexiblen äußeren Abdeckung 40 an verschiedenen Punkten entlang der Längsachse der äußeren Abdeckung 40 verbunden ist. Eine Kontraktion dieses Drahtes 38 (z.B. durch wahlweise Aktivierung) wird eine Kraft auf die äußere Abdeckung 40 aufbringen und die Dichtungsabmessungen wahlweise verändern. Ein starres Element 42 kann an der äußeren Abdeckung 40 entlang der Länge in Längsrichtung befestigt sein. Der Draht 38 aus aktivem Material ist an dem starren Element 42 befestigt, um die Kraft über die Länge der äußeren Abdeckung 40 in Längsrichtung zu verteilen. Es ist auch zu verstehen, dass eine Anzahl von Drähten verwendet werden könnte, so dass die Kraft entlang der Länge der äußeren Abdeckung verteilt wird. Der Winkel des Drahtes oder der Bänder 38 und die Anzahl von Verbindungspunkten kann eingestellt werden, um das gewünschte Verformungsverhalten zu erzielen. Darüber hinaus kann die hergestellte äußere Abdeckung 40 derart konfiguriert sein, dass sie für den Draht als aktives Material eine Rückstellkraft bereitstellt, wenn dies erwünscht ist. Geeignete aktive Materialien für diese Ausführungsform umfassen Formgedächtnislegierungen und leitende Polymere. Geeignete Materialien für das äußere Abdeckmaterial umfassen Elastomere, Polymere und dergleichen.
Eine andere Ausführungsform der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material ist in 6 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein Streifen 42 aus dem aktiven Material gebildet und an einer äußeren Dichtungsabdeckung 44 entlang der Länge der Dichtungsanordnung angebracht. In dieser Ausführungsform besteht das aktive Material zum großen Teil aus einem Block aus aktivem Material, dessen Abmessungen durch Anlegen eines geeigneten Aktivierungssignals geändert werden können. Eine Veränderung in der Form des Streifens 42 aus aktivem Material kann die Form der äußeren Dichtungsabdeckung 44 oder die Kraftbelastung auf die äußere Dichtungsabdeckung 44 verändern. Die äußere Dichtungsabdeckung 44 kann derart aufgebaut sein, dass sie eine Rückstellkraft für den aktiven Materialstreifen bereitstellt. Geeignete Materialien für den Streifen aus aktivem Material umfassen dielektrische Elastomere, leitfähige Polymere, Formgedächtnislegierungen und dergleichen. Wahlweise ist, wie es in 7 gezeigt ist, ein elastischer Körper 50 zwischen der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material und der gegenüberliegenden Fläche 12 angeordnet. Abhängig von der vorgesehenen Anwendung kann der elastische Körper 50 direkt an der gegenüberliegenden Fläche 12 oder an der Dichtungsanordnung 10 auf der Basis von aktivem Material angebracht sein. Auf diese Weise bewirkt die Veränderung in mindestens einer Eigenschaft des aktiven Materials, dass der elastische Körper 50 gegen die gegenüberliegende Fläche 12 zusammengedrückt wird, um wahlweise einen Dichtungseingriff zwischen beispielsweise der Tür und dem Türrahmen bereitzustellen. Geeignete Dichtungsanordnungen 10 auf der Basis von aktivem Material umfassen diejenigen, die allgemein wie in den 2–6 gezeigt konfiguriert sein. Jedoch muss die Dichtungsanordnung 16 auf der Basis von aktivem Material nicht selbst nachgiebig sein, sondern es ist vielmehr erforderlich, dass sie eine Dehnung liefert.
Eine andere Ausführungsform einer Dichtungsanordnung 60 auf der Basis von aktivem Material ist in 8 gezeigt ist. Die Dichtungsanordnung 60 auf der Basis von aktivem Material umfasst ein aktives Material 62, das geeignet ist, seine Abmessung in dem eingeschalteten Modus zu verändern, so dass sich die Dichtungsanordnung 60 auf der Basis von aktivem Material bei Aktivierung ausdehnt. Eine beispielhafte Ausführungsform dieser Art von Dichtung ist in den 9 und 10 gezeigt. Wie es dargestellt ist, ist eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material, die allgemein mit 70 als eine rohrförmige Struktur angegeben ist, mit einem Druckeinlassventil 72 und einer Luftversorgung oder -pumpe 74 verbunden gezeigt. Die rohrförmige Dichtungsstruktur 70 ist aus einem dielektrischen Elastomermaterial 76 und einer elastischen äußeren Abdeckung 78 zusammengesetzt. Bei Aktivierung des dielektrischen Elastomermaterials 76 durch Anlegen einer Spannung, die durch die Stromversorgung 80 zugeführt wird, wird sich die rohrförmige Dichtungsstruktur ausdehnen und Raum füllen. Indem die Spannung vermindert wird, verringert die rohrförmige Dichtungsstruktur ihren Durchmesser. Ein Controller 82 kann auf der Basis von Eingangssignalen, die beispielsweise von einem Sensor 84 geliefert werden, wahlweise einen geeigneten Spannungsbetrag an das dielektrische Elastomer anlegen.
Eine andere Ausführungsform der sich ausdehnenden Dichtung ist in den 11 und 12 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material, die allgemein mit 90 angegeben ist, einen elastischen rohrförmigen Körper 92, der mit einem elektroaktiven Polymergel 94 gefüllt ist, dessen Volumen sich durch Aufnahme von Wasser und anderen Fluiden bei Anlegen eines elektrischen Signals ausdehnt. Ein Umkehren des elektrischen Signals kann das Volumen vermindern. Durch Anlegen geeigneter elektrischer Signale an die ses elektroaktive Polymergel 94 kann Fluid aus einem Reservoir 96 verwendet, um den Durchmesser des elastischen rohrförmigen Körpers 92 auszudehnen und eine zusätzliche Dichtfläche und -kraft bereitzustellen. Energie wird durch eine Steuerleitung von einer Stromversorgung 98 angelegt, die von einem Controller 100 gesteuert wird. Der Controller kann verschiedene Eingangssignale von beispielsweise einem Sensor 102 empfangen, der konfiguriert ist, um den Zustand von verschiedenen Fahrzeugkomponenten, Umgebungsstrukturen und dergleichen zu detektieren.
Ein anderes Beispiel einer sich ausdehnenden Dichtung benutzt Bimorph-Aktuatoren auf der Basis von aktivem Material, die an den Wänden eines rohrförmigen äußeren Abdeckmaterials befestigt sind. Beispielsweise veranschaulichen die 13 und 14 eine Dichtungsanordnung auf der Basis eines rohrförmigen aktiven Materials, die allgemein mit 110 bezeichnet ist und Bimorph-Aktuatoren 112 umfasst, die an einer Innenwand eines elastischen Dichtungskörpers 114 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform bewirkt eine Aktivierung der Bimorph-Materialien 112 eine Zunahme des Durchmessers des Dichtungskörpers 114 oder kann die Abmessungen des Dichtungskörpers 114 ändern, um eine zusätzliche Dichtfläche und/oder Schließkraft bereitzustellen. In 13 sind die Bimorph-Aktuatorelemente 112 an den Innenwänden eines äußeren Dichtungskörpers 114 befestigt, so dass dazwischen mechanische Lasten übertragen werden. Die Bimorph-Aktuatoren 112 werden über eine elektrische Versorgungsleitung von der Stromversorgung 116 aktiviert. Die Stromversorgung 116 wird über einen Controller 118 gesteuert, der verschiedene Eingangssignale von im ganzen Fahrzeug angeordneten Sensoren 120 verwenden kann. Die Bimorph-Aktuatoren 112 können eine von vielen Lösungen für aktives Material sein, die dieses Verhalten liefern, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, piezoelektrische Bimorphe und Uni morphe, leitende Polymer-Bimorphe, IPMCs, Bimorphe auf der Basis von Formgedächtnislegierungen und dergleichen.
Somit kann Energie angelegt werden, um das aktive Material zu aktivieren und eine Zusammenziehung, Umorientierung oder Drehung der Querschnittsgeometrie und/oder Längenabmessung des aktiven Materials zu bewirken. Nach Wegnahme der Energie tritt dann eine Ausdehnung der Dichtung auf, um einen effektiven Abdichtungseingriff zwischen dem aktiven Material und der gegenüberliegenden Fläche bereitzustellen. Diese Art von Mechanismus kann für diejenigen Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen es erwünscht ist, eine effektive Abdichtung im ausgeschalteten Modus bereitzustellen. Beispielsweise kann beim Öffnen eines Seitenfensters im Stand der Technik Reibung zwischen einer passiven Dichtung und dem Glas resultieren, so dass eine erhöhte Kraft erforderlich ist, damit eine Bewegung des Fensters erfolgt. Durch Anwenden des aktiven Materials, wie es offenbart ist, kann die aktive Dichtungsanordnung die Reibungskräfte, die zu der Bewegung des Fensters gehören, beseitigen und/oder minimieren und dennoch bei Unterbrechung des Aktivierungssignals einen effektiven Abdichtungseingriff bereitstellen. Das veranschaulichte Beispiel soll nicht auf Fenster beschränkt sein und kann für eine Anzahl von Anwendungen angewandt werden, bei denen es erwünscht ist, dass die aktive Dichtungsanordnung auf die beschriebene Weise funktioniert.
15 veranschaulicht eine aktive Dichtung zur Verwendung in einer aktiven Dichtungsanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Dichtungsanordnung 130 auf der Basis von aktivem Material umfasst eine erste Schicht 132 und eine zweite Schicht 134. Die erste Schicht 132 ist aus einem aktiven Material gebildet, wohingegen die zweite Schicht 134 aus einem passiven (nicht aktiven) elastischen Material gebildet ist. Obwohl auf zwei Schichten Bezug genommen wird, ist festzustellen, dass die aktive Dichtung mehr als zwei Schichten umfassen kann. Die zusätzlichen Schichten können aus aktivem Material gebildet sein, das gleich wie das der ersten Schicht 132 oder von diesem verschieden sein kann, und/oder kann zusätzliche passive Schichten umfassen, die gleich der zweiten Schicht 134 oder von dieser verschieden sein können. Optional ist die aktive Dichtung mit einem Material 136 verkapselt, das dazu dient, während des Gebrauchs einen Schutz vor der Umgebung bereitzustellen. Geeignete Materialien umfassen Stoffe, Membranen, elastische Materialien und dergleichen.
Die in 15 gezeigte aktive Dichtung funktioniert wie ein langer freitragender Biegeaktuator. Dieser kann Unimorphe oder Bimorphe umfassen. In der Literatur besteht ein Unimorph-Aktuator aus einem einzigen aktiven Material, das angesteuert werden kann, um den freitragenden Balken in entgegengesetzte Richtungen zu biegen, indem das Vorzeichen des Steuersignals verändert wird. Beispiele von Materialien für Unimorphe sind IPMCs, ionische Polymergele (von denen beide Ionenspezies bewegen), piezoelektrische Polymere, elektrostriktive Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien. Ein Bimorph-Aktuator ist aus zwei Materialien zusammengesetzt, nämlich einem aktiven Material und einem elastischen Material, die entlang ihrer Länge verbunden sind, oder zwei aktiven Materialien, die entlang ihrer Länge verbunden sind. Wenn eines der Komponentenmaterialien derart hergestellt ist, dass es sich verformt, biegt sich der freitragende Balken aufgrund der unterschiedlichen Längenveränderung des aktiven Materials gegenüber dem zweiten der damit verbundenen Materialien. In der Ausgestaltung eines freitragenden Balkens wird der Unimorph oder Bimorph ein Teil der Dichtungsanordnung. In 15 kann das distale Ende der freitragenden Dichtungsanordnung 130 derart hergestellt sein, dass es die gegenüberliegende Fläche berührt, um somit eine Dichtung zu berühren.
Bei Abdichtungsanwendungen können einige Materialien an sich für die Außenfläche 136 der Dichtung 130 geeignet sein, während andere ein nachgiebiges Beschichtungsmaterial umfassen können, um die Dichtfläche zu verbessern. In diesem Fall kann der zugrunde liegende Unimorph oder Bimorph mit einer Beschichtung aus stark nachgiebigem Material verstärkt werden, das helfen wird, eine effektive Feuchtigkeits- und Schalldichtung zu bilden, wenn das Dichtungsmaterial aktiviert wird.
Bimorph-Konfigurationen können derart verallgemeinert werden, dass sie, um normalerweise nach links oder nach rechts gebogen zu werden oder gerade zu sein, mehrere Schichten aus aktiven Materialien und elastischen Materialien, ungleichmäßige Dicken und physikalische Barrieren oder Leitungen für das Steuersignal des aktiven Materials, das bevorzugt die Biegerichtung vorgibt, aufweisen. Bei normal gebogenen Konfigurationen ist eines der aktiven oder elastischen Materialien derart verbunden, dass dessen Differenz länger oder kürzer als die des zweiten Bimorph-Materials ist. Es können auch Mehrschichtkonfigurationen verwendet werden. Es können Bimorphe mit ungleichmäßiger Dicke verwendet werden, um die Größe, um die sich der freitragende Balken nach links oder rechts biegt, vorzugeben. Eine Dickenänderung kann verwendet werden, um das gewünschte Biegeverhalten zu erzielen. Physikalische Barrieren oder Leitungen an der Außenseite oder an der Materialgrenzfläche, die bevorzugt die Biegerichtung vorgeben, sind hauptsächlich für unipolare Signale nützlich, wie etwa eine Ionenkonzentration (beispielsweise eine Membranbarriere), ein pH, ein magnetisches Moment (wie etwa eine harte ferromagnetische Schicht) und Strahlung (wie etwa eine Lichtbarriere). Bevorzugte Materialien sind jene, die große elastische Dehnungsgrenzen zeigen, und jene, die mechanische Energie effektiv speichern können. Sekundäre Erwägungen umfassen jene, die leicht mit dem aktiven Material verbunden werden können, die Eigenschaften aufweisen, die im Arbeits temperaturbereich akzeptabel sind und die eine geeignete Robustheit aufweisen, um eine wiederholte Betätigung zu überstehen. Ein Bimorph kann für jede Anwendung geschaffen werden, bei der das Material angesteuert wird, um sich abhängig von dem Steuersignal zu biegen. Alle Arten von aktiven Materialien können als eine Komponente des Bimorphs verwendet werden, sowie alle Arten von elastischen Materialien, wie etwa Materialien, Polymere und Keramiken. Zusätzlich ist zu erkennen, dass thermoelastische Materialien als Bimorph-Materialien verwendet werden könnten. Deshalb könnten die meisten Materialien für eine bimorphartige Verformung verwendet werden.
16 veranschaulicht eine Dichtungsanordnung 150 auf der Basis von aktivem Material gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Anordnung 150 umfasst ein aktives Material und/oder eine bistabile Struktur 152, die die Form, Orientierung und/oder den Modul verändert, um einen elastischen Dichtungskörper 154, der an einer Fläche 158 angeordnet ist, gegen eine gegenüberliegende Fläche 156 zusammenzudrücken. Der Dichtungskörper 154 kann an entweder der gegenüberliegenden Fläche 156 oder an dem aktiven Material und/oder der bistabilen Struktur 152 angebracht sein. Die Fläche 158 umfasst einen ausgenommenen Abschnitt. Die aktive Materialstruktur 152 bedeckt den ausgenommenen Abschnitt, und die Struktur 152 ist in einem ausgeschalteten Zustand elastisch, um sich an die Form des Dichtungskörpers anzupassen, wenn er gegen sie gepresst wird. Eine Aktivierung bewirkt, dass das aktive Material und/oder die bistabile Struktur 152 ihre Länge über den ausgenommenen Abschnitt hinweg verringern und angezogen werden (d.h. eine erhöhte Steifigkeit), um einen Druck gegen die Dichtung 154 gegen die gegenüberliegende Fläche 156 auszuüben. In dieser Ausführungsform verändern sich die Form, Orientierung oder der Biegemodul, um die Kraft auf die Dichtung auszuüben und somit die Dichtung gegen die zwei gegenüberlie genden Flächen 156 und 158 zusammenzudrücken. Ein beispielhaftes aktives Material, das für diese Anwendung geeignet ist, ist eine dielektrische Elastomermembran, eine piezoelektrische Polymermembran oder ein Film aus einer Formgedächtnislegierung.
17 veranschaulicht eine Dichtungsanordnung 160 auf der Basis von aktivem Material, bei der der Querschnitt eines elastischen Dichtungskörpers 162 derart entworfen ist, dass er sich bei einer Aktivierung des Elements 164, das aus einem aktiven Material gebildet ist, in einer Richtung senkrecht zu der Dichtungskraft ausdehnt oder zusammenzieht. Der Dichtungsquerschnitt kann eine mechanische Hub- oder Kraftverstärkung für das zwischen den beiden inneren Dichtflächen angeordnete aktive Material bereitstellen. Ein interner mechanischer Mechanismus für eine Hub- oder Kraftverstärkung kann zwischen dem aktiven Material und dem Dichtungsquerschnitt eingesetzt sein. Bei Aktivierung dehnt sich das aktive Material gegen den Verstärkungsmechanismus oder den Dichtungsquerschnitt direkt aus oder zieht sich gegen diese zusammen. Eine Bewegung an bestimmten Stellen des Querschnitts bewirkt, dass sich die obere Fläche der Dichtung in der Abdichtungsrichtung bewegt (und somit einen gewissen Grad von Kraftverstärkung oder -verringerung). Auf diese Weise liefert die Ausdehnung der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material einen Kontakt mit einer gegenüberliegenden Fläche (nicht gezeigt).
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Im Hinblick auf organische Materialien können alle Polymermaterialien mit nicht zentrosymmetrischer Struktur und großer Dipolmomentgruppe/großen Dipolmomentgruppen an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als ge eignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen etwa, sind aber nicht darauf beschränkt, Poly(natrium-4-styrolsulfonat), Polymer von Azochromophoren mit Polyvinylaminseitenketten und dessen Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylidenfluorid, dessen Copolymer Vinylidenfluorid ("VDF"), Cotrifluorethylen und dessen Derivate, Polychlorkohlenwasserstoffe, einschließlich Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und deren Derivate; Polyacrylnitrile und deren Derivate; Polycarbonsäuren, einschließlich Polymethacrylsäure und deren Derivate; Polyharnstoffe und deren Derivate; Polyurethane und deren Derivate; Biomoleküle, wie beispielsweise Poly-L-Milchsäuren und deren Derivate und Zellmembranproteine sowie Phosphat-Biomoleküle, wie Phosphodilipide; Polyaniline und deren Derivate, und alle Derivate von Tetraminen; Polyamide, einschließlich aromatische Polyamide und Polyimide, einschließlich Kapton und Polyetherimid, und deren Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-vinylpyrrolidon (PVP)-Homopolymer und dessen Derivate und zufällige PVP-Covinylacetatcopolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder in sowohl der Hauptkette als auch den Seitenketten und Mischungen davon.
Piezoelektrisches Material kann auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen, und Oxide, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTi₃, PbTiO₃; BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen davon, und Verbindungen der Gruppe VIA und IIB, wie etwa CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen davon. Das piezoelektrische Material ist bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirkonattitanat und Bariumtitanat und Mischungen davon besteht.
Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, zu irgendeiner zuvor definierten Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Das Formgedächtnispolymer kann in der Form eines Feststoffes oder eines Schaums vorliegen, wie es für manche Ausführungsformen erwünscht sein kann. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren, in denen ihre Formorientierung als Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen sind SMPs Copolymere, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Einheiten bestehen, die derart beschrieben werden können, dass sie unterschiedliche Segmente innerhalb des Copolymers definieren, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Biegemoduleigenschaften und Wärmeübergangstemperaturen des Materials beiträgt. Der Ausdruck "Segment" bezieht sich auf einen Block, einen Pfropf oder eine Sequenz der gleichen oder von ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die mit einem unterschiedlichen Segment copolymerisiert sind, um ein kontinuierliches quervernetztes, einander durchdringendes Netz aus diesen Segmenten zu bilden. Diese Segmente können eine Kombination von kristallinen oder amorphen Materialien sein und sind daher allgemein als hartes Segment/harte Segmente oder weiches Segment/weiche Segmente klassifiziert worden, wobei das harte Segment im Allgemeinen eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) oder einen höheren Schmelzpunkt als das weiche Segment aufweist. Jedes Segment trägt dann zu den Gesamt-Biegemoduleigenschaften des SMP und den Wärmeübergängen davon bei. Wenn mehrere Segmente verwendet werden, können mehrere Wärmeübergangstemperaturen beobachtet werden, wobei die Wärmeübergangstemperaturen des Copolymers als gewichtete Mittelwerte der Wärmeübergangs temperaturen seiner in ihm enthaltenen Segmente angenähert werden können. Im Hinblick auf Formgedächtnispolymerschäume kann die Struktur wie gewünscht offenzellig oder geschlossenzellig sein.
In der Praxis werden die SMPs zwischen einer von mindestens zwei Formorientierungen geändert, so dass mindestens eine Orientierung eine Größenreduktion in Bezug auf die andere Orientierung/die anderen Orientierungen bereitstellen wird, wenn ein geeignetes thermisches Signal geliefert wird. Um eine permanente Form festzulegen, muss das Formgedächtnispolymer bei oder über seinem Schmelzpunkt oder seiner höchsten Übergangstemperatur (die auch als "letzte" Übergangstemperatur bezeichnet wird) liegen. Die SMP-Schäume werden bei dieser Temperatur durch Blasformen geformt oder mit einer aufgebrachten Kraft geformt, wonach ein Abkühlen folgt, um die permanente Form festzulegen. Die Temperatur, die notwendig ist, um die permanente Form festzulegen, liegt im Allgemeinen zwischen ungefähr 40°C und ungefähr 200°C. Nach der Ausdehnung durch Fluid wird die permanente Form zurückerlangt, wenn die aufgebrachte Kraft weggenommen und das ausgedehnte SMP auf oder über die höchste oder letzte Übergangstemperatur des SMP gebracht wird. Die Tg des SMP kann für eine besondere Anwendung durch Modifizieren der Struktur und Zusammensetzung des Polymers gewählt werden.
Die Temperatur, die für die Wiederherstellung einer permanenten Form notwendig ist, kann im Allgemeinen auf irgendeine Temperatur zwischen ungefähr –63°C und ungefähr 160°C oder darüber festgelegt werden. Der Entwurf der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung ermöglichen. Eine bevorzugte Temperatur zur Wiederherstellung einer Form ist gleich oder größer als etwa –30°C, stärker bevorzugt gleich oder größer als etwa 20°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur gleich oder größer als etwa 70°C. Ebenfalls eine bevorzugte Temperatur für die Wiederherstellung der Form ist gleich oder kleiner als etwa 250°C, stärker bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 200°C und am stärkten bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 180°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere können thermoplastische, einander durchdringende Netze, einander halb durchdringende Netze oder gemischte Netze sein. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolacton-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)diniethacrylat-n-butylacrylat, Copolymer aus Polynorbornyl und polyhedrischem, oligomerem Silsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Bu tadien-Copolymere, Polyurethan-Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Das Durchführen einer Polymerisation von unterschiedlichen Monomersegmenten mit einem Treibmittel kann verwendet werden, um den Formgedächtnispolymerschaum zu bilden. Das Treibmittel kann vom Zersetzungstyp (entwickelt bei der chemischen Zersetzung ein Gas) oder vom Verdampfungstyp (der ohne chemische Reaktion verdampft) sein. Beispielhafte Treibmittel vom Zersetzungstyp umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Natriumbicarbonat, Azidverbindungen, Ammoniumcarbonat, Ammoniumnitrit, Leichtmetalle, die bei Reaktion mit Wasser Wasserstoff entwickeln, Azodicarbonamid, N,N'-Dinitrosopentalmethylentetramin und dergleichen. Beispielhafte Treibmittel vom Verdampfungstyp umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Trichlormonofluormethan, Trichlortrifluorethan, Methylenchlorid, komprimiertes Stickstoffgas und dergleichen. Das Material kann dann in die permanente Form zurückgeführt werden, indem das Material über seine Tg aber unter die höchste Wärmeübergangstemperatur oder den höchsten Schmelzpunkt erwärmt wird. Somit ist es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich, mehrere temporäre Formen darzustellen, und mit mehreren harten Segmenten kann es möglich sein, mehrere permanente Formen darzustellen.
Geeignete Formgedächtnislegierungen gibt es in mehreren unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten verwendete dieser Phasen sind sogenannte Martensit- und Austenitphasen. In der folgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die stärker verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, wohingegen die Austenitphase sich auf eine starrere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase vorliegt und erwärmt wird, beginnt sie sich zu der Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als Austenitstarttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird Austenitendtemperatur (Af) genannt. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie sich zu der Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensitstarttemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der das Austenit die Transformation zu Martensit beendet, wird Martensitendtemperatur (Mf) genannt. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer Martensitphase weicher und leichter verformbar und in der Austenitphase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Ausdehnung der Formgedächtnislegierung bevorzugt bei oder unterhalb der Austenitübergangstemperatur (bei oder unter As). Ein anschließendes Erwärmen über die Austenitübergangstemperatur bewirkt, dass der ausgedehnte Formgedächtnisschaum zu seiner permanenten Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal, das eine Größe aufweist, um eine Transformation zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken. Für diejenigen Formgedächtnismaterialien, die ferromagnetisch sind, kann ein magnetisches und/oder ein thermisches Signal angelegt werden, um die gewünschte Formveränderung zu bewirken.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Veränderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen beispielsweise kann sie von über ungefähr 100°C auf unter ungefähr –100°C verändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess tritt über einen Bereich von nur einigen wenigen Graden auf, und der Start oder das Ende der Transformation kann auf innerhalb eines Grades oder zwei abhängig von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren über den Temperaturbereich, der ihre Transformation überspannt, stark, wobei typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und eine hohe Dämpfungskapazität bereitgestellt werden.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z.B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binärer, ternärer oder irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt, z.B. eine Veränderung in der Form, Veränderungen in der Dehnungsfestigkeit und/oder Biegemoduleigenschaften, Dämpfungskapazität, Superelastizität und dergleichen zeigt. Eine bevorzugte Formgedächtnislegierung ist eine Legierung auf Nickel-Titan-Basis, die im Handel unter der Marke FLEXINOL von Dynalloy, Inc. erhältlich ist. Die Auswahl einer geeigneten Zusammensetzung für die Formgedächtnislegierung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente arbeiten wird.
Geeignete magnetische Materialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, Weich- oder Hartmagnete; Hämatit; Magnetit; magneti sches Material auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt, Legierungen der vorstehenden oder Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden umfassen, und dergleichen. Legierungen von Eisen, Nickel und/oder Kobalt können Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid verteilt sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe₂O₃ und FesO₄ umfassen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreier Stahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele von geeigneten Partikeln umfassen Reineisenpulver, Reduktionseisenpulver, Eisenoxidpulver/Reineisenpulver-Mischungen und Eisenoxidpulver/Reduktioneisenpulver-Mischungen. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes Partikel ist Carbonyleisen, bevorzugt Reduktionscarbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte so gewählt werden, dass die Partikel Multi-Domain-Charakteristiken zeigen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können gleich oder kleiner als etwa 1000 Mikrometer sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und gleich oder kleiner als etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von gleich oder größer als etwa 0,1 Mikrometer, wobei gleich oder größer als etwa 0,5 stärker bevorzugt ist und gleich oder größer als etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge zwischen ungefähr 5,0 bis ungefähr 50 Volumenprozent der Gesamt-MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Silikonöle, Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die ungesättigte und gesättigte umfassen; und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann gleich oder kleiner als etwa 100.000 Centipoise sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 10.000 Centipoise bevorzugt ist und gleich oder kleiner als etwa 1.000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von gleich oder größer als etwa 1 Centipoise, wobei gleich oder größer als etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und gleich oder größer als etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
Es können auch wässrige Trägerfluide verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone, wie Bentonit oder Hectorit umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge eines polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmittels, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist gleich oder kleiner als etwa 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 3,0 %. Ebenso ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt gleich oder größer als etwa 0,1 Volumen-% und stärker bevor zugt gleich oder größer als etwa 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 13 und bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids gleich oder größer als etwa 5,0 und bevorzugt gleich oder größer als etwa 8,0.
Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist gleich oder kleiner als etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt gleich oder kleiner als etwa 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit in einer Menge von gleich oder größer als etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt gleich oder größer als etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt gleich oder größer als etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Extremdruck-Verschleißschutzadditive, Antioxidanzien, thixotrope Mittel und herkömmliche Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und teilweise verestere Polyole, können ebenfalls enthalten sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht darauf beschränkt sein, eine elastische Polymermatrix, die eine Suspension von ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln umfasst, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Polyalphaolefine, Naturkatuschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften in Reaktion auf elektrische oder mechanische Felder zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktiv-gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen)-Copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit, ein veränderliches Ausmaß an ferroelektrisch-elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können irgendein wesentlich isolierendes Polymer oder irgendeinen wesentlich isolierenden Kautschuk (oder eine Kombination davon) umfassen, der sich in Reaktion auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Veränderung in einem elektrischen Feld führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als vorgespanntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PVDF umfassen, Haftklebstoffe, Fluoroelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, können beispielsweise Copolymere, die Silikon- und Acrylreste umfassen, und Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Acrylelastomer umfassen, einschließen.
Materialien, die als elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis von einer oder mehreren Materialeigenschaften, wie etwa einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, einem niedrigen Elastizitätsmodul (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante, und dergleichen ausgewählt werden. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, das es einen elastischen Modul von höchstens ungefähr 100 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen ungefähr 0,05 MPa und ungefähr 10 MPa, und bevorzugt zwischen ungefähr 0,3 MPa und ungefähr 3 MPa aufweist. In einer anderen Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen ungefähr 2 und ungefähr 20 und bevorzugt zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise würden Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche erwünscht sein, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe dielektrische Festigkeit aufwiesen. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als Dünnfilme gefertigt und eingesetzt werden. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
Da elektroaktive Polymere der vorliegenden Erfindung sich mit hohen Dehnungen auslenken können, sollten Elektroden, die an den Polymeren angebracht sind, sich ebenfalls auslenken, ohne das mechanische oder elektrische Leistungsvermögen preiszugeben. Im Allgemeinen können Elektroden, die für die Verwendung geeignet sind, von jeder Form und jedem Material sein, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, einem elektroaktiven Polymer eine geeignete Spannung zuzuführen oder eine geeignete Spannung von diesem zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder über die Zeit variieren. In einer Ausführungsform haften die Elektroden an einer Fläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer haften, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich an die sich ver ändernde Form des Polymers an. Entsprechend kann die vorliegende Offenbarung nachgiebige Elektroden einschließen, die sich an die Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie angebracht sind, anpassen. Die Elektroden können an nur einem Abschnitt des elektroaktiven Polymers angebracht sein und ein aktives Gebiet gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden, die zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, umfassen strukturierte Elektroden, die Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten umfassen, texturierte Elektroden, die variierende Abmessungen aus der Ebene heraus umfassen, leitfähige Fette, wie Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit hohem Querschnittsverhältnis, wie etwa Kohlenstofffibrillen und Kohlenstoffnanoröhren, und Mischungen von ionisch leitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialen, die in einer Elektrode verwendet werden, können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, dünne Metalle, einschließlich Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist zu verstehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit besonderen Polymeren gut arbeiten können, aber mit anderen nicht genauso gut arbeiten können. Beispielsweise arbeiten Kohlenstofffibrillen mit Acrylelastomerpolymeren gut, wohingegen sie mit Silikonpolymeren nicht genauso gut arbeiten.
Obgleich die Offenbarung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente hiervon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen. Deshalb soll die Offenbarung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt sein, die als beste Ausführungsart offenbart ist, die zur Ausführung dieser Offenbarung in Betracht gezogen wird, sondern die Offenbarung soll alle Ausführungsformen mit einschließen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Aktive Dichtungsanordnungen wenden aktive Materialien an, die gesteuert und aus der Ferne verändert werden können, um die Dichtungseffektivität zu ändern, wobei die aktiven Dichtungsanordnungen aktiv Moduleigenschaften, wie etwa Steifigkeit, Formorientierung und dergleichen verändern. Auf diese Weise können bei Dichtungsanordnungen, die für Fahrzeuge zugeschnitten sind, wie etwa bei einer Fahrzeugtüranwendung, Anstrengungen zum Öffnen und Schließen einer Tür minimiert werden, jedoch kann die Dichtungseffektivität größtmöglich erhöht werden.

Claims

Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material, umfassend: eine Dichtungsstruktur, die ein aktives Material umfasst, das geeignet ist, mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsstruktur verändert, wobei das aktive Material Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst; und einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, der geeignet ist, wahlweise das Aktivierungssignal bereitzustellen.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 1, wobei ein Ende des aktiven Materials an einem starren Element angebracht ist.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 2, wobei die Dichtungsstruktur ferner ein passives elastisches Element in Wirkverbindung mit dem aktiven Material umfasst, wobei das passive elastische Element angeordnet ist, um in Reaktion auf das Aktivierungssignal an das aktive Material eine gegenüberliegende Fläche abdichtend zu berühren.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 2, wobei die Dichtungsstruktur ferner ein passives elastisches Element in Wirkverbindung mit dem aktiven Material umfasst, wobei das passive elastische Element angeordnet ist, um bei Unterbrechung des Aktivierungssignals an das aktive Material eine gegenüberliegende Fläche abdichtend zu berühren.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsstruktur ein passives elastisches Element an einer bistabilen Struktur, die aus dem aktiven Material gebildet ist, umfasst, wobei die bistabile Struktur über einem ausgenommenen Abschnitt einer Fläche angeordnet ist, wobei die bistabile Struktur bei Unterbrechung des Aktivierungssignals krummlinig in Bezug auf den ausgenommenen Abschnitt ist und bei Aktivierung des Aktivierungssignals im Wesentlichen geradlinig ist, um das passive elastische Element abdichtend gegen eine gegenüberliegende Fläche zu drücken.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsstruktur eine erste Schicht des aktiven Materials und eine zweite Schicht eines passiven elastischen Materials umfasst.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 6, wobei die Dichtungsstruktur ferner eine Verkapselungsschicht über den ersten und zweiten Schichten umfasst.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 1, wobei die Dichtungsstruktur einen rohrförmigen Körper umfasst, und das aktive Material in Wirkverbindung damit steht, wobei das aktive Material die Abmessungen des rohrförmigen Körpers in Reaktion auf das Aktivierungssignal ausdehnt.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 1, wobei das aktive Material die gesamte Dichtungsstruktur bildet.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 9, wobei das aktive Material im Inneren des rohrförmigen elastischen Körpers angeordnet ist und ein elektroaktives Polymergel in Fluidverbindung mit einem Fluidreservoir umfasst.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 9, wobei der rohrförmige elastische Körper unter Druck gesetzt ist und das aktive Material ein dielektrisches Elastomer in Fluidverbindung mit einem Fluidreservoir ist.
Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material nach Anspruch 9, wobei das aktive Material ein Bimorph-Aktuator ist, der an einer Innenfläche des rohrförmigen Dichtungskörpers (114) angeordnet ist.
Fahrzeug, umfassend: mindestens zwei gegenüberliegende Flächen; und eine Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material zwischen den mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen, wobei die Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material eine Dichtungsstruktur umfasst, die ein aktives Material aufweist, das geeignet ist, mindestens eine Eigenschaft in Reaktion auf ein Aktivierungssignal zu verändern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsstruktur verändert, und einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material, der geeignet ist, wahlweise das Aktivierungssignal zu liefern, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft eine Abmessung der Dichtungsstruktur verändert.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Dichtungsstruktur von einer ausgewählten Fläche der mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen beabstandet ist und geeignet ist, die ausgewählte Fläche zu berühren, um in Reaktion auf das Aktivierungssignal einen Dichtungseingriff zu bilden.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei das aktive Material Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymere, elektroaktive Polymere, ferromagnetische Formgedächtnislegierungen, magnetische Materialien, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, magnetorheologische Fluide, magnetorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Dichtungsstruktur die mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen berührt, um bei Fehlen des Aktivierungssignals einen Dichtungseingriff zu bilden, und geeignet ist, sich in Reaktion auf das Aktivierungssignal von einer ausgewählten Fläche der mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen weg zusammenzuziehen.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Dichtungsstruktur und die mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen eine Dichtung zwischen einer Tür und einem Türrahmen definieren.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Dichtungsstruktur rohrförmig ist und das aktive Material in Wirkverbindung mit der Dichtungsstruktur steht, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft des aktiven Materials eine Moduleigenschaft und/oder eine Form der Dichtungsstruktur verändert.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei das aktive Material sich zwischen einem passiven elastischen Element und einer ausgewählten Fläche der mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen befindet, wobei eine Aktivierung des aktiven Materials bewirkt, dass das passive elastische Element eine Dichtungskraft der Dichtungsanordnung auf der Basis von aktivem Material gegen die mindestens zwei gegenüberliegenden Flächen erhöht.
Fahrzeug nach Anspruch 19, wobei das passive elastische Element rohrförmig ist, und das aktive Material im Inneren davon angeordnet ist, wobei die Veränderung in der mindestens einen Eigenschaft den Modul und/oder die Form der Dichtungsanordnung verändert.