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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Platte mit gesteuerter
Verformung.
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Spezieller
ausgedrückt,
die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Platte gesteuerter
Verformung, welche speziell für
die Herstellung von Hochleistungsfahrzeug-Gehäuseteilen geeignet ist, auf
welche sich die folgende Beschreibung lediglich beispielhaft bezieht.
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Stand der Technik
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Wie
bekannt ist, weisen die meisten aktuell hergestellten Hochleistungskraftfahrzeuge
eine Anzahl von externer aerodynamischer Zubehörteile mit negativer Anhebung
bzw. negativem Lift auf, allgemein als "Stabilisatoren" oder "Spoiler" bekannt, die in geeigneter Weise am
Fahrzeuggehäuse
angebracht sind, um die vertikale Belastung des sich bewegenden
Fahrzeuges zu erhöhen
und so das Halten auf der Straße
und die Traktion zu verbessern.
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Derartige
Spoiler haben jedoch den hauptsächlichen
Nachteil, die gesamtaerodynamische Wirksamkeit des Fahrzeugs zu
beeinträchtigen,
indem in hohem Maße
die Leistung erhöht
wird, welche erforderlich ist, um das Fahrzeug auf eine gegebene Geschwindigkeit
zu bringen und sie beizubehalten, d.h. des Erhöhens des Luft- bzw. Strömungswiderstandes.
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Anhand
einer Lösung
dieses Problems haben einige Kraftfahrzeughersteller bestimmte Modelle
mit bewegbaren Spoiler ausgestattet, welche in der Lage sind, auf
Befehl eine Ruheposition oder eine Position mit minimalem Winkel
anzunehmen, welche die aerodynamische Wirksamkeit des Fahrzeugs
so wenig wie möglich
beeinträchtigt,
oder eine ausgefahrene bzw. ausgezogene Maximalwinkelposition, um
die Vertikalbelastung auf das sich bewegende Fahrzeug zu erhöhen und
so das Halten auf der Straße
und die Traktion zu verbessern.
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Bewegliche
Spoiler erfordern offensichtlich eine Anzahl von elektrischen und/oder
pneumatischen Aktoren, um sie zwischen der Ruhe- oder Minimalwinkelposition
und der ausgefahrenen oder Maximalwinkelposition zu bewegen; und
eine elektronische Zentralsteuereinheit, um den Betrieb der elektrischen
und/oder pneumatischen Aktoren zu koordinieren, um die aerodynamische
Konfiguration des Fahrzeugs einzustellen, ohne eine scharfe Änderung in
der Höhe
zu produzieren und so die Stabilität des Fahrzeugs zu gefährden.
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Um
die Gesamtaerodynamikeffizienz zu verbessern, wurden in den letzten
Jahren Prototyp-Fahrzeuge
mit hoher Leistungsfähigkeit
gestaltet, in welchen das Erhöhen
bezüglich
der vertikalen Last nicht nur von den Spoiler abhängt, sondern
von einer Anzahl von Gehäuseplatten,
welche in der Lage sind, auf Befehl ihre Form zu verändern, um
das aerodynamische Profil des Fahrzeugs zu ändern, d.h. die äußere Form
des Gehäuses,
um die negative Anhebung des Fahrzeugs, wenn nötig, zu erhöhen, d.h. eine vertikale Belastung
zu erzeugen, welche das Fahrzeug auf die Straße drückt.
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Unglücklicherweise
sind aktuell benutzte Platten so teuer herzustellen, dass praktisch
jegliche Möglichkeit
der normalen Massenproduktion ausgeschlossen wird.
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In
der
WO-9824690 wird
eine Platte mit gesteuerter Verformung veröffentlicht, welche eine dünne Platte
aus elastisch deformierbarem Material und ein Bündel von Zugdrähten aufweist,
welche wenigstens teilweise innerhalb der dünnen Platte nahe einer der
zwei lateralen Oberflächen
der dünnen
Platte eingefügt
sind. Die Zugdrähte
sind an ihren Enden mit dem Gehäuse
der dünnen
Platte verankert, und die Platte weist auch eine Drahtstreckvorrichtung
auf, um selektiv ein mechanisches Ziehen auf die Zugdrähte auszuüben, um
eine gesteuerte Deformation des Gehäuses der dünnen Platte zu erzeugen; wobei diese
Drahtzugeinrichtung aus Formgedächtnis-Metallmaterial
hergestellt ist.
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Der
Hauptnachteil dieser Platten mit gesteuerter Deformation besteht
darin, dass ihre Herstellung sehr teuer ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gehäuseplatten, deren Deformation
gesteuert ist, bei akzeptablen Herstellungskosten zu liefern.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug geliefert, welches
eine Platte mit gesteuerter Verformung entsprechend dem charakterisierenden
Teil des Anspruchs 1 besitzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine
nicht eingrenzende Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer in der Verformung gesteuerten Platte
zeigt, wobei Anschlussteile und Teile der Klarheit wegen weggelassen
sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht entsprechend der Lehre der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei Anschlussteile und Teile der Klarheit wegen weggelassen
sind;
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3 einen
Abschnitt eines Komponententeils der Platte mit gesteuerter Verformung
von 2 zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs zeigt, welches eine Anzahl
von Gehäuseplatten
mit gesteuerter Verformung aufweist, wie sie in den obigen Figuren
gezeigt werden.
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Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen
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Mit
Bezug auf 1 und 4 zeigt
die Ziffer 1 insgesamt eine Platte mit gesteuerter Verformung,
welche zum Vorteil für
die Herstellung von Gehäuseteilen
eines Fahrzeugs 2 benutzt werden kann, um das aerodynamische
Profil auf Befehl zu ändern, d.h.
die Gehäuseform,
und so das negative Anheben des Fahrzeugs zu steuern.
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Beispielsweise
kann mit Bezug auf 4 die Platte 1 mit
gesteuerter Verformung zum Vorteil für die Herstellung der Motorhaube,
der Gepäckraumabdeckung
und/oder der flachen Kanäle
unter dem Gehäuse
eines Fahrzeugs 2 genutzt werden.
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Mit
Bezug auf 1 weist die Platte 1 auf: eine
dünne Platte 3 aus
elastischem verformbaren Material, z.B. einem Kunststoffmaterial
mit oder ohne Verstärkungsfasern;
und ein Bündel
von Zugdrähten 4,
welche innerhalb der dünnen
Platte 3 nahe einer der zwei lateralen Oberflächen der
dünnen
Platte 3 eingefügt
sind. Die Zugdrähte 4 sind
an beiden Enden 4a des Gehäuses der dünnen Platte 3 verankert; und
die Platte 1 weist auch eine Drahtziehvorrichtung auf,
um selektiv ein mechanisches Ziehen an den Zugdrähten 4 auszuführen, um
eine gesteuerte Verformung des Körpers
der dünnen
Platte 3 herzustellen.
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Spezieller
ausgedrückt,
die Zugeinrichtung der Platte 1 reduziert die Zugdrähte 4 auf
Befehl auf eine vorher festgelegte Gesamtlänge, um eine gesteuerte Verformung
des Körpers
der dünnen
Platte 3 herzustellen.
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Die
Art der Deformation, welche an der dünnen Platte 3 aufgebracht
wird, hängt
offensichtlich von der räumlichen
Verteilung der Zugdrähte 4 innerhalb
des Gehäuses
der dünnen
Platte 3 ab.
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In
dem gezeigten Beispiel ist die dünne
Platte 3 flach und rechteckig und weist auf: einen zentralen
Unterstützungskern 3a aus
Nomex (d.h. einer dünnen
Platte aus Honigwaben-Aluminium
einer gegebener Dicke); und zwei dünne Abdeckplatten 2b aus
Verbundmaterial (z.B. Glasfaser oder Carbonfaser, eingebettet in
einer Epoxyharzmatrix), welche den Zentralkern 3a auf gegenüberliegenden
Seiten abdeckt. Die dünne
Platte 3 kann offensichtlich auch durch ein Stück dünne Platte,
aus Verbundmaterial gegebener Dicke, definiert werden.
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In
dem gezeigten Beispiel sind die Zugdrähte 4 ummantelt und
gleiten innerhalb von röhrenförmigen Hüllen 5,
welche in eine der beiden dünnen
Abdeckplatten 3b eingebettet sind, sind parallel zu den zwei
kleineren lateralen Rändern
der dünnen
Platte 3 und sind am Gehäuse der dünnen Platte 3 an den größeren Rändern der
dünnen
Platte 3 verankert, so dass ein Zusammenziehen, d.h. eine
Reduktion in der Gesamtlänge
der Drähte,
auslöst,
dass das Gehäuse
der dünnen
Platten 3 sich in eine halbzylindrische Schale verbiegt.
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Mit
Bezug auf 1 in einer ersten Ausführungsform
der Platte 1 werden die Zugdrähte 4 durch Drähte, welche
wenigstens entlang eines Teils ihrer Länge aus Formgedächtnis- Metallmaterial (z.B.
Titannickel, Kupferzinkaluminium oder Kupferaluminiumnickellegierung)
hergestellt sind und in der Lage sind, eine vorher festgelegte Länge L0 bei einer Temperatur gleich oder größer als
eine vorher festgelegte Temperatur T0 anzunehmen.
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Formgedächtnismaterialien
sind Metallmaterialien, welche in der Lage sind, eine eingestellte
makroskopische Form einfach als Ergebnis einer Temperaturänderung
oder einer angelegten Spannung wieder anzunehmen und eine Festkörper-Phasentransformation
zu bewirken, in welcher die Start- und die Endphasen beide feste
Strukturen sind, welche sich nur bezüglich der kristallographischen
Anordnung unterscheiden.
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Eine
derartige Festkörper-Phasentransformation
ist allgemein als eine "thermoplastische
martensitische Transformation bzw. Umformung" bekannt, und die Temperatur, bei welcher
sie auftritt, wird als "Übergangstemperatur" bezeichnet.
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Spezieller
ausgedrückt
sind Formgedächtnismaterialien
in der Lage, zwei unterschiedliche kristallographische Konfigurationen
abhängig
von der Temperatur anzunehmen: Eine erste, welche im Allgemeinen
als die martensitische Phase bekannt ist, ist typisch für niedrige
Temperaturen und ist durch einen hohen Grad an Verformbarkeit und
durch eine niedrige Fließgrenze
charakterisiert; eine zweite, allgemein als die austenitische Phase
bekannt, ist typisch für
hohe Temperaturen und ist durch einen hohen Grad an Strukturfestigkeit
kombiniert mit einer Tendenz charakterisiert, eine vorher festgelegte
makroskopische Form anzunehmen, welche in dem Material selbst durch
geeignete Wärmebehandlung
gespeichert ist.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Platte 1 ist jeder Zugdraht 4 durch einen
Draht definiert, welcher insgesamt aus Formgedächtnis-Metallmaterial hergestellt
ist, welches geeignet wärmebehandelt
ist, um in der austenitischen Phase eine makroskopische Form anzunehmen,
in welcher die Gesamtlänge
des Drahtes gleich der Länge
L0 ist.
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Wenn
die Zugdrähte 4 auf
eine Temperatur gleich der oder größer als die "Übergangstemperatur" gebracht werden,
d.h. auf eine Temperatur gleich oder größer als die Temperatur T0, tendieren sie daher alle dazu, die eingestellte
Länge L0 anzunehmen, so dass damit das Gehäuse der
Platte 3 deformiert wird. Spezieller ausgedrückt, da
die Länge
L0 kleiner als die Breite d der dünnen Platte 3 im
Ruhezustand ist, wenn die Temperatur der Zugdrähte 4 gleich oder größer als
die Temperatur T0 ist, tendiert das Gehäuse der
dünnen
Platte 3 dazu, sich elastisch zu verformen und sich zu
verbiegen, um die größeren lateralen
Ränder
der dünnen
Platte 3 näher
zueinander zu bringen.
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Umgekehrt
hat in der martensitischen Phase, d.h. unter der Temperatur T0, das Formgedächtnis-Metallmaterial, aus
welchem die Zugdrähte 4 hergestellt
sind, einen derartig niedrigen Fließgrenzpunkt, dass dieser kleiner
als die Rückfederkraft
ist, welche dazu tendiert, die dünne
Platte 3 auf ihre ursprüngliche
flache Form zurückzubringen,
so dass sich die Zugdrähte 4 zu
einer größeren Gesamtlänge als
die Länge
L0 ausdehnen und die dünne Platte 3 wieder
ihre natürliche,
d.h. flache Form annimmt.
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Die
Zugdrähte 4,
welche wenigstens zum Teil aus Formgedächtnis-Metallmaterial hergestellt
sind, agieren deshalb auch als lineare Aktoren, welche in der Lage
sind, auf Befehl die Gesamtlänge
der Zugdrähte 4 auf
die Länge
L0 zu reduzieren, um eine gesteuerte Verformung
des Grundkörpers
der dünnen Platte 3 herzustellen.
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Um
die Zugdrähte 4 zusammenzuziehen, besitzt
die Platte 1 eine Drahterwärmungsvorrichtung 8,
welche auf Befehl die Zugdrähte 4 oder
die Teile der Zugdrähte 4,
welche aus Formgedächtnis-Metallmaterial
hergestellt sind, auf eine Temperatur gleich oder größer als
die "Übergangstemperatur" erwärmt, d.h.
auf die Temperatur T0, um so die Festkörpertransformationsphase
bzw. Umwandlungsphase zu verursachen, welche typisch für die oben
erwähnten Formgedächtnis-Metallmaterialien
(d.h. die "thermoplastische
martensitische Umformung")
ist.
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In
dem gezeigten Beispiel weist die Drahterwärmungseinrichtung 8 eine
Anzahl elektrischer Widerstände 9 auf,
welche entlang der Zugdrähte 4 angeordnet
sind; und eine elektronische Zentralsteuereinheit 10, welche
auf Befehl einen gegebenen, nicht notwendigerweise konstanten elektrischen
Strom durch die elektrischen Widerstände führt, um aufgrund des Joule-Effekts die Zugdrähte 4 zu
erwärmen.
Die elektrischen Widerstände 9 können entweder
durch Zugdrähte 4 selbst
definiert sein, welche, indem sie aus Metalllegierung hergestellt
sind, e lektrisch leitend sind, oder durch eine Anzahl von Drähten, welche
aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind und um die Zugdrähte 4 gewickelt
sind.
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Kurz
ausgedrückt,
in der ersten Ausführungsform
der Platte 1 weist die Drahtzugeinrichtung Zugdrähte 4 oder
die Teile der Zugdrähte 4,
welche aus Formgedächtnis-Metallmaterial
hergestellt sind; und eine Drahterwärmungseinrichtung 8 auf.
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Mit
Bezug auf die 2 und 3 entsprechend
der Erfindung sind die Zugdrähte 4 insgesamt aus
Stahl, Carbonfaser oder anderem hochfesten Material hergestellt;
und die Drahtzugeinrichtung weist eine Anzahl von linearen Aktoren 11 auf,
welche jeweils entlang einem jeweiligen Zugdraht 4 der Platte 1 platziert
sind, und zum Reduzieren der totalen Länge des jeweiligen Zugdrahtes 4 auf
eine Länge
L0 auf Befehl, um eine gesteuerte Verformung
des Grundkörpers
der dünnen
Platte 3 zu erzeugen.
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In
dem gezeigten Beispiel ist jeder lineare Aktor 11 an einem
der beiden Enden 4a des jeweiligen Zugdrahtes 4 platziert,
verbindet das Ende 4a mit dem Grundkörper der dünnen Platte 3 (das
andere Ende 4a des Zugdrahtes 4 ist an dem Grundkörper der
dünnen
Platte 3 verankert) und weist auf: eine hohle Hülse 12,
welche an dem Grundkörper
der dünnen
Platte 3 verankert ist und koaxial zu dem Ende 4a des
Zugdrahtes 4 ist; einen Druckkobeln 13, welcher
montiert ist, um axial innerhalb der hohlen Hülse 12 zu gleiten;
und zwei vorgespannte schraubenförmige
Federn, welche zueinander ausgerichtet sind und innerhalb der hohlen
Hülse 12 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Druckkolbens 13 aufgenommen sind.
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Die
zwei vorgespannten schraubenförmigen Federn,
nachfolgend durch 14 und 15 bezeichnet, agieren
am Druckkolben 13 in Opposition zueinander, um den Druckkolben 13 in
einer Position des Gleichgewichts abhängig vom Koeffizienten der
Elastizität
der schraubenförmigen
Federn 14 und 15 zu halten.
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Das
Ende 4a des Zugdrahtes 4 ist so angebracht, dass
es durch die Schale der hohlen Hülse 12 gleitet,
und ist an dem Grundkörper
des Druckkolbens 13 befestigt; und eine der spiralförmigen Federn 14, 15 – in dem
gezeigten Beispiel die schraubenförmige Feder 14 – ist aus
Formgedächtnis-Metallmaterial
hergestellt, welches geeignet wärmebehandelt ist,
so dass der Grundkörper
der Feder eine vorher festgelegte axiale Länge H0 in
der austenitischen Phase besitzt.
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Wenn
es auf eine Temperatur gleich oder größer als die "Übergangstemperatur" gebracht ist, d.h.
auf eine Temperatur gleich oder größer als die Temperatur T0, tendiert die schraubenförmige Feder 14 dazu,
eine axiale Länge
H0 anzunehmen, wobei damit der Druckkolben 13 gezwungen
wird, innerhalb der hohlen Hülse 12 eine
neue Gleichgewichtsposition anzunehmen, in welcher die Gesamtlänge, die insgesamt
durch den Zugdraht 4 und den relativ linearen Aktor 11 definiert
ist, gleich der Länge
L0 ist, welche erforderlich ist, um eine
vorher festgelegte gesteuerte Verformung des Grundkörpers der
dünnen Platte 3 herzustellen.
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Die
axiale Bewegung des Druckkolbens 13 von der Gleichgewichtsposition
der schraubenförmigen
Feder 14 entsprechend der martensitischen Phase zu der
Gleichgewichtsposition der schraubenförmigen Feder 14 entsprechend
der austenitischen Phase bestimmt offensichtlich den Betrag, um
welchen die Gesamtlänge
der Zugdrähte 4 reduziert wird.
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Wie
in der ersten Ausführungsform
weist die Drahtzugeinrichtung in der zweiten Ausführungsform der
Platte 1 auch eine Einrichtung zum Steuern der linearen
Aktoren 17 auf, welche auf Befehl die Feder 14 auf
eine Temperatur bringt, die gleich oder größer als die "Übergangstemperatur" ist, d.h. auf die
Temperatur T0, um die Festkörperphasenumformung
zu erzeugen, welche typisch für
Formgedächtnis-Metallmaterialien
(d.h. "thermoplastische
martensitische Umformung")
ist.
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Ähnlich der
Drahterwärmungseinrichtung 8 weist
die Einrichtung zum Steuern der linearen Aktoren 17 in
dem gezeigten Beispiel auf: eine Anzahl von elektrischen Widerstanden 18,
welche entlang des Grundkörpers
der schraubenförmigen
Feder 14 verteilt sind; und eine elektronische Zentralsteuereinheit 19,
welche auf Befehl einen gegebenen, nicht notwendigerweise konstanten
elektrischen Strom durch die elektrischen Widerstände 18 führt, um
den Grundkörper
der Feder 14 durch den Joule-Effekt aufzuwärmen.
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Auch
in diesem Fall können
die elektrischen Widerstände 18 entweder
durch den Grundkörper der
schraubenförmigen
Feder 14, welche, da sie aus Metalllegierung hergestellt
ist, auch elektrisch leitend ist, oder durch eine Anzahl von Drähten definiert
sein, welche aus elektrisch leitendem Material hergestellt sind
und um den Grundkörper
der schraubenförmigen
Feder 14 gewickelt sind.
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Der
Betrieb der über
Verformung gesteuerten Platte 1 ist leicht von der vorausgehenden
Beschreibung ableitbar, ohne dass eine weitere Erklärung erforderlich
ist.
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Die
Vorteile der Platte 1 mit gesteuerter Verformung, wie beschrieben
und hier dargestellt, sind offensichtlich: die Herstellkosten sind
mit einer normalen Massenproduktion kompatibel, so dass in Masse
produzierte Fahrzeuge auch aus all den Vorteilen, bezüglich der
aerodynamischen Effizienz, Nutzen ziehen können, abgeleitet von einem
Fahrzeuggehäuse
mit keinen externen Spoiler, welche den Luftwiderstand, den Kraftstoffverbrauch
und die Verschmutzung erhöhen.
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Ein
anderer Vorteil der Platte 1 mit gesteuerter Deformation
liegt darin, dass sie extrem nach vorne ausgerichtet strukturiert
und deshalb in hohem Maße
zuverlässig
ist.
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Beispielsweise
kann die dünne
Platte 3 im Gegensatz dazu, dass sie im Wesentlichen flach
ist, gewölbt
sein; in diesem Fall können
die Zugdrähte 4 benutzt
werden, die Biegung der dünnen
Platte 3 auf Befehl zu verstärken oder zu reduzieren.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Platte 1 kann die dünne
Platte 3 aufweisen: eine Anzahl von Verstärkungsrippen,
welche aus einer der zweiten Flächen
der dünne
Platte 3 senkrecht zu dem Bündel der Zugdrähte 4 hervorragen;
und die röhrenförmigen Hüllen 5,
welche die Zugdrähte 4 aufnehmen bzw.
umgeben, sind nacheinander durch all die Verstärkungsrippen eingebaut, so
dass die Hülsenteile, welche
innerhalb der Verstärkungsrippen
eingebaut sind, sich mit Hülsenteilen
außerhalb
der dünnen Platte 3 abwechseln.