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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Klappenscharnier für eine Öffnungsklappe
an einem Fahrzeug und ein Fahrzeug, mit einem derartigen Klappenscharnier.
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Solche
Klappenscharniere sind beispielsweise aus
DE 198 54 211 A1 bekannt.
Diese Schrift zeigt ein relativ kompliziertes Doppelscharnier mit
Drehfederunterstützung
für eine
nach oben zu öffnende Heckklappe
sowie eine separat davon nach oben um die gleiche Drehachse öffnende
Heckscheibe.
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Es
gibt ein zunehmendes Bestreben, einzelne Elemente bei Fahrzeugen
und insbesondere bei Personenkraftwagen zu automatisieren, so sind
automatische Fensterheber, automatisch schließende Cabrioverdecke etc. zwischenzeitlich
gängige
Praxis geworden. Es gibt jüngste
Bestrebungen, auch Fahrzeugtüren
und -klappen mit einem motorischen Antrieb auszustatten.
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EP 1 264 956 A2 zeigt
ein von einem Antriebsmotor angetriebenes Klappenscharnier für eine Heckklappe
an einem Fahrzeug. Dieses Klappenscharnier weist zwei Scharnierbasisteile
zum Anschluss an eine Fahrzeugkarosserie auf. An jedem der Scharnierbasisteile
ist ein Hebelelement drehbar angeschlossen. Das jeweils andere Ende
des Hebelelements ist an einer Klappenanbindung angeschlossen. Parallel
zu dem Viergelenkscharnier ist eine die Öffnungsbewegung der Klappe
unterstützende
Gasdruckfeder angeordnet. Eine relativ voluminöse Antriebseinheit, die einen
Antriebsmotor aufweist, ist durch die Seitenwand der Regenrinne
von dem Scharnier getrennt an dieser Seitenwand der Regenrinne befestigt
angeordnet.
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Das
Problem bei der Automatisierung von Fahrzeugtüren und -klappen mit einem
motorischen Antrieb liegt insbesondere in der Größe der Antriebsmotoren und
der entsprechenden Stromaufnahme. Es ist wünschenswert, die Antriebssysteme
innerhalb der räumlichen
Bereiche unterzubringen, in denen die bisher verwende ten konventionellen
Bauteile untergebracht waren. Nachdem solche Modifikationen häufig auch
in laufende Serien übernommen
werden bzw. automatisierte Antriebe lediglich als Sonderausstattungen
vorgesehen sind, ist die Zielvorgabe, die Antriebe im Wesentlichen "platzneutral" und kostengünstig auszubilden,
ein wesentliches Thema. Eine weitere Zielvorgabe ist es, die einzelnen
Bauteile modular aufzubauen, d. h. separate Antriebsmodule vorzusehen,
welche an entsprechenden konventionellen Elementen wie beispielsweise
Scharnieren, etc. angeschlossen werden können.
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Es
ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Klappenscharnier
der genannten Art bereitzustellen, welches automatisiert ist, d.
h. eine Antriebs einheit zum automatischen Öffnen und Schließen aufweist,
platzgünstig
aufgebaut ist und kostengünstig
realisiert werden kann, sowie ein damit ausgestaltetes Fahrzeug
anzugeben.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 21 angegebenen
Merkmale.
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Dies
wird bei der vorliegenden Erfindung insbesonders dadurch geleistet,
dass das Klappenscharnier aufweist:
- (a) eine
Scharnierbasis zum Anschluss an eine Fahrzeugkarosserie,
- (b) eine daran um eine Schwenkachse angeschlossene Klappenanbindung
zum Anschließen der
Klappe,
- (c) zwei Hebelelemente, die an der Scharnierbasis bzw. der Klappenanbindung
sowie aneinander jeweils um eine Schwenkachse drehbar angeschlossen
sind und zusammen mit diesen ein Vier-Gelenk bilden,
- (d) eine Feder, die die Öffnungsbewegung
betriebsmäßig gegen
die Schwerkraft unterstützend an
dem Vier-Gelenk angeschlossen ist, und
- (e) eine einen Antriebsmotor aufweisende Antriebseinheit, die
mit ihrem Ausgang an einem der das Vier-Gelenk bildenden Elemente
angeschlossen ist und relativ zu einem anderen davon abgestützt ist.
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Bei
einer derartigen Konstruktion läßt sich ein
relativ leistungsschwacher Antriebsmotor mit geringem Platzbedarf
und geringer Stromaufnahme verwenden, da die Klappenöffnung durch
die Federn unterstützt
ist. Zusätzlich
erlaubt es die Vier-Gelenk-Hebelanordnung des Klappenscharniers
sehr gut, das Hebelverhältnis über den
Bewegungsweg anwendungsbezogen anzupassen, so dass die Federunterstützung über den Öffnungsweg
relativ gut so ausgelegt sein kann, dass sie das von der Klappenstellung
abhängige
Klappenmoment im wesentlichen kompensiert. Dazu kommt, dass die
Befestigungsmittel für
die Befestigung der Antriebseinheit von dem Klappenscharnier selbst
bereitgestellt werden, was zum Einen keinen zusätzlichen Platzbedarf für die Befestigung
der Antriebseinheit schafft und es zum Anderen vermeidet, zusätzliche
Befestigungsmittel beispielsweise an der Karosserie, etc. vorzusehen.
Insbesondere letzterer Punkt ist mit Blick auf den modularen Aufbau
und den schon angesprochenen Einsatz als Sonderausstattung besonders
vorteilhaft, da an der Karosserie selbst keinerlei zusätzliche
Befestigungen etc. vorgesehen sein müssen. Einfachster Weise ist
die Antriebseinheit an einem der Elemente des Klappenscharniers,
d. h. an der Scharnierbasis, der Klappenanbindung oder einem der
beiden Hebelelemente, beispielsweise mit einem Befestigungsschild
oder Befestigungsflansch beispielsweise durch Schrauben befestigt,
wobei der Ausgang bzw. der Abtrieb der Antriebseinheit konzentrisch
zu der entsprechenden Schwenkachse angeordnet ist und an das zweite
korrespondierende Element angeschlossen ist.
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Vorzugsweise
ist die Feder bzw. die Kombination aus Vier-Gelenk und Feder so
ausgelegt, dass im Wesentlichen über
den gesamten Verlauf der Öffnungsbewegung,
an jedem Punkt dieses Bewegungswegs ein Öffnungsmoment für die Klappe
bereitgestellt wird, welches geringfügig kleiner ist als das von
der Schwerkraft verursachte Schließmoment der Klappe bzw. Klappenmoment.
Vorzugsweise ist die Auslegung so, dass ein Antriebsmotor mit einem Drehmoment
von kleiner 15 Nm, vorzugsweise kleiner 12 Nm, besonders bevorzugt
kleiner als 10 Nm und insbesondere in etwa 8 Nm oder weniger zum Öffnen der
Klappe ausreicht. Ganz besonders günstig ist es, wenn lediglich
ein Teil beispielsweise 30 bis 70%, vorzugsweise ca. 50% des vom
Antriebsmotor verfügbaren
Drehmoments für
die Öffnung
der Klappe benötigt
wird. Dann bleibt ein gewisser Drehmomentüberschuss, der beispielsweise
ein Öffnen
gegen eine Schneelast, Windlast, etc. erlaubt. Ohne Federunterstützung wären Antriebsmotoren
mit einem Drehmoment von ca. 50 bis 80 Nm erforderlich, um eine
typische nach oben öffnende
Heckklappe anzutreiben. Derartige Motoren benötigen bei 12 V Betriebsspannung
ein erhebliches Bauvolumen.
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Vorzugsweise
ist die Feder eine Drehfeder und besonders bevorzugt ist diese im
Wesentlichen konzentrisch zu einer der Schwenkachsen angeordnet.
Es ist besonders günstig,
wenn die Drehfeder mit einer Vorspannung angeordnet ist. Die Feder
kann beispielsweise aus rechteckigem Federdraht hergestellt sein.
Die Drehfeder kann mit ihrer zylinderförmigen Gestalt relativ günstig in
dem zur Verfügung
stehenden Bauraum untergebracht werden. So sind beispielsweise bei
nach oben öffnenden
Heckklappen bei Personenkraftwagen die Klappenscharniere häufig oben
im Bereich der Wasserrinne angeordnet und es ist typischerweise
zwischen den zwei seitlichen Scharnieren einer Heckklappe in der
Richtung der Schwenkachse Bauraum verfügbar.
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Vorzugsweise
ist die Antriebseinheit an der gleichen Schwenkachse wie die Drehfeder
angeordnet und es ist besonders günstig, wenn diese mindestens
teilweise innerhalb des von der Drehfeder umschlossenen Raums angeordnet
ist. Die Antriebseinheit kann dann gleichzeitig als Führung für die Drehfeder
dienen und ein seitliches Ausknicken der Drehfeder verhindern. Zusätzlich kann
im Wesentlichen integral mit der Antriebseinheit ein Halteelement
für ein
freies Ende der Drehfeder ausgebildet sein.
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Vorzugsweise
weist die Antriebseinheit ein Getriebe auf. Besonders bevorzugt
ist ein Untersetzungsgetriebe, da in diesem Fall kleinere Motoren beispielsweise
Elektromotoren verwendet werden können.
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Vorzugsweise
ist das Getriebe ein Schneckengetriebe. Ein Schneckengetriebe hat
den Vorteil, dass es selbsthemmend ist, so dass es als Schließsperre
und/oder Öffnungssperre
dient, sobald der Antriebsmotor ausgeschaltet ist. Damit ist es
möglich,
eine automatisch öffnende
Klappe zu realisieren, die im Prinzip in jeder Öffnungsstellung angehalten werden
kann, ohne von selbst zu schließen.
Die Selbsthemmung wird aufgehoben, sobald der Antriebsmotor betätigt wird.
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Vorzugsweise
ist eine Freilaufeinrichtung als Einklemmschutz vorgesehen, die
derart ausgebildet ist, dass bei einer betriebsmäßigen motorischen Betätigung des
Klappenscharniers in Schließrichtung die
Klappe von einer Bewegung der Antriebseinheit entkoppelt werden
kann. Derartige Freilaufeinrichtungen werden zur Vermeidung schrecklicher
Unfälle vermehrt
eingesetzt. Ein typischer Weg z. B. bei Fensterhebern und Schiebedächern ist
es, eine Überwachungseinrichtung
vorzusehen, welche den Stromfluss zu dem Antriebsmotor misst und
bei Überschreiten
eines bestimmten Maximalwerts den Antrieb abschaltet. Solche Einrichtungen
sind jedoch nicht immer zuverlässig
sicher, da es für
ei nen zuverlässigen
Normalbetrieb des Öffnens
und Schließens einer
derartigen Klappe es erforderlich ist, die Schwellenwerte relativ
hoch anzusetzen. Bei solchen hohen Schwellenwerten können jedoch
Verletzungen die Folge sein, obwohl die Einklemmüberwachungseinrichtung generell
fehlerfrei arbeitet. Dazu kommt, dass es sich bei Fensterhebern
oder Schiebedächern
um eine rein lineare Bewegung handelt, d. h. die auf ein Körperteil
ausgeübten
Kräfte,
die sich in dem Bewegungsweg finden, sind im Wesentlichen an jeder
Stelle des Schiebedachs bzw. des Fensters gleich. Anders stellt
sich die Situation bei einer sich schließenden Klappe dar. Hier handelt
es sich um scherende Kräfte,
die in Richtung auf den Drehpunkt hin mit kürzerem Hebelarm immer größer werden. Klemmt
man sich beispielsweise einen Finger in der Nähe des Drehpunkts ein, so ist
typischerweise allein das Gewicht der Haube ausreichend, um hier
Verletzungen hervorzurufen. Jede zusätzliche Schließkraft, die
durch den Antriebsmotor hervorgerufen wird, ist deshalb zu vermeiden.
Verwendet man deshalb bei der vorliegenden Erfindung eine elektrische
Einklemmüberwachung,
so ist es erforderlich, möglichst viele
Sicherheitsparameter in relativ kurzen Zeitspannen abzufragen, um
einen möglichen
Schaden im Einklemmfall sehr gering zu halten.
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Erfindungsgemäß wird deshalb
eine Freilaufeinrichtung vorgesehen, die bei einem Einklemmen beispielsweise
eines Körperteils
die Bewegung des Antriebsmotors von der Bewegung der Klappe entkoppelt,
d. h. der Antriebsmotor kann weiter laufen, die Kraft, mit der die
Klappe geschlossen wird, nimmt jedoch dabei nicht zu. Eine solche
Freilaufeinrichtung ist regelmäßig bereits
ausreichend, da der Benutzer, der beispielsweise seine Hand in der
Klappe hat, reflexartig seine Hand zurückziehen wird. Entsprechend
ist ein Freilaufweg von einem oder wenigen Zentimetern üblicherweise
ausreichend. Die Freilaufeinrichtung kann in Schließrichtung
federvorbelastet sein, so dass diese Federbelastung die maximale Schließkraft bzw.
Einklemmkraft vorgibt, beispielsweise ein maximales Schließmoment
von weniger als 8 Nm, weniger als 5 Nm, bevorzugter weniger als
2 Nm. Vorzugsweise ist die Freilaufeinrichtung ein teleskopartig
ausfahrbares Zug/Druckelement. Es sei darauf hingewiesen, dass das
Vorsehen einer Freilaufeinrichtung bei derartigen automatischen
Klappenscharnieren für
sich selbst und insbesondere ohne die speziellen Merkmale des Anspruchs
1 oder nur mit einem Teil dieser Merkmale als selbständig erfinderisch
angesehen wird.
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Vorzugsweise
weist die Freilaufeinrichtung einen Sensor auf, der eine Betätigung der
Freilaufeinrichtung erfasst. Der Sensor kann beispielsweise ein
einfacher Schalter sein, der an der Freilaufeinrichtung vorgesehen
ist, und feststellt, sobald die Freilaufeinrichtung aktiviert wird.
Die Signale dieses Schalters können
beispielsweise an eine Steuerung weitergeleitet werden.
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Vorzugsweise
ist eine Verstelleinrichtung zur Einstellung von Scharniercharakteristika
vorgesehen.
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Vorzugsweise
ist die Verstelleinrichtung an dem Zug/Druckelement vorgesehen.
Beispielsweise kann mittels einer Verstelleinrichtung, beispielsweise einer
Gewindeverstelleinrichtung die Länge
des Zug/Druckelements und damit korrespondiere Scharniercharakteristika
eingestellt werden.
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Vorzugsweise
weist eines der Hebelelemente das Zug/Druckelement auf. Ein Freilauf
von ca. 10 bis 15 mm im Bereich des Zug/Druckelements des Klappenscharniers
gibt einige Zentimeter Freilauf am freien Ende der Klappe und somit
ausreichend Spiel für
den Benutzer, ein eingeklemmtes Körperteil aus der schließenden Klappe
heraus zu ziehen.
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Vorzugsweise
ist die Antriebseinheit an der Scharnierbasis angeschlossen und
vorzugsweise ist der Ausgang konzentrisch zu der Schwenkachse mit einem
der Hebelelemente ausgebildet und vorzugsweise ist dieses Hebelelement
an dem Ausgang angeschlossen.
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Vorzugsweise
ist das Zug/Druckelement zwischen der Scharnieranbindung und dem
weiteren Hebelelement angeschlossen.
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Vorzugsweise
weist die Antriebseinheit eine Magnetkupplung auf. Die Magnetkupplung
kann eine passive oder eine aktiv schaltbare Magnetkupplung sein,
mittels derer die Antriebseinheit von der Klappe entkoppelt werden
kann. Eine aktive Magnetkupplung kann einen Permanentmagneten mit
einer Elektrospule aufweisen, welche bei Strombeaufschlagung bewirkt,
dass der Permanentmagnet seine Haftung verliert und damit die Klappe
von dem Antrieb trennt. Die Strombeaufschlagung kann über eine Steuerung
erfolgen. Die Steuerung kann die Strombeaufschlagung nach der Auswertung
von Sensorinformationen oder anderen Messwerten, beispielsweise
der Stromaufnahme des Antriebsmotors, etc. aktivieren. So kann beispielsweise
ein Berührungssensor
so vorgesehen sein, dass er erkennt, wenn ein aktives händisches Öffnen oder
Schließen
der Klappe erfolgen soll, woraufhin die Bestromung der Magnetkupplung
die Klappe von dem Antrieb trennt. Ein anderes Szenario ist ein Überlastschutz
für den
Motor, beispielsweise bei Eis, Schnee, etc. auf der Klappe. Aus
der Stromaufnahme des Motors kann eine derartige Überlastung
erkannt werden und über
die Steuerung aktiv die Klappe von dem Antrieb entkoppelt werden.
Der Überlastschutz
kann auch in Schließrichtung
entsprechend realisiert werden. Die schaltbare Magnetkupplung kann
auch als Einklemmschutz dienen. Die aktive Magnetkupplung kann auch
so ausgelegt werden, dass ein bestimmter Haftungsschwellenwert für den Permanentmagneten eingestellt
wird, so dass sie in der Art einer Rutschkupplung bei Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellenwerts ein Entkoppeln bewirkt.
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Die
Magnetkupplung kann beispielsweise als eine Rutschkupplung dienen
und kann ein händisches Öffnen der Öffnungsklappe
bzw. ein händisches
Schließen
davon ermöglichen.
Die Magnetkupplung kann ferner eine Freilaufeinrichtung für den Fall
des Einklemmens bilden. Die Magnetkupplung kann beispielsweise für einen
festen Wert eingestellt sein oder sie kann beispielsweise von einer
Steuerung je nach Einsatzzweck oder Einsatzprofil abhängig eingestellt
werden.
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Die
passive Magnetkupplung kann lediglich mit einem Permanentmagneten
und einem magnetischen Gegenstück
ausgebildet sein. Entsprechend können
andere Rutschkupplungen, z. B. Lamellenkupplungen, etc. vorgesehen
sein. Generell können rein
mechanische Kupplungen, wie Magnetkupplung, Lamellenkupplung, etc.
oder aber aktive, elektrifizierte Kupplungen verwendet werden, welche
weitere Funktionen über
die der mechanischen Kupplungen hinaus zulassen. Generell können solche
Kupplungen als Redundanz für
andere Frei laufkupplungen beispielsweise für den Einklemmschutz verwendet werden.
Insbesondere aktive Kupplungen können
so ausgebildet sein, dass auf eine Freilaufeinrichtung in der Art
des Zug/Druckelements verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise
weist das Klappenscharnier ferner eine zugeordnete Steuerung auf,
die mit der Antriebseinheit und/oder der Magnetkupplung verbunden
ist. Die Steuerung kann zusätzlich
mit Sensoren verbunden sein, die den Öffnungs- bzw. Schließbereich
der Klappe überwachen,
so dass eine Schließbewegung
der Klappe dann unterbrochen wird bzw. nicht zugelassen ist, wenn
Gegenstände
in diesem Schwenkbereich erfasst werden.
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Vorzugsweise
wird die Maximalöffnungsstellung
der Klappe durch die Steuerung vorgegeben. Es kann günstig sein,
einen Schrittmotor als Antriebsmotor zu verwenden. Vorzugsweise
weist der Motor einen Inkrementalgeber auf, der Umdrehungen oder Bruchteile
von Umdrehungen des Motors an die Steuerung weitergibt. Die Kombination
von Schrittmotor mit Inkrementalgeber ermöglicht auf besonders einfache
Weise, die maximale Öffnungsstellung der
Klappe durch die Steuerung vorzugeben. Der Inkrementalgeber in dem
Antriebsmotor ermöglicht
es der Steuerung, sehr genau zu verfolgen, in welcher Position sich
die Klappe befindet. Die Vorgabe der Maximalöffnungsstellung über die
Steuerung ermöglicht
eine sehr individuelle Anpassung des Fahrzeugs an den Benutzer bzw.
Benutzungsbedingungen, z. B. kann bei einem auf einem Duplex-Stellplatz parkenden
Fahrzeug die Maximalöffnung
der Klappe so eingestellt werden, dass sie nicht gegen die obere
Etage der Duplexgarage stößt, oder
dass die Klappe nur so weit geöffnet
wird, dass sie nicht gegen auf dem Dachträger montierte Sportgeräte stößt. Es sei
darauf hingewiesen, dass die Vorgabe der Maximalöffnungsstellung durch die Steuerung
für sich
selbst und insbesondere ohne die speziellen Merkmale des Anspruchs
1 oder nur mit einem Teil dieser Merkmale als selbständig erfinderisch
angesehen wird.
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Vorzugsweise
ist die Steuerung des Klappenscharniers derart ausgelegt, dass sie
betriebsmäßig aus
der Stromaufnahme des im Antriebsmodus arbeitenden Antriebsmotors
und/oder der Stromabgabe des Generatorbetriebs arbeitenden Antriebsmotors
und/oder den Ausgabewerten des Inkrementalgebers und/oder der zeitlichen Änderung
der Inkrementalgeberwerte einen Bewegungszustand der Klappe bzw.
des Klappenscharniers bzw. Einklemmzustand erkennen kann. Die zeitliche Änderung
der Inkrementalgeberwerte kann beispielsweise mittels einer Steuerung
erfasst werden, die über
einen Timer verfügt
und die Timerinformation mit den Inkrementalgeberwerten korreliert. Ähnlich wie
bei einem Anstieg der Stromaufnahme durch den Antriebsmotor lässt sich – bei bekannter
Stromaufnahme – aus
keiner oder einer relativ geringen Änderung der Inkrementalwerte
pro Zeit, d. h. einer langsamen Antriebsgeschwindigkeit, verglichen
mit der normalen Öffnungsgeschwindigkeit
ein Überlastzustand
bzw. ein Einklemmzustand detektieren. Somit können in der Steuerung verschiedene
Signale zum Detektieren eines Überlastzustands
bzw. eines Einklemmzustands redundant oder kumulativ verwendet und/oder
verarbeitet werden.
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Vorzugsweise
ist die Freilaufeinrichtung derart an das Klappenscharnier angeschlossen,
dass, wenn bei einem Einklemmzustand die Wirkung der Freilaufeinrichtung
einsetzt, die Feder von der Klappenanbindung entkoppelt wird und
der Antriebsmotor gegen die Feder arbeitet. Das hat zur Folge, dass
bei Einsetzen der Freilaufeinrichtung der Elektromotor (Drehmoment
in der Größenordnung
von 10 Nm) gegen die Feder arbeitet, die ein Drehmoment in der Größenordnung
von ca. 40 Nm liefert. Aus diesem Zahlenvergleich ergibt sich, dass
unmittelbar mit dem Einsetzen der Freilaufeinrichtung der Antriebsmotor technisch überlastet
ist und die Stromaufnahme schlagartig ansteigt. Eine solche schlagartig
ansteigende Stromaufnahme kann von der Steuerung problemlos erkannt
werden und der Elektromotor kann unmittelbar stromlos geschaltet
werden bzw. kann ein Befreiungslauf in Öffnungsrichtung durchgeführt werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug aufweisend ein Klappenscharnier
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dabei kann die Scharnierbasis und/oder die Klappenanbindung
entfallen oder integral mit der Karosserie bzw. der Klappe ausgebildet sein,
so dass die Hebelelemente unmittelbar an Karosserie und/oder Klappe
drehbar angeschlossen sind.
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Vorzugsweise
sind zwei Klappenscharniere für
eine Klappe mit den Scharnierachsen konzentrisch angeordnet, wobei
mindestens eines davon ein erfindungsgemäßes Klappenscharnier ist. Vorzugsweise
weist jedes der Scharniere einen Antriebsmotor auf. Das ermöglicht eine
gleichmäßiger Krafteinleitung
auf jeder Seite in die Klappe und eine einfachere Montage der Klappe
in das Fahrzeug. Verwendet man Motoreinheiten mit Inkrementalgebern,
so ist zu beachten, dass typischerweise von der Steuerung eine bestimmte
Anzahl von Inkrementen für
das Öffnen
und Schließen
vorgegeben wird. Aufgrund von Toleranzen (Fertiungsabweichungen
in den Getrieben, unterschiedliche Kennlinien der Motoren, etc.) werden
zwei Antriebsmotoren typischerweise immer unterschiedliche Inkrementalwerte
aufweisen. Um zu vermeiden, dass sich diese Fehler aufsummieren, kann
der Antrieb, bzw. die Steuerung regelmäßig oder z. B. jeweils im geschlossenen
Zustand der Klappe auf "Null" gesetzt oder referenziert
werden, Diese Referenzierung kann beispielsweise durch einen Geber
im Schloss bewerkstelligt werden. Derartige Geber sind bei sogenannten
Servoschlössern
typischerweise bereits vorhanden. Toleranzbedingte Stellungsabweichungen
der Klappe bzw. zwschen den Klappenscharnieren können somit auf ein Minimum
reduziert werden.
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Die
Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Klappenscharnier
im geöffneten
Zustand in perspektivischer Darstellung;
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2 das
Klappenscharnier von 1 aus einer Perspektive von
rechts hinten in 1;
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3 das
Klappenscharnier im geschlossenen Zustand in Blickrichtung der Drehachse
der Antriebseinheit von links in 1;
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4 einen
Schnitt durch das Klappenscharnier entlang den Linien 4-4 von 3;
-
5 einen
Schnitt durch das Klappenscharnier entlang den Linien 5-5 von 3;
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6 eine
Ansicht des geöffneten
Klappenscharniers von oben;
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7 eine
Ansicht des geöffneten
Klappenscharniers von links unten in 2; und
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8 eine
Ansicht des geöffneten
Klappenscharniers von rechts unten in 1.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Klappenscharnier 2 für eine nach
oben öffnende
Heckklappe eines Personenwagens. Man erkennt insbesondere eine Scharnierbasis 4,
mittels derer das Klappenscharnier 2 an der Fahrzeugkarosserie
angeschlossen werden kann, sowie eine an der Scharnierbasis 4 um
eine Schwenkachse 6 schwenkbar angeschlossene Klappenanbindung 8,
an der die Öffnungsklappe
des Fahrzeugs angeschlossen werden kann. Zwei Hebelelemente 10 und 12 sind
an der Scharnierbasis 4 bzw. der Klappe 8 angeschlossen. Insbesondere
ist das Hebelelement 10 um eine Schwenkachse 14 schwenkbar
an der Scharnierbasis 4 angeschlossen. Das Hebelelement 12 ist
um eine Schwenkachse 16 schwenkbar an der Klappenanbindung 8 angeschlossen.
Die beiden Hebelelemente 10, 12 sind ebenfalls
um eine Schwenkachse 18 aneinander drehbar angeschlossen.
Gemeinsam mit der Scharnierbasis 4 und der Klappenanbindung 8 bilden
die Hebelelemente 10 und 12 ein Vier-Gelenk 20.
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Eine
Drehfeder 22 ist unterstützend an dem Vier-Gelenk 20 angeschlossen.
Insbesondere ist die Drehfeder 22 um die Schwenkachse 14 herum
im wesentlichen konzentrisch angeordnet und stützt sich mit ihrem einen freien
Ende 24 gegen die Scharnierbasis 4 sowie mit ihrem
anderen Ende 26 (siehe 2) gegen
das Hebelelement 10 ab. Die Feder 22 ist vorzugsweise
mit Vorspannung angeordnet.
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Eine
Antriebseinheit 28, die in der gezeigten Ausführungsform
einen Antriebsmotor 30 sowie ein daran angeschlossenes
Getriebe 30 aufweist, ist mit ihrem Ausgang 34 an
dem Hebelelement 10 angeschlossen treibt dieses an. Der
Antriebsmotor 30 ist vorzugsweise ein Schrittmotor, was
es erlaubt, exakt den Bewegungsweg bzw. den Bewegungsumfang, die
maximale Öffnungsstellung,
Zwischenstellungen, Öffnungsgeschwindigkeit,
etc. durch eine (nicht gezeigte) Steuerung vorzugeben. Die Steuerung
ist ferner in der Lage, aus der Stromabnahme im aktiven Betrieb
bzw. aus dem erzeugten Generatorstrom im passiven Betrieb oder Generatorbetrieb
Informationen herzuleiten, beispielsweise genaue Klappenstellung,
Feststellung eines Einklemmzustands, Schließgeschwindigkeit der Klappe,
etc.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist das Getriebe 32 der Antriebseinheit 28 im
Inneen der Drehfeder 22 angeordnet. Das Getriebe 32 dient
bei einer derartigen Konstruktion gleichzeitig als Führung für die Drehfeder 22 und
verhindert somit ein Ausknicken der Drehfeder 22. Das Getriebe 32 kann mit
einer reibungsvermindernden und/oder verschleißbeständigen Umhüllung, beispielsweise einer Schutz-/Gleitschicht
auf der Außenfläche des
Getriebes 32 versehen sein. Es kann günstig sein, die gesamte Antriebseinheit 28 im
Inneren der Drehfeder 22 vorzusehen.
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Man
erkennt, dass bei der gezeigten Ausführungsform das Getriebe 32 an
einem von der Scharnierbasis 4 weg ragenden Befestigungsträger 36 mit mehreren
Schrauben angeflanscht ist. Generell kann die Antriebseinheit 28 bzw.
deren Gehäuse
an den Befestigungsträgern 36 befestigt
sein oder kann damit integral ausgebildet sein. Damit definiert
das Getriebe 32 mit dem Ausgang 34 bzw. der Ausgangswelle 34 die
Drehachse 14 für
das Hebelelement 10. Man erkennt ferner, dass ein Anschlagflansch 39 zwischen
Getriebe 32 und Antriebsmotor 30 angeflanscht
ist, der einen Anschlag für
das freie Ende 24 der Feder 22 bildet. Durch die
Befestigung eines freien Endes 24 der Feder 22 an
einem strukturellen Teil der Antriebseinheit 28, die wiederum
an der Scharnierbasis 4 befestigt ist, kann ein derartiges
Anschlagelement an der Scharnierbasis 4 entfallen und die Scharnierbasis 4 selbst
sehr einfach aufgebaut sein. Insgesamt lässt sich durch die gewählte Konstruktion für die Scharnierbasis 4 diese
relativ einfach aus einem Flachmaterial, beispielsweise einem Me tallblech,
durch Pressen und Stanzen herstellen. Das gilt auch für die Klappenanbindung 8,
das Hebelelement 10 und den Anschlagflansch 39.
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Generell
müssen
die Schwenkachsen eines Vier-Gelenks grundsätzlich parallel zueinander
vorgesehen sein, um einen reibungsfreien Betrieb zu erlauben. Bei
der vorliegenden Ausführungsform
ist ein Kugelkopf 38 vorgesehen, der hier eine gewisse
Freiheit schafft. Der Kugelkopf 38 ist an der Schwenkachse 16 zwischen
dem Hebelelement 12 und der Scharnieranbindung 8 vorgesehen.
Zudem erlaubt der Kugelkopf 38 ein relativ einfaches Abschließen der Klappenanbindung
von dem Hebelelement 12, was für die Demontage der Klappe
vorteilhaft sein kann.
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In 1 erkennt
man, dass an dem Befestigungsträger 36 ein
Anschlag 40 vorgesehen ist, der den Maximalweg der Feder 23 bzw.
der Antriebseinheit 28 und somit des Hebelelements 10 begrenzt.
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Das
Hebelelement 12 ist gleichzeitig als eine mechanische Freilaufeinrichtung 42 ausgebildet. Diese
Freilaufeinrichtung 42 dient als Einklemmschutz und verhindert
das Einklemmen von Gegenständen
und insbesondere Körperteilen
bei der sich automatisch schließenden Öffnungsklappe.
Diese Freilaufeinrichtung 42 ist so ausgebildet, dass bei dem
angetriebenen Schließen
der Klappe die Klappe für
einen gewissen Freilaufweg von der Bewegung durch den Antrieb abgehoben
oder entkoppelt werden kann. Die Freilaufeinrichtung 42 kann
mit einer Federvorbelastung ausgebildet sein, um einen vorbestimmten
Freilaufschwellenwert zu definieren, so dass es ohne ein Einklemmen
zu einem sicheren Schließen
der Öffnungsklappe
kommt. Als derartige mechanische Freilaufeinrichtung 42 kann
man sich beispielsweise einen in einem Langloch geführten Stift
vorstellen, der gegen das eine Ende des Langlochs federvorbelastet
ist und in Öffnungsrichtung
gegen die Federkraft im Langloch verlagert werden kann. Grundsätzlich kann
man sich eine derartige Freilaufeinrichtung 42 auch so
vorstellen, dass sie in Öffnungsrichtung
wirksam ist.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die Freilaufeinrichtung 42 ein teleskopartig ausbaubares Zug/Druckelement 44,
wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf 4, die einen
Schnitt durch dieses Zug/Druckelement 44 zeigt, detaillierter
erläutert wird.
Insbesondere erkennt man in 4, dass
das Zug/Druckelement 44 ein an dem Kugelkopf 38 fest verpresstes
zylinderförmiges
Gehäuse 46 aufweist. In
dem Inneren des Gehäuses
ist ein Kolbenstangenelement 48 geführt, wobei der "Kolben" 50 einen
Anschlagbund für
eine Vorspannfeder 52 bildet. Die Vorspannfeder 52 ist
an ihrem anderen Ende gegen eine Gehäuseführung 54 verpresst.
Die Federkennlinie der Vorspannfeder 52 bestimmt die Kraftschwelle, bei
der die Freilaufeinrichtung 44 einsetzt, die Klappe von
der Bewegung der Antriebseinheit 28 zu entkoppeln. Es hat
sich gezeigt, dass ein Bewegungsweg von zwischen 10 und 15 mm ausreicht,
damit ein Benutzer einen eingeklemmten Gegenstand bzw. ein eingeklemmtes
Körperteil
aus der schließenden Klappe
ziehen kann. Generell hängt
diese Maß von der
Bewegungsgeschwindigkeit der Klappe ab. Ein größeres Maß, beispielsweise 10 bis 30
mm oder mehr, kann ggf. auch vorgesehen sein.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Freilaufeinrichtung 42 zeigt sich
auch im Zusammenhang mit der elektronischen Erfassung eines Einklemmzustands.
Wie schon erwähnt,
kann die Steuerung aufgrund der Stromaufnahme bzw. -abgabe der Antriebseinheit Betriebszustände feststellen.
Betrachtet man den normalen Schließbetrieb der Klappe, so ist
das Klappenmoment generell geringfügig größer (z. B. um 1 bis 10 Nm)
als das in Öffnungsrichtung
gerichtete Moment der Feder 22. Daraus ergibt sich, dass
der Antriebsmotor 30 beim Schließen der Klappe im wesentlichen
im Generatorbetrieb arbeitet. Wird die Klappe bzw. die Klappenanbindung 8 während des Schließens festgehalten,
so führt
das dazu, dass die Klappe gegen die Schwerkraft angehalten wird
und das Klappenmoment praktisch schlagartig auf null abnimmt, was
zu Folge hat, dass der in Schließrichtung arbeitende Antriebsmotor 30 schlagartig
gegen das in Öffnungsrichtung
wirkende Moment der Drehfeder 22 arbeitet. Wie schon erwähnt, ist
das Moment der Feder im Bereich von 30 bis 70 Nm, während das Moment
des Antriebsmotors im Bereich von < 10
Nm ist. Man erkennt, dass der Antriebsmotor in diesem Betriebszustand
sofort überlastet
ist, d. h. eine sehr erhebliche Stromaufnahme hat. Die Steuerung
kann daraus sofort und eindeutig einen Einklemmzustand identifizieren
und den Antriebsmotor 30 anhalten bzw. eine Befreiungsfahrt
ausführen.
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Die
in dem vorangehenden Absatz geschilderte Situation ist deutlich
verschieden von anderen elektronischen Einklemmschutz-Überwachungseinrichtungen,
die allein aufgrund der Stromaufnahme des Antriebsmotors einen Einklemmzustand
feststellen sollen. Hier entsteht das Problem, dass die Schwellenwerte
sehr hoch angesetzt werden müssen,
um einen einklemmfreien Normalbetrieb sicherzustellen, was wiederum
zur Folge hat, dass es zu schweren Verletzungen trotz der eigentlich
bestehenden Sicherheitsmaßnahme
kommen kann. Die geschickte Kopplung der mechanischen Freilaufeinrichtung 42 mit
der elektronischen Einklemmschutzüberwachung, die zu einem schlagartigen
Anstieg der Stromaufnahme des Antriebsmotors 30 führt, ist
geeignet, dieses Problem zuverlässig
zu lösen.
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An
dem Hebelelement 12 bzw. der Freilaufeinrichtung 42 kann
eine nicht gezeigte Verstelleinrichtung vorgesehen sein, mittels
derer die Länge dieses
Elements beispielsweise um einige Millimeter verstellt werden kann.
Mittels dieses Verstellelements kann die Scharniercharakteristik
verändert werden.
Beispielsweise kann die Vorspannung der Drehfeder 22 erhöht werden,
so dass ein höheres
Federmoment zur Verfügung
steht. Die Verstelleinrichtung kann beispielsweise ein Gewindeelement
aufweisen, wodurch die Länge
durch Verdrehen im Gewinde verkürzt
bzw. verlängert
wird. Ein Einstellbereich von zwischen 5 und 15 mm, vorzugsweise
im Bereich von etwa 8 mm ist üblicherweise
ausreichend. Die Verstelleinrichtung kann integral mit dem Zug/Druckelement 44 vorgesehen
sein.
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Der
Momentenverlauf zwischen öffnendem Federmoment
und Klappenmoment in Schließrichtung
kann so abgestimmt sein, dass sich die Momentenkennlinie bei geöffneter
Klappe überschneiden,
so dass die Klappe an einer vorgegebenen Öffnungsposition "einrastet" bzw. von selbst
bleibt. Alternativ ist es auch möglich,
die Klappe durch den Antriebsmotor 30 angetrieben in der
offenen Position zu halten oder beispielsweise eine mechanische
Einrichtung zum "Einrasten" vorzusehen.