DE102005004571B4 - Kraftunterstütztes Fahrzeugscharnier - Google Patents

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Abstract

Klappenscharnier (2) für eine Öffnungsklappe an einem Fahrzeug, aufweisend
(a) eine Scharnierbasis (4) zum Anschluss an eine Fahrzeugkarosserie,
(b) eine daran um eine Schwenkachse (6) angeschlossene Klappenanbindung (8) zum Anschließen der Klappe,
(c) zwei Hebelelemente (10, 12), die an der Scharnierbasis (4) bzw. der Klappenanbindung (8) sowie aneinander jeweils um eine Schwenkachse (14, 16, 18) drehbar angeschlossen sind und zusammen mit diesen ein Vier-Gelenk (20) bilden,
(d) eine Feder (22) die die Öffnungsbewegung betriebsmäßig gegen die Schwerkraft unterstützend an dem Vier-Gelenk (20) angeschlossen ist, und
(e) eine einen Antriebsmotor (30) aufweisende Antriebseinheit (28), die mit ihrem Ausgang (34) an einem der das Vier-Gelenk (20) bildenden Elemente angeschlossen ist und relativ zu einem anderen davon abgestützt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klappenscharnier für eine Öffnungsklappe an einem Fahrzeug und ein Fahrzeug, mit einem derartigen Klappenscharnier.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 21 angegebenen Merkmale.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise weist die Antriebseinheit ein Getriebe auf. Besonders bevorzugt ist ein Untersetzungsgetriebe, da in diesem Fall kleinere Motoren beispielsweise Elektromotoren verwendet werden können.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise ist eine Verstelleinrichtung zur Einstellung von Scharniercharakteristika vorgesehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise ist das Zug/Druckelement zwischen der Scharnieranbindung und dem weiteren Hebelelement angeschlossen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erfindungsgemäßes Klappenscharnier im geöffneten Zustand in perspektivischer Darstellung;
  • 2 das Klappenscharnier von 1 aus einer Perspektive von rechts hinten in 1;
  • 3 das Klappenscharnier im geschlossenen Zustand in Blickrichtung der Drehachse der Antriebseinheit von links in 1;
  • 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;
  • 6 eine Ansicht des geöffneten Klappenscharniers von oben;
  • 7 eine Ansicht des geöffneten Klappenscharniers von links unten in 2; und
  • 8 eine Ansicht des geöffneten Klappenscharniers von rechts unten in 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (22)

  1. Klappenscharnier (2) für eine Öffnungsklappe an einem Fahrzeug, aufweisend (a) eine Scharnierbasis (4) zum Anschluss an eine Fahrzeugkarosserie, (b) eine daran um eine Schwenkachse (6) angeschlossene Klappenanbindung (8) zum Anschließen der Klappe, (c) zwei Hebelelemente (10, 12), die an der Scharnierbasis (4) bzw. der Klappenanbindung (8) sowie aneinander jeweils um eine Schwenkachse (14, 16, 18) drehbar angeschlossen sind und zusammen mit diesen ein Vier-Gelenk (20) bilden, (d) eine Feder (22) die die Öffnungsbewegung betriebsmäßig gegen die Schwerkraft unterstützend an dem Vier-Gelenk (20) angeschlossen ist, und (e) eine einen Antriebsmotor (30) aufweisende Antriebseinheit (28), die mit ihrem Ausgang (34) an einem der das Vier-Gelenk (20) bildenden Elemente angeschlossen ist und relativ zu einem anderen davon abgestützt ist.
  2. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 1, wobei die Feder (22) derart ausgelegt ist, dass sie im wesentlichen über den gesamten Verlauf der Öffnungsbewegung der Klappe ein Öffnungsmoment liefert, welches geringfügig kleiner ist als das durch die Schwerkraft verursachte Schließmoment der Klappe.
  3. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Feder (22) eine Drehfeder ist, die im wesentlichen konzentrisch zu einer der Schwenkachsen (14) angeordnet ist.
  4. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 3, wobei die Antriebseinheit (28) an der gleichen Schwenkachse (14) wie die Drehfeder angeordnet ist und mindestens teilweise innerhalb des von der Drehfeder umschlossenen Raums angeordnet ist.
  5. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Antriebseinheit (28) ein Getriebe (32) aufweist.
  6. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 5, wobei das Getriebe (32) ein Schneckengetriebe ist.
  7. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Freilaufeinrichtung (42) als Einklemmschutz vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, dass bei einer betriebsmäßigen motorischen Betätigung des Klappenscharniers (4) in Schließrichtung die Klappe von einer Bewegung der Antriebseinheit (28) entkoppelt werden kann.
  8. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 7, wobei die Freilaufeinrichtung (42) einen Sensor aufweist, der eine Betätigung der Freilaufeinrichtung (42) erfasst.
  9. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Freilaufeinrichtung ein teleskopartig ausfahrbares Zug/Druckelement (44) ist.
  10. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Verstelleinrichtung zur Einstellung von Scharniercharakteristika vorgesehen ist.
  11. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 10, wobei die Verstelleinrichtung an dem Zug/Druckelement (44) vorgesehen ist.
  12. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eines der Hebelelemente (12) das Zug/-Druckelement (44) aufweist.
  13. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Antriebseinheit (28) an der Scharnierbasis (4) angeschlossen ist und der Ausgang (24) konzentrisch zu der Schwenkachse (14) mit einem der Hebelelemente (10) ausgebildet ist und dieses daran angeschlossen ist.
  14. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Zug/Druckelement (44) zwischen der Scharnieranbindung (8) und dem weiteren Hebelelement (10) angeschlossen ist.
  15. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Antriebseinheit eine Magnetkupplung aufweist.
  16. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner aufweisend eine zugeordnete Steuerung, die mit der Antriebseinheit (28) verbunden ist.
  17. Klappenscharnier (2) nach Anspruch 16, wobei der Antriebsmotor (30) ein Schrittmotor ist und die Maximalöffnungsstellung der Klappe durch die Steuerung vorgegeben ist.
  18. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der Antriebsmotor (30) einen Inkrementalgeber aufweist.
  19. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 16 oder 18, wobei die Steuerung derart ausgelegt ist, dass sie betriebsmäßig aus der Stromaufnahme des im Antriebsmodus arbeitenden Antriebsmotors (30) und/oder der Stromabgabe des im Generatorbetriebs arbeitenden Antriebsmotors (30) und/oder den Ausgabewerten des Inkrementalgebers und/oder der zeitlichen Änderung der Inkrementalgeberwerte einen Bewegungszustand der Klappe erkennen kann.
  20. Klappenscharnier (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 19, wobei die Freilaufeinrichtung (42) derart angeschlossen ist, dass, wenn bei einem Einklemmzustand die Wirkung der Freilaufeinrichtung (42) einsetzt, die Feder (22) von der Klappenanbindung (8) entkoppelt wird und der Antriebsmotor (30) gegen die Feder (22) arbeitet.
  21. Fahrzeug aufweisend ein Klappenscharnier (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20.
  22. Fahrzeug nach Anspruch 21, wobei die Scharnierbasis (4) und/oder die Klappenanbindung (8) integral mit der Karosserie des Fahrzeugs bzw. mit der Klappe ausgebildet ist/sind.
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