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Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung zur Drehmomentübertragung von einem Antrieb auf zwei Abtriebswellen mit einem Antrieb, einer ersten Abtriebswelle, einer zweiten Abtriebswelle, einer Kopplungseinrichtung, über welche die Drehbewegung des Antriebs auf die erste Abtriebswelle und die zweite Abtriebswelle übertragbar ist, sowie eine Klappenvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer ersten Abtriebswelle, auf der eine erste Klappe mit einem ersten Drehwinkelbereich angeordnet ist, einer zweiten Abtriebswelle, auf der eine zweite Klappe mit einem zweiten Drehwinkelbereich angeordnet ist, wobei der erste Drehwinkelbereich eine Teilmenge des zweiten Drehwinkelbereiches ist.
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Derartige Betätigungsvorrichtungen dienen beispielsweise zur Drehmomentübertragung auf zwei Klappen, welche über einen gemeinsamen Antrieb betätigt werden sollen, jedoch nicht den gleichen zu durchfahrenden Drehwinkelbereich aufweisen.
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Solche gekoppelten Drehbewegungen zweier Klappen können in Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise beim Antrieb von Abgasstauklappen oder Drosselklappen mit einem gekoppelten Abgasrückführventil oder Schubumluftventil oder bei der Wärmerückgewinnung Verwendung finden.
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Entsprechend sind Klappenvorrichtungen bekannt, bei denen zwei miteinander gekoppelte Klappen, welche jeweils einen Kanal beherrschen und einen unterschiedlichen Drehwinkelbereich aufweisen, über einen gemeinsamen Aktor betätigt werden.
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Eine derartige Klappenvorrichtung wird beispielsweise in der
DE 10 2005 002 266 A1 beschrieben. Hier werden eine Abgasrückführklappe und eine Abgasstauklappe über einen gemeinsamen Aktor betätigt, wobei über zwei verschiedene Hebelgestänge unterschiedliche Stellwinkelbereiche der Klappen eingestellt werden können.
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Aus der
DE 10 2010 020 709 A1 ist eine Kopplung einer Abgasstauklappe mit einem Schubumluftventil eines Turboladers bekannt, die über einen gemeinsamen Aktor betätigt werden, wobei dieser Aktor ein Langloch am Gestänge zur Bewegungsübertragung aufweist, wodurch die Abgasstauklappe über einen definierten Drehwinkelbereich gedreht wird, ohne dass das Schubumluftventil betätigt wird und beide Klappen gleichzeitig in einem zweiten Drehwinkelbereich betätigt werden.
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Des Weiteren wird in der
DE 10 2008 056 199 A1 eine Ventileinrichtung für eine Brennkraftmaschine offenbart, bei der über eine Antriebswelle zwei Klappen betätigt werden, deren Achse der Antriebsachse entspricht, wobei vor jeder Klappe ein Planetengetriebe angeordnet ist, dessen Sonnenrad auf der jeweiligen Antriebswelle angeordnet ist und dessen Planetenradträger mit der jeweiligen Abtriebswelle verbunden ist. Entsprechend ist es möglich unterschiedliche Übersetzungen einzustellen.
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Für in verschiedenen Drehwinkelbereichen betätigte, zum Teil voneinander unabhängig drehbare Klappen werden jedoch immer zusätzliche Gestänge benötigt, welche Bauraum im Motor benötigen und dort Verschmutzungen ausgesetzt sind.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Betätigungsvorrichtung und eine Klappenvorrichtung mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung bereit zu stellen, bei der auf zusätzliche Hebelgestänge verzichtet werden kann und stattdessen eine direkte Kopplung der beiden Klappenwellen über den Antrieb vorhanden ist, wobei dennoch unterschiedliche definierte Bewegungen, insbesondere Stellwinkelbereiche oder Stellgeschwindigkeiten der beiden Klappen realisiert werden sollen. Dabei soll eine einfache Anpassbarkeit auf geänderte Vorgaben und somit eine Verwendung für verschiedene Bereiche mit einfachen Modifikationen möglich sein. Insbesondere soll eine der Klappen im Stillstand verharren können, während die andere Klappe weitergedreht wird, ohne dass hierzu verschiebliche Kupplungsglieder erforderlich sind. Zusätzlich soll der benötigte Bauraum reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Betätigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 und eine Klappenvorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs 16 gelöst.
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Dadurch, dass die Kopplungseinrichtung durch ein Planetengetriebe gebildet ist, welches über ein mit dem Planetengetriebe kämmenden Antriebszahnrad antreibbar ist, wobei ein Hohlrad und ein Planetenradträger des Planetengetriebes mit dem Antriebszahnrad in Eingriff stehen, wird eine Betätigungsvorrichtung geschaffen, bei der in Abhängigkeit davon, welche Elemente fixiert oder angetrieben werden, unterschiedliche Übersetzungen realisiert werden können. Hierzu werden die beiden Abtriebswellen mit unterschiedlichen Elementen des Planetengetriebes verbunden, welche definierte Bewegungen vollziehen, die sich in unterschiedlichen Bereichen voneinander unterscheiden können oder gleichförmig verlaufen können. Auf weitere Bauteile kann verzichtet werden. Es entsteht eine definierte Übersetzung des Hohlrades zum Sonnenrad. Bei entsprechender Befestigung der Abtriebswellen werden somit unterschiedliche oder gleiche Drehbewegungen über ausgewählte Drehwinkelbereiche erzeugt. Es entsteht eine sehr hohe Flexibilität bezüglich der möglichen Verwendungen einer derartigen Betätigungsvorrichtung.
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Dadurch, dass die Abtriebswellen über eine derartige Betätigungsvorrichtung antreibbar sind, wird eine Klappenvorrichtung geschaffen, mit der zwei Klappen ohne zusätzliche Hebelgestänge so miteinander gekoppelt werden können, dass diese unterschiedliche Drehwinkelbereiche oder unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten aufweisen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind am Planetenradträger mindestens zwei in Umfangsrichtung hintereinander liegende gezahnte Abschnitte ausgebildet und das Antriebszahnrad ist als gestuftes Zahnrad ausgebildet, dessen eines Zahnrad in einem ersten Drehwinkelbereich mit einem ersten gezahnten Abschnitt des Planetenradträgers in Eingriff steht und jedes weitere Zahnrad des gestuften Zahnrades in einem folgenden Drehwinkelbereich mit einem weiteren gezahnten Abschnitt des Planetenradträgers in Eingriff steht. Durch eine unterschiedliche Wahl der Übersetzungsverhältnisse zwischen dem Planetenradträger und den vorhandenen Antriebszahnrädern entsteht in den beiden aufeinander folgenden Drehwinkelbereichen eine andere Übersetzung des Hohlrades zum Sonnenrad, wodurch auch die Abtriebswellen in unterschiedlicher Weise relativ zueinander gedreht werden.
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Eine besonders einfache Ausführung zur konstruktiven Umsetzung der beiden sich unterscheidenden Übersetzungen wird erreicht, indem die gezahnten Abschnitte des Planetenradträgers und die Zahnräder des Antriebszahnrades axial hintereinander angeordnet sind, so dass jeweils ein Zahnrad des Antriebszahnrades mit dem jeweiligen Verzahnungsabschnitt des Planetenradträgers in Eingriff steht.
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Vorzugsweise steht das Hohlrad über die aufeinander folgenden Drehwinkelbereiche mit dem ersten Zahnrad des Doppelzahnrades in Eingriff. Somit erfolgt ein ständiger Antrieb des Hohlrades und somit bei Kopplung des Hohlrades mit einer der Abtriebswellen auch ein ständiger Antrieb der entsprechenden Abtriebswelle über den gesamten Betätigungsbereich des Antriebs.
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In einer ersten Ausführungsform ist entsprechend die erste Abtriebswelle mit einem Hohlrad des Planetengetriebes drehfest verbunden. Bei dieser Ausführung können ohne zusätzliche Übersetzungen die beiden Abtriebswellen auf einer gemeinsamen Achse angeordnet werden.
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In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist die erste Abtriebswelle drehfest mit dem Antriebszahnrad verbunden. So können die beiden Abtriebswellen versetzt zueinander beziehungsweise hintereinander liegend zueinander angeordnet werden.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform beträgt die Übersetzung vom Antriebszahnrad zum Hohlrad 1:1, wodurch unabhängig von der Verbindung der einen Abtriebswelle diese immer mit der gleichen Drehgeschwindigkeit bewegt wird.
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Vorzugsweise ist die zweite Abtriebswelle mit einem Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest verbunden. Durch eine geeignete Wahl der Übersetzungen ist es möglich, dass Sonnenrad und damit die Abtriebswelle trotz Drehung des Hohlrades still zu setzen, so dass unterschiedliche Drehwinkelbereiche entstehen, in denen sich entweder beide Abtriebswellen oder lediglich eine der Abtriebswellen dreht.
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In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung ist das Sonnenrad fest mit einem Zahnradsegment verbunden, welches mit einem Folgezahnradsegment kämmt, welches drehfest mit der zweiten Abtriebswelle verbunden ist. Auf diese Weise können die beiden Abtriebswellen parallel versetzt zueinander angeordnet werden und eine zusätzliche Übersetzung des Drehwinkels zwischen erster und zweiter Abtriebswelle vorgesehen werden.
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Ein besonders kompakter Aufbau ohne zusätzlich vorzusehende Lagerungen ergibt sich, wenn das Sonnenrad auf der ersten Abtriebswelle drehbar gelagert ist.
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Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus und größere Kompaktheit der Betätigungsvorrichtung wird dadurch erreicht, dass das Sonnenrad einen nicht gezahnten axialen Abschnitt aufweist, auf dem der Planetenradträger radial gelagert ist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, das gestufte Antriebszahnrad als Doppelzahnrad auszubilden und am Planetenradträger zwei axial und in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende verzahnte Abschnitte auszubilden, so dass genau zwei unterschiedliche Drehwinkelbereiche der Abtriebswellen zur Verfügung gestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung beträgt die Übersetzung vom Hohlrad zum Planetenradträger im ersten Drehwinkelbereich 1:1, wodurch gleiche Bewegungen von Hohlrad und Sonnenrad und damit in diesem Fall beider Abtriebswellen folgen.
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In einer weiterführenden vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Übersetzung vom Hohlrad zum Planetenradträger in einem zweiten Drehwinkelbereich derart gewählt, dass das Sonnenrad still steht. Dies hat zur Folge, dass die zweite Abtriebswelle still steht, während die erste Abtriebswelle, deren Bewegung mit dem Antriebszahnrad beziehungsweise dem Hohlrad gekoppelt ist, eine gleichförmige Bewegung über beide Drehwinkelbereiche vollzieht.
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Vorzugsweise ist der Antrieb durch einen Elektromotor mit einem Antriebsritzel gebildet, welches mit einem Übersetzungszahnrad kämmt, das drehfest mit dem Antriebszahnrad verbunden ist. Durch dieses Vorschalten einer weiteren Übersetzungsstufe ist eine sehr genaue Stellungsregelung der Abtriebswellen möglich.
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Es wird somit eine Betätigungsvorrichtung sowie eine Klappenvorrichtung mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung geschaffen, mit denen zwei Abtriebswellen mittels eines Antriebs unterschiedlich betätigt werden können. Insbesondere ist es möglich, eine Klappe beziehungsweise eine Abtriebswelle über einen ersten und zweiten Drehwinkelbereich zu verstellen, während die andere Abtriebswelle beziehungsweise Klappe lediglich im ersten Drehwinkelbereich mitgedreht wird. Bei Umkehr des Antriebs entsteht auch nach Durchfahren des zweiten Drehwinkelbereichs ein automatisches Einkoppeln der Bewegung der zweiten Abtriebswelle. Je nach Anwendung können verschiedene Drehbewegungen Stellwinkel und Geschwindigkeiten der beiden Abtriebswellen realisiert werden. Dabei ist die Betätigungsvorrichtung kompakt aufgebaut und einfach zu montieren.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung und einer Klappenvorrichtung mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung mit erfindungsgemäßer Betätigungsvorrichtung mit weggeschnittenen Gehäusen.
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2 zeigt die perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Klappenvorrichtung mit erfindungsgemäßer Betätigungsvorrichtung gemäß 1 mit teilweise aufgeschnittenem Plantentgetriebe.
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3 zeigt eine Seitenansicht der Klappenvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung gemäß 1 und 2 in geschnittener Darstellung.
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Die erfindungsgemäße Klappenvorrichtung besteht aus einer Betätigungsvorrichtung 10, welche zwei Abtriebswellen 12, 14 aufweist, auf denen jeweils eine Klappe 16, 18 angeordnet ist. Die Klappen 16, 18 beherrschen jeweils einen Kanal 20, 22 eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors.
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Eine Drehbewegung der Abtriebswellen 12, 14 wird durch einen Antrieb 23 erzeugt, der einen Elektromotor 24 aufweist, auf dessen Ausgangswelle 26 ein Antriebsritzel 28 angeordnet ist. Dieses Antriebsritzel 28 kämmt mit einem Übersetzungszahnrad 30, welches auf einer Achse 32 der Betätigungsvorrichtung 10 angeordnet ist. Diese Achse 32 ist in einem Gehäuse 34 der Betätigungsvorrichtung 10 gelagert. Auf der Achse 32 ist zusätzlich zum Übersetzungszahnrad 30 ein als Antriebszahnrad 36 dienendes Doppelzahnrad drehfest angeordnet, welches drehfest mit dem Übersetzungszahnrad 30 verbunden ist, beziehungsweise mit diesem als Dreifachzahnrad ausgebildet ist.
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Das Antriebszahnrad 36 ist mit einer Kopplungseinrichtung in Form eines Planetengetriebes 38 wirkverbunden, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Hohlrad 40, ein Sonnenrad 42, einen Planetenradträger 44 sowie drei auf Achsen 46 des Planetenradträgers 44 angeordnete Planetenräder 48 aufweist, die in bekannter Weise in die Verzahnungen des Sonnenrades 42 und des Hohlrades 40 greifen. Ein erstes Zahnrad 50 des Antriebszahnrades 36 greift zum Antrieb des Planetengetriebes 38 in eine Außenverzahnung 51 des Hohlrades 40. Zusätzlich greift dieses erste Zahnrad 50 oder das zweite Zahnrad 52 des Antriebszahnrades 36 in eine Außenverzahnung 54 des Planetenradträgers 44. Somit wird eine Übersetzung zwischen dem Planetenradträger 44 und dem Hohlrad 40 festgelegt, was zu einer definierten Drehbewegung des Sonnenrades 42 führt.
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Die erste Abtriebswelle 12 ist drehfest mit dem Hohlrad 40 verbunden, wobei es alternativ auch möglich wäre, diese mit dem mit dem Hohlrad 40 kämmenden ersten Zahnrad 50 des Antriebszahnrades 36 zu verbinden. Das Sonnenrad 42 bildet einen ersten von drei hintereinanderliegenden Abschnitten eines Bauteils 60, welches drehbar auf der ersten Abtriebswelle 12 gelagert ist, und ist im Innern des Hohlrades 40 angeordnet. Der darauf folgende zweite zylindrische Abschnitt 62 dient zur drehbaren radialen Lagerung des Planetenradträgers 44. Der dritte axiale Abschnitt ist als Zahnradsegment 64 ausgebildet, welches mit einem Folgezahnradsegment 66 kämmt, welches drehfest mit der zweiten Abtriebswelle 14 verbunden ist.
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Um nun in unterschiedlichen Drehwinkelbereichen nicht nur verschiedene Winkelgeschwindigkeiten der beiden Abtriebswellen 12, 14 realisieren zu können, sondern auch die Relativgeschwindigkeiten der beiden Abtriebswellen 12, 14 in zwei verschiedenen Drehwinkelbereichen unterschiedlich gestalten zu können, weist die Außenverzahnung 54 des Planetenradträgers 44 zwei in Umfangsrichtung betrachtet aufeinanderfolgende gezahnte Abschnitte 56, 58 auf, von denen der erste gezahnte Abschnitt 56 mit dem ersten Zahnrad 50 des Antriebszahnrades 36 im ersten Drehwinkelbereich in Eingriff steht und der zweite gezahnte Abschnitt 58 mit dem zweiten, kleineren Zahnrad 52 des Antriebszahnrades 28 im zweiten Drehwinkelbereich in Eingriff steht. Gleichzeitig steht das erste Zahnrad 50 in beiden Drehwinkelbereichen auch in ständigem Eingriff mit der Außenverzahnung 51 des Hohlrades 40.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel betragen die beiden Drehwinkel bezüglich der Drehung des Hohlrades 40 jeweils etwa 90°. Die Übersetzung zwischen dem Hohlrad 40 und dem Planetenradträger 44 beträgt im ersten Drehwinkelbereich 1:1, da das Hohlrad 40 und der Planetenradträger 44 in diesem ersten Bereich mit einer gleichen Zähnezahl und gleichen Durchmessern ausgestattet sind, während die Übersetzung im zweiten Drehwinkelbereich ca. 1:0,767 beträgt, so dass in diesem zweiten Drehwinkelbereich der Planetenradträger 44 lediglich 0,767 mal so schnell gedreht wird, wie das Hohlrad 40.
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Daraus folgt im ersten Drehwinkelbereich, dass der Planetenradträger 44 genauso schnell gedreht wird wie das Hohlrad 40, so dass die Planetenräder 48 selbst nicht um ihre Achsen 46 gedreht werden. Dies hat zur Folge, dass das Sonnenrad 42 durch die Planetenräder 48 mit der gleichen Geschwindigkeit gedreht wird wie das Hohlrad 40 und der Planetenradträger 44. Durch geeignete Wahl der folgenden Übersetzung vom Sonnenrad auf das Zahnradsegment, ist es somit möglich auch beide Abtriebswellen 12, 14 mit gleicher Geschwindigkeit zu drehen.
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Sobald der erste Drehwinkelbereich durchfahren ist, greift das erste Zahnrad 50 des Antriebszahnrades 36 nicht mehr in den ersten gezahnten Abschnitt 56 des Planetenradträgers 44, sondern lediglich in die Außenverzahnung 51 des Hohlrades 40. Gleichzeitig gerät das zweite Zahnrad 52 des Antriebszahnrades 36 in Eingriff mit dem zweiten gezahnten Abschnitt 58 des Planetenradträgers 44. Somit wird von diesem Moment an der Planetenradträger 44 lediglich mit der 0,767-fachen Geschwindigkeit des Hohlrades 40 angetrieben, wodurch die Planetenräder 48 zwangsweise um ihre Achsen 46 gedreht werden. Hierzu müssen die Planetenräder 48 auf dem Sonnenrad 42 abrollen, welches durch diese Bewegung festgesetzt wird und sich nicht mehr drehen kann. Entsprechend wird die erste mit der Bewegung des Hohlrades 40 gekoppelte Abtriebswelle 12 gleichförmig weitergedreht, während die zweite Abtriebswelle 14, deren Bewegung mit dem Sonnenrad 42 gekoppelt ist, still steht.
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Entsprechend vollzieht die erste Klappe 16 im Kanal 20 über einen Drehwinkel von 180° eine gleichförmige Drehung, während die zweite Klappe 18 lediglich um 90° gedreht wird und anschließend in der den zweiten Kanal 22 verschließenden Stellung verharrt.
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Ein Zurückdrehen der Ausgangswelle 26 in entgegengesetzter Richtung führt entsprechend dazu, dass zunächst lediglich die erste Klappe 16 in entgegengesetzter Richtung gedreht wird und mit Erreichen des ersten Drehwinkelbereiches auch die zweite Klappe 18 wieder mit der ersten Klappe 16 in die den jeweiligen Kanal 20, 22 öffnende Position gedreht wird.
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Entsprechend wird eine Betätigungsvorrichtung beziehungsweise eine Klappenvorrichtung mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung geschaffen, mit der mittels eines Antriebs zwei Abtriebswellen und somit zwei Klappen eindeutig definierte unterschiedliche Bewegungen vollziehen. Dabei lassen sich nicht nur für beide Abtriebswellen unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten darstellen, sondern auch verschiedene Relativbewegungen der Abtriebswellen zueinander. Insbesondere wird es auf einfache Art und Weise möglich, in einem ersten Drehwinkelbereich beide Abtriebswellen gleichförmig zu bewegen und in einem anderen Drehwinkelbereich lediglich eine der Abtriebswellen anzutreiben, während die andere still steht.
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Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen der beschriebenen Betätigungsvorrichtung möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Neben einer Anordnung der Abtriebswellen auf einer gemeinsamen Geraden durch Verbindung der zweiten Abtriebswelle mit dem Sonnenrad lassen sich diese auch dadurch versetzt zueinander anordnen, dass die zweite Abtriebswelle nicht mit dem Hohlrad, sondern mit dem Antriebszahnrad verbunden, wird. Auch lassen sich durch Verwendung mehrerer Planetengetriebe mehr als lediglich zwei Abtriebswellen antreiben, die jeweils definiert aber bezüglich ihrer Geschwindigkeiten und Relativgeschwindigkeiten in unterschiedlicher Weise angetrieben werden. Selbstverständlich lassen sich auch beliebig viele aufeinander folgende Drehwinkelbereiche durch die Wahl unterschiedlicher Übersetzungen also mehrerer Antriebszahnräder und mehrerer verzahnter Abschnitte am Planetenradträger realisieren. Entsprechend können unterschiedliche Kurvenverläufe oder Sprünge dargestellt werden. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.
