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Die Erfindung geht aus von einer Verstellvorrichtung zum Antreiben einer drehbar gelagerten Klappe im Kraftfahrzeug, sowie einem Verfahren zum Verstellen einer solchen Klappe nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
DE 10 2012 009 856 B3 ist eine Antriebsanordnung für eine Heckklappe bekannt geworden, bei der auf beiden Seiten der Heckklappe jeweils ein Elektromotor mit einem Getriebe angeordnet sind, die synchron angesteuert werden. Zur Kompensation des Heckklappengewichts werden bei solchen Antriebsanordnungen gewöhnlich auf beiden Seiten der Klappe Gasdruckfedern verwendet, die die Elektromotoren entlasten. Nachteilig ist bei einer solchen Vorrichtung, dass die Antriebe und die Gasdruckfedern einen relativ großen Bauraum beanspruchen und im Rahmenbereich der Klappe störend wirken, und die Federwirkung der Gasdruckfedern mit der Temperatur stark schwankt. Bei einer solchen Vorrichtung werden die Federn oft so eingestellt, dass sie das Gewicht der Klappe komplett kompensieren, so dass der Antrieb das Gewicht der Klappe nicht tragen muss. Je nach Betriebstemperatur und anderen Betriebszuständen – wie beispielsweise Fahrzeugneigung und Schneelast – kann es dabei zu einer wechselnden Belastung des Antriebs kommen, da dass dieser von einem Schub- zu einem Bremsbetrieb wechselt. Dadurch entsteht durch Spiel im Gesamtsystem ein störendes Geräusch bei dem Verstellvorgang und zu Mehraufwand bei der Regelung eines solchen Antriebssystems.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben dem gegenüber den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäß Einstellung des die Gewichtskraft der Klappe kompensierenden Federmoments auf einen geringeren Betrag als das durch das Klappengewicht erzeugte Drehmoment, das Spiel im Gesamtsystem keine Geräuschentwicklung verursachen kann. Durch die Differenz des Klappenmoments und dem Federmoment um maximal den Betrag des Rückdrehmoment des Antriebs ist gewährleistet, dass der Antrieb während eines Verstellvorgangs in fast allen Betriebszuständen nur Schub- oder nur im Bremsbetrieb betätigt wird, wodurch auch dessen Regelung wesentlich vereinfacht wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen. Da das Drehmoment der Klappe in deren waagerechten Ausrichtung am größten ist, ist es von Vorteil, die Kompensation des Klappenmoments durch die Summe des Rückdrehmoments – oder zumindest einen Wesentlichen Teil des Rückdrehmoments – und des Federmoments zumindest auf diese Position zu optimieren.
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Noch günstiger ist es, wenn durch die optimale Auslegung der Federkennlinie und des Gesamtsystems ein Nulldurchgang des Antrieb- bzw. Bremsmoments des motorischen Antriebs über den kompletten Verstellbereich der Klappe zuverlässig verhindert wird. Dazu muss die Federkennlinie einen mit dem Klappenmoment korrespondierenden Extremwert aufweisen, der näherungsweise im mittleren Bereich des Gesamtverstellweges angeordnet ist.
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Da sich das Klappenmoment aufgrund der Konstruktion des Gesamtsystems mit der Temperatur, der Fahrzeugneigung, zusätzlichen Lasten oder veränderlicher Reibung änder kann, ist der Betrag des Rückhaltemoments im Zusammenspiel mit der einstellbaren Federkennlinie so abgestimmt, dass in den allermeisten Betriebszuständen gewährleistet ist, dass das Federmoment nie gleich groß oder größer wird, als das Klappenmoment.
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Besonders günstig ist es, wenn das Rückdrehmoment des motorischen Antriebs zusammen mit dem Federmoment zur Kompensation des Klappengewichts genutzt wird. Dabei wird das Rückdrehmoment im Wesentlichen durch die verschiedenen Getriebestufen des Antriebs erzeugt, an deren Abtriebsritzel als lastseitiges Moment das Klappenmoment anliegt.
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Um eine für die Verstellvorrichtung optimale Drehzahl und ein ideales Antriebs- bzw. Bremsmoment zu erzielen, weist der Antrieb in einer Ausführung zwei hintereinander angeordnete Schneckengetriebe auf, an die sich bevorzugt ein Stirnradgetriebe und danach insbesondere ein Planetenradgetriebe anschließt, das das Abtriebsmoment am Abtriebsritzel zur Verfügung stellt.
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Zur Übertragung des unterstützenden Federmoments auf die drehbare Klappe können unterschiedliche Übertragungsmittel verwendet werden, die unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zum Scharnier der Klappe realisieren. So kann das Federsystem über einen einfachen Hebel oder über mehrere gelenkig miteinander verbundene Hebelarme mit der Klappe verbunden sein. Alternativ sind jedoch auch eine Nockenwelle oder ein Exzenterrad oder ein Doppelradgetriebe oder ein Planetenrad oder ein Seilzug möglich, um das Federmoment auf die Klappe zu übertragen.
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Dabei können verschiedene Federausführungen wie, z. B. Drehfedern, Zugfedern, Druckfedern, Torsionsfedern, Knickfedern, Blattfedern oder Tellerfedern eingesetzt werden. Die Federtypen bilden zusammen mit den entsprechenden Übertragungsmitteln eine Federkennlinie für das unterstützende Federmoment aus, die mit dem anliegenden Moment des Klappengewichts über den gesamten Verstellweg der Klappe korrespondieren. Dadurch kann die Federkennlinie an die verschiedenen Randbedingungen des Gesamtsystems angepasst werden.
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Bei einer weiteren Ausführung weist das Federsystem zwei separat ausgebildete Federelemente auf. Aufgrund der Überlagerung einer progressiven Kennlinie des ersten Federelements, bei dem die Federkraft über den Verstellweg kontinuierlich ansteigt, mit einer degressiven Kennlinie eines zweiten Federelements, bei dem die Federkraft über denselben Verstellbereich kontinuierlich abnimmt, kann eine sehr vorteilhafte resultierende Federkennlinie für das Gesamtsystem generiert werden, dessen Betrag über den Verlauf des Verstellweges ein Maximum aufweist. Dieser Maximalwert der unterstützenden Federkraft kann besonders günstig auf denjenigen Bereich des Verstellwegs abgestimmt werden, bei dem die maximale Verstellkraft erforderlich ist. Somit kann das maximal erforderliche Antriebsmoment des Antriebsmotors für die Lage der Klappe mit dem größten Hebelarm reduziert werden. Wird das Federsystem mittels Tellerfedern realisiert, die einzeln oder zusammengesetzt die separaten Federelemente bilden, bleibt die resultierende Federkennlinie – im Gegensatz zu Gasdruckfedern – über das gesamte Temperaturintervall des Arbeitsbereichs der Heckklappe unverändert. Zudem sind die Tellerfeder so kleinbauend, und raumsparend zusammenfügbar, dass die Federelemente unter der Karosserie-Verkleidung des Rahmens montierbar sind. Dadurch weist die Klappenöffnung einen größeren Freiraum auf und wirkt ästhetisch ansprechender. Das Federelement wird durch eine Tellerfeder gebildet, in deren Mitte beispielsweise ein Loch ausgebildet ist, und deren kreisringförmige Federfläche leicht konisch ausgebildet ist. Die einzelnen Tellerfedern können besonders günstig als Stanzteile hergestellt werden, die bevorzugt aus einem Metallblech ausgeschnitten werden. Dafür eignet sich insbesondere Federstahl, wobei die Dicke und die Elastizität des Metallblechs entsprechend der aufzubringenden Vorspannung optimal ausgewählt wird. Für die Überlagerung der beiden Federkennlinien sind die Federelemente über ein drehrichtungsumkehrenden Übertragungsmechanismus gekoppelt, wodurch sich die erste progressive und die zweite degressive Federkennlinien über den Verstellweg der Klappe gegenseitig unterstützen. Der Übertragungsmechanismus kann sehr einfach und kompakt als ineinandergreifende Zahnsegmente ausgebildet werden, die jeweils starr mit den Betätigungshebeln für die Federelemente verbunden sind.
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Für ganz konkrete Anforderungen an die Gewichtskompensation der Klappe kann das Federsystem vorteilhaft mit nur einem einzigen Federelement ausgebildet werden, das eine konkrete erfindungsgemäße Federkennlinie vorgibt. Dadurch kann man eine Federkennlinie mit einem progressiven und einem degressiven Bereich und einem Maximum für die waagerechte Position der Klappe einstellen, ohne dass dabei ein zweites Federelement vorgehalten werden muss. Besonders günstig ist es, wenn das Federelement aus einzelnen Tellerfedern kombiniert wird, die gegeneinander gerichtet gestapelt sind, so dass jeweils zwei kegelförmig offenen Seiten aufeinander zu zeigen, beziehungsweise zwei Kegelstumpfspitzen aneinander anliegen. Die Tellerfedern liegen somit nur an deren Außen- und/oder Innenumfang axial aneinander an, so dass wenig Reibung zwischen den Tellerfedern auftritt, und ein maximaler Federweg zur Verfügung gestellt wird. Mit einem solch gegenseitig geschichteten Tellerfederpaket, kann eine genau definierte Federkennlinie in Abhängigkeit der Abmessungen der einzelnen Tellerfedern konfiguriert werden.
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Besonders platzsparend wird das Federelement durch einen Betätigungshebel zusammengedrückt, der mit der Drehbewegung der Klappe mit rotiert, wobei die Rotationsbewegung des Betätigungshebels in unmittelbarer Nähe zur Drehachse der Klappe in einen linearen Federweg des Federelements umgesetzt wird. Diese Umsetzung wird durch die sehr kleinen Federwege der Tellerfedern ermöglicht. Das Federelement kann dabei zwischen einem zweiteiligen weiteren Hebel angeordnet werden, dessen Länge durch die veränderliche Belastung der durch den Betätigungshebel variiert. Dadurch übt das Federelement ein veränderliches Federmoment auf die Klappe aus.
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Um die Federkennlinie besser an verschiedene Randbedingungen anzupassen, kann das Federelement über eine 4-Gelenk-Hebel-Anordnung mit der Klappe verbunden werden. Durch die Wahl der Hebellängen und der Anordnung der Drehpunkte kann in Kombination mit dem entsprechenden Federsystem – vorzugsweise einem Tellerfederpaket – die Kennlinie für das Federmoment sehr flexibel gestaltet werden
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer starren Ausbildung der Klappe an einem einzigen Scharnier auf einer ersten Fahrzeugseite das Federsystem angeordnet sind, und auf der zweiten Fahrzeugseite am anderen Scharnier beispielsweise nur ein Antriebsmotor angeordnet ist. Dabei kann die gesamte Verstellvorrichtung unter dem Blech an der Karosserie im Rahmenbereich montiert werden, so dass auch bei geöffneter Klappe das Federsystem und der Antriebsmotor komplett vom Rahmen verdeckt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen motorischen Verstellvorrichtung hat den Vorteil, dass durch die Einstellung eines Gleichgewichts zwischen dem Klappengewicht und der Summe aus unterstützendem Federmoment und Rückdrehmoment das Antriebs der Antriebsmotor über den gesamten Verstellbereich ohne Nulldurchgang betätigt werden kann. Das heißt, dass beim Öffnen der Klappe über den gesamten Verstellweg immer ein Antriebsmoment anliegt, das das Rückdrehmoment überwinden muss und die Klappe kontinuierlich nach oben drückt. Beim Schließen hingegen liegt über den gesamten Schließweg ein entgegengesetztes Bremsmoment am Antrieb an, das hier insbesondere vom Rückdrehmoment unterstützt wird. Somit wird eine störende Geräuschbildung durch wechselnde Lose des Systemspiels wirkungsvoll vermieden. Daher kann mit einem Verstellantrieb relativ kleiner Leistung die Klappe über den gesamten auftretenden Temperaturbereich und bei wechselnden Randbedingungen zuverlässig motorisch geöffnet und geschlossen werden kann.
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Zeichnungen
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung einer Heckklappe,
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2a) bis 2c) die Überlagerung verschiedener Drehmomente
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3 eine Antriebseinheit der Verstellvorrichtung
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4a) und 4b) verschiedene Federsysteme der Verstellvorrichtung
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5a) bis 5c) die Überlagerung einer ersten progressiven mit einer zweiten degressiven Federkennlinie.
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6 und 6a) schematisch eine Varianten von erfindungsgemäßen Ausführung im Detail,
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7 ein erfindungsgemäßes Federelement, und
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8 eine Federkennlinie einer einzelnen Tellerfeder
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 8 mit einer geöffneten Klappe 12 dargestellt, die als Heckklappe ausgebildet ist. Die Klappe 12 ist mit zwei Scharnieren 16 um eine Drehachse 18 schwenkbar an der Karosserie 11 befestigt. Die Klappe 12 verschließt mittels einer Verstellvorrichtung 10 eine Öffnung 13 des Fahrzeugs 8, beispielsweise einen Kofferraum. Die Öffnung 13 ist von einem Rahmen 15 umgeben, der als Teil der Karosserie 11 ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist nur eine motorische Antriebseinheit 2 im Rahmen 15 angeordnet, die beispielsweise nur am linken Scharnier 16 angreift. Die Antriebseinheit 2 weist einen Antriebsmotor 20 auf, dem ein Übersetzungsgetriebe 21 nachgeordnet ist, dessen Abtriebselement 24 über einen Abtriebshebel 23 das Scharnier 16 drehbar um einen Verstellweg 36 verstellt. Dabei ist hier die Rotorachse 19 des Antriebmotors 20 fluchtend mit der Drehachse 18 des Scharniers 16 angeordnet. Am anderen Scharnier 16 – in 1 auf der linken Seite – ist kein Antriebsmotor 20 angeordnet, sondern ein Federsystem 30, das zumindest einen Teil des Gewichts der Klappe 12 kompensiert. Das Federsystem 30 kann ein oder mehrere Federelemente 31, 32 und Übertragungsmittel 53 aufweisen, wobei das das Klappengewicht kompensierende unterstützende Federmoment 94 an das über den Drehwinkel φ veränderliche Drehmoment 91 der Klappe angepasst ist. In einer weiteren Ausführung kann an jedem Scharnier 16 jeweils ein Federelement 31, 32 angeordnet sein, wobei je nach Bedarf insgesamt nur genau eine oder mehrere Antriebseinheiten 2 angeordnet sein können. Das Federsystem 30 ist mit dem Scharnier 16 wirkverbunden, so dass das Federmoment 94 über das Scharnier 16 auf die Klappe 12 übertragen wird. Das Federsystem 30 und die motorische Antriebseinheit 2 sind im Ausführungsbeispiel im Dachbereich 14 des Rahmens 15 – insbesondere verdeckt unter dem Blech der Karosserie 11 – angeordnet. Auf der linken Seite ist gestrichelt noch eine der beiden Gasdruckfedern 28 nach dem Stand der Technik dargestellt, die durch die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung 10 ersetzt werden.
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In 2a) bis c) ist jeweils die Summe der verschiedenen Momente in den verschiedenen Betriebszuständen der Verstellvorrichtung 10 dargestellt. 2a) zeigt das Halten der Klappe 12 ohne Betätigung des Antriebsmotors 20 (z. B. stromloser Motor 20), bei dem das Drehmoment 91 des Klappengewichts idealerweise in jeder Verstellposition im Gleichgewicht ist, mit der Summe des entgegenwirkenden Federmoments 94 des Federsystems 30 und einem Rückdrehmoment 95 des Antriebsmotors 20. Diese Rückdrehmoment 95 wirkt im Haltezustand – auch bei Stillstand des Rotors 22 des Antriebmotors 20 – dem Drehmoment 91 der Klappe 12 entgegen. In 2 sind die nach unten wirkenden Drehmomente (91) im oberen Bereich mit positivem Vorzeichen dargestellt, und die nach oben wirkenden Drehmomente (94, 95) im unteren Bereich mit negativem Vorzeichen dargestellt, wie dies z. B. der Kofferraum-Öffnung 13 der 1 entspricht. Beispielhaft sind auf der Y-Achse Zahlenwerte für das Drehmoment aufgetragen, die sich über den Verlauf des Verstellwinkels φ ändern, der auf der X-Achse aufgetragen ist. Gemäß 6a entspricht der Verstellwinkel φ = 0° der geschlossenen Position, und der Verstellwinkel φ = 90° der vollständig geöffneten Position. Das Drehmoment 91 der Klappe 12 hat im mittleren Bereich des Verstellwinkels φ ein Maximum 90 (hier etwa bei φ = 45°), da bei der näherungsweise waagerechten Erstreckung der Klappe 12 der größte Hebel für das Klappengewicht wirkt. Die gestrichelte Kurve 86 stellt das Drehmoment der Klappe 12 bei einer Talfahrt, und die gestrichelte Kurve 87 bei einer Bergfahrt dar. Daher entspricht die durchgezogenen dicke Kurve dem Drehmoment 91 ohne Fahrzeugneigung, bzw. einem mittleren Wert für den durchschnittlichen Verstellvorgang. In 2a) bis c) sind alle Drehmomente für einen idealisierten Referenzbetriebsfall bei Raumtemperatur und ohne Fahrzeugneigung dargestellt. Ebenso ist das Reibmoment der Verstellvorrichtung 10 nicht gesondert dargestellt, sondern es ist beispielsweise im Drehmoment 91 als dem Gewichtsmoment der Klappe 12 entgegenwirkendes Reibmoment bereits enthalten. Außerdem können in der Praxis noch zusätzliche Belastungen der Klappe 12, beispielsweise durch Schnee auftreten, so dass der idealisierte Drehmomentverlauf 91 in Wirklichkeit eine gewisse Bandbreite (in Y-Richtung) aufweist, die über den Verstellwinkels φ normalerweise variiert. Der Betrag des Federmoments 94 vom Federsystem 30 weist korrespondierend zum Drehmoment 91 ebenfalls im mittleren Bereich des Verstellwinkels φ ein Maximum 90 in entgegengesetzter Wirkrichtung auf (was durch das negative Vorzeichen als Minimum dargestellt ist). Der Verlauf des Federmoments 94 wird durch entsprechende Wahl des Federsystems 30 mit dessen Übertragungsmittel 53 auf das mittlere Drehmoment 91 der Klappe 12 optimiert. Der Absolutwert des Federmoments 94 wird so gewählt, dass dieses zusammen mit dem Betrag eines Rückdrehmoment 95 des Antriebmotors 20 das Gewicht der Klappe 12 ausgleicht. Daher ist der Betrag des Federmoments 94 in diesem Beispiel um den Betrag des Rückdrehmoments 95 (beispielsweise 30 Nm) kleiner als der Betrag des Drehmoments 91. In einer Variation kann die Differenz zwischen dem Drehmoment 91 und dem Federmoment 94 auch kleiner sein, als das Rückdrehmoment 95, jedoch keinesfalls größer als letzteres. Die Summe aus Drehmoment 91 (inklusive Reibmomente des Systems), Federmoment 94 und Rückdrehmoment 95 ist als Kurve 96 (dicke Linie) dargestellt, und ist ideal über den gesamten Verstellwinkel φ näherungsweise null, zumindest im Referenzbetriebsfall.
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In 2b) sind nun die Momente für den Öffnungsvorgang dargestellt (0° >> 90°), bei dem nun ein zusätzliches Antriebsmoment 97 des Antriebsmotors 20 noch oben (negatives Vorzeichen) wirkt, beispielsweise –70 Nm. Das Antriebsmoment 97 muss zuerst das Rückdrehmoment 95 überwinden, so dass als Summe der Gesamtmomente 96 ein negatives Drehmoment resultiert (beispielsweise –40 Nm), das die Klappe 12 nach oben bewegt (öffnet). Bei dieser Ausführung muss für die Überwindung des Rückdrehmoments immer ein zusätzliches Moment (z. B. 30 Nm) aufgebracht werden, um die Klappe 12 zu öffnen. Dabei ist das Antriebsmoment 97 über den gesamten Verstellweg 36 immer nach oben gerichtet stets größer als die Summe aus dem Drehmoment 91 und dem Federmoment 94. Für den Fall, dass die Differenz zwischen dem Drehmoment 91 und dem Federmoment 94 geringer ist, als das Rückdrehmoment 95, muss deren nach unten gerichtetes Gesamtmoment beim Öffnungsvorgang durch das Antriebsmoment 97 überwunden werden.
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In 2c) sind nun die Momente für den Schließvorgang dargestellt (90° >> 0°), bei dem von dem Antriebsmotors 20 ein Bremsmoment 98 mit umgekehrter Drehrichtung zum Antriebsmoment 97 wirkt, was in 2c) mit positivem Vorzeichen dargestellt ist (beispielsweise +40 Nm). Beim Schließvorgang muss der Antriebsmotor 20 das Rückdrehmoment 95 nicht zusätzlich überwinden, da nach 2a) bereits ein Gleichgewicht für das Klappengewicht eingestellt ist. Somit kann mit einem am Antriebsmotor 20 anliegenden Bremsmoment 98 von z. B. +40 Nm auch ein resultierendes Gesamtmoment 96 von +40 Nm zum Schließen der Klappe 12 erzielt werden. Dabei ist das Bremsmoment 98 über den gesamten Verstellweg 36 immer nach unten gerichtet stets kleiner als die Summe aus dem Drehmoment 91 und dem Federmoment 94. Durch die Differenz zwischen dem Drehmoment 91 und dem Federmoment 94 von maximal dem Betrag des Rückdrehmoments 95, wirkt beim Schließen ein nach unten gerichtetes Gesamtmoment durch das Klappengewicht, dem das Bremsmoment 98 das Antriebsmotors 20 beim Schließvorgang entgegenwirkt.
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3 zeigt schematisch eine Antriebseinheit 2, die einen Antriebsmotor 20 und eine Getriebeanordnung 21 zum Untersetzen einer Drehzahl des Antriebsmotors 20 umfasst. Die Antriebseinheit 2 weist eine Antriebswelle 102 auf, welche mittels des Antriebsmotors 20 antreibbar ist. An der Antriebswelle 102 ist eine erste Schnecke 103 eines ersten Schneckengetriebes 111 angeordnet, welche mit einem ersten Schneckengetrieberad 104 des ersten Schneckengetriebes 111 zusammenwirkt. Das erste Schneckengetrieberad 104 ist an einer Schneckenwelle 105 angeordnet, die quer zur Antriebswelle 102 angeordnet ist. An der Schneckenwelle 105 ist eine zweite Schnecke 106 eines zweiten Schneckengetriebes 112 angeordnet, welches mit einem zweiten Schneckengetrieberad 107 des zweiten Schneckengetriebes 112 kämmt, das an einer Zwischenwelle 108 angeordnet ist. Die Zwischenwelle 108 ist quer zur Schneckenwelle 105, und somit achsparallel der Antriebswelle 102 angeordnet. Das erste Schneckengetriebe 111 und das zweite Schneckengetriebe 112 sind daher zu einem Doppelschneckengetriebe hintereinander geschaltet. Bei Antrieb der Antriebswelle 102 wird über das erste Schneckengetriebe 111 die Schneckenwelle 105 angetrieben, die ihrerseits über das zweite Schneckengetriebe 112 die Zwischenwelle 108 antreibt. An der Zwischenwelle 108 ist ein Zahnrad 109 angeordnet, welches mit einem Stirnrad 110 kämmt, und gemeinsam mit diesem ein Stirnradgetriebe 113 bildet. Das Stirnrad 110 ist an einer ersten Abtriebswelle 116 der Antriebseinheit 2 angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht, dass die erste Abtriebswelle 116 koaxial zur Antriebswelle 102 angeordnet ist. Bei Antrieb der Zwischenwelle 108 wird das Zahnrad 109 angetrieben, das in Eingriff mit dem Stirnrad 110 des Stirnradgetriebes 113 ist, so dass das Stirnrad 110 angetrieben wird. Dadurch wird die erste Abtriebswelle 116 angetrieben. Das Stirnradgetriebe 113 ist eine erste Getriebestufe der Antriebseinheit 2, wobei das erste und das zweite Schneckengetriebe 111, 112 weitere zwischen dem Antriebsmotor 20 und der ersten Getriebestufe angeordnete Getriebestufen sind. Jede der hier gezeigten Getriebestufen ermöglicht eine Untersetzung der Drehzahl des Getriebemotors 20.
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In der hier dargestellten Ausführungsform der Antriebseinheit 2 ist an die erste Abtriebswelle 116 beispielhaft eine Zwischeneinheit 117 adaptiert, welche über eine Verbindungswelle 118 mit einer als Planetengetriebe 114 ausgebildet vierten Getriebestufe verbunden ist. Das Planetengetriebe 114 umfasst ein Sonnenrad 119, das hier an die Zwischenwelle 117 der Zwischeneinheit 118 adaptiert und von dieser antreibbar ist. Das Planetengetriebe 114 umfasst Planetenräder 120, die mittels eines Planetenradträgers 121 miteinander verbunden sind. Am Planetenradträger 121 ist eine zweite Abtriebswelle 122 angeordnet, die koaxial zum Sonnenrad 119 und zur ersten Abtriebswelle 116 angeordnet ist. Die Antriebseinheit 2 ist auch ohne das Planetengetriebe 114 zum Antrieb der Klappe 12 verwendbar, somit steht sowohl die erste Abtriebswelle 116 als auch die zweite Abtriebswelle 122 zum Antrieb zur Verfügung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Abtriebselement 24 ein Antriebshebel 23 vorgesehen, an den beispielsweise die Klappe 12 oder das Scharnier 16 anordbar ist.
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Das Rückdrehmoment 95 der Antriebseinheit 2 wird dabei wesentlich durch die einzelnen Getriebestufen des Getriebes 21 bestimmt. In dieser Ausführung also durch die beiden Schneckengetriebe 111, 112, das Stirnradgetriebe 113 und optional durch das Planetengetriebe 114. Ebenso weist der Elektromotor 20 durch die Lagerung und die magnetische Wechselwirkung des Rotors 22 mit dem Stator einen Rückdrehwiderstand 95 auf. Das Rückdrehmoment 95 ist definiert durch das Drehmoment, das an dem Abtriebselement 24 angelegt wird, bis sich der Rotor 24 des Antriebsmotors 20 dreht, wenn der Antriebsmotor 20 nicht betätigt wird.
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In 4a) ist ein Federsystem 30 mit Übertragungsmitteln 53 dargestellt, das ein Federmoment 94 auf die Klappe 12 überträgt. Dadurch wird das Gewicht der auf der Drehachse 18 mittels eines Scharniers 16 gelagerte Klappe 12 abgestützt. Dass Übertragungsmittel 53 weist einen relativ kleinen Hebel 63 auf, der starr mit der Klappe 12 verbunden, und somit ebenfalls drehbar um die Drehachse 18 angeordnet ist. Der kleine Hebel 63 ist gelenkig mit einem größeren zweiten Hebelarm 64 verbunden, der ebenfalls Bestandteil der Übertragungsmittel 53 ist. Der Hebelarm 64 setzt sich aus einem ersten Hebelteil 65 und einem zweiten Hebelteil 66 zusammen, die in Längsrichtung ineinander greifen, so dass der Hebelarm 64 linear mit einer veränderlichen Länge ausgebildet ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Hebelteil 65, 66 ist ein Federelement 31 eingespannt, dessen Federkraft 37 eine Längenänderung des Hebelarms 64 bewirkt. As Federelement 31 ist beispielsweise ist eine Druckfeder auf dem zweiten Hebelteil 66 geführt gelagert, so dass sich der Federweg 49 entlang der Längsrichtung des zweiten Hebelarms 64 erstreckt. Der zweite Hebelteil 66 ist am anderen Ende 67 drehbar an der Karosserie 11 gelagert, so dass sich beim Verdrehen der Klappe 12 um einen Verstellweg 36 über die Drehung des keinen Hebels 63 die Länge des zweiten Hebelarms 64 verändert, wodurch sich auch die Federlänge ändert. Das Federelement 31 weist über den Federweg 49 eine bestimmte Kennlinie auf, wie dies beispielsweise in 8 oder 5c dargestellt ist. Diese Federkennlinie bewirkt zusammen mit den Übertragungsmitteln 53 ein über den Verstellweg 36 veränderliches Federmoment 94, wie dieses in den 2a) bis c) dargestellt ist. Das Federelement 31 ist beispielhaft als Tellerfederpaket 44 ausgebildet, wie diese auch in 7 dargestellt ist, wobei ein solches Tellerfederpaket 44 in einem Arbeitsbereich mit einer linearen oder mit einer progressiven oder einer degressiven Kennlinie 74, 76, 78 (8) oder einer überlagerten Kennlinie 88 (5c) betrieben werden kann. Somit kann die Gestaltung des Federmoments 95 über dem Verstellwinkel φ sowohl über die Federkennlinie des Federelements, als auch über das Design der Übertragungsmittel bestimmt werden. Das Tellerfederpaket 44 kann mit seinem Innenumfang 45 direkt als Führung in Federrichtung 49 auf einem der beiden Hebelteile 65, 66 gelagert werden, die beide jeweils einen axialen Anschlag für das Federelement 31 aufweisen.
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In 4b) ist ein ähnlich gelagertes Federelement 31 entsprechend 4a) mittels aufwändigeren Übertragungsmitteln 53 mit der Klappe 12 verbunden (beispielsweise mit einem 4-Gelenk-getreibe). Wieder ist der kleine Hebel 63 starr mit der Klappe 12 verbunden, und drehbar um die Drehachse 18 angeordnet ist. Der kleine Hebel 63 ist nun gelenkig mit einem Knickhebel 68 verbunden dessen beide Teile 69a und 69b über ein Gelenk 73 miteinander und mit dem größeren zweiten Hebelarm 64 verbunden sind, die alle Bestandteile der Übertragungsmittel 53 sind. Der zweite Teil 69b des Knickhebels 68 ist drehbar an der Karosserie 11 befestigt. Der am Gelenk 73 drehbar befestigte Hebelarm 64 setzt sich aus einem ersten Hebelteil 65 und einem zweiten Hebelteil 66 zusammen, und ist somit in Längsrichtung linear mit einer veränderlichen Länge ausgebildet. Der zweite Hebelteil 66 ist wieder am Ende 67 drehbar an der Karosserie 11 gelagert. Wird nun die Klappe um den Drehwinkel φ gedreht, ändert sich der Abstand zwischen dem Gelenk 73 und dem Ende 67, so dass sich aufgrund der Längenänderung des zweiten Hebelarms 64 wieder die Federlänge des Federelements 31 und somit deren Federkraft ändert. Durch die Wahl der Längenverhältnisse der Übertragungsmittel 53 kann wieder in Zusammenspiel mit der verwendeten Federelement 31 ein effektives Federmoment 94 des gesamten Federsystems 30 vorgegeben werden.
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Alternativ zu dem einfachen Hebel gemäß 4a) oder dem 4-Gelenk-Gestänge können die Übertragungsmittel 53 auch als eine Nockenwelle ausgebildet sein, die sich starr mit der Klappe 12 um die Drehachse 18 dreht. Dabei wird die Auslenkung durch die Nocke beim Verdrehen der Klappe 12 auf ein Federelement 31 übertragen, das somit mit dem Drehwinkel unterschiedlich stark ausdehnt oder zusammengedrückt wird. Bevorzugt wird die Nockenauslenkung mittels einer Rolle abgegriffen, die sich auf der Nocke abwälzt, um die Reibung zu minimieren. Die Rolle kann dann besonders günstig eine Druckkraft auf ein Federelement 31 ausüben, wodurch sich das Federmoment 94 des gesamten Federsystems (einschließlich der Nockenwelle) über den Drehwinkel φ ändert.
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Als weitere Variante der Übertragungsmittel 53 kann die Drehbewegung der Klappe 12 über ein Planetenrad beispielsweise auf ein Hohlrad übertragen werden, wobei durch deren Übersetzungsverhältnis das veränderliche Federmoment 94 des Federsystems 30 realisiert wird. Ein solches veränderliches Federmoment 94 kann auch durch die Verwendung eines Exzenterradgetriebes als Übertragungsmittel 53 erzielt werden, bei dem beispielsweise zwei Räder mit unterschiedlichem Durchmesser und/oder Zähnezahl aufeinander abwälzen.
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Anstatt der Hebel kann als Übertragungsmittel 53 auch ein Seil oder Draht verwendet werden, die auf Zug beansprucht werden, wenn das Federelement 31 als eine Zugfeder oder eine Drehfeder ausgebildet sind, bei der sich mit dem Drehwinkel der Klappe 12 die Federlänge oder der Federwinkel unter Zugbeanspruchung ändert. Ebenso können Blattfedern, Spiralfedern oder Knickfedern als Federelemente 31 verwendet werden, die zusammen mit entsprechenden Übertragungsmitteln 53 ein Federmoment 94 des gesamten Federsystems – bestehend aus einem oder mehreren Federelementen 31, 32 und den Übertragungsmitteln 53 – entsprechend 2a) bis c) bereitstellten.
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6 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Verstellvorrichtung 10 gemäß einem Schnitt durch die linke Seite der 1, wobei hier als Federsystem 30 ein erstes und ein zweites Federelement 31, 32 zusammen mit Übertragungsmitteln 53 kombiniert sind, die die beiden Federelemente 31, 32 miteinander koppeln. Die Klappe 12 ist im Schnitt in vollständig geöffneter Position 34 und gestrichelt in einer vollständig geschlossenen Position 35 dargestellt. Die Klappe 12 ist dabei um einen Verstellweg 36 verstellbar, der beispielsweise einem Drehwinkel von 60°–90°, insbesondere ca. 70° entspricht. Die Klappe 12 ist starr mit dem Scharnier 16 verbunden, das drehbar um die Drehachse 18 gelagert ist. Am Scharnier 16 ist ein erstes Betätigungselement 41 befestigt, auf das eine erste Federkraft 37 des ersten Federelements 31 wirkt. Das erste Federelement 31 ist als Tellerfederpaket 44 ausgebildet, das sich aus einzelnen in Federrichtung 48 gestapelten Tellerfedern 46 zusammensetzt, wie dies beispielhaft in 3. dargestellt ist. Das Federelement 31 liegt dabei in Federrichtung 48 an einer Seite an einem ersten Anschlag 61 karosseriefest an und auf der anderen Seite am ersten Betätigungselement 41. Dabei wird der lineare Federweg 49 über den Hebel des Betätigungselements 41 in eine Drehbewegung des Scharniers 16 und damit der Klappe 12 umgesetzt. Das erste Betätigungselement 41 ist über das Scharnier 16 mit einem ersten Übertragungselement 51 verbunden, das das Drehmoment an ein zweites Übertragungselement 52 überträgt, das auf einer separat ausgebildeten Übertragungsachse 17 gelagert ist. Das zweite Übertragungselement 52 ist wiederum mit einem zweiten Betätigungselement 42 verbunden, das am zweiten Federelement 32 anliegt. Das zweite Federelement 32 ist wiederum als Tellerfederpaket 48 ausgebildet, das vorzugsweise identisch mit dem ersten Federelement 31 ist. Jedoch wird das zweite Federelement 32 mit einer unterschiedlichen Vorspannung betrieben, die zwischen einem zweiten Anschlag 62 der Karosserie 11 und dem zweiten Betätigungselement 52 eingestellt wird. Durch die unterschiedlichen Vorspannungen der Federelemente 31 und 32 kann das erste Federelement 31 mit einer progressiven und das zweite Federelement 32 mit einer degressiven Federkennlinie 76, 78 betrieben werden, die zusammen eine resultierende Federkennlinie 88 ergeben. Die beiden Übertragungselemente 51, 52 stellen ein drehrichtungsumkehrendes Getriebe 54 als Übertragungsmittel 53 dar, mittels dessen die beiden Federelemente 31, 32 miteinander gekoppelt sind. Dadurch überlagern sich die beiden in Federrichtung 48 wirkende Federkräfte 37, 38 der beiden Federelemente 31 und 32, wobei diese durch die Betätigungselemente 41, 42 immer in entgegengesetzter Richtung zu einander zusammengedrückt oder entspannt werden. Das drehrichtungsumkehrende Getriebe 54 ist hier mit den beiden näherungsweise parallelen Achsen 18, 17 spiegelbildlich aufgebaut. Die Übertragungselemente 51, 52 sind hier als Zahnsegmente 55, 56 ausgebildet, die direkt miteinander kämmen. Alternativ können auch Standardzahnräder verwendet werden, wenn genügend Bauraum vorhanden ist. Hierbei wird das Federmoment 94 direkt durch die resultierende Federkennlinie 88 realisiert deren Federmoment 94 über den Drehwinkel φ direkt auf die Klappe 12 übertragen wird.
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7 zeigt ein Tellerfederpaket 48, wie es beispielsweise als zweites Federelement 32 in der Einbaulage der rechten Seite gemäß 2 verbaut ist. Hierbei sind die einzelnen Tellerfedern 46 gegenseitig geschichtet, das heißt, dass in Federrichtung 48 jeweils die offenen Hohlkegel einander zugewandt sind. Dadurch liegen die Tellerfedern 46 jeweils an ihrem äußeren Umfang 47 und an ihrem Innenumfang 45 in Federrichtung 48 aneinander an. Dabei addieren sich die Federwege der einzelnen Tellerfedern 46 zu dem Federweg 49 des Tellerfederpakets 44. Dieser Federweg 49 korreliert über die Übertragungsmittel 51, 52 direkt mit dem maximalen Verstellweg 36 der Klappe 12. Etwa in der Mitte des Federpakets 44 sind zwei gleichseitig geschichtete Tellerfedern 50 dargestellt, wie diese in einer Variation der Ausführung verwendet werden können. Auf diese Weise kann sehr gezielt eine bestimmte Federkennlinie 88 mit einer gewünschten Kraftverlauf eingestellt werden. Links ist in 3 wieder der karosseriefeste Anschlag 62 angeordnet, gegen den das Federpaket 44 durch das zweite Betätigungselement 42 mittels der Federkraft 38 verspannt ist. Durch die dargestellten Punkte ist angedeutet, dass die Anzahl der einzelnen Tellerfedern 46 je nach erforderlicher Federkraft 37, 38 und erforderlichem Federweg 49 variiert werden kann, wobei die Tellerfedern 46 in Federrichtung 48 eine Führung aufweisen, oder fest miteinander verbunden sind. Die Tellerfedern 46 sind teller- oder topfförmig, und bezüglich ihrer Umfangsrichtung homogen mit einer kreisringförmigen Federfläche ausgebildet. Bevorzugt sind die Tellerfedern 46 als Stanzteile aus Metall – insbesondere aus Federstahl – hergestellt.
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In 8 ist eine typische Kennlinie 70 einer einzelnen Tellerfeder 46 oder eines Tellerfederpakets 48 dargestellt, die beide prinzipiell den gleichen Verlauf haben, da sich bei dem Tellerfederpaket 44 im Wesentlichen die Federkennlinien 70 der einzelnen Tellerfedern 46 addieren. Die spezielle Form der Federkennlinie 70 ist baulich durch das Verhältnis einer Federhöhe 60 zu einer Materialdicke 58 der einzelnen Tellerfedern 46 vorgegeben. Auf der Ordinate (Y-Achse) ist die Federkraft 37, 38 und auf der Abszisse (X-Achse) der Federweg 49 aufgetragen. Dabei gibt es einen ersten linearen (Hook'schen) Federbereich 74, an den sich ein progressiver Federbereich 76 anschließt, bis die Kennlinie 70 an ihrem Maximum 77 in einen degressiven Federbereich 78 übergeht, in dem die Federkraft 38 über den Federweg 49 wieder abnimmt, bis sie am maximalen Federweg 79 in Federrichtung 48 näherungsweise vollständig platt gedrückt ist.
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Ein solches Tellerfederpaket 44 kann beispielsweise nur ausschließlich in dem progressiven Bereich 76 betrieben werden, indem das Tellerfederpaket 44 auf eine erste Vorspannkraft 81 eingestellt wird, die dem Beginn des progressiven Federbereichs 76 entspricht. Ein solcher ausschließlich progressiver Arbeitsbereich 76 des Tellerfederpakets 44 ist in 5a) ohne die erste Vorspannkraft 81 dargestellt. Ebenso kann ein solches Tellerfederpaket 44 ausschließlich in dem degressiven Arbeitsbereich 78 betrieben werden, indem das Tellerfederpaket 44 auf eine zweite Vorspannkraft 82 eingestellt wird, die dem Beginn des degressiven Federbereichs 78 entspricht. Ein solcher ausschließlich degressiver Arbeitsbereich 78 des Tellerfederpakets 44 ist in 5b) ohne die zweite Vorspannkraft 82 dargestellt. 5c) zeigt nun die Überlagerung der beiden Federkennlinien 70 des progressiven und des degressiven Arbeitsbereichs 76, 78 aus den 5a) und 5b), wie sie bei einer Kopplung der beiden Federelemente 31 und 32 entsprechend der Vorrichtung 10 in 6 erfolgt. Die resultierende Federkennlinie 88 (deren Betrag) weist im mittleren Bereich des Federwegs 49, der dem definierten Verstellweg 36 der Klappe 12 entspricht, ein Maximum 90 auf, das etwa mit der waagerechten Position der Klappe 12 korreliert ist. Somit wird die Klappe 12 in ihrer waagerechten Position von dem – durch die Überlagerung der beiden gekoppelten Tellerfederpakete 44 mit unterschiedlichen Vorspannungen 81, 82 generierten – Federsystem 30 maximal unterstützt.
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Der Verstellvorgang der Klappe 12 gemäß 6 wird nochmals zusammenfassend unter Verwendung der resultierenden Federkennlinie 88 beschrieben. Ausgehend von der vollständig geöffneten Position 34 der Klappe 12 wird diese mit der Vorspannkraft 81 des ersten Federelements 31 unterstützt. Beim Schließen wird durch das erste Drehmoment 91 das erste Federelement 31 durch das erste Betätigungselement 41 im progressiven Arbeitsbereich 76 zusammengepresst, wodurch die unterstützende Federkraft 37 ansteigt. Gleichzeitig wird das zweite Federelement 32 durch das drehrichtungsumkehrende Getriebe 54 mittels dem zweiten Drehmoment 92 – ausgehend von der zweiten, höheren Vorspannkraft 82 – in dem degressiven Arbeitsbereich 78 noch stärker verspannt, wodurch die unterstützende Federkraft 38 beim Schließen der Klappe 12 nachlässt. Die ansteigende Federkraft 37 und die fallende Federkraft 38 überlagern sich gemäß 5a) bis c), so dass die Klappe 12 in der Horizontalen eine maximale Federunterstützung gemäß dem Maximum 90 erfährt, die beim weiteren Schließen wieder leicht abnimmt. Über den gesamten Verstellweg 36 ist die resultierende Federkennlinie 88 jedoch relativ flach ausgebildet, so dass die Klappe 12 über den gesamten Verstellbereich 36 optimal von dem Federsystem 30 unterstützt wird, wodurch der Antriebsmotor 20 nicht auf spezielle Lastspitzen ausgelegt werden muss. Durch die näherungsweise temperaturunabhängige Kennlinie 70 der Tellerfedern 46 im Bereich der Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs 8 kann die maximale Leistungsaufnahme der Antriebsmotoren 20 weiter reduziert werden.
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In einer Variation der Ausführung ist das Federsystem 30 nicht nur auf einer Seite des Kraftfahrzeugs 8 an einem einzigen Scharnier 16 angeordnet, sondern an beiden Seiten, insbesondere an allen vorhandenen Scharnieren 16. Dabei könnend die Federelemente 31, 32 jeweils geringer ausgelegt werden, so dass sich die Federkräfte 37, 38 der einzelnen Federteilsysteme 30 aufaddieren. Ebenso können anstatt eines einzigen Antriebmotors 20 für die gesamte Klappe 12 jedes Scharnier 16 mit jeweils einem Antriebsmotor 20 angetrieben werden, wodurch sich die jeweilige Antriebsleistung entsprechend reduziert.
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In 6a) ist eine weitere Ausführung der Erfindung dargestellt, bei der die Klappe 12 von nur einem einzigen Federelement 31 gestützt wird. Dabei wird eine Federkennlinie 70 gemäß 8 verwendet, wobei hier jetzt der gesamte Verstellweg 36 der Klappe 12 dem progressiven Federbereich 76 und dem degressiven Federbereich 78 zusammen entspricht. Diese Federkennlinie 70 dieses einzigen Federelements 31 weist auch ein Maximum im mittleren Bereich des Verstellwegs 36 auf, ähnlich der resultierenden Federkennlinie 88 in 5c). Die Besonderheit dieser Ausführung besteht darin, dass durch die Verwendung nur eines einzigen Federelements 31 mit einer einzigen Tellerfeder 46 oder einem einzigen Tellerfederpaket 44 eine Federkennlinie 70 mit progressivem und degressivem Bereichen 76, 78 durch die konkreten Abmessungen und Materialeigenschaften des einzigen Federelements 31 baulich fest vorgegeben ist, so dass dieses eine Federelement 31 nicht frei an die Anforderungen der konkreten Verstellvorrichtung 10 angepasst werden kann, wie dies bei der Überlagerung der beiden Kennlinien 70 von zwei Federelementen 31, 32 zu einer resultierenden Federkennlinie 88 der Fall ist. Hierbei ist an einem Scharnier 16 direkt das Betätigungselement 41 angeordnet, dass das Federelement 31 gegen den Anschlag 61 der Karosserie 11 verspannt. Dabei ist das Betätigungselement 41 nicht mit einem Übertragungselement 51 eines drehumkehrenden Getriebes 54 verbunden, wodurch Bauraum und Fertigungsaufwand eingespart wird.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die Ausbildung und Anordnung der axial hintereinander angeordneten Tellerfedern 46 bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen variiert werden. Beispielsweise können einzelne Tellerfedern 46 oder gegenseitig oder gleichseitig geschichtete Tellerfedern 46 verwendet werden oder eine Kombination derselben. Die unterschiedlichen Ausführungen der einzelnen Federelemente 31, 32 können für die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele ausgetauscht werden, wobei maßgeblich die erforderlichen Federkräfte 48 und der zur Verfügung stehende Bauraum die konkrete Auslegung der einzelnen Federelemente 30 bestimmt. Vorzugsweise beträgt die axiale Baulänge eines einzelnen Federelements 2,0 bis 6,0 mm und der Außendurchmesser von 30 bis 70 mm. Des Weiteren kann auch das Übertragungsmittel 53 entsprechend variiert werden, so dass je nach erforderlichem Drehwinkel die Drehbewegung der Klappe 12 mittels entsprechenden Übertragungsmittel 53 in eine Linearbewegung der Federelemente 31, 32 umgesetzt wird. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für das Verstellen von beweglichen Klappen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf die Verwendung im Kraftfahrzeug beschränkt.
