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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. Die Elektromotoren müssen außerdem auf ein relativ hohes maximales Drehmoment ausgelegt werden, da die Gasdruckfedern das Gewicht der Klappe nicht optimal kompensieren und außerdem deren Federwirkung mit der Temperatur stark schwankt.
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Die
DE 10 2008 061 395 B4 zeigt eine drehbar am Kraftfahrzeug angeordnete Klappe, deren Bewegung durch miteinander gekoppelte, identische Federkennlinien aufweisende Drehstabfedern unterstützt wird.
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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 Ausbildung einer resultierenden Federkennlinie, die sich aus den unterschiedlichen Federkennlinien von mindestens zwei separaten Federsystemen zusammensetzt, eine optimal an den Kraftbedarf der Klappenverstellung angepasste Gesamt-Federkennlinie erzeugt wird. Dadurch kann der Motor des Antriebs für kleinere Leistungen ausgelegt werden, wodurch Antriebsenergie, Herstellungskosten und Bauraum eingespart wird. Durch die Kopplung der beiden Federsysteme kann eine Federkennlinie sehr variabel auf den gewünschten Verlauf eingestellt werden, die über einen sehr großen Temperaturbereich unverändert bleibt.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen. Aufgrund der Überlagerung einer progressiven Kennlinie, bei der die Federkraft über den Verstellweg kontinuierlich ansteigt, mit einer degressiven Kennlinie, bei der die Federkraft über denselben Verstellbereich kontinuierlich abnimmt, kann eine sehr vorteilhafte resultierende Federkennlinie für das Gesamtsystem generiert werden, die über den Verlauf des Verstellweges ein Maximum aufweist.
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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.
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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.
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Besonders platzsparend wird das erste 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.
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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.
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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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Dabei ist das erste Zahnsegment vorteilhaft mit dem Scharnier drehbar auf der Drehachse der Klappe gelagert, wohingegen das zweite Zahnsegment drehbar auf einer separaten Achse gelagert ist, um ein Zahnradgetriebe zu bilden.
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Durch die Verwendung von zwei separaten Federelementen, die baugleich ausgebildet sind, aber mit unterschiedlichen Vorspannungen betrieben werden, kann deren progressiver und der degressiver Kennlinienbereich durch das drehrichtungsumkehrenden Getriebe zu einer für den Verstellweg optimalen resultierenden Federkennlinie überlagert werden.
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Damit die Tellerfedern des ersten Federelements im Bereich deren progressiven Kennlinie betrieben werden, wird bei geöffneter Klappe die minimale Vorspannung eingestellt, die sich dann beim Schließen auf die maximale Vorspannung erhöht. Entsprechend wird die degressive Kennlinie des zweiten Federelements realisiert, indem bei diesem bei geöffneter Klappe die maximale Vorspannung eingestellt wird, die sich dann beim Schließen auf die minimale Vorspannung reduziert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer starren Ausbildung der Klappe an einem einzigen Scharnier auf einer ersten Fahrzeugseite die beiden Federelemente angeordnet sind, und auf der zweiten Fahrzeugseite am anderen Scharnier beispielsweise nur ein Antriebsmotor angeordnet ist.
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Dadurch 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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Besonders günstig ist es, wenn die Federelemente aus einzelnen Tellerfedern kombiniert werden, 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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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 erhält man eine Federkennlinie mit einem progressiven und einem degressiven Bereich und einem Maximum für die waagerechte Position der Klappe, ohne dass dabei Übertragungselemente und ein zweites Federsystem vorgehalten werden muss.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen motorischen Verstellvorrichtung hat den Vorteil, dass der Antriebsmotor durch die Einstellung der beiden separaten Kennlinien durch die Ausbildung der optimal auf den Verstellweg abgestimmte „resultierende“ Federkennlinie des Federsystems ideal unterstützt wird. Somit kann mit einem Verstellantrieb relativ kleiner Leistung (und damit mit kleinem Bauraum) die Klappe über den gesamten auftretenden Temperaturbereich bei wechselnden Randbedingungen zuverlässig motorisch geöffnet und geschlossen werden kann.
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Figurenliste
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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
- 1 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung einer Heckklappe,
- 2 schematisch eine weitere erfindungsgemäße Ausführung im Detail,
- 3 ein erfindungsgemäßes Federelement,
- 4 eine Federkennlinie einer einzelnen Tellerfeder
- 5 a) bis c) die Überlagerung einer ersten progressiven mit einer zweiten degressiven Federkennlinie.
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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 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 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 21 angeordnet, sondern ein Federsystem 30, das zumindest einen Teil des Gewichtsmoments der Klappe 12 kompensiert. Das Federsystem 30 weist ein erstes Federelement 31 auf, das separat von einem zweiten Federelement 32 ausgebildet ist, wobei die beiden mittels Übertragungselementen 51, 52 miteinander gekoppelt sind. Das Federsystem 30 ist mit dem Scharnier 16 wirkverbunden, so dass die Federkraft 37, 38 über das Scharnier 16 auf die Klappe 12 übertragen wird. Das Federsystem 30 und die 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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2 zeigt schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Verstellvorrichtung 10 gemäß einem Schnitt durch die linke Seite der 1. 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 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.
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3 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 Dämpfung 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 4 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 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 5 a) 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 5 b) ohne die zweite Vorspannkraft 82 dargestellt. 5 c) zeigt nun die Überlagerung der beiden Federkennlinien 70 des progressiven und des degressiven Arbeitsbereichs 76, 78 aus den 5 a) und 5 b), wie sie bei einer Kopplung der beiden Federelemente 31 und 32 entsprechend der Vorrichtung 10 in 2 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 2 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 5 a) 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 können die Federelemente 31, 32 jeweils mit geringerer Federkraft ausgelegt werden, so dass sich die Federkräfte 37, 38 der einzelnen Federteilsysteme 30 aufaddieren. Ebenso kann 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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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 8,0 mm und der Außendurchmesser von 30 bis 70 mm. Des Weiteren kann auch das Umkehrgetriebe 54 entsprechend variiert werden, so dass je nach erforderlichem Drehwinkel die Drehbewegung der Klappe 12 mittels entsprechenden Übertragungsmittel in eine Linearbewegung der Federelemente 31, 32 umgesetzt wird. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für das Verstellen von beweglichen Teilen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf die Verwendung im Kraftfahrzeug beschränkt.
