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QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/985.829, eingereicht am 29. April 2014, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme miteinbezogen wird.
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HINTERGRUND
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verriegelungsmechanismen zum Verriegeln (d. h. zum Verhindern eines unbefugten Drehens) eines Drehlenkelements, wie z. B. eines Lenkrads, eines Lenkers usw. eines Fahrzeugs.
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Herkömmliche Lenkschlösser verwenden einen Betätigungsmechanismus, um einen Verriegelungsstift in einen und aus einem Verriegelungseingriff mit einer Lenkwelle anzutreiben. Eine effektive Bewegungsübertragung kann durch direktes Vorwärts- und Rückwärtsantreiben des Verriegelungsstifts erreicht werden. Jedoch können bestimmte Umstände auftreten, bei denen sich der Verriegelungsstift im Wesentlichen gegen eine der Aussparungen in der Lenkwelle verkeilt. Um diese Erscheinung zu berücksichtigen, muss der Elektromotor, der den Verriegelungsstift und die entsprechende elektrische Antriebsschaltung für den Motor antreibt, wesentlich höhere Strom-/Leistungswerte als das aufweisen, was für den Normalbetrieb (wenn sich der Verriegelungsstift nicht verkeilt) erforderlich ist. Außerdem können komplexe Untersetzungsvorrichtungen implementiert werden, um die Drehmomentabgabe des Motors zu vervielfachen. In jedem Fall wird die Verriegelungseinrichtung insgesamt teurer und komplizierter und kann einen übermäßigen Lärm erzeugen. Komplizierte Steuerungsvorgänge können durch eine Lenkschloss-Steuereinheit anwendet werden, um mehrere Versuche zu unternehmen, und in einigen Fällen das Antriebssignal an den Elektromotor zu ändern, wenn ermittelt wird, dass der Motor den Verriegelungsstift beim ersten Versuch nicht erfolgreich freigegeben hat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein Lenkschloss zum selektiven Hemmen einer Drehung eines Drehlenkelements mit einer Rippe bereit. Das Lenkschloss umfasst einen Verriegelungsbolzen, der entlang einer ersten Achse zwischen einer Lenkelement-Verriegelungsposition, bei der eine distale Spitze des Verriegelungsbolzens in Eingriff mit der Rippe positioniert ist, und einer Lenkelement-Entriegelungsposition, bei der die distale Spitze des Verriegelungsbolzens außer Eingriff mit der Rippe positioniert ist. Ein Aktuator wird zum Antreiben des Verriegelungsbolzens zur Lenkelement-Verriegelungsposition gegen die Vorspannung einer Lenkelement-Entriegelungsfeder eingeschaltet. Zum Entriegeln des Lenkelements wird der Aktuator umgekehrt, um der Lenkelement-Entriegelungsfeder ein Antreiben des Verriegelungsbolzens von der Lenkelement-Verriegelungsposition zur Lenkelement-Entriegelungsposition zu ermöglichen.
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Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein Lenkschloss zum selektiven Hemmen einer Drehung eines Drehlenkelements bereit. Das Lenkschloss umfasst ein Gehäuse, einen Verriegelungsbolzen und einen Aktuator. Der Verriegelungsbolzen ist entlang einer ersten Achse zwischen einer Lenkelement-Verriegelungsposition in die sich eine distale Spitze des Verriegelungsbolzens aus dem Gehäuse für einen Eingriff mit dem Drehlenkelement erstreckt, und einer Lenkelement-Entriegelungsposition beweglich, in welche der Verriegelungsbolzen in Bezug auf die Lenkelement-Verriegelungsposition zurückgezogen ist. Ein erstes Element ist durch den Aktuator in eine erste Richtung zum Bewegen des Verriegelungsbolzens in die Lenkelement-Verriegelungsposition drehbar. Das erste Element weist eine erste Nockenfläche auf. Ein zweites Element weist eine zweite Nockenwelle im Eingriff mit der ersten Nockenfläche des ersten Elements auf. Das zweite Element ist entlang der ersten Achse in eine erste Verriegelungsrichtung als Reaktion auf die Drehung des ersten Elements in die erste Richtung translatorisch bewegbar. Eine Entriegelungsfeder ist durch einen Bewegungsbereich des zweiten Elements in die erste Richtung zum Speichern einer ansteigenden potentiellen Energie zusammendrückbar. Die ersten und zweiten Nockenflächen stehen so im Eingriff, dass eine Bewegung des Verriegelungsbolzens zur Lenkelement-Entriegelungsposition durch die in der Entriegelungsfeder gespeicherte Energie ausgeführt wird, die in einer kontinuierlich zunehmenden Weise gesteuert durch den Aktuator freigegeben wird, wenn das erste Element durch den Aktuator in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gedreht wird.
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Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein Lenkschloss zum selektiven Hemmen einer Drehung eines Drehlenkelements bereit. Das Lenkschloss umfasst ein Gehäuse, einen Verriegelungsbolzen und einen Aktuator, der zum Drehen einer Schnecke betätigbar ist. Der Verriegelungsbolzen ist entlang einer ersten Achse in eine Verriegelungsrichtung von einer Lenkelement-Entriegelungsposition beweglich, bei welcher der Verriegelungsbolzen vom Drehlenkelement weg in eine Lenkelement-Verriegelungsposition zurückgezogen ist, in die sich eine distale Spitze des Verriegelungsbolzens zum Eingriff mit dem Drehlenkelement aus dem Gehäuse erstreckt. Ein Schneckenrad weist Zähne auf, die mit der Schnecke im Eingriff stehen, sodass das Schneckenrad durch den Aktuator, wenn eingeschaltet, drehbar ist. Das Schneckenrad weist eine erste Nockenfläche auf. Ein Träger steht mit dem Verriegelungsbolzen zur Bewegung mit dem Verriegelungsbolzen zwischen der Lenkelement-Verriegelungsposition und der Lenkelement-Entriegelungsposition im Eingriff. Der Träger weist eine zweite Nockenfläche im Eingriff mit der ersten Nockenfläche des Schneckenrads auf, sodass der Träger durch das Schneckenrad nur in eine Verriegelungsrichtung antreibbar ist. Eine Entriegelungsfeder ist in der Lenkelement-Verriegelungsposition zum Aufrechterhalten von gespeicherter potentieller Energie zum Bewegen des Verriegelungsbolzens zur Lenkelement-Entriegelungsposition wirksam. Die durch die Entriegelungsfeder gespeicherte potentielle Energie drückt den Träger in eine Entriegelungsrichtung, und der Eingriff zwischen der Schnecke und den Zähnen des Schneckenrads widersteht der potentiellen Energie, die in der Entriegelungsfeder zum Halten des Verriegelungsbolzens in der Lenkelement-Verriegelungsposition gespeichert ist, wenn sich der Aktuator im Ruhezustand befindet.
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Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein Lenkschloss zum selektiven Hemmen einer Drehung eines Drehlenkelements bereit. Das Lenkschloss umfasst ein Gehäuse, einen Verriegelungsbolzen und einen Aktuator. Der Verriegelungsbolzen ist entlang einer ersten Achse zwischen einer Lenkelement-Verriegelungsposition, bei der sich eine distale Spitze des Verriegelungsbolzens aus dem Gehäuse zum Eingriff mit dem Drehlenkelement erstreckt, und einer Lenkelement-Entriegelungsposition beweglich, bei welcher der Verriegelungsbolzen in Bezug auf die Lenkelement-Verriegelungsposition zurückgezogen ist. Ein erstes Element ist durch den Aktuator in eine erste Richtung zur Bewegung des Verriegelungsbolzens zur Lenkelement-Verriegelungsposition drehbar. Das erste Element weist eine erste Nockenfläche auf. Ein zweites Element weist eine zweite Nockenfläche im Eingriff mit der ersten Nockenfläche des ersten Elements auf. Das zweite Element ist entlang der ersten Achse in eine erste Verriegelungsrichtung als Reaktion auf eine Drehung des ersten Elements in die erste Richtung translatorisch bewegbar. Eine Entriegelungsfeder spannt den Verriegelungsbolzen in die Verriegelungsrichtung vor. Der Verriegelungsbolzen ist durch die Vorspannung der Entriegelungsfeder von der Lenkelement-Entriegelungsposition zur Lenkelement-Verriegelungsposition bewegbar, wenn das zweite Element die Entriegelungsfeder während einer Drehung des ersten Elements in die erste Richtung zusammendrückt. Die ersten und zweiten Nockenflächen stehen im Eingriff, sodass eine Bewegung des Verriegelungsbolzens zur Lenkelement-Entriegelungsposition durch die gespeicherte Energie in der Entriegelungsfeder ausgeführt wird, die in einer kontinuierlich ansteigenden Weise, gesteuert durch den Aktuator freigegeben wird, wenn das erste Element durch den Aktuator in eine zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung gedreht wird.
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Weitere Aspekte der Erfindung werden unter Berücksichtigung der detaillierten Beschreibung und der anliegenden Zeichnungen verständlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Explosionsanordnung eines Lenkschlosses.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lenkschlosses von 1, wobei eine Abdeckung entfernt ist.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lenkschlosses von 1, wobei eine Abdeckung und eine PCB entfernt sind.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lenkschlosses von 1, wobei eine Abdeckung, eine PCB und eine Halterung entfernt sind.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Treibrads des Lenkrads von 1.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Verriegelungsbolzenträgers des Lenkschlosses von 1.
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6A und 6B zeigen perspektivische Ansichten eines alternativen Verriegelungsbolzenträgers des Lenkschlosses von 1.
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7 zeigt eine Querschnittsansicht des Treibrads längs einer Linie 7-7 von 5.
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8–11 zeigen Querschnittsansichten des Längsschlosses von 1 in verschiedenen Betriebspositionen.
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12 zeigt eine Vorderansicht der PCB des Lenkschlosses von 1.
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13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Verriegelungsbolzen-Betätigungsmechanismus gemäß einer weiteren Konstruktion.
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14 zeigt eine Querschnittsansicht des Verriegelungsbolzen-Betätigungsmechanismus längs einer Linie 14-14 von 13.
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15 zeigt eine Querschnittsansicht des Verriegelungsbolzen-Betätigungsmechanismus ähnlich wie 14, die jedoch einen alternativen Positionierungszustand veranschaulicht.
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16 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Treibrads des Verriegelungsbolzen-Betätigungsmechanismus von 13- 15.
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17 zeigt eine Querschnittsansicht längs einer Linie 17-17 des Treibrads von 16.
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18, 18A und 18B zeigen perspektivische Ansichten eines Verriegelungsbolzenträgers des Verriegelungsbolzen-Betätigungsmechanismus von 13–15.
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19 zeigt eine Draufsicht des Verriegelungsbolzenträgers von 18.
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20 und 21 zeigen perspektivische Ansichten des Treibrads von 16 und 17, die zum Veranschaulichen von Drehsequenzen einer Betätigung mit Anmerkungen versehen sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bevor etwaige Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben werden, sollte beachtet werden, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung von Bauteilen beschränkt ist, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den nachfolgenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung ermöglicht weitere Ausführungsbeispiele und kann auf verschiedene Weise genutzt oder ausgeführt werden.
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1 und 2 veranschaulichen ein Lenkschloss 100, das zum selektiven Verriegeln eines benachbarten Lenkelements 104 gegen eine Drehung um dessen Achse A betätigbar ist. Das Lenkschloss 100 umfasst ein Gehäuse 108, das an einer vorgegebenen Position in der Nähe des Lenkelements 104 montiert ist. Wie dargestellt, kann das Gehäuse 108 mehrere zusammenfügbare Bereiche oder Elemente, wie zum Beispiel ein Hauptgehäuse oder eine Verriegelungsbolzen-Führung umfassen, jedoch sind andere Konstruktionen optional. Eine Abdeckung 112 ist mit dem Gehäuse 108 abnehmbar verbunden, um eine Betätigungsvorrichtung 116 des Lenkschlosses 100 zu umschließen. Die Betätigungsvorrichtung 116, die nachfolgend detaillierter beschrieben wird, umfasst einen Verriegelungsbolzen 120, der zwischen einer Lenkelement-Verriegelungsposition oder einfach „verriegelten” Position und einer Lenkelement-Entriegelungsposition oder einfach „entriegelten” Position bewegbar ist. In der dargestellten Konstruktion ist der Verriegelungsbolzen 120 zwischen den verriegelten und entriegelten Positionen entlang einer Achse B bewegbar, die im Wesentlichen senkrecht zur Achse A des Lenkelements 104 verläuft. Eine Entriegelungssicherungsvorrichtung 123 ist vorgesehen, um ein Bewegen des Verriegelungsbolzens 120 im Falle eines Bruchs oder einer Manipulation am Gehäuse 108 in die entriegelte Position zu verhindern.
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Wie in 1 dargestellt, umfasst das ringförmige Lenkelement 104 eine Vielzahl von Kerben oder Nuten 124, die parallel zur Achse A verlängert sind. Jedes benachbarte Paar von Nuten 124 ist durch eine Rippe 128 getrennt. Wenn das Lenkschloss 100 verriegelt ist, ist ein distales Ende des Verriegelungsbolzens 120 in einer der Nuten 124 positioniert, und eine Beeinträchtigung zwischen dem Verriegelungsbolzen 120 und den beiden benachbarten Rippen 128 verhindert im Wesentlichen Drehung des Lenkelements 104 um die Achse A. Die Größe, Form und Anzahl der Nuten 124 und der Rippen 128 kann von der dargestellten Konstruktion und je nach den Bedürfnissen einer bestimmten Anwendung variiert werden. Obwohl eine begrenzte Drehung des Lenkelements 104 unter bestimmten Umständen bei verriegeltem Lenkschloss möglich sein kann, ist der Lenkmechanismus (zum Beispiel ein Lenkrad, Lenker, usw.), mit dem das Lenkelement 104 verbunden ist, für eine normale Bedienung des Fahrzeugs unbrauchbar, an dem das Lenkschloss 100 vorgesehen ist.
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Die Betätigungsvorrichtung 116 umfasst einen Aktuator 132 zusätzlich zum Verriegelungsbolzen 120. Der Aktuator 132 mit der dargestellten Konstruktion ist ein Elektromotor, der durch Zuführen von elektrischem Strom über eine elektrische Schaltung angetrieben wird, obwohl andere Typen von Aktuatoren (die z. B. mechanisch oder flüssig angetrieben werden) verwendet werden können. Der Aktuator 132 umfasst eine Ausgangswelle 140. In der dargestellten Konstruktion steht die Ausgangswelle 140 in einer Antriebsbeziehung mit einem primären Antriebselement 142, wie z. B. einem schraubenähnlichen Zahnrad oder einer „Schnecke”, die um eine Achse C drehbar ist, die durch den Aktuator 132 definiert ist.
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Obwohl die Ausgangswelle 140 als direktes Drehantriebselement vorgesehen ist, das sich direkt aus dem Aktuator 132 erstreckt, kann eine Kraftübertragungsvorrichtung, wie z. B. ein Getriebezug mit einem oder mehreren Zahnrädern vorgesehen sein, die das Drehmoment und die Drehzahl verändern. Bei derartigen Konstruktionen kann das primäre Antriebselement 142 eine Achse aufweisen, die sich von der Achse des Aktuators 132 unterscheidet, und kann relativ dazu linear festsetzt oder abgewinkelt sein. Eine derartige Anordnung kann nicht nur ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis, sondern auch eine gewünschte Ausrichtung der Bauteile (z. B. für eine effizientere Verpackung, usw.) bereitstellen.
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Wie in 4 dargestellt, steht das primäre Antriebselement 142 mit einem sekundären Antriebselement 146 im Eingriff, das Zahnradzähne 148 an dessen Außenumfang zum Herstellen der Antriebsbeziehung mit dem primären Antriebselement 142 umfasst. Das dargestellte sekundäre Antriebselement 146 ist z. B. ein Schneckenrad, das mit der Schnecke 142 im Eingriff steht. Das sekundäre Antriebselement 146 steht außerdem mit einem Verriegelungsbolzenträger 121 (6) im Eingriff, der sich mit dem Verriegelungsbolzen 120 vorwärts und rückwärts bewegt und Kräfte an den Verriegelungsbolzen 120 zum Bewegen des Verriegelungsbolzens 120 zwischen verriegelten und entriegelten Positionen überträgt. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben, kann sich das sekundäre Antriebselement 146 an Ort und Stelle um die Verriegelungsbolzen-Achse B oder eine parallele Achse drehen, und der Verriegelungsbolzenträger 121 ist gegen eine Drehung um die Achse B beschränkt, sodass dieser sich längs der Achse B in Verbindung mit einer Drehung des sekundären Antriebselements 146 verschiebt. Ein erstes Vorspannelement 150 (z. B. eine in 8–11 dargestellte Schraubenfeder, oder ein anderer Schraubentyp mit Vorspanneigenschaften) ist zwischen dem Verriegelungsbolzenträger 121 und dem Gehäuse 108 zum Vorspannen des Verriegelungsbolzenträgers 121 entlang der Achse B in eine Richtung der entriegelten Position des Verriegelungsbolzens 120 (zum Beispiel eine Richtung weg von der Achse A des Lenkelements 104) positioniert. Der Verriegelungsbolzenträger 121 kann einen Haltebereich oder Flansch 127 zum Aufnehmen eines Bereichs des ersten Vorspannelements 150 umfassen. Wie dargestellt, kann der Flansch 127 in mehrere Bereiche segmentiert sein. Ein zweites Vorspannelement 152 (z. B. eine Schraubenfeder oder ein anderer Schraubentyp mit Vorspanneigenschaften), das weicher als das erste Vorspannelement 150 ist, ist zwischen dem Verriegelungsbolzen 120 und dem Gehäuse 108 positioniert. Das zweite Vorspannelement 152 ist zum Federn (z. B. Zusammendrücken), wenn sich der Verriegelungsbolzen 120 von der verriegelten Position zur entriegelten Position bewegt, und mit einem maximalen Federweg konfiguriert, der einem maximal gespeicherten Energiebetrag entspricht, wenn sich der Verriegelungsbolzen 120 in der verriegelten Position befindet (das zweite Vorspannelement 152 kann ein minimales Maß an Vorspannung aufweisen, wenn sich der Verriegelungsbolzen 120 in der verriegelten Position befindet). Wenn das erste Vorspannelement keine Kraft auf den Verriegelungsbolzen 120 in der entriegelten Position ausübt, spannt das zweite Vorspannelement 122 somit den Verriegelungsbolzen 120 zur verriegelten Position vor. Dies tritt in dem Fall auf, bei dem der Verriegelungsbolzenträger 121 zum Bewegen zur verriegelten Position betätigt wird und sich der Verriegelungsbolzen 120 in einem „Leerweg”-Zustand befindet, in welchem dieser am Setzen in eine Nut 124 des Lenkelements gehindert wird, sondern eher zu einer der Rippen 128 ausgerichtet ist. Dies ist in 11 dargestellt. Das zweite Vorspannelement 152 kann in anderen Ausführungsbeispielen auch zwischen dem Verriegelungsbolzen 120 und dem Verriegelungsbolzenträger 121 positioniert sein. Das zweite Vorspannelement 152 stellt eine Kraft bereit, die den Verriegelungsbolzen 120 in die verriegelte Position bewegt, sobald sich das Lenkelement 104 zum Beseitigen des Eingriffs gedreht wird. Abgesehen von diesem Zustand werden der Verriegelungsbolzen 120 und der Verriegelungsbolzenträger 121 zum Bewegen als Einheit entlang der Achse B befestigt oder miteinander verbunden.
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Der Verriegelungsbolzenträger 121 kann mit einem im Verriegelungsbolzen 120 ausgebildeten Schlitz 154 in Eingriff kommen, der in Richtung der Verriegelungsbolzen-Achse B für einen entsprechenden Eingriffsbereich 156 des Trägers 121 überdimensioniert ist. Der Eingriffsbereich 156 kann einen Stiftbereich sein, der einstückig mit dem Verriegelungsbolzenträger 121 ausgebildet ist oder daran befestigt (z. B. eingepresst) ist, wie dies in 6 und 8–11 dargestellt ist. In anderen Konstruktionen kann der Eingriffsbereich 156 ein Hakenbereich sein, wie dies in 6A, 6B, 13–15 und 18–19 dargestellt ist. In 6A und 6B ist ein Verriegelungsbolzenträger 121'' mit einem offenen Haken-Eingriffsbereich 156 dargestellt. Der Verriegelungsbolzenträger 121'' umfasst ebenfalls einen Grad oder eine Rippe 181 an einem axialen Ende gegenüber dem Hakenbereich 156. Der Grad oder die Rippe 181 kann durch eine optische Lichtschranke (nicht dargestellt) operativ abgetastet oder erfasst werden, um die Position des Trägers 121'' zu erfassen. In 13–15 und 18–19 ist ein Verriegelungsbolzenträger 121' mit einem geschlossenen Haken-Eingriffsbereich 156 dargestellt. In dieser Konstruktion ist der Hakenbereich an drei seitlichen Seiten begrenzt und an einer seitlichen Seite offen.
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Eine Halterung 160 ist zum Befestigen des sekundären Antriebselements 146 an einer Position relativ zum Gehäuse 108 vorgesehen. Die Halterung 160 kann sich z. B. über und quer zum sekundären Antriebselement 146 erstrecken und an mehreren Positionen an das Gehäuse 108 geschraubt sein. Das Gehäuse 108 kann zum Umfassen von einem oder mehreren Schlitten zum Abstützen des primären Antriebselements 142 ausgebildet (z. B. geformt) sein. Eine Leiterplatte (PCB) 164, die in 1, 2 und 12 dargestellt ist, ist im Innern der Abdeckung 112 positioniert und relativ zum Gehäuse neben der Betätigungsvorrichtung 116 befestigt. Die PCB 164 kann eine Steuereinheit umfassen, die zum Steuern des Betriebs des Aktuators 132 konfiguriert ist. Die Steuereinheit kann auch zum Ermitteln der Winkelposition des sekundären Antriebselements 146 um die Achse B basierend auf einem oder mehreren Positionssensoren und zum Abschalten des Aktuators 132 beim Erhalten eines geeigneten Signals von dem/den Positionssensor/en konfiguriert sein. In der dargestellten Konstruktion können die Positionssensoren zwei Halleffekt-Sensoren 170, 172 umfassen, die zum Erfassen eines Magnetbereichs 176 des sekundären Antriebselements 146 wirksam sind. Ein zusätzlicher Sensor (z. B. ein Halleffekt-Sensor) 178 oder „Verriegelungsbolzensensor” ist an der PCB 164 vorgesehen und zum Abtasten einer Position des Verriegelungsbolzens 120 entlang der Achse B konfiguriert.
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Genauer gesagt ist der Verriegelungsbolzensensor 178 zum Erfassen wirksam, ob sich der Verriegelungsbolzenträger 121 in der entriegelten Position befindet, oder nicht. Zu diesem Zweck umfasst der Verriegelungsbolzenträger 121 einen Magnetbereich 180 (wie dies in 6 dargestellt ist).
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Das sekundäre Antriebselement 146 und der Verriegelungsbolzenträger 121 sind mit einer Antriebsschnittstelle versehen, die dem sekundären Antriebselement 146 ermöglicht, den Verriegelungsbolzenträger 121 in eine Verriegelungsrichtung gegen die Vorspannung des ersten Vorspannelements 150 anzutreiben, jedoch dem sekundären Antriebselement 146 nicht ermöglicht, den Verriegelungsbolzenträger 121 in die entgegengesetzte Entriegelungsrichtung entlang der Achse B zu betätigen oder zu „ziehen”. Daher kann die Antriebsschnittstelle als nur zum Drücken beschrieben werden. Zum Beispiel ist eine Nocken- oder Rampenschnittstelle durch die zugewandten Flächen des sekundären Antriebselements 146 und des Verriegelungsbolzenträgers 121 vorgesehen, die in manchen Konstruktionen ein Paar von axialen Nockenflächen 184 des sekundären Antriebselements 146 (eine der in 7 dargestellten Nockenflächen 184) und ein Paar von komplementären axialen Nockenflächen 188 des Verriegelungsbolzenträgers 121 (6) umfassen. Wie dargestellt, überspannt jede der Nockenflächen 184, 188 einen Bogen von ca. 90 Grad. Als solche sind die beiden Nockenflächen 184 des sekundären Antriebselements 146 durch Nicht-Rampenflächen getrennt, und es besteht ein Zwischenraum zwischen den beiden Nockenflächen 188 des Verriegelungsbolzenträgers 121. Die Nockenflächen 184, 188 können schraubenförmige oder modifizierte schraubenförmige Profile aufweisen. Wie dargestellt, kann zumindest ein Bereich des Verriegelungsbolzenträgers 121 in einem Bereich des sekundären Antriebselements 146 stecken. Insbesondere kann ein mittiger zylindrischer Bereich 190 des Verriegelungsbolzenträgers 121 durch eine mittige Bohrung 192 aufgenommen sein, die im sekundären Antriebselement 146 ausgebildet ist. Dies ermöglicht einen noch kompakteren Mechanismus.
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Im Betrieb wird der Aktuator 132 zum Arbeiten in zwei entgegengesetzte Richtungen gesteuert, um den Zustand des Lenkschlosses 100 zwischen den verriegelten und entriegelten Positionen des Verriegelungsbolzens 120 zu steuern. Das Lenkschloss 100 wird im entriegelten Zustand (8) während einem Normalbetrieb des Fahrzeugs gehalten. Auf diese Weise kann sich das Lenkelement 104 um dessen Achse A ohne eine Behinderung durch den Verriegelungsbolzen 120 frei drehen. Auf einen Befehl durch den Bediener oder automatisch durch eine vorgegebene Funktion des Fahrzeug-Sicherheitssystems, kann das Lenkschloss 100 in den verriegelten Zustand (10) bewegt werden. Zum Verriegeln sendet die Steuereinheit ein Verriegelungssignal an den Aktuator 132, das bewirkt, dass der Aktuator 132 in eine erste Richtung angetrieben wird, die aus einer Antriebskraft resultiert, die von den Nockenflächen 184 auf die Nockenflächen 188 des Verriegelungsbolzenträgers 121 übertragen wird. Der Aktuator 132 kann bei Betätigung für eine vorgegebene Zeitspanne, Anzahl von Impulsen oder bis ein Positionsrückkopplungssignal (z. B. vom Halleffekt-Sensor 170) bestätigt ist, gestoppt werden. Aufgrund des Eingriffs zwischen den Nockenflächen 184, 188 bewegt sich der Verriegelungsbolzen Träger 121 einen vorbestimmten Betrag entlang der Achse B für einen bestimmten Betrag einer Drehung des sekundären Antriebselements 146 um die Achse B. Dadurch wird das erste Vorspannelement 150 zum Speichern einer vorgegebenen Menge an potentieller Energie gefedert. Im Gegensatz zu den meisten Lenkschlössern ist der Verriegelungsbolzen 132 des Lenkschlosses 100 so konfiguriert, dass eine substantielle Arbeit während des Verriegelns anstatt während des Entriegelns ausgeführt wird. Das erste Vorspannelement 150 ist während dem Verriegeln zum Zwecke des Zuführens der gesamten Entriegelungskraft, oder bei einigen Konstruktionen eines Großteils der Entriegelungskraft vorgespannt. Das erste Vorspannelement 150 kann eine vorgegebene Menge an gespeicherter Energie oder Vorspannung (z. B. 150 N) aufweisen, wenn das Lenkschloss 100 den verriegelten Zustand erreicht. Obwohl der Träger 121 zum Zusammendrücken des ersten Vorspannelements 150 angetrieben wird, kann die Antriebskraft nicht auf den Verriegelungsbolzen 120 durch den Aktuator 132 und den Träger 121 aufgrund des im Verriegelungsbolzen 120 ausgebildeten Schlitzes 154 übertragen werden. Vielmehr federt der Träger 121 das erste Vorspannelement 150 ein und entlastet die Behinderung oder den Widerstand, der gegen die Freisetzung der gespeicherten Energie im zweiten Vorspannelement 152 vorgesehen ist. Das zweite Vorspannelement 122 spannt den Verriegelungsbolzen 120 in die verriegelte Position vor, wenn sich der Verriegelungsbolzenträger 121 axial zum Lenkelement 104 bewegt. In der verriegelten Position speichert das erste Vorspannelement 150 weiterhin potentielle Energie, die sich auf den Verriegelungsbolzenträger 121 zum Drücken des Verriegelungsbolzenträgers 121 in die Entriegelungsrichtung und eine entsprechende Rückwärtsdrehung des sekundären Antriebselements 146 auswirkt. Ein Zurückfahren des sekundären Antriebselements 146 in die entriegelte Position durch das erste Vorspannelement 150 kann durch Abflachungen oder Dellen auf den Nockenflächen 184, 188 und/oder die Mechanik des Eingriffs zwischen den Zahnradzähnen 148 des sekundären Antriebselements 146 und des primären Antriebselement 142 verhindert werden. Mit anderen Worten ist die gespeicherte Energie im ersten Vorspannelement für das sekundäre Antriebselement 146 nicht ausreichend, um das primäre Antriebselement 142 anzutreiben, wenn sich der Aktuator 132 in der Ruhestellung befindet (d. h. abgeschaltet ist).
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Die obige Beschreibung darüber, wie die Betätigungsvorrichtung 116 den Verriegelungsbolzen 120 in die verriegelte Position bewegt, setzt voraus, dass der Verriegelungsbolzen 120 zu einer der Kerben 124 des Lenkelements 104 und nicht zu einer der Zwischenrippen 128 ausgerichtet ist. Jedoch besteht eine signifikante Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt, zu dem der Aktuator 132 zum Bewegen des Lenkschlosses 100 vom entriegelten Zustand zum verriegelten Zustand angetrieben wird, der Verriegelungsbolzen 120 zumindest teilweise zu einer der Rippen 128 ausgerichtet sein wird. Falls der Verriegelungsbolzen 120, wenn dieser betätigt wird, zu einer der Rippen 128 ausgerichtet ist, betätigt und bewegt der Aktuator 132 nach wie vor den Verriegelungsbolzenträger 121 genauso wie wenn der Verriegelungsbolzen 120 zu einer der Kerben 124 ausgerichtet wäre. Die Bewegung des Verriegelungsbolzens 120 wird jedoch vorzeitig abgebrochen und das zweite Vorspannelement 122 bleibt, wie in 11 dargestellt, gefedert. Dies ermöglicht dem Verriegelungsbolzen 120, sich ohne einen weiteren Antrieb des Aktuators 132 später zur verriegelten Position zu bewegen. Sobald sich das Lenkelement 104 etwas bewegt, um die behindernde Rippe 128 aus dem Weg des Verriegelungsbolzens 120 zu entfernen, wird die im zweiten Vorspannelement 152 gespeicherte Energie freigegeben, wodurch der Verriegelungsbolzen 120 in die verriegelte Position fährt. Das erste Vorspannelement 150 hat aufgrund der Trennung zwischen dem Verriegelungsbolzenschlitz 154 und dem Eingriffsbereich 156 des Trägers 121 keine Wirkung auf den Verriegelungsbolzen 120.
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Zum Entriegeln sendet die Steuereinheit ein Entriegelungssignal an den Aktuator 132, das bewirkt, dass der Aktuator 132 in eine zweite Richtung angetrieben wird, was zur Folge hat, dass die Nockenflächen 184 des sekundären Antriebselements 146 von den Nockenflächen 188 des Verriegelungsbolzenträgers 121 weggedrückt werden. Der Aktuator 132 kann bei Betätigung für eine bestimmte Zeitdauer, Anzahl von Impulsen, oder bis ein Positionsrückkopplungssignal (z. B. vom Halleffekt-Sensor 172) bestätigt ist, gestoppt werden. Wenn sich das zweite Antriebselement 146 in die entriegelte Position dreht, drückt das erste Vorspannelement 150 den Verriegelungsbolzenträger 21 zum Bewegen in eine Entriegelungsrichtung von der verriegelten Position weg, während ein Kontakt zwischen den beiden Sätzen von Nockenflächen 184, 188 aufrechterhalten wird. Dadurch stellt das erste Vorspannelement 150 die Kraft zum Bewegen des Verriegelungsbolzens 120 aus der verriegelten Position bereit und ein reibungsloses, gesteuertes Entriegeln des Verriegelungsbolzens 120 wird, wenn auch sehr schnell (z. B. binnen weniger als 180 Millisekunden) erreicht. Obwohl schnellablaufend, stellt das Lenkschloss 100 einen gesteuerten Entriegelungsvorgang bereit, da die Betätigung des Aktuators 132 in die zweite Richtung kontinuierlich einen ansteigenden Betrag zum Freigeben der gespeicherten Energie im ersten Vorspannelement 150 zum Bewegen des Verriegelungsbolzenträgers 121 und des Verriegelungsbolzens 120 ermöglicht. Dieser gesteuerte Vorgang steht im Gegensatz zu einer ungesteuerten sofortigen Freigabe der gesamten Energie, die im ersten Vorspannelement gespeichert ist, was im Falle eines Trigger-Freigabemechanismus eintreten würde. Das Tempo, mit dem die gespeicherte Energie im ersten Vorspannelement 150 freigegeben wird, wird durch die Betätigungsgeschwindigkeit des Aktuators 132 während des gesamten Entriegelungstakts gesteuert. Bei einigen Konstruktionen ermöglicht die gesteuerte Freigabe der gespeicherten Energie im ersten Vorspannelement 150 den Nockenflächen 184, 188, einen Kontakt während der gesamten Bewegung des Verriegelungsbolzens 120 von der verriegelten Position zur entriegelten Position aufrechtzuerhalten.
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Die Freigabe des ersten Vorspannelements 150 wird auch zum Federn des zweiten Vorspannelements 152 während dem Entriegeln verwendet. Im Gegensatz zu den meisten Lenkschlössern ist der Aktuator 132 des Lenkschlosses 100 nicht dazu konfiguriert, eine substantielle Arbeit während dem Entriegeln auszuführen, und somit werden der Energieverbrauch und Lärm minimiert. Ungeachtet der zum Herausziehen des Verriegelungsbolzens 120 aus der verriegelten Position in die entriegelte Position benötigte Kraft muss der Aktuator 132 nur für eine ausreichende Menge zum Drehen des sekundären Antriebselements 146 zurück zur entriegelten Position eingeschaltet werden. Der Aktuator 132 ist nicht mit dem Verriegelungsbolzenträger 121 oder dem Verriegelungsbolzen 120 derart verbunden, dass das Ziehen des Verriegelungsbolzens 120 aus der verriegelten Position in die entriegelte Position erleichtert wird. Vielmehr gibt eine Drehung des sekundären Antriebselements 146 auf einfache Weise die gespeicherte Energie des ersten Vorspannelements 150 frei und ermöglicht dem ersten Vorspannelement 150 die Entriegelungskraft auszuüben.
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Dies ist insbesondere hinsichtlich eines Zustands relevant, bei dem sich eine der Rippen 128 des Lenkelements 104 gegen den Verriegelungsbolzen 120 verkeilt, wenn sich der Verriegelungsbolzen 120 in der verriegelten Position befindet, der als „Drehmomentverriegelung”-Zustand bezeichnet wird. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn eines oder mehrere der lenkbaren Räder, die mit dem Lenkelement 104 verbunden sind, sich gegen ein stationäres Objekt, wie zum Beispiel einen Bordstein, verkeilten. Wenn ein Drehmomentverriegelungszustand vorliegt und es erwünscht ist, das Lenkschloss 100 aus dem verriegelten Zustand in den entriegelten Zustand zu bewegen, arbeitet der Aktuator 132 normal, um das sekundäre Antriebselement 146 zur entsprechenden entriegelten Position anzutreiben, während der Verriegelungsbolzen 120 und der Verriegelungsbolzenträger 121 vorübergehend in der verriegelten Position bleiben können, wie dies in 9 dargestellt ist. Genau wie beim normalen Entriegelungsvorgang wird das erste Vorspannelement 150 zum Freigeben des Verriegelungsbolzens 120 aus dem verkeilten Zustand herangezogen. Das Lenkschloss 100 ist nicht auf die vom Aktuator 132 zugeführte Energie angewiesen, um den Verriegelungsbolzen 120 herauszuziehen oder zu „entkeilen”. Wie oben beschrieben, kann der Aktuator 132 tatsächlich eine „Nurdruck”-Betätigung für den Verriegelungsbolzen 120 (in die Verriegelungsrichtung zur verriegelten Position) bereitstellen und ist nicht mit dem Verriegelungsbolzen 120 oder dem Träger 121 derart verbunden, dass ein Drücken des Verriegelungsbolzens 120 in die Verriegelungsrichtung zur entriegelten Position durch die Energie des Aktuators 132 ermöglicht wird. Da der Aktuator 132 nicht zum Herausziehen des Verriegelungsbolzens 120 aus einem verkeilten Zustand ausgelegt ist, muss die Steuereinheit weder mit einer Betätigungsstrategie programmiert werden, um mehrere Entriegelungsversuche auszuführen, noch zum Bereitstellen von Entriegelungsversuchen mit erhöhter Energie programmiert werden, und ist in einigen Konstruktionen ohne eine solche Fähigkeit programmiert. Was die Steuereinheit, den Aktuator 132 und das sekundäre Antriebselement 146 betrifft, wird jeder Entriegelungsvorgang in der Tat identisch ausgeführt. Die Steuereinheit kann (zum Beispiel über den Sensor 178) erfassen, dass der Verriegelungsbolzenträger 121 die verriegelte Position nicht erreicht hat, obwohl das sekundäre Antriebselement 146 seine entsprechende entriegelte Position erreicht hat. Die Steuereinheit kann mit dem Fahrzeugführer z. B. über eine Instrumententafel oder eine andere Anzeige kommunizieren, um den Bediener anzuregen, das Lenkrad zu betätigen, um das Lenkschloss 100 aus dem verriegelten Zustand freizugeben. Dies kann erforderlich sein, damit die Steuereinheit des Lenkschlosses 100 ein Signal an das Fahrzeugsteuergerät sendet, welches das Starten und/oder Fahren des Fahrzeugs ermöglicht.
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Für alle Entriegelungsszenarios, die nicht drehmomentgesperrt sind, ist der Betrag an Entriegelungskraft (d. h. die vorgegebene Vorspannung, die am ersten Vorspannelement 150 während der Verriegelung anliegt) immer die gleiche und hängt nicht von der dem Aktuator 132 zugeführten Energie ab, da das Antreiben des Aktuators 132 lediglich als Instrument zum Beseitigen des Eingriffs des zweiten Antriebselements 146 dient, das eine Entriegelungsbewegung des Verriegelungsbolzens 120 und des Verriegelungsbolzenträgers 121 verhindert. Während diesen erfolgreichen Entriegelungsvorgängen verhindert der aufrechterhaltene physikalische Kontakt zwischen den Nockenflächen 184, 188 des sekundären Antriebselements 146 und des Verriegelungsbolzenträgers 121 Stoßbelastungen oder ein Federfreigabe-Hämmern zwischen den Bauteilen des Betätigungsmechanismus 116. Die Nockenflächen 184 des sekundären Antriebselements 146 dienen, obwohl sie keinen Antriebsbeitrag zur Entriegelungsposition bereitstellen, als Bewegungssteuerungsvorrichtung, sodass der Verriegelungsbolzenträger 121 keinen freien Federweg zum Einrasten in die entriegelte Position unter der vollen Vorspannung des ersten Vorspannelements 150 aufweist.
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Aufgrund der relativ starken Vorspannkraft vom ersten Vorspannelement 150 kann das zweite Vorspannelement 152 im Wesentlichen stärker als eine herkömmliche Lenkschloss-Leerwegfeder sein. Wie oben beschrieben, wird das zweite Vorspannelement 152 in die entriegelte Position gefedert (wenn ein Entlasten des stärkeren ersten Vorspannelements 150 wie in 8 ermöglicht wird) und der Verriegelungsbolzen 120 wird durch das zweite Vorspannelement 152 zur verriegelten Position angetrieben, wenn die Kraft des ersten Vorspannelements 150 vom Verriegelungsbolzen 120 durch eine Bewegung des Verriegelungsbolzenträgers 121 ausreichend beseitigt ist. Obwohl das Federn des zweiten Vorspannelements 152 während dem Entriegeln von der Entriegelungskraft subtrahiert wird, die vom ersten Vorspannelement 150 für den Verriegelungsbolzen 120 bereitgestellt wird, wird das erste Vorspannelement 150 das zweite Vorspannelement 152 überwinden und zum Entriegeln des Verriegelungsbolzens 120 dienen, selbst wenn die Federkonstante des zweiten Vorspannelements 152 relativ hoch ist. In der Praxis ein vorgegebener überschüssiger Federfaktor zwischen der Vorspannung des ersten Vorspannelements 150 (z. B. 150 N) in der verriegelten Position und der Vorspannung des zweiten Vorspannelements 152 in der entriegelten Position vorgesehen, um eine adäquate Entriegelungskraft für den Verriegelungsbolzen 120 bereitzustellen, wobei das zweite Vorspannelement 152 ebenfalls stärker als herkömmliche Leerwegfedern vorgesehen ist. Das zweite Vorspannelement 152 kann beispielsweise eine Vorspannung über 10 N und in einigen Fällen sogar über 20 N oder über 50 N, wie zum Beispiel ca. 70 N aufweisen. Da das zweite Vorspannelement 152 ausgelegt ist, um das Überspringen oder außer Eingriff kommen mit dem Lenkelement 104 zu verhindern, stellt die wesentlich stärkere Charakteristik des zweiten Vorspannelements 152 eine erhöhte Sicherheit des Lenkschlosses 100 gegen ein unbefugtes Entriegeln durch ein am Lenkelement 104 aufgebrachtes Drehmoment bereit. Wenn das zweite Vorspannelement 152 andererseits zwischen dem Verriegelungsbolzen 120 und dem Träger 121 positioniert ist, wird das Federn des zweiten Vorspannelements 152 zur Anforderung des Aktuators 152 während dem Verriegeln beitragen, wenn ein Leerweg auftritt, und dadurch muss die gesamte Last berücksichtigt werden, wenn die Stärke des zweiten Vorspannelements 152 erhöht wird.
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16–21 veranschaulichen Konstruktionen des zweiten Antriebselements 146' und des Verriegelungsbolzenträgers 121', die identisch zu den oben beschriebenen Bauteilen mit Ausnahme der unten genannten oder den aus den Zeichnungen ersichtlichen sind. Während die Nockenflächen 184, 188 sowohl auf dem sekundären Antriebselement 146 als auch dem Verriegelungsbolzenträger 121 der oben beschriebenen Konstruktion als zwei identische umfangsseitig beabstandete Flächen vorgesehen sind, umfassen das sekundäre Antriebselement 146' und der Verriegelungsbolzenträger 121' von 16–21 Nockenflächen, die sich umfangsseitig überlappen, jedoch radial getrennt sind. Insbesondere umfasst das sekundäre Antriebselement 146' eine radial innere erste Nockenfläche 184A und eine radial äußere zweite Nockenfläche 184B, und der Verriegelungsbolzenträger 121' umfasst eine radial innere erste Nockenfläche 188A, die mit der Nockenfläche 184A in Eingriff bringbar ist, und eine radial äußere zweite Nockenfläche 188B, die mit der Nockenfläche 184B in Eingriff bringbar ist. Jede Nockenfläche 184A, 184B, 188A, 188B kann sich entlang eines Bogens von ca. 180 Grad oder darüber um die Achse B erstrecken und die beiden Nockenflächen sind auf jedem Bauteil 180 Grad asynchron oder phasenverschoben vorgesehen. In anderen Konstruktionen können eine andere Anzahl von Nockenflächen und andere Phasenwinkel (z. B. 3 Nockenflächen 120 Grad asynchron oder 4 Nockenflächen 90 Grad asynchron) verwendet werden. Ein Dellen- oder Abflachungsbereich 185, 189 ist auf jedem Ende jeder Nockenfläche 184A, 184B, 188A, 188B vorgesehen, das den Enden entspricht, die momentan in Eingriff miteinander stehen, wenn das sekundäre Antriebselement 146' den Verriegelungsbolzenträger 121' zur verriegelten Position betätigt hat. Somit muss das erste Vorspannelement 150, das durch diese Verriegelungsbetätigung vorgespannt ist, kein Drücken des sekundären Antriebselements 146' zurück zur entriegelten Position weiterleiten.
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Wie in 20 und 21 beschrieben, kann der Aktuator 132 zum Abschalten an einer Position konfiguriert sein, die dem Beginn des Eingriffs zwischen den flachen Bereichen 185, 188 (d. h. sobald die flachen Bereiche 185 beginnen, in die flachen Bereiche 189 einzugreifen und eine Drehung des sekundären Antriebselements 146' nicht mehr zu einer axialen Bewegung des Verriegelungsbolzenträgers 121' führt), entspricht. Die Drehposition X1 entlang des sekundären Antriebselements 146' kennzeichnet die Position, bei der die flachen Bereiche 189 die flachen Bereiche 185 erreichen, wenn der Aktuator 132 das sekundäre Antriebselement 146' in die Verriegelungsrichtung dreht. Der Aktuator 132 kann danach bis zu einem Stillstand nach dem Antreiben des sekundären Antriebselements 146' um einen weiteren Winkel auslaufen (wo die flachen Bereiche 189 die Drehposition X2 entlang des sekundären Antriebselements 146' erreichen). An dieser Position wird der Eingriff zwischen den entsprechenden flachen Bereichen 185, 189 aufrechterhalten. Eine axiale Fläche 200 des sekundären Antriebselements 146' ist mit einem Anschlag 202 versehen, um eine weitere Bewegung des sekundären Antriebselements 146' zu begrenzen, die zu einem Überfahren zwischen den flachen Bereichen 185, 189 (d. h. die flachen Bereiche 189 erreichen eine Position jenseits der Drehposition X3) führen würde. Der Anschlag 202 (der hier z. B. als Nut-Endstelle ausgebildet ist) kann an einem entsprechenden Anschlag (der z. B. als Vorsprung ausgebildet ist) am Gehäuse 108 anliegen. Der Anschlag 202 ist für eine Drehung in Verriegelungsrichtung des sekundären Antriebselements 146' wirksam. Ein zusätzlicher Anschlag 204 ist in einem Innenraum des sekundären Antriebselements 146' benachbart zu einer der Nockenflächen 184A, 184B vorgesehen. In der dargestellten Konstruktion ist der Anschlag 204 auf einer sich axial erstreckenden Endfläche der radial äußeren Nockenfläche 184B am Ende des flachen Bereichs 185 vorgesehen. Der Anschlag 204 ist zum Beeinträchtigen oder Anschlagen an einem entsprechenden Anschlag 206 positioniert, der am Verriegelungsbolzenträger 121' (d. h. an einer sich axial erstreckenden Endfläche der radial äußeren Nockenfläche 188B am Ende des flachen Bereichs 189) ausgebildet ist, um eine überschüssige Drehung des sekundären Antriebselements 146' physikalisch zu behindern. Wenn sich das sekundäre Antriebselement 146' in die Entriegelungsrichtung (21) bewegt, ist der Aktuator 132 zum Abschalten konfiguriert, bevor das sekundäre Antriebselement 146' bis zu einem Punkt angetrieben wird, wo der Anschlag 204 in den entsprechenden Anschlag 206 des Verriegelungsbolzenträgers 121' eingreift. Die Drehposition Y1 kennzeichnet die Stelle des entsprechenden Anschlags 206 entlang des sekundären Antriebselements 146', wenn der Aktuator 132 abgeschaltet ist. Der Aktuator 132 kann nach dem Antreiben des sekundären Antriebselements 146' um einen weiteren Winkel (wo der Anschlag 206 die Drehposition Y2 entlang des sekundären Antriebselements 146' erreicht) dann bis zum Stillstand auslaufen. Wenn eine überschüssige Drehung auftritt, verhindert der Anschlag 204 eine Drehung des Anschlags 206 über eine Drehposition Y3 hinaus.
