DE102015213445A1

DE102015213445A1 - Verstellvorrichtung zum Betätigen einer drehbar gelagerten Klappe im Kraftfahrzeug, sowie Verfahren zum Verstellen einer solchen Klappe

Info

Publication number: DE102015213445A1
Application number: DE102015213445.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Schlosser; Jens Schrader
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Verstellvorrichtung (10) zum motorischen oder manuellen Betätigen einer drehbar gelagerten Klappe (12) – insbesondere Heck-, Front- oder Kofferraumklappe – im Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Verstellen einer solchen Klappe (12), wobei die Klappe (12) mit Scharnieren um eine Drehachse (18) schwenkbar ist, mit mindestens zwei Gasdruckfedern (3), die das Gewicht der Klappe (12) bei deren Verstellvorgang zumindest teilweise kompensieren, wobei in die Gasdruckfedern (3) zusätzliche elastische Federelemente (60, 60‘) integriert sind, die das maximal notwendige Antriebs- und/oder Bremsmoment für die Klappe (12) – verglichen mit der Verwendung normaler Gasdruckfedern – reduzieren.

Description

Stand der Technik
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Verstellvorrichtung zum Betätigen einer drehbar gelagerten Klappe im Kraftfahrzeug, sowie einem Verfahren zum Verstellen einer solchen Klappe nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der DE 10 2014 208 474 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 und das manuelle Öffnen der Heckklappe für den Bediener vereinfachen. Nachteilig ist bei einer solchen Vorrichtung, dass 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. Kennzeichnend für ein optimal ausgelegtes System ist einerseits, dass das erforderliche Antriebsmoment unter allen Bedingungen kleiner ist als das Antriebsmoment des zur Verfügung stehenden Verstellmotors. Andererseits darf die Summe aus Federkräften und Gewichtskraft der Heckklappe nicht größer werden als das Rückdrehmoment des Antriebs, da die Heckklappe sonst nicht in Position gehalten wird, sondern sich selbsttätig und ungewollt öffnet oder schließt. Für die Auslegung bilden also Rückdrehmoment und Antriebsmoment des Heckklappenantriebs eine obere und untere Grenze innerhalb derer die Summe aus Federkräften und Gewichtskraft der Heckklappe bleiben muss. Je nach Betriebstemperatur und anderen Betriebszuständen – wie beispielsweise Fahrzeugneigung und Schneelast – kann es dabei zu einer wechselnden Belastung mit einer großen Bandbreite des erforderlichen Antriebsmoments kommen, wobei 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. Insgesamt erfordert die große Bandbreite und der starke Wechsel des notwendigen Antriebs- bzw. Bremsmoments eine sehr komplexe Abstimmung und Auslegung der Elektromotoren und der Gasdruckfedern an die Größe und das Gewicht der Heckklappe.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung, sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben dem gegenüber den Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße Einstellung des die Gewichtskraft der Klappe kompensierenden Federmoments mittels der zusätzlichen, in die Gasdruckfedern integrierte elastische Federelemente, der Verlauf des erforderlichen Antriebsmoments geebnet werden kann. Durch diese Reduzierung der Bandbreite des erforderlichen Antriebsmoments, kann die Leistungsklasse des Elektromotors reduziert werden. Dabei kann anstelle von zwei Motoren die Klappe mit einem einzigen Antriebsmotor verstellt werden. Der flachere Verlauf des erforderlichen Antriebsmoments erlaubt eine bessere Auslegung der Verstellvorrichtung für verschiedene Temperaturbereiche und Belastungszustände. Durch diese zusätzliche Anpassung der Gewichtskompensation mittels der zusätzlichen elastischen Federelemente, kann beispielsweise darauf verzichtet werden, die Gasdruckfedern temperaturkompensiert auszulegen oder diese mit anderen aufwändigen externen Federsystemen zu kombinieren.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Ausführungen. Durch die Ausbildung der zusätzlichen elastischen Federelemente als Schraubfedern oder Spiralfedern können diese so kleinbauend ausgeführt werden, dass diese innerhalb der Gasdruckfedern angeordnet werden können. Das heißt, dass die erfindungsgemäßen zusätzlichen elastischen Federelemente keinerlei zusätzlichen Bauraum beanspruchen. Die Federkennlinien solcher Schraubfedern können sehr einfach durch deren mechanische Abmessungen an die Erfordernisse der konkreten Anwendungen angepasst werden.
So kann beispielsweise die Federlänge entsprechend gewählt werden, dass auch der entsprechende Federweg so gewählt werden kann, dass für einen bestimmten Verstellwinkel die Klappe mittels einer zusätzlichen Federkraft beaufschlagt wird. Die benötigten Federkräfte können sehr einfach über die Federstärke, beispielsweise den Drahtdurchmesser oder die Materialauswahl der Feder, festgelegt werden. Auf diese Weise können sehr einfach zwei unterschiedliche elastische Federelemente für die beiden Gasdruckfedern zur Verfügung gestellt werden. Mit diesen unterschiedlichen Federkennlinien, die sich im Verstellbetrieb überlagern, kann der nicht lineare Momentenverlauf des Gesamtsystems besser ausgeglichen werden, um die Bandbreite des erforderlichen Antriebsmoments entsprechend zu reduzieren.
Beispielsweise kann das zusätzliche elastische Federelement innerhalb des als Zylinder ausgebildeten Teleskoparmgehäuses der Gasdruckfeder integriert werden. Dabei übt das zusätzliche elastische Federelement eine zusätzliche axiale Federkraft auf dem Kolben der Gasdruckfeder aus, so dass die Rückstellkraft der Gasdruckfeder entsprechend erhöht wird.
Besonders günstig kann eine Schraubfeder zwischen dem Zylinderboden und dem Kolben angeordnet werden. Dadurch kann die Bewegung des Kolbens beispielsweise zu Beginn des Öffnens der Klappe zusätzlich unterstützt werden.
Alternativ kann ein solches ringförmiges Federelement auch um die Kolbenstange herum innerhalb des Zylinders eingesetzt werden, und eine zusätzliche Federkraft auf der Seite der Kolbenstange auf den Kolben ausüben. Dabei kann die Wahl der Anordnung der zusätzlichen elastischen Federelemente innerhalb des Zylinders an die Einbaulage der Gasdruckfeder angepasst werden. Alternativ können solche Schraubfedern auch außerhalb des Zylinders angeordnet werden, um eine zusätzliche Federkraft auf die Kolbenstange auszuüben. Durch die Ausbildung der elastischen Federelemente mit unterschiedlichen Federkennlinien kann die Unterstützung zur Gewichtskompensation der Klappe besser an den Verstellbereich angepasst werden. So kann beispielsweise ein erstes elastisches Federelement über einen kurzen Federweg eine relativ hohe zusätzliche Federkraft bei einem kleinen Verstellwinkel ausüben und ein zweites elastisches Federelement mit einer geringeren Federkraft über einen größeren Verstellwinkel eine Federunterstützung bieten. Dabei können sich bevorzugt die beiden Federwege überlagern, beispielsweise zu Beginn des Öffnungsvorgangs, jedoch über einen unterschiedlichen großen Winkelbereich wirksam sein. Alternativ können die elastischen Federelemente auch derart in der Gasdruckfeder angeordnet werden, dass diese über den Verstellweg ohne zu überlappen nacheinander ein Unterstützungselement zur Verfügung stellen.
Da beispielsweise bei einer Heckklappe der wirksame Hebel der Klappe bezüglich ihrer Drehachse zu Beginn des Öffnungsvorgangs sehr gering ist, kann eine solche maximale Momentenunterstützung besonders vorteilhaft zu Beginn des Verstellwegs beim Öffnen realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Verstellvorrichtung zwei identische Gasdruckfedern auf, die an den beiden Seitenrändern der Klappenöffnung angeordnet sind. Dabei weist die eine Gasdruckfeder ein erstes elastisches Federelement mit einer ersten bestimmten Federkennlinie auf, und die zweite Gasdruckfeder ein zweites elastisches Federelement, dessen zweite Federkennlinie sich von der des ersten elastischen Federelements unterscheidet. Insbesondere stellt das erste Federelement eine höhere Federkraft über einen kürzeren Federweg zur Verfügung, und das zweite elastische Federelement eine geringere Federkraft über einen längeren Federweg. Dadurch kann der Verlauf des erforderlichen Gesamtmoments des Antriebs über den gesamten Verstellwinkel entsprechend geglättet werden.
Die Antriebseinheit kann besonders günstig als Elektromotor mit nachfolgendem Getriebe ausgebildet werden, dessen Abtriebsritzel das Antriebsmoment über die Scharniere an die Antriebsklappe überträgt. Durch die erfindungsgemäße Reduzierung des maximal notwendigen Antriebsmoments, kann auch eine Verstellvorrichtung mit beispielsweise zwei Scharnieren und zwei Gasdruckfedern mit nur genau einem Elektromotor angetrieben werden.
Zur Übertragung des Unterstützungsmoments zur Gewichtskompensation der Klappe sind die Gasdruckfedern an einem Ende karosseriefest angeordnet und stützen sich an der Karosserie gegenüber der Klappe ab. Um einen größtmöglichen Freiheitsgrad der Klappenbewegung zu ermöglichen, sind die Gasdruckfedern bevorzugt an beiden Enden drehbar gelagert. Dabei kann beispielsweise der Teleskoparm direkt an der Klappe oder aber an einem Scharnier der Klappe befestigt werden.
Ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung hat den Vorteil, dass durch den geringeren Leistungsbedarf des Antriebsmotors sowohl Gewicht als auch elektrische Energie eingespart werden kann. Besonders günstig ist eine Ausführung, bei der sowohl die Gasdruckfedern als auch der Antriebsmotor verdeckt hinter dem Fahrzeughimmel angeordnet sind, so dass diese für die Insassen nicht sichtbar sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Verstellverfahren kann eine drehbar angeordnete Klappe am Kraftfahrzeug in jeder Verstelllage auch ohne aktivierten Antriebsmotor im Gleichgewischt gehalten werden. Andererseits wird über den gesamten Verstellwinkel beim Öffnen oder Schließen der Klappe das maximale erforderliche Antriebsmoment durch die zusätzlichen elastischen Federelemente in den Gasdruckfedern reduziert. Dadurch kann die Verstellvorrichtung einfacher über einen großen Temperaturbereich und bei zusätzlicher Lasteinwirkungen auf die Klappe ausgelegt werden.
Bevorzugt wird die Verstellvorrichtung für Heckklappen verwendet, die besonders groß und schwer sind, wie sie beispielsweise bei SUVs oder Vans eingesetzt werden, bei denen die Klappe im geschlossenen Zustand näherungsweise vertikal angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch für andere drehbare Klappen, wie Kofferraumdeckel und Motorraumklappen am Heck und im Frontbereich des Fahrzeugs angewendet werden.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung einer Klappe im Kraftfahrzeug,
2 eine erfindungsgemäße Gasdruckfeder der Verstellvorrichtung, und
3 verschiedene Momentenverläufe des Antriebmotors über dem Verstellwinkel der Klappe
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Innenraum eines Kraftfahrzeugs 1 ohne einen dessen Dach 14 verkleidenden Dachhimmel. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Heckklappe 12 auf, die mittels einer Verstellvorrichtung 10 geöffnet und geschlossen werden kann. Die Heckklappe 12 ist mittels zweier Scharniere 5 an einer Karosserie 11 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet. Die Scharniere 5 sind in einer Erstreckungsrichtung 41 quer zu einer Fahrtrichtung 40 des Kraftfahrzeugs 1 voneinander beabstandet. Sie sind außenseitig an der Karosserie 11, insbesondere an einem Querträger 13 des Daches 14 der Karosserie 11, befestigt. Die Scharniere 5 weisen jeweils einen ersten Scharnierarm 51 auf. Der erste Scharnierarm 51 ist drehfest an der Karosserie 11 festgelegt. Zudem weisen die Scharniere 5 jeweils einen zweiten Scharnierarm 52 auf. Der zweite Scharnierarm 52 ist relativ zum ersten Scharnierarm 51 um eine Scharnierachse 53 in und gegen eine Drehrichtung 42 drehbar. Die Heckklappe 12 ist jeweils am zweiten Scharnierarm 52 befestigt. Durch Drehen des zweiten Scharnierarms 52 in die Drehrichtung 42 relativ zum ersten Scharnierarm 51 ist die Heckklappe 12 von einer geschlossenen Stellung (nicht gezeigt) in eine geöffnete Stellung gemäß 1 schwenkbar. Durch Drehen des zweiten Scharnierarms 52 gegen die Drehrichtung 42 relativ zum ersten Scharnierarm 51 ist die Heckklappe 12 von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung zurück schwenkbar. Zum Verschwenken der Heckklappe 12 ist für jedes Scharnier 5 ein Kompaktantrieb 2 vorgesehen. Die Kompaktantriebe 2 sind im oder am Querträger 13 des Daches 14 eingebaut. Dies ermöglicht es, dass sich die Kompaktantriebe 2 beim Verschwenken der Heckklappe 12 am Querträger 13 abstützen. Zudem sind die Kompaktantriebe 2 bei dieser Ausführungsform im Dach 14 angeordnet und für Fahrzeuginsassen daher unsichtbar. Die Kompaktantriebe 2 weisen jeweils einen Antriebsmotor 20 und eine Getriebeanordnung 21 auf. Sie sind fluchtend zueinander angeordnet und in Erstreckungsrichtung 41 voneinander beabstandet. Dabei sind die Antriebsmotoren 20 jeweils zum Antrieb der ihnen zugeordneten Getriebeanordnung 21, und die Getriebeanordnungen 21 jeweils zum Untersetzen der Drehzahl ihres Antriebsmotors 20 vorgesehen. Die Getriebeanordnungen 21 weisen jeweils eine Abtriebselement 23 auf. Die Abtriebswellen 23 erstrecken sich konzentrisch entlang einer Abtriebsachse 43, die fluchtend zur Scharnierachse 53 angeordnet ist. Prinzipiell ist auch eine nicht fluchtende Anordnung der Abtriebsachse 43 zur Scharnierachse 53 möglich. Durch Antrieb der Antriebsmotoren 20 werden die Abtriebselemente 23 der Getriebeanordnungen 21 jeweils gedreht. Dadurch werden die zweiten Scharnierarme 52 jeweils relativ zu den ersten Scharnierarmen 51 gedreht. Da die Heckklappe 12 jeweils an den zweiten Scharnierarmen 52 festgelegt ist, wird sie dabei um die Scharnierachse 53 verschwenkt. Die Antriebsmotoren 20 werden dafür in bekannter Weise synchron betätigt.
Um das Öffnen der Heckklappe 12 zu unterstützen, ist jedem Scharnier 5 zudem eine Gasdruckfeder 3 zugeordnet. Auch die Gasdruckfedern 3 sind in diesem Ausführungsbeispielr im Dach 14 integriert. Die Gasdruckfedern 3 erstrecken sich in Fahrtrichtung 40. Sie weisen jeweils ein erstes Ende 301 auf, mit dem sie am zweiten Scharnierarm 52 angeordnet sind. Sie sind mittels eines Drehgelenks 33 am zweiten Scharnierarm 52 oder direkt an der Klappe 12 befestigt. Zudem weisen sie ein zweites Ende 302 auf, mit dem sie sich an einer Versteifung 15 des Daches 14 abstützen. Beispielhaft ist hier im Dach 14 ein Panoramafenster 16 eingebaut. Bei einem Dach 14 ohne Panoramafenster 16 ist anstelle einer Versteifung 15 gegebenenfalls ein zweiter Querträger (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Gasdruckfedern 3 weisen jeweils ein Teleskoparmgehäuse 32 und einen Teleskoparm 31 auf. In der geschlossenen Stellung der Heckklappe 12 ist der Teleskoparm 31 in dem Teleskoparmgehäuse 32 im Wesentlichen aufgenommen. Beim Öffnen der Heckklappe 12 wird der Teleskoparm 31 der Gasdruckfedern 3 jeweils mit pneumatischem Druck ausgefahren. Die dabei auf die Scharniere 5 jeweils wirkende Kraft drückt die Heckklappe 12 auf. Die Kraft der Gasdruckfedern 3 verringert daher die für das automatische Öffnen der Heckklappe 12 erforderliche Antriebsleistung der Kompaktantriebe 2. Sie unterstützt auch das manuelle Öffnen der Heckklappe 12 und vereinfacht dieses für den Bediener. Ein Zurückschwenken der Heckklappe 12 von der geöffneten in die geschlossene Stellung ist durch Antrieb der Abtriebsachse 43 gegen die Drehrichtung 42 möglich. Dabei wird der Teleskoparm 31 der Gasdruckfedern 3 jeweils in das Teleskoparmgehäuse 32 zurück gedrückt. In Abhängigkeit von der Größe und/oder dem Gewicht der Heckklappe 12 ist es auch möglich, nur einen einzigen Kompaktantrieb 2 mit zwei Gasdruckfedern 3 anzuordnen. Sowohl der Kompaktantrieb 2 als auch die Gasdruckfedern 3 sind bei dieser Ausführung unsichtbar in das Dach 14 eingebaut.
In einer alternativen Ausführung sind die Gasdruckfedern 3 mit ihrem zweiten Ende 302 jeweils seitlich am Rahmen der Klappenöffnung gelenkig befestigt. Das erste Ende 301 ist dabei bevorzugt direkt an der Klappe 12 drehbar gelagert. Die Gasdruckfedern 3 solcher Anordnungen sind meist am scharnier-abgewandten Ende der Heckklappe 12 angeordnet und drücken diese dort auf.
In 2 ist ein Schnitt durch eine Gasdruckfeder 3 dargestellt, wie sie beispielsweise in der Verstellvorrichtung in 1 verwendet wird. Das Teleskoparmgehäuse 32 der Gasdruckfeder 3 ist als Zylinder 34 ausgebildet, in dem ein Kolben 36 in Axialrichtung 37 beweglich angeordnet ist. Am Kolben 36 ist eine Kolbenstange 38 befestigt, die als Teleskoparm 31 durch eine entsprechende Öffnung 39 im Zylinder 34 herausgeführt wird. Dabei ist die Kolbenstange 38 über ein Dichtungssystem 35 gegenüber dem Zylinder 34 abgedichtet. Das Dichtungssystem 35 weist eine definierte Leckageöffnung 46 auf, mittels derer die Geschwindigkeit für den Druckausgleich zwischen den beiden Zylinderteilvolumina und damit die Verfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange 38 eingestellt werden kann. Die Kolbenstange 38 weist an ihrem freien Ende 301 ein Drehgelenk 33 auf, mittels dem die Gasdruckfeder 3 direkt an der Klappe 12 oder am Scharnier 5 befestigbar ist. Auf der in Axialrichtung 37 gegenüberliegenden Seite ist am zweiten Ende 302 der Gasdruckfeder 3 ebenfalls eine Befestigungsanordnung 30 angebracht, mittels derer die Gasdruckfeder 3 an der Karosserie 11 befestigt wird. Dies kann beispielsweise ebenfalls durch ein Drehgelenk 33 realisiert werden, das sich am Rahmen der Klappenöffnung abstützt. Alternativ kann das Ende 302, wie in 1 dargestellt, im Fahrzeugdach 14 integriert sein und sich direkt an einer Versteifung 15 des Dachs 14 abstützen. In der Gasdruckfeder 3 ist ein elastisches Federelement 60 angeordnet, das beispielsweise als Schraubfeder 61 oder Spiralfeder ausgebildet ist. Dabei ist das elastische Federelement 60 innerhalb des Zylinders 34 angeordnet. Auf der rechten Seite ist das elastische Federelement 60 im Bereich der Kolbenstange 38 angeordnet, wobei es diese vorzugsweise umschlingt. Dabei stützt sich das elastische Federelement 60 einerseits am Kolben 36 und auf der anderen Seite am Zylinder 34 ab. Im Ausführungsbeispiel liegt das elastische Federelement 60 am Dichtungssystem 35 an, das sich wiederum an der Innenwand 28 des Zylinders 34 abstützt. Das in die Gasdruckfeder 3 integrierte elastische Federelement 60 erzeugt zusätzlich zur normalen Gasdruckfeder 3 eine weitere Unterstützungskraft für die Klappe 12, die bevorzugt im Winkelbereich 80 zu Beginn des Öffnungsvorgangs der Klappe 12 wirksam wird.
Auf der linken Seite ist auf 2 eine alternative Ausführung des elastischen Federelement 60‘ dargestellt, das ebenfalls innerhalb des Zylinders 34 angeordnet ist, jedoch auf der von der Kolbenstange 38 abgewandten Seite des Kolbens 36. Dabei stützt sich das elastische Federelement 60‘ beispielsweise direkt an einer Bodenfläche 64 des Zylinders 34 ab. Das auf der linken Seite dargestellte elastische Federelement 60‘ weist gegenüber dem Federelement 60 auf der rechten Seite eine unterschiedliche Federkennlinie auf. Beispielsweise stellt das Federelement 60‘ auf der linken Seite eine geringere Federkraft über einen größeren Federweg in Axialrichtung 37 zur Verfügung. In der Ausführung gemäß 2 sind diese beiden elastischen Federelemente 60, 60‘ in einer einzigen Gasdruckfeder 3 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind jedoch die beiden unterschiedlichen elastischen Federelement 60 und 60‘ in zwei unterschiedlichen Gasdruckfedern 3 integriert. Beispielsweise ist in der Gasdruckfeder 3 auf einer axialen Seite der Klappe 12 ein elastisches Federelement 60 mit einer hohen Federkraft angeordnet, die sofort zu Beginn des Öffnungsvorgangs der Klappe 12 wirksam wird. Auf der in Axialrichtung 41 gegenüberliegenden Seite der Klappe 12 ist in der zweiten Gasdruckfeder 3 ein unterschiedliches elastische Federelement 60‘ angeordnet, das eine geringere Federkraft aufweist, die bevorzugt erst in einem Verstellbereich der Klappe 12 wirksam wird, nach dem die Klappe 12 schon um ein gewissen Drehwinkel 80 geöffnet wurde. Durch die Kombination dieser beiden Gasdruckfedern 3 mit unterschiedlichen integrierten elastischen Federelementen 60, 60' wird eine Verstellvorrichtung 10 zur Verfügung gestellt, bei der das vom Antriebsmotor 20 aufzubringende Antriebs- oder Bremsmoment für die Klappe 12 sich in einer möglichst schmalen Bandbreite befindet. Somit kann ein Elektromotor 20 mit einer möglichst kleinen maximalen Leistung verwendet werden. Zur Kompensation des Gewichts der Klappe 12 wird die unterstützende Federkraft der beiden Gasdruckfedern 3 zuerst durch das elastische Federelement 60 mit einer steileren Federkennlinie und anschließend durch das zweite unterschiedlich elastische Federelement 60‘ mit einer flacheren Federkennlinie unterstützt. Durch die Überlagerung dieser beiden Federkennlinien der elastischen Federelemente 60, 60‘ mit der Federkennlinie der Gasdruckfedern kann das über den Verstellwinkel 80 sehr inhomogene Gewichtsmoment der Klappe 12 optimal kompensiert werden. Dabei können die elastischen Federelemente 60, 60‘ in beiden Gasdruckfedern 3 jeweils auf der gleichen Seite des Kolbens 34 angeordnet werden oder die elastischen Federelemente 60, 60‘ können sich jeweils aus unterschiedlichen Teilfedern zu einem Gesamtfedersystem zusammensetzen.
Ein elastisches Federelement 60, 60‘ ist beispielsweise als eine schraubenförmige Druckfeder 61 ausgebildet, die an der Innenwand 28, 64 des Zylinders 34 anliegt. Der verwendete Drahtdurchmesser 66 beträgt beispielsweise etwa 3 mm, wobei die Federlänge 67 zwischen 10 und 50 mm variieren kann. Der Kreisdurchmesser 68 des Federelements 60, 60‘ beträgt hierbei etwa 20mm. In alternativen Ausführungen können die Federelemente 60, 60‘ jedoch auch als Zugfedern ausgebildet werden und/oder auch außerhalb des Zylinders 34 angeordnet werden, beispielsweise den Zylinder 34 umschließen. Wesentlich ist, dass die beiden verwendeten elastischen Federelemente 60, 60‘ eine unterschiedliche Federkennlinie aufweisen. Um den Verlauf des Gesamtmoments des Verstellsystems 10 besser glätten zu können.
Zur Veranschaulichung der Wirkung der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung 10 sind in der 3 unterschiedliche Momentverläufe für die Bewegung einer Klappe 12 dargestellt. Auf der x-Achse ist jeweils der Verstellwinkel 80 der Klappe 12 dargestellt, der beispielsweise für eine Heckklappe 12 maximal 100° beträgt. Auf der y-Achse ist immer das erforderliche Drehmoment 82 des Antriebsmotors 20 dargestellt, das in Abhängigkeit des Verstellwinkels 80 und der Bewegungsrichtung 42 als Antriebsmoment für die Klappe 12 oder als Bremsmoment der Klappe 12 erforderlich ist. Bei einem Verstellwinkel 80 von 0° ist die Klappe 12 immer vollständig geschlossen und beispielsweise bei einem Verstellwinkel 80 von etwa 100° vollständig geöffnet. Bei den beiden oberen Diagrammen weist die Verstellvorrichtung 10 zwei Gasdruckfedern 3 auf, ohne eine Unterstützung durch zusätzliche elastische Federelemente 60, 60‘. Die beiden dargestellten Momentverläufe 86, 88 bilden die Extremwerte der Randbedingungen für den Betriebszustand des Fahrzeugs 1. Auf der linken Seite ist der Öffnungsvorgang und auf der rechten Seite der Schließvorgang abgebildet, wobei 0° immer die geschlossene Klappenposition bedeutet.
So bezieht sich der obere Momentenverlauf 86 auf eine Fahrzeugneigung, bei dem das Fahrzeug 1 bergab fährt, wo hingegen der untere Momentenverlauf 88 sich auf eine Fahrzeugneigung bezieht, bei dem das Fahrzeug 1 bergauf fährt. Zu Beginn des Öffnungsvorgangs muss der Antriebsmotor 20 ein positives Antriebsmoment zusammen mit der Federunterstützung der Gasdruckfedern 3 aufbringen, um die Klappe 12 zu öffnen. Beim oberen Momentenverlauf 86 beginnt bei einem Öffnungswinkel von 20° die Federunterstützung der Gasdruckfedern 3 zu dominieren, so dass ab diesem Verstellwinkel 80 der Antriebsmotor 20 ein Halte- oder Bremsmoment 82 aufbringen muss, um die Klappe 12 in dieser Stellung zu halten. Der Momentenverlauf bei der Bergauffahrt 88 liegt unterhalb dem notwendigen Antriebsmoment der Bergabfahrt 86, da beim Bergauffahren zu Beginn des Öffnungsvorgangs die Gewichtskraft der Klappe 12 den Verstellvorgang unterstützt. Zum Schließen der Klappe 12 muss der Antriebsmotor 20 zu Beginn bei einem Verstellwinkel 80 von etwa 100° gegen die Unterstützungskraft der Gasdruckfeder 3 ein Antriebselement 82 zum Schließen der Klappe 12 aufbringen, das sich kurz vor der vollständig geschlossenen Position bei etwa 10° Verstellwinkel in ein Haltemoment 82 gegen die Schwerkraft umwandelt. Entscheidend für die Auslegung der Leistung des Antriebsmotors 20 ist die maximale Bandbreite des erforderlichen Moments, das sich bei dieser Ausführung ohne zusätzliche elastische Federelemente 60, 60‘ zu etwa 80 Nm ergibt. Die Verschiebung der Momentenverläufe beim Schließvorgang (rechts) gegenüber dem Öffnen (links) ergibt sich dadurch, dass die Federkennlinie der Gasdruckfeder 3 in entgegengesetzter Richtung nicht identisch ist.
Darunterliegend sind die entsprechende Momentenverläufe 90, 92 bei einer Verstellvorrichtung 10 dargestellt, bei dem die Gasdruckfedern 3 mit jeweils identischen elastischen Federelementen 60 unterstützt werden. Bei einem Verstellwinkel 80 von 0° ist zu erkennen, dass dadurch das anfänglich notwendige Antriebsmoment 82 des Antriebsmotors 20 gegenüber den Gasdruckfedern 3 ohne elastische Federelemente 60 reduziert wird. Allerdings ist bei dieser Ausführung bei hohen Verstellwinkeln 80 (etwa bei 100°) bei der vollständig geöffneten Position ein höheres Haltemoment gegenüber der Federunterstützung notwendig. Bei dem auf der rechten Seite dargestellten Schließvorgang werden die Momentenverläufe 90, 92 durch die nicht reversible Federkennlinien wieder entsprechend nach unten verschoben. Bei einer solchen Ausführung mit nur einem einzigen Typ des elastischen Federelements 60 ergibt sich eine Reduzierung der Bandbreite des Momentenverlaufs von ca. 80Nm ohne Federelement auf 75 Nm mit einem einzigen Federtypen.
Die beiden unteren Diagrammen zeigen den Momentenverlauf 94, 96 einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung 10, bei der in die beiden Gasdruckfedern 3 unterschiedliche elastische Federelement 60, 60‘ integriert sind. Durch die Verwendung der beiden unterschiedlichen elastischen Federelemente 60, 60‘ sind sowohl die Momentenverläufe bei der Bergfahrt 96 als auch bei Talfahrt 94 flacher ausgebildet, als bei der Verwendung von identischen elastischen Federelementen 60 in den Diagrammen in der Mitte, oder ohne der Verwendung von elastischen Federelementen 60 (oben). Beim Öffnen der Klappe 12 bei der Bergfahrt ist erkennbar, dass zu Beginn des Öffnungsvorgangs (0° bis 25°) der Antriebsmotor 20 ein geringeres Haltemoment gegen das Federunterstützungsmoment aufbringen muss, als bei der Verwendung nur eines elastischen Federtyps 60 in der Bildmitte (90, 92). Durch den flacheren Verlauf der maximal erforderlichen Motormomente 82 über den gesamten Verstellwinkel 80 wird hier die Gesamtbandbreite der auftretenden Motormomente 94, 96 gegenüber den Motormomenten 90, 92 mit der Verwendung eines einzigen elastischen Federtyps 60 deutlich reduziert, so dass hier der Antriebsmotor 20 nur noch maximal ein Bereich von ca. 60 Nm abdecken muss. Beim Öffnungsvorgang gemäß des unteren Diagramms (links) wirkt zusätzlich zur Federkraft der Gasdruckfedern 3 zu Beginn des Öffnungsvorgangs ein erstes elastisches Federelement 60 mit einer steilen Federkennlinie, die nur über einen anfänglichen kleinen Verstellwinkel 80 wirksam ist. Dem überlagert ist die geringere Federkraft eines zweiten elastischen Federelements 60‘, die von Beginn des Öffnungsvorgangs wirkt und einen längeren Federweg (über einen größeren Verstellwinkel 80 aufweist), als das erste elastische Federelement 60. Im zweiten Teil des Verstellwinkels 80 (über 50°) ist beispielsweise die Wirkung beider zusätzlicher Federelemente 60, 60‘ vernachlässigbar, so dass der Momentenverlauf dem der Kurve ohne zusätzliche elastische Federelemente 60, 60‘ (Bild oben) entspricht. Beim Schließvorgang der Klappe 12 (rechts) ist der resultierende Momentenverlauf des Antriebsmoments 20 kurz vor der geschlossenen Position ähnlich glatt und flach, wie bei Beginn des Öffnungsvorgangs im Diagramm links. Die leichte Verschiebung der Momentenverläufe 94, 96 entlang der y-Achse kommt wieder dadurch zustande, dass der Verlauf der Federkennlinien des Gesamtfedersystems beim Öffnen und Schließen in der Klappe nicht identisch ist.
Somit sind im Verlauf des Öffnungsvorgangs der Klappe 12 anfangs die Federkräfte der Gasdruckfeder 3 und des ersten elastischen Federelements 60 und des zweiten elastischen Federelements 60‘ wirksam. Im weiteren Verlauf des Öffnungsvorgangs wirken dann nur noch die Federkräfte der Gasdruckfedern 3 und des ersten Federelements 60 und zum komplett geöffneten Zustand hin nur noch die Federkräfte der Gasdruckfedern 3. Durch die Verwendung solcher unterschiedlicher elastischer Federelemente 60 und 60‘, die bei unterschiedlichen Verstellwinkeln 80 unterschiedlich wirksam sind, kann der nicht lineare Momentenverlauf des Verstellsystems 10 gemäß der oberen Diagramme wirkungsvoller mittels zwei unterschiedlichen linearen Federkennlinien der elastischen Federelementen 60 und 60‘ kompensiert werden, als dies bei der Verwendung lediglich eines Typ eines elastischen Federelements 60 der Fall ist. Durch den erfindungsgemäßen flachen Momentenverlauf 94, 96 über den gesamten Verstellwinkel 80 (0° bis 100°) kann das gesamte System mit dem Antriebsmotor 20 leichter für verschiedene Temperaturbereiche (–40° bis +100°C) oder für zusätzliche Belastungen wie Schneelast ausgelegt werden.
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 zusätzlichen elastischen Federelementen 60, 60‘ bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen variiert werden. Beispielsweise können die Federelemente 60, 60‘ auch als Zugfedern ausgebildet werden oder je nach Einbaulage der Gasdruckfedern 3 innerhalb dieser in dem freien Zylinder 34 oder im Bereich der Kolbenstange 38 oder auch außerhalb des Zylinders 34 angeordnet werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für das Verstellen von beweglichen Klappen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf die Verwendung im Kraftfahrzeug beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014208474 B3 [0002]

Claims

Verstellvorrichtung (10) zum motorischen oder manuellen Betätigen einer drehbar gelagerten Klappe (12) – insbesondere Heck-, Front- oder Kofferraumklappe – im Kraftfahrzeug, wobei die Klappe (12) mit Scharnieren um eine Drehachse (18) schwenkbar ist, mit mindestens zwei Gasdruckfedern (3), die das Gewicht der Klappe (12) bei deren Verstellvorgang zumindest teilweise kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gasdruckfedern (3) zusätzliche elastische Federelemente (60, 60‘) integriert sind, die das maximal notwendige Antriebs- und/oder Bremsmoment für die Klappe (12) – verglichen mit der Verwendung normaler Gasdruckfedern – reduzieren.
Verstellvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (60, 60‘) als Schraubfedern oder Spiralfedern ausgebildet sind.
Verstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (60, 60‘) unterschiedliche Federkennlinien aufweisen und insbesondere unterschiedliche Federkräfte und/oder Federwege bereitstellen.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckfeder (3) einen Zylinder (34) aufweiset, in dem ein Kolben (36) mit einer einseitig daran befestigten Kolbenstange (38) zur Übertragung des Unterstützungsmoments auf die Klappe (12) angeordnet ist, und das Federelement (60, 60‘) innerhalb des Zylinders (34) angeordnet ist – und sich insbesondere am Kolben (36) abstützt.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (60, 60‘) zwischen einem Zylinderboden (44) und der der Kolbenstange (38) abgewandten Seite des Kolbens (36) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (60, 60‘) im Bereich der Kolbenstange (38) auf der dem Zylinderboden (44) abgewandten Seite des Kolbens (36) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkräfte der unterschiedlichen Federelemente (60, 60‘) in unterschiedlichen Winkelbereichen (80) der Klappe (12) wirksam werden – wobei sich vorzugsweise die Winkelbereiche (80) für die unterschiedliche Federelemente (60, 60‘) überlappen.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (60, 60‘) die Federwirkung der Gasdruckfedern (3) unterstützen, insbesondere in einem Winkelbereich (80) zu Beginn des Öffnungsvorgangs der Klappe (12).
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten der Klappe (12) – insbesondere im Bereich der Scharniere (5) – eine erste und eine zweite – vorzugsweise identische – Gasdruckfeder (3) angeordnet sind, wobei in die erste Gasdruckfeder (3) ein erstes Federelement (60) integriert ist, das eine Federkennlinie aufweist, die sich von der des zweiten, in die zweiten Gasdruckfeder (3) integrierten Federelements (60‘) unterscheidet.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als motorische Antriebseinheit (20) ein Elektromotor (20) angeordnet ist, dem ein Getriebe (21) mit einem Abtriebselement (23) nachgeordnet ist, das das Antriebs- oder Bremsmoment auf die Klappe (12) überträgt – wobei insbesondere bei der Verwendung von mindestens zwei Gasdruckfedern (3) nur ein einziger Elektromotor (20) eingebaut ist.
Verstellvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckfedern (3) direkt mit der Klappe (12), oder an den Scharnieren (5) – insbesondere gelenkig – verbunden sind und ein Drehmoment in Öffnungsrichtung der Klappe (12) auf die Scharniere (5) übertragen.
Kraftfahrzeug (8) mit einer Verstellvorrichtung (10) nach einem dem vorhergehenden Ansprüche, wobei insbesondere die Gasdruckfedern (3) im Fahrzeugdach (14) integriert ausgebildet sind.
Verfahren zum Verstellen einer drehbar gelagerten Klappe (12) am Kraftfahrzeug (1) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Verfahrensschritten: – zum Halten der Klappe (12) in einer Gleichgewichtslage – insbesondere bei abgeschaltetem Antriebsmotor (20) – das Unterstützermoment der Gasdruckfedern (3) mit den integrierten elastischen Federelementen (60, 60‘) zusammen mit dem Rückdrehmoment der Antriebseinheit (20) und der Summe aller in der der Verstellvorrichtung (10) auftretenden Reibmomente das Gewicht der Klappe (12) – insbesondere in jeder Winkelposition (80) – kompensiert – zum Öffnen und Schließen der Klappe (12) der Antriebsmotor (20) ein Antriebsmoment oder ein Bremsmoment aufbringt, deren Gesamtbandbreite über den gesamten Verstellwinkel (80) und bei unterschiedlichen Randbedingungen, wie beispielsweise Fahrzeugneigung, Temperatur minimiert ist.