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Die Erfindung betrifft einen Linearaktuator umfassend zwei teleskopisch in- und auseinanderbewegbare Rohre, die über ein im inneren Rohr angeordnetes Federelement miteinander gekoppelt sind, sowie einen Stellmotor, über den die beiden Rohre gegeneinander verschiebbar sind, sowie eine die beiden Rohre in der jeweiligen Relativposition zueinander festlegende Bremseinrichtung.
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Derartige Linearaktuatoren kommen in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Verwendung als Heckklappenaktuator. Ein solcher Heckklappenaktuator dient dazu, die Heckklappe eines Kraftfahrzeugs automatisch zu öffnen und zu schließen. Ein solcher Linearaktuator umfasst üblicherweise zwei teleskopisch in- und auseinanderbewegbare Rohre. Im inneren Rohr befindet sich üblicherweise ein Federelement, zumeist eine Schraubenfeder, über die die beiden Rohre miteinander gekoppelt sind, das heißt, dass sie üblicherweise gegen das Federelement ineinander schiebbar sind, sich also eine Rückstellkraft aufbaut, und mit Unterstützung des Federelements auseinander bewegbar sind. Die eigentliche Rohrverschiebung erfolgt über einen Stellmotor mit rotierendem Abtrieb in Verbindung mit einem Gewindespindeltrieb, dessen Mutter mit dem zweiten Rohr gekoppelt ist, so dass durch eine längs der Gewindespindel erfolgende Mutterbewegung das zweite Rohr relativ zum ersten Rohr bewegt werden kann. Die Auslegung ist dabei derart, dass die Federkraft und die Gewichtskraft der Heckklappe sich nahezu ausgleichen, so dass zum Aufstellen und Absenken der Heckklappe eine relativ geringe Motorleistung erforderlich ist.
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Durch Bauraumanforderungen an den Heckklappenaktuator muss dieser möglichst klein im Durchmesser und in seiner Länge ausgelegt werden. Um dennoch die nötige Stellkraft zu erreichen, lässt man den dann auch zwangsläufig klein dimensionierten Motor im Betrieb relativ schnell laufen und erreicht über ein nachgeschaltetes Getriebe eine entsprechende hohe Stellkraft. Zur Festlegung der beiden Rohre in der jeweiligen Stellposition ist eine Bremseinrichtung vorgesehen, die rotativ arbeitet und bei einem Betrieb des Stellmotors und damit des Spindeltriebs mechanisch gelöst wird und bei Erreichen der Zielposition mechanisch schließt und bremst.
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Durch die vorstehend beschriebene hohe Drehzahl des Stellmotors entstehen durch die Anbindung des Aktuators beispielsweise an die Fahrzeugkarosserie, die einen Resonanzkörper darstellt, relativ laute, starke Geräusche, was unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Linearaktuator anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stellmotor ein Linearmotor ist, und dass eine zwischen einer Freigabestellung bei Betrieb des Linearmotors und einer Bremsstellung bei stehendem Linearmotor schaltbare Bremseinrichtung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß wird als Stellmotor ein nahezu geräuschlos arbeitender Linearmotor vorgesehen, der, anders als ein rotierend arbeitender Stellmotor, die Rohrverstellung über eine reine Translationsbewegung wirkt. Er umfasst in an sich bekannter Weise einen beweglichen Teil, den Läufer, der bevorzugt mit dem inneren Rohr gekoppelt ist, sowie einen feststehenden Teil, den sogenannten Stator, der positionsfest mit dem äußeren Rohr und dem unteren Ende des Federelements respektive einer dieses tragenden Platte oder dergleichen verbunden ist. Wird der Läufer längs des Stators linear verschoben, wird das innere Rohr aus dem äußeren Rohr herausgeschoben, wobei dies durch das sich entspannende Federelement unterstützt wird, das heißt, dass die Federkraft die Anhebebewegung der Heckklappe unterstützt. Wird der Läufer in die entgegengesetzte Richtung bewegt, so wird das innere Rohr in das äußere Rohr wieder eingezogen, gleichzeitig wird das Federelement unter Aufbau einer Rückstellkraft komprimiert. Durch die Integration des Linearmotors kann folglich der Linearaktuator nahezu geräuschlos betrieben werden.
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Da der Linearmotor keine Selbsthemmung besitzt, ist die Integration einer Bremseinrichtung erforderlich. Erfindungsgemäß handelt es sich vorliegend um eine aktiv schaltbare Bremseinrichtung, die also definiert zwischen einer Freigabestellung bei Betrieb des Linearmotors, wenn also die Rohrverschiebung erfolgen soll, und einer Bremsstellung bei stehendem Linearmotor, wenn also die Zielposition eingenommen ist, geschaltet werden kann, mithin also über ein entsprechendes Schalt- oder Steuersignal der Betriebsmodus der Bremseinrichtung verändert werden kann. Sie wird also gezielt bestromt oder nicht bestromt, um die Bremseinrichtung zwischen der Freigabe und der Bremsstellung zu schalten.
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Durch die erfindungsgemäße Integration einer solchen aktiv und definiert schaltbaren Bremseinrichtung ist daher trotz Integration eines nicht selbsthemmend wirkenden Linearmotors eine Sicherung der eingenommenen Zielposition in jeder Betriebsstellung möglich.
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Damit lässt der erfindungsgemäße Aktuator einen nahezu geräuschlosen, gleichzeitig aber auch die jeweilige Zielposition sichernden Betrieb zu.
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Die Bremseinrichtung weist bevorzugt ein bestrombares Schalt- oder Stellelement auf, wobei durch Variation der Bestromung die Bremseinrichtung zwischen der Freigabe- und der Bremsstellung schaltbar ist. Ein solches Schalt- oder Stellelement kann beispielsweise ein Stellzylinder oder ein Hubmagnet oder Ähnliches sein, mithin also ein Schalt- oder Stellelement, das eine gewisse aktive Stellbewegung durchführt, um die Bremswirkung zu erwirken oder selbige zu lösen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Bremseinrichtung im bestromten Zustand in die Freigabestellung und im unbestromten Zustand in die Bremsstellung schaltbar ist. Das heißt, dass die Funktion der Bremseinrichtung mit dem Bestromungszustand des Linearmotors einhergeht, da auch dieser zu bestromen ist, um ihn zu betreiben, mithin also den Läufer relativ zum Stator zu verfahren. In der Zielposition kann der Linearmotor sodann wieder entregt werden. Dies ermöglicht es mit besonderem Vorteil, dass die Bremseinrichtung und der Linearmotor synchron bestrombar sind. Zur Steuerung des gesamten Betriebs ist beispielsweise eine gemeinsame Steuerungseinrichtung vorgesehen, die den Bestromungsbetrieb sowohl des Linearmotors als auch der Bremseinrichtung steuert. Über diese Steuerungseinrichtung kann synchron ein Steuersignal an den Linearmotor wie auch an die Bremseinrichtung gegeben werden, das eine, um den Linearmotor zu bestromen und folglich den Läufer relativ zum Stator zu bewegen, das andere, um die geschlossene Bremseinrichtung in die Freigabestellung zu schalten und in dieser zu halten. Ist die Zielposition erreicht, wird der Linearmotor entregt, gleichzeitig wird auch die Bremseinrichtung entregt, mithin also nicht mehr bestromt, so dass sie sich unmittelbar schließt.
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Bevorzugt ist die Bremseinrichtung manuell überdrückbar. Dies ist zweckmäßig, als bei Integration im Kraftfahrzeug die Möglichkeit für den Anwender gegeben sein muss, die Heckklappe bei Bedarf auch manuell, also ohne Aktion des Linearmotors öffnen und insbesondere schließen zu können. Die Bremseinrichtung ist dabei derart ausgelegt, dass sie von Hand mit einer Kraft von ca. 50 - 100 N überdrückt werden kann. Die Bremseinrichtung, also beispielsweise die Reibungsbremse, bleibt dabei natürlich geschlossen, das heißt, dass der Reibschluss nach wie vor gegeben ist, jedoch manuell überdrückt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorliegend die Bremseinrichtung als Schlingfederkupplung ausgeführt. Eine solche Schlingfederkupplung erlaubt auf einfache Weise das schaltbare Feststellen und Lösen zweier relativ zueinander beweglicher Bauteile, vorliegend also der beiden Rohre, unter Verwendung eines entsprechenden, hier bestrombaren, also definiert ansteuerbaren Schalt- oder Stellelements.
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Zweckmäßigerweise weist die Schlingfederkupplung eine über das Schalt- oder Stellelement aufweitbare Schlingfeder auf, die relativ zu einem der Rohre positionsfest ist und von einem Klemmkörper, der mit dem anderen Rohr verbunden ist und an dem die Schlingfeder in der Klemmstellung angreift, durchsetzt ist. Der Klemmkörper, bevorzugt in Form einer Klemmstange, durchgreift also die als Schraubenfeder ausgeführte Schlingfeder. Die Schlingfeder ihrerseits ist mit dem Schalt- oder Stellelement gekoppelt, derart, dass sie bei einer Ansteuerung respektive Betätigung des Schalt- oder Stellelements geringfügig aufgeweitet werden kann. In der Klemmstellung ist die Schlingfeder zusammengezogen, und liegt klemmend bzw. in festem Reibschluss an der bevorzugt im Querschnitt runden Klemmstange an. Da die Schlingfeder mit dem einen Rohr und die Klemmstange mit dem anderen Rohr verbunden ist, ist demzufolge die Rohrposition hierüber arretiert. Wird nun das Schalt- oder Stellelement angesteuert, so wird durch dessen Aktion die Schlingfeder geringfügig aufgeweitet, so dass die Klemmanlage an der Klemmstange gelöst wird und die Klemmstange durch die Schlingfeder gezogen oder geschoben werden kann, resultierend aus der bevorzugt synchronen Ansteuerung des Linearmotors. Wird das Schalt- oder Stellelement, vorzugsweise wiederum synchron zum Linearmotor, nicht länger bestromt, also entregt, so wird die Schlingfeder wieder in die Klemmstellung überführt, sie zieht sich also, da durch das Aufweiten eine Rückstellkraft aufgebaut wurde, selbsttätig wieder zusammen und umgreift klemmend die Klemmstange. Die Ansteuerung des Schalt- und Stellelements sowie des Linearmotors erfolgt bevorzugt über eine gemeinsame Steuerungseinrichtung.
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Um die Funktion der Schlingfeder zu gewährleisten, ist die Schlingfeder zweckmäßigerweise mit einem Ende in einem verdrehfest angeordneten Halter angeordnet, während sie mit dem anderen Ende mit dem Schalt- oder Stellelement gekoppelt ist. Die Schlingfeder, der Halter und das Schalt- oder Stellelement sind relativ zu demselben Rohr positionsfest angeordnet. Da der Halter verdrehfest angeordnet ist, ist die Schlingfeder demzufolge in Umfangsrichtung an dem Halter abgestützt. Wird nun das Schalt- oder Stellelement betätigt, so greift dieses direkt oder indirekt am anderen Ende der Schlingfeder an und weitet diese, verdreht sie also geringfügig in Umfangsrichtung, so dass die Klemmung gelöst wird. Durch die Fixierung im Halter geschieht dies gegen die Rückstellkraft der Schlingfeder, denn diese wird bevorzugt geöffnet, wenn das Schalt- oder Stellelement bestromt wird und schließt auch automatisch, wenn dieses entregt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zwischen dem Schalt- oder Stellelement und der Schlingfeder ein Kupplungselement angeordnet sein, das über das Schalt- oder Stellelement betätigbar ist und das die Schlingfeder aufweitet. Gemäß dieser Erfindungsausführungsgestaltung ist folglich das Schalt- oder Stellelement nicht unmittelbar mit der Schlingfeder gekoppelt, sondern über ein Kupplungselement. Dies ist zweckmäßig, als hierüber eine entsprechend große Entfernung zwischen dem Schalt- und Stellelement, das bevorzugt an Rohrende angeordnet ist, und der Schlingfeder, die, da die Rohre relativ zueinander verschoben werden, rohrmittig angeordnet ist, überbrückt werden kann.
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Handelt es sich bei dem Schalt- oder Stellelement um einen rotierend arbeitenden Stellmotor, der also eine Rotationsbewegung durchführt, so kann diese Rotationsbewegung über das Kopplungselement, beispielsweise ein Rohr oder dergleichen, direkt als Drehbewegung auf die Schlingfeder übertragen werden. Handelt es sich jedoch, wie erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen ist, bei dem Schalt- oder Stellelement um einen Stellzylinder, so ist das Kopplungselement erfindungsgemäß zum Umsetzen der linearen Stellbewegung des Stellzylinders in eine auf die Schlingfeder zu übertragende Drehbewegung ausgebildet. Der Stellzylinder, beispielsweise ausgeführt als Hubmagnet, erwirkt eine lineare Stellbewegung. Diese wird nun über das Kopplungselement, das beispielsweise als entsprechende Schaltkulisse ausgeführt sein kann, in eine in Umfangsrichtung gerichtete Drehbewegung umgesetzt. Da das Kopplungselement mit dem Schlingfederende verbunden ist, wird folglich die umgesetzte Drehbewegung auf die Schlingfeder zum Aufweiten übertragen.
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Bevorzugt ist das Schalt- oder Stellelement um die Schlingfeder, gegebenenfalls auch der Halter und das Kopplungselement positionsfest im inneren Rohr und dort innerhalb des als Schraubenfeder ausgeführten Federelements angeordnet, während der Klemmkörper positionsfest im äußeren Rohr angeordnet ist. Die Schlingfederbremse ist folglich mit ihren zentralen Bauteilen im inneren Rohr und dort innerhalb des als Schraubenfeder ausgeführten Federelements angeordnet, lediglich die Klemmstange ist am äußeren Rohr positionsfest angeordnet respektive relativ zu diesem positionsfest, sie erstreckt sich, zumindest bei zusammengefahrenem Linearaktuator, bis weit in das innere Rohr, so dass folglich im Rahmen des Hubes eine hinreichende Linearbewegung der beiden Rohre relativ zueinander möglich ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 Eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Linearaktuators, und
- 2 eine vergrößerte Prinzipdarstellung der Schlingfederkupplung.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Linearaktuator 1, umfassend ein äußeres Rohr 2 sowie ein innerhalb des äußeren Rohres 2 verschiebbares respektive teleskopierbar aufgenommenes inneres Rohr 3. In diesem ist ein Federelement 4, einer eine Schraubenfeder, aufgenommen. Der Linearaktuator 1 dient beispielsweise zum automatischen Auf- und Zuschwenken einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs. Hierzu ist er an dem Befestigungspunkt 5 beispielsweise positionsfest karosserieseitig angebunden, während er mit dem Befestigungspunkt 6 an der Heckklappe befestigt ist.
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Zur Verschiebung der Rohre 2, 3 relativ zueinander ist ein Linearmotor 7 vorgesehen, umfassend einen Stator 8, der positionsfest im äußeren Rohr 2 angeordnet ist. Über diesen respektive auf diesem Stator 8 läuft ein Läufer 9, der mit dem inneren Rohr 3 verbunden ist. Der Betrieb wird über eine Steuerungseinrichtung 10 gesteuert, das heißt, diese steuert respektive regelt die Bestromung des Linearmotors.
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Wird der Läufer 9 ausgehend von der in 1 gezeigten zusammengefahrenen Stellung nach links gefahren, so wird das Rohr 3 ausgeschoben. Da in der zusammengefahrenen Stellung das Federelement 4 komprimiert ist, unterstützt dieses diese Bewegung und damit das Aufschwingen der Heckklappe. Dabei ist ein nahezu vollständiger Gewichts- respektive Momentenausgleich gegeben, nachdem die Federkraft des Federelements 4 und die Gewichtskraft der Heckklappe sich nahezu ausgleichen. Daher ist zum Aufschwenken und Absenken der Heckklappe eine relativ geringe Motorleistung erforderlich.
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Zum Absenken der Heckklappe wird der Läufer 9 in die andere Richtung, also in die in 1 gezeigte Stellung zurückgeschoben, wobei das Federelement 4 wieder komprimiert wird.
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Vorgesehen ist des Weiteren eine Bremseinrichtung 11 in Form einer Schlingfederkupplung 12. Diese umfasst eine Schlingfeder 13, die um einen Klemmkörper 14 in Form einer Klemmstange 15, die positionsfest relativ zum äußeren Rohr 2 angeordnet ist, gewickelt ist. Der Klemmkörper 14 ist an einem Befestigungsbauteil 16, das am Stator 8 angeordnet ist, befestigt. An diesem Befestigungsbauteil 16 ist ersichtlich auch das Federelement 4 abgestützt.
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Die Schlingfeder 13 ihrerseits ist mit ihrem einen Ende 17 in einem positionsfest im inneren Rohr 3 angeordneten Halter 18 fixiert, ist dort also abgestützt. Das andere Ende 19 der Schlingfeder ist mit einem Kopplungselement 20 verbunden, das dazu dient, eine über ein Schalt- oder Stellelement 21 auf das Kopplungselement 20 ausgeübte Linearbewegung in eine Umfangs- oder Drehbewegung zu wandeln. Das Schalt- oder Stellelement 21 ist hier beispielsweise als Hubmagnet ausgeführt, der über eine linear verschiebbare Verbindungsstange 22 mit dem Kopplungselement 20 verbunden ist. Die Verschiebebewegung der Verbindungsstange 22 in beide Richtungen ist durch den Doppelpfeil P1 dargestellt. Das Kopplungselement ist beispielsweise als Schaltkulisse oder dergleichen ausgeführt oder umfasst eine solche. Wird nun das Schalt- oder Stellelement 21, das ebenso wie der Linearmotor 7 über die gemeinsame Steuerungseinrichtung 10 angesteuert, also bestromt, so wird die Verbindungsstange axial nach rechts verschoben, was dazu führt, dass über das Kopplungselement 20 das Ende der Schlingfeder in Umfangsrichtung gedrückt wird. Es kommt hierbei zu einem Aufweiten der zuvor in Klemmanlage an der Klemmstange 15 anliegenden Schlingfeder 13. Der klemmende Umgriff, damit aber auch die Bremse respektive Positionsfeststellung der beiden Rohre 2, 3 relativ zueinander wird gelöst. Die Klemmstange 15 kann reibungsfrei oder mit nur geringer Restreibung durch die Schlingfeder 13 bei Betrieb des Linearmotors 7 geschoben werden.
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Ist die gewünschte Endposition erreicht, so wird der Linearmotor 7 entregt, auch das Schalt- oder Stellelement 21 wird nicht mehr betätigt respektive entregt, so dass die Verbindungsstange 22 wieder zurückgezogen wird. Das führt dazu, dass das Kopplungselement 20 das Ende 19 der Schlingfeder 13 wieder entlastet, so dass die aufgedehnte Schlingfeder 13 sich selbsttätig wieder zusammenzieht und in Klemmanlage an der Klemmstange 15 anliegt. Diese wird dabei wieder klemmend fixiert, mit ihr aber auch das Rohr 2, mit dem die Klemmstange verbunden ist, relativ zum Rohr 3, mit dem die Bremseinrichtung 11 verbunden ist.
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Bevorzugt wird der Linearmotor 7 und das Schalt- oder Stellelement 21 synchron bestromt oder entstromt, so dass das Öffnen der Bremse simultan mit dem Einsetzen der Linearverschiebung seitens des Linearmotors 7 einsetzt und ebenso die Bremse simultan mit dem Motorstopp wieder schließt.
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2 zeigt in einer vergrößerten Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Bremseinrichtung 11. Gezeigt ist zum einen die Schlingfeder 13, die mit ihrem Ende 17 in dem Halter 18, der beispielsweise scheibenförmig ausgeführt ist und am inneren Rohr 3 innenseitig fixiert ist, aufgenommen und verdrehsicher angeordnet ist. Der Halter 18 selbst ist natürlich ebenfalls verdrehsicher am inneren Rohr 3 fixiert.
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Das gegenüberliegende Ende 19 der Schlingfeder 13 ist mit dem Kopplungselement 20 verbunden, das ebenfalls positionsfest innerhalb des inneren Rohres 3 angeordnet ist, mithin also mit diesem bewegt wird. Beispielsweise ist ein mit einer Kulisse ausgeführter Mitnehmer 23 am Kopplungslement 20 vorgesehen, der um die Drehachse 24 bei einer Längsverschiebung der Verbindungsstange 22 des Schalt- oder Stellelements 21 gedreht wird und dabei das Ende 19 der Schlingfeder 13 in Umfangsrichtung veschiebt, so dass die Schlingfeder 13 geöffnet wird. Hierdurch gelangt sie aus ihrer Klemmanlage an der Klemmstange 15, die vorzugsweise zylinderischem Querschnitts ist. Exemplarisch ist in 2 dargestellt, dass bei gelöster Verklemmung, also bei gelöster Bremse die Klemmstange 15 durch die Schlingfeder 13 geschoben werden kann, was gleichbedeutend damit ist, dass die beiden Rohre 2, 3 relativ zueinander bewegt werden. Diese Verschiebebewegung ist durch den Doppelpfeil P2 dargestellt.
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Um die Bremseinrichtung 11 wieder zu schließen, wird des Schalt- oder Stellelement 21, also der Hubmagnet wieder entregt, es kommt dazu, dass die Verbindungsstange 22 wieder nach links bewegt wird, das Kopplungselement 20 entlastet das Ende 19 der Schlingfeder 13 wieder, so dass diese sich, da zuvor unter aufbauender Rückstellkraft aufgeweitet, wieder zusammenzieht und in Klemmanlage an die Klemmstange 15 legt. Damit ist die Relativposition der Rohre 2, 3 zueinander wieder fixiert.
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Die Schlingfederkupplung 12 ist dabei derart ausgelegt, dass sie manuell vorzugsweise mit einer Kraft von 50 - 100 N überdrückt werden kann, um bei Bedarf der Heckklappe von Hand zu öffnen oder zu schließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearaktuator
- 2
- Äußeres Rohr
- 3
- Inneres Rohr
- 4
- Federelement
- 5
- Befestigungspunkt
- 6
- Befestigungspunkt
- 7
- Linearmotor
- 8
- Stator
- 9
- Läufer
- 10
- Steuerungseinrichtung
- 11
- Bremseinrichtung
- 12
- Schlingfederkupplung
- 13
- Schlingfeder
- 14
- Klemmkörper
- 15
- Klemmstange
- 16
- Befestigungsbauteil
- 17
- Schlingfederende
- 18
- Halter
- 19
- Schlingfederende
- 20
- Kopplungselement
- 21
- Schalt- oder Stellelement
- 22
- Verbindungsstange
- 23
- Mitnehmer
- 24
- Drehachse
