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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung eines Drehmomentes einer
um einen, eine Längsachse
aufweisenden Drehkörper
angeordneten, vorgespannten Feder sowie auf eine Verwendung des
Verfahrens. Verfahren zur Erhöhung von
Drehmomenten vorgespannter Federn sind bekannt. Dabei ist beispielsweise
vorgesehen, die vorgespannte Feder um eine drehbare Welle anzuordnen.
Beide Enden der vorgespannten Feder sind dabei an Anschlägen fixiert,
die zur drehbaren Welle gehören.
Oftmals ist es dabei gewünscht,
dass die auf diese Weise gelagerte, vorgespannte Feder für einen ersten
Winkelweg ohne Krafteinwirkung verdreht wird. Nach maximal einer
vollen Umdrehung der drehbaren Welle wird ein Ende der Feder an
einen Anschlag gebracht, der in der Regel einem Gehäuseteil
zuzuordnen ist. Wird anschließend
die Drehbewegung fortgesetzt, kommt es zur Erhöhung des Drehmomentes durch
die Einwirkung einer Kraft, die größer ist als die Vorspannkraft
der Feder. Bei diesem Verfahren ist jedoch nachteilig, dass die
vorgespannte Feder lediglich maximal eine volle Umdrehung ohne zusätzliche
Krafteinwirkung realisieren kann, bevor es dann zu einer Erhöhung des
Drehmoments kommt. In der Technik ist es jedoch öfters wünschenswert, dass die vorgespannte
Feder mehrere volle Umdrehungen absolviert, bevor es zu einer Erhöhung des
Drehmomentes kommt. Mit den bekannten Vorrichtungen ist eine Realisierung
dieser Wünsche
jedoch nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung eines
Drehmomentes einer um einen, eine Längsachse aufweisenden Drehkörper angeordneten,
vorgespannten Feder zu schaffen, bei dem es möglich ist, die Erhöhung des
Drehmomentes erst nach mehreren Umdrehungen der vorgespannten Feder
ohne zusätzliche
Krafteinwirkung einzuleiten. Gegenstand der Erfindung ist ferner
eine Verwendung des Verfahrens zur Erhöhung des Drehmomentes zu schaffen.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren
zur Erhöhung
eines Drehmomentes einer um einen, eine Längsachse aufweisenden Drehkörper angeordneten,
vorgespannten Feder gelöst,
deren erstes Ende und deren zweites Ende im Zustand der Vorspannung
an einem ersten Anschlag beziehungsweise an einem zweiten Anschlag
positioniert sind, die mit dem Drehkörper verbunden sind, bei dem
der Drehkörper
zunächst ohne äußere Krafteinwirkung
mindestens X Umdrehungen um eine Längsachse ausführt, wobei
das erste Ende bei jeder Umdrehung einmal in ein Nockenrad eingreift,
das mindestens X + 1 Zähne
und mindestens eine parallel zu den Zähnen angeordnete Nocke aufweist,
und dieses pro Umdrehung des Drehkörpers um einen Zahn weiterdreht,
bei dem der Drehkörper
nach mindestens X Umdrehungen fortführend der Drehbewegung im Zustand
der Vorspannung unterworfen wird, ist gleichzeitig das Nockenrad
mit seiner Nocke an einem dritten Anschlag anliegt und das erste
Ende in das Nockenrad eingreift und bei dem abschließend die
Drehbewegung fortgeführt
wird, wobei das erste Ende im Eingriff des Nockenrades verbleibt
und seine Positionierung am ersten Anschlag aufgehoben wird. Bei
dem vorhandenen Drehmoment im Ausgangszustand handelt es sich um
das Drehmoment, das durch die Vorspannung der Feder eingestellt
wird. Das erste Ende der vorgespannten Feder ist im ersten Anschlag
positioniert. Das zweite Ende der Feder ist im zweiten Anschlag
positioniert. Sowohl der erste Anschlag als auch der zweite Anschlag
sind mit dem Drehkörper verbunden.
Dabei kann es sich um eine direkte Verbindung handeln. Es ist jedoch
auch möglich,
den ersten Anschlag oder den zweiten Anschlag mit dem Drehkörper über mindestens
ein Verbindungsteil zu verbinden. Der Drehkörper führt zunächst ohne äußere Krafteinwirkung mindestens
X Umdrehungen um seine Längsachse,
die die Rotationsachse darstellt, aus. Ohne Krafteinwirkung meint
hier ohne Einwirkung von Kräften
sowohl auf das erste Ende als auch das zweite Ende der vorgespannten
Feder. Unter der Aussage "mindestens
X Umdrehungen" ist
zu verstehen, dass die Anzahl der Umdrehungen nicht ganzzahlig aber
größer 1 sein
muss. Dies ist abhängig
von der Ausgangsposition des ersten Endes der vorgespannten Feder
in Bezug auf die Position der Anordnung des Nockenrades. Die Nocke
ist parallel zu den Zähnen
angeordnet. Dies bedeutet nicht, dass die Nocke zwangsläufig direkt
benachbart zu einem Zahn des Nockenrades angeordnet sein muss. So
kann es beispielsweise auch möglich
sein, die Nocke in einer parallelen Ebene zu der Ebene der Zähne zwischen
zwei benachbarten Zähnen
anzuordnen. In der Regel ist es ausreichend, eine einzige Nocke
anzuordnen, sofern es nach der Getriebetechnologie möglich ist,
das Nockenrad mit X + 1 Zähnen
zu versehen, sofern X Umdrehungen ohne äußere Krafteinwirkung auf die
vorgespannte Feder zunächst
absolviert werden sollen, bevor eine Erhöhung des Drehmomentes durch
Spannen der vorgespannten Feder, die als Drehfeder ausgebildet sein kann,
erfolgt. Aus getriebetechnischen Gründen kann es jedoch erforderlich
sein, eine entsprechend größere Zahnanzahl
zu wählen,
was dann zur Folge hat, dass gegebenenfalls mehrere Nocken angeordnet
werden müssen,
um eine Erhöhung
des Drehmomentes nach Realisierung der X Umdrehungen ohne Krafteinwirkung
auf die vorgespannte Feder zu realisieren. In solchen Fall reichen
in der Regel zwei Nocken aus. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt,
dass nach dem Verfahren eine Erhöhung
des Drehmomentes der vorgespannten Feder relativ problemlos erfolgen
kann, wobei vorab mehrere Umdrehungen unter Beibehaltung der Vorspannkraft
der vorgespannten Feder realisiert werden können. Die Erhöhung des
Drehmomentes lässt
sich somit erst nach einer Umdrehung von 360°, in der Praxis eher sogar nach
mehreren Umdrehungen ohne zusätzliche
Krafteinwirkung auf die bereits vorgespannte Feder einleiten, was
in vielen technischen Bereichen gewünscht ist. Der dafür erforderliche
zusätzliche konstruktive
Aufwand ist äußerst gering.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die vorgespannte
Feder um eine als Drehkörper
angeordnete Welle angeordnet wird. Dies erleichtert die Anordnung
der vorgespannten Feder um den Drehkörper und vermeidet Beschädigungen
der vorgespannten Feder, die beispielsweise durch ein Vierkantmaterial,
das als Drehkörper eingesetzt
wird, entstehen könnten.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Eingreifen
des ersten Endes der Feder in ein selbsthemmendes Nockenrad. Als
selbsthemmendes Nockenrad kommt beispielsweise ein Nockenrad zum
Einsatz, das durch Reibungskräfte
selbsthemmend ist. Darunter ist zu verstehen, dass das Nockenrad
nicht selbstständig
ohne äußere Krafteinwirkung
in eine Drehbewegung versetzt wird beziehungsweise nach Einwirkung
der äußeren Kraft
nicht selbstständig
weiterdreht.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Nockenrad nach jeder Teilumdrehung um einen Zahn durch eine
zwischen zwei benachbarte Zähne
eingreifende Kugel lösbar
in seiner Position gehalten wird. Die Kugel wird in der Regel durch
eine Federkraft gegen das Nockenrad gedrückt. Sobald das Nockenrad um
einen Zahn weiterdreht, rastet die Kugel, bedingt durch beispielsweise
eine Federkraft, die auf sie einwirkt, in die benachbarte Lücke zweier
benachbarter Zähne
des Nockenrades ein. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein selbstständiges Weiterdrehen
des Nockenrades über
einen einzigen Zahn hinaus in besonders vorteilhafter Weise vermieden.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Nocke an
einem dritten Anschlag zum Anliegen gebracht wird, der ein Teil
des Gehäuses
einer Baueinheit ist, die aus dem drehbar gelagerten Nockenrad,
der Kugel, einem Anschlag und einer zwischen der Kugel und dem Anschlag
angeordneten Druckfeder besteht. Die Anordnung einer solchen Baugruppe
erleichtert die Durchführung
des Verfahrens, zumal die Kugel auf relativ einfache Weise direkt
am Nockenrad positioniert werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das zweite
Ende der Feder in einer als zweiten Anschlag angeordneten Bohrung
im Drehkörper
positioniert. Auf diese Weise wird vorteilhaft Bauraum eingespart.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Eingreifen des ersten Endes in das Nockenrad mit einer am
zweiten Ende angeordneten Hülse
erfolgt. Die Hülse
wird beispielsweise aus einem relativ weichen Kunststoffmaterial
gefertigt. Das Eingreifen des ersten Endes in das Nockenrad wird
auf diese Weise vereinfacht, so dass ein Verklemmen nahezu ausgeschlossen
werden kann und gleichzeitig der Verschleiß vermindert wird.
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Gegenstand
der Erfindung ist schließlich
die Verwendung des Verfahrens in einem Stellantrieb zur Einstellung
eines Ventilhubes eines Kraftfahrzeuges. Gerade die Einstellung
des Ventilhubes soll dabei auf relativ einfache Weise erfolgen,
was sich problemlos durch das erfindungsgemäße Verfahren realisieren lässt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung (1 bis 8)
näher und
beispielhaft erläutert.
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1 zeigt
den Drehkörper
mit vorgespannter Feder sowie dem Nockenrad in dreidimensionaler Form.
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2 zeigt
die Draufsicht auf den Drehkörper
und das Nockenrad sowie vorgespannter Feder nach drei Umdrehungen
im vorgespannten Zustand.
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3 zeigt
in der Draufsicht den Drehkörper und
das Nockenrad im Zustand der gerade einzuleitenden vierten Umdrehung
im Zustand der Vorspannung der vorgespannten Feder.
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4 zeigt
in der Draufsicht den Drehkörper und
das Nockenrad nach unmittelbarer Einleitung der vierten Umdrehung
im Zustand der Vorspannung der vorgespannten Feder.
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5 zeigt
in der Draufsicht den Drehkörper und
das Nockenrad kurz vor dem Abschluss der vierten Umdrehung im Zustand
der Vorspannung der vorgespannten Feder.
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6 zeigt
in der Draufsicht den Drehkörper und
das Nockenrad im Zustand der fortgeführten Drehbewegung nach Aufhebung
der Positionierung des ersten Endes am ersten Anschlag.
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7 zeigt
eine Baueinheit aus Nockenrad, Kugel, Anschlag und Druckfeder in
dreidimensionaler Form.
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8 zeigt
eine Vorrichtung zur Erhöhung eines
Drehmomentes einer um einen, eine Längsachse aufweisenden Drehkörper angeordneten,
vorgespannten Drehfeder nach dem Stand der Technik im Längsschnitt.
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In 1 sind
der als Welle ausgeführte Drehkörper 1 und
die vorgespannte Feder 2 dreidimensional dargestellt. Das
erste Ende 2a der vorgespannten Feder 2 greift
mit seinem ersten Ende 2a und der angeordneten Hülse 10 in
ein Nockenrad 3 ein, das mindestens X + 1 Zähne 3b aufweist.
Pro Umdrehung des Drehkörpers 1 wird
das Nockenrad 3 um einen Zahn 3b weitergedreht.
Das erste Ende 2a ist im Zustand der Vorspannung an einem
Anschlag 1a positioniert. Das Nockenrad 3 ist über eine Achse 4 in
einem Gehäuse 5 drehbar
gelagert.
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Das
Gehäuse 5 gehört zu einer
Baueinheit, die aus dem drehbar gelagerten Nockenrad 3,
einer Kugel 7, einem Anschlag 9 und einer zwischen
der Kugel 7 und dem Anschlag 9 angeordneten Druckfeder 8 besteht.
Die Kugel 7 ist dabei so beschaffen, dass sie in die Lücke zwischen
zwei benachbarten Zähnen 3b eingreifen
kann. Auf diese Weise kann das Nockenrad 3 lösbar positioniert
werden, wodurch sichergestellt ist, dass sich das Nockenrad 3 pro
Umdrehung des Drehkörpers 1 nicht
weiter als um einen einzigen Zahn 3b dreht. Der erste Anschlag 1a ist über ein
Verbindungsteil 1c mit der als Drehkörper 1 angeordneten
Welle verbunden. Es ist jedoch auch möglich, den ersten Anschlag 1a direkt
an dem Drehkörper 1 anzuordnen.
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In 2 sind
in der Draufsicht der Drehkörper 1 und
das Nockenrad 3 für
den Fall dargestellt, dass bereits 3 Umdrehungen im Zustand der
Vorspannung der vorgespannten Feder 2 erfolgt sind. 2 bis 6 zeigen
beispielhaft den Fall für
X = 4. Demzufolge hat das Nockenrad 3 fünf Zähne 3b und es ist
zunächst
vorgesehen, den Drehkörper 1 ohne äußere Krafteinwirkung
vier Umdrehungen um seine Längsachse
ausführen
zu lassen, bevor eine Erhöhung
des Drehmomentes eingeleitet wird. Sobald beispielsweise nur zwei
volle Umdrehungen und eine Teilumdrehung von 270° realisiert worden sind, ergibt
sich eine Positionierung, wie in 2 dargestellt,
sofern die Drehbewegung eingeleitet wurde, als das erste Ende (2a)
zwischen zwei Zähnen
(3b) des Nockenrades (3) im Eingriff war. Die
Welle 1 dreht sich im Uhrzeigersinn in Pfeilrichtung. Auf
die vorgespannte Feder 2 wirken dabei keine zusätzlichen
Kräfte
von außen
ein. Das erste Ende 2a der vorgespannten Feder 2 liegt
am ersten Anschlag 1a an, der mit dem Drehkörper 1 verbunden
ist (nicht dargestellt). Das erste Ende 2a weist eine angeordnete
Hülse 10 auf,
die das Eingreifen in das Nockenrad 3 erleichtern soll.
Das Nockenrad 3 ist über
die Achse 4 drehbar gelagert und weist eine Nocke 3a auf,
die direkt benachbart zu einem Zahn 3b parallel zur Ebene
der Zähne 3b angeordnet
ist. Das Nockenrad 3 und die Nocke 3a werden in
der Regel vorteilhaft als Einzelteil gefertigt. Das zweite Ende 2b der vorgespannten
Feder 2 ist in einer als zweiter Anschlag 1b angeordneten
Bohrung im Drehkörper 1 positioniert.
In die Lücke
zwischen zwei benachbarten Zähnen 3b des
Nockenrades 3 greift eine Kugel 7 ein, die durch
die Druckfeder 8, die auf ihrer, der Kugel 7 abgewandten
Seite an einem Anschlag 9 anliegt, gegen das Nockenrad 3 gedrückt wird.
Durch die weitere Drehung der als Drehkörper 1 angeordneten
Welle im Uhrzeigersinn bewegt sich die Nocke 3a auf einen
dritten Anschlag 6 zu, der entweder in einem Gehäuse (nicht
dargestellt) angeordnet ist oder ein Teil einer Baugruppe (nicht
dargestellt) ist, in welcher auch die Kugel 7 gelagert
ist.
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3 zeigt
in der Draufsicht den Drehkörper 1 mit
dem Nockenrad 3. Ausgehend von der in 2 dargestellten
Position ist eine weitere Drehung des Drehkörpers 1 im Uhrzeigersinn
erfolgt, was direkt zu einem Eingriff des ersten Endes 2a in
das Nockenrad 3 geführt
hat. Durch dieses Eingreifen wird gleichzeitig sichergestellt, dass
die Kugel 7 gegen die Kraft der Druckfeder 8 in
Richtung auf den Anschlag 9 bewegt wird.
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In 4 ist
die Draufsicht auf den Drehkörper 1 und
das Nockenrad 3 dargestellt, die sich als weitere Umdrehung
des Drehkörpers 1 aus
der in 3 dargestellten Position ergibt. Die Kugel 7 ist durch
die Kraft der Druckfeder 8 erneut in eine Position zwischen
zwei Zähnen 3b des
Nockenrades 3 gebracht worden. Die Nocke 3a liegt
inzwischen fest am dritten Anschlag 6 an. Somit ist lediglich
nur noch eine volle Umdrehung des Drehkörpers 1 im Zustand der
Vorspannung der vorgespannten Feder 2 möglich.
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In 5 ist
die Draufsicht auf den Drehkörper 1 und
das Nockenrad 3 kurz vor Ablauf der letzten Drehbewegung
im Zustand der Vorspannung der vorgespannten Feder 2 dargestellt.
Das zweite Ende 2a greift nun erneut in das Nockenrad 3 ein,
das jedoch aufgrund des Anliegens der Nocke 3a am dritten
Anschlag 6 nicht erneut um einen weiteren Zahn 3b gegen
den Uhrzeigersinn verdreht werden kann. Eine weitere Verdrehung
des Drehkörpers 1 im
Uhrzeigersinn führt
somit dazu, dass das zweite Ende 2a in der dargestellten
Position im Nockenrad 3 verbleibt.
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In 6 ist
die Draufsicht des Drehkörpers 1 und
des Nockenrades 3 ausgehend von der in 5 dargestellten
Position dargestellt. Ausgehend von der in 5 dargestellten
Position wurde inzwischen die Drehbewegung fortgeführt, wobei
das erste Ende 2a im Eingriff des Nockenrades 3 verblieben
ist und seine Positionierung am ersten Anschlag 1a aufgehoben
wurde. Dies ist dadurch realisiert worden, dass der erste Anschlag 1a weiterhin
die Drehbewegung vollführt
hat. Während
dieser Bewegung wird das durch die Vorspannung vorhandene Drehmoment
weiter erhöht,
wobei der Winkel α den
zusätzlichen
Verdrehwinkel darstellt.
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In 7 ist
eine Baueinheit dargestellt, die aus dem drehbar gelagerten Nockenrad 3,
der Kugel 7, einem Anschlag 9 und einer zwischen
der Kugel 7 und dem Anschlag 9 angeordneten Druckfeder 8 besteht.
Ein Teil des Gehäuses 5 der
Baueinheit bildet dabei gleichzeitig den dritten Anschlag 6 für die Nocke 3a des
Nockenrades 3. Die Baueinheit ist relativ kompakt gestaltet
und kann in besonders vorteilhafter Weise auch nachgerüstet werden.
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In 8 ist
ein Drehkörper 1* mit
einer vorgespannten Feder 2* nach dem Stand der Technik
im Längsschnitt
dargestellt. Die vorgespannte Feder 2* ist mit ihrem ersten
Ende 2a* und ihrem zweiten Ende 2b* an einem ersten
Anschlag 1a* beziehungsweise an einem zweiten Anschlag 1b* positioniert.
Im Zustand der Vorspannung der vorgespannten Feder 2* kann
der Drehkörper 1* maximal
eine Umdrehung von 360° absolvieren.
Spätestens
dann gelangt das erste Ende 2a* der vorgespannten Feder 2* gegen
einen vierten Anschlag 3*, der beispielsweise fest mit einem
Gehäuse
verbunden ist. Bei weiterer Verdrehung erfolgt automatisch eine
Erhöhung
des Drehmomentes, was in vielen technischen Fällen erst nach weiteren Umdrehungen
im Zustand der Vorspannung der vorgespannten Feder 2* gewünscht ist.
Diese Verfahrensweise nach dem Stand der Technik ist somit ausgesprochen
nachteilig.