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Verwendung
in einem solchen Mechanismus. Winkelbewegungsaktuator und Zahnrad
mit Anschlag dafür
EP 1024268A offenbart
die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die
Erfindung betrifft einen Winkelbewegungsaktuator, der Folgendes
umfasst: ein Zahnrad, das dergestalt an einer Stützkonstruktion angebracht ist,
dass es relativ zu der Stützkonstruktion
eine intermittierende Drehbewegung im Uhrzeigersinn und entgegen
dem Uhrzeigersinn innerhalb eines Bogens, der durch eine erste Winkelposition α1 und eine
zweite Winkelposition α2
des Zahnrades begrenzt wird, vollführen kann; einen von der Stützkonstruktion
getragenen Antriebsmotor mit einem aktiven Modus und einem nicht-aktiven
Modus, wobei ein Antriebszahnrad antriebsmäßig mit dem Antriebsmotor und
dem Zahnrad gekoppelt ist und in einem aktiven Modus des Antriebsmotors
das Zahnrad in eine Drehbewegung von der ersten Position α1 zu der
zweiten Position α2
versetzt; und eine Spiraltorsionsrückholfeder, die an einem Ende
davon mit dem Zahnrad und am anderen Ende davon mit der Stützkonstruktion
verbunden ist und die bei einer Drehbewegung des Zahnrades von der
ersten Winkelposition α1
zu der zweiten Winkelposition α2
während
des aktiven Modus des Antriebsmotors entgegen ihrer Vorspannung
gebogen wird und sich im nicht-aktiven Modus des Antriebsmotors
entspannt, indem sie das Zahnrad dazu drängt, von der zweiten Winkelposition α2 zu der
ersten Winkelposition α1
zurückzukehren. Der
Gebrauch solcher Winkelbewegungsaktuatoren ist aus verschiedenen
Anwendungen wie beispielsweise automatischen Türverriegelungssystemen und Drosselklappenstellgliedern
bekannt. Solche Mechanismen werden im Allgemeinen von einem Elektromotor
angetrieben, der im Wechsel vom nicht-aktiven Modus in den aktiven
Modus und umgekehrt ein- und ausgeschaltet wird, um diese intermittierende
Drehbewegung des Zahnrades im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn
zu bewirken.
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Im
aktiven Modus gibt der Motor eine Drehbewegung ab, die durch das
Antriebszahnrad zum Zahnrad übertragen
wird und eine Biegebelastung verursacht, die sich in dem zunehmenden
Biegen der Spiraltorsionsrückholfeder
akkumuliert, bis das Zahnrad seine zweite Winkelposition erreicht.
Wenn der Motor abgeschaltet wird, so setzt die Spiraltorsionsfeder
ihre Biegebelastung frei, indem sie das Zahnrad dazu drängt, sich
in Richtung seiner ersten Winkelposition zurückzudrehen. Diese Rückholdrehbewegung
wird durch Blockieren des Zahnrades gestoppt, sobald es seine erste
Winkelposition erreicht. Um ein Blockieren mit vollständigem Anhalten
zu gewährleisten,
lässt man
das Zahnrad oder ein Glied, das sich mit dem Zahnrad mitbewegt,
indem es beispielsweise an dem Zahnrad befestigt ist, im Allgemeinen
gegen ein Element, das zur Stützkonstruktion
gehört
oder daran befestigt ist, genau in dem Moment stoßen, in
dem das Zahnrad seine erste Winkelposition erreicht. Je nach der
Reibung und Massenträgheit
des Zahnrades, des Antriebszahnrades und des Antriebsmotors einerseits
und der Biegeenergie der Spiraltorsionsrückholfeder andererseits können durch
das Aufschlagen beim Aufprall des Gliedes auf dem Element wichtige
Teile des Winkelbewegungsaktuators deformiert oder auf andere Weise
beschädigt
werden, was zu einem vorzeitigen Verschleiß und/oder einer Fehlfunktion
des Mechanismus' führt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun die besonders schädliche Auswirkung
der Aufschlagenergie, die bei einem plötzlichen vollständigen Anhalten
des Zahnrades in der ersten Position freigesetzt wird, erkannt.
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Folglich
ist es unter anderem eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Winkelbewegungsaktuator bereitzustellen, der eine kostengünstig zu
implementierende und ausreichende Aufprallstoßdämpfung beim plötzlichen
vollständigen
Anhalten der durch die Feder bewirkten Drehbewegung des Zahnrades
in seiner ersten Position bietet.
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Darum
ist ein erfindungsgemäßer Winkelbewegungsaktuator
durch einen flexiblen Anschlag gekennzeichnet, der durch ein erstes
Glied gebildet wird, das strukturell an dem Zahnrad befestigt ist
und in der ersten Position α1
einen ersten Vorsprung der Stützkonstruktion
in Eingriff nimmt, um die durch die Spiraltorsionsrückholfeder
bewirkte Drehbewegung des Zahnrades zu blockieren, wobei das erste
Glied beim Aufprall auf den ersten Vorsprung gebogen wird.
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Die
Erfindung stellt eine einfache Implementierung des Anschlages bereit,
wobei die Aufprallenergie durch die Flexibilität des Gliedes gedämpft wird, wodurch
schädliche
Energiespitzen beim Aufprall vermieden werden.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren ein Zahnrad für einen Winkelbewegungsaktuator,
wie er oben beschrieben wurde.
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Ein
erfindungsgemäßes Zahnrad,
das eine einfache und kosteneffektive Implementierung gestattet,
ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem flexiblen Material
besteht und dass das erste Glied ein integraler Bestandteil des
Zahnrades ist. Dadurch braucht man kein zusätzliches flexibles Element,
das die Funktion des ersten Gliedes ausübt, und es wird die Wahl nicht-flexibler
Materialien, wie beispielsweise Aluminium, für die Stützkonstruktion gestattet. Eine
solche Stützkonstruktion
kann einen Teil eines Gehäuses
bilden, das den Winkelbewegungsaktuator als Ganzes umschließt.
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Eine
weitere Vereinfachung in der Implementierung eines solchen erfindungsgemäßen Zahnrades
bei gleichzeitiger Robustheit gegen Bruch- oder Rissschäden ist
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Glied durch einen ersten
Sperrzahn gebildet wird, der integral in dem Zahnrad durch das Einschneiden
eines ersten Schlitzes ausgebildet ist, dessen Breite so gewählt ist,
dass Stöße während des
Aufpralls gedämpft
werden, ohne dass die Bruchgrenze des ersten Sperrzahnes überschritten wird.
Die Breite des ersten Schlitzes wird darum so gewählt, dass
eine tangentiale Bewegung des ersten Sperrzahnes hinreichend begrenzt
wird.
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Um
die flexible Länge
des ersten Sperrzahnes zu vergrößern, wird
der erste Sperrzahn integral in dem Zahnrad durch den ersten Schlitz
und einen zweiten Schlitz ausgebildet. Der zweite Schlitz dient dazu,
dem ersten Sperrzahn eine ausreichende Flexibilität zu verleihen.
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Um
Rückprall-Schwingbewegungen
des ersten Sperrzahnes auch bei Energiespitzen während des Aufpralls aufzunehmen
und gleichzeitig eine ausreichende Stabilität des ersten Sperrzahnes zu gewährleisten,
haben der erste und der zweite Schlitz jeweils eine Breite, die
in radialer Richtung zur Drehachse des Zahnrades hin zunimmt.
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Um
ein Einreißen
am Fußende
des ersten Sperrzahnes zu verhindern, enden der erste und der zweite
Schlitz jeweils in einer Ausnehmung, die einen Radius aufweist,
der wesentlich größer ist
als die Breite der Schlitze.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zahnrades
ist durch einen Bogen zwischen der ersten und der zweiten Winkelposition
gekennzeichnet, der ein Zahnsegment von im Wesentlichen 180° überspannt,
das von dem ersten Sperrzahn durch den ersten Schlitz getrennt ist.
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Ein
solches Zahnrad kann vorzugsweise einen Umfangsradius innerhalb
des Bogens aufweisen, welcher der radialen Länge des ersten Sperrzahnes
im Wesentlichen gleich ist und der größer ist als der Umfangsradius
des übrigen
Abschnitts des Zahnrades.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung eines Zahnsegments,
das einen Bogen von mehr als 180° überspannt,
der von dem ersten Sperrzahn durch den ersten Schlitz getrennt ist,
und das einen Bogen von gleicher Größenordnung zwischen der ersten
Winkelposition α1
und der zweiten Winkelposition α2
des Zahnrades definiert, ermöglicht,
indem die radiale Länge
des ersten Sperrzahnes größer gewählt wird
als der Radius des Zahnrades.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zahnrades,
die eine robuste Stütze
für die
Spiraltorsionsrückholfeder
bietet, ist durch einen axial zylindrischen Rand gekennzeichnet,
der mit dem Zahnrad integral ausgebildet ist und sich entlang der
Rückseite
des Zahnrades erstreckt und eine Öffnung in Richtung des ersten
Sperrzahnes aufweist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Zahnrades,
die eine ausreichende Aufprallstoßdämpfung beim plötzlichen vollständigen Anhalten
der Feder sowie der vom Motor erzeugten Drehbewegung des Zahnrades
sowohl in der ersten als auch der zweiten Winkelposition bietet,
ist durch eine Struktur gekennzeichnet, die relativ zu einer Mittelachse
symmetrisch ist und einen zweiten flexiblen Anschlag aufweist, der
durch ein zweites Glied gebildet wird, das symmetrisch zu dem ersten Glied
angeordnet ist und in der zweiten Position α2 einen zweiten Vorsprung der
Stützkonstruktion
in Eingriff nimmt, um eine Drehbewegung des Zahnrades durch den
Antriebsmotor zu blockieren, wobei das zweite Glied beim Aufprall
auf den zweiten Vorsprung im aktiven Modus des Antriebsmotors gebogen
wird.
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Die
radiale Länge
des ersten Sperrzahnes unterscheidet sich vorzugsweise von dem Radius des übrigen Abschnitts
des Zahnrades um wenigstens einen Teil der radialen Länge des
ersten Vorsprungs.
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Diese
und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Weiteren
eingehender anhand der Offenbarung bevorzugter Ausführungsformen und
insbesondere unter Bezug auf die angehängten Figuren besprochen.
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1 ist
eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Winkelbewegungsaktuators.
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2A ist
eine Draufsicht auf eine praktische Implementierung des Winkelbewegungsaktuators
von 1 ohne Antriebszahnrad.
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2B ist
eine Schnittansicht des ersten Sperrzahnes eines Abschnitts des
Zahnrades in dem Winkelbewegungsaktuator von 1.
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3 ist
eine Draufsicht auf die praktische Implementierung des Winkelbewegungsaktuators von 2A mit
kompletter Verzahnung.
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4 ist
eine perspektivische Vorderansicht des Zahnrades in dem Winkelbewegungsaktuator von 1.
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5 ist
eine perspektivische Rückansicht des
Zahnrades in dem Winkelbewegungsaktuator von 1.
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6 ist
eine Vorderansicht des Zahnrades für einen erfindungsgemäßen Winkelbewegungsaktuator
in einer Konstruktion, die relativ zu einer Mittelachse symmetrisch
ist.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Winkelbewegungsaktuators,
der ein Zahnrad GW umfasst, das dergestalt schwenkbar an einer Stützkonstruktion
SUP angebracht ist, dass es sich relativ zu der Stützkonstruktion
SUP intermittierend im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn
innerhalb eines Bogens, der durch eine erste Winkelposition α1 und eine
zweite Winkelposition α2
des Zahnrades GW begrenzt wird, drehen kann, wie durch Strichlinien, die
mit den Bezugszeichen α1
und α2 versehen
sind, angedeutet ist. In dieser 1 ist das
Zahnrad GW in seiner ersten Winkelposition α1 gezeigt. In einem aktiven
Modus dreht der Antriebsmotor DM in antreibender Weise ein Ritzel
PG, das schwenkbar an der Stützkonstruktion
SUP angebracht ist, während
der Antriebsmotor DM in einem nichtaktiven Modus das Ritzel PG freigibt,
um eine Rückdrehbewegung
zu ermöglichen.
Ein Antriebszahnrad DG ist antriebsmäßig über das Ritzel PG mit dem Antriebsmotor
DM einerseits und mit dem Zahnrad GW andererseits gekoppelt. Das
Antriebszahnrad DG hat eine erste Gruppe von Zähnen an einem oberen oder ersten Zahnradabschnitt
GS1 und eine zweite Gruppe von Zähnen
an einem unteren oder zweiten Zahnradabschnitt GS2, die fest miteinander
verbunden sind und sich um eine gemeinsame Welle drehen. Der erste
Zahnradabschnitt GS1 hat einen größeren Radius als der zweite
Zahnradabschnitt GS2 und wirkt mit dem Ritzel PG dergestalt zusammen,
dass er vom Antriebsmotor DM eine Drehantriebsleistung erhält. Der
zweite Zahnradabschnitt GS2 steht in antriebsmäßiger Eingriffnahme mit dem
Zahnrad GW und veranlasst in einem aktiven Modus des Antriebsmotors
DM eine Drehbewegung des Zahnrades GW, dergestalt, dass das Zahnrad
GW von der ersten Position α1
zu der zweiten Position α2
bewegt wird. Eine Spiraltorsionsrückholfeder RS ist an einem Ende
mit dem Zahnrad GW und am anderen Ende mit der Stützkonstruktion
SUP verbunden. Diese Feder RS ist so eingestellt, dass sie während der
Drehbewegung des Zahnrades GW von der ersten Winkelposition α1 zu der
zweiten Winkelposition α2
entgegen ihrer Vorspannung gebogen wird, wodurch eine Biegebelastung
akkumuliert wird, bis das Zahnrad GW die zweite Position α2 erreicht.
Wenn nun der Antriebsmotor DM abgeschaltet wird, so verlässt er seine
antreibende Eingriffnahme mit dem Ritzel PG, wodurch sich das Zahnrad
GW unter der Vorspannung der Spiraltorsionsrückholfeder RS aus der zweiten
Winkelposition α2
zu der ersten Winkelposition α1
zurückdrehen
kann. Diese Rückdrehbewegung
des Zahnrades GW wird mittels eines flexiblen Anschlages angehalten,
sobald es wieder die erste Position α1 erreicht hat. Dieser flexible
Anschlag wird durch ein erstes Glied gebildet, das im Weiteren auch als
erster Sperrzahn BT1 bezeichnet wird, der integral in dem Zahnrad
GW durch das Einschneiden eines ersten Schlitzes S1 und eines zweiten
Schlitzes S2 ausgebildet ist und in der ersten Winkelposition α1 des Zahnrades
GW mit einem ersten Vorsprung E1 der Stützkonstruktion SUP zusammenstößt. Gemäß der Erfindung
ist der erste Sperrzahn BT1 aus einem flexiblen Material hergestellt,
das geeignet ist, Stöße auch
bei stärkstem
Aufprall des Zahnrades GW auf dem ersten Vorsprung E1 richtig zu
dämpfen.
Je nach der Flexibilität
des Materials des ersten Sperrzahnes haben der erste Schlitz S1
und der zweite Schlitz S2 jeweils eine Breite, die genügend groß ist, um
durch den Aufprall verursachte tangentiale Rückschlagbewegungen des ersten
Sperrzahnes BT1 aufzufangen, und die genügend klein ist, dass eine tangentiale
Bewegung des ersten Sperrzahnes BT1 so weit beschränkt wird,
dass der erste Sperrzahn BT1 nicht vom Zahnrad GW abgebrochen oder
abgerissen wird. Der zweite Schlitz S2 dient zur Erreichung einer
ausreichenden, flexibel beweglichen Länge des ersten Sperrzahnes
BT1.
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Zur
Vereinfachung der Implementierung bildet der erste Sperrzahn BT1
einen integralen Teil des Zahnrades GW, das als Ganzes vorzugsweise
aus einem geeigneten flexiblen Material hergestellt ist.
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Um
einen zweckdienlichen Kompromiss zwischen Steifigkeit einerseits
und Flexibilität
andererseits zu erreichen, der zur Gewährleistung einer ausreichenden
Stabilität
des ersten Sperrzahnes BT1 auch bei heftigem Aufprall erforderlich
ist, haben der erste Schlitz S1 und der zweite Schlitz S2 jeweils eine
Breite, die in radialer Richtung zur Drehachse des Zahnrades GW
hin zunimmt.
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Der
erste Schlitz S1 und der zweite Schlitz S2 enden jeweils in einer
Ausnehmung, deren Radius wesentlich größer ist als die Breite der
Schlitze. Dies verhindert ein Einreißen am Fußende des ersten Sperrzahnes
BT1.
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Das
Zahnrad GW in seiner gezeigten Form ist mit einem Zahnsegment GTS
versehen, das einen Bogen von im Wesentlichen 180° überspannt,
der von dem ersten Sperrzahn BT1 durch den ersten Schlitz S1 getrennt
ist, und das einen Bogen von gleicher Größenordnung zwischen der ersten
Winkelposition α1
und der zweiten Winkelposition α2
des Zahnrades GW definiert.
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Der
Außenumfangsradius
des Zahnsegmentes GTS wird so gewählt, das er gleich dem des
ersten Sperrzahnes BT1 ist und größer ist als der Umfangsradius
des übrigen
Abschnitts RP des Zahnrades GW, so dass eine robuste und einfache
Konstruktion einer radialen Kontaktfläche zwischen dem ersten Sperrzahn
BT1 und dem ersten Vorsprung E1 möglich ist. Die Aufprallkräfte werden im
rechten Winkel zu dieser Kontaktfläche gelenkt, wodurch eine Deformierung
des auf diese Weise erhaltenen Anschlagmittels minimiert wird.
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Bei
einer praktischen Ausführungsform
wurden der Durchmesser und die Dicke des Zahnrades GW in der Größenordnung
von 5,5 Zentimeter bzw. 0,5 Zentimeter gewählt, und die Breite des ersten Schlitzes
S1 und des zweiten Schlitzes S2 wurde in der Größenordnung von 0,7 mm gewählt, während der
erste Vorsprung E1 und der erste Sperrzahn BT1 so gestaltet wurden,
dass sie eine gemeinsame Kontaktfläche mit einer radialen Länge und
einer tangentialen Dicke in der Größenordnung von 14 bzw. 6 Millimetern
aufweisen.
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2A zeigt
eine Draufsicht auf eine praktische Implementierung des Winkelbewegungsaktuators
von 1, wobei die Stützkonstruktion SUP Folgendes
enthält:
einen Teil des Gehäuses
des Mechanismus',
einen Elektromotor als Antriebsmotor DM und dessen Ritzel PG, und
das Zahnrad GW in seiner ersten Winkelposition α1, wobei der erste Sperrzahn BT1
unter der Vorspannung der Spiraltorsionsrückholfeder RS gegen den ersten
Vorsprung E1 gedrückt
wird. Das Antriebszahnrad DG wurde weggelassen, damit das Zahnrad
GW besser zu sehen ist.
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2B zeigt
eine Schnittansicht des ersten Sperrzahnes BT1 als Teil des Zahnrades
GW in dem Winkelbewegungsaktuator von 2A. Die
Breite des ersten Schlitzes S1 am Außenumfang des Zahnrades GW
definiert die maximale Biegung des ersten Sperrzahnes BT1 und wird – wie bereits
oben angesprochen – hinreichend
groß gewählt, um
Stöße des ersten
Sperrzahnes BT1 infolge des Aufpralls auf den ersten Vorsprung E1
dämpfen
zu können,
und hinreichend klein, dass eine tangentiale Bewegung des ersten
Sperrzahnes BT1 so weit beschränkt
wird, dass der erste Sperrzahn BT1 nicht vom Zahnrad GW abgebrochen
oder abgerissen wird.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die praktische Implementierung des Winkelbewegungsaktuators von 2A mit
vollständiger
Verzahnung, d. h. wobei das Antriebszahnrad DG von 1 antriebsmäßig mit
dem Ritzel PG des Antriebsmotors DM und dem Zahnrad GW gekoppelt
ist, so dass das Zahnrad GW in eine Drehbewegung versetzt wird.
Auch hier ist das Zahnrad in seiner ersten Winkelposition α1 gezeigt.
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4 zeigt
eine perspektivische Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Zahnrades
GW für den
Winkelbewegungsaktuator der 1, 2A und 3,
das aus einem geeigneten flexiblen (beispielsweise synthetischen)
Material hergestellt ist.
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5 zeigt
eine perspektivische Rückansicht
des Zahnrades GW von 4, das auf der Rückseite
einen axial verlaufenden zylindrischen Rand RIM aufweist, der mit
der Struktur des Zahnrades GW integral ausgebildet ist, um eine
ausreichende Festigkeit des Zahnrades GW zu erhalten, und der mit
einer Öffnung
in Richtung des ersten Sperrzahnes BT versehen ist, um dessen Flexibilität nicht
zu beeinträchtigen.
Der Rand RIM stützt
auch die Struktur der Spiraltorsionsrückholfeder RS.
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6 zeigt
ein Zahnrad für
einen erfindungsgemäßen Winkelbewegungsaktuator
in einer Konstruktion, die relativ zu einer Mittelachse CA symmetrisch
ist. Dieses symmetrische Zahnrad GW ist mit einem zweiten Sperrzahn
BT2 versehen, der durch das Einschneiden eines dritten Schlitzes
S3 und eines vierten Schlitzes S4 in dem Zahnrad GW ausgebildet
ist und der relativ zu der Mittelachse CA symmetrisch zu dem ersten
Sperrzahn BT1 aufgebaut ist. Dieser zweite Sperrzahn BT2 soll einen
(nicht gezeigten) zweiten Vorsprung E2, der symmetrisch zu dem ersten
Vorsprung E1 der Stützkonstruktion
SUP aufgebaut ist, in der zweiten Winkelposition α2 des Zahnrades
GW in Eingriff nehmen und so den Aufprall des zweiten Sperrzahnes
BT2 auf den zweiten Vorsprung E2 während des aktiven Modus' des Antriebsmotors
DM ausreichend zu dämpfen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde oben anhand einer Offenbarung und von
Zeichnungen beschrieben, die eine bevorzugte Ausführungsform
veranschaulichen. Dem Fachmann fallen jedoch bei ihrem Studium verschiedene Änderungen
und Modifikationen an der bevorzugten Ausführungsform ein. Die Erfindung
kann ebenso gut beispielsweise mit einem Glied realisiert werden,
das im Gegensatz zu dem gezeigten ersten Sperrzahn BT durch ein
Element gebildet wird, das von dem Zahnrad GW getrennt ist, aber
strukturell daran befestigt ist. Bei einer solchen Konstruktion
kann das Material eines solchen Gliedes durchaus ein anderes sein
als das Material des Zahnrades. Des Weiteren beziehen sich die Begriffe "im Uhrzeigersinn" und "entgegen dem Uhrzeigersinn" nicht auf die tatsächlichen
Drehrichtungen der Zeiger von Uhren und sollen lediglich einander
entgegengesetzte Drehrichtungen andeuten.
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Darum
ist die Offenbarung im vorliegenden Text nur als beispielhaft und
nicht als einschränkend anzusehen,
und der eigentliche Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung ist
anhand der hier angehängten
Ansprüche
zu ersehen.