WO2002033228A1 - Verfahren zur herstellung eines elektromagnetischen aktuators - Google Patents

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spring
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Thomas Stolk
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an electromagnetic actuator according to the preamble of patent claim 1.
  • An electromagnetic actuator for actuating a gas exchange valve in an internal combustion engine is known from DE 1 96 31 909 A1.
  • the known actuator comprises two electromagnets which are arranged at a distance from one another and an armature which is operatively connected to the gas exchange valve and which can be moved back and forth by magnetic force between the electromagnets against the force of a spring arrangement comprising two springs which act against one another.
  • the actuator also has actuating means with which the rest position of the armature, ie. H. the position of the armature with de-energized electromagnets, is set to the geometric center between the two end positions of the armature. It proves to be disadvantageous here that the rest position can shift during operation, so that after a number of operating hours a readjustment of the rest position is necessary.
  • the invention has for its object to provide a method according to the preamble of claim 1, by which an optimal and permanent adjustment of the bias of the springs is made possible for the operation of the actuator.
  • the object is achieved by the features of patent claim 1.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of an electromagnetic actuator for actuating a gas exchange valve in an internal combustion engine
  • Figure 3 shows the energy stored in a spring as a function of the number of compression cycles.
  • a spring arrangement with a first spring 61 acting on the armature 1 in the opening direction via a first spring plate 60 and a second spring 62 acting in the closing direction on the armature 1 via a second spring plate 63 cause the armature 1 in the de-energized state of the
  • Excitation coils 20, 30 is held in an equilibrium position between the electromagnets 2, 3. Furthermore, adjusting means 71, 72 are provided for setting the prestresses of the springs 61, 62.
  • the actuating means 71, 72 can be designed, for example, as disks, which compress the springs 61, 62 and thus predefine the prestressing of the respective springs 61, 62. However, they can also be designed to be controllable and enable the pretension to be varied continuously.
  • the closing magnet 3 is switched off and then the opening magnet 2 is energized.
  • the first spring 61 acting in the opening direction accelerates the armature 1 beyond the rest position.
  • the now energized opening magnet 2 also supplies the armature 1 with kinetic energy, so that it reaches the pole face of the opening magnet 2 despite any frictional losses and is held there at the lower end position or open position indicated by dashed lines in FIG. 1 until the opening magnet 2 is switched off.
  • the opening magnet 2 is switched off and the closing magnet 3 is then switched on again.
  • the armature 1 is thus moved by the second spring 62 to the closing magnet 3 and held there on the pole face in the closed position.
  • the spring characteristic of the first spring 61 is designated F1 and the spring characteristic of the second spring 62 is designated F2.
  • Different springs are used in the present exemplary embodiment; their spring characteristics thus differ from each other. However, the use of the same springs is also conceivable.
  • the force of the first spring 61 drops from a holding value F1 1 to a final value F10, which at the armature position Im, i. H. with armature 1 resting on the opening magnet 2.
  • the spring force 0 of the second spring 62 increases from an end value F20 acting in the upper end position of the armature 1 to a holding value F21 which is reached in the lower end position of the armature 1.
  • the first spring 61 is installed in the part comprising the electromagnets 2, 3 and the armature 1 and the second spring 62 with the gas exchange valve 5 and the second Spring plate 63 is installed in the cylinder head of the internal combustion engine and that the springs in these sub-assemblies are compressed independently of one another in repetitive compression cycles by a certain compression value, the compression cycles being repeated until the setting process has ended.
  • the compression value is chosen equal to the value by which the springs 61, 62 are compressed during the intended operation of the actuator.
  • the determination of the energy A1 or A2 takes place in that the spring force F1 or F2 which results during the armature movement is measured in sections and is integrated in sections via the spring travel.
  • the spring force F1 or F2 can be measured by means of a load cell or a dial gauge, but also with other pressure sensors, in particular with piezo crystals. If the difference between the energy A1 or A2 determined in the current compression cycle and the energy determined in a previous compression cycle for the same spring 61 or 62 is smaller than a predetermined value, this is a
  • Compression cycle in the spring 61 or 62 stored energy differs.

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Abstract

Ein bekannter elektromagnetischer Aktuator umfaßt zwei einander gegenüberliegende Elektromagnete, einen zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft zweier gegeneinander wirkender Federn hin- und herbewegbaren Anker sowie Stellmittel zur Justierung der Ruhelage des Ankers. Als nachteilig erweist sich hierbei, daß nach etlichen Betriebsstunden eine Nachjustierung der die Ruhelage bestimmenden Vorspannung der Federn erforderlich sein kann. Das neue Verfahren soll eine für den Betrieb des Aktuators optimale und dauerhafte Einstellung der Vorspannung der Federn ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Federn in sich wiederholenden Komprimierungszyklen so oft komprimiert werden, bis die aufgrund ihrer Komprimierung in ihnen jeweils gespeicherte Energie sich nicht mehr oder nur unwesentlich von der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder gespeicherten Energie unterscheidet, und daß die Justierung der Vorspannung der Federn erst anschließend vorgenommen wird. Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators zur Steuerung des Gaswechsels in einer Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Aus der DE 1 96 31 909 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung ei- nes Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine bekannt. Der vorbekannte Aktuator umfaßt zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete und einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Anker, der durch Magnetkraft zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft einer Federanordnung aus zwei gegeneinander wirkenden Federn hin- und herbewegbar ist. Der Aktuator weist fer- ner Stellmittel auf, mit denen die Ruhelage des Ankers, d. h. die Lage des Ankers bei stromlosen Elektromagneten, auf die geometrische Mitte zwischen den beiden Endpositionen des Ankers eingestellt wird. Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die Ruhelage sich während des Betriebs verschieben-kann, so daß nach etlichen Betriebsstunden eine Nachjustierung der Ruhelage erforderlich ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 1 99 27 823 ist ein elektromagnetischer Aktuator der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Vorspannung der Federn derart eingestellt wird, daß in den Federn aufgrund der aus der Ankerbewegung resultierenden Komprimierung der Federn die gleiche Energie gespeichert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, durch das eine für den Betrieb des Aktuators optimale und dauerhafte Einstellung der Vorspannung der Federn ermöglicht wird. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetische Aktuator, der zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete und einen zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn hin- und herbewegbaren Anker aufweist, in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten in Betrieb genommen. Im ersten Verfahrensschritt werden die Federn in sich wiederholenden Komprimierungszyklen jeweils so oft um einen bestimmten Komprimierungswert komprimiert, bis die Energie, die in ihnen aufgrund ihrer Komprimierung gespeichert wird, sich nicht mehr oder nur unwesentlich von der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder gespeicherten Energie unterscheidet. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dann eine Justierung der Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn vorgenommen.
Vorzugsweise wird der Komprimierungswert gleich dem Wert gewählt, um den die Federn beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Aktuators komprimiert werden.
Ziel des ersten Verfahrensschritts ist es, ein möglichst vollständiges Setzen der Federn und der mit dem Anker mitbewegten Teile des Aktuatros zu erreichen und zu erkennen. Unter Setzen der Federn und der bewegten Teile des Aktuators versteht man dabei eine Änderungen der Vorspannung der Federn bzw. der Abmessungen der bewegten Teile der Aktuators, die aus betriebsbedingten Relaxationserscheinungen im Materialgefüge der Federn und der verwendeten Bauteile resultiert. Der erste Verfahrensschritt führt somit zu einem stationären Betriebszustand, in dem die Federeigenschaften sich mit zunehmender Anzahl von Komprimierungszyklen, d. h. mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden, nicht mehr oder nur noch unwesent- lieh ändern. Aufgrund der erst im nachfolgenden Verfahrensschritt durchgeführten
Justierung der Vorspannung einer der beiden Federn oder der beiden Federn erreicht man, daß Setzungserscheinungen im nachfolgenden Betrieb keine Rolle mehr spielen und somit auch keine Nachjustierung der Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn erfordern.
Vorzugsweise wird die in der jeweiligen Feder gespeicherte Energie dadurch ermittelt, daß der sich durch die Komprimierung dieser Feder ergebende Verlauf der Fe- derkraft dieser Feder erfaßt wird und über den der Komprimierung entsprechenden Weg integriert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn derart justiert, daß in beiden Federn aufgrund ihrer aus der Ankerbewegung resultierenden Komprimierung die gleiche Energie gespeichert wird.
Hierdurch erreicht man, daß der Anker, wenn er aus seinen beiden Endpositionen losgelassen wird und frei schwingt, sich den jeweils gegenüberliegenden Endpositionen gleich weit nähert. Infolgedessen wird der Einfluß fertigungsbedingter Tole- ranzen der Bauteile, insbesondere der Federn, auf das Schwingverhalten des Ankers reduziert. Zudem wird der Gesamtenergiebedarf des Aktuators optimiert, da beide Elektromagnete aufgrund des sich ihnen gleich weit nähernden Ankers den gleichen Strombedarf aufweisen. Würde der Anker sich nämlich beim freien Schwingen dem einen Elektromagneten stärker nähern als dem anderen, dann würde der Strombe- darf des einen Elektromagneten zwar um einen bestimmten Betrag sinken, der
Strombedarf des anderen Elektromagneten würde aber um ein Vielfaches dieses Betrags ansteigen, so daß auch der Gesamtenergiebedarf des Aktuators gegenüber dem optimalen Wert ansteigen würde.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine,
Figur 2 ein Kraft-Weg-Diagramm für Federkräfte zweier Federn des Aktuators aus Figur 1 ,
Figur 3 die in einer Feder gespeicherte Energie in Abhängigkeit der Anzahl von Komprimierungszyklen.
Gemäß der Figur 1 umfaßt der Aktuator einen mit einem Gaswechselventil 5 in Kraftwirkung stehenden Stößel 4, einen mit dem Stößel 4 quer zur Stößel- Längsachse befestigten Anker 1 , einen als Schließmagnet wirkenden Elektromagne- ten 3 sowie einen als Öffnungsmagnet wirkenden weiteren Elektromagneten 2, der vom Schließmagnet 3 Richtung der Stößel-Längsachse beabstandet angeordnet ist. Die Elektromagnete 2, 3 weisen jeweils eine Erregerspule 20 bzw. 30 und einander gegenüberliegende Polflächen auf. Durch abwechselnde Bestromung der beiden Elektromagnete 2, 3, d. h. der Erregerspulen 20 bzw. 30, wird der Anker 1 entlang eines durch die Elektromagnete 2, 3 begrenzten Hubweges zwischen den Elektromagneten 2, 3 hin- und herbewegt. Eine Federanordnung mit einer über einen ersten Federteller 60 in Öffnungsrichtung auf den Anker 1 wirkenden ersten Feder 61 und einer über einen zweiten Federteller 63 in Schließrichtung auf den Anker 1 wir- kenden zweiten Feder 62 bewirken, daß der Anker 1 im stromlosen Zustand der
Erregerspulen 20, 30 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Elektromagneten 2, 3 festgehalten wird. Ferner sind Stellmittel 71 , 72 zur Einstellung der Vorspannungen der Federn 61 , 62 vorgesehen. Die Stellmittel 71 , 72 können beispielsweise als Scheiben ausgeführt sein, die eine Komprimierung der Federn 61 , 62 bewirken und somit die Vorspannung der jeweiligen Feder 61 , 62 vorgeben. Sie können aber auch steuerbar ausgeführt sein und eine stufenlose Variation der Vorspannung ermöglichen.
Zum Starten des Aktuators wird einer der Elektromagnete 2, 3 durch Anlegen einer Erregerspannung an die entsprechende Erregerspule 20 bzw. 30 bestromt, d. h. eingeschaltet, oder es wird eine Anschwingroutine initiiert, durch die der Anker 1 zunächst durch wechselweises Bestromen der Elektromagnete 2, 3 in Schwingung versetzt wird, um nach einer Einschwingzeit auf die Polfläche des Schließmagneten
2 oder die Polfläche des Öffnungsmagneten 3 aufzutreffen.
Bei geschlossenem Gaswechselventil 5 liegt der Anker 1 wie in Figur 1 gezeigt an der Polfläche des Schließmagneten 3 an und er wird solange in dieser Position — der oberen Endposition oder Schließposition - festgehalten, solange der Schließmagnet
3 bestromt wird. Um das Gaswechselventil 5 zu öffnen wird der Schließmagnet 3 abgeschaltet und anschließend der Öffnungsmagnet 2 bestromt. Die in Öffnungs- πchtung wirkende erste Feder 61 beschleunigt den Anker 1 über die Ruhelage hin- aus. Durch den nun bestromten Öffnungsmagneten 2 wird dem Anker 1 zusätzlich kinetische Energie zugeführt, so daß dieser trotz etwaiger Reibungsverluste die Polfläche des Öffnungsmagneten 2 erreicht und dort an der in Figur 1 gestrichelt angedeuteten unteren Endposition oder Offenposition bis zur Abschaltung des Öffnungsmagneten 2 festgehalten wird. Zum erneuten Schließen des Gaswechselven- tils 5 wird der Öffnungsmagnet 2 abgeschaltet und der Schließmagnet 3 anschließend wieder eingeschaltet. Der Anker 1 wird somit durch die zweite Feder 62 zum Schließmagneten 3 bewegt und dort an dessen Polfläche in der Schließposition festgehalten.
5 Der Hubweg Im des Ankers 1 , d. h. der Weg, den der Anker 1 während seiner Bewegung durchläuft - die Bewegung des Ankers 1 wird im folgenden als Flug bezeichnet -, ist aufgrund des vorgegebenen Abstands zwischen den ..Elektromagneten 2, 3 begrenzt. Die Verläufe der Federkräfte der beiden Federn 61 , 6-2, d. h. der Kräfte, mit denen die Federn 61 , 62 auf den Anker 1 wirken, sind von der Ankerposition I 0 abhängig und lassen sich anhand von Federkennlinien beschreiben. Im Kraft-Weg-
Diagramm aus Figur 2 ist die Federkennlinie der ersten Feder 61 mit F1 bezeichnet und die Federkennlinie der zweiten Feder 62 mit F2 bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden unterschiedliche Federn verwendet; ihre Federkennlinien unterscheiden sich somit voneinander. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung 5. gleicher Federn.
Beim Flug des Ankers 1 von der oberen Endposition zur unteren Endposition, d. h. von der Ankerposition 0 zu der Ankerposition Im, fällt die Kraft der ersten Feder 61 von einem Haltewert F1 1 auf einen Endwert F10 ab, der bei der Ankerposition Im, d. h. bei am Öffnungsmagneten 2 anliegenden Anker 1 , erreicht wird. Die Federkraft 0 der zweiten Feder 62 steigt hingegen von einem in der oberen Endposition des Ankers 1 wirkenden Endwert F20 auf einen Haltewert F21 an, der in der unteren Endposition des Ankers 1 erreicht wird. Die Endwerte F10, F20 geben die Vorspannung der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 an und die Flächen A1 und A2 unter den Federkennlinien F1 bzw. F2 entsprechen der Energie, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 5 62 gespeichert wird, wenn diese aufgrund der Ankerbewegung um den Betrag Hm komprimiert wird.
Durch die während des Betriebs auftretende Setzung der Federn 61 , 62 und der bewegten Teile des Aktuators, insbesondere durch Setzung von Keilen, über die der zweite Federteller 63 mit dem Gaswechselventil 5 verbunden ist, sinkt die Vorspan- 0 nung der Federn ab, was zu einer Verschiebung der Federkennlinien F1 , F2 und damit zu einer Reduzierung der Flächen A1 , A2 unter den Federkennlinien F1 , F2 führt. Das heißt aber auch, daß die Energie, die durch die aus der Ankerbewegung resultie- rende Komprimierung der Federn 61 , 62 in diesen jeweils gespeichert wird, mit zunehmender Anzahl der Komprimierungszyklen reduziert wird.
Figur 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der in einer Feder gespeicherten Energie A und der Anzahl n von Komprimierungszyklen, in denen die Feder jeweils um den gleichen Wert komprimiert wird. Es ist ersichtlich, daß die Energie A mit zunehmender Anzahl n der Komprimierungszyklen abnimmt und sich dabei asymptotisch einem Endwert Ae nähert. Nach einer bestimmten Anzahl nx von Komprimierungszyklen ist die Energie A nahezu gleich dem Endwert Ae und der Setzungsvorgang kann als beendet angesehen werden.
Um eine für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Aktuators optimale Einstellung der Vorspannung der beiden Federn 61 , 62 zu ermöglichen, ist es erforderlich, zu gewährleisten, daß die Federkennlinien F1 , F2 sich während des Betriebs nicht verschieben. Dies erreicht man dadurch, daß bei der Herstellung des Aktuators zunächst ein Teilaufbau vorgenommen wird, bei dem die erste Feder 61 in den die Elektromagnete 2, 3 und den Anker 1 umfassenden Teil eingebaut wird und die zweite Feder 62 mit dem Gaswechselventil 5 und dem zweiten Federteller 63 in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingebaut wird und daß die Federn in diesen Teilaufbauten unabhängig voneinander in sich wiederholenden Komprimierungszyklen jeweils um einen bestimmten Komprimierungswert komprimiert werden, wobei die Komprimierungszyklen so oft wiederholt werden, bis der Setzvorgang beendet ist. Der Komprimierungswert wird dabei gleich demjenigen Wert gewählt, um den die Federn 61 , 62 während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Aktuators komprimiert werden.
Alternativ dazu kann auch der Anker 1 bei vollständig montiertem und somit be- triebsbereitem Aktuator bei der Inbetriebnahme des Aktuators, d. h. vor dem bestimmungsgemäßen Betrieb, in sich wiederholenden Bewegungszyklen, die den Komprimierungszyklen der Federn 61 , 62 entsprechen, so oft zwischen seinen durch die Elektromagnete 2, 3 vorgegebenen Endpositionen 0, Im hin- und herbewegt werden, bis der Setzvorgang beendet ist. Der Anker 1 kann dabei durch die Magnetkraft der Elektromagnete 2, 3 oder durch externe Krafteinwirkung in Bewe¬ gung versetzt werden. In den aufeinanderfolgenden Komprimierungszyklen wird die Energie A1 , A2 ermittelt, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 aufgrund ihrer Kompression gespeichert wird. Die Ermittlung der Energie A1 bzw. A2 erfolgt dabei dadurch, daß die sich während der Ankerbewegung ergebende Federkraft F1 bzw. F2 abschnittsweise gemes- sen und abschnittsweise über den Federweg integriert wird. Die Messung der Federkraft F1 bzw. F2 kann mittels einer Kraftmeßdose oder einer Meßuhr aber auch mit anderen Drucksensoren, insbesondere mit Piezokristallen, erfolgen. Ist der Unterschied zwischen der im aktuellen Komprimierungszyklus ermittelten Energie A1 bzw. A2 und der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus für die gleiche Fe- der 61 bzw. 62 ermittelten Energie kleiner als ein vorgegebener Wert, so ist dies ein
Indiz dafür, daß der Setzvorgang beendet ist. Die Komprimierungszyklen werden somit so oft wiederholt, bis die Energie A1 bzw. A2, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 aufgrund der aus der Ankerbewegung resultierenden Federkomprimierung gespeichert wird, sich nicht mehr oder nur unwesentlich, d. h. um einen im Rahmen der Meßgenauigkeit vernachlässigbaren Wert, von der in einem vorangehenden
Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 gespeicherten Energie unterscheidet.
Durch den Vergleich der in aufeinanderfolgenden Komprimierungszyklen in den jeweiligen Federn 61 bzw. 62 gespeicherten Energien A1 bzw. A2 ist es möglich, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der Setzvorgang beendet ist, um dann anschließend die für den bestimmungsgemäßen Betrieb optimale Justierung der Vorspannung der ersten und/oder zweiten Feder 61 bzw. 62 vorzunehmen. Hinsichtlich des Energiebedarfs hat sich eine Justierung als optimal erwiesen, die dazu führt, daß in beiden Federn 61 , 62 die gleiche Energie A1 , A2 gespeichert wird, wenn die Federn 61 , 62 jeweils um den dem Hubweg Im entsprechenden Weg komprimiert werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators, der zwei im Ab- stand zueinander angeordnete Elektromagnete (2, 3) und einen zwischen den Elektromagneten (2, 3) gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn (61 , 62) hin- und herbewegbaren Anker (1 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (61 , 62) in sich wiederholenden Komprimierungszyklen so oft um einen bestimmten Komprimierungswert komprimiert werden, bis die in jeder Feder (61 , 62) aufgrund ihrer Komprimierung gespeicherte Energie (A1 , A2) sich nicht mehr oder nur unwesentlich von der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder (61 , 62) gespeicherten Energie unterscheidet, und daß anschließend eine Justierung der Vorspannung (F10, F20) einer der Federn (61 , 62) oder der beiden Federn (61 , 62) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Komprimierungswert gleich dem Wert gewählt wird, um den die Federn (61 , 62) während des Betriebs des Aktuators komprimiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Federn (61 , 62) gespeicherte Energie (A1 , A2) ermittelt wird, indem der sich durch die Komprimierung der jeweiligen Feder (61 , 62) ergebende Verlauf der Federkraft (F1 ,
F2) dieser Feder erfaßt und über den der Komprimierung entsprechenden Weg integriert wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (F10, F20) der einen Feder oder der beiden Federn (61 , 62) derart justiert wird, daß in beiden Federn (61 , 62) aufgrund ihrer Komprimierung die glei¬ che Energie (A1 , A2) gespeichert wird.
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