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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Hohlschraube als Befestigungsschraube,
sowie eine Methode zu ihrer Herstellung.
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Zur
lösbaren
Verbindung von Maschinenelementen werden gemeinhin Bolzen mit Kopf
und Gewinde als Befestigungsschrauben eingesetzt. Dabei erfolgt
das Haltemoment bei korrektem Sitz und Anzug durch die Spannung
zwischen Schraubenkopf und Gewinde.
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Während Einfachheit
und Universalität
für diese
Verbindungstechnik sprechen, so weisen hergebrachte Ausführungen
dennoch gravierende Nachteile auf. Dazu gehört das ungewisse Anzugsmoment
und die ungewisse Erhaltung der Vorspannung im Betrieb, sowie eine
vielfach erforderliche zusätzliche
Sicherung gegen Losdrehen.
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Der
Typus üblicher
Schrauben ist durch fertigungstechnische Gegebenheiten bestimmt:
Die Herstellung aus Rohdraht, Formen des Kopfes durch Stauchen des
Rohlings und folgendes Rollen oder Schneiden des Gewindes prägt die gegebene
Form.
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Spannungs/Zug-Diagramme
an Schrauben und Bolzen zeigen jedoch, dass bei dieser Form der Kraftfluß in Zugrichtung
komplex verläuft,
also keine materialgerecht günstige
Einleitung des Kraftflusses vom Gewindebolzen in den Kopf erfolgt.
Dabei lässt diese
Darstellung die Torsionskräfte
noch unberücksichtigt.
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Allerdings
sollte der Kraftfluß zweckmäßig immer
zusammen mit den zu verbindenden Elementen gesehen werden, und hier
ergeben sich bei normaler Verschraubung und noch ohne Berücksichtigung
der Torsionsbeanspruchung – eine
ungünstige Kraftverteilung
am Gewinde (Roloff 8.11.2.4. S 153 [1]).
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Die
Einleitung des Anzugdrehmoments in den Schraubenkopf bedingt dessen
Höhe, denn
Außen-
oder Innenvielkant oder Schlitze) müssen das Drehmoment ohne bleibende
Deformation ihrer Flanken aufnehmen. Dies ist insbes. dort störend, wo Schrauben
des technischen Aufwandes oder konstruktiver Gegebenheiten wegen
nicht versenkt montiert werden können:
vorstehende Schraubenköpfe verursachen
nicht nur Strömungs-Abrißkanten,
sondern auch Schmutzecken und Ansatzstellen für Flugrost und Korrosion, können schlecht
mit dem Werkstück
zusammen lackiert werden (Beschädigung
der Oberfläche
beim Lösen,
Lackierschatten, Gefahr entstehender "Laufnasen") und steigern die Unfallgefahr bei
der Handhabung von Werkstücken.
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Die
Betriebskraft bei der Verschraubung sollte möglichst nahe an der Trennfuge
der zu verbindenden Bauteile eingeleitet werden (Roloff 8.11.2.3.,
S. 152 [1]). Der Anzug konventioneller Befestigungsschrauben erfolgt
jedoch durch Ansatz eines Drehmoments am Schraubenkopf.
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Dazu
ergibt sich neben der erwünschten Zugspannung
eine das Material belastende Torsionsspannung, die erstere bis zu
Faktor 3 übersteigt
(Zima S. 314 [3]). Ein verbreiteter Defektfall bei konventionellen
Schrauben ist daher das Abscheren des Gewindebolzens durch hohe
Torsionskräfte,
insbes. bei festgegangenen Gewinden (Korrosion, Kontaktschweißen der
Gewindeoberflächen).
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Ferner
entfallen wegen der ungleichen elastischen Verbindung von Schraube
und Gewinde bei konventioneller Verschraubung auf die ersten beiden tragenden
Gewindegänge
nahezu 50% der Kraft (Roloff 8.11.2.4., S. 153). Typisch ist das
Abscheren von Schrauben daher beim Lösen einer Verbindung zwischen
wirksamen letzten Gewindegängen
und dem Schraubenkopf.
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Um
die Torsionsbelastung zu vermeiden, sind mehrere Maßnahmen
möglich,
die jedoch ihres Aufwandes wegen nur bei hochbelasteten Dehnschrauben üblich sind:
Die Verwendung von Vielkant-Zapfen-Stiftschrauben (Gewindebolzen,
deren eines Ende einen Zapfen mit Vier- oder Sechskant-Außenform
zum Gegenhalten aufweisen und die beidseitig mit Muttern verspannt
werden), oder Spezialschrauben, die eine senkrechte Außenverzahnung
aufweisen und in innenverzahnten Hülsen bzw. Scheiben geführt werden
(Roloff 8.11.2.2., S. 153 [1]).
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Wie
gezeigt, sind Konstruktionselemente, die die Nachteile konventioneller
Schrauben vermeiden, ungleich aufwändiger. Aus wirtschaftlichen
Erwägungen
werden daher – außer für hoch belastete Verbindungen – üblicherweise
Standard-Maschinenschrauben eingesetzt, deren Dimensionierung und Festigkeit
entsprechend höher
gewählt
wird, als bei optimaler Ausformung erforderlich wäre.
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Damit
erhöhen
sich jedoch nicht nur Materialeinsatz und damit die Massen der gesamten
Konstruktion, sondern auch die entsprechenden Betätigungskräfte beim
Montieren und Lösen,
mit der Konsequenz höheren
mechanischen und technischen Aufwandes dafür – z.B. für entsprechende Werkzeuge.
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Ein
weiterer Nachteil konventioneller Verschraubungen zeigt sich beim
Lösen vertestigter, evtl.
korrodierter Schrauben: Dazu üblicherweise
verfügbare
Hilfsmittel auf chemischer Basis (z.B. MoS-Verbindungen in Kriechölen) und
thermische Behandlungen, wie anglühen, sind nur dort sinnvoll, wo
Gewindeenden und Muttern zugänglich
sind, sie versagen z.B. regelmäßig bei
dichten Schraubverbindungen in Sackgewinden.
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Da
Kopfschrauben an Wellen und anderen drehenden Elementen Unwuchtmomente
bewirken, ist, neben einem allgemeinen Trend zu gewichtsoptimierten
Konstruktionen, ihr Einsatz dort zunehmend beschränkt und
wird vielfach durch nichtlösbare,
aber hinsichtlich der Wuchtmomente unproblematische Verbindungstechniken
ersetzt.
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Ein
anderer Nachteil konventioneller Schrauben ist ihre eingeschränkte Förderbarkeit
in automatisierte Verschraubungssystemen. Hinderlich ist hier insbes.
der überstehende
Kopf mit dem Problem, die Gewindegänge sauber zu zentrieren. Deshalb
sind Schraubautomaten und Ihre Magazin- und Zuführungssysteme für viele
Einsatzzwecke aufwändig und
dementsprechend teuer.
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Für Montage
und Demontage vielfach hinderlich und in vielen Fällen sehr
umständlich
ist auch, dass durchgehende Verschraubungen von beiden Seiten gleichzeitig
betätigt
bzw. zumindestens gegengehalten werden müssen, falls nicht aufwendige Muttern-Halterungen,
oder Einsenkungen für Schlossschrauben
etc. Verwendung finden.
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Zur Überwindung
dieser Nachteile des gegenwärtigen
Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schraubenform,
insbes. für
Halteschrauben, zu finden, die
- 1. bei gleich
Haltekraft, insbes. auch unter dynamischer Belastung, eine erheblich
geringere Masse als vergleichbare Standardschrauben aufweist, indem
sie materialgerecht für
den Kraftfluß optimiert
ist und keiner Torsionsbelastung ausgesetzt ist,
- 2. auch bei vielfacher Betätigung
keinen Verschleiß in
den krafteinleitenden Elementen aufweist,
- 3. vergleichbare Haltekräfte
mit geringeren Betätigungskräften und
einfachsten Werkzeugen ermöglicht,
- 4. auch für
Einleitung hoher Drehmomente eine flache und glatte Kopfform aufweist,
und daher strömungstechnisch
weniger Widerstand bietet, sowie weniger verletzungsgefährlich und
durch Verschmutzungen belastet ist,
- 5. die Einführung
und Betätigung
eines Werkzeuges auch "blind" ermöglicht,
d.h. dieses innerhalb eines weiten geometrischen Toleranzfeldes
automatisch zentriert und formschlüssig verbindet, ohne dabei
die Betätigungsflanken
stark zu verschleißen,
- 6. auch bei Festgehen in Sacklöchern mit dem Einsatz chemischer
und thermischer Mittel gut lösbar
bleibt,
- 7. sich vorteilhaft in automatisierten Verschraubungssystemen
einsetzen lässt,
- 8. auch als Einziehschraube bei durchgehender Bohrung des Werkstücks von
beiden Seiten festziehbar und lösbar
ist,
- 9. auch bei nicht-planer Auflagefläche und vibrierenden Bauteilen
kein Spiel erlaubt, sich kaum setzt und sich auch ohne zusätzliche
Sicherungen nicht losdreht,
- 10. das Anzugsdrehmoment in einem definierten Bereich bei optimaler
Haltekraft und vor Erreichen der Belastungsgrenze abrupt erhöht und damit den
Einsatz von Werkzeugen, die das Drehmoment oder den Drehwinkel begrenzen,
vereinfacht oder erübrigt,
- 11. sich die Zugspannung durch Messung der Längung einer Schraube im Eindrehvorgang
auch von der Betätigungsseite
her exakt bestimmen und bei automatisierten Schraubern dynamisch regeln
lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Befestigungsschraube als Hohlschraube mit durchgehendem
Innenprofil wie z.B. Sechskant oder Torx ausgeführt ist.
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Zwar
sind Hohlschrauben in verschiedenen Formen bekannt (z.B. US-Pat.
1 750 019,
DP 2 036 512 ,
JaP 4- 332 544, ferner die Faucaldt'sche Einblasschraube und das Kgl.Preuß. Privileg
SR-078 von 1816, sowie zahlreiche Schrauben für Hydraulik- und Pneumatik),
beziehen sich bislang jedoch stets nur auf spezielle Anwendungsfälle und
haben weder den optimalen Kraftfluß zwischen Eindrehwerkzeug und
Gewinde, noch die Gewichtseinsparung oder dynamische Verformbarkeit
und Anpassung des Kopfes auf nicht-plane Oberflächen, noch die Maximierung der
Zugbelastbarkeit für
dynamische Beanspruchung zum Gegenstand.
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Erfindungsgemäß ist der
Schraubenrohkörper
aus einem gezogenen Rohr mit gewünschtem
Innenprofil (z.B. Sechskant) hergestellt. Aus dem dem – möglichst
aufge rollten – Gewinde
gegenüber
stehenden Teil davon ist der Kopf vorzugsweise kalt umgeformt oder
im Gesenk geschmiedet, und zwar so, dass der Übergang zum Kopf und der Kopf
selbst materialgerecht dem Kraftflusse der Zugbelastung bei der
späteren
Montage entsprechend geformt ist und gleichzeitig der Führung des
Schraubwerkzeuges dient. Dies ist durch eine Ausgestaltung als pilzförmiger Kopf
mit umgeschlagenem Rand und ähnlicher
Wandstärke
wie beim Schaft, möglich.
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Bei
Ansatz der Betätigungskraft
im Inneren der Schraube kann bei Anzug und Lösen der Verbindung das Drehmoment
entlang des gesamten Gewindeganges ansetzen, damit Torsionskräfte zwischen
Schraubenkopf und Gewindehülse
vermieden werden. Zudem ist es durch Ausbildung des Schraubwerkzeuges
(z.B. geeignetes Abdrehen des Schraub-Sechskants an den Enden) und
entsprechende Positionierung möglich,
das Drehmoment genau auf den Bereich des optimalen Momentansatzes (z.B.
an der Trennfuge zu verschraubender Werkstücke) zu fokussieren.
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Wie
aus vielfachen Untersuchungen bekannt ist, sind Hohlkörper in
der Lage, bei gleichem Durchmesser und wesentlich geringerem Materialeinsatz ähnlich große Zugkräfte aufzunehmen
wie Voll-Zylinder, sie weisen daneben höhere Biege- und Wechselbruchfestigkeiten
auf und sind gegen Scherkräfte
resistenter. Für
Befestigungsschrauben weiter vorteilhaft ist ferner ihre höhere Dehnelastizität, die eine verbesserte
Ausschlagfestigkeit bei dynamischer Belastung bewirkt – so werden
z.B. Dehnschrauben für extreme
Belastung hohl gebohrt.
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Die
Ausführung
als Hohlschraube bewirkt zudem ein gemessen an der Haltekraft geringes
Gewicht und eine günstig
gestaltbare Kopfform.
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Hinzu
kommt die Fähigkeit
des Befestigungsmittels zur Anpassung auf nicht-plane und insbes.
leicht abgewinkelte Auflageflächen,
sowie andere Herstellungs- bzw. Einbau-Ungenauigkeiten. Die federnde
Wirkung der Kopfform gleicht diese aus und bietet großes Arbeitsvermögen bei
dynamischer Belastung, wie z.B. Vibrationen.
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Durch
den geringen Materialeinsatz (er beträgt im Mittel etwa 3/5 des Volumens
von konventionellen Schrauben gleichen Materials und vergleichbarer
Haltekraft) ist es auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich, durch
den Einsatz hochlegierter Stähle
und insbes. Materialien wie die Titanlegierung Ti6A14V die Schraube
so zuauszuführen, dass
sich Gewichtseinsparungen bis Faktor 5–1 ergeben.
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Die
hohle Mittelachse der Schraube kann, falls eine Dichtwirkung gewünscht ist,
durch angepasste Stopfen verschlossen sein.
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Andererseits
besteht ihr Vorteil darin, im Bedarfsfalle das Schraubwerkzeug beidseitig
ansetzen zu können
und es ist möglich,
Schmiermittel oder Rostlöser
durch sie auch in Sacklöcher
einzubringen, insbes. zur leichteren Lösbarkeit solcher Schraubverbindungen
auch Kältespray
oder andere Kühlmittel einzubringen,
die eine Kontraktion der Hohlschraube bewirken.
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Ferner
ist es möglich,
in diese hohlen Mittelachse die Längung der Schraube und damit
das optimale Anzugmoment zu messen, ohne dass (wie bei Bestimmungen
aus dem Anzug-Drehmoment) schwer bestimmbare Größen aus Reibung zwischen Kopf
und Kopfauflage, sowie der Torsion eingehen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist der Kopf aus dem gezogenen Rohr durch Kaltverformung pilzförmig gestaltet,
so dass eine federnde Auflage auf die zu verbindenden Stücke im umgestülpten Rand erfolgt,
der sich bei optimalem Anzugsmoment zu einem Auflageteller mit maximaler
Auflagefläche
verformt, während
sich bei Annäherung
an dieses Anzugsmoment gleichzeitig der Kragen bzw. Hals der Schraube
bis zum Bohrloch absenkt, und sich in diesem verkeilt. Zudem ist
es möglich,
den Gewindegang bei dem entsprechenden Drehwinkel oder an einem
Setzbund enden zu lassen. Damit steigt das Betätigungsdrehmoment bei Überschreiten
des entsprechenden Anzugsmoments stark an, ohne die federnde Wirkung
der Kopf-Auflage zu beeinträchtigen.
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Die
Trichterform der Kopfoberseite und ihr Übergang in das Betätigungsprofil
(Vielkant, Stern, Torx o. dergl.) bewirkt ferner zwangsläufig, dass
die Führung
und das formschlüssige
Greifen des Werkzeuges blind, d.h. ohne vorherige Ausrichtung des Werkzeuges
hinsichtlich genauer Zentrierung oder Drehrichtungs- Position erfolgen
kann – ein
Vorteil, der sonst nur durch aufwändige Gestaltung von Schraubenköpfen und
Einsätzen
(wie z.B. in
JP 4-332544 )
erreicht werden kann.
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Ein
weiterer damit verbundener Vorteil ist, dass der Schraubenkopf in
entsprechender Ausführung
bei vollem Anzugmoment flach geformt sein kann (ähnlich wie ein Hohlniet, wenngleich
mit ebenmäßigerer
Form und besseren Übergängen), kaum Schmutzecken
und mitnehmende Grate aufweist und daher sowohl strömungstechnisch
(insbes. bei bündigem
Verschluss des Kopfes mit einer Abdeckkappe) als auch hinsichtlich
Vermeidung von Korrosionsansatz und möglicher Oberflächenbehandlung
günstig ist.
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So
ist die Schraube z.B. im montierten Zustand in senkrechter Spitzrichtung
ohne "Schattenwurf" lackierbar, bei
geeigneter Schichtdicke und entsprechender Ausformung des Kopfrandes
ist die De- und Remontage danach auch ohne Beschädigung der Lackschicht möglich.
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Dies
ist allerdings auch bei anderen Schrauben mit flachem, pilzförmigem Kopf
möglich.
Im Gegensatz zu diesen, meist auch mit Innensechskant ausgestatteten
Modellen, sind jedoch die Betätigungsflanken
für das
Werkzeug groß (weil
durch die Schraube hindurch gehend und von beiden Seiten betätigbar)
und deshalb hinsichtlich der aufwendbaren Drehmomente unproblematisch.
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Es
ist zudem möglich,
den Kopf so auszuformen, dass er bei optimalem Anzug bündig zum
Rand einer entsprechenden Anbohrung bzw. Anwenkung liegt.
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Ein
besonderer Vorteil des Kopfes ist, dass sich die für Montage
und Service aufwendigen, sowie vielfach Oberfläche und Material der Auflageflächen angreifenden
Mittel zur Schraubensicherung und Beilagscheiben weit gehend erübrigen.
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Für die Anwendung
auf duktilen Materialien ist jedoch der Einsatz einer Unterlegscheibe
in Form eines Ringes aus vorzugsweise halbrundem Material angepasster
Verformbarkeit vorgesehen, die eine gleichmäßige Verteilung des Aufpressdruckes
auf die gesamte kreisförmige
Auflagefläche
bewirkt.
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Für die Anwendung
in Schraubautomaten ist entscheidend, dass das durch gehende Innenprofil eine
einfach zentrierbare Zuführung
der Schraube ermöglicht.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
werden die Schrauben hierzu auf Gurten oder in Magazinen nebeneinander
aufgereiht und durch einen Vorschubmechanismus in ungefähr axiale
Position zum Betätigungswerkzeug
gebracht.
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Das
Werkzeug gleitet durch Vorschub in Einschraubrichtung bis zum Anschlag
am Kopf der Schraube in ihre Schlüsselführung und kann durch einen
Zentrierkopf, der durch die Schraube hindurch in den Gewindegang
geschoben wird, justiert werden. Dieser sitzt, mit mehreren Reihen
federnder Aufspreizungen versehen, an der Spitze des Werkzeugs und
kann so die Schraube zentrisch zum Gewinde führen, ohne dass vom Betätiger handwerkliches
Geschick und Konzentration oder vom Roboter besondere Genauigkeit
verlangt werden.
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Zudem
kann hier ein – evtl.
ins Schraubwerkzeug integrierter – Abstandsmesser wirksam werden, der
bei korrektem Ansatz des Schraubwerkzeuges in der Schlüsselführung (ggf.
durch Sensoren abprüfbar)
die Längenänderung
der Schraube misst.
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Dies
kann sowohl durch mechanische Taster, wie z.B. auch durch opto-elektronische
Elemente (Laser-Interferenz etc.) erfolgen. Schraubwerkzeuge lassen
sich hierdurch exakter steuern, als durch Drehmomentmessung.
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Allerdings
erlaubt auch diese bei Hohlschrauben erfindungsgemäßen Typs
besseren Aufschluss, als bei Standardschrauben, weil die Komplexität des Anzugsmoments
durch Reduktion des Reibungsanteils am Schraubenkopf verringert
und durch einen Bund am Gewinderand der Schraube ein abrupt ansteigendes
Drehmoment bei Erreichen der vorgegebenen Einschraubtiefe bewirkt
werden kann.
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Die
Erfindung wird mit nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert:
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1 stellt einen einfachen
Typ der erfindungsgemäßen Schraube
[1] mit schmalem Auflagekranz [14] und einem Sechskant-Betätigungsprofil [15]
dar.
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2a zeigt zum Vergleich eine
konventionelle Gewinde-Befestigungsschraube [16] mit Sechskant-Kopf
[17], 2b die
erfindungsgemäße Hohlschraube
[1] im Halbschnitt. Dabei ist [4] das zu befestigende
Werkstück
und [5] die Basis mit Gewinde.
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Die
Schnittflächen
[6] der Hohlschraube und [7] der Standardschraube
ermöglichen
den Vergleich der unterschiedlichen Schrauben-Massen.
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3a und b zeigt den Vergleich der Verteilung
der Kraftlinien bei der Verschraubung: Während sich die Kraftlinien
der Standardschraube [8] im Bereich zwischen den ersten
Gewindegängen
[9] konzentrieren und erratisch in im Kopf zur Kopfauflage verlaufen
[10], folgen sie bei der Hohlschraube in 3b über
einen weiten Bereich vom Gewinde [11] bis in die Auflage
des Schraubenkopfes [12] dem Dehnverlauf.
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4 zeigt Schnittansicht der
Hohlschraube [1] mit einem Sechskant-Betätigungsprofil
[15] und dem Auflagekranz [14].
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Literaturnachweis:
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- Roloff/Matek: Maschinenelemente. Vieweg-Verlag Braunschweig
1976. S. 129–153
- G. Niemann: Maschinenelemente Bd.1, Springer-Verlag Berlin.
1899/1981, S. 194–221
- S. Zima: Kurbeltriebe, Vieweg-Verlag Braunschweig 1998, Kap.
Pleulschrauben S. 411ff