WO2006045281A1 - Schrauben- oder mutter-beilagscheibenkombination - Google Patents

Schrauben- oder mutter-beilagscheibenkombination Download PDF

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Jörn Hottgenroth
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Textron Verbindungstechnik Gmbh & Co Ohg
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00Nuts or like thread-engaging members
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16BDEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/02Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread
    • F16B5/025Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of fastening members using screw-thread specially designed to compensate for misalignement or to eliminate unwanted play

Definitions

  • the present invention relates to a combination of a screw or a nut and a washer for Aus ⁇ equal to angular position errors between a bolt or the screw and the workpiece to be fastened thereto.
  • German Utility Model 7026707 This German utility model already shows a combination of a Mut ⁇ ter and a washer to compensate for Winkelellagefeh- learning between a bolt and the workpiece to be attached thereto, the mother on her the washer facing zuge ⁇ face is convex.
  • the applied to the mother surface of the associated washer was kegelför ⁇ mig configured.
  • the spherical surface of the nut according to this prior art always only rests along a circular line on the cone-shaped mating surface of the washer.
  • high pressures occur here, which in turn leads to deformation of the surfaces, thus to a high setting and the associated preload force loss of the connection to lead.
  • the high surface pressure can also ske ⁇ when tightening the connection for "eating" between the two parts.
  • DE 10136829 C1 discloses a very complicated configuration for solving this problem, in which, however, the washer is convex and the associated face of the nut is concave, which likewise leads to a linear contact between nut and washer.
  • the mother still has a funnel-shaped approach to hold the washer.
  • this construction is very complicated and therefore hardly practicable.
  • the disadvantages due to the linear contact between the parts described with reference to Utility Model 7026707 also apply to this solution.
  • this object is achieved with a combination of screw or nut and washer, in which both the washer on its the nut or the screw head facing surface, and the nut or screw on the washer, concave is formed.
  • the nut or screw head and washer additionally act like a ball joint and the washer becomes, despite a slight tilt of the bolt or the screw relative to the perpendicular to the component surface ⁇
  • the spherical cap shape of the nut or of the underside of the screw head has the same radius as the spherical cap shape of the washer. Then mother and washer always touch on the entire surface, whereby the load on the surfaces of mother ter and washers is reduced.
  • the disadvantages of the prior art according to DE 7026707 are thus clearly avoided even with large loads on the connection.
  • the nut is provided on the side facing the washer with a hollow cylindrical projection extending in the direction of the bolt, which extends through the inner opening of the washer, and whose inner diameter is significantly greater than the outer diameter of the thread of the bolt and whose Au ⁇ ° mismesser is smaller than the inner diameter of the Mit ⁇ telloch of the washer and the washer is crimped by means of this approach to the body of the mother.
  • the washer is held captive on the mother, whereby the storage and installation is simplified.
  • the washer is provided with a slot. As a result, an even larger angular position error of up to +/- 5 degrees can be compensated.
  • the washer can be captive ange ⁇ attached to the screw, which offers significant advantages in processing.
  • Figure 1 is a sectional view taken along the central axis of the nut and shim according to the invention
  • FIG. 1 shows the detail B of Figure 1
  • FIG. 3 shows the combination of nut and disc from above
  • FIG. 4 shows a screw-washer combination according to the invention from the side, wherein the washer is shown in section;
  • Figure 5 shows the combination of Figure 4 from above.
  • FIG. 6 the angle compensation option in the embodiment according to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a nut 10 according to the invention with a washer 12 according to the invention.
  • the actual core of the invention lies in the detail B, which is shown considerably enlarged in FIG. The further description therefore follows from FIG. 2.
  • the nut 10 is formed in the shape of a spherical cap at its end face 14 facing the washer.
  • the washer 12 in contrast, has on its surface facing the nut a corresponding spherical cap-shaped recess, that is to say a negative spherical cap-shaped surface 16. Furthermore, the washer according to the invention, as usual, has a central opening 18. This normally serves to pass through the bolt, but here it is expanded according to the invention in such a way that it can additionally accommodate a hollow cylindrical projection 20 of the nut 10.
  • the outer diameter of the lug 20 is smaller than the inner diameter of the center hole 18 of the washer 12.
  • the lug 20 has an inner diameter that is considerably larger than the outer diameter of the thread of the bolt 20, the washer 12 is held captive but movable on the nut 10.
  • FIG. 3 shows an illustration of the nut-disc combination on the view of the drive of the nut.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention in which a suitably configured combination of screw and washer reaches the insert.
  • the screw 100 here consists of a head 102, on which a corresponding force attack (external hexagon, as shown here, or any other possible force application) is arranged, and a shaft 104 with a diameter D, to which, according to Auf ⁇ set a washer 112, a thread 106 has been rolled with theêt ⁇ diameter M.
  • the underside of the screw head 102 is convex here, preferably formed spherical cap.
  • This head bottom side 114 rests on a counter-surface 116 of the washer 112, which is concavely curved and preferably has a negative spherical cap.
  • the radii of the two spherical caps are the same.
  • the washer 112 is preferably provided with a slot 118 whose smallest diameter is larger than the diameter D of the unalloyed shaft 104 but smaller than the outside diameter M of the rolled thread 106, so that the Washer 112 is held unverlier ⁇ bar after rolling of the thread 106 on the screw 100.
  • FIG. 5 shows the position and design of the oblong hole 118 in an interrupted representation under the screw head 102 shown in solid line.
  • FIG. 6 shows the angular tolerance compensation of up to +/- 5 degrees possible with this embodiment according to the invention.

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Abstract

Kombination aus Mutter oder Schraube (100) und Beilagscheibe (112) zum Ausgleich von Winkellagefehlern zwischen einem Bolzen oder der Schraube (100) und dem daran zu befestigenden Werkstück, wobei die Schraube (100) an ihrer der Beilagscheibe zugewandten Kopf Unterseite (114) oder die Mutter an ihrer der Beilagscheibe zugewandten Stirnfläche konvex und die Beilagscheibe (112) an ihrer der Mutter oder der Schraube (100) zugewandten Fläche (116) konkav ausgebildet ist.

Description

Schrauben- oder Mutter-Beilagscheibenkombination
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kombination aus einer Schraube oder einer Mutter und einer Beilagscheibe zum Aus¬ gleich von Winkellagefehlern zwischen einem Bolzen oder der Schraube und dem daran .zu befestigenden Werkstück.
Speziell in der Automobilindustrie, die ja sehr häufig ge¬ schwungene und stromlinienförmige Karosserieformen verwendet, kann es vorkommen, dass Schrauben oder Bolzen geringfügig (2 - 3 Winkel-Grad) geneigt gegenüber den daran zu befestigenden Teilen liegen, dies gilt auch, wenn Verschraubungen auf unbe- arbeiteten Oberflächen vorgenommen werden. Es ist daher Auf¬ gabe der vorliegenden Erfindung, eine Kombination aus Mutter oder Schraube und Beilagscheibe zu schaffen,' die diesen Win¬ kelfehler kompensieren kann.
Ohne eine solche Kompensation entstehen nach der Montage un¬ zulässige Biegespannungen in der Schraube, die zum Ausfall der Verschraubung führen können. Ebenso kann durch die Erfin¬ dungsgemäße Lösung eine Spaltbildung zwischen Mutter bzw. Schraubenkopf und Werkstückauflage vermieden werden, wodurch wiederum die Möglichkeit der Entstehung von Spaltkorrosion deutlich reduziert wird.
Gemäß dem bisherigen Stand der Technik hat man zur Lösung dieses Problems lediglich aufgebogene oder gewellte Beilag- Scheiben gekannt, die jedoch keinen perfekten Ausgleich der Winkellage der entsprechenden Bolzen ermöglicht haben. Viel¬ mehr wurde gemäß dem Stand der Technik dennoch ein ungleich¬ mäßiger Druck von der Mutter über die deformierte Beilag- scheibe auf das Bauteil ausgeübt. Erfindungsgemäß wird dies vermieden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Beilag¬ scheibe parallel zu dem Bauteil angepresst, während die Mut¬ ter axial zur Mittelachse des Bolzens angezogen wird, auch wenn der Bolzen um einige Grad gegenüber der senkrechten auf der Bauteiloberfläche schräg steht. Auf diese Weise wird eine Punktbelastung und damit die Einleitung von Biegespannungen, bzw. eine Setzen der Verbindung durch eine hohe partielle Flächenpressung und eine Verformung der Bauteiloberfläche vermieden.
Der hierzu nächstgelegene Stand der Technik ergibt sich aus den deutschen Gebrauchsmuster 7026707. Dieses deutsche Gebrauchsmuster zeigt bereits eine Kombination aus einer Mut¬ ter und einer Beilagscheibe zum Ausgleich von Winkellagefeh- lern zwischen einem Bolzen und dem daran zu befestigenden Werkstück, wobei die Mutter an ihrer der Beilagscheibe zuge¬ wandten Stirnfläche konvex geformt ist.
Gemäß diesem Stand der Technik wurde jedoch die an der Mutter anliegende Fläche der zugeordneten Unterlegscheibe kegelför¬ mig ausgestaltet. Gemäß diesem Stand der Technik können daher zwar in der Tat Winkellagefehler ausgeglichen werden, jedoch liegt die kugelförmige Oberfläche der Mutter gemäß diesem Stand der Technik auf der kegelförmig gestalteten Gegenfläche der Beilagscheibe stets nur entlang einer kreisförmigen Linie auf. Hier entstehen schon bei geringfügigem Anziehen der Mut¬ ter beim Stand der Technik überhaus hohe Drücke, die zu einer Verformung der Oberflächen, damit zu einem starken Setzen und dem damit verbundenen Vorspannkraftverlust der Verbindung führen. Die hohe Flächenpressung kann außerdem beim Anziehen der Verbindung zum "Fressen" zwischen den beiden Teilen füh¬ ren.
Weiter ist aus der DE 10136829 Cl eine sehr komplizierte Ges¬ taltung zur Lösung dieses Problems bekannt, bei der jedoch die Beilagscheibe konvex und die zugehörige Stirnfläche der Mutter konkav ausgebildet ist, was ebenfalls zu einer linien- förmigen Anlage zwischen Mutter und Scheibe führt. Darüber hinaus weist die Mutter noch einen trichterförmigen Ansatz auf, um die Beilagscheibe zu halten. Diese Konstruktion ist jedoch sehr aufwendig und daher kaum praktikabel. Die Nachteile aufgrund des linienförmigen Kontaktes zwischen den Teilen, die bezogen auf das Gebrauchsmuster 7026707 beschrie- ben wurden, gelten auch für diese Lösung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einerseits die oben beschriebenen Nachteile bezüglich des hohen Anpressdruckes zu vermeiden und andererseits eine Konstruktion zur Verfügung zustellen, die erheblich leichter und billiger zu fertigen ist als diejenige gemäß DE 10136829.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kombination aus Schraube oder Mutter und Beilagscheibe gelöst, bei der sowohl die Beilagscheibe an ihrer der Mutter oder dem Schraubenkopf zugewandten Fläche, als auch die Mutter oder Schraube an der der Beilagscheibe, konkav gewölbt ausgebildet ist.
Auf diese Weise wirken Mutter oder Schraubenkopf und Beilag¬ scheibe zusätzlich wie ein Kugelgelenk und die Beilagscheibe wird trotz einer leichten Schräglage des Bolzens oder der Schraube gegenüber der Senkrechten auf die Bauteiloberfläche ^
rundum gleichmäßig von der Mutter oder der Schraube ange¬ drückt, während die Mutter angezogen wird.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Stirnfläche der Mut- ter oder des Schraubenkopfes positiv kugelkalottenförmig und die der Mutter oder dem Schraubenkopf zugewandte Fläche der
Beilagscheibe negativ kugelkalottenförmig auszubilden. Auf diese Weise bilden die beiden Teile ein optimales Kugelgelenk und liefern damit eine optimale Kraftverteilung auf das Bau- teil beim Anziehen der Mutter oder der Schraube.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Kugelkalottenform der Mutter oder der Schraubenkopfunterseite den gleichen Ra¬ dius aufweist, wie die Kugelkalottenform der Beilagscheibe. Dann berühren sich Mutter und Beilagscheibe stets auf der ganzen Fläche, wodurch die Belastung der Oberflächen von Mut¬ ter und Beilagscheibe vermindert wird. Die Nachteile des Standes der Technik gemäß DE 7026707 werden so auch bei gro¬ ßen Belastungen der Verbindung deutlich vermieden.
Weiter ist es bei einer Mutter-Beilagscheibenkombination be¬ sonders bevorzugt, wenn die Mutter auf der der Beilagscheibe zugewandten Seite mit einem in Richtung auf den Bolzen ver¬ laufenden hohlzylinderförmigen Ansatz versehen ist, der sich durch die innere Öffnung der Beilagscheibe hindurch er¬ streckt, und dessen Innendurchmesser deutlich größer ist, als der Außendurchmesser des Gewindes des Bolzens und dessen Au¬ ßendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Mit¬ tellochs der Beilagscheibe und die Beilagscheibe mittels die- ses Ansatzes an den Körper der Mutter angebördelt ist. Auf diese Weise wird die Beilagscheibe unverlierbar an der Mutter gehalten, wodurch die Lagerhaltung und Montage vereinfacht ist. Bei einer Schraube-Beilagscheibenkombination ist es demgegen¬ über besonders bevorzugt, wenn die Beilagscheibe mit einem Langloch versehen ist. Dadurch kann ein noch größerer Winkel¬ lagefehler von bis zu +/- 5 Grad ausgeglichen werden.
Dabei ist es dann besonders günstig, wenn der Durchmesser des Schaftes der Schraube vor dem Walzen des Gewindes geringer ist als der kleinste Durchmesser des Langlochs und der Durch¬ messer des auf dem Schaft aufgewalzten Gewindes größer ist als der kleinste Durchmesser des Langlochs. Auf diese Weise kann die Beilagscheibe unverlierbar an der Schraube ange¬ bracht werden, was erhebliche Vorteile bei der Verarbeitung bietet.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung entlang der Mittelachse von Mutter und Beilagscheibe gemäß der Erfindung;
Figur 2 das Detail B aus Figur 1;
Figur 3 die Kombination von Mutter und Scheibe von oben gese- hen;
Figur 4 eine erfindungsgemäße Schraube-Beilagscheiben- kombination von der Seite, wobei die Beilagscheibe geschnit¬ ten dargestellt ist;
Figur 5 die Kombination der Figur 4 von oben; und
Figur 6 die Winkelkompensationsmöglichkeit bei der Ausfüh¬ rungsform gemäß Figur 4. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Mutter 10 mit einer er¬ findungsgemäßen Beilagscheibe 12. Der eigentliche Kern der Erfindung steckt in dem Detail B, welches in Figur 2 erheb- lieh vergrößert dargestellt ist. Die weitere Beschreibung er¬ folgt daher anhand der Figur 2. Dort ist deutlich erkennbar, dass die Mutter 10 an ihrer der Beilagscheibe zugewandten Stirnfläche 14 kugelkalottenförmig ausgebildet ist.
Die Beilagscheibe 12 weist demgegenüber auf ihrer der Mutter zugewandten Fläche eine entsprechende kugelkalottenförmige Ausnehmung, das heißt eine negativ kugelkalottenförmige Oberfläche 16 auf. Des weiteren weist die erfindungsgemäße Beilagscheibe, wie üblich, eine zentrale Öffnung 18 auf. Die- se dient normalerweise dem Durchtritt des Bolzens, hier ist sie jedoch erfindungsgemäß dergestalt erweitert, dass sie zu¬ sätzlich einen hohlzylinderförmigen Ansatz 20 der Mutter 10 aufnehmen kann. Der Außendurchmesser des Ansatzes 20 ist da¬ bei kleiner als der Innendurchmesser des Mittelloches 18 der Beilagscheibe 12. Gleichzeitig weist der Ansatz 20 einen In¬ nendurchmessei" auf, der erheblich größer ist als der Außen¬ durchmesser des Gewindes des Bolzens . Durch Umbördeln dieses Ansatzes 20 wird die Beilagscheibe 12 unverlierbar aber be¬ weglich an der Mutter 10 gehalten.
Des weiteren ist in Figur 2 sehr gut zu erkennen, dass der Radius der Kugelkalotten der einander gegenüber liegenden Oberflächen 14 und 16 der Mutter 10 beziehungsweise der Bei¬ lagscheibe 12 gleich ist. Auf diese Weise berühren sich die beiden Oberflächen auch bei Winkellageveränderungen stets in ihrer vollen Fläche. Dadurch kann das von der Beilagscheibe 12 und der Mutter 10 gebildete Kugelgelenk größere Kräfte aufnehmen, ohne dass die Druckbelastung der Oberfläche zu groß wird. Bei der Konstruktion muss natürlich auf ein ausreichendes Spiel zwischen dem Innendurchmesser des Loches 18 der Beilag¬ scheibe 12 und dem Außendurchmesser des zylinderförmigen An- satzes 20 der Mutter 10 geachtet werden. Gegebenenfalls kann, wie in Figur 2 dargestellt, eine entsprechende ringförmig um das Loch 18 umlaufende Ausnehmung 22 an der der Mutter 10 ab¬ gewandten Unterseite der Beilagscheibe 12 vorgesehen werden, um den umgebördelten zylinderförmigen Ansatz 20 aufzunehmen.
Figur 3 zeigt eine Darstellung der Muttern-Scheibe Kombinati¬ on mit Blick auf den Antrieb der Mutter.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine entsprechend ausgestaltete Kombination aus Schraube und Beilagscheibe zum -Einsatz gelangt. Die Schraube 100 be¬ steht hier aus einem Kopf 102, an dem ein entsprechender Kraftangriff (Außen-Sechskant, wie hier dargestellt, oder auch jeder andere mögliche Kraftangriff) angeordnet ist, und einem Schaft 104 mit einem Durchmesser D, auf den nach Auf¬ setzen einer Beilagscheibe 112 ein Gewinde 106 mit dem Außen¬ durchmesser M aufgewalzt worden ist.
Die Unterseite des Schraubenkopfes 102 ist hier konvex, und zwar vorzugsweise kugelkalottenförmig ausgebildet. Diese KopfUnterseite 114 liegt auf einer konkav gewölbt, und vor¬ zugsweise negativ kugelkalottenförmig ausgebildeten Gegenflä¬ che 116 der Beilagscheibe 112 auf. Vorzugsweise sind die Ra¬ dien der beiden Kugelkalotten gleich.
Vorzugsweise ist die Beilagscheibe 112 mit einem Langloch 118 versehen, dessen kleinster Durchmesser größer als der Durch¬ messer D des ungewalzten Schaftes 104 aber kleiner als der Außendurchmesser M des aufgewalzten Gewindes 106, sodass die Beilagscheibe 112 nach Aufwalzen des Gewindes 106 unverlier¬ bar an der Schraube 100 gehalten ist.
Figur 5 zeigt Lage und Ausführung des Langlochs 118 in unter- brochener Darstellung unter dem durchgezogen dargestellten Schraubenkopf 102.
Figur 6 zeigt den mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungs¬ form möglichen Winkeltoleranzausgleich von bis zu +/- 5 Grad.

Claims

Patentansprüche
1. Kombination aus Mutter (10) oder Schraube (100) und Beilagscheibe (12; 112) zum Ausgleich von Winkellage¬ fehlern zwischen einem Bolzen (26) oder der Schraube (100) und dem daran zu befestigenden Werkstück (28) , wobei die Schraube (100) an ihrer der Beilagscheibe zu¬ gewandten KopfUnterseite (114) oder die Mutter (10) an ihrer der Beilagscheibe (12) zugewandten Stirnfläche (14) konvex geformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beilagscheibe (12; 112) an ihrer der Mutter (10) oder dem Schraubenkopf (102) zugewandten Fläche (16;
116) konkav gewölbt ausgebildet ist.
2. Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Beilagscheibe (12) zugewandten Stirnfläche
(14) der Mutter (10) oder des Schraubenkopfes (102) po¬ sitiv kugelkalottenförmig und die der Mutter (10) oder der Schraube (100) zugewandten Fläche (16; 116) der Beilagscheibe (12; 112) negativ kugelkalottenförmig ausgebildet ist.
3. Kombination nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkalottenform der Mutter (10) oder des
Schraubenkopfes (102) den gleichen Radius aufweist, wie die Kugelkalottenform der Beilagscheibe (12; 112) .
4. Kombination aus Mutter (10) und Beilagscheibe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mutter (10) auf der der Beilagscheibe (12) zu¬ gewandten Seite mit einem in Richtung auf den Bolzen (26) verlaufenden hohlzylinderförmigen Ansatz (20) ver¬ sehen ist, der sich durch das Mittelloch (18) der Bei- lagscheibe (12) hindurch erstreckt, und dessen Innen¬ durchmesser deutlich größer ist, als der Außendurchmes¬ ser des Gewindes des Bolzens (26) und dessen Außen¬ durchmesser kleiner ist, als der Innendurchmesser des Mittelloches (18) der Beilagscheibe (12) , und dass die Beilagscheibe (12) mittels dieses Ansatzes (20) an den Körper der Mutter (10) angebördelt ist.
5. Kombination aus Schraube (100) und Beilagscheibe (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass die Beilagscheibe (112) mit einem Langloch (118) versehen ist.
6. Kombination nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) des Schaftes (104) der Schrau- be (100) vor dem Walzen des Gewindes (106) geringer ist als der kleinste Durchmesser des Langloches (118) , und der Durchmesser (M) des auf dem Schaft (104) aufgewalz¬ ten Gewindes (106) größer ist als der kleinste Durch¬ messer des Langlochs (118) .
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