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Die
Erfindung betrifft einen Schrägzugadapter
zum Prüfen
einer Verbindung zwischen einem Körper und einem Hauptkörper, beispielsweise
einer Verbindung zwischen einem Blech und einem aufgeschweißten Körper wie
einer Mutter. Sie betrifft weiter eine Prüfvorrichtung mit einem Schrägzugadapter und
ein Verfahren zum Prüfen
der Verbindung zwischen einem Körper
und einem Hauptkörper.
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In
vielen Bereichen der Technik, insbesondere auch in der Automobiltechnik,
werden seit Langem Schweißverfahren
eingesetzt, um Werkstücke
miteinander zu verbinden. Beispielsweise werden in der Automobiltechnik
Karosseriebleche mit angeschweißten
Muttern versehen. Dabei müssen
die Karosserieteile verschiedene Anforderungen erfüllen und
einerseits besonders leicht, anderseits aber auch ausreichend haltbar
und verwindungssteif sein. Dazu kommen beispielsweise höherfeste
Stähle
zum Einsatz. Hohe Anforderungen werden auch an die Schweißnaht selbst
gestellt, die unter Umständen hohen
Belastungen standhalten muss.
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Typischerweise
wird eine aufgeschweißte Mutter
einer Torsionsprüfung
unterzogen, mittels der die Haltbarkeit der Schweißnaht untersucht
werden soll.
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Wie
sich jedoch herausgestellt hat, sind die Ergebnisse einer derartigen
Torsionsprüfung
oft nicht realistisch und somit nicht zufriedenstellend.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Prüfen einer
Verbindung zwischen zwei Körpern,
insbesondere einer Schweißnaht,
anzugeben, die eine zuverlässige
Aussage über
die Haltbarkeit der Verbindung unter typischen Einsatzbedingungen
erlaubt.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Prüfen der
Verbindung zwischen zwei Körpern,
insbesondere einer Schweißnaht,
anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßer Schrägzugadapter zum
Prüfen
einer Verbindung zwischen einem Körper mit einem Hauptkörper ist
im Wesentlichen als Hohlkörper
mit einer ersten Öffnung
und einer zweiten Öffnung
ausgebildet. Die erste Öffnung
ist als Aufnahmeöffnung
für Bereiche
des Körpers
und die zweite Öffnung
als Aufnahmeöffnung
für einen
Bereich eines Prüfkopfes
ausgebildet. Der Bereich des Prüfkopfes
kann beispielsweise als Gewindestift ausgebildet sein, der in ein
Gewinde am Körper
angreift, während
sich der Schrägzugadapter
am Hauptkörper abstützt. Der
Hohlkörper
weist eine Längsachse
auf, die durch die erste Öffnung
und die zweite Öffnung verläuft. Die
Querschnittsebene der ersten Öffnung ist
um einen Winkel α gegen
die Senkrechte zur Längsachse
des Hohlkörpers
geneigt.
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Einem
Grundgedanken der Erfindung zufolge werden miteinander verschweißte Körper häufig auf
Schrägzug
durch Zug- und Biegebeanspruchungen belastet. Derartige Zug- und
Biegebeanspruchungen treten beispielsweise bei Muttern auf, durch die
Kraftfahrzeugaggregate an Blechen der Karosserie befestigt werden.
In diesem Fall entspricht die Mutter dem Körper und das Blech dem Hauptkörper. Um
die Belastung realistisch simulieren zu können, sollte bei der Prüfung der
Schweißnaht
ebenfalls auf Schrägzug
beansprucht werden. Für
derartige Schrägzugversuche
können
gängige
Prüfgeräte verwendet
werden, wenn ein Adapter eingesetzt wird, der die gewünschte schräge Umlenkung
der Prüfkräfte bewirkt.
Der erfindungsgemäße Schrägzugadapter
weist dazu eine abgeschrägte
Unterseite und damit eine gegenüber
der Prüfkraftrichtung
abgeschrägte
Auflagefläche
auf dem zu prüfenden
Blech auf.
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In
einer Ausführungsform
gilt für
den Winkel α 0° < |α| ≤ 10°, vorzugsweise
sogar 3° ≤ |α| ≤ 5°. Mit einem
solchen Winkel kann ein Grad der Schräge eingestellt werden, mit
dem sich für
zahlreiche Anwendungsfälle
realistische Belastungen simulieren lassen. Für besondere Arten der Belastung
kann selbstverständlich
auch ein deutlich größerer Winkel α gewählt werden.
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In
einer Ausführungsform
weist der Hohlkörper
einen runden Querschnitt auf und die erste und die zweite Öffnung sind
konzentrisch zur Längsachse des
Hohlkörpers
angeordnet. Dies stellt eine besonders einfache, symmetrische Ausführungsform
des Schrägzugadapters
dar, die besonders leicht zu konzipieren ist.
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Der
Hohlkörper
kann beispielsweise als unten offener Hohlzylinder ausgebildet sein,
wobei die zweite Öffnung
in einer Deckelfläche
des Hohlzylinders und konzentrisch zu dessen Längsachse angeordnet ist und
die Mantelfläche
des Hohlzylinders an dessen unterem Ende die erste Öffnung umgibt.
Dabei entspricht die Querschnittsebene der ersten Öffnung der
Ebene, die durch die Stirnfläche
der die erste Öffnung
umgebenden Mantelfläche
am unteren Ende des Hohlzylinders aufgespannt wird.
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Die
Dimensionierung des Schrägzugadapters
wird den jeweils zu prüfenden
Schweißverbindungen
und den Maßen
von Körper
und gegebenenfalls auch Hauptkörper
angepasst. Es ist deshalb eine große Bandbreite von Maßen denkbar.
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In
einer Ausführungsform
gilt für
den Innendurchmesser d des Hohlzylinders, der dem Innendurchmesser
d1 der ersten Öffnung entsprechen kann, 20
mm ≤ d ≤ 40 mm.
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Für den Innendurchmesser
d2 der zweiten Öffnung gilt in einer Ausführungsform
7 mm ≤ d2 ≤ 15 mm.
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Die
Wandstärke
h des Hohlzylinders wird in einer Ausführungsform so gewählt, dass
3 mm ≤ d ≤ 10 mm gilt.
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Für den Gesamtdurchmesser
des Hohlzylinders gilt in einer Ausführungsform 25 mm ≤ D oder sogar
40 mm ≤ D.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist eine Prüfvorrichtung zum Prüfen der
Verbindung zwischen einem Körper
mit einem Hauptkörper
den erfindungsgemäßen Schrägzugadapter,
einen Prüfkopf mit
einem durch die zweite Öffnung
führbaren
und kraftschlüssig
mit dem Körper
verbindbaren Bereich und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Zugkraft auf
den mit dem Körper
verbindbaren Bereich auf.
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Dabei
ist in einer Ausführungsform
der mit dem Körper
verbindbare Bereich des Prüfkopfes
als Gewindestift ausgebildet, der bei der Prüfung in den als Mutter ausgebildeten
Körper
eingreifen kann.
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Die
Einrichtung zur Erzeugung einer Zugkraft ist beispielsweise als
Einrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks ausgebildet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Prüfen der
Verbindung zwischen einem Körper
mit einem Hauptkörper
folgende Schritte auf: Es wird die bereits beschriebene Prüfvorrichtung
bereitgestellt und der Bereich des Prüfkopfes wird durch die zweite Öffnung des Schrägzugadapters
geführt
und kraftschlüssig
mit dem Körper
verbunden. Anschließend
wird eine Zugkraft auf den mit dem Körper verbindbaren Bereich angewandt,
wobei der Schrägzugadapter
eine Kraftrichtung für
die Zugkraft bewirkt, die gegen die Längsachse des Hohlkörpers um
den Winkel α geneigt
ist. Die Zugkraft kann gemessen und der Vorgang für verschiedene
Zugkräfte
und/oder verschiedene Zeitdauern wiederholt werden.
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Beispielsweise
können
nacheinander mehrere betragsmäßig verschiedene
Zugkräfte
zwischen einer Mindestzugkraft und einer Maximalzugkraft angewendet
und gegebenenfalls gemessen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass es mit sehr geringem Aufwand eine verhältnismäßig zuverlässige Aussage
darüber
erlaubt, wie haltbar die Verbindung zwischen Körper und Hauptkörper bei
einer realistischen Belastung ist. Außer dem Schrägzugadapter,
der preiswert für
verschiedenste Anwendungsbereiche in unterschiedlichen Größen und
mit unterschiedlichen Schrägen hergestellt
werden kann, sind keinerlei aufwendige Einrichtungen erforderlich.
Zusammen mit dem Schrägzugadapter
wird vielmehr eine Prüfvorrichtung
verwendet, wie sie meist für
Zugversuche ohnehin vorhanden ist. Insbesondere schwer zerstörungsfrei
zu prüfende
Schweißnähte, wie
sie bei der Verbindung von Ringbuckelmuttern mit Karosserieblechen
entstehen, können
auf diese Weise sehr einfach untersucht werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt schematisch verschiedene Buckelmuttern;
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2 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch einen Schrägzugadapter gemäß einer
Ausführungsform;
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3 zeigt
schematisch eine Prüfvorrichtung
zur Verwendung mit dem Schrägzugadapter;
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4 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter gemäß 2 mit
den beim Einsatz wirkenden Kräften;
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5 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter gemäß 2;
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6 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter gemäß 2 und
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7 zeigt
schematisch eine Ansicht der Prüfvorrichtung
gemäß 3 mit
aufgesetztem Schrägzugadapter.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch jeweils einen Querschnitt
durch und eine Sicht von unten auf verschiedene Muttern 1,
die als Buckelmuttern ausgebildet sind.
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1a zeigt
eine Rundbuckelmutter, die auf ihrer Aufsatzfläche 3 eine Anzahl
von Buckeln 4, die die Form kreisförmiger Erhebungen haben, aufweist.
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1b zeigt
eine Langbuckelmutter 5, die auf ihrer Aufsatzfläche 3 eine
Anzahl von langgezogenen Buckeln 4 aufweist.
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1c zeigt
eine Ringbuckelmutter, die auf ihrer Aufsatzfläche 3 einen ringförmigen Buckel 4 aufweist.
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Derartige
Buckelmuttern werden mittels Buckelschweißen, das eine Unterart des
Widerstandspressschweißens
darstellt, mit einem Blech verbunden. Dazu werden Blech und Mutter 1 unter
Einwirkung eines hohen Druckes und einer hohen Temperatur zusammengefügt, wobei
der hohe Druck durch Aufpressen der Elektroden und die hohe Temperatur durch
einen zwischen den Elektroden fließenden Strom erzeugt werden.
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Beim
Buckelschweißen
fließt
der Strom lediglich über
die an der Schweißstelle
vorhandenen Buckel 4, nicht über die gesamte Aufsatzfläche 3.
Die an den Schweißteilen
vorhandenen Buckel 4 werden während des Schweißvorganges
eingeebnet und bilden nach dem Schweißen eine Schweißlinse.
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Buckelmuttern,
insbesondere Ringbuckelmuttern 6, werden beispielsweise
in der Kraftfahrzeugindustrie zur Befestigung von Komponenten und Baugruppen
an Rohkarosserien verwendet. Sowohl die Muttern 4 als auch
die mit ihnen zu verschweißenden
Stahlbleche weisen aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung ein
hohes Kohlenstoffäquivalent
auf, was beim Schweißen
zu Problemen führen
kann. Eine Überprüfung der
Schweißstelle nach
dem Schweißvorgang
ist deshalb meist vorgesehen.
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Beispielsweise
bei der Befestigung von Nebenaggregaten im Motorraum sind die Buckelmuttern typischerweise
nicht einer Torsions-, sondern einer Zug- und Biegebeanspruchung
ausgesetzt. Erfindungsgemäß werden
die Muttern daher nach dem Schweißen mittels Schrägzugversuch
geprüft.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch einen Schrägzugadapter 8 gemäß einer Ausführungsform,
der auf einem Blech 7 mit aufgeschweißter Mutter 1 aufgesetzt
ist. Der Schrägzugadapter 8 hat
die Form eines nach unten offenen Hohlzylinders mit einer ersten Öffnung 9 unten
und einer kleineren zweiten Öffnung 10 in
einer Deckelfläche 13 des
Zylinders. Die erste Öffnung 9 und
die zweite Öffnung 10 sind
konzentrisch um die Längsachse 11 des
Zylinders angeordnet.
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Die
Querschnittsebene 12 der ersten Öffnung 9 ist nicht
parallel zur Deckelfläche 13 und
damit senkrecht zur Längsachse 11 angeordnet,
sondern um einen Winkel α gegen
die Senkrechte zur Längsachse
und damit auch gegen die Aufsatzfläche 3 der Buckelmutter 1 geneigt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt α etwa 4 Grad.
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Die
Mantelfläche 14 des
Hohlzylinders umgibt mit ihrer Stirnfläche 16 am unterem
Ende 15 des Hohlzylinders die erste Öff nung 9. Dabei spannt
die Stirnfläche 16 die
Querschnittsebene 12 der ersten Öffnung 9 auf.
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Zum
Prüfen
der Schweißverbindung
wird der Schrägzugadapter 8 auf
die Mutter 1 aufgesetzt, so dass diese in der ersten Öffnung 9 aufgenommen
ist. Durch die zweite Öffnung 10 ist
ein Gewindestift eines Prüfkopfes
durchgeführt,
der in das in der 2 nicht gezeigte Innengewinde
der Mutter 1 eingedreht wird. Durch einen Unterdruck wird
auf den Gewindestift und damit auch auf die Mutter 1 eine
Zugkraft FZugkraft in Richtung des Pfeils 20 ausgeübt. Durch
den am unteren Ende 15 abgeschrägten Schrägzugadapter 8 legt
sich das Blech 7 im Bereich des Schrägzugadapters schräg an diesen
an und bewirkt die gewünschte
Schrägzugspannung
auf die Schweißverbindung.
Die Aufgabe des Schrägzugadapters
besteht demnach neben der Einstellung des Winkels α auch darin,
den gleich bleibenden Abstand zwischen Prüfkopf und Blech 7 zu
gewährleisten.
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3 zeigt
schematisch eine Prüfvorrichtung 17 mit
einem Prüfkopf 18 und
einem Gewindestift, der in der beschriebenen Weise mit dem Schrägzugadapter 8 verwendbar
ist.
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4 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter gemäß 2 mit
den beim Einsatz wirkenden, vereinfacht dargestellten Kräften. Beim
Einsatz wird der Schrägzugadapter 8 auf
Druck beansprucht, was durch die Kräfte FBlech,1 und
FBlech,2 gekennzeichnet ist. Außerdem bewirkt das
Mundstück
des Prüfkopfes
durch die Kraft FMundstück ein Biegemoment, das
durch Mb,1 und Mb,2 gekennzeichnet
ist.
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Der
Schrägzugadapter 8 ist
derart auszulegen, dass er diesen Beanspruchungen standhält. Dabei
sind an Ausgangsgrößen zu berücksichtigen
der Flanschdurchmesser der Buckelmutter, der Durchmesser des Gewindestifts,
die Länge
des Gewindestifts, die Höhe
der Buckelmutter, der maximale Hub der Prüfvorrichtung 17, die
maximale Zugkraft der Prüfvorrichtung 17.
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5 zeigt
noch einmal schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter 8.
Die zu wählenden
Größen bei
der Dimensionierung des Schrägzugadapters 8 sind
insbesondere die Höhe
H, die Wandstärke
h, der Durchmesser d2 der zweiten Öffnung 10,
der Durchmesser d1 der ersten Öffnung und
der Gesamtdurchmesser D des Schrägzugadapters 8,
wobei die Wandstärke
h unterschiedlich gewählt
werden kann für
die Mantelfläche 14 einerseits und
die Deckelfläche 13 andererseits,
so dass nicht zwangsläufig
D = d1 + 2h gilt.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wurde eine Ringbuckelmutter mit M10-Gewinde verwendet. Dabei beträgt der Flanschdurchmesser
der Ringbuckelmutter 26 mm. Um zu verhindern, dass der Schrägzugadapter 8 während der
Prüfung
auf Schweißspritzern
aufsitzt, wird der Innendurchmesser d1 des
Aufsatzes mit d1 = 28 mm festgelegt. Da die
Zugspannung möglichst
auf die Schweißnaht konzentriert
werden soll, wird d1 vorteilhafterweise nicht
viel größer gewählt als
der Flanschdurchmesser der Ringbuckelmutter.
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Damit
das Mundstück
des Prüfkopfes
eine möglichst
große
Auflagefläche
hat und der aufgebrachte Druck besser verteilt wird, wird die zweite Öffnung 10 nicht
zu groß gewählt. Im
Ausführungsbeispiel
wurde sie bei einem Durchmesser des Gewindestifts von 10 mm mit
d1 = 10,5 mm gewählt.
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Um
die Aufstandsfläche
des Schrägzugadapters 8 auf
dem Blech ausreichend groß zu
machen, wird der Gesamtdurchmesser D als D = 40 mm gewählt. Dadurch
wird verhindert, dass sich der Schrägzugadapter 8 durch
den Druck der Prüfvorrichtung
in das Blech einarbeitet.
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Außerdem werden
die Kanten mit einem Krümmungsradius
R von beispielsweise 4 mm abgerundet, um Kerbwirkungen zu verhindern.
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6 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Schrägzugadapter 8 mit
weiteren für
die Dimensionierung des Schrägzugadapters
nützlichen Größen. Um
die Gesamthöhe
H und die Wandstärke h
zu bestimmen, wird kalkuliert, dass der Gewindestift mit der aus
dem Mundstück
ragenden Länge
a zunächst
um eine gewisse Strecke l in das Gewinde der Mutter eingeschraubt
wird. Damit ergibt sich aus der Summe der Höhe der Mutter b und der Länge a abzüglich der
Strecke l die Gesamthöhe
H, also H = a + b – l.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird a = 23 mm, b = 13 mm und l = 9 mm gewählt, so dass sich H = 27 mm
ergibt. Daraus ergibt sich für
die Wandstärke
h aus dem Hub c der Prüfvorrichtung, der
c = 8 mm gewählt
wird, und der Höhe
b der Mutter h = 6 mm, da H = h + c + b gilt.
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7 zeigt
schematisch eine Ansicht der Prüfvorrichtung 17 gemäß 3 mit
aufgesetztem Schrägzugadapter 8.
Dabei ist der Schrägzugadapter 8 auf
den Prüfkopf 18 mit
Mundstück 21 aufgesetzt
und der Gewindestift 19 durch die zweite Öffnung des
Schrägzugadapters 8 geführt.
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- 1
- Mutter
- 2
- Rundbuckelmutter
- 3
- Aufsatzfläche
- 4
- Buckel
- 5
- Langbuckelmutter
- 6
- Ringbuckelmutter
- 7
- Blech
- 8
- Schrägzugadapter
- 9
- erste Öffnung
- 10
- zweite Öffnung
- 11
- Längsachse
- 12
- Querschnittsebene
- 13
- Deckelfläche
- 14
- Mantelfläche
- 15
- unteres
Ende
- 16
- Stirnfläche
- 17
- Prüfvorrichtung
- 18
- Prüfkopf
- 19
- Gewindestift
- 20
- Pfeil
- 21
- Mundstück
- H
- Höhe
- h
- Wandstärke
- d1
- Durchmesser
der ersten Öffnung
- d2
- Durchmesser
der zweiten Öffnung
- D
- Gesamtdurchmesser
- R
- Krümmungsradius
- a
- Länge des
Gewindestifts
- b
- Höhe der Mutter
- c
- Hub
- l
- Strecke