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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbringen einer
vorbestimmten Axialkraft und eine mit einer derartigen Vorrichtung
ausgestattete Strukturverbindungseinheit.
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Für Anwendungen
im mechanischen Bereich der Flanschverbindungen ist es notwendig,
zwei Körper
in wechselseitigen Kontakt zu bringen und sie ordnungsgemäß so zu
halten.
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Um
eine solide Verbindung zu gewährleisten,
reicht es allerdings nicht, dass die zwei oben erwähnten, zu
verbindenden Körper
lediglich in wechselseitigen Kontakt gebracht werden, sondern es
ist ferner notwendig, dass diese fest gegeneinander gepresst werden,
um eine versehentliche Entkopplung, beispielsweise aufgrund von
thermischer Spannung, Vibrationen oder anderer Natur, zu verhindern.
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Eine
bekannte Ausführung,
welche dieses Problem löst,
sieht vor, dass eine Feder auf dem Schaft der Schraube angeordnet
ist, welche die zwei zu verbindenden Körper verbindet, wobei die Feder eine
Kraft auf die zwei Körper
ausübt,
sobald sie während
des Verschraubens des Bolzens komprimiert wird.
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Auf
diese Weise wird zusätzlich
zu der einfachen Verbindung der zwei Körper das Aufbringen einer Kraft
gewährleistet,
welche darauf gerichtet ist, die zwei Körper, durch welche die Schraube
hindurchgeführt
ist, zusammenzuhalten.
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Derartige
Vorrichtungen weisen jedoch aufgrund der Tatsache, dass es nicht
möglich
ist, die Kraft, welche gegen die zwei Körper drückt, zu steuern und/oder genau
einzustellen, einen erheblichen Nachteil auf.
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Dieser
Aspekt ist keineswegs irrelevant, da eine allzu geringe Spannung
zu einem raschen Lösen
der Verbindung führen
könnte,
wohingegen eine allzu hohe Spannung die zu verbindenden Körper und/oder
die Bolzen beschädigen
könnte.
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Um
zu gewährleisten,
dass die zwei verbundenen Körper
auch angemessen gegeneinandergepresst werden, wird daher gegenwärtig auf
dem Markt spezielles Montagewerkzeug angeboten, sogenannte ”Drehmomentschlüssel”.
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Derartige
Schlüssel,
sowohl von der rein mechanischen, als auch der elektromechanischen
Art, sind in der Lage, während
sie auf die Mutter gedrückt sind,
das aufgebrachte Drehmoment und somit die auf die zwei zu verbindenden
Körper
drückende
Kraft anzuzeigen.
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Dank
derartiger Schlüssel
ist es somit möglich,
für jedes
erreichte Drehmoment den Wert der auf die zwei zu verbindenden Körper wirkenden
Kraft zu ermitteln.
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Allerdings
haben diese Drehmomentsschlüssel,
zusätzlich
zu den sehr hohen Anschaffungskosten und dem nicht einfachen Gebrauch,
weitere Nachteile.
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Insbesondere
können
in der Tat selbst die oben genannten Drehmomentschlüssel die
auf die zwei zu verbindenden Körper
wirkende Kraft nicht exakt quantifizieren, da während des Festziehens zwischen
dem Bolzenkopf, den zwei Körpern
und entlang des Gewindes Reibung auftritt, die zwangsläufig dazu
führt,
dass sich der aktuelle Wert des von dem jeweiligen Drehmomentschlüssel angezeigten
Festziehdrehmoments ändert.
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Des
Weiteren ist es nach dem Festziehen der Mutter derzeit nicht möglich, in
regelmäßigen Abständen zu
kontrollieren, ob die Spannkraft zwischen den Körpern immer noch die ursprüngliche
ist, ohne hierbei auf die oben genannten Drehmomentschlüssel zurückgreifen
zu müssen.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum
Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und eine mit einer derartigen
Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit bereitzustellen,
die es ermöglichen,
die oben genannten Nachteile des Standes der Technik in sehr einfacher,
wirtschaftlicher und besonders funktioneller Weise zu beheben.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten
Axialkraft und eine mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit
bereitzustellen, die es ermöglichen,
auf extrem genaue Weise eine vorbestimmte Axialkraft auf zwei zu
verbindende Körper aufzubringen.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten
Axialkraft und mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit
bereitzustellen, die eine einfache regelmäßige Prüfung ermöglichen, ob die aufgebrachte
Kraft die gleiche ist wie diejene, die während der Befestigungsphasen
aufgebracht wurde, ohne hierbei ein Werkzeug zu benötigen.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und
eine mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit gelöst, wie
sie in den Ansprüchen
1 und 15 spezifiziert sind.
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Weitere
Eigenschaften der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Eigenschaften und Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen
einer vorbestimmten Axialkraft und einer mit einer derartigen Vorrichtung
ausgestatteten Strukturverbindungseinheit werden aus der folgenden
veranschaulichenden und nicht einschränkenden Beschreibung noch deutlicher,
welche sich auf die beigefügten
schematischen Zeichnungen bezieht, von denen:
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1 und 2 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer ersten Ausführungsform
des Gegenstands der vorliegenden Erfindung in einer Ruhe- bzw. einer Betriebsposition
zeigen;
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3 und 4 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer zweiten Ausführungsform
des Gegenstands der vorliegenden Erfindung in einer Ruhe- bzw. einer Betriebsposition
zeigen;
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5 und 6 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer dritten Ausführungsform
des Gegenstands der vorliegenden Erfindung in einer Ruhe- bzw. einer Betriebsposition
zeigen;
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7 bis 9 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer vierten Ausführungsform des
Gegenstands der vorliegenden Erfindung in einer Ruheposition bei
Raumtemperatur, einer Ruheposition bei Betriebstemperatur bzw. im
Betrieb bei Betriebstemperatur zeigen;
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10 und 11 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer fünften Ausführungsform des Gegenstands
der vorliegenden Erfindung in einer Ruhe- bzw. einer Betriebsposition zeigen;
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12 und 13 schematische,
teilweise geschnittene Ansichten einer sechsten Ausführungsform
des Gegenstands der vorliegenden Erfindung in einer Ruhe- bzw. einer
Betriebsposition zeigen;
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14 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer siebten Ausführungsform des
Gegenstands der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die
dargestellten Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen
zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und jeweils die dazugehörige Strukturverbindungseinheit.
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In
einer in den 1 und 2 gezeigten ersten
Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft auf ein Strukturelement 20 ein
im Wesentlichen unverformbares Steuerelement 11, welches
bei der Verbindung mit einer elastisch verformbaren Einheit 16 zusammenwirkt.
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Das
Steuerelement 11 umfasst einen Basisabschnitt 12,
welcher mit mindestens einer Öffnung 14 versehen
ist, das eine Achse A zum Durchführen von
mindestens einem zylindrischen Element 15, üblicherweise
eine Schraube, aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung
gegen das Strukturelement 20 zu drücken.
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Der
Ausdruck Strukturelement 20 bezieht sich auf die Kopplung
der zwei miteinander zu verbindenden Körper 93, 94,
auf die eine vorbestimmte Kraft aufzubringen ist.
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Das
Steuerelement 11 umfasst ferner mindestens einen Orthogonalabschnitt 13,
welcher einstückig
mit der Basis 12 ausgebildet ist und sich von dieser im
Wesentlichen senkrecht erstreckt.
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Insbesondere
liegt das freie Ende 21 des Orthogonalabschnitts 13 während des
Gebrauchs der Vorrichtung an dem Strukturelement 20 an.
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Die
elastisch verformbare Einheit 16 ist der Basis 12 zugeordnet
und erstreckt sich von dem Teil des mindestens einen Orthogonalabschnitts 13.
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Insbesondere
weist die elastisch verformbare Einheit 16 erfindungsgemäß bei der
Betriebs- und Ruhetemperatur eine derartige Erstreckung auf, dass sie
um eine vorgegebene Länge
H über
das Anschlagende 21 des Steuerelements 11 hinausragt.
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Auf
diese Weise wird die elastisch verformbare Einheit 16 bei
der Verbindung ausgehend von dem oben beschriebenen Ruhezustand
bis zu einem mit dem Anschlagende 21 fluchtenden Zustand
aufgrund des Kontakts des Strukturelements 20 mit dem Anschlagende 21 selbst
komprimiert.
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Folglich
bringt die elastisch verformbare Einheit 16 bezüglich der
Komprimierung H, eine vorbestimmte Kraft in Richtung der Achse A
auf, die durch den Anschlag des Strukturelements 20 an
dem Ende 21 und die Elastizität bei der Betriebstemperatur
der elastisch verformbaren Einheit 16 definiert ist.
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Somit
ermöglicht
die Vorrichtung insbesondere das Aufbringen einer vorbestimmten
Axialkraft, wobei es aufgrund der Nichtverformbarkeit des Steuerelements 11 in
der Tat nicht möglich
ist, die elastisch verformbare Einheit 16 über das
erlaubte Ausmaß H
hinaus zu komprimieren.
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Um
diesen Spannungszustand, welcher mit der aufgrund des Kontakts des
Strukturelements 20 mit dem Anschlagende 21 verursachten
Komprimierung H der elastisch verformbaren Einheit 16 verknüpft ist,
aufrecht zu halten, umfasst das Anschlagende 21 eine gerändelte oder
allgemein zur Erzielung eines hohen Reibungskoeffizienten bearbeitete Kontaktoberfläche.
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Auf
diese Weise wird der Kontakt des Endes 21 mit dem Strukturelement 20 auch
bei Vibrationen oder anderen äußeren Spannungen
aufrechterhalten.
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Das
Steuerelement 11 ist vorzugsweise topfförmig, wobei der mindestens
eine Orthogonalabschnitt 13 den Seitenoberflächen des
Topfelements 11 selbst entspricht.
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In
dieser Ausführung
bilden diese Seitenoberflächen 13 auch
eine Seitenbegrenzung und Führungsoberflächen für die elastisch
verformbare Einheit 16.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
umfasst die elastisch verformbare Einheit 16 ein elastisch
verformbares Rohrelement 41, welches derart ausgebildet
ist, dass es bei einer im Wesentlichen der Raumtemperatur entsprechenden
Betriebstemperatur in seinem in das Topfelement 11 eingesetzten Zustand
aus dem letztgenannten um die Länge
H über
das Anschlagende 21 hinausragt.
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Das
verformbare Rohrelement 41 umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl
von aufeinanderfolgend angeordneten elastisch verformbaren Ringen,
wobei die Ringe eine perforierte Innenfläche 17 zum Durchführen des
zylindrischen Halteelements 15 umfassen.
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Gemäß einer
in den 3 und 4 gezeigten weiteren Ausführungsform
umfasst die elastisch verformbare Einheit 16 ein erstes
elastisch verformbares Rohrelement 42, welches aus einem
derartigen Material besteht, dass bei einer Betriebstemperatur die
aus dem Rohrelement 42 und einem dem oben genannten ersten
Rohrelement 42 bezüglich der
Basis 12 auf der gegenüberliegenden
Seite zugeordneten zweiten unverformbaren Element 43 bestehende
Einheit um die Länge
H über
das Anschlagende 21 hinausragt.
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Insbesondere
ragt das zweite unverformbare Element 43 um eine Länge H über das
Anschlagende 21 derart hinaus, dass das erste Rohrelement 42 dann,
wenn das Strukturelement 20 in Kontakt mit dem Ende 21 des
Topfelements 11 gebracht ist, in seinem um die Länge H komprimierten
Zustand, wie im vorhergehenden Fall, im Zusammenhang mit der Komprimierung
H eine vorbestimmte Kraft in Richtung der Achse A aufbringt, welche
durch den Anschlag zwischen dem Strukturelement 20 und
dem Ende 21 und durch die Elastizität bei der Betriebstemperatur
des ersten Rohrelements 42 selbst definiert wird.
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Vorzugsweise
ist das zweite unverformbare Element 43 auch topfförmig mit
einer Basis 44 ausgebildet, die dem ersten Rohrelement 42 zugeordnet und
mit mindestens einer Öffnung 46 zum
Durchführen
des mindestens einen zylindrischen Elements 15 versehen
ist.
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In
dieser Ausführungsform
sind die Seitenwände 45 des
zweiten Topfelements 43. zwischen den Seitenwänden 13 des
ersten Topfelements 11 und dem ersten verformbaren Rohrelement 42 angeordnet.
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Um
die Vorrichtung bis zu ihrem Einsatz zusammenzuhalten, weisen die
zwei Topfelemente 11, 43 an den Seitenwänden 13, 45 wechselseitige
Befestigungsöffnungen 50, 51 mit
Schrauben 90, 91 auf, wobei die Öffnungen 50, 51 miteinander
fluchten, wenn die Einheit 16, das erste Element 42 – das zweite
Topfelement 43, um die Länge H über das Anschlagende 21 des
ersten Topfelements 11 hinausragt.
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In
diesem Ruhezustand ragt die oben beschriebene Einheit 16 um
die Länge
H über
das Anschlagende 21 des ersten Topfelements 11 hinaus.
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Alternativ
ist es möglich,
dafür zu
sorgen, dass die zwei Öffnungen 50, 51 miteinander
fluchten, wenn die Einheit 16, das erste Element 42 – das zweite
Topfelement 43, mit dem Anschlagende 21 des ersten
Topfelements 11 fluchtet.
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In
diesem Fall ist das erste verformbare Rohrelement 42 sogar
vor dem Zusammenbau mit der Schraube um die Länge H komprimiert und übt eine
vorbestimmte Kraft in Richtung der Achse A auf den zweiten Topf 43 aus,
welche mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der Betriebstemperatur des
ersten Rohrelements 42 in Zusammenhang steht.
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Diese
Ausführungsform
ist vorteilhaft, da sie eine einfache Montage ermöglicht,
wobei der Nutzer, wenn die Bolzen 31, 32 befestigt
sind, lediglich die Schrauben 90, 91 lösen muss,
um, wie in den vorhergehenden Fällen,
eine vorbestimmte mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der
Betriebstemperatur des ersten Rohrelements 42 selbst in
Zusammenhang stehende Kraft in Richtung der Achse A aufzubringen.
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Gemäß einer
in den 7 bis 9 gezeigten weiteren Ausführungsform
umfasst die elastisch verformbare Einheit 16 ein elastisch
verformbares Rohrelement 60, welches aus einem derartigen
Material besteht, dass es bei Raumtemperatur mit dem Anschlagende 21 fluchtet
und bei der Betriebstemperatur aufgrund einer thermischen Ausdehnung
um die Länge
H über
das Anschlagende 21 hinausragt.
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Somit
verhält
sich diese Ausführungsform bei
der Betriebstemperatur genau wie das erste oben beschriebene Beispiel,
mit dem Vorteil, dass die Vorrichtung bei Raumtemperatur ein durch
das Anschlagende 21 definiertes kleineres Volumen aufweist.
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In
einem in den 10 und 11 gezeigten
weiteren Beispiel kann die elastisch verformbare Einheit 16 ein
erstes elastisch verformbares Rohrelement 61 und ein zweites
unverformbares Element 62 umfassen, das dem ersten verformbaren
Rohrelement 61 bezüglich
der Basis auf der gegenüberliegenden
Seite zugeordnet ist und mit dem Anschlagende 21 fluchtet.
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Auch
diese Ausführungsform
ist eine einfach zu montieren, wobei der Nutzer, wenn die Bolzen 31, 32 befestigt
sind, lediglich die Schrauben 90, 91 lösen und
die Vorrichtung auf die Betriebstemperatur bringen muss, um, wie
in den vorhergehenden Fällen,
eine vorbestimmte Kraft in Richtung der Achse A aufzubringen, die
mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der Betriebstemperatur
des ersten Rohrelements 42 selbst in Zusammenhang steht.
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In
diesem Fall besteht das erste Rohrelement 61 aus einem
Material, welches derart beschaffen ist, dass es bei der Betriebstemperatur
eine der Länge
H entsprechenden Ausdehnung erfährt,
so dass die Vorrichtung bei der Betriebstemperatur, wie in den zuvor
beschriebenen Ausführungsformen, eine
vorbestimmte Kraft in Richtung der Achse A aufbringt, welche mit
der Komprimierung H und der Elastizität bei der Betriebstemperatur
des ersten Rohrelements 61 selbst zusammenhängt.
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Ferner
ist in diesem Fall das zweite unverformbare Element 62 vorzugsweise
topfförmig
mit einer Basis 63 ausgebildet, welche mit mindestens einer Öffnung 64 zum
Durchführen
des mindestens einen zylindrischen Elements 15 und mit
Seitenwänden 65 versehen
ist, die zwischen den Seitenwänden 13 des
ersten Topfelements 11 und dem ersten elastisch verformbaren
Element 61 angeordnet sind.
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Die
oben beschriebenen zwei Topfelemente 11, 62 können auf
den jeweiligen Seitenwänden 13, 65 wechselseitige
Befestigungsöffnungen 70, 71 mit Schrauben 90, 91 aufweisen,
wobei die Öffnungen 70, 71 miteinander
fluchten, wenn das zweite Topfelement 62 mit dem Anschlagende 21 des
ersten Topfelements 11 fluchtet.
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Wenn
die Vorrichtung in korrosiven Umgebungen eingesetzt wird, wie zum
Beispiel in See- und Meeresbodenanlagen, können, wie in 14 dargestellt,
Vorrichtungen 80, 81 zum Isolieren des Innenvolumens
des ersten Topfelements 11 vorgesehen sein, beispielsweise
Dichtringe 80, 81, die an den entgegengesetzten
Seiten des Topfelements 11 angeordnet sind und sowohl im
Bereich unterhalb des Kopfs des zylindrischen Elements 15 als
auch in Kontakt mit dem Topfelement 11 eine Nut aufweisen,
die mit einer umlaufenden Zahnverbindung versehen sein kann.
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Alle
beschriebenen Ausführungsbeispiele der
Vorrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten Kraft können entsprechenden
Verbindungsgruppen zugeordnet werden, welche zusätzlich zu der Vorrichtung selbst
eine Schraube 15 umfassen, die zum Durchführen durch
sowohl die Vorrichtung als auch durch eine in dem Strukturelement 20 ausgebildeten Öffnung 30 vorgesehen
ist, um auf einer Seite aus der Basis 12 und auf der anderen
Seite aus dem Strukturelement 20 hinauszuragen.
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Des
Weiteren sind zwei Muttern 31, 32 vorgesehen,
welche auf die entgegengesetzten Enden der Schraube 15 wirken,
um das Strukturelement 20 in Kontakt gegen das Ende 21 des
ersten Topfelements 11 zu bringen, so dass die elastisch
verformbare Einheit, welche unter diesen Bedingungen um die Länge H komprimiert
ist, im Zusammenhang mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der
Betriebstemperatur der elastisch verformbaren Einheit 16 selbst
eine vorbestimmte Kraft in Richtung der Schraube 15 aufbringt.
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Natürlich können zum
Aufbringen einer vorbestimmten Kraft auch mehrere Vorrichtungen
vorgesehen sein, die einer einzigen Schraube 15, beispielsweise
auf den bezüglich
des Strukturelements 20 entgegengesetzten Seiten, zugeordnet
sind, wie in Figuren den 12 und 13 dargestellt.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung zur Aufbringung einer vorbestimmten
Axialkraft und der mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten
Strukturverbindungseinheit ist leicht zu verstehen.
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Beim
Verschrauben der Muttern 31, 32 wird deren Vorschub
durch den Kontakt des Strukturelements 20 mit dem Anschlagende 21 des
Topfelements 11 blockiert. Unter diesen Bedingungen wird ein
weiteres Festziehen verhindert, da das Topfelement 11 unverformbar
ist.
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Gemäß der Erfindung
liegt die innerhalb des Topfelements 11 aufgenommene elastisch
verformbare Einheit 16 bei der Betriebstemperatur in einer um
die durch die Geometrie selbst vorbestimmte Länge H komprimierten Konfiguration
vor und bringt daher eine mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der
Betriebstemperatur der elastisch verformbaren Einheit 16 in
Zusammenhang stehende vorbestimmte Kraft in Richtung der Schraube 15 auf.
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Da
diese Bedingung nur dann erfüllt
ist, wenn das Strukturelement 20 gegen das Ende 21 des
Topfelements 11 anschlägt,
ist es möglich,
diesen Kontakt durch manuelles Drehen an dem Topfelement 11 regelmäßig zu überprüfen.
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Wenn
das Topfelement 11 aufgrund der Kontaktbefestigung an dem
Strukturelement 20 nicht gedreht werden kann, so kann automatisch
bestätigt werden,
dass die elastisch verformbare Einheit 16 noch innerhalb
des vorbestimmten Bereichs H komprimiert ist und dass somit eine
mit der Komprimierung H und der Elastizität bei der Betriebstemperatur der
elastisch verformbaren Einheit 16 selbst zusammenhängende vorbestimmte
Kraft auf das Strukturelement 20 in Richtung der Schraube 15 aufgebracht wird.
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Somit
kann festgestellt werden, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und die mit einer
derartigen Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit
die anfangs beschriebenen Aufgaben lösen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und die mit dieser
Vorrichtung ausgestattete Strukturverbindungseinheit erlauben es
tatsächlich,
auf äußerst genaue
Weise eine vorbestimmte Axialkraft auf zwei zu verbindende Körper aufzubringen
und eine einfache regelmäßige Kontrolle über die
dauerhafte Aufrechterhaltung der durch die Verbindung aufgebrachten Kraft
zu ermöglichen.
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Die
Vorrichtung zum Aufbringen einer vorbestimmten Axialkraft und eine
mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgestattete Strukturverbindungseinheit können einer Vielzahl von Modifikationen
und Variationen unterzogen werden, die alle von dem selben erfindungsgemäßen Konzept
umfasst werden; des Weiteren können
alle Details durch technisch gleichwertige Elemente ausgetauscht
werden. In der Praxis können
die verwendeten Materialien sowie die Abmessungen gemäß den technischen
Anforderungen variieren.
