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Die Erfindung betrifft einen Torsionsstab zur Drehmomentbegrenzung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Torsionsstab ist ausgebildet mit einem Schaft mit einem ersten Endbereich und einem in Längsrichtung entgegengesetzten zweiten Endbereich, einer ersten Kupplung zum drehfesten Verbinden des Schafts mit der Abtriebsspindel eines Schlagschraubers, wobei die erste Kupplung am ersten Endbereich des Schafts angeordnet ist, und einer zweiten Kupplung zum drehfesten Verbinden des Schafts mit einem Gewindeelement, insbesondere mit der Mutter eines Expansionsankers, wobei die zweite Kupplung am zweiten Endbereich des Schafts angeordnet ist, wobei der Schaft zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich einen Torsionsbereich aufweist.
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Ein gattungsgemässer Torsionsstab ist beispielsweise aus der
GB1521461A bekannt. Er bildet eine Torsionsfeder zwischen der Abtriebsspindel des Schlagschraubers und dem anzuziehenden Schraubelement, welche das auf das Schraubelement aufgebrachte Drehmoment begrenzen kann. Ein weiterer Torsionsstab ist in der Patentanmeldung
DE 10 2012 213 432 A beschrieben
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen besonders zuverlässigen und zugleich in der Herstellung besonders günstigen Torsionsstab zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen Torsionsstab mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemässer Torsionsstab ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft im Torsionsbereich rohrförmig mit einem innenliegenden Hohlraum ausgeführt ist, und dass der Schaft im Torsionsbereich zumindest einen Schlitz aufweist.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Verwendung eines massiven Torsionsbereichs unter Umständen mit Nachteilen verbunden sein kann. Denn in einem Torsionsstab mit massivem Torsionsbereich können vergleichsweise hohe Schubspannungen auftreten (bei einer typischen Anwendung bis ca. 900 N/mm2). Daher muss bei einem massiven Torsionsbereich in der Regel ein hochfester Werkzeugstahl und ein relativ aufwendiges Fertigungsverfahren, teilweise mit Kugelstrahlen, zum Einsatz kommen, um Frühausfälle des Torsionsstabs durch Brüche zu vermeiden und um ausreichende Standzeiten zu erreichen. Darüber hinaus sind bei einem massiven Torsionsbereich die Anforderungen an die Durchmessergenauigkeit des Torsionsstabs vergleichsweise hoch, da sich Abweichungen im Durchmesser in der vierten Potenz in der Wirkung des Torsionsstabs auswirken können (denn für die Wirkung eines Torsionsstabs ist in der Regel das Verhältnis des Drehwinkels zum Drehmoment massgeblich, welches wiederum vom polaren Flächenträgheitsmoment abhängt, in welches bei einem massiven Torsionsbereich der Durchmesser mit der vierten Potenz eingeht).
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Hier setzt die Erfindung an und sieht vor, im Torsionsbereich anstelle eines massiven Rundstabs ein geschlitztes dünnwandiges Rohr zu verwenden. Verglichen mit Massivstäben ist ein solches offenes Profil deutlich weniger torsionsstabil. In überraschender Weise wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass dies die Standzeiten des Torsionsstabs aber nicht verringert, sondern im Gegenteil erhöhen kann. Denn damit ein Torsionsstab mit einem offenen Profil bei der Anwendung dieselbe Wirkung hat wie ein Torsionsstab mit einem Massivprofil, damit sich also insbesondere bei identischem Drehmoment derselbe Verdrehwinkel einstellt, muss der Torsionsbereich bei einem dünnwandigen geschlitzten Profil vergleichsweise durchmessergross ausgeführt werden. Bei einem durchmessergrossen dünnwandigen offenen Profil ergibt sich aber ein relativ grosses polares Widerstandsmoment, was zur Folge hat, dass die maximale Schubspannung entsprechend verringert ist. Die Last kann sich gewissermassen über mehr Fläche verteilen. Indem also der steife durchmesserkleine Rundstab durch ein offenes Rohr mit dünner Wandstärke und grossem Durchmesser ersetzt wird, können die maximalen Schubspannungen im Torsionselement reduziert, eventuell sogar halbiert und weiter verringert werden. Einer Überbeanspruchung des Materials wird damit in einfacher Weise entgegengewirkt. Insbesondere können folglich kostengünstigere Materialien eingesetzt werden, ohne dass es zu vorzeitigen Ausfällen des Torsionsstabs kommt. Darüber hinaus kann, wie weiter unten im Detail erläutert ist, ein erfindungsgemässes offenes Rohrprofil auch besonders einfach hergestellt werden, insbesondere kann ein materialaufwändiger spanender Herstellungsprozess vermieden werden.
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Durch die erfindungsgemässe Verwendung eines offenen Rohrprofils entstehen ferner zusätzliche Freiheitsgrade in der Auslegung des Torsionsstabs, denn es kann hier nicht nur der Durchmesser, sondern auch die Dicke des geschlitzten Rohres variiert werden. Darüber hinaus kann auch die Länge des Torsionsbereichs fertigungstechnisch besonders einfach und günstig variiert werden, da keine spanende Herstellung aus Vollen erforderlich ist. Schliesslich wird durch den vergleichsweise grossen Aussendurchmesser des Torsionsbereichs das Bild eines besonders robusten Torsionsstabs vermittelt. Hierdurch sind weitere Handhabungsvorteile gegeben.
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Erfindungsgemäss kann unter der Längsrichtung die Richtung der Längsachse des Torsionsstabs, insbesondere seines Schafts, verstanden werden. Das Gewindeelement kann ein Aussengewinde oder ein Innengewinde aufweisen und es kann beispielsweise eine Schraube oder eine Schraubmutter sein. Vorzugsweise kann es sich beim Gewindeelement um die Mutter eines Expansionsankers handeln. Ein solcher Expansionsanker kann einen Ankerbolzen und eine Spreizhülse aufweisen, wobei der Ankerbolzen einerseits mit einem Spreizkonus zum Aufspreizen der Spreizhülse und andererseits mit einem Gewinde ausgebildet ist, an dem die Mutter angeordnet ist. Das Gewinde des Gewindeelements verläuft bei bestimmungsgemässer Anwendung des Torsionsstabs bevorzugt koaxial zum Torsionsstab. Erfindungsgemäss reicht der Schlitz von der Schaftaussenseite bis in den Hohlraum des Schafts.
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Besonders bevorzugt ist es, dass der Schaft im Torsionsbereich genau einen Schlitz aufweist. Dies kann unter anderem im Hinblick auf den Fertigungsaufwand vorteilhaft sein, da gemäss dieser Ausführungsform der Torsionsbereich des Schafts durch einfaches Biegen/Rollen eines Blechstreifens gefertigt werden kann.
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Vorteilhafterweise weist der Schaft in zumindest einem der Endbereiche, vorzugsweise in beiden Endbereichen, und/oder im Bereich zumindest einer der Kupplungen, vorzugsweise im Bereich beider Kupplungen, eine höhere Torsionssteifigkeit gegenüber Torsion um die Längsachse des Schafts auf als im Torsionsbereich, insbesondere eine um zumindest den Faktor 2, vorzugsweise zumindest 5, 10 oder 100 höhere Torsionssteifigkeit. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die bestimmungsgemässe Torsion vorwiegend im Torsionsbereich stattfindet, wohingegen sich die Endbereiche beim bestimmungsgemässen Betrieb nur unwesentlich verdrehen. Hierdurch wiederum kann eine besonders zuverlässige Verbindung mit dem Schlagscharuber und/oder mit dem Gewindeelement erreicht werden. Unter der Torsionssteifigkeit kann insbesondere das Produkt aus dem polaren Trägheitsmoment und dem Schubmodul verstanden werden.
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Erfindungsgemäss weist der Schlitz eine Richtungskomponente in Richtung der Längsachse des Schafts auf. Besonders bevorzugt ist es, dass sich der Schlitz parallel zur Längsachse des Schafts erstreckt. Hierdurch kann die Herstellung weiter vereinfacht werden, insbesondere dann, wenn der Torsionsbereich durch Biegen eines Blechstreifens gefertigt wird. Darüber hinaus können unerwünschte Spannungsspitzen im Bereich des Schlitzes vermieden werden.
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Grundsätzlich kann der Schaft im Torsionsbereich einen mehreckigen oder einen ovalen Aussenquerschnitt aufweisen. Besonders bevorzugt ist es aber, dass der Schaft im Torsionsbereich einen kreisrunden Aussenquerschnitt aufweist. Die damit einhergehende hohe Symmetrie kann für die Aufnahme der auftretenden Kräfte besonders geeignet sein. Vorzugsweise weist der Schaft im Torsionsbereich auch einen kreisrunden Innenquerschnitt auf. Insbesondere kann der Schaft in zumindest einem Querschnitt durch den Torsionsbereich, vorzugsweise im gesamten Torsionsbereich, eine konstante Wandstärke aufweisen. Der Schaft kann auch in zumindest einem Endbereich, vorzugsweise in beiden Endbereichen, einen kreisrunden Aussenquerschnitt aufweisen.
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Weiterhin ist es besonders bevorzugt, dass der Schaft im gesamten Torsionsbereich denselben Querschnitt aufweist. Hierdurch kann die Fertigung weiter vereinfacht werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass der Schaft mehrteilig ausführt ist, das heisst, dass er aus mehreren separaten Teilen gefertigt ist, die vorzugsweise auch eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen können. Insbesondere kann der Schaft aus zumindest drei separaten Teilen gefertigt sein, wobei die ersten beiden Teile die beiden Endebereiche und das dritte Teil den Torsionsbereich des Schafts bilden können. Besonders bevorzugt ist es, dass der Torsionsbereich des Schafts mit den beiden Endbereichen verschweisst oder verlötet ist. Dies kann im Hinblick auf den Fertigungsaufwand vorteilhaft sein. Der Verbund der einzelnen Teile kann durch eine Kunststoffummantelung, welche z.B. durch Umspritzen, durch Beschichten, als Kunststoffrohr oder als Kunststofffolie, z.B. Schrumpffolie, aufgebracht werden kann, optisch ansprechend, haptisch optimiert und noch anwendungssicherer gestaltet werden.
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Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Schaft zumindest im Torsionsbereich eine Kunststoffummantelung, vorzugsweise eine Kunststoffumspritzung, aufweist. Der Torsionsbereich kann der empfindlichste Bereich des Torsionsstabs sein. Durch die Kunststoffummantelungkann der empfindlichste Bereich gezielt geschützt werden. Die Kunststoffummantelung besteht bevorzugt aus einem Thermoplast und/oder aus einem Elastomer. Der Schaft besteht vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl.
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Die erste Kupplung kann eine Polygonalstruktur, vorzugsweise einen Innenmehrkant, beispielsweise einen Vierkant, aufweisen. Ebenso kann die zweite Kupplung eine Polygonalstruktur, vorzugsweise einen Innenmehrkant, beispielsweise einen Sechskant, aufweisen. Die Polygonalstruktur der ersten Kupplung und/oder der zweiten Kupplung ist vorzugsweise im Schaft ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist es, dass der Torsionsstab eine drehfest mit dem Schaft verbundene Kupplungshülse aufweist, welche am zweiten Endbereich des Schafts längsverschiebbar auf dem Schaft angeordnet ist, wobei die zweite Kupplung an der Kupplungshülse ausgebildet ist. Insbesondere kann der Innenmehrkant der zweiten Kupplung in der Kupplungshülse ausgebildet sein. Durch Vor- und Zurückschieben der Kupplungshülse längs des Schafts kann die zweite Kupplung am Gewindeelement ein- bzw. ausgekuppelt werden. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mittels des Torsionsstabs ein Expansionsanker gesetzt werden soll: beim Eintreiben des Expansionsankers in ein Bohrloch wird die Kupplungshülse in Richtung zum ersten Endbereich hin zurückgeschoben. Die zweite Kupplung ist dann ausgekuppelt und es werden nur axiale Schläge vom Torsionsstab auf den Expansionsanker übertragen. Anschliessen wird die Kupplungshülse in einem zweiten Schritt in Richtung vom ersten Endbereich weg vorgeschoben und über die Mutter des Expansionsankers übergeschoben. Dadurch wird der Torsionsstab zum Anziehen der Mutter drehfest mit der Mutter gekoppelt.
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Die Erfindung umfasst auch eine Anordnung bestehend aus einem erfindungsgemässen Torsionsstab, einem Schlagschrauber und einem Expansionsanker mit einer Mutter, wobei der Torsionsstab an seiner ersten Kupplung drehfest mit einer Abtriebsspindel des Schlagschraubers und an seiner zweiten Kupplung drehfest mit der Mutter des Expansionsankers gekoppelt ist. Ein erfindungsgemässer Torsionsstab ist vorzugsweise so ausgelegt, dass bei Erreichen eines vorgeschriebenen Anzugsdrehmoments der Schlag des verwendeten Schlagschraubers nur noch zu einer Verdrehung des Torsionsstabs führt und nicht mehr zu einem weiteren Anstieg des Anspannmoments des Ankers.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemässen Torsionsstabs mit den Schritten:
- – Biegen eines Blechstreifens in die Form eines geschlitzen Rohres, welches den Torsionsbereich des Schafts bildet,
- – anschliessend Anfügen, insbesondere Anschweissen oder Anlöten, von zwei Endstücken an entgegengesetzten Enden des geschlitzen Rohres, wobei die beiden Endstücke die Endbereiche des Schafts bilden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den beiliegenden Figuren dargestellt sind, wobei einzelne Merkmale der nachfolgend gezeigten Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung einzeln oder in beliebiger Kombination realisiert werden können. In den Figuren zeigen schematisch:
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1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Torsionsstabs gemäss einer ersten Ausführungsform;
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2: eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Torsionsstabs gemäss einer zweiten Ausführungsform;
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3: eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Torsionsstabs gemäss einer dritten Ausführungsform; und
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4: eine weitere Seitenansicht des Torsionsstabs gemäss 3, wobei zusätzlich ein Expansionsanker und ein Schlagschrauber gezeigt sind.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Torsionsstabs dargestellt. Der Torsionsstab weist einen Schaft 10 mit einem ersten Endbereich 11 und einen in Längsrichtung, also in Richtung der Längsachse 19 des Schafts 10, entgegengesetzten zweiten Endbereich 12 auf. Am ersten Endbereich 11 ist stirnseitig am Schaft 10 eine als Innenvierkant ausgebildete erste Kupplung 15 vorgesehen, über welche der Schaft 10 drehfest mit der Abtriebsspindel 51 eines nur in 4 und dort lediglich grob schematisch dargestellten Schlagschraubers 50, insbesondere Tangential-Schlagschraubers, koppelbar ist. Am zweiten Endbereich 12 ist stirnseitig am Schaft 10 eine als Innensechskant ausgebildete zweite Kupplung 16 vorgesehen, über welche der Schaft 10 drehfest mit einem nur in 4 dargestellten Gewindeelement 62 koppelbar ist.
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Insbesondere kann der Torsionsstab zum Setzen eines in 4 dargestellten Expansionsankers 60 dienen, welcher einen Ankerbolzen 61 und eine Spreizhülse 64 aufweist, die den Ankerbolzen 61 umgibt, wobei am Ankerbolzen 61 einerseits ein Spreizkonus 63 zum Aufweiten der Spreizhülse 64 und andererseits ein Gewinde 67 angeordnet ist, auf dem das als Mutter ausgebildete Gewindeelement 62 sitzt.
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Wie insbesondere 1 weiter zeigt, weist der Schaft 10 zwischen seinen beiden Endbereichen 11 und 12 einen Torsionsbereich 13 auf. Bei der bestimmungsgemässen Verwendung des Torsionstabs wirkt dieser Torsionsbereich 13 als Torsionsfeder, welche Kraftspitzen des Schlagschraubers 50 teilweise aufnehmen kann. Damit sich der Torsionsstab gezielt im Torsionsbereich 13 verdreht, weist der Torsionsstab im Torsionsbereich 13 eine verglichen mit den Endbereichen 11 und 12 geringe Torsionssteifigkeit bezogen auf die Längsachse 19 auf.
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Im Torsionsbereich 13 ist der Schaft als einfach geschlitzte Rundrohr ausgebildet, das heisst der Schaft 10 weist dort einen innenliegenden zylindrischen Hohlraum 31 sowie einen Schlitz 32 auf, der von aussen in den Hohlraum 31 führt. Der Schlitz 32 verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Längsachse 19 des Schafts 10. Durch die Ausführung als Hohlkörper und zusätzlich durch den Schlitz 32 ist der erfindungsgemässe Torsionsbereich 13 im Vergleich zu einem massiven Stab vergleichsweise nachgiebig gegenüber Drehmomenten um die Längsachse 19. Damit der erfindungsgemässe Torsionsbereich 13 dieselbe Torsionssteifigkeit aufweist wie ein massiver Stab muss er daher mit vergleichsweise grossem Aussendurchmesser ausgeführt werden. Hierdurch steht vergleichsweise viel Material zur Verfügung, das die Torsion aufnehmen kann, so dass erfindungsgemäss vergleichsweise geringe Spannungen im Material auftreten.
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Der erste Endbereich 11 und der zweite Endbereich 12 sind über Schweiss- oder Lötstellen 25 beziehungsweise 26 mit dem Torsionsbereich 13 verbunden. Der erste Endbereich 11 weist einen Stutzen 21 auf, der zum zweiten Endbereich 12 hin vorsteht. Analog weist der zweite Endbereich 12 einen Stutzen 22 auf, der zum ersten Endbereich 11 hin vorsteht. Die beiden Stutzen 21 und 22 ragen in das geschlitzte Rohr, welches den Torsionsbereich 13 bildet, hinein, wobei das geschlitzte Rohr an den Mantelflächen der beiden Stutzen 21 und 22 anliegt.
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Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Torsionsstabs ist in 2 gezeigt. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 lediglich dadurch, dass gemäss der Ausführungsform der 2 der Schaft 10 bereichsweise von einer hülsenförmigen Kunststoffummantelung 90 umgeben ist, welche den Torsionsbereich 13 schützt. Die Kunststoffummantelung 90 umgibt den Torsionsbereich 13 und erstreckt mehr oder weniger weit in die Endbereiche 11 und 12.
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Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Torsionsstabs ist in den 3 und 4 gezeigt. Die Ausführungsform der 3 und 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 durch die Ausgestaltung des zweiten Endbereichs 12 des Schafts 10. Gemäss Ausführungsform der 3 und 4 weist der Schaft 10 eine Kupplungshülse 46 auf, die den Schaft 10 am zweiten Endbereich 12 umgibt, und die in Längsrichtung des Schafts 10 verschiebbar am Schaft 10 gelagert ist. An dieser Kupplungshülse 46 ist die z.B. als Innenmehrkant ausgeführte zweite Kupplung 16 für das Gewindeelement 62 vorgesehen.
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In der in den 3 und 4 dargestellten zurückgeschobenen Stellung der Kupplungshülse 46 steht der Schaft 10 auf seiner im zweiten Endbereich 12 befindlichen Stirnseite über die Kupplungshülse 46 über. In dieser Hülsenstellung ist der Schaft 10 des Torsionsstabs vom Gewindeelement 62 des Expansionsankers 60 drehentkoppelt, d.h. der Torsionsstab kann nur axial auf den Expansionsanker 60 wirken. Wird die Kupplungshülse 46 am Schaft 10 vom ersten Endbereich 11 hinweg (in den 3 und 4 nach links) vorgeschoben, so kann die Kupplungshülse 46 das Gewindeelement 62 des Expansionsankers 60 umgreifen, und es wird über die zweite Kupplung 16 in der Kupplungshülse 46 eine drehfeste Verbindung zwischen dem Schaft 10 und dem Gewindeelement 62 hergestellt.
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Stirnseitig an seinem zweiten Endbereich 12 kann der Schaft 10 eine Aufnahme 44 zur Zentrierung des Ankerbolzens 61 und damit zur Zentrierung des hierauf angeordneten Gewindeelements 62 relativ zum Torsionsstab aufweisen. Diese Aufnahme 44 kann auch dazu dienen, einen Expansionsanker 60 mit Hilfe des Torsionsstabes in ein Bohrloch 68 einzutreiben. In diesem Fall wird der Schlagschrauber 50 durch einen Bohrhammer ersetzt. Beim Eintreiben des Expansionsankers 60 in das Bohrloch 68 kann der Bohrhammer sowohl nur schlagend als auch drehschlagend betrieben werden.
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Der Torsionsstab gemäss 3 kann somit sowohl als Setzwerkzeug für einen Expansionsanker 60 als auch als Anspann-Werkzeug für ein kontrolliertes Anzugs-Drehmoment verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 1521461 A [0002]
- DE 102012213432 A [0002]
