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Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung mit einem dehnbaren Schaft, einem sich an diesem abstützenden Anpresselement und einem Anpresskraft des Anpresselements aufnehmenden, dabei insbesondere elastischen und druckkraftaufnehmenden Spannelement.
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Bestimmte Schraubverbindungen weisen einen dehnbaren Schaft auf, mit dem sie einen elastischen, insbesondere elastisch dehnbaren Bereich in Richtung bzw. Orientierung ihrer Nutzkraft erhalten. Der elastische Bereich ist vorspannbar, so dass auch bei Setzvorgängen, Wärmedehnung, Kälteschrumpfung oder pulsierenden Kräften an der Schraubverbindung deren ausgeübte Pressung zwischen zugehörigen, verschraubten Bauteilen bzw. Fügeteilen immer in einem erforderlichen Maß aufrechterhalten bleibt. Diese Anordnung wird auch als „Höherfeste Schraubverbindung” bezeichnet.
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Mit einer solchen Schraubverbindung können also unvermeidliche Schwankungen des Kraftschlusses zwischen den verschraubten Bauteilen kompensiert werden. Somit kann eine Lockerung der Schraubverbindung vermieden werden. Hierzu kommt noch ein Hysterese-Effekt, so dass z. B. bei einem Schrumpfen der verschraubten Bauteile in Nutzkraftrichtung und einem damit verbundenen Verkürzen der Vorspannstrecke nicht mehr so viel Vorspannkraft von dem dehnbaren Schaft bereitgestellt werden kann, wie zuvor in diesen an Vorspannung eingebracht worden war. Dieses Spiel der Kräfte an einer solchen Schraubverbindung wird mittels einer Kraft-Weg-Kennlinie bzw. Federkennlinie dargestellt.
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In der Praxis werden derartige vorgespannte höherfeste Schraubverbindungen mit einem zugelastischen, dehnbaren Schaft bzw. Schaftelement in Form einer Dehnschraube mit einem Schraubenkopf als Anpresselement oder in Form eines Stehbolzens mit einer Mutter als Anpresselement gestaltet. Ferner sind unter das Anpresselement gespannte, druckelastische Elemente, wie Spannscheiben oder Tellerfedern, oder Pakete davon, bekannt. Diese sollen den elastischen Dehnbereich der gesamten Schraubverbindung vergrößern.
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Wird der dehnbare Schaft als ein zugelastisches Element mit einem solchen druckelastischen Element kombiniert, kann wegen prinzipbedingter Schwächen des druckelastischen Elements die verfügbare Elastizität des dehnbaren Schaftes nur zu ca. 60% ausgeschöpft werden. Die gewünschte Vorspannkraft, sich auswirkend als Längung des genannten Zugelements bzw. als Stauchung des genannten Druckelements, kann naturgemäß nur mit begrenzter Präzision gesteuert werden. So kann z. B. nur das Anziehdrehmoment der Schraube bzw. Mutter als Anpresselement verändert werden. Damit wird bei der konstruktiven Auslegung der Schraubverbindung eine erhebliche Sicherheitsreserve notwendig.
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Eine etwa notwendige Vergrößerung des elastischen Dehnbereichs der Schraubverbindung kann also konstruktiv fast nur durch eine Verlängerung des dehnbaren Schaftes geschaffen werden. Diese Verlängerung des dehnbaren Schaftes wird ausgeglichen mittels Erhöhung des Blockmaßes der verschraubten Bauteile oder mittels zylindrischer Zwischenhülsen bzw. Distanzhülsen. Beide Maßnahmen stehen oft im Konflikt zu Kraftfluss, Geometrie, Montagetechnik, Kosten oder Gewichtsfragen.
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Daher stellt sich die Aufgabe, den elastischen Dehnbereich von höherfesten Schraubverbindungen zu vergrößern, ohne mehr Bauraum zu beanspruchen.
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Gemäß der Erfindung ist eine Schraubverbindung mit einem dehnbaren Schaft bereitgestellt, einem sich an diesem abstützenden Anpresselement und einem Anpresskraft des Anpresselements aufnehmenden Spannelement. Dabei ist das Spannelement in Form einer eine Längsachse aufweisenden Hülse, insbesondere einer Druckhülse, gestaltet, die mit in ihrer Achsrichtung unterschiedlichen Querschnitten gestaltet ist.
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Erfindungsgemäß wird der elastische Dehnbereich einer Schraubverbindung bzw. Verschraubung bei weitgehend gleich bleibenden Abmessungen vergrößert. Dazu wird der Druckbereich der Anordnung elastifiziert, also elastischer gemacht. Es wird eine „hochfeste elastische Druckhülse” als druckaufnehmendes und zugleich druckelastisches Spannelement in die Wirkkette der Verschraubung geschaltet bzw. eingebracht.
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Dieses axial druckbelastete Spannelement ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch in seiner Achsrichtung unterschiedliche Querschnitte, Querschnittsflächen bzw. Querschnittsformen seines Materials, also durch eine nichtzylindrische Gestalt. Dementsprechend hat das Spannelement in seinen verschiedenen Längsabschnitten unterschiedliche geometrische Querschnittsformen und insbesondere unterschiedliche Querschnittsmaße. Seine auf Druck belasteten Querschnitte, insbesondere die Wandquerschnitte seiner Hülsenwandung, sind entlang ihrer Achse in bestimmten Abschnitten der Achse oder über die gesamte Achse hinweg unterschiedlich. Damit ist also nicht ausgeschlossen, dass das Spannelement in einem oder mehreren Bereichen seiner Längsachse streckenweise zylindrisch ist und folglich dort einige aufeinander folgende geometrische Querschnitte gleich sind. Dies kann insbesondere im Bereich von Anschlussflächen des Spannelements zu Nachbarelementen der Fall sein.
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Man könnte auch sagen, die Querschnittsformen verändern sich längs der Achse. Auch sind vorteilhaft radiale Abstände von Teilen der Querschnittsflächen unterschiedlich. Die Änderung der Querschnittsform bezieht sich also insbesondere auf innere und/oder äußere Umfangskonturen, auf Wandstärken und/oder Flächenformen. Diese Flächenformen können geschlossen oder aufgebrochen sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schraubverbindung sind der dehnbare Schaft als ein Schaft und das Anpresselement als ein Kopf einer Dehnschraube realisiert. Gerade für eine höherfeste Schraubverbindung stellt hinsichtlich Teileanzahl und Montagefreundlichkeit die Anwendung einer Dehnschraube die rationellste Lösung dar. Vorspannkraft wird als axiale Druckkraft auf das Spannelement in diesem Fall durch den Schraubenkopf als Anpresselement aufgebracht. Vorteilhaft sind ferner der dehnbare Schaft als ein Stehbolzen und das Anpresselement als eine Mutter an dem Stehbolzen realisiert Ein solcher dehnfähiger Stehbolzen kann vorteilhaft vormontiert werden. In diesem Fall überträgt eine Mutter als Anpresselement, die an diesem Stehbolzen aufgeschraubt und angezogen ist, die axiale Druckkraft auf das Spannelement.
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Bei einer bevorzugten Gestaltung der erfindungsgemäßen Hülse sind deren unterschiedliche Querschnitte sämtlich drehrund und insbesondere konzentrisch zur Hülsenlängsachse ausgebildet. Dies Gestaltung betrifft zumindest die Außenkontur der Querschnitte, die demzufolge in der Querschnittsfläche betrachtet kreisförmig ist. Somit ist das elastische und festigkeitsmäßige Verhalten der Druckhülse bezüglich ihrer Längsachse, das identisch mit der Nutzkraftresultierenden ist, rotationssymmetrisch. Dieses Verhalten ist konstruktiv am leichtesten vorherbestimmbar. Ferner ist eine solche Druckhülse kostengünstig herstellbar.
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Eine zweckmäßige Gestaltung der Hülse besteht für bestimmte Einsatzzwecke bzw. Materialverhältnisse darin, dass der Hülse eine größere Axialelastizität aufgeprägt ist als dem dehnbaren Schaft. Da die Wirklänge der Hülse im Normalfall kürzer als die Wirklänge des dehnbaren Schaftes, ist bei gleicher Materialelastizität ihre Längenänderung unter Last entsprechend kleiner. Mit einer höheren Elastizität als der des dehnbaren Schaftes wird dieser Effekt gemildert, so dass die Hülse mehr zum Dehnbereich der erfindungsgemäßen Verschraubung beiträgt, als wenn sie die gleiche Federcharakteristik wie der dehnbare Schaft hätte. Diese höhere Elastizität der Druckhülse kann mit dem verwendeten Material, aber auch mit dessen konstruktiver Gestaltung beeinflusst werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Formgebung der erfindungsgemäßen Hülse ist der Längsschnitt glockenähnlich. Im Längsschnitt weist dabei eine die Druckkraft abtragende Hülsenwandung zwischen ihren Anschlussflächen zu den Nachbarelementen eine doppelte Kröpfung bzw. eine S-Form in der Kontur auf.
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Damit haben in Längsrichtung aufeinander folgende Materialquerschnitte der Hülsenwandung erfindungsgemäß unterschiedliche radiale Abstände zur Längsachse. Durch diese Geometrie entstehen im Kräftegleichgewicht aus der axial gerichteten eingeleiteten Druckkraft und den von ihr verursachten ebenso axial gerichteten, aber von ihr radial beabstandeten Gegenkräften Kräftepaare, aus denen Scherbelastungen sowie Biegemomente im Material der Hülse resultieren. Diese Beanspruchungen wirken sich im Material als Schub- und Biegespannungen aus, welche durch konstruktive Gestaltung so konfigurierbar sind, dass das gewünschte Elastizitätsverhalten sowie die notwendige Standfestigkeit des erfindungsgemäßen Spannelements sichergestellt sind. Anders ausgedrückt, löst die eingeleitete Druckkraft nicht nur, wie es bei einer rein zylindrischen Form der Druckhülse der Fall wäre, eine Stauchung mit reinen Druckspannungen (theoretisch auch Beulspannungen) aus. Eine solche würde im elastischen Bereich nur eine kleine Verformung und entsprechend eine hohe Steifigkeit der Hülse mit sich bringen.
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Folglich reagiert das erfindungsgemäße Spannelement auf eine bestimmte eingeleitete Druckkraft mit einer weitaus höheren elastischen Verkürzung als eine zylindrische Hülse und dient damit in der Wirkkette einer vorgespannten Schraubverbindung zur Vergrößerung des Dehnbereichs. Praktisch kommt in einer erfindungsgemäßen Anordnung bei einer bestimmten Vorspannkraft zur Längung des dehnbaren Schaftes eine Verkürzung der Druckhülse hinzu, d. h. auch die Druckhülse nimmt Formänderungsarbeit aus der Vorspannung der Anordnung auf. Bei Schwund der eingespannten Strecke der verschraubten Bauteile z. B. infolge Setzung wird die Nutz- bzw. Presskraft der Verschraubung nun auch aus der Federenergie (d. h. aus der eingespeicherten Formänderungsarbeit) der Druckhülse nachgespeist, d. h. der Schwund wird besser kompensiert, als bei Verwendung einer steifen Hülse. Anders gesagt, bleibt nach einem bestimmten Schwund beim Setzen mit der Druckhülse eine höhere Spannkraft erhalten, oder bei gleichhoher Restspannkraft steht ein größerer Schwundbereich zur Verfügung. Die vorstehend anhand einer einzelnen Längsschnittebene erläuterten Kraft- und Spannungsverhältnisse gelten prinzipiell auch dann, wenn sie auf die reale Räumlichkeit einer z. B. drehrunden Druckhülse übersetzt werden. Dabei kann im Detail eine komplizierte, zusammengesetzte Beanspruchung entstehen, die zusätzlich auch noch Torsionsspannungen in das Hülsenmaterial einbringt.
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Eine günstige Gestaltungsform der erfindungsgemäßen Hülse besteht darin, dass in einem Bereich ihrer Längsachse im Wesentlichen radial ausgerichtete Öffnungen ausgebildet sind. Durch solche Öffnungen kann das elastische Verhalten der Hülse konstruktiv und fertigungstechnisch relativ leicht verändert werden, was z. B. für die Entwicklung mittels empirischer Versuche einen Vorteil bildet.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Hülse ganzheitlich aus Metall. Daneben können je nach Einsatzzweck und Lastbereich auch Materialkombinationen mit Plastomeren und/oder Elastomeren mit oder ohne Faserverstärkungen vorteilhaft sein, um das Kraft-Weg-Verhalten der Druckhülse vorteilhaft zu variieren.
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Vorteilhaft ist auch, dass eine erfindungsgemäße Druckhülse mit dem zugehörigen Anpresselement (Schraubenkopf oder Mutter) fest verbunden, evtl. sogar einteilig ausgeführt ist. Dies eliminiert Setzfugen in der späteren Verschraubung von vornherein.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine funktionelle Anlagefläche mittels eines angeformten Flanschbereichs oder weitere Übertragungsmittel, wie eine Scheibe oder ähnliche Elemente zur Druckverteilung oder Schrauberleichterung produktionstechnisch an der Druckhülse unverlierbar befestigt sind.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine räumliche Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Spannelements,
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2 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung mit einem Spannelement gemäß 1,
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3 die Ansicht III in 1,
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4 den Halbschnitt IV in 3,
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5 den Halbschnitt V in 3 und
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6 ein Kraft-Verformungs-Diagramm (Rötscher-Diagramm) mit den Elastizitäts-Verhältnissen der Schraubverbindung gemäß 2.
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In den Fig. ist eine Schraubverbindung 1 veranschaulicht (siehe insbesondere 2), die als wesentliches Bauteil eine Druckhülse 2 umfasst. Die Druckhülse 2 weist als oberen Abschluss eine Flanschfläche 4 und als unteren Abschluss einen Auflageflansch 6 auf (siehe 1). Mit den Flanschflächen 4 und 6 überträgt die Druckhülse 2 Druckkräfte, die einer Vorspannkraft 3 entsprechen, welche nachfolgend näher erläutert wird.
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Von der Druckhülse 2 zeigt 2 eine typische Verbausituation, bei der eine Spannmutter 10 an einem Gewinde 36 am oberen Endbereich eines Stehbolzens 12 aufgeschraubt ist. Der Stehbolzen 12 ist mit seinem unteren Endbereich in einem ersten zu verschraubenden Bauteil 14 mittels eines dortigen Gewindes 16 festsitzend eingeschraubt. Die Spannmutter 10 liegt über bzw. oberhalb einer Beilagscheibe 18 und diese liegt an der Flanschfläche 4 der Druckhülse 2 an und bildet dabei zwei Setzfugen 34 und 32. Die Druckhülse 2 stützt sich mit dem Auflageflansch 6 auf einem zweiten zu verschraubenden Bauteil 20 ab und bildet dabei eine weitere Setzfuge 30. Das Bauteil 20 lässt mittels der Durchgangsbohrung 21 den Stehbolzen 12 durchtreten und liegt mit einer weiteren Setzfuge 28 am ersten Bauteil 14 an. Die genannten Bauteile und Elemente bilden somit eine Spannstrecke 22 zwischen dem angenommenen Gewindeankerpunkt 24 und dem Gewinde-Mutternpunkt 26.
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Wird nun die Spannmutter 10 mit einem bestimmten Drehmoment angezogen, so erzeugt sie auf die Spannstrecke 22 eine Anpresskraft, die der oben genannten Vorspannkraft 3 entspricht. Durch diese Vorspannkraft 3 werden die Bauteile 20 und 14 aneinandergepresst. Dabei spielt sich der für Verschraubungen typische Setzvorgang insbesondere in den Setzfugen 28, 30, 32 und 34 ab. Hinzu kommen mehr oder weniger ausgeprägte Gewindesetzungen im Gewinde 16 sowie im Gewinde 36.
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Wesentliche Ausführungsmerkmale für die elastische Druckhülse 2 sind in den 1 bis 5 dargestellt. In der 1 und der Draufsicht gemäß 3 ist eine bevorzugte drehrunde Formgebung der Druckhülse 2 mit kreisringförmigen Flanschflächen 4 und 6 erkennbar. 4 und 5 lassen im Längsschnitt eine bevorzugte Glockenform der Druckhülse 2 erkennen. Nahe zum Auflageflansch 6 befinden sich gemäß 4 Wanddurchbrüche 8, welche als gezielte lokale Querschnittsschwächung die Druckhülse 2 „weicher” gegen die Vorspannkraft 3 machen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Kräftespiel ist in 5 in Bezug auf einen dort dargestellten Materiallängsschnitt 42 im Detail veranschaulicht. In der Zeichenebene teilt sich die Vorspannkraft 3 als Gesamtdruckkraft auf zwei gleiche Druckkraftkomponenten 38 und 40 auf. Für den in der Zeichenebene liegenden Materiallängsschnitt 42 der Druckhülse 2 verursacht die Teildruckkraft 40 nach dem Gesetz des Kräftegleichgewichts die Gegendruckkraft 44. Dieses Kräftepaar 40 und 44 erzeugt mittels einer anzunehmenden Hebelstrecke 46 ein Biegemoment 48. Das Biegemoment 48 wirkt z. B. auf einen Materialquerschnitt in einer beispielhaften Schnittebene 50 ein und verursacht dort eine Biegespannung. Gleichzeitig verursacht das Kräftepaar 40 und 44 auch (nicht eigens dargestellte) Schubspannungen in den von ihm beaufschlagten Materialquerschnitten.
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6 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm zu der Schraubverbindung 1. Das Kraft-Weg-Diagramm hat die Form eines sogenannten Rötscher-Diagramms, bei dem eingebrachte Vorspann- bzw. Druckkräfte entlang einer vertikalen Kraftachse 52 aufgetragen sind. Aus diesen Vorspann- bzw. Druckkräften resultierende Verformungen der beteiligten Elemente sind entlang einer horizontalen Wegachse 54 dargestellt.
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Eine Kennlinie 56 zeigt für den zur Schraubverbindung 1 gehörenden dehnbaren Schaft 12, dass sich im Kennfeld bei der aufgebrachten Vorspannkraft 3 ein Verschraubungspunkt 60 eingestellt hat. Dieser Verschraubungspunkt 60 zeigt eine Längung 62 des dehnbaren Schaftes 12 an. Mit anderen Worten hat der dehnbare Schaft 12 sich unter bzw. aufgrund der Vorspannkraft 3 von einer Ruhelänge 64 auf einen Maßpunkt bzw. ein Längenmaß 66 verlängert.
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Gleichzeitig hat sich die Spannhülse 2 entsprechend einer ihr zugehörigen Kennlinie 68 unter der bzw. verursacht durch die Vorspannkraft 3 von einer Ruhelänge 70 um eine Verkürzungsstrecke 72 auf das Längenmaß 66 verkürzt. Der Maßpunkt bzw. das Längenmaß 66 ist also der Maßpunkt der gedehnten Länge des dehnbaren Schaftes 12 und zugleich der Maßpunkt der komprimierten Länge der Druckhülse 2.
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Eine gebräuchliche, zylindrische Distanzhülse würde in der vorbeschriebenen Anordnung mit einer deutlich steileren Kennlinie 74 erscheinen, welche eine große Steifigkeit und somit einen geringen Kürzungsweg anzeigt. Eine sehr weiche bzw. sehr elastische Druckhülse würde beispielsweise eine flachere Kennlinie 76 aufweisen.
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Ein Setzvorgang der Schraubverbindung 1 lässt alle beteiligten Elemente um ein gewisses Maß entspannen. Diese Entspannung wird durch elastische Verkürzung des gespannten dehnbaren Schaftes 12 und gleichzeitige elastische Expansion der komprimierten Druckhülse 2 nachgesetzt. Beides zusammen ergibt, den Kennlinien 56 und 68 entsprechend, eine Kompensationsstrecke 78, wobei für die Pressung zwischen den verschraubten Bauteilen 14 und 20 immer noch eine restliche Vorspannkraft 80 verbleibt.
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Das Kraft-Weg-Diagramm gemäß 6 zeigt auch, was passieren würde, wenn man in der Schraubverbindung 1 anstelle der erfindungsgemäßen Druckhülse 2 eine steife zylindrische Hülse einsetzen würde. Eine solche steife Hülse hätte beispielsweise die Kennlinie 74 in 6. Mit einer solchen Kennlinie 74 würde bei einer der Kompensationsstrecke 78 gleichen Kompensationsstrecke 82 nur eine geringere Restvorspannkraft 84 erhalten bleiben.
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Die erfindungstypische Unterschiedlichkeit von Querschnittsmaßen entlang der Längsachse der Druckhülse 2 ist in 2 mit den Querschnitten 86 und 88 nochmals konkret veranschaulicht. Diese Querschnitte 86 und 88 bilden die Ansatzpunkte für die Wirkungslinien des Kräftepaars 40 und 44 wie in 5 beschrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraubverbindung
- 2
- Hülse bzw. Druckhülse als Spannelement
- 3
- Vorspannkraft
- 4
- erste Flanschfläche als Anlagefläche
- 6
- zweite Flanschfläche als Anlagefläche
- 8
- Öffnung
- 10
- Spannmutter als Anpresselement
- 12
- Stehbolzen als dehnbarer Schaft
- 14
- erstes Bauteil
- 16
- Gewinde
- 18
- Beilagscheibe als Übertragungsmittel
- 20
- zweites Bauteil
- 22
- Spannstrecke
- 24
- Gewindeankerpunkt
- 26
- Gewinde-Mutternpunkt
- 28
- erste Setzfuge
- 30
- zweite Setzfuge
- 32
- dritte Setzfuge
- 34
- vierte Setzfuge
- 36
- Gewinde
- 38
- erste Teil-Druckkraft
- 40
- zweite Teil-Druckkraft
- 42
- Materialquerschnitt im Hülsenlängsschnitt
- 44
- Gegenkraft
- 46
- Hebelarm
- 48
- Biegemoment
- 50
- Schnitt durch Hülsenmaterial
- 52
- Kraftachse
- 54
- Wegachse
- 56
- Kennlinie dehnbarer Schaft
- 60
- Verschraubungspunkt im Kennfeld
- 62
- Längungsstrecke dehnbarer Schaft
- 64
- Maßpunkt Ruhelänge dehnbarer Schaft
- 66
- Längenmaß
- 68
- Kennlinie Druckhülse
- 70
- Maßpunkt Ruhelänge Druckhülse
- 72
- Kürzungsstrecke Druckhülse
- 74
- Kennlinie einer steifen zylindrischen Distanzhülse
- 76
- Kennlinie einer elastisch weichen Druckhülse
- 78
- Kompensationsstrecke
- 80
- Rest-Vorspannkraft
- 82
- Angenommene zweite Kompensationsstrecke
- 84
- Angenommene zweite Rest-Vorspannkraft
- 86
- Erster Querschnitt
- 88
- Zweiter Querschnitt
