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Die Erfindung betrifft ein Befestigungsmittel für Verbindungselemente für elektrische Leiter, beispielsweise eine – bevorzugt als Abscherschraube ausgestaltete – Klemmschraube für Schraubkabelschuhe oder Schraubverbinder.
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Verbindungselemente der Elektrotechnik weisen heute mehrere sich radial erstreckende Gewindebohrungen zur Aufnahme von Schrauben auf, mittels denen die Leiterenden gegen die den Schrauben gegenüberliegende Seite der Innenoberfläche des Schraubverbinders gepresst werden. Durch Auswahl einer entsprechenden Schraubenlänge können dabei Leiter mit unterschiedlichem Querschnitt im Schraubverbinder arretiert werden, wodurch die Vielfalt der sonst notwendigen unterschiedlichen Größen der Schraubverbinder reduziert wird. Für die Befestigung der Leiterenden innerhalb der Schraubverbinder sowie für die dauerhaft stromtragfähige Kontaktierung muss mit Hilfe der Schrauben ein Mindestwert für den Anpressdruck zwischen Kabelleiter und Schraubverbinder – Innenoberfläche erzielt werden, der über das Drehmoment zur Befestigung der Schraube eingestellt werden kann. Um die Anwendung eines speziellen, das Drehmoment anzeigenden Werkzeuges, respektive ein Drehmomentschlüssel, zu vermeiden, können auch sogenannte Abscherschrauben eingesetzt werden, deren Kopfabschnitt beim Erreichen des erforderlichen Drehmomentes abschert. Damit ist der Wert des Drehmomentes nicht mehr von der Sorgfalt des Anwenders abhängig. Diese Abscherschrauben weisen hierbei zumindest eine Sollbruchstelle auf, die vorwiegend durch eine Verjüngung ihres Querschnitts, z. B. durch Materialschwächungen über der Umfangslinie, erreicht wird.
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Wird die Abscherschraube derart gestaltet, dass beim kleinsten Leiterquerschnitt die Abscherstelle in der Ebene der Außenoberfläche des Schraubverbinders liegt, ergibt sich bei größeren Querschnitten folglich ein mit zunehmendem Leiterdurchmesser größer werdender Überstand der abgescherten Schraube an der Außenseite des Schraubverbinders. Dies ist von großem Nachteil für die Gestaltung und die Montage der üblicherweise darüber zu montierenden Garniturenisolierung. Bei allen vorbekannten Abscherschrauben erfolgt die Scherung im Metall der Schraube. Die Fertigung der Sollbruchstellen erfordert daher äußerste Präzision sowie ein besonders ausgewähltes Metall, um eine geringe Streuung des Abscher-Drehmomentes zu erreichen. Würden sich die Streubereiche von zwei Sollbruchstellen außerhalb des Gewindebereiches der Hülse überlappen, könnte dies dazu führen, dass gegebenenfalls die „falsche“ Sollbruchstelle bricht.
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In der
WO 96/31706 ist eine Abscherschraube mit mehreren Gewindeabschnitten und einem Kopfabschnitt beschrieben, wobei die Stellen zwischen den einzelnen Gewindeabschnitten Sollbruchstellen in Form von Einschnitten aufweisen. Aufgrund der Querschnittsgestaltung der Sollbruchstellen steigen die Abscherdrehmomente von der vom Kopfabschnitt entferntest liegende Sollbruchstelle hin zu der dem Kopf am nächsten liegenden Sollbruchstelle an. Nachteilig hierbei ist, dass kleine Leiterquerschnitte immer mit dem größten Drehmoment geklemmt werden, obwohl sie wegen des geringen zu führenden Stroms auch nur den geringsten Anpressdruck erfordern würden.
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Aus der
EP 0692643 ist eine Abscherschraube mit diskreten Sollbruchstellen in Form von Einschnitten in den Gewindeabschnitten des zylindrischen Schraubenkörpers vorbekannt. Diese Einschnitte können ein zum Kopfende hin auf- oder absteigendes Abschermoment aufweisen oder gegebenenfalls gleich groß sein. Ausnehmungen im Inneren des Schraubenkörpers erlauben die Aufnahme unterschiedlicher Antriebswerkzeuge zum Aufbringen eines Drehmoments, wobei für die „Aktivierung“ der einzelnen Sollbruchstellen jeweils der Einsatz einer anderen Größe des Antriebswerkzeugs notwendig ist. In einem aufwendigen Produktionsverfahren müssen zudem die beispielsweise sechskantförmigen Ausnehmungen in abgestuften Größen in den zylindrischen Körper eingebracht werden.
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In der
EP 0984176 ist eine Abscherschraube mit Sollbruchstellen offenbart, die ergänzend auch eine Stufen-Sollbruchstelle aufweist. Das Abschermoment dieser Stufen-Sollbruchstelle ist dabei geringer als das der vom Kopfabschnitt weiter entfernteren Sollbruchstelle und größer als das der zum Kopfabschnitt hin näheren nächsten Sollbruchstelle. Die oberhalb und unterhalb der Stufen-Sollbruchstelle platzierten Sollbruchstellen müssen dabei jeweils durch ein anderes Antriebswerkzeug mit einem Drehmoment beaufschlagt werden. Auch hierbei ist es notwendig, die unterschiedlichen Angriffsflächen und Ausnehmungen für das Antriebswerkzeug entsprechend aufwändig zu fertigen. Zudem muss zwischen zwei Antriebsarten gewählt werden.
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Die
DE 102004039811 beschreibt eine Abscherschraube in Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders mit einem zusätzlich eingeschraubten Schubelement. Zum Abriss wird die Tatsache ausgenutzt, dass das Gewinde der Schraube am Eingang in das Gewinde der Verbindungshülse mechanisch am höchsten beansprucht wird. Das Schubelement bewirkt in der Wandung des Hohlzylinders eine Zugspannung, welche die Wandung brechen lässt. Die Wandstärke des Hohlzylinders bestimmt das Drehmoment, das zum Abriss mit dem Schubelement aufgebracht werden muss. Der Hohlraum der Schraube ist nach dem Abriss durch Wegfall des Schubelements nach außen hin geöffnet. Für Garniturenisolierungen ohne eine spezielle Abschirmung des Verbinders wird damit deren Isoliervermögen negativ beeinflusst.
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Die vorgenannten Erfindungen weisen darüber hinaus den entscheidenden Nachteil auf, dass für die Realisierung der Abscherfunktion immer geringe Materialstärken bzw. Materialschwächungen im Bereich der Sollbruchstellen erforderlich sind. Somit sind bei der Herstellung der Abscherschrauben nur geringe Fertigungstoleranzen zulässig. Die sich über der Umfangslinie erstreckenden Schwächungen im Schaft der Schraube werden zur Realisierung der Sollbruchstellen üblicherweise gefräst oder gedreht. Der dafür erforderliche Scheibenfräser bzw. das dafür notwendige Drehwerkzeug weist naturgemäß eine bestimmte Wandstärke auf, die zu einem deutlichen Spalt im Gewinde der Schraube führt. Die so entstehenden separaten, axial voneinander beabstandeten Gewindebereiche können allerdings an den Kanten der Übergangsstellen leicht beschädigt werden, wodurch das Einschrauben in den dafür vorgesehenen Schraubverbinder erschwert wird. Darüber hinaus sind Abscherschrauben mit einem Abstand zwischen den Gewindeabschnitten, wie er bei Materialausnehmungen üblicherweise zustande kommt, dahingehend nachteilig, dass stets ein Teil des Schraubengewindes, welches in den Verbinder eingeschraubt ist, fehlt und somit nicht für eine Kraftübertragung zur Verfügung steht. Dies kann die Zuverlässigkeit der Schraubverbindung negativ beeinflussen.
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Des Weiteren ist die Entstehung eines Metallgrates bei sämtlichen bekannten Lösungen als signifikanter Nachteil zu nennen. Der entstehende Metallgrat kann bei Mittelspannungsverbindungen zu kritischen Feldstärkeüberhöhungen führen und muss bei Montage stets sorgfältig und somit aufwändig entfernt oder mit Elektroden abgeschirmt werden.
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Weiterhin ergibt sich bei einigen Abscherschrauben gemäß dem Stand der Technik das Problem, dass nicht nur ein Werkzeug für die Montage nötig ist, da die Abscherschraube über Angriffsflächen für verschiedene Werkzeuge – abhängig vom vorliegenden Kabelquerschnitt – verfügt, um Sollbruchstellen durch das Werkzeug zu überbrücken und damit zu verhindern, dass der Bruch an der „falschen“ Stelle erfolgt. Dies setzt zum einen die Ausrüstung mit den entsprechenden Werkzeugen voraus. Zum anderen erhöht es auch das Fehlerpotenzial bei Montage und die Umrüstzeiten, da das Werkzeug korrekt ausgewählt werden muss und dabei verwechselt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Befestigungsmittel für Verbindungselemente für elektrische Leiter, beispielsweise Schraubkabelschuhe oder Schraubverbinder, und ein solches Verbindungselement vorzuschlagen, welches bei dauerhafter Sicherstellung seiner elektrischen und mechanischen Aufgaben effizient zu fertigen und ohne spezielle Werkzeuge und Fachkenntnisse zu montieren sowie unabhängig von den zu verbindenden Leiterquerschnitten universell einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Befestigungsmittel für ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Befestigungsmittel für ein Verbindungselement für elektrische Leiter ist mindestens zweiteilig aufgebaut. Es weist ein erstes Teil auf, das eine zumindest abschnittsweise zylindrische Außenkontur hat, die zumindest abschnittsweise ein Gewinde zum Eingriff in ein Gegengewinde des Verbindungselements aufweist, und eine in Richtung der Zylinderachse verlaufende Ausnehmung aufweist.
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Erfindungswesentlich ist, dass das Befestigungsmittel ein als Stempel ausgeführtes zweites Teil aufweist, wobei der Stempel auf spezielle Weise ausgeführt ist, nämlich so, dass er einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt vom zweiten Abschnitt durch eine Querschnittsverjüngung im zweiten Teil voneinander abgegrenzt sind.
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Ferner ist erfindungsgemäß der erste Abschnitt des Stempels in die Ausnehmung aufgenommen und es steht zumindest ein Teilabschnitt des ersten Abschnitts des Stempels in mechanischer Wirkverbindung mit einer Wandung der Ausnehmung, insbesondere in einer kraft- oder formschlüssigen Verbindung mit dieser, so dass ein Druck auf den ersten Abschnitt des Stempels auf das erste Teil des Befestigungsmittels übertragen werden kann. Wie weiter unten erläutert wird, stellt eine speziell ausgestaltete Schraubverbindung eine besonders bevorzugte Form der mechanischen Wirkverbindung dar, die mechanische Wirkverbindung kann aber beispielsweise auch als eine Haftvermittlung durch Kleben, insbesondere eine Klebefuge, oder als ein Formschluss zwischen korrespondierenden Ausnehmungen und Vorsprüngen realisiert werden.
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Diese mechanische Wirkverbindung ist also so ausgestaltet, dass sie durch Krafteinleitung in das Befestigungsmittel ein Abscheren desgleichen an der Oberfläche des Verbindungselements bewirkt, wenn ein Druck auf den ersten Abschnitt des Stempels wirkt.
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Dabei weist erfindungsgemäß der zweite Abschnitt des Stempels eine aus der Ausnehmung herausragende Kontaktfläche zum Andrücken eines elektrischen Leiters an das Verbindungselement auf, und der zweite Abschnitt des Stempels ist vom ersten Teil des Befestigungsmittels beabstandet.
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Mit anderen Worten steht also kein Abschnitt der Oberfläche des zweiten Abschnitts des Stempels mit einer Oberfläche des ersten Teils des Befestigungsmittels, insbesondere einer Wandfläche der Ausnehmung oder der stirnseitigen Oberfläche der die Ausnehmung begrenzenden Wand, in Verbindung.
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Das Wort “Stempel” wird dabei nicht verwendet, um eine bestimmte Form des zweiten Teils zu beschreiben, sondern beschreibt, wie weiter unten deutlich wird, dass das zweite Teil eine Abstützfunktion erfüllt.
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Wird ein solches Befestigungsmittel zur Befestigung eines elektrischen Leiters mit dem Außengewinde des ersten Teils in ein Verbindungselement eingeschraubt, gelangt als erstes die am als Stempel ausgeführten zweiten Teil angeordnete Kontaktfläche in Kontakt mit dem elektrischen Leiter und wird bei weiterem Einschrauben an diesen angedrückt bzw. in diesen Eingedrückt. Als Konsequenz daraus treten Reibungskräfte auf, die der Bewegung der Kontaktfläche entgegen wirken und eine Torsionsbelastung des Stempels mit sich bringen, die besonders an der Querschnittsverjüngung die Belastung so hoch werden lässt, dass der Stempel an dieser Stelle abreißt.
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Wegen der Beabstandung des zweiten Abschnitts des Stempels von dem ersten Teil des Befestigungsmittels führt dieser Abriss dazu, dass sich der zweite Abschnitt des Stempels bei weiterem Einschrauben nicht mehr mitdreht. Indessen kann das erste Teil des Befestigungsmittels weiterhin gedreht werden, was dazu führt, dass der erste Abschnitt des Stempel immer fester an den zweiten Abschnitt des Stempels angedrückt wird.
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Weil der erste Stempel in der Ausnehmung aufgenommen ist, wird dieser Druck auf das erste Teil des Befestigungsmittels übertragen und verursacht eine Zugbelastung in der Wandung, die dessen Ausnehmung begrenzt. Wird eine durch Dimensionierung und Materialwahl einstellbare Kraft überschritten, kommt es zu einem Materialversagen des ersten Teils des Befestigungsmittels, bei dem alle Bestandteile des Befestigungsmittels, die oberhalb der Schraubenbohrung des Verbindungselements liegen, von dem darunter liegenden Teil des Befestigungsmittels abgetrennt werden, ohne dass ein störender Überstand zurückbleibt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Teilabschnitt des ersten Abschnitts des Stempels, der mit der Wandung der Ausnehmung in mechanischer Wirkverbindung steht, von der Querschnittsverjüngung beabstandet ist und dass der erste Abschnitt des Stempels zwischen diesem Teilabschnitt und der Querschnittsverjüngung einen kleineren Durchmesser als den Innendurchmesser der Ausnehmung aufweist. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass sich die abgetrennten Teile des Befestigungsmittels problemlos aus dem im Verbindungselement verbleibenden Teil des Befestigungsmittels entfernen lassen.
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Eine praktisch herzustellende Realisationsmöglichkeit für die mechanische Wirkverbindung, die zudem eine besonders einfache Vorkonfektionierung ermöglicht, besteht darin, dass die mechanische Wirkverbindung durch ein am ersten Abschnitt des Stempels angeordnetes Gewinde, das in ein in der Wandung der Ausnehmung angeordnetes Gegengewinde eingreift, gebildet wird. Die Ausnehmung kann dann einfach als Sackloch mit einem zumindest abschnittsweise eingeschnittenen Gewinde gestaltet werden.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem durch die Beabstandung des zweiten Abschnitts des Stempels vom ersten Teil des Befestigungsmittels gebildeten Spalt ein elastisches Element angeordnet ist. Dieses Element kann beispielsweise als ein Federring, z.B. aus einer Aluminiumlegierung, oder als Ring aus einem elastischen oder teilelastischen Kunststoff ausgeführt werden. Dieser Ring bringt wesentliche Vorteile für den Betrieb des Verbindungselements, denn er stellt eine Federreserve für das Kraftübertragungssystem dar, weil er überschüssige Kräfte aus dem System aufnehmen kann. Dies ist beispielsweise notwendig, wenn die Verbindung starken Temperaturschwankungen – zum Beispiel bei hohen Abnahmelastenunterworfen ist, und sich die Materialien bei Hochbelastung stark ausdehnen. Kühlt das Verbindungselement nach der Hochbelastung wieder ab, geht ohne Kraftspeicher regelmäßig auch die Verbindungskraft zurück, was Kontaktalterung verursacht. Das elastische Element wirkt diesem Prozess entgegen.
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Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn das Außengewinde des ersten Teils des Befestigungsmittels mit einem vom unteren Ende des ersten Teils des Befestigungsmittels, das dem zweiten Abschnitt des Stempels zugewandt ist, zum oberen Ende des ersten Teils des Befestigungsmittels hin ansteigenden Außendurchmesser gefertigt ist. Dies kann dazu beitragen, die Position der Abscherstelle noch zuverlässiger zu definieren.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement für elektrische Leiter mit einem Befestigungsmittel für den Leiter zeichnet sich dadurch aus dass das Befestigungsmittel ein Befestigungsmittel mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 4 ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die konkrete Ausgestaltungsmöglichkeiten zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1: ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Befestigungsmittel mit zusammengesetztem ersten Teil und zweiten Teil,
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2: das erste Teil des Befestigungsmittels aus 1 im Detail,
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3: das zweite Teil des Befestigungsmittels aus 1 im Detail
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4: eine erste Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt, zu dem der Stempel den Leiter kontaktiert,
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5: eine zweite Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt, zu dem die Querschnittsverjüngung überlastet wird und Stempeloberteil vom Stempelunterteil getrennt wird,
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6: eine dritte Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt, zu dem das Befestigungsmittel mit dem Stempel den Leiter bereits komprimiert hat,
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7: eine vierte Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt, zu dem die Krafteinleitung auf die Wandung des ersten Teils des Befestigungsmittels so groß wird, das die Wandung mechanisch versagt und an der Oberfläche des Verbindungselements abgetrennt wird,
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8: eine fünfte Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt unmittelbar nach dem mechanischen Versagen der Wandung des Befestigungsmittels, wobei nun der untere Stempelteil bereits in Richtung auf das Ende des ersten Teils des Befestigungsmittels gerutscht ist,
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9: eine sechste Momentaufnahme bei der Befestigung eines Leiters mit dem Befestigungsmittel gemäß 1 in einem Verbindungselement, nämlich den Zeitpunkt, zu dem der Teil des Befestigungsmittels, welcher vollständig in die Gewindebohrung des Verbindungselements eingeschraubt ist, zusammen mit dem unteren Teil des Stempels im Verbindungselement verbleibt und der im Moment des Versagens der Wandung des Befestigungsmittels aus dem Verbindungselement herausragende Teil zusammen mit dem oberen Teil des Stempels aus dem System entfernt wird,
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10: ein erstes Teil eines Befestigungsmittels mit radialen Ausnehmungen am Außendurchmesser des Befestigungsmittels,
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11: die Ausgangsposition des Befestigungsmittels bei Verwendung mit einem großen Leiterquerschnitt,
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12: die Ausgangsposition des Befestigungsmittels bei Verwendung mit einem mittleren Leiterquerschnitt, und
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13 die Ausgangsposition des Befestigungsmittels bei Verwendung mit einem kleinen Leiterquerschnitt.
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Gleiche Bestandteile der dargestellten Ausführungsformen werden in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit der Zeichnungen sind nicht alle Bezugszeichen in allen Figuren angegeben. Wie in 1 dargestellt, weist nach der Konzeption der Erfindung das Befestigungsmittel 100 mindestens ein erstes Teil 1 und ein zweites Teil in Gestalt des Stempels 5 auf.
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Wie man besonders gut in der Darstellung gemäß 2 erkennt, ist der erste Teil 1 von zylindrischer Außenkontur, und weist zum Zwecke der sicheren mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem in 1 bis 3 nicht dargestellten Verbindungselement 2 und dem Befestigungsmittel 100 auf einem Teilbereich seiner Außenoberfläche ein Außengewinde 6 auf, vorzugsweise ein Feingewinde, so dass es in eine komplementäres Gegengewinde 7, das als Gewindebohrung ausgeführt sein kann, des Verbindungselements 2 eingeschraubt werden kann.
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Das Außengewinde 6 ist unter Ausnutzung der technisch zulässigen Gewindetoleranzen gestaltet, z.B. nach DIN 13, dadurch kann der Außendurchmesser des Befestigungsmittels in einem sehr engen Bereich variieren, z.B. um 0,18mm.
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Insbesondere kann bevorzugt das Außengewinde 6 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 im Rahmen dieser DIN-Toleranz mit einem vom unteren Ende des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100, das dem zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 zugewandt ist, zum oberen Ende des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 5 hin ansteigenden Außendurchmesser gefertigt sein, was aber in der Figur wegen des geringen Ausmaßes der Variation nicht zu erkennen ist.
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Das bei Verwendung des Befestigungsmittels 100 der Kontaktfläche 5b des Stempels des Befestigungsmittels 100 gegenüber liegende erste Ende 1a des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 kann außen zudem mit einer Angriffsfläche für ein Antriebswerkzeug, vorzugsweise in Außensechskantform, ausgeführt sein, um es mit einem Werkzeug in ein Verbindungselement 2 einschrauben zu können.
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Das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 besteht generell aus einem Material mit zweckmäßigen mechanischen Festigkeitswerten, vorzugsweise aus einem geeigneten Metall bzw. einer Metalllegierung. Als Metalllegierungen kommen vorzugsweise solche mit höherer elektrischer Leitfähigkeit zur Gewährleistung einer suffizienten elektrischen Funktion in Frage, die gleichzeitig unproblematisch fertigungstechnisch zu verarbeiten sind. Dies sind im speziellen Aluminiumlegierungen sowie Kupferlegierungen, letztere auch in Form von Messing.
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Zum Zwecke weiterer Funktionsoptimierung kann das erste Teil des Befestigungsmittels 100 oberflächenbeschichtet ausgeführt werden. Diese Oberflächenbeschichtung kann im Speziellen als eine Beschichtung bestehend aus Zinn, Nickel oder natürlichen oder künstlichen Schmierstoffen ausgeführt sein. Auch eine Kombination der genannten Schmierstoffe ist zum Zwecke der effizienten Verminderung einer Reibung zwischen den Bauteilen möglich.
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Wie in 10 dargestellt ist, kann das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 auf seiner Außenkontur optional auch die aus dem Stand der Technik bekannten diskreten Sollbruchstellen, insbesondere in Form außen liegender radialer Ausnehmungen 13, aufweisen.
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Wie man in 1 und 2 erkennt, ist das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 mit einer von seinem zweiten Ende 1b ausgehenden Ausnehmung 4 in Gestalt einer Hohlbohrung, vorzugsweise einer Sacklochbohrung, ausgeführt, so dass im Bereich der Ausnehmung 4 eine diese radial umgebende Wandung 12 verbleibt. Im Innenvolumen der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 ist, wie in 1 dargestellt, zumindest ein Teil des Stempels 5 aufgenommen.
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Das zweite Teil des Befestigungsmittels 100 in Gestalt des Stempels 5, das in 3 im Detail dargestellt ist, besteht aus einem Material mit geeigneten mechanischen Festigkeitswerten. Das Material kann dabei auch identisch zum Material des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 gewählt sein. Die Verheiratung des ersten Teils 1 und des als Stempel 5 ausgeführten zweiten Teils wird im weiteren Verlauf beschrieben. Der Stempel 5 hat in kurzer Entfernung zu seiner Kontaktfläche 5b, mit der der Kontakt mit dem Leiter 3 hergestellt wird, eine Querschnittsverjüngung 11, die einen ersten Abschnitt 5d des Stempels 5 von einem zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 abgrenzt.
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Dabei ist im Bereich der Querschnittsverjüngung 11 der tragende Materialquerschnitt derart verringert, dass der erste Abschnitt 5d des Stempels 5 bei einem geringen Drehmoment vom zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 abscheren kann, z.B. bei einem Drehmoment von 5Nm.
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Am der Kontaktfläche 5b gegenüberliegenden Ende 5a des als Stempels 5 ausgeführten zweiten Teil des Befestigungsmittels 100 tritt dieses in Interaktion mit dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100. Zweckmäßigerweise wird der Stempel 5 für diese Interaktion am der Kontaktfläche gegenüberliegenden Ende 5a auf seiner Außenoberfläche mit einem Außengewinde 8 ausgestattet, z.B. einem Regelgewinde M10 × 1,5, während im entsprechenden Bereich des Hohlraums 4 ein Innengewinde 15 an der Wandung 12 vorgesehen wird. Damit lässt sich der Stempel 5 im Rahmen einer Konfektion mit dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 verheiraten.
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Die Einschraubtiefe des Stempels 5 ist dabei durch eine entsprechende Längenanpassung der Komponenten so bemessen, dass im Bereich nahe des zweiten Endes 1b des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 ein Spalt 9 zwischen dem die Kontaktfläche 5b tragenden Endabschnitt des Stempels 5 und dem zweiten Ende 1b des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 verbleibt.
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Ferner ist der Teilabschnitt 5x des zweiten Abschnitts 5c des Stempels 5, der sich von der Querschnittsverjüngung 11 aus in Richtung auf die Kontaktfläche 5b des Stempels 5 erstreckt, aber sich noch im Innenvolumen der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 befindet, wie man in der Detaildarstellung der 1 erkennt radial mit einem kleinen Spalt 10 von der Wandung 12, die das Innenvolumens der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 begrenzt, beabstandet. Dieser Spalt 10, der z.B. 1/10mm groß sein kann, ermöglicht einen Freilauf des zweiten Abschnitts 5c des Stempels 5 nach der Trennung vom oberhalb der Verjüngung 11 liegenden ersten Abschnitts 5d des Stempels 5.
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Der Stempel 5 ist derart konstruiert, dass er mit den Abschnitten 5d und dem Teilabschnitt 5x in das Innenvolumen der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 hineinpasst.
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Durch das Vorsehen der Ausnehmung 4 im ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 kann eine mechanische Destabilisierung der die Ausnehmung 4 umgebenden Wandung 12 unter bestimmten Montagebedingungen ausgehend vom zweiten Ende 1b des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 herbeigeführt werden. Wird das Befestigungsmittel 100 mit seinem ersten Teil 1 in ein Verbindungselement 2 geschraubt, so tritt zunächst, wie in 4 dargestellt, die Kontaktfläche 5b in Kontakt mit dem zu befestigenden elektrischen Leiter 3 und es wird bei einem aufgebrachten Drehmoment, das in den 5 bis 8 durch den ringabschnittförmigen Pfeil Nm repräsentiert ist, durch das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 ein Druck auf den Leiter 3 ausgeübt.
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Mit steigender Eintauchtiefe des Befestigungsmittels 100 in das Verbindungselement 2 wächst der Druck auf den Leiter 3. Der Leiter selbst steht dabei lediglich in direktem Kontakt mit der am zweiten Abschnitt 5c des als Stempel 5 ausgeführten zweiten Teils des Befestigungsmittels 100 angeordneten Kontaktfläche 5b.
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Im weiteren Verlauf des Einschraubprozess, übt die Kontaktfläche 5b des Stempels 5 immer mehr Druck auf den Leiter 3 aus, und es kommt zu wachsender mechanischer Reibung zwischen der Kontaktfläche 5b des Stempels 5 und dem Leiter 3.
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Diese mechanische Reibung bewirkt ein Torsionsmoment auf den Stempel 5. Das Torsionsmoment wird durch den das zweite Teil des Befestigungsmittels 100 bildenden Stempel 5 auf das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 1 direkt übertragen im Bereich des ersten Endes 5a des Stempels 5, insbesondere durch die Ausgestaltung mit einem Außengewinde 8 auf der Außenoberfläche im Bereich des ersten Endes 5a. Diese Drehmomentübertragung geschieht bis zu einem Drehmoment, welches die mechanische Festigkeit der Querschnittsverjüngung 11 des Stempels 5 überschreitet. Oberhalb dieses Drehmoments wird der zweite Abschnitt 5c des Stempels 5 vom ersten Abschnitt 5d des Stempels 5 getrennt, wie in 5 dargestellt ist.
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Sobald der erste Abschnitt 5d des Stempels 5 vom zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 abgeschert wurde, hört aufgrund der mechanischen Reibung zwischen der Kontaktfläche 5b des Stempels 5 und dem Leiter 3 der zweite Abschnitt 5c des Stempels 5 auf, sich auf dem Leiter 3 mitzudrehen.
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Durch die Spalte 9, 10 kann sich das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 jedoch weiterhin auf dem zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 bewegen, wobei durch den ersten Abschnitt 5d des Stempels 5 nun kein Torsionsmoment mehr übertragen wird. Durch das weitere Einschrauben des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 in das Verbindungselement 2 wird durch den zweiten Abschnitt 5c des Stempels 5 zunehmend eine Druckkraft auf den ersten Abschnitt 5d des Stempels 5 ausgeübt. Diese Druckkraft wird durch die mechanische Wirkverbindung zwischen Stempel 5 und dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 im Bereich des ersten Endes des Stempels 5a auf die Wandung 12 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 übertragen und verursacht eine in 6 durch die Pfeile F dargestellte Zugbelastung auf diese Wandung 12 ausgehend vom ersten Ende 1a des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 in Richtung Verbindungselement 2 bis zu der Stelle, an der das erste Teil 1 des Befestigungsmittels 100 in die Schraubenbohrung des Verbindungselements 2 eintaucht, wobei das Innengewinde 7 dieser Schraubenbohrung des Verbindungselements 2 als Widerlager für das Außengewinde 6 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 dient.
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Wird eine bestimmte Kraft überschritten, wobei sich die eingeleitete Kraft aus dem aufgebrachten Drehmoment am Befestigungsmittel 100 bestimmt – beispielsweise 40Nm –, wird die Wandung 12 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 mechanisch überlastet und es wird ein Materialversagen des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 1 im Bereich dieser Wandung 12 herbeigeführt, wobei alle Bestandteile des Befestigungsmittels 100, die oberhalb der Schraubenbohrung des Verbindungselements 2 liegen, vom darunter liegenden Teil des Befestigungsmittels 100 abgetrennt werden, was 7 zeigt.
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Durch diese Abtrennung kommt es zu einer teilweisen Entspannung des elastischen Kraftanteils, der sich im zweiten Abschnitt 5d des Stempels 5 im Zuge des Einschraubens des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 aufgebaut hat. Diese Teilentspannung kann durch die Begrenzung des Maßes des Spalts 9 zwischen Stempel 5 und dem ersten Teil des Befestigungsmittels 1 in einem sehr kleinen Rahmen gehalten werden und führt dann nicht zu einer Beeinträchtigung der elektrischen Kontaktierung.
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Da der Stempel 5, wie z.B. in 3 gut zu erkennen ist, im Bereich zwischen der Querschnittsverjüngung 11 und dem ersten Ende 5a einen gegenüber dem Innendurchmesser der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 eine derart gewählte Durchmesserreduktion aufweist, lässt sich der Stempel 5 nach der Abtrennung des außerhalb des Verbindungselements 2 liegenden ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 problemlos zusammen mit dem direkt mit ihm verbundenen Restteil des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 aus dem im Verbindungselement 2 verbleibenden Teil des Befestigungsmittels 100 entfernen, wie es in 9 gezeigt ist. Dass im Vollmaterial des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 keine diskreten Sollbruchstellen sein müssen, wie sie bei anderen Abscherschrauben-Modellen obligatorisch vorhanden sind, bleibt nach dem Abtrennen des Teils des Befestigungsmittels 100 kein störender Überstand an der Oberfläche des Verbindungselements 2 zurück.
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Vorteilhafterweise lässt sich der Spalt 9 zwischen Stempel 5 und dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 mit einem zusätzlichen Bauteil in Gestalt des in einer Detaildarstellung der 1 gezeigten elastischen Elements 14 in Gestalt eines Rings ausfüllen, beispielsweise einem handelsüblichen Federring aus einer Aluminiumlegierung oder auch einem elastischen oder teilelastischen Kunststoffmaterial. In diesem Fall gelten die identischen Funktionsbeschreibungen für den Fügeprozess. Jedoch wird ein wesentlicher Vorteil für den Betrieb des Verbindungselements 2 gewonnen, denn das elastische Element 14 zwischen Stempel 5 und erstem Teil 1 des Befestigungsmittels 100 stellt für das Kraftübertragungssystem eine Federreserve dar. Das elastische Element 14 kann überschüssige Kräfte aus dem System aufnehmen. Dies ist zum Beispiel dann notwendig, wenn die Verbindung starken Temperaturschwankungen – zum Beispiel bei hohen Abnahmelasten – unterworfen ist und sich die einzelnen Materialien stark ausdehnen. Kühlt das Verbindungselement 2 nach der Hochbelastung wieder ab, so geht ohne Kraftspeicher regelmäßig auch die Verbindungskraft zurück. Dieser Prozess ist eine Ursache von Kontaktalterung. Die durch das elastische Element 14 bereitgestellt Federkraftreserve dient somit einem Kraftausgleich und wirkt einer vorzeitigen Alterung des Systems entgegen.
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Neben der Verbindung zur Interaktion zwischen Stempel 5 und dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 in Form eines Gewindes sind auch andere kraft- oder formschlüssige Verbindungen denkbar. Prinzipiell muss dabei nur das Torsionsmoment übertragen werden können. Dies ist durch eine entsprechende Innenkonturgestaltung der Ausnehmung 4 des ersten Teils 1 des Befestigungsmittels 100 sowie durch eine entsprechend angepasste Gestaltung des ersten Endes 5a bzw. ersten Abschnitts 5d des Stempels 5 realisierbar, z.B. Ausnehmungen und korrespondierende Zapfen. Es können jedoch auch Verbindungen zwischen dem ersten Teil 1 des Befestigungsmittels 100 und Stempel 5 in Form einer Klebefuge oder anderen Haftvermittlungsarten realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Teil
- 1a
- erstes Ende (des ersten Teils)
- 1b
- zweites Ende (des ersten Teils)
- 2
- Verbindungselement
- 3
- Leiter
- 4
- Hohlbohrung
- 5
- Stempel
- 5a
- erstes Ende (des Stempels)
- 5b
- Kontaktfläche (des Stempels)
- 5c
- zweiter Abschnitt (des Stempels)
- 5d
- erster Abschnitt (des Stempels)
- 5x
- Teilabschnitt (des zweiten Abschnitts des Stempels)
- 6
- Außengewinde
- 7
- Gegengewinde (des Verbindungselements)
- 8
- Außengewinde (des Stempels)
- 9, 10
- Spalt
- 11
- Querschnittsverjüngung
- 12
- Wandung
- 13
- radiale Ausnehmung
- 14
- elastisches Element
- 15
- Innengewinde (im Hohlraum)
- 100
- Befestigungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 96/31706 [0004]
- EP 0692643 [0005]
- EP 0984176 [0006]
- DE 102004039811 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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