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Die Erfindung betrifft ein Befestigungsmittel, insbesondere eine -bevorzugt als Abscherschraube ausgestaltete- Klemmschraube, für Verbindungselemente von elektrischen Leitern, beispielsweise Schraubklemmen, 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/ 31 706 A1 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 0 692 643 A1 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 0 984 176 A1 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 10 2004 039 811 A1 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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Aus der
EP 0 470 388 A2 ist eine Abreißkopfschraube bekannt, die einen Gewindeabschnitt und einen Kopfabschnitt aufweist, wobei zwischen dem Gewindeabschnitt und dem Kopfabschnitt ein sich verjüngender Bereich vorgesehen ist und bei der sich an der Innenausnehmung durch den Kopfabschnitt und zumindest teilweise in den Gewindeabschnitt hinein erstreckt, wobei eine Sicherungseinrichtung im Bereich des Kopfabschnitts in der Innenausnehmung vorgesehen ist.
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Die vorgenannten Erfindungen weisen darüber hinaus den entscheidenden Nachteil auf, dass für die Realisierung der Abscherfunktion immera 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. Der dafür erforderliche Scheibenfräser 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 Verbindungselement für elektrische Leiter 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 mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verbindungselement für elektrische Leiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Wie für Befestigungsmittel für ein Verbindungselement für elektrische Leiter üblich hat das erfindungsgemäße Befestigungsmittel eine zumindest abschnittsweise zylindrische Außenoberfläche, die zumindest abschnittsweise ein Gewinde zum Eingriff in ein Gegengewinde des Verbindungselements aufweist, eine Kontaktfläche zum Andrücken eines elektrischen Leiters an das Verbindungselement und eine der Kontaktfläche gegenüber liegenden Stirnfläche.
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Das Befestigungsmittel weist eine sich längs der Zylinderachse der zylindrischen Außenoberfläche erstreckende Ausnehmung auf, die mit einem Füllmaterial befüllt ist. Erfindungsgemäß variiertdie Festigkeit des Füllmaterials in Richtung von der Kontaktfläche zur Stirnfläche betrachtet. Durch diese Maßnahme erhält man ein Befestigungsmittel, dessen Festigkeit in Richtung von der Kontaktfläche zur Stirnfläche variiert, womit dann auch eine variierende Stabilität gegenüber einem auf das Befestigungsmittel ausgeübten Drehmoment einhergeht.
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Durch geeignete Wahl der Materialparameter und der Form der Ausnehmung lässt sich damit ein Abrisspunkt für das Befestigungsmittel recht präzise definieren.
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Im Normalfall ist es zweckmäßig, wenngleich nicht für die Realisierung der Erfindung notwendig, dass das Material, aus dem das Befestigungsmittel gefertigt ist, eine höhere Festigkeit als das Füllmaterial aufweist. In diesem Fall kann dadurch, dass sich der Querschnitt der Ausnehmung sich von der Kontaktfläche (also von dem der Kontaktfläche nächsten Querschnitt) zur Stirnfläche hin (also zum der Stirnfläche nächsten Querschnitt hin) vergrößert, was insbesondere bei einer konisch in Richtung auf die Kontaktfläche hin zulaufenden Ausnehmung der Fall ist, erreicht werden, dass sich die Festigkeit in dieser Richtung kontinuierlich erhöht. Durch Anpassung der Geometrie der Ausnehmung, z.B. der Steilheit von deren Wandung, lässt sich somit leicht der Festigkeitsverlauf des Befestigungsmittels an die Erfordernisse einer gegebenen Anwendung anpassen.
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Gerade bei Befestigungsmitteln, die nur kleine Außenmaße aufweisen dürfen, kann es schwierig sein, die Geometrie der Ausnehmung signifikant zu variieren ohne eine Destabilisierung des Befestigungsmittels zu riskieren. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn sich alternativ oder zusätzlich auch die Festigkeit des Füllmaterials sich von der Kontaktfläche zur Stirnfläche hin erhöht, um die gewünschte Festigkeitsvariation realisierbar werden zu lassen.
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Dabei kann dann in bestimmten Ausgestaltungen die Wandstärke des Befestigungsmaterials konstant gelassen werden und die Gesamtfestigkeit erreicht werden nicht nur durch eine materialgebundene Festigkeitsvariation des Füllstoffs sondern auch durch eine entsprechende Gestaltung bzw. Formgebung des Füllstoffs, beispielsweise mit einer konischen Ausnehmung, die ebenfalls eine ansteigende Festigkeit von der Kontaktfläche hin zur Stirnfläche des Befestigungsmittels hervorruft. Maßgebliche Beachtung findet in diesem Fall die Verbindung zwischen Füllstoff und Befestigungsmittel. Dies ist beispielsweise durch eine Verklebung möglich. Im Falle der Ausgestaltung des Befestigungsmittels und des Füllstoffs aus Metall ist zudem die Verwendung der Verbindungsmethoden Dehnpressverband oder Schrumpfpressverband zu nennen. Dabei kann entweder das metallische Füllteil unterkühlt werden, z.B. bei -70°C, und dann in das Befestigungsmittel eingesetzt werden oder das Befestigungsmittel kann durch materialangepasste Erwärmung gedehnt werden, wobei das Füllteil dann maßangepasst eingesetzt wird. Bei Temperierung auf Umgebungstemperatur kommt es dann zu einem festen Verbund der beiden Fügepartner.
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Zu einer noch exakteren Lokalisierung der Stelle, an der das Befestigungsmittel als Folge des auf es einwirkenden Drehmoments reißt, kann es sinnvoll sein, wenn das Befestigungsmittel mindestens eine durch eine radial verlaufenden Ausnehmung in der Außenoberfläche gebildete Sollbruchstelle aufweist. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine Sollbruchstelle durch eine Ausnehmung gebildet wird, die sich bis in das Füllmaterial hinein erstreckt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist auch das Antriebsteil des Befestigungsmittels, also z.B. ein Außensechskant, aus Füllmaterial gebildet. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die mechanische Stabilität eines an das Befestigungsmittel direkt angesetzten Antriebsteils wegen der Geometrie der Ausnehmung zu Problemen führt.
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Insbesondere in einer solchen Situation kann es auch vorteilhaft sein, wenn die sich längs der Zylinderachse der zylindrischen Außenoberfläche erstreckende Ausnehmung von der Kontaktfläche ausgeht, da dann stirnseitig ein Materialabschnitt verbleiben kann, an dem das Antriebsteil angeformt werden kann.
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Noch eine weitere Möglichkeit dazu, die Drehmomentfestigkeit zu variieren besteht darin, dass das Füllmaterial eine Innenausnehmung aufweist, deren Querschnitt sich von der Kontaktfläche in Richtung zur Stirnfläche hin verändert. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn sich der Querschnitt der Innenausnehmung in dieser Richtung verringert. Auf diese Weise kann auch für eine Ausnehmung mit einem in dieser Richtung konstanten Qeurschnitt, also beispielsweise für eine zylindrische Ausnehmung, homogenes Füllmaterial eingesetzt werden, in das dann lediglich noch die Innenausnehmung eingebracht werden muss.
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Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, wenn das Außengewinde des Befestigungsmittels im Rahmen einer DIN-Toleranz mit einem vom unteren, der Kontaktfläche zugewandten Ende des Befestigungsmittels zum oberen, der Stirnfläche zugewandten Ende 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, zeichnet sich dadurch aus, dass das Befestigungsmittel zumindest die erfindungswesentlichen Merkmale aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die konkrete Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
- 1a: eine Außenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 1b: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse des Ausführungsbeispiels nach 1a für ein Befestigungsmittel mit konischer Innenausnehmung,
- 2: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 3: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines dritten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 4: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines vierten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 5: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines fünften Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 6: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines sechsten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel,
- 7a-f: einen Montageprozess für ein Befestigungsmittel am Beispiel des Ausführungsbeispiels gemäß 4,
- 8: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines siebten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel, und
- 9: eine Schnittdarstellung durch die Mittelachse eines achten Ausführungsbeispiels für ein Befestigungsmittel.
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Wie man in der Außendarstellung gemäß 1a erkennt, das Befestigungsmittel 12 mit zylindrischer Außenoberfläche 17, wobei es zum Zwecke der sicheren mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen Verbindungselement 6 und Befestigungsmittel 12 auf seiner Außenoberfläche 17 mit einem Außengewinde 18 ausgestattet ist und so in eine in 1a nicht dargestellte, aber beispielsweise in 7a-f angedeutetes, als komplementäre Gewindebohrung ausgeführtes Gegengewinde 8 eines Verbindungselements 6 eingeschraubt werden kann. Das Außengewinde kann unter Ausnutzung der technisch zulässigen Gewindetoleranzen gestaltet sein, z.B. nach DIN 13, dadurch kann der Außendurchmesser des Befestigungsmittels in einem sehr engen Bereich variieren, z.B. um 0,18mm. Das Befestigungsmittel 12 weist eine Kontaktfläche 12b zum Ausbilden des Kontakts mit dem in 7a-f dargestellten Leiter 9 und eine der Kontaktfläche 12b gegenüber liegende Stirnfläche 12a auf. Das Ende des Befestigungsmittels, an dem die Stirnfläche 12a angeordnet ist, wird nachfolgend als erstes Ende bezeichnet, das Ende, an dem die Kontaktfläche 12b angeordnet ist und das somit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Befestigungsmittels 12 in Kontakt mit dem Leiter gebracht wird, wird nachfolgend als zweites Ende bezeichnet.
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Das erste Ende des Befestigungsmittels 12 kann, wie insbesondere in 1a erkennbar ist, außen zudem mit einer Angriffsfläche 15 für ein Antriebswerkzeug, vorzugsweise in Au-ßensechskantform, ausgeführt sein, um es mit einem Werkzeug in ein Verbindungselement 6 einschrauben zu können.
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Das Befestigungsmittel 12 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. Speziell sind auch Gusslegierungen oder spezielle Legierungen für einen Tiefziehprozess zu bevorzugen, da sich diese Fertigungsverfahren für dieses Befestigungsmittel anbieten.
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Zum Zwecke weiterer Funktionsoptimierung kann das Befestigungsmittel 12 oberflächenbeschichtet ausgeführt werden kann. Diese Oberflächenbeschichtung kann im Speziellen aus Zinn, Nickel oder natürlichen oder künstlichen Schmierstoffen realisiert werden. In Hinblick auf geringere Festigkeitsanforderungen oder reduzierter elektrischer Belastung können die Befestigungsschrauben 12 auch vollständig aus Kunststoff gefertigt sein.
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Die vorstehenden Ausführungen lassen sich direkt auf die Befestigungsmittel 22,32,42,52,62 und 82 übertragen. Die Außenansicht der in den 3 und 4 als Schnittdarstellung gezeigten Befestigungsmittel 32 und 42 entspricht exakt der Außenansicht gemäß 1a. Die Außenansicht der Befestigungsmittel 22,52,62 und 82 gemäß den Ausführungsformen der 2,5,6 und 8 unterscheidet sich lediglich insofern, dass diese Befestigungsmittel 22,52,62 und 82 auf der Außenoberfläche 7 zusätzlich die aus dem Stand der Technik bekannten diskreten Sollbruchstellen in Form außen liegender radialer Ausnehmungen 23,53,63,83 aufweisen. Die Unterschiede zwischen diesen Ausführungsformen werden nun erläutert.
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In der ersten Ausführungsform, die in der 1b dargestellt ist, weist das Befestigungsmittel 12 ausgehend vom ersten Ende mit Stirnfläche 12a eine konische Ausnehmung 14, die sich in Richtung auf das zweite Ende mit der Kontaktfläche 12b erstreckt, auf. Diese Ausnehmung 14 kann zum Zwecke der effizienteren Fertigung im Bereich des Antriebskopfes 15 zylindrisch ausgeführt sein. Im weiteren Verlauf weist die konische Ausnehmung im näher zum ersten Ende des Befestigungsmittels 12 liegenden Anteil den größeren Durchmesser 14a auf und endet in einem definierten Abstand zum zweiten Ende bzw. zur Kontaktfläche 12b des Befestigungsmittels 12 mit ihrem kleinsten Durchmesser 14b.
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Der Abstand vom zweiten, also dem der Kontaktfläche 12b näheren, Ende der konischen Ausnehmung 14 zum zweiten Ende des Befestigungsmittels 12 wird zweckmäßig so gewählt, dass es nicht zu einer mechanischen Destabilisierung der Schraube im Fügeprozess kommt. Im Allgemeinen sind dabei beispielsweise bei Aluminiumlegierungen 2-3 mm Materialstärke ausreichend. Die konische Ausnehmung 14 ist mit einem Füllmaterial 11 gefüllt. Das Füllmaterial 11 wird durch eine genaue Analyse von Fertigungskosten, notwendigen mechanischen und elektrischen Notwendigkeiten sowie Materialkosten festgelegt. Das Füllmaterial 11 kann in diesem Ausführungsbeispiel ebenso wie die wie auch das Füllmaterial 21,31,41,51,61,81 der anderen Ausführungsbeispiele, beispielsweise aus einem Kunststoff mit entsprechender Festigkeit oder aber aus einem Metallguss mit entsprechend gewählter Festigkeit realisiert werden. In dieser ersten Ausführungsform gemäß 1b weist die Füllkomponente 11 eine homogene Materialfestigkeit auf.
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Durch die konische Gestaltung der Ausnehmung 14 ergibt sich beim umliegenden Grundmaterial des Befestigungsmittels 12 eine abnehmende Festigkeit vom zweiten Ende hin zum ersten Ende. Diese abnehmende Festigkeit wird durch die Füllkomponente 11, die vom unteren, der Kontaktfläche 12b zugewandten Ende der konischen Ausnehmung 14 hin zum oberen, der Stirnfläche 12a zugewandten Ende der konischen Ausnehmung 14 eine anwachsende Festigkeit durch ansteigenden Materialeinsatz aufweist, kompensiert und umgekehrt, so dass sich schließlich für das fertige Befestigungsmittel 12 eine insgesamt ansteigende Festigkeit vom dem der Kontaktfläche 12b zugewandten zweiten Ende hin zum der Stirnfäche 11a zugewandten ersten Ende ergibt.
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Die konische Ausnehmung 14 kann dabei derart gewählt werden, dass die verbleibende Wandstärke zum Außendurchmesser des zylindrischen Befestigungsmittels sehr gering ausfällt (z.B. 0,95mm). Durch einen sehr steil gewählten Winkel der konischen Ausnehmung 14 wird zudem das Verhältnis zwischen größtem Durchmesser der konischen Bohrung - am ersten Ende 14a - und kleinstem Durchmesser der konischen Bohrung - am zweiten Ende 14b - sehr klein. Die Festigkeit der verbleibenden Wandung des Befestigungsmittels 12 verringert sich stark aufgrund der allgemein geringen Wandstärke und weist vom zweiten Ende mit Kontaktfläche 12b hin zum ersten Ende mit Stirnfläche 12a eine leicht sinkende Tendenz auf.
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Die notwendige Festigkeit des gesamten Befestigungsmittels 12 hinsichtlich der Drehmomentstabilität bei Montage wird durch die Füllung 11 der konischen Ausnehmung 14 erreicht. Die Festigkeit der homogenen Füllung 11 wird dabei derart gewählt, dass sich für die Gesamt-Drehmomentfestigkeit des Befestigungsmittels 12 ein geeignetes Abschermoment in einem Bereich von beispielsweise 30 bis 35 Nm einstellt, je nachdem, wie tief das Befestigungsmittel 12 in das Verbindungselement 6 eintaucht.
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Wird, wie als zweite Ausführungsform in 2 gezeigt ist, eine konische Bohrung 24 hingegen so ausgeführt, dass sich größere verbleibende Wandstärken am Befestigungsmittel 22 einstellen, können zur Unterstützung eines kontrollierten Abscherens definierte radiale Materialausnehmungen 23 in das Befestigungsmittel 22 eingebracht werden. Dabei kann es notwendig sein, die Ausnehmungen 23 entweder sämtlich nur in der Wandung der konischen Ausnehmung 24 des Befestigungsmittels 22 laufen zu lassen, oder partiell auch in das Füllmaterial 21 der konischen Bohrung 24 einlaufen zu lassen oder auch vollends in das Füllmaterial 21 der konischen Bohrung 24 zu legen.
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In einer dritten Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, ist das Befestigungsmittel 32 mit einer konischen Bohrung 34 ausgestattet und, wie auch in der ersten Ausführungsvariante, mit einem Füllmaterial 31 aufgefüllt. Dabei weist das Füllmaterial 31 jedoch keine homogene Festigkeit auf, sondern eine vom unteren, der Kontaktfläche 32b zugewandten Ende 34b der Ausnehmung 34 hin zum oberen, der Stirnfläche 32a zugewandten Ende 34a der Ausnehmung 34 zunehmende Festigkeit auf. Diese Tatsache wird in 3 ebenso wie in den Figuren zu anderen Ausführungsformen, die dieses Merkmal aufweisen, durch eine variierende Fülldichte des Füllmaterials symbolisiert, beispielsweise durch Graustufen, unterschiedliche Schraffur- oder Symbolabstände. Durch die ansteigende Festigkeit des Füllmaterials 31 wird die mechanische Festigkeit des gesamten Befestigungsmittels 32 ausgehend vom zweiten, der Kontaktfläche 32b zugewandten Ende hin zum ersten der Stirnfläche 32a zugewandten Ende ansteigend ausgelegt hinsichtlich der Gesamt-Drehmomentfestigkeit im Montageprozess.
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In einer vierten Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, ist die Ausnehmung 44 des Befestigungsmittels 42 nicht konisch sondern zylindrisch ausgeführt. Damit ist auch das Füllmaterial 41 von zylindrischer Form und weist einen konstanten Durchmesser vom zweiten, der Kontaktfläche 42b zugewandten Ende der Füllung 41b hin zum ersten, der Stirnfläche 42a zugewandten Ende der Füllung 41a auf. Die Festigkeit des Füllmaterials 41 nimmt wie bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 vom zweiten, der Kontaktfläche 42b zugewandten Ende des Füllmaterials 41 hin zum ersten Ende des Füllmaterials 41 zu. Dadurch steigt die Gesamt-Drehmomentfestigkeit des Befestigungsmittels 42 von seinem zweiten Ende mit der Kontaktfläche 42b hin zum ersten Ende mit der Stirnfläche 42a an.
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In einer fünften Ausführungsform des Befestigungsmittels 52, die in 5 gezeigt ist, sind die Ausnehmung 54 und das Füllmaterial 51 wie in der vierten Ausanalog zu der Ausnehmung Ausführungsform 3 ausgeführt. Zur Unterstützung eines kontrollierten Abscherens sind definierte radiale Materialausnehmungen 53 in das Befestigungsmittel 52, wie dies auch bei der Ausführungsform gemäß 2 der Fall war. Dabei kann es notwendig sein, die Ausnehmungen 53 entweder sämtlich nur in der Wandung der Ausnehmung 54 des Befestigungsmittels 52 laufen zu lassen, oder partiell auch in das Füllmaterial 51 der Ausnehmung 54 einlaufen zu lassen oder auch vollends in das Füllmaterial 51 der Ausnehmung 54 zu legen.
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Ein einer sechsten Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist, entsprechendes Befestigungsmittel 62 unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Befestigungsmittel 52 nur dadurch, dass die Füllkomponente zusätzlich einen als Sechskantkopf ausgeführten Abschnitt aufweist und somit das Antriebsteil mit Angriffsfläche 65 für den Einsatz eines passenden Werkzeugs bildet. Diese Ausgestaltung ist unabhängig von der Form der Ausnehmung 64 realisierbar, also z.B. auch auf die Ausführungsformen der 1 oder 3 übertragbar.
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In einer siebten Ausführungsform, die in 8 dargestellt ist, ist der einzige Unterschied zur fünften Ausführungsform gemäß 5, dass das Füllmaterial 81 durch eine Bohrung vom zweiten, der Kontaktfläche 82b zugewandten Ende des Befestigungsmittels 82 aus eingebracht ist.
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In einer achten Ausführungsform, die in 9 dargestellt ist, ist die Ausnehmung 94 des Befestigungsmittels 92 ebenso wie in der vierten Ausführungsform zylindrisch gestaltet. Das Füllmaterial 91 ist auf seiner Außenoberfläche von passender zylindrischer Kontur und weist eine Innenausnehmung 96 in Form eines Konus auf. Durch diesen Konus steigt die Wandstärke des Füllmaterials 91 ausgehend vom zweiten, der Kontaktfläche 92b zugewandten Ende zum ersten, der Stirnfläche 92a zugewandten Ende der Füllung an. Dadurch steigt auch die Gesamtdrehmomentfestigkeit des Befestigungsmittels 92 von seinem zweiten Ende mit der Kontaktfläche 92b hin zum ersten Ende mit der Stirnfläche 92a an. Das Füllmaterial 91 kann, wie bei allen anderen Ausführungsformen, auch als gestaltetes Formteil vorgefertigt werden, und dann über entsprechende Fügeprozesse mit dem Befestigungsmittel 92 verbunden werden.
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Die 7a bis 7f beschreiben eine Montage am Beispiel des Befestigungsmittels 42 gemäß 4, die aber repräsentativ auch für die Montage der anderen Ausführungsformen ist. Zunächst wird das Befestigungsmittel 42, wie in 7a gezeigt, in die Gewindebohrung 8 des Verbindungselement 6 eingeschraubt, bis, wie in 7b gezeigt, ein Kontakt der Kontaktfläche 42b am zweiten Ende des Befestigungsmittels 42 mit dem Leiter 9 hergestellt ist.
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Durch fortgesetztes Festziehen steigt das Drehmoment, welches auf das Befestigungsmittel 42 wirkt, laufend an, wie in den 7d und 7e dargestellt ist. Dadurch wirkt im Befestigungsmittel 42 im Bereich der Oberfläche des Verbindungselements 6 eine Kraft auf das Befestigungsmittel 42 ein, die schließlich für das in 7f dargestellte Abscheren desselben an der Außenoberfläche des Verbindungselements 6 sorgt. Die Abscherebene verläuft dabei durch den gesamten Materialquerschnitt des Befestigungsmittels 42.
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Bezugszeichenliste
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- 6
- Verbindungselement
- 8
- Gegengewinde
- 9
- Leiter
- 11,21,31,41,51,61,81,91
- Füllmaterial
- 12,22,32,42,52,62,82,92
- Befestigungsmittel
- 12a,22a,32a,42a,52a,62a,82a,92a
- Stirnfläche
- 12b,22b,32b,42b,52b,62b,82b,92b
- Kontaktfläche
- 23,53,63,83
- radiale Ausnehmung
- 14,24,34,44,54,64,84,94
- Ausnehmung
- 14a,14b
- Durchmesser
- 15,25,35,45,55,65,85,95
- Angriffsfläche
- 17,27,37,47,57,67,87,97
- Außenoberfläche
- 18,48
- Außengewinde
- 96
- Innenausnehmung
