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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung umfassend eine Schraube und einen Rändelkopf. Der Rändelkopf umgibt die Schraube an einem Ende und überträgt eine auf ihn ausgeübte Drehbewegung auf die Schraube. Gewöhnlich werden solche Schrauben mit einem Rändelkopf auch als Rändelschrauben bezeichnet.
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Ein Problem bei Rändelschrauben, die im Normalfall von Hand angezogen werden, ist eine starke Abhängigkeit des Anzugsmoments der Schraube von der Handkraft des Bedieners. Bei der Verwendung von Rändelschrauben werden Vorgaben zum Anzugsmoment durch Hinweise wie „handfest“ oder mit „mäßiger Handkraft“ angegeben, da ein definiertes Anzugsmoment nur mittels Werkzeug erzielt werden kann. Schwankungen des Anzugsmoments können dazu führen, dass Schrauben nicht fest genug angezogen werden und sich mit der Zeit lösen oder dass ein zu befestigendes Elemente durch ein zu hohes Anzugsmoment beschädigt oder zerstört wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Befestigungsanordnung zu beschreiben, die eine werkzeuglose, sichere und zerstörungsfreie Befestigung ermöglicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Schraube mit einem Rändelkopf gelöst, wobei die Schraube einen Schaft und an einem Ende des Schafts einen Mitnehmer aufweist. Der Rändelkopf weist einen Hohlraum auf, in dem die Schraube drehbar gelagert ist. Der Rändelkopf weist des Weiteren eine Mehrzahl von biegsamen Stegen innerhalb des Hohlraums auf, die an dem Mitnehmer der Schraube anliegen und bis zu einem vordefinierten maximalen Drehmoment eine auf den Rändelkopf ausgeübte Drehkraft auf die Schraube übertragen.
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Ein zu großes Anzugsmoment an der Schraube wird dadurch vermieden, dass das angelegte Drehmoment von dem Rändelkopf über die biegsamen Stege auf die Schraube übertragen wird. Wenn das angelegte Drehmoment das vordefinierte Maximum übersteigt, wird die Kraft von dem Mitnehmer der Schraube auf die biegsamen Stege größer als die Rückstellkraft der biegsamen Stege, sodass die biegsamen Stege nach außen gebogen werden und der Rändelkopf auf dem Mitnehmer der Schraube durchdreht.
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Das vordefinierte maximale Drehmoment, bis zu dem die Schraube von den biegsamen Stegen mitgenommen wird, lässt sich festlegen, beispielsweise durch die geometrische Form der biegsamen Stege, durch ein Schwächen oder Versteifen der Stege oder durch die Wahl des Materials, aus dem der Rändelkopf und somit die biegsamen Stege gefertigt werden.
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In wenigstens einer Ausgestaltung besteht die Schraube aus einem Metallwerkstoff und der Rändelkopf aus einem Kunststoffwerkstoff. Insbesondere Kunststoffwerkstoffe eignen sich als Material für den Rändelkopf, da viele Kunststoffwerkstoffe eine elastische Verformung der biegsamen Stege zulassen und eine verhältnismäßig kostengünstige Lösung darstellen.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schraube als unverlierbare Schraube und der Schaft mit zwei Bereichen mit Gewinde und einem dazwischenliegenden gewindelosen Bereich ausgestaltet. Damit bleibt die Rändelschraube nach dem Lösen mit einem der zu befestigenden Elemente verbunden und kann nicht verloren gehen.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Mitnehmer der Schraube als Kopf einer Sechskantschraube ausgestaltet und weist sechs gleich große Seitenflächen auf. Die sechseckige Form eignet sich besonders für eine genaue Einstellung des vorbestimmten maximalen Drehmoments im Bereich der für handfest angezogene Rändelschrauben erforderlichen Drehmomente. Bei einer Ausgestaltung mit weniger Ecken beziehungsweise mehr Ecken des Mitnehmers der Schraube wäre bei gleichem Material und gleicher geometrischer Form der biegsamen Stege das vorbestimmte maximale Drehmoment deutlich später beziehungsweise früher erreicht. Bei einer Ausgestaltung mit weniger Ecken wäre eine stärkere Verbiegung der biegsamen Stege notwendig, was leichter zu einem Bruch der Stege führen kann. Bei einer Ausgestaltung mit mehr Ecken nimmt der Mitnehmer eine zunehmend runde Form an, sodass leichte Schwankungen bei der Passform des Rändelkopfs an den Mitnehmer der Schraube dazu führen kann, dass der Rändelkopf keine Kraft auf den Mitnehmer der Schraube überträgt, da die biegsamen Stege eine deutlich geringere Verbiegung erfahren. Darüber hinaus entspricht die sechseckige Form einer gängigen Industrienorm für Schrauben.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Rändelkopf sechs biegsame Stege auf. Im Falle eines sechseckigen Mitnehmers der Schraube liegt je ein biegsamer Steg an einer der sechs Seitenflächen des Mitnehmers an. Dies hat den Vorteil, dass Defekte einzelner Stege in gewissem Maße toleriert werden können. Materialbedingte Schwankungen der Biegsamkeit oder das Abbrechen eines biegsamen Stegs verändern das vordefinierte maximale Drehmoment. Im Mittel sind die Auswirkungen aber geringer, als bei einer Ausgestaltung mit weniger als je einem biegsamen Steg für jede der sechs Seitenflächen.
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Für eine Ausgestaltung des Rändelkopfs eignet sich besonders eine Form eines Hohlzylinders. Er weist eine kreisförmige Grundfläche auf, die in einer, zu einer Symmetrieachse des Hohlzylinders radialen Ebene angeordnet ist. Die kreisförmige Grundfläche begrenzt den Hohlraum und weist zentral eine kreisförmige Aussparung entlang der Symmetrieachse des Hohlzylinders auf, durch die der Schaft der Schraube geführt ist.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung weist die kreisförmige Aussparung der Grundfläche eine gegenüber der kreisförmigen Grundfläche erhöhte Umrandung auf. Die Umrandung erstreckt sich in den Hohlraum des Hohlzylinders. Der Mitnehmer liegt auf der Umrandung auf und schließt dadurch mit den freistehenden Enden der biegsamen Stege bündig ab. Dies hat den Vorteil, dass die Hebellänge der biegsamen Stege optimal ausgenutzt wird. Würde der Mitnehmer an den Enden der biegsamen Stege, an denen sie mit der Grundfläche des Rändelkopfs verbunden sind aufliegen, so könnte der Mitnehmer auch bei einem größeren Drehmoment als dem vorbestimmten maximalen Drehmoment die Stege nicht in geeigneter Weise nach außen biegen. Somit könnte der Rändelkopf auf dem Mitnehmer der Schraube nicht durchdrehen.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Aussparung der Grundfläche des Rändelkopfs einen kleineren Radius als den Radius des Umkreises des Mitnehmers auf. Dies hat den Vorteil, dass die Schraube in einer Einschubrichtung nicht durch die Aussparung der Grundfläche des Rändelkopfs hindurchtreten kann.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung sind die biegsamen Stege senkrecht auf der kreisförmigen Grundfläche, innerhalb des Hohlraums in einem vorbestimmten Abstand zu der Symmetrieachse des Hohlzylinders angeordnet. Die biegsamen Stege erstrecken sich in axialer Richtung entlang der Symmetrieachse. Dies ermöglicht eine optimale Lagerung der biegsamen Stege und gewährleistet eine identische Kraftübertragung durch den Rändelkopf auf den Mitnehmer der Schraube, unabhängig von der Drehrichtung der Schraube.
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In wenigstens einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Rändelkopf entlang der Symmetrieachse des Hohlzylinders ein in Richtung einer Spitze der Schraube hervorstehendes Führungsteil auf. Dies erleichtert ein gerades Eindrehen der Schraube.
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Die Befestigungsvorrichtung, bestehend aus Schraube und Rändelkopf, ist insbesondere zur Befestigung eines lösbaren Teils an einem Computergehäuse geeignet. Gerade bei Computersystemen werden häufig empfindliche Bauteile verschraubt. Gerade dort ist eine Begrenzung des maximalen Anzugmoments wichtig, da diese Bauteile sonst leicht beschädigt oder zerstört werden können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den angehängten Patentansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele werden anhand der angehängten Figuren beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine Darstellung einer Schraube und eines Rändelkopfs gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
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2 eine Draufsicht auf zwei erfindungsgemäße Befestigungsanordnungen, dargestellt für ein angelegtes Drehmoment kleiner (links) und größer (rechts) als ein vordefiniertes maximales Drehmoment,
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3 eine Vollschnittdarstellung durch die Befestigungsanordnungen aus 2 entlang einer Schnittebene Z-Z, mit anliegenden Stegen (links) und mit weggebogenen Stegen (rechts), und
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4 eine Vollschnittdarstellung durch die Befestigungsanordnung aus 2 entlang einer Schnittebene Y-Y mit weggebogenen Stegen.
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1 zeigt eine Schraube 1 und einen Rändelkopf 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schraube 1 weist einen Schaft 3 mit einem Gewinde 4 und an einem Ende des Schafts 3 einen Mitnehmer 5 auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gewinde 4 durch einen gewindelosen Bereich 6 unterteilt.
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Der Rändelkopf 2 weist im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders auf. Dessen äußere Mantelfläche 7 weist Erhebungen 8 auf, die ein komfortables Drehen von Hand ermöglichen. Im Inneren des Hohlzylinders befindet sich ein Hohlraum 9. Der Hohlzylinder ist auf einer Seite durch eine kreisförmige Grundfläche 10 abgeschlossen, die sich radial zu einer Symmetrieachse 11 des Hohlzylinders erstreckt. Die Grundfläche 10 weist mittig, im Bereich der Symmetrieachse 11 eine Aussparung 12 auf, in der die Schraube 1 drehbar gelagert werden kann. Zwischen der Aussparung 12 der Grundfläche 10 und einer Innenwand 13 des Hohlzylinders weist der Rändelkopf 2 eine Mehrzahl von biegsamen Stegen 14 auf. Die biegsamen Stege 14 stehen senkrecht auf der Grundfläche 10 des Hohlzylinders. Am anderen Ende ist der Hohlzylinder offen.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mitnehmer 5 der Schraube 1 als Kopf einer Sechskantschraube mit sechs gleich großen Seitenflächen 15 ausgestaltet. Der Rändelkopf 2 weist insgesamt sechs biegsame Stege 14 auf, sodass an jeder der sechs gleich großen Seitenflächen 15 des Mitnehmers 5 ein biegsamer Steg 14 anliegt. Der Abstand zweier gegenüberliegender biegsamer Stege 14 entspricht der Schlüsselweite des Mitnehmers 5 der Schraube 1. Zwischen den biegsamen Stegen 14 und der Innenwand 13 des Hohlzylinders befindet sich ausreichend Freiraum, sodass die freistehenden Enden der biegsamen Stege 14 von dem Mitnehmer 5 der Schraube 1 innerhalb des Rändelkopfs 2 weggebogen werden können.
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Die Schraube 1 wird mit dem Gewinde 4 voran durch die Aussparung 12 der Grundfläche 10 des Rändelkopfs 2 geführt, bis der Mitnehmer 5 zwischen den biegsamen Stegen 14 liegt. Die Aussparung 12 der Grundfläche 10 des Rändelkopfs 2 weist einen kleineren Radius als den Radius des Umkreises des Mitnehmers 5 der Schraube 1 auf, sodass die Schraube 1 nicht durch die Aussparung 12 hindurchtritt. Der Rändelkopf 2 weist um die Aussparung 12 der Grundfläche 10, durch die die Schraube 1 geführt wird, eine gegenüber der kreisförmigen Grundfläche 10 erhöhte Umrandung 16 auf. Die erhöhte Umrandung 16 erhebt sich parallel zu den biegsamen Stegen 14, um die Aussparung 12 der Grundfläche 10. Die Höhe der Umrandung 16 ist so gewählt, dass der Mitnehmer 5 der Schraube 1 nicht bis zur Grundfläche 10 des Hohlzylinders, auf dem die biegsamen Stege 14 angebracht sind, gleitet. Stattdessen kommt der Mitnehmer 5 auf der Umrandung 16 zu liegen, sodass der Mitnehmer 5 mit den freistehenden Enden der biegsamen Stege 14 abschließt. Dies hat den Vorteil, dass die Hebellänge der biegsamen Stege 14 an deren freistehenden Enden optimal ausgenutzt werden kann.
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In einem unbelasteten Zustand liegen die biegsamen Stege 14 des Rändelkopfs 2 an dem Mitnehmer 5 der Schraube 1 an. Wird der Rändelkopf 2 durch eine äußere Kraft in eine Drehbewegung versetzt, so dreht sich die Schraube 1 zusammen mit dem Rändelkopf 2, da die biegsamen Stege 14 das angelegte Drehmoment auf den Mitnehmer 5 der Schraube 1 übertragen. Auf diese Weise kann die Schraube 1 in ein entsprechendes Gewinde eingedreht werden. Wird die Schraube 1 festgezogen und der Widerstand gegen die Drehbewegung größer, so werden ab einem vorbestimmten maximalen Drehmoment die biegsamen Stege 14 nach außen gebogen. Die biegsamen Stege 14 gleiten nun über den Mitnehmer 5 der Schraube 1 hinweg. Der Rändelkopf 2 dreht auf der Schraube 1 durch und die biegsamen Stege 14 übertragen die Drehbewegung nicht mehr auf die Schraube 1.
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Das maximale vorbestimmte Drehmoment, bis zu dem der Rändelkopf 2 die Drehbewegung auf die Schraube 1 überträgt, hängt von der Rückstellkraft der biegsamen Stege 14 des Rändelkopfs 2 ab. Dieses maximale Drehmoment kann folglich durch die Beschaffenheit der biegsamen Stege 14 eingestellt werden. Die Rückstellkraft der biegsamen Stege 14 und somit das maximale Drehmoment kann zum Beispiel durch eine Änderung der geometrischen Form der biegsamen Stege 14 oder durch die Wahl deren Material verändert werden.
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2 zeigt eine Draufsicht auf zwei erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtungen A und B, bestehend jeweils aus einer Schraube 1 und einem Rändelkopf 2. Von oben zu sehen sind jeweils der Rändelkopf 2 mit Erhebungen 8, biegsame Stege 14 und jeweils ein Mitnehmer 5 der Schraube 1. Beide Befestigungsvorrichtungen A und B sind mit einem Bauteil 17 verbunden. Die Befestigungsvorrichtung A ist in einer Situation dargestellt, in der ein angelegtes Drehmoment kleiner als das vorbestimmte maximale Drehmoment ist, beispielsweise in einem unbelasteten Zustand. In diesem Fall liegen die biegsamen Stege 14 an entsprechenden Seitenflächen 15 des Mitnehmers 5 der Schraube 1 an. Die Rückstellkraft der biegsamen Stege 14 ist größer als die durch ein etwaiges Drehmoment wirkende Kraft von dem Mitnehmer 5 auf die Stege 14. Die Befestigungsvorrichtung B ist in einer Situation dargestellt, in der ein angelegtes Drehmoment größer als das vorbestimmte maximale Drehmoment ist. Die biegsamen Stege 14 liegen nicht mehr an den Seitenflächen 15 des Mitnehmers 5 an, sondern gleiten über Ecken des Mitnehmers 5 hinweg. In diesem Fall wird eine Drehbewegung des Rändelkopfs 2 nicht mehr auf die Schraube 1 übertragen.
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Die in 3 gezeigten Vollschnittdarstellungen durch die Befestigungsvorrichtungen A und B, entlang einer in 2 gezeigten Schnittebene Z-Z, entsprechen den dargestellten Situationen aus 2. Die Befestigungsvorrichtungen A und B, bestehend aus Rändelkopf 2 und Schraube 1, sind über Gewindebohrungen 18 mit dem Bauteil 17 verschraubt. Die Schraube 1 weist einen Schaft 3 mit zwei Bereichen mit Gewinde 4 und einem gewindelosen Bereich 6 dazwischen auf. Die Schraube 1 und der Rändelkopf 2 weisen in dieser Anordnung eine gemeinsame Symmetrieachse 11 auf. Bei der Befestigungsvorrichtung A sind die biegsamen Stege 14 nicht verbogen, sondern liegen an dem Mitnehmer 5 an und übertragen eine etwaige Drehbewegung des Rändelkopfs 2 auf die Schraube 1. Zwischen der Gewindebohrung 18 und dem Mitnehmer 5 der Schraube 1 ist eine Umrandung 16 um eine Aussparung 12 einer kreisförmigen Grundfläche 10 des Rändelkopfs 2 zu sehen. Diese dient als Anschlagselement für den Mitnehmer 5 und arretiert ihn in einer Einschubrichtung, sodass er auf einer Höhe mit den freistehenden Enden der biegsamen Stege 14 abschließt.
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3 zeigt außerdem die Befestigungsvorrichtung B, bei der die biegsamen Stege 14 des Rändelkopfs 2 nach außen gebogen sind. Der Vollschnitt entlang der Schnittebene Z-Z bildet bei der Befestigungsvorrichtung B zwei Seitenflächen 15 des Mitnehmers 5 in der Schnittebene ab. Aus 3 ist erkennbar, dass die biegsamen Stege 14 bei der Befestigungsvorrichtung B nicht mehr in einer Ebene mit den Seitenflächen 15 des Mitnehmers 5 liegen. Somit dreht der Rändelkopf 2 auf dem Mitnehmer 5 der Schraube 1 durch, beispielsweise weil die eingedrehte Schraube 1 das vorbestimmte maximale Drehmoment erreicht hat.
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Dreht ein Nutzer die Schraube 1 mit dem Rändelkopf 2 in die Gewindebohrung 18 ein, bis der Rändelkopf 2 merklich auf dem Mitnehmer 5 der Schraube 1 durchdreht, so ist bei passender Wahl des vorbestimmten maximalen Drehmoments eine sichere Verbindung mit dem Bauteil 17 gewährleistet. Ein Beschädigen oder Zerstören des Bauteils 17 oder der Gewindebohrung 18 durch ein zu hohes Anzugsmoment jedoch ist mit einer derartigen Befestigungsvorrichtung ausgeschlossen.
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4 stellt ebenfalls die Befestigungsvorrichtung B aus 2 dar. 4 zeigt allerdings einen Vollschnitt entlang der Schnittebene Y-Y aus 2. Auch 4 zeigt das Verbiegen der biegsamen Stege 14. In diesem Fall geht die Schnittachse durch die Ecken des Mitnehmers 5 der Schraube 1. Dieser Schnitt zeigt, dass die biegsamen Stege 14 in einer Ebene mit den Ecken des Mitnehmers 5 liegen. Die biegsamen Stege 14 des Rändelkopfs 2 gleiten somit über die Ecken des Mitnehmers 5 und übertragen keine Drehbewegung mehr auf die Schraube 1.
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In den 3 und 4 ist des Weiteren ein hervorstehendes Führungsteil 19 des Rändelkopfs 2 sichtbar, welches ein gerades Eindrehen der Schraube 1 durch eine Führung erleichtert. Hierzu wird eine Innenfläche des zylinderförmigen Führungsteils 19 auf einer Außenfläche der ebenfalls zylinderförmigen Gewindebohrung 18 geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraube
- 2
- Rändelkopf
- 3
- Schaft
- 4
- Gewinde
- 5
- Mitnehmer
- 6
- gewindeloser Bereich
- 7
- Mantelfläche
- 8
- Erhebung
- 9
- Hohlraum
- 10
- Grundfläche
- 11
- Symmetrieachse
- 12
- Aussparung
- 13
- Innenwand
- 14
- Steg
- 15
- Seitenfläche
- 16
- Umrandung
- 17
- Bauteil
- 18
- Gewindebohrung
- 19
- Führungsteil
- A, B
- Befestigungsvorrichtung
