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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für flache Substrate, insbesondere für PMMA-Platten (Acrylglas), GFK-Platten, Kunststoffplatten oder Leichtmetalllegierungsplatten, vorzugsweise mit einer sich senkrecht zu deren Flächenerstreckung erstreckender Dickenerstreckung zwischen 0,5 cm und 10 cm, bevorzugt zwischen 0,5 cm und 5 cm, noch weiter bevorzugt zwischen 0,5 cm und 2 cm gemäß Anspruch 1 sowie eine mit einer solchen Verbindungsvorrichtung hergestellte Verbindung gemäß Anspruch 10.
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In der Praxis besteht das Problem, an flachen Substraten, insbesondere rückseitig mit einer ausreichenden Haltekraft. Bauteile festzulegen, möglichst ohne eine Flächenseite, insbesondere eine Vorderseite des flachen Substrats zu beschädigen. Auch besteht das Problem, solche flachen Substrate an Trägerkonstruktionen zu fixieren, wiederum ohne die von der Trägerkonstruktion abgewandte Flächenseite zu beschädigen.
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Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsvorrichtung für flache Substrate anzugeben, mit der Bauteile an flachen Substraten festlegbar sind und/oder die flachen Substrate an Trägerkonstruktionen fixierbar sind, ohne die Notwendigkeit beiden Flächenseiten des flachen, insbesondere plattenförmigen, Substrates zu zerstören bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Sicherheit gegen große Zuglasten.
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Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Verbindung aus einem flachen Substrat und einer solchen Verbindungsvorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Verbindungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Verbindungsvorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, am Innenumfang einer die Verbindungsvorrichtung abschnittsweise aufnehmenden Bohrung, insbesondere einer Sacklochbohrung, im Substratmaterial verankert zu werden und gleichzeitig eine hohe Klemmwirkung in radialer Richtung aufbringen kann, um die Verbindungsvorrichtung aufgrund der Verankerung formschlüssig und gleichzeitig kraftschlüssig über die Verklemmung bzw. radiale Verspannung zu halten. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung vor, dass die Verbindungseinrichtung eine in radialer Richtung aufweitbare, vorzugsweise metallische, ganz besonders bevorzugt geschlitzte Ringscheibe (Expansionselement) aufweist, die von einer einen Schraubenkopf und einen Schaft mit Außengewinde aufweisenden Spannschraube durchsetzt ist, wobei die Ringscheibe in einer (nicht zur Verbindungsvorrichtung gehörenden) Bohrung, insbesondere einer Sacklochbohrung im Substrat aufnehmbar ist, und wobei die Ringscheibe in radialer Richtung verspannbar bzw. aufweitbar ist, durch eine weiter vorgesehene, mit dem Außengewinde der Spannschraube zu verschraubenden Mutter der Verbindungsvorrichtung, die zusammen mit dem Schraubenkopf die Ringscheibe zwischen sich aufnimmt, um die Ringscheibe durch axiales Verspannen in radialer Richtung aufzuweiten und auf diese Weise in radialer Richtung eine Spann- bzw. Klemmkraft auf den Innenumfang der Bohrung aufzubringen, und dabei gleichzeitig die mantelseitige Oberflächenstruktur in das Substratmaterial einzuformen. Bevorzugt weist die Ringscheibe bei einer mit der Verbindungsvorrichtung hergestellten Verbindung eine größere Härte auf als das Substratmaterial um somit auf einfache Weise eine entsprechende Einformung bzw. Herstellung eines in axialer Richtung wirksamen Formschlusses herzustellen. Bevorzugt hat die Ringscheibe eine zumindest näherungsweise zylinderförmige Außenkontur.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn ein über die Verbindungsvorrichtung an dem flachen Substrat festzulegendes Bauteil, beispielsweise ein Flansch, insbesondere ein Winkelflansch, axial zwischen der Mutter und der Ringscheibe aufgenommen und mittels der Mutter gegen das flache Substrat und/oder die Ringscheibe verspannt wird. Bei Bedarf kann zwischen dem festzulegenden Bauteil und der Mutter eine Unterlegscheibe vorgesehen werden und/oder zwischen dem festzulegenden Bauteil und der Ringscheibe.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung, bei der die Ringscheibe, vorzugsweise axial nach radial durchgehend geschlitzt ist, um somit die radiale Aufweitung und damit ein Aufbringen einer Klemmkraft auf den Innenumfang einer die Ringscheibe aufnehmenden Bohrung zu erleichtern. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass die Ringscheibe durch das axiale Verspannen in radialer Richtung plastisch verformbar ist und/oder eine Sollbruchstelle, d.h. einen Materialschwächungsbereich aufweist. Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der, vorzugsweise an einen im Wesentlichen zylindrischen Mantelfächenabschnitt vorgesehene Oberflächenstruktur gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Wesentlich ist, dass die Oberflächenstruktur derart beschaffen ist, dass sich die Oberflächenstruktur durch Aufbringen der axialen Spannkraft und Umwandlung der axialen Spannkraft in eine radiale Aufweitung der Ringscheibe in das Substratmaterial einformt. Hierzu ist es denkbar punktuelle Erhebungen vorzusehen, beispielsweise kegelförmige oder pyramidenförmige oder unregelmäßig geformte Erhebungen. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Oberflächenstruktur gerillt ist, also eine Rillung aufweist, vorzugsweise mit mehreren axial nebeneinander angeordneten Rillen. Zusätzlich oder alternativ kann die Oberflächenstruktur als Rändelung ausgebildet sein und/oder auch in Form eines Außengewindes realisiert sein.
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Im Hinblick auf die Anordnung der Oberflächenstruktur gibt es ebenfalls unterschiedliche Möglichkeiten. Zum einen ist es denkbar, dass die Oberflächenstruktur bzw. Strukturerhebungen im Wesentlichen zumindest näherungsweise gleich verteilt angeordnet sind über die, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche. Insbesondere dann, wenn es sich um in Umfangsrichtung erstreckende Strukturen oder eine Rändelung handelt ist es denkbar, dass die Erhebungen nur an einem Flächenabschnitt der Mantelfläche der Ringscheibe vorgesehen sind, um somit die Flächenpressung zu erhöhen. Beispielsweise ist es denkbar und bevorzugt, eine Oberflächenstruktur vorzusehen, die sich maximal über dreiviertel oder weiter bevorzugt über maximal die Hälfte, noch weiter bevorzugt über maximal ein Drittel der Axialerstreckung und/oder der Umfangserstreckung des Mantelflächenabschnittes erstreckt.
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Damit die axiale Spannkraft, mit der die Ringscheibe zwischen Schraubenkopf und Mutter beaufschlagt wird in eine Radialkraftkomponente zu deren Aufweitung umgewandelt werden kann, sollte an der Ringscheibe und/oder am Schraubenkopf eine entsprechende Schrägfläche vorgesehen sein. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die Ringscheibe hierzu eine winklig zur Längsachse der Spannschraube angeordnete, vorzugsweise konische, noch weiter bevorzugt zumindest näherungsweise konzentrisch zur Längsmittelachse der Schraube angeordnete Anlagefläche zur Kontaktierung, d.h. zur Wechselwirkung mit dem Schraubenkopf der Spannschraube aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann der Schraubenkopf mit einem winklig zur Längsmittelachse angeordneten, insbesondere konischen Anlagefläche, zur Wechselwirkung, d.h. Kontaktierung der Ringscheibe, insbesondere einer ebenfalls schrägen Anlagefläche der Ringscheibe ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn sowohl die Ringscheibe als auch der Schraubenkopf mit einer entsprechenden Anlagefläche ausgestaltet ist, wobei es noch weiter bevorzugt ist, wenn der Neigungswinkel der Anlagefläche zur Längsmittelachse der Schraube zumindest näherungsweise gleich ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Schraubenkopf vertiefungsfrei und/oder mehrkantfrei und/oder mehrrundfrei (insbesondere torxantriebsfrei) ist und/oder antriebsfrei ausgebildet ist, jedenfalls so gestaltet ist, dass dieser zumindest mit üblichen Antriebswerkzeugen, wie Maulschlüsseln, Inbusschlüsseln, sonstigen Mehrkantschlüsseln oder Mehrrundschlüsseln wie Torxschlüsseln nicht antreibbar bzw. betätigbar ist. Besonders bevorzugt ist eine hintere, d.h. vom Schaft abgewandte Stirnseite vollflächig und eben ausgestaltet, weist also keine Vertiefung zur Aufnahme eines Antriebswerkzeuges auf. Um bei einer solchen Ausgestaltung des Schraubenkopfes die Spannschraube beim Verschrauben der Mutter zum Verspannen der Ringscheibe festhalten zu können, ist es in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, wenn die Spannschraube im Bereich ihres vorderen, vom Schraubenkopf abgewandten Schaftendes einen Antrieb, vorzugsweise in Form einer Antriebsvertiefung, bevorzugt einer Mehrkant- oder Mehrrundvertiefung aufweist. Ein solcher vorderer Antrieb ist nicht zwingend, jedoch bevorzugt. Denkbar ist es auch, die Spannschraube während des Verschraubens der, vorzugsweise einen Schlüsselantrieb aufweisenden Mutter mit einer Zange, insbesondere einer Nietzange drehfest zu halten, um ein Mitverdrehen der Spannschraube beim Verschrauben der Mutter in Richtung Ringscheibe zu verhindern.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Schraubenkopf der Spannschraube als Senkkopf ausgebildet ist, insbesondere derart, dass der Senkkopf beispielsweise im bereits nicht verspannten Zustand der Ringscheibe und/oder (erst) im verspannten Zustand der Ringscheibe, d.h. bei angezogener Mutter vollständig innerhalb der Ringscheibe aufnehmbar ist, derart, dass ein hinteres Ende des Schraubenkopfes die Ringscheibe nicht in Richtung eines vorzugsweise vorgesehenen Bohrungsgrundes überragt, insbesondere derart, dass ausschließlich die Ringscheibe oder alternativ die Ringscheibe gemeinsam mit der hinteren Stirnseite des Schraubenkopfes eine Anlagefläche zur Anlage auf dem vorgenannten Bohrungsgrund einer die Ringscheibe aufnehmenden Bohrung im Substrat bildet/bilden.
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Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die Mutter nicht unmittelbar die Ringscheibe oder ein axial zwischen der Ringscheibe und der Mutter vorgesehenes, festzulegendes, vorzugsweise von der Spannschraube durchsetztes, Bauteil kontaktiert (was alternativ denkbar ist), sondern wenn zwischen Mutter und Ringscheibe eine von der Spannschraube durchsetzte Unterlegscheibe vorgesehen ist. Zusätzlich oder bevorzugt alternativ zu einer Unterlegscheibe ist es realisierbar, wenn die Mutter, vorzugsweise unmittelbar mit einer Anlageschulter (Anlageflansch) zusammenwirkt, die einteilig mit der Ringscheibe ausgebildet ist, wobei die Anlageschulter, vorzugsweise in Form einer Ringschulter, die noch weiter bevorzugt in axialer und radialer Richtung geschlitzt ist, die eigentliche Ringscheibe in radialer Richtung überragt. Letztgenannte Ausführungsform ist insbesondere für eine Anwendung von Vorteil, bei der ein mittels der Verbindungsvorrichtung festzulegendes Bauteil nicht axial zwischen der Mutter und der Ringscheibe angeordnet ist, sondern die Mutter unmittelbar gegen die Ringscheibe bzw. deren Anlageschulter verschraubt wird, um die Ringscheibe mit einer definierten Spannkraft zu beaufschlagen. Bei einer derartigen Ausführungsform wird das mittels der Verbindungsvorrichtung an dem flachen Substrat festzulegende Bauteil vorzugsweise axial hinter der Mutter durch Aufschrauben bzw. Aufstecken auf den Schaft der Spannschraube mit Außengewinde festgelegt.
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Bei der letztgenannten Ausführungsform stützt sich die Mutter zum Verspannen der Ringscheibe vorzugsweise ausschließlich an der Ringscheibe bzw. an deren integraler Anlageschulter und nicht an dem flachen Substrat ab.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der die Spannschraube mit ihrem Außengewinde nicht mit der Ringscheibe verschraubbar ist, wozu die Ringscheibe bevorzugt kein Innengewinde aufweist, noch weiter bevorzugt eine Durchgangsöffnung mit einem glatten Innenumfang, jedenfalls sollte die Spannschraube im nicht verspannten Zustand der Mutter durch eine einfache Axialbewegung relativ verschiebbar sein zur Ringscheibe.
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Die Erfindung führt auch auf eine Verbindung, umfassend ein flaches Substrat, insbesondere eine PMMA-Platte, eine GFK-Platte, eine Kunststoffplatte oder eine Leichtmetalllegierungsplatte, beispielsweise eine Aluminiumplatte und eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Verbindungsvorrichtung, die abschnittsweise in einer Bohrung, vorzugsweise einer Sacklochbohrung des flachen Substrates aufgenommen ist, derart, dass die Ringscheibe in radialer Richtung gegen den Innenumfang der Bohrung verspannt ist und gleichzeitig die Oberflächenstruktur an der äußeren Mantelfläche, d.h. am Außenumfang der Ringscheibe eingeformt ist in das Substratmaterial. Hierzu ist es besonders bevorzugt, wenn das Material der Ringscheibe härter ist als das Substratmaterial. Im montierten Zustand überragt der Schaft der Verbindungsschraube bevorzugt das Substrat, insbesondere senkrecht, d.h. rechtwinklig zur Flächenerstreckung des Substrates.
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Besonders zweckmäßig ist es nun, wenn die Verbindung ein weiteres Bauteil umfasst, das über die Spannschraube bzw. die Verbindungsvorrichtung fest mit dem flachen Substrat verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Verbindungsvorrichtung dafür eingesetzt werden, das flächige Substrat mit einem Substratträger zu verbinden, der dann Teil der weiterbildungsgemäßen Verbindung ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1a und 1b unterschiedliche, teilweise geschnittene Ansichten einer möglichen Ausführungsform einer Ringscheibe einer Verbindungsvorrichtung,
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2a und 2b unterschiedliche, teilweise geschnittene Ansichten einer alternativen Ringscheibe mit Anlageschulter für eine Mutter der Verbindungsvorrichtung,
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3a und 3b unterschiedliche, teilweise geschnittene Ansichten einer als Senkkopfschraube mit ausschließlich schaftseitigem Antrieb ausgebildeten Spannschraube einer Verbindungsvorrichtung, und
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4 eine mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung hergestellte Verbindung.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In den 1a und 1b ist eine als axial und radial durchgehend geschlitzter Expansionskörper ausgebildete Ringscheibe 1 für eine Verbindungsvorrichtung gezeigt. Zu erkennen ist eine zentrische Durchgangsöffnung 2 zur Aufnahme einer Spannschraube.
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Zu erkennen ist, dass die Ringscheibe 1 an ihrer außenumfänglichen Mantelfläche 3 eine Oberflächenstruktur 4 in Form einer Rillung aufweist,
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Ferner ist den Figuren eine innere, als innere Ringschulter ausgebildete, schräge Anlagefläche 5 zu entnehmen, die zur Anlage einer Unterseite eines Schraubenkopfes der Spannschraube dient um durch Anziehen der Mutter eine Axialkraft aufzubringen, die durch die Schrägfläche in eine Radialkraftkomponente umgewandelt wird, die wiederum für eine Verspannung der Ringscheibe 1 am Innenumfang einer die Ringscheibe aufnehmenden Bohrung Sorge trägt, sowie für das Einformen bzw. Eingraben der Oberflächenstruktur 4 in radialer Richtung in den Innenumfang der Bohrung. In dem konkreten Ausführungsbeispiel ist die Anlagefläche 5 als Innenkonusfläche ausgestaltet.
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Die Axialerstreckung der Ringscheibe 1 ist so bemessen bzw. so auf die Ausgestaltung und Abmessung des Schraubenkopfes der nicht gezeigten Spannschraube abgestimmt, dass der Schraubenkopf der Spannschraube axial in der Ringscheibe 1 bzw. in der Durchgangsöffnung 2 aufnehmbar ist, diese also nicht mehr in axialer Richtung in der Zeichnungsebene gemäß 1a nach oben überragt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel einer Ringscheibe 1 gemäß den 2a und 2b ist an die Ringscheibe 1 eine als Ringschulter ausgebildete Anlageschulter 6 angeformt, die die Mantelfläche 3 mit ihrer Oberflächenstruktur 4 in radialer Richtung überragt. Die Anlageschulter 6, die wie die Ringscheibe 1 axial und radial durchgehend geschlitzt ist, befindet sich auf einer von einer Einschuböffnung 7 für die Spannschraube abgewandten Axialseite der Ringscheibe 1 und kann je nach Ausgestaltung der Bohrung für die Ringscheibe in dem Substrat flächig auf der Außenseite bzw. auf der Flächenseite des entsprechenden Substrates aufliegen oder im Falle der Realisierung einer Stufenbohrung, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, innerhalb der dann als Stufenbohrung ausgebildeten Bohrung, die vorzugsweise wiederum als Sacklochbohrung ausgestaltet ist, aufgenommen werden.
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In den 3a und 3b ist ein Ausführungsbeispiel einer Spannschraube 8 gezeigt. Diese umfasst einen hinteren Schraubenkopf 9 zur Wechselwirkung mit einer Ringscheibe sowie einen langgestreckten Schaft 10 mit Außengewinde 11 zur Aufnahme einer nicht gezeigten Mutter.
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Die als Senkkopfschraube ausgebildete Spannschraube 8 weist an ihrem Schraubenkopf auf einer Unterseite eine Anlagefläche 12 auf, zur Auflage auf der Anlagefläche 5 einer Ringscheibe 1 gemäß den 1a bis 2b.
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Zu erkennen ist, dass der Schraubenkopf 9 antriebsfrei ist und keine Vertiefung aufweist.
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Stattdessen ist in einem vorderen Bereich des Schaftes, d.h. im Bereich eines vorderen Schaftendes eine zentrische Vertiefung 13 vorgesehen, die als Antrieb ausgebildet ist, im konkreten Ausführungsbeispiel beispielhaft als Mehrkantantrieb zur Aufnahme eines Mehrkantschlüssels. Die Vertiefung 13 bzw. der Antrieb dient zum Halten der Spannschraube beim Verspannen der Ringscheibe mittels der auf das Außengewinde 11 aufgeschraubten Mutter.
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In 4 ist eine vollständige Verbindungsvorrichtung 14 als Teil einer Verbindung 15 gezeigt. Lediglich beispielhaft ist die eingesetzte Ringscheibe 1 analog dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2a bis 2b ausgestaltet. Alternativ kann selbstverständlich auch eine Ringscheibe gemäß den 1a und 1b eingesetzt werden.
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Zu erkennen ist, dass die Ringscheibe 1 in einer als Sacklochbohrung ausgebildeten Bohrung 16 eines flachen Substrates 17 aufgenommen ist. Die an die Ringscheibe 1 angeformte Anlageschulter 6 liegt auf einer Flächenseite des Substrates 17 auf, könnte jedoch bei einer Ausgestaltung der Bohrung 16 als Stufenbohrung auch teilweise oder vollständig innerhalb des Substrates 17 versenkt sein. Die gezeigte Ausführungsform dient insbesondere dazu, die Ringscheibe mit einem definierten Drehmoment bzw. einer definierten Kraft in radialer Richtung zu spannen, was dadurch möglich ist, dass die Mutter 18 sich nicht an dem Substrat 17 abstützt, sondern unmittelbar an der Ringscheibe mit ihrer Anlageschulter. Bei der gezeigten Ausführungsform wird ein an das Substrat 17 über die Verbindungsvorrichtung 14 anzubindendes Bauteil an dem über die Mutter 18 überstehenden Schaft-abschnitt festgelegt, insbesondere durch Verspannen mit einer weiteren Mutter, beispielsweise einer Flügelmutter.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ohne integrale Anlageschulter 6 ist es bevorzugt, das festzulegende Bauteil axial zwischen der Mutter 18 und der Ringscheibe 1 aufzunehmen und auf diese Weise festzulegen, wobei in diesem Fall die Ringscheibe 1 mittelbar über die Mutter 18 vorgespannt wird und zwar über das festzulegende Bauteil, welches sich dann axial unmittelbar oder mittelbar an der Ringscheibe 1 abstützt.
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Im Gegensatz zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es bei einer Ausführungsform der Ringscheibe 1 ohne Anlageschulter schwerer ein definiertes Spannmoment bzw. eine definierte Spannkraft auf die Ringscheibe aufzubringen, da je nach Materialbeschaffenheit des Substrates 17 dieses axial etwas nachgibt und sich das axial zwischen der Ringscheibe und der Mutter 18 aufzunehmende Bauteil abschnittweise auch an dem Substrat abstützt.
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Zu erkennen ist, dass die Spannschraube 8 mit ihrem Schraubenkopf 9 vollständig in der Ringscheibe 1 aufgenommen ist, diese also nicht nach hinten überragt.
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Zu erkennen ist ferner, dass die Ringscheibe 1, die in radialer Richtung aufgeweitet ist, durch Verspannen der Ringscheibe 1 axial zwischen dem Schraubenkopf und der Mutter 18 in radialer Richtung nach außen verspannt ist, gegen den Innenumfang 19 der Bohrung 16 und gleichzeitig die Oberflächenstruktur 4 am Außenumfang bzw. an der Mantelfläche 3 der Ringscheibe 1 in radialer Richtung eingeformt ist in das Substratmaterial zur Herstellung eines in axialer Richtung wirksamen Formschlusses.
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An dem Außengewinde 11 der Spannschraube 8 der Verbindung 14 kann ein nicht dargestelltes weiteres Bauteil festgelegt werden oder die Spannschraube 8 der Verbindung 14 kann dazu benutzt werden, das Substrat 17 an einem Substratträger, insbesondere einer Gerüstkonstruktion zu fixieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ringscheibe
- 2
- Durchgangsöffnung
- 3
- Mantelfläche
- 4
- Oberflächenstruktur
- 5
- Anlagefläche
- 6
- Anlageschulter
- 7
- Einschuböffnung
- 8
- Spannschraube
- 9
- Schraubenkopf
- 10
- Schaft
- 11
- Außengewinde
- 12
- Anlagefläche
- 13
- Vertiefung
- 14
- Verbindungsvorrichtung
- 15
- Verbindung
- 16
- Bohrung
- 17
- Substrat
- 18
- Mutter
- 19
- Innenumfang
