DE2521684A1 - Erschuetterungssicheres befestigungselement - Google Patents
Erschuetterungssicheres befestigungselementInfo
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Description
PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER
OPL-ING
H. KINKELDEY
DH ING
W. STOCKMAIR
K. SCHUMANN
P. H. JAKOB
DlPU-ING
G. BEZOLD
MÜNCHEN
E. K. WEIL
DRREROECING
MÜNCHEN 22
LINDAU
15. Mai 1975
Standard Pressed Steel Co.
Jenkintown, Pennsylvania 19046, USA
Jenkintown, Pennsylvania 19046, USA
Erschütterungssicheres Befestigungselement
Die Erfindung bezieht sich auf ein erschütterungssicheres Befestigungselement sowie auf ein Verfahren zum Herstellen
eines solchen.
Insbesondere betrifft die Erfindung erschütterungssichere Schrauben, vorzugsweise Stellschrauben. Solche
für zahlreiche Zwecke verwendeten Stellschrauben v/erden im Gebrauch in ein Werkstück oder Teil eingeschraubt,
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so daß sie sich mit ihrem inneren Ende an einem anderen Teil abstützen, um die beiden !Teile damit unbexveglich
zu verbinden. Insbesondere wenn solche Teile Schwingungen oder Erschütterungen ausgesetzt sind, muß dabei gewährleistet
sein, daß sich die Stellschraube nicht lösen kann, wodurch sich die beiden Teile dann relativ zueinander
bewegen könnten. Es wurden bereits verschiedene Sicherungen vorgeschlagen, welche das Losdrehen solcher
Stellschrauben unter dem Einfluß von. Erschütterungen der damit gesicherten Teile verhindern sollen. Gemäß
einem solchen Vorschlag hat eine Stellschraube an ihrer inneren Endfläche eine unregelmäßige Form, etwa eine
Vertiefung mit gezahntem oder geriffeltem Rand, welcher auf dem einen der beiden miteinander zu verbindenden
Teile aufsetzt und einer Verdrehung Widerstand bieten soll. Die Stellschraube hat jedoch nur eine ziemlich
kleine Stirnfläche, so daß die Sicherung gegen das Losdrehen der Schraube oftmals nicht ausreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbstsicherndes Befestigungselement, insbesondere eine Stellschraube,
zu schaffen, welche einer Rückwärtsdrehung in einem sie aufnehmenden Teil einen erhöhten Widerstand
entgegensetzt, sowie ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Herstellen solcher Befestigungs
e1ement e.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß erzielt durch ein Befestigungselement bzw. ein Verfahren der
in den Ansprüchen bezeichneten Art.
Gemäß der Erfindung hat das Befestigungselement ein Gextfinde, dessen beim Festziehen des Befestigungselements
die Druckbelastung aufnehmende Flanken eine unregelmäßige Oberflächengestalt haben. Die betreffende Flanke
der Gewindegänge weist wenigstens eine schräg ansteigende
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Käramflanke und eine dieser zugeordnete, steilere Halteflanke
auf, welche in .einem Winkel zu einem Radius des Befestigungselements verlaufen, wobei die Kämmflanke
in der Drehrichtung des Befestigungseleiaents beim Anziehen
desselben ansteigt. Hach dem Festziehen des Befestigungselements setzt dann die oder jede Halteflanke einer
Drehung des Befestigungselements in der entgegengesetzten
Richtung einen erhöhten Widerstand entgegen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines solchen Befestigungselements erhalten die die Druckbelastung
aufnehmenden Flanken der Gewindegänge ein gezacktes oder sägezahnförmiges Profil. Die einzelnen Zacken oder
Zähne haben jeweils eine ansteigende Kämmflanke und eine steilere Halteflanke, der dazwischen gebildete Grat
verläuft in einem Winkel zu einem Radius des Befestigungselements. Zum Herstellen des Befestigungselements findet
beispielsweise ein Paar ebener Gewindewalzbacken Verwendung. Nahe den Enden der zum Walzen des Gewindes
dienenden Profile haben die Walzbacken einander komplementäre Profilteile zum Ausbilden des gezackten
Profils an den Druckflanken der Gewindegänge einer zwischen den Walzbacken abrollenden Schraube.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement entwickelt einen
besonders großen Losdrehwiderstand und kann dabei wiederholt festgezogen und losgedreht werden, ohne daß sich
der Losdrehwiderstand dadurch nennenswert verringert.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Paares Gewindewalzbacken zum Walzen eines Gewindes an
einem runden Werkstück zum Herstellen der erfindungsgemäßen, erschütterungssicheren Schraube,
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Fig. 2 eine Vorderansicht der einen Gewindewalzbacke mit
dem zum Walzen des Gewindes dienenden Profil und einem Profilteil zum Ausbilden einer gezackten
Flanke an den Gewindegängen einer zwischen den Backen gewalzten Schraube,
Fig. 3 eine Teilansicht des Profilteils zum Ausbilden
der gezackten Flanke,
Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,
Fig. 5 eine Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befestigungselements,
Fig. 6 eine vergrößerte Schrägansicht eines Befestigungselements mit einer unregelmäßigen Oberflächengestalt
an der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke der Gewindegänge,
Fig. 7 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, mit einer Draufsicht auf die unregelmäßig
gestaltete Oberfläche der Gewindeflanke,
Fig. 8 eine Fig. 7 entsprechende Ansicht einer anderen
Ausführungsform der Druckflanke der Gewindegänge,
Fig. 9 eine Profilansicht entsprechend den Pfeilen 9» 9 in Fig. 7» mit teilweiser Darstellung des Gewindeeingriffs,
Fig.10 eine Fig. 9 entsprechende Ansicht mit einer anderen
Ausführung des Flankenprofils und
Fig.11 eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 11, 11
in Fig. 9.
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Anhand von Fig. 1 bis 4 der Zeichnung ist ein bevorzugtes
Verfahren zum Herstellen eines erschütterungssicheren Befestigungelements dargestellt. Ein im
wesentlichen zylindrisches Werkstück 10 wird unter Druck zwischen zwei gegeneinander beweglichen Gewindewalzbacken
12 und 14 gewalzt und erhält dabei ein Gewinde mit einem gezahnten Profil wenigstens eines
Teils der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke dea?
Gewindegänge. Anstelle der lediglich zur Erleichterung des Verständnisses dargestellten ebenen Gewindewalzbacken
können auch Gewindewalzrollen verwendet werden.
Die Gewindewalzbacken 12 und 14 sind rechteckige Platten,
welche auf jeweils einer Seite ein Gewindewalzprofil bzw. 18 haben. Dieses setzt sich zusammen aus einer Anzahl
von parallelen Rippen 20, welche in einem der Steigung des am Werkstück 10 zu bildenden Gewindes entsprechenden
Winkel zur Längsachse der geweiligen Walzbacke verlaufen. Die Rippen 20 haben jeweils zwei schräge
Flanken 22, 24, vrelche einen Grat 26 bilden, so daß am Werkstück 10 ein herkömmliches Spitzgewinde entsteht.
Zur Herstellung des Gewindes wird das Werkstück 10 nahe den jeweiligen vorderen Enden 28, 30 zwischen die
Profilseiten 16, 18 der beiden Walzbacken 12, 14 eingelegt. Darauf werden die Walzbacken unter Druckbelastung
relativ zueinander in Längsrichtung bewegt, so daß das Werkstück 10 dazwischen abrollt und dabei ein Gewinde
erhält. Die Relativbewegung der Walzbacken setzt sich fort, bis das Werkstück an ihren hinteren Enden 32 bzw.
freigegeben wird. Um die Entnahme des mit dem Gewinde versehenen Werkstücks 10 zu erleichtern, hat wenigstens
eine Walzbacke 12 ein abgeschrägtes Endstück 36, über welches das Werkstück 10 mühelos entnehmbar ist.
Die beiden Walzbacken 12 und 14 haben jeweils ein recht-
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eckiges Profilteil 38 zum Ausbilden einer gezackten oder
gezahnten Oberfläche an wenigstens einem Teil der die Druckbelastung aufnehmenden Planken der Gewindegänge.
Im Bereich der Profilteile 38 können die Rippen 20' des Walzprofils vor dem Härten der Walzbacke mit einem
gezahnten bzw. gezackten Profil versehen werden. Anderen-FaIIs kann in die Walzbacke eine rechteckige Öffnung
geschnitten sein, in welche dann mehrere einzelne Rippenstücke eingesetzt und stoffschlüssig darin befestigt
werden.
Die einzelnen Rippenstücke 20' haben ebenfalls jeweils
zwei Flanken 22, 24·, welche in einem Scheitel 26 zusammenlaufen, und eine Reihe von seitlich versetzten
Stufen 40. Jede Stufe 4-0 hat eine ansteigende Flanke 4-2,
welche in einem Grat 44 ausläuft, an x^elchen sich eine Steilflanke 46 anschließt. Jeweils am Fuß einer Steilflanke
46 beginnt der Anstieg der nächsten Schrägflanke 42, so daß die Stufen also eine Reihe von einander
abwechselnden Schräg- und Steilflanken bilden. Die zwischen den Schräg- und Steilflanken 42 bzw. 46 gebildeten
Grate 44 verlaufen in einem spitzen Winkel zum Scheitel 26 des Rippenstücks 20'.
Das Werkstück 10 kommt erst dann in rollende Anlage an den Profilteilen 38, wenn die Herstellung des Gewindes
zum größten Teil abgeschlossen ist. Beim Abrollen des Werkstücks 10 zwischen den Profilteilen 38 der druckbelasteten
Walzbacken 12 und 14 wird das Material an den die spätere Druckbelastung aufnehmenden Flanken der
Gewindegänge des Werkstücks 10 weiter verformt, so daß sich eine nachstehend noch näher beschriebene Oberflächenform
ausbildet. Dank der gegenüber dem Grat 26 des jeweiligen Rippenstücks 20' winkligen Anordnung der
Schrägflanken 42 bzxtf. der Grate 44 entsteht beim Walzen
ein Spiel zwischen den Stufen 40 und den an der Flanke des Gewindes gebildeten Zähnen oder Zacken, so daß sich
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die Stufen bei der weiteren Drehung des Werkstücks mühelos
von diesem lösen. Die winklige Anordnung hat also eine ähnliche Wirkung wie der an Evolventenverzahnungen
gebildete Zahneingriffswinkel. Ohne eine solche winklige Anordnung würden die Stufen 40 die an den Gewindeflanken
gebildeten Zähne einreißen, so daß deren Profil erheblich verändert würde.
Das in verschiedenen Ausführungsformen in Fig. 5 bis Ή
dargestellte Befestigungselement ist eine Stellschraube 50 mit einem gewalzten Normgewinde 52. Eine Endfläche 5'+
der Schraube 50 hat eine Vertiefung 56 für den Eingriff
eines Werkzeugs zum Eindrehen und Festziehen der Schraube in eine bzw. einer Gewinde bohrung eines Werkstücks oder zu
sichernden Teils.
Wie man insbesondere in Fig. 7 erkennt, ist an der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke 58 jedes einzelnen
oder wenigstens zweier einander benachbarter Gewindegänge 60 eine unregelmäßige, gezackte Oberfläche 62
gebildet, welche sich um die Schraube herum erstreckt und ihrer Drehung in einer Gewindebohrung unter Druckbelastung
einen erhöhten Widerstand entgegensetzt.
Bei Betrachtung des Profils der Oberfläche 62 entlang einem mit der Längsachse der Schraube konzentrischen
Zylinder bildet es eine Reihe von Zähnen. Diese sind im wesentlichen sägezahnförmig und haben jeweils eine
Steil- oder Halteflanke 64, welche sich vom Grat 66 des betreffenden Zahns zum Fuß 68 eines diesem benachbarten
Zahns erstreckt. Vom Fuß 68 zum Grat 66 dieses Zahns verläuft dann eine Schräg- oder Kämmflanke 70.
Die Schrägflanken 70 der Zähne steigen in einem Winkel zwischen etwa 5° und 25° zu einer parallel zur Steigung
des Gewindes verlaufenden Ebene an.
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Wie man insbesondere in I1Xg. 7 und 8 erkennt, sind die
entlang den Steilflanken 64 der einzelnen Zähne verlaufenden Ebenen gegenüber dem radialen Mittelpunkt der
Schraube 50 versetzt angeordnet, so daß sie mit einem vom Mittelpunkt der Schraube 50 zu dem betreffenden
Zahn verlaufenden Eadius einen Winkel von etwa 15 bis 35° bilden.
In der in Fig. 11 gezeigten Ausführung ist die Hohe der
Steilflanke 64 über die Breite der Druckflanke 58 konstant, sie kann jedoch auch veränderlich sein. Die Zähne
62 erstrecken sich jeweils vom Scheitel 7^- des betreffenden
Gewindegangs 60 einwärts bis nahe an dessen Fuß heran. Sofern es bei der Verwendung der Schraube nicht
auf Ermüdungsfestigkeit ankommt, können sich die Zähne bis an die Wurzel der Gewindegänge erstrecken. Anderenfalls
laufen die Zähne in einigem Abstand von der Wurzel aus, so daß diese nicht geschwächt und damit die Ermüdungsfestigkeit
beeinträchtigt wird.
Die Schräg- oder Kämmflanken 70 der einzelnen Zähne sind
in der Drehrichtung zum Festziehen der Schraube, bei einer rechtsgängigen Schraube also im Uhrzeigersinn
abgeschrägt. Beim Eindrehen der Schraube 50 in eine Gewindebohrung eines ersten Teils setzen die Halte- oder
Steilflanken 64 der Drehung der Schraube keinen Widerstand
entgegen, solange die Schraube noch nicht unter Druckbelastung steht. Setzt dann die Schraube mit ihrem
inneren Ende 76 an einem zweiten Teil auf oder kommt sie auf andere Weise unter Druckbelastung, dann ist das
weitere Eindrehen erschwert. Beim weiteren Festziehen der Schraube bis zu einem vorbestimmten Drehmoment kommt
sie dann unter eine vorgegebene Druckbelastung.
Mit der Zunahme der Druckbelastung der Schraube 50
kommen die Druckflanken 58 der Gewindegänge 60 in immer
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festere Anlage an den entsprechenden Flanken des Gewindes
der die Schraube aufnehmenden Bohrung. Die zwischen den belasteten Flanken der Gewinde der Schraube und der
Bohrung auftretenden Druckkräfte bewirken eine im wesentlichen elastische Verformung der belasteten Flanken des
Innengewindes der Bohrung, d.h. die Schrägflanken 70 der Zähne 62 drücken sich in die Druckflanken 78 des Innengewindes
ein, so daß dessen Material einen·kleinen Überhang 80 an den Halte- oder Steilflanken 64- bildet (Fig. 9,
10). Diese geringfügige Verformung des Innengewindes der Bohrung vor den Halte flanken 64- der einzelnen Zähne 62
erschwert das Zurückdrehen oder Losdrehen der Schraube von der Anlage an dem zweiten Teil oder Werkstück.
Die von den einzelnen Zähnen 62 bewirkten Verformungen des Innengewindes sind zwar ziemlich geringfügig, so daß
sich die Schraube unter Anwendung eines angemessenen Drehmoments lösen läßt, aufgrund der großen Anzahl der Zähne
ergibt sich jedoch ein genügend großer Losdrehwiderstand, um einem Losdrehen der Schraube unter dem Einfluß von
Erschütterungen oder Schwingungen der damit gesicherten Teile vorzubeugen. Da die Verformung des Gewindes vor
den Steilflanken 64- im wesentlichen eine Elastische ist, kommt es nicht zu Verletzungen oder bleibenden Verformungen
der Gewindegänge der Schraube 50 oder der sie aufnehmenden Bohrung.
In der Ausführung nach Fig. 7 verlaufen die Steilflanken
64- und Grate 66 der einzelnen Zähne 62 geradlinig in dem vorgegebenen Winkel zum betreffenden Radius der Schraube
50. Aufgrund der winkligen Anordnung der Steilflanken und Grate ergibt sich eine größere Berührungsfläche zwischen
den Steilflanken 64· und den Druckflanken der die Schraube 50 aufnehmenden Gewindebohrung als bei radialem
Verlauf der Steilflanken.
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Außerdem verringert die winklige Anordnung der Zähne
die Gefahr, daß bein Losdrehen der Schraube größere Späne aus dem Gewinde der Bohrung gerissen werden. Dies
beruht anscheinend darauf, daß sich die Druckkräfte zwischen den Zähnen und den die Schraube aufnehmenden
Gewindegängen über eine größere Fläche verteilen als bei radialer Anordnung der Zähne, so daß also die pro
Flächeneinheit wirksamen Kräfte zwischen den Steilflanken 64- und dem Innengewinde kleiner sind als bei
radialer Ausrichtung. Dadurch verringert sich die Gefahr einer Überschreitung der elastischen Verformungsgrenze
des Innengewindes, d.h. dieses ist hauptsächlich elastischer Verformung unterworfen.
In der Ausführung nach Fig. 8 sind die Steilflanken 64-'
und Grate 66' der Zähne ebenfalls in einem Winkel zum betreffenden Radius der Schraube 50' angestellt. Sie
haben hier jedoch ein evolventenförmig gekrümmtes Profil. Eine solche Ausbildung der Steilflanken und
Grate erbringt eine weitere Vergrößerung der Berührungsflächen, da die gekrümmte Strecke vom inneren zum äußeren
Ende der Steilflanken etwas länger ist als bei den in Fig. 7 gezeigten, geradlinig verlaufende! Steilflanken 64-.
In der Ausführungsform nach Fig. 10 ist die Halte- oder Steilflanke 64-" etwas geneigt und nicht, wie in der Ausführung
nach Fig. 9> senkrecht angeordnet. Diese Ausführung
ist im einzelnen beschrieben in einer parallelen
Patentanmeldung
der Anmelderin.
Somit schafft die Erfindung ein Befestigungselement in
Form einer Schraube, welche einen beträchtlich verbesserten Losdrehwiderstand aufweist, ohne daß eine nennenswerte
Gefahr von Beschädigungen der Gewinde an der Schraube selbst oder in einer sie aufnehmenden Bohrung
besteht. Die Schraube läßt sich daher ohne nennens-
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werte Einbuße an Wirksamkeit wiederholt festziehen und
lösen.
lösen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung als Stellschraube beschränkt, sondern erstreckt
sich auf jede Art von ein Gewinde aufweisenden Befestigungselementen wie Bolzen und Schrauben, welche in eine
Gewindebohrung eines Werkstücks oder auch in eine Mutter eingeschraubt werden.
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Claims (9)
- Patentansprüche:ΛJ Erschütterungssicheres Befestigungselement, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schaft (50) aufweist, welcher wenigstens über ein Teil seiner Länge ein Außengewinde (52) hat, daß wenigstens ein Teil des Gewindes an der beim Eingriff des Befestigungselements mit einem Werkstück einer Druckbelastung unterworfenen Flanke (58) eine unregelmäßige Oberflächengestalt hat und daß die unregelmäßige Oberfläche eine Vielzahl von bei Betrachtung entlang einem mit der Längsachse des Befestigungselements konzentrischen Zylinder die Form von Zähnen (62) aufweisenden Erhebungen hat, welche sich vom Scheitel (60) des Gewindegangs einwärts erstrecken und jeweils eine von einem Fuß (68) der Erhebung zu einem Grat (66) verlaufende Schrägflanke (70) und eine sich in einer zur Längsachse des Befestigungselements im wesentlichen parallelen Ebene vom Grat der einen zum Fuß einer dieser benachbarten Erhebung erstreckende Steilflanke (64) aufweisen, wobei die Steilflanken der Erhebungen in einem Winkel zum geweiligen Radius von der Längsachse des Befestigungselements zu der betreffenden Erhebung verlaufen.
- 2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Steilflanken (64) und den zugeordneten Radien gebildete Winkel zwischen etwa 15° und 35° beträgt.
- 3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflanken (70) in der Drehrichtung zum Eindrehen des Befestigungselements in eine Gewindebohrung ansteigen, so daß die Steilflanken (64) der Drehung des Befestigungselements beim Eindrehen desselben keinen Reibungswiderstand entgegensetzen, bis das Befestigungselement509848/0448einer Druckbelastung unterworfen ist.
- 4·. Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflanken (70) der die Form von Zähnen aufweisenden Erhebungen mit einer zum Steigungswinkel des Gewinde
bilden.Gewindegangs parallelen Ebene einen Winkel von 5° bis - 5- Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennze ichnet, daß die Steilflanken (64-) die Form von Evolventen haben und bogenförmig von ihrem inneren zum äußeren Ende verlaufen.
- 6. Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5i in Verbindung mit einem eine Gewindebohrung aufweisenden Teil, dadurch gekennzeich net, daß die unregelmäßig gestaltete Oberfläche (62) an den Flanken (58) der Gewindegänge des Befestigungselements (50) unter Druckbelastung desselben mit der ihr gegenüberstehenden Flanke des Gewindes der Bohrung derart zusammenwirkt, daß ein Teil der betreffenden Flanke des Gewindes der Bohrung im wesentlichen elastisch verformt wird und ein Überhang (80) des Materials (?8) des Gewindes der Bohrung über einem Teil (64) der unregelmäßig gestalteten Oberfläche der Gewindeflanke des Befestigungseletaents entsteht, welcher ein Lösen des unter Druckbelastung festgezogenen Befestigungselements verhindert .
- 7- Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnförmigen Erhebungen (62) jeweils eine vom Fuß (68) einer benachbarten Erhebung ansteigende Schrägflanke (70) haben und daß das Material (78) des das Befestigungselement aufnehmenden Teils beim Festziehen des Befestigungselements unter Druck-509848/0448belastung einen Überhang (80) über jeder Steilflanke (64·) bildet.
- 8. Verfahren zum Gewindewalzen eines erschütterungsfesten Befestigungselemente mit einem Schaft, welcher über wenigstens ein Teil seiner Länge ein Außengewinde aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen zylindrisches Werkstück zwischen mit Rippen für die Ausbildung von Gewindegängen versehenen Gewindewalzbacken gewalzt wird und daß an jeder Gewindewalzbacke ein Profilteil gebildet wird, welches an jeweils einer Seite jeder Rippe eine Reihe von in einem spitzen Winkel zum Scheitel der betreffenden Rippe verlaufenden Stufen aufweist, welche der für die Aufnahme einer Druckbelastung vorgesehenen Flanke der Gewindegänge des zwischen den Profilteilen gewalzten Befestigungselements eine unregelmäßige Oberflächengestalt verleihen.
- 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e>t7 daß die an den Rippen des Profilteils gebildeten Stufen seitlich gegeneinander versetzt sind und jeweils eine zu einem Grat verlaufende Schrägflanke und eine von dem Grat zur Schrägflanke der benachbarten Stufe verlaufende Steilflanke haben, so daß das Profilteil den Druckflanken des Gewindes des zwischen den Gewindewalzbacken gex«;alzten Befestigungselements eine der der Rippen komplementäre Form verleiht.509848/0A48Leerseite
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