DE3010044A1

DE3010044A1 - Verfahren zum maschinellen anziehen von schraubverbindungen, insbesondere von zylinderkopfverschraubungen an brennkraftmaschinen mit leichtmetall-zylinderkopf, und schrauber zum durchfuehren des verfahrens

Info

Publication number: DE3010044A1
Application number: DE3010044A
Authority: DE
Inventors: Edwin Dipl.-Ing. 8000 München Brunner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1980-03-15
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1981-09-24

Description

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BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, 8000 München

11. März 1980

Verfahren zum maschinellen Anziehen von Schraubverbindungen, insbesondere von Zylinderkopfverschraubungen an Brennkraftmaschinen mit Leichtmetall-Zylinderkopf, und Schrauber zum Durchführen des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, das aus VDI-Berichte Nr. 220, 1974, S. 94 - 98 bekannt ist. Dieses Verfahren hat sich gegenüber den drehmoment- und drehwinkel-gesteuerten Verfahren deshalb als vorteilhaft erwiesen, weil es durch moderne Meßtechnik eine sehr geringe Streuung der beim Anziehen beabsichtigten Vorspannkraft der Schraube ermöglicht. Der Beginn der Streckgrenze kann nämlich mit sehr geringer Streuung der Vorspannwerte erfaßt und zur Steuerung von automatischen Schraubvorrichtungen benutzt werden.

Darüber hinaus haben Untersuchungen der Dauerhaltbarkeit derart' bis zum Beginn der Streckgrenze angezogener Schrauben gemäß "Konstruktion", Heft 3, 1966, S. 123 und "Verbindungstechnik", Heft 4, 1979, S. 31 - 34 ergeben, daß aufgrund der dabei auftretenden Verfestigung und Setzung der Schraubverbindung mit Entlastung der Vorspannung erheblich höhere Dauerhaltbarkeitswerte erreicht werden als bei Schraubverbindungen, die ohne Vorbelastung bis zur Streckgrenze auf den sonst nach der Setz-Entlastung gegebenen Vorspannwert angezogen werden. Bei diesen Untersuchungen wurden die Schrauben mit Muttern in einer Dauerschwingprüfmaschine bis zur Streck-

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grenze vorgespannt und dann ohne Drehen der Gewindeteile vor Durchführung der Prüfung teilweise wieder entspannt .

Das bekannte Verfahren weist bei Schraubverbindungen, die sowohl hohen Wärme- als auch Zugkraftbelastungen unterliegen, den Nachteil auf, daß der Schraubenschaft bei der ersten Belastung zusätzlich zu der beim Anziehen unvermeidbaren, jedoch geringen plastischen Dehnung sowohl aus der Wärmedehnung als auch aus der Betriebskraft weitere plastische Verformungen entlang der Streckgrenze erfährt. Dies trifft vor allem bei Schraubverbindungen zu, bei denen die Flanschteile eine wesentlich höhere Wärmedehnung als der Schraubenschaft aufweisen, insbesondere bei Zylinderkopfverschraubungen mit Stahlschrauben und einem Zylinderkopf aus Leichtmetall. Hierbei tritt zusätzlich noch in Erscheinung, daß die Erwärmung der Stahlschrauben derjenigen des Zylinderkopfes zeitlich verzögert folgt und daß die Zylinderkopfdichtung sich erst während der ersten. Inbetriebnahme der Maschine nach Erreichen der vollen Erwärmung und der vollen Betriebslast setzt. Zum Vermeiden eines Nachziehens der Schraubverbindung wird hierbei ein besonders genaues Vorspannen der Schraubenbolzen angestrebt und auch erreicht. Dabei tritt jedoch der Nachteil ein, daß die Schraubenbolzen aufgrund der erheblichen Werte ihrer plastischen Verformung entlang der Streckgrenze für eine weitere Verwendung nach einer einmaligen Demontage der Schraubverbindung wegen hoher Bruchgefahr durch zu starkes weiteres Dehnen nicht mehr verwendet werden können und daher jeweils erneuert werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum maschinellen Anziehen von Schraubverbindungen zu schaffen, bei

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dem zusätzliche, über den beim streckgrenzgesteuerten Anziehen unvermeidbaren Wert hinausgehende plastische Dehnungen des Schraubenbolzens sicher ausgeschaltet werden können, eine Einstellung der Vorspannkraft im elastischen Bereich der Schraubverbindung in engen Toleranzen erreichbar ist und eine Mehrfachverwendung der Schraubenbolzen in üblichen Grenzen gewährleistet werden kann. Unter dem Begriff "maschinelles Anziehen" wird auch ein manuelles Anziehen mit selbsttätiger Überwachung durch eine Anzeige-Vorrichtung verstanden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Durch das bekannte streckgrenzgesteuerte Anziehen der Schraubverbindung wird ein. Vorspannwert mit engen Toleranzen erreicht. Dieser bildet den Ausgangswert für die einzustellende endgültige Vorspannung, die sich durch das Lösen von einem Teil des Ausgangswerts ergibt. Auch das Lösen um einen Teil der Vorspannung läßt sich in sehr engen Toleranzen durch die Drehwinkelsteuerung dieses Lösevorganges beherrschen, so daß die gewünschte Vorspannung - ggf. auch in größerem Abstand von der Streckgrenze - besonders genau eingestellt werden kann. Die Größe des Löse-Drehwinkels kann für jede Schraubverbindung nach den jeweiligen Anforderungen bestimmt werden. Für eine bestimmte Vorspannkraft ist er jeweils durch Versuch zu ermitteln. Anziehen und Lösen können durch bekannte Schraubvorrichtungen be-, herrscht werden, wobei das drehwinkelgesteuerte Lösen lediglich eine einfache Veränderung der bekannten drehwinkelge steuerten Anziehvorrichtungen erfordert. Zum unmittelbar anschließend an das Anziehen erfolgenden Entlasten der Vorspannung gemäß Anspruch 2 sieht die Erfindung einen Schrauber gemäß Anspruch 5 vor, der in sich vereinigt den Anziehvorgang und den teilweisen Löse-

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Vorgang steuert und durchführt. Um ggf. auch einen mit einem gewissen Zeitablauf verbundenen ersten Setzvorgang der Schraubverbindung zur Wirkung zu bringen, kann gemäß Anspruch 3 die Vorspannung im zeitlichen Abstand nach dem Anziehen durchgeführt werden. Hierzu können an Montagebändern voneinander getrennte und einen entsprechend der Taktzeit bemessenen Abstand aufweisende Stationen verwendet werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ergibt durch die Merkmale des Anspruches 4 eine besonders vorteilhafte Materialausnutzung in der Schraubverbindung. Damit wird wie bei dem bekannten Verfahren ohne teilweise Entlastung der Vorspannung nach dem Anziehen, jedoch im Gegensatz zum bekannten Verfahren ohne weitere plastische Dehnung des Schraubenbolzens eine Vorspannung der Schraubverbindung erreicht, die den Schraubenschaft bis unmittelbar unter die Streckgrenze ausnutzt und somit eine Mehrfachverwendung ermöglicht.

Für einen Schrauber nach Anspruch 5 lassen sich die erfindungsgemäßen Merkmale bei einem aus der DE-PS 17 03 681 bekannten Schrauber anwenden, zumal danach auch Schrauber bekannt sind, die ein Drehen um einen vorgegebenen Winkel aus führen. Dabei ist die Drehwinkelsteuerung von der Anzieh- in die Löse-Drehrichtung umzustellen.

Die Zeichnung zeigt zwei Verspannungsschaubilder für Schraubverbindungen zur beispielsweisen Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:

Fig. 1 das Verspannungsschaubild für eine Zylinderkopfverschraubung von Brennkraftmaschinen, bei der

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die Zylinderkopfschrauben nach dem streckgrenzgesteuerten Verfahren angezogen werden, und

Fig. 2 das entsprechende,^für das Verfahren nach der Erfindung zu-treffende Verspannungsschaubild, bei dem die Zylinderkopfschrauben gleichfalls streckgrenzgesteuert angezogen, jedoch anschließend teilweise wieder gelöst werden.

Eine nicht dargestellte übliche Verschraubung eines Zylinderkopfes aus Leichtmetall mit einem Zylinder-Kurbelgehäuse, das gleichfalls als Leichtmetall aber auch aus Grauguß bestehen kann, enthält zwischen diesen als Flanschteile wirkenden Bauteilen eine Zylinderkopfdichtung und weist Zylinderkopfschrauben auf, die die vorgenannten Bauteile gegeneinander verspannen. Die Verschraubung von Zylinderköpfen aus Leichtmetall ist durch die hohen Betriebstemperaturen und Gaskräfte von Brennkraftmaschinen besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Dabei tritt die etwa doppelte Wärmedehnung des Leichtmetall-Zylinderkopfes gegenüber den Stahl-Zylinderkopfschrauben besonders hervor. Werden nämlich die Zylinderkopfschrauben bei der Erstmontage der Brennkraftmaschine zunächst */ auf ihren bestimmten Vorspannwert angezogen, so erhöht sich diese Vorspannung besonders bei der ersten Inbetriebnahme der Maschine nicht nur durch die als Betriebskraft auftretenden Gaskräfte, sondern zusätzlich auch noch durch die wesentlich größere Wärmedehnung des Zylinderkopf es gegenüber der Wärmedehnung der Zylinderkopfschrauben. Da die Erwärmung der Zylinderkopfschrauben derjenigen des Leichtmetall-Zylinderkopfes auch noch zeitlich nacheilt, zumal die Zylinderkopfschrauben die vom Zylinderkopf aufgenommene Wärme zum Zylinderblock teilweise wieder ableiten können, tritt bei der ersten

*/ streckgrenzgesteuert

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Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine eine besonders große plastische Dehnung der Zylinderkopfschrauben auf. Die Zylinderkopfdichtung setzt sich während des Betriebes der Maschine und zwar nachdem bei der ersten Inbetriebnahme vorher die höchsten Betriebskräfte aus der Wärmedehnung und aus den Gaskräften auf die Zylinderkopfschrauben zur Wirkung kamen.

Aus diesem Zusammenhang ergibt sich bei dem streckgrenzgesteuerten Anziehen der Zylinderkopfschrauben während der ersten Inbetriebnahme der Maschine neben der beim Anziehen unvermeidlichen geringen plastischen Dehnung der Zylinderkopfschrauben eine weitere erhebliche plastische Dehnung derselben entlang der Streckgrenze. Diese plastische Gesamtdehnung stellt jedoch für die Zylinderkopf schraub en noch keine für deren Dauerhaltbarkeit nachteilige Verformung dar, denn nach dem Abkühlen aus der ersten Inbetriebnahme und entsprechendem Entspannen der Verschraubung in den elastischen Bereich verbleibt die Spannung der Zylinderkopfschrauben bei weiteren Inbetriebnahmen stets in diesem elastischen Bereich. Weitere plastische Verformungen sind dadurch ausgeschlossen. Die Dauerhaltbarkeit der Zylinderkopfschrauben erreicht hierbei sogar höhere Werte als ohne plastische Vordehnung. Eine mehrmalige Verwendung solcher plastisch verformter Zylinderkopfschrauben ist jedoch nicht möglich, so daß bei Demontage der Zylinderkopfschrauben im Reparaturfall deren Erneuerung erforderlich ist.

Das in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Verspannungssch.aubild für diese bekannte Verschraubungsart mit streckgrenzgesteuertem. Anziehen zeigt im einzelnen den Verlauf der Vorspannkräfte Fy und der Dehnstrecken d auf.

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,grenz
Beim streckgesteuerten Anziehen jeder Schraube folgen die Vorspannkraft Fy und die Dehnung d der Linie 0-1 mit im elastischen Bereich geradlinigem Verlauf und anschließendem gekrümmtem Übergang in die Streckgrenze S mit im wesentlichen gleichbleibender Vorspannkraft Fy. Das Anziehen jeder Zylinderkopfschraube wird toleranz-.bedingt spätestens im Punkt 1 beendet. Hierzu dienen bekannte Schraubvorrichtungen, die das Abknicken des Verlaufes der Vorspannkraft Fy als Steuergröße nutzen und sehr geringe Streuungen dieser Vorspannung aufweisen. Dabei ergibt sich das Spannungsdiagramm A-1-B. Die zugehörige plastische Verformung der Zylinderkopfschraubgiist mit dpr bezeichnet.

Während der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine ergibt sich aus der Wärmedehnung der Zylinderkopfschrauben .ds und der Wärmedehnung des Zylinderkopfes d£K mit erheblich höherem Wert des letzteren eine weitere plastische Dehnung dpj^ der Zylinderkopfschrauben. Schließlich ergibt sich auch noch aus dem Schraubenanteil der während der ersten Inbetriebnahme wirkenden Gaskräfte als Betriebskraft F-q eine nochmalige plastische Dehnung dpL-z der Zylinderkopf schraub en. Dies entspricht dem Verlauf von 1 über 2¹ nach 2 und über 3' nach 3. Insgesamt haben somit die Zylinderkopfschrauben die gesamte plastische Dehnung dp^ + dpL2 ^{+ d}PL3 erfahren. Von dem nunmehr gegebenen Vorspannpunkt 3 ausgehend reduziert sich die Vorspannung aufgrund des Setzens der Zylinderkopfdichtung und zu einem geringen Teil auch der Schraubverbindungsteile um den Betrag d_D von 3 nach 4 im elastischen Bereich der Schraubendehnung. Dieses Setzen d_D der Zylinderkopfdichtung tritt gleichfalls wenigstens zum Großteil während der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine ein.

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Nach Beendigung des erstmaligen Betriebes der Brennkraftmaschine verringert sich die Vorspannung der Schraubverbindung entsprechend des Rückgangs der Wärmedehnung von Schrauben und Zylinderkopf, um die Beträge ds und d;^· Bei weiteren Inbetriebnahmen der Brennkraftmaschine wechselt dann die Vorspannung jeweils zwischen 5 und 4. Sie verbleibt stets innerhalb des elastischen Bereiches der Zylinderkopfschrauben mit den zugehörigen Verspannungsdiagrammen F-4-G bzw. I-5-H und der jeweils gegebenen Betriebskraft F_B. . .

Im der Erfindung zugeordneten ebenfalls vereinfacht dargestellten Schraubenspannungsschaubild nach Fig. Z verläuft, die Vorspannkraft Fy der Zylinderkopfschrauben in Übereinstimmung mit Fig. 1 beim streckgrenzgesteuerten Anziehen zunächst gleichfalls entlang der Linie 0-1, wobei die systembedingte plastische Verformung der Zylinderkopfschrauben dpj^ unverändert auftritt. Nach der Erfindung werden die Zylinderkopfschrauben unmittelbar nach dem streckgrenzgesteuerten Anziehen entsprechend der Linie 1-2* wieder teilweise gelockert.

Dieses Teillösen der Zylinderkopfschrauben kann auch im zeitlichen Abstand zum Anziehen vorgenommen werden. Bei Fließbandmontage von Brennkraftmaschinen können hierfür einerseits kombinierte Schraubvorrichtungen eingesetzt werden, die das streckgrenzgesteuerte Anziehen und das Teillösen unmittelbar hintereinander selbsttätig gesteuert ausführen, oder andererseits zwei verschiedene Schraubvorrichtungen an mit Abstand zueinander angeordneten Stationen, die das Anziehen und Teillösen der Zy-1Inderkopfsehrauben getrennt und mit zeitlichem Abstand zueinander vornehmen.

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Das Teillösen der Zylinderkopfschrauben erfolgt winkelgesteuert und zwar um einen Drehwinkel, der einem Entspannen der Schraubverbindung um einen solchen Anteil entspricht, daß die Zylinderkopfschrauben bei der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine aufgrund der dabei auftretenden Steigerung der Schraubenspannung durch Wärmedehnung und Betriebskraft nicht mehr die Streckgrenze S erreichen. Damit wird die plastische Dehnung der Zylinderkopfschrauben insgesamt auf den Wert dp^^ begrenzt, der durch das streckgrenzgesteuerte Anziehen unabdingbar gegeben ist. Dieser Wert ist so gering, daß gegen die mehrfache Verwendung derart behandelter Zylinderkopfschrauben keine Bedenken hinsichtlich einer Bruchgefahr durch zu starke plastische Verformung bestehen.

Der weitere Verlauf der Vorspannkraft der Zylinderkopfschrauben nach dem Teillösen mit dem Vorspannpunkt 2* und dem zugehörigen Verspannungsschaubild A*-2*-B* ergibt sich durch die Wärmedehnung dß der Zylinderkopfschrauben und d_ZK des Zylinderkopfes mit einem gleichzeitigen Ansteigen der Schraubenvorspannung von 2* nach 3*. Da das Teillb'sen und damit der Vorspannpunkt 2*, wie vorstehend beschrieben, auf die höchste Belastung der Zylinderkopfschrauben abgestimmt ist, erreicht die Schraubenspannung Fy bei der ersten Inbetriebsetzung der Maschine aufgrund der Wärmedehnung und der Betriebskraft Fg im äußersten Falle gerade noch die Streckgrenze S, ohne daß eine neuerliche plastische Dehnung der Schraube auftritt.

Aufgrund von Streuungen der Werte beim Teillösen mögliches geringfügiges Überschreiten der Streckgrenze S führt zu einem entsprechend geringfügigen zusätzlichen plastischen Verformen der Zylinderkopfschrauben. Dieses zusätzliche plastische Verformen kann durch das ent-

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sprechende Festlegen der Toleranzbereiche beim streckgrenzgesteuerten Anziehen und beim winkelgesteuerten Teillösen innerhalb sicher beherrschbarer Grenzen gehalten werden, wodurch auoh in diesem Falle keine Bruchgefährdung der Zylinderkopfschrauben bei mehrfacher Wiederverwendung eintritt.

Während des erstmaligen Betriebes der Brennkraftmaschine tritt in Übereinstimmung mit dem zu Fig. 1 beschriebenen Vorgang auch hierbei ein Setzen der Zylinderkopfdichtung und der Schraubverbindung um den Betrag dj) ein. Dadurch verringert sich die Vorspannkraft der Zylinderkopfschrauben im elastischen Bereich von 3* nach 4*. Damit wird ' gleichzeitig ein größerer Abstand des Höchstwertes der Schraubenspannung von der Streckgrenze S erreicht. Das Vorspannungsdiagramm verändert sich dabei von F*-3*-D* nach F*-4*~G*.

Beim Abkühlen der Brennkraftmaschine nach deren erstem Betrieb verringert sich die Vorspannkraft Fy durch Rückgang der Wärmedehnung dg der Zylinderkopfschrauben und d-ZK des Zylinderkopfes von 4* nach 5* mit dem Vorspannungsdiagramm A*-5*-H*. Der Vorspannpunkt 5* liegt wiederum auf der Verbindungslinie A*-2*-T entsprechend der ausschließlich elastischen Verformung der Zylinderkopfschrauben von 1 nach 2*, 3*, 4* und 5*. Das Verspannungsdiagramm der Zylinderkopfschrauben bei stillgesetzter und abgekühlter Brennkraftmaschine entspricht somit A*-5*-H*. Bei jeder erneuten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verschiebt sich das Verspannungsdiagramm entsprechend der Wärmedehnungen der Zylinderkopfschrauben d_s und des Zylinderkopfes d_ZK und der Vorspannkraftänderungen zwischen 5* und 4* jeweils nach F*-4*-G*. Auch hierbei treten keinerlei plastische Verformungen

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der Zylinderkopfschrauben mehr auf. Wie aus dem Vergleich der im Betrieb gültigen Verspannungsdiagramme nach Fig. 1, F-4-G, und nach Fig. 2, F*-4*-G* erkennbar, ist die wirksame Vorspannkraft Fy bei beiden Anzieh-Verfahren diesbezüglich gleichwertig.

Obwohl ein Nachziehen der Zylinderkopfschrauben bei beiden Anziehverfahren nach Fig. 1 und 2 unter Voraussetzung entsprechender Zylinderkopfdichtungen mit geringer Setzung, dj) nicht erforderlich ist, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Fig. 2 das Anziehen und Teillösen der Zylinderkopfschrauben nach ■ einer bestimmten Betriebszeit der Brennkraftmaschine mindestens einmal zu wiederholen, ohne daß dabei die Werte der plastischen Verformung der Zylinderkopfschrauben nach dem Verfahren gemäß Fig. 1 erreicht werden. Eine in den üblichen Grenzen zu erwartende mehrmalige Verwendung der Zylinderkopfschrauben kann auch dabei noch ermöglicht werden.

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Claims

BAYERISCHE MOTOREN WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, 8000 München

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Verfahren zum maschinellen Anziehen von Schraubverbindungen, insbesondere von Zylinderkopfverschraubungen an Brennkraftmaschinen mit Leichtmetall-Zylinderkopf, und Schrauber zum Durchführen des Verfahrens ■

Patentansprüche

Verfahren zum maschinellen Anziehen von Schraubverbindungen, ·

- insbesondere mit Flanschteilen, die eine wesentlich höhere Wärmeausdehnung als die Schraubenbolzen aufweisen,

- wie Zylinderkopfverschraubungen an Brennkraftmaschinen mit Leichtmetall-Zylinderkopf,

- bei dem die Schraubverbindung streckgrenzgesteuert angezogen wird,

dadurch gekennzeichnet,.

- daß die Schraubverbindung drehwinkelgesteuert um einen solchen Anteil der Vorspannung teilweise wieder gelöst wird,

- daß die höchste Schraubenkraft bei der erstmaligen Betriebsbelastung im wesentlichen unter der Streckgrenze des Schraubenschaftes liegt.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß- die Schraubverbindung unmittelbar anschließend an das Anziehen teilweise gelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Schraubverbindung in einem vorbestimmten Mindest-Zeitabstand nach dem Anziehen teilweise gelöst wird, wie an einer der Station zum Anziehen im Abstand folgenden Station eines Montagebandes.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Lose-Anteil der Vorspannung der Erhöhung der Schraubenkraft durch Wärmedehnung der Schraubverbindungsteile und durch den Betriebskraftanteil entspricht. ·

5. Schrauber zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Schrauber eine Schalt- und· Steuervorrichtung aufweist,

- die die Schrauberspindel (n) nach dem selbsttätigen Beenden des streckgrenzgesteuerten Ahziehvorganges auf einen gleichfalls selbsttätigen Rückdrehvorgang umschaltet und diesen bei Erreichen eines einstellbaren Rückdrehwinkels abschaltet.

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