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Die
vorliegende Erfindung betrifft mehrteilige Befestigungselemente
und insbesondere einen hochfesten Blindbolzen des Gewinde-Dreh-Typs oder
des Zug-Typs, welche eine geschmiedete Konstruktion verwenden und
welche eine hohe endgültige
Klemmlast auf zusammengehaltene Werkstücke liefern. Solche Blindbolzen
können,
obwohl von allgemeiner Nutzbarkeit, besonders nützlich sein bei Konstruktionen,
die geschlossene Profile verwenden, wie beispielsweise Kastenträger oder
-säulen,
Brücken
und dergleichen und insbesondere bei Anwendungen, wo die Zugänglichkeit
auf einer Seite des Werkstücks
blockiert oder beschränkt
ist.
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Das
Befestigungselement der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein
auch mehrteilige Blindbolzen-Befestigungselemente, welche eine Haupthülse, eine
dehnbare Hülse
und einen Stift einschließen,
wobei die ausdehnbare Hülse
radial gedehnt wird, um einen Blindkopf zu bilden als Reaktion auf eine
relative axiale Kraft, welche über
den Stift angelegt wird. In dieser Hinsicht bezieht sich der Blindbolzen
der vorliegenden Erfindung auf die US-Patente mit den Nummern 5603592,
erteilt am 18. Februar 1997 für "High Strength Blind
Bolt With Uniform High Clamp Range Over An Extended Grip Range" (hochfester Blindbolzen
mit gleichmäßig hohem
Klemmbereich über
einen erweiterten Griffbereich) ("das Patent '592"),
5178502, erteilt am 12. Januar 1993 für "High Strength Blind Bolt" (hochfester Blindbolzen) ("das Patent '502"), und 5213460, erteilt
am 25. Mai 1993 für "High Strength Blind
Bolt With Uniform High Clamp Over An Extended Grip Range" (hochfester Blindbolzen
mit gleichmäßig hoher
Klemmkraft über einen
erweiterten Griffbereich) ("das
Patent '460"). In US-Patent Nr.
5603592 wird eine Blindbolzen-Anordnung
offenbart, welche eine zugspannungsgeregelte Gewindemutter und eine
Innenstiftanordnung verwendet. Ein Mutterteil befindet sich über das
Gewinde in Eingriff mit dem Gewindeabschnitt des Stiftschafts. Ein
mit Keilverzahnungen versehener Abschnitt befindet sich am Ende
des Stiftschafts. Ein Montagewerkzeug mit einem mittigen Fassungsteil, welches
zum Eingriff in den mit Keilverzahnungen versehenen Abschnitt ausgebildet
ist und ein äußeres Schlüsselglied, welches
zum Greifen der Mutter ausgebildet ist, wird verwendet, um ein Drehmoment zwischen
dem inneren Bolzen oder Stift und der Mutter anzulegen, um für eine relative
Drehung zu sorgen, durch welche die Mutter auf den Stift geschraubt wird,
um die gewünschte
Verklammerung zu erzielen. Ein Hülsenpaar,
eine dehnbare Hülse
und eine Haupthülse,
welche sich auf dem Stift befinden, wirken zusammen, um in Reaktion
auf das angelegte Drehmoment einen Blindkopf zu bilden.
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Infolge
des angelegten Drehmoments zwischen der Mutter und dem Stift überträgt die Mutter anfänglich eine
axiale Kraft auf die Haupthülse über einen
Griffregler. Gleichzeitig weist der Stift einen vergrößerten Kopf
auf, welcher eine entgegengesetzte axiale Kraft auf die dehnbare
Hülse überträgt. Während das
Drehmoment und die resultierende relative axiale Kraft zunimmt,
wird die dehnbare Hülse in
Reaktion gegen die Haupthülse
radial gedehnt, um einen Blindkopf zu bilden. Ein Blindkopf mit
einheitlicher Form wird über
den erweiterten Griffbereich des Befestigungselements bereitgestellt.
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In
diesem Stadium der Montage sind die Werkstücke noch keiner Klemmlast zwischen
der Mutter und dem Griffregler und dem Blindkopf über den
Stift unterworfen. Um den Blindkopf mit der nicht zugänglichen
Seitenfläche
in Eingriff zu bringen, ist der Griffregler mit einem zerbrechlichen,
Widerstands- oder Scherteil versehen, welches einen Hohlraum blockiert.
Die zerbrechliche Scher- oder Widerstandsstruktur ist ausgebildet,
um bei einer vorbestimmten Größe einer
relativen axialen Kraft zu brechen, wodurch der nicht mehr blockierte
Hohlraum nun zugänglich
ist und eine axiale Bewegung der Haupthülse weg von oder heraus aus
der Lastbeziehung mit der dehnbaren Hülse gestattet; hierdurch kann
der voll ausgebildete Blindkopf in Kontakt mit der nicht zugänglichen
Seitenfläche
der Werkstücke gebracht
werden ohne axiale Beschränkung
der Haupthülse,
die sich im Wesentlichen frei aus dem Lasteingriff mit der dehnbaren
Hülse herausbewegt hat.
Die Werkstücke
werden nun durch das weitere Anlegen des Drehmoments zusammengezogen,
wobei die resultierende relative axiale Kraft im Wesentlichen ausschließlich zwischen
dem Blindkopf durch den Stift und die Mutter wirkt. Die die Werkstücke zusammenklemmende
Kraft nimmt weiter zu, bis eine Drehmomentgröße erreicht ist, bei welcher
ein mit Keilverzahnungen versehener Abschnitt des Stiftendes des
inneren Bolzens oder Stifts vom Stift abgebrochen wird. Diese Bruchlast
bestimmt die endgültige
Klemmlast auf den Werkstücken.
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Diese
Anordnung sorgt für
eine weite Griffbereichsfähigkeit,
bei welcher ein hochfester Blindkopf mit einer einheitlichen Struktur über diesen
weiten Griffbereich gebildet wird. Der Blindkopf mit der einheitlichen
Struktur weist auf der nicht zugänglichen Seite
den gleichen Überstand über den
Griffbereich auf. Zusätzlich
stellt die Blindbolzenkonstruktion eine Struktur bereit, bei welcher
hochfeste Materialien verwendet werden können, woraus ein hochfestes Befestigungselement
resultiert, während
gleichzeitig eine hohe, gleichmäßige Klemmkraft
erzielt wird.
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Das
Befestigungselement benötigt
jedoch zwei Hülsen,
um zu funktionieren. Die dehnbare Wulsthülse besteht aus einem relativ
weichen Stahl, welcher sich bei niedrigen Lasten wöl ben kann
und sich auch um den Stiftkopf formen kann. Die Haupthülse besteht
aus einem harten Stahl, welcher als Stanzer fungieren kann, um das
Scherglied abzuscheren.
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Das
Patent '592 offenbart,
dass eine einteilige Hülse
verwendet werden kann (vgl. Spalte 10, Zeilen 40–42), beschreibt aber kein
solches Ausführungsbeispiel.
In ähnlicher
Weise offenbart das Patent'460,
dass eine einteilige Hülse
verwendet werden kann (vgl. Spalte 16, Zeilen 13–15), beschreibt aber kein
solches Ausführungsbeispiel.
In Anbetracht der unterschiedlichen Anforderungen für die beiden Hülsen (die
Haupthülse
muss gehärtet
sein, um das Scherteil abzuscheren, die dehnbare Hülse muss weich
genug sein, um sich auszuwölben
und einen Blindkopf zu bilden), offenbaren die beiden Patente daher
die Herstellung der Haupthülse
und der dehnbaren Hülse
aus unterschiedlichen Stählen,
wobei jeder eine unterschiedliche Härte aufweist. Weder das Patent '592 noch das Patent '460 offenbart, wie
eine einteilige Hülse
aus einem einzigen Stahltyp herzustellen ist, welche alle Anforderungen
der beiden Arten von Hülsen
erfüllt,
die sie ersetzen würde.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber der
Konstruktion des Befestigungselements, welches im Patent '592 offenbart wird.
Eine Ausführungsform
des Blind-Befestigungselements weist
einen Stift mit einem vergrößerten Kopfabschnitt,
einem Schaftabschnitt und einem greifenden Abschnitt auf. Eine einzige
Hülse wird
bereitgestellt zwischen dem vergrößerten Kopfabschnitt und dem zerbrechlichen
Teil und der Mutter. Da nur eine einzige Hülse benützt wird, ist die einzige Hülse so optimiert,
dass sie einen Abschnitt aufweist, welcher sich unter den gewünschten
Parametern gut auswölbt, während er
trotzdem noch eine ausreichende Festigkeit und Härte aufweist, um nach der Bildung
des Wulstes das zerbrechliche Teil zu durchstoßen und das Zusammenklemmen
der Werkstücke
zu ermöglichen.
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Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
wurde das Befestigungselement so konstruiert, dass es Festigkeitseigenschaften
aufweist, welche bei oder über
den Festigkeitseigenschaften des im Patent '592 offenbarten Befestigungselements
liegen, obgleich es einen kleineren Gesamtdurchmesser des Befestigungselements
und weniger Bestandteile aufweist. Die geringere Anzahl der Bestandteile,
welche beim Befestigungselement der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, verringert die Kosten für
die Herstellung und den Zusammenbau des Befestigungselements im
Vergleich zum Befestigungselement des Patents '592.
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In
einer Form der Erfindung weist die einzige Hülse eine im Allgemeinen gerade,
röhrenförmige Konstruktion
mit im Allgemeinen einheitlichem Querschnitt auf, d. h. ohne eine
wesentliche Änderung
des Querschnitts entlang ihrer Länge,
und der Blindkopf wird durch Säulenbelastung
gebildet, indem ein Abschnitt der dehnbaren Hülse ausgewölbt wird, welcher sich jenseits
der nicht zugänglichen
Seite des Werkstücks
befindet. Die Bildung des Blindkopfs an einer vorgewählten Stelle
wird erleichtert, indem ein kreisförmiger Streifen auf der dehnbaren
Hülse an der
gewünschten
Stelle weichgeglüht
wird. Der wulstförmige
Blindkopf stellt eine vergrößerte tragende
Fläche
zur Verfügung
und ist daher besonders nützlich
bei Anwendungen, bei welchen die Werkstücköffnungen wesentlich größer sind
als der effektive Durchmesser des Befestigungselements.
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Obgleich
die Merkmale der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit einem
mit Gewinde versehenen Befestigungselement gezeigt werden, geht
aus US-Patent Nr. 5213460 hervor, dass einige dieser Merkmale auch
auf Befestigungselemente des Zug-Typs oder des geschmiedeten Typs
angewendet werden können.
Gleichzeitig können
Merkmale der vorliegenden Erfindung bei Befestigungselementen genützt werden,
bei welchen der Blindkopf gebildet wird durch radiale Ausdehnung
einer dehnbaren Hülse
durch einen sich verjüngenden
vorspringenden Abschnitt auf einem Haupthülsenteil, siehe US-Patente
Nr. 5178502 und 5213460.
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Der
hochfeste Blindbolzen der vorliegenden Erfindung ist somit ohne
weiteres anpassbar für
die Benutzung bei Anwendungen, bei welchen hochfeste Bolzen verwendet
werden, wie beispielsweise diejenigen, welche die Spezifikation
ASTM A325 oder die japanische Spezifikation F8T erfüllen. Der
Einsatz ist außerdem
dort wünschenswert,
wo Blindverschweißungen,
Schraubenmutterplatten und andere komplexe Konstruktions-Befestigungssysteme
verwendet werden bei solchen Strukturelementen wie Kastenträgern, wo
die Rückseite
der Verbindung nicht zugänglich
ist. In dieser Hinsicht ist das Blindbefestigungselement der vorliegenden
Erfindung besonders geeignet für
den Bau von Gebäuden,
Brücken
und ähnlichem,
wo hohe Festigkeit und Haltbarkeit, zusammen mit der Fähigkeit,
hohe Klemmlasten bereitzustellen, von erheblicher Bedeutung sind.
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Wie
man sehen wird, kann der Griffregler relativ einfach konstruiert
sein und aus einem hochfesten Material hergestellt sein, wodurch
die Festigkeit des zerbrechlichen Widerstands- oder Scherabschnitts
auf ein hohes Niveau festgesetzt werden kann. In dieser Hinsicht
erlaubt diese relativ einfache Konstruktion, dass die Last zum Abscheren
des zerbrechlichen Widerstandsabschnitts gut auf ein Niveau festgesetzt
werden kann, welches hoch genug ist, um die Bildung des Blindkopfs
zu gewährleisten, und
niedrig genug, um vor Erzielung der endgültigen Drehmomentlast für die endgültige Verklammerung und
dem Zerbrechen des zerbrechlichen Halses zu zerbrechen.
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Es
ist daher erwünscht,
eine einzigartige Blindbolzenkonstruktion bereitzustellen, welche
die Verwendung von hochfesten Materialien erleichtert, was zu einem
hochfesten Befestigungselement mit einem großen Griffbereich führt.
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Es
ist außerdem
erwünscht,
eine Blindbolzenkonstruktion bereitzustellen, welche einen einzigartigen
Griffregler einschließt,
um einen großen
Griffbereich bereitzustellen.
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Es
ist weiterhin erwünscht,
einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen mit einer Konstruktion bereitzustellen,
welche einen hochfesten Blindkopf bildet, welcher eine einheitliche,
erwünschte
Anordnung über
einen großen
Griffbereich aufweist.
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Es
ist erwünscht,
einen einzigartigen, hochfesten Blinzbolzen bereitzustellen, welcher
eine hohe endgültige
Klemmlast bereitstellt.
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Es
ist erwünscht,
einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, für welchen
eine mit Gewinde versehene Konstruktion des zugspannungsgeregelten
Typs verwendet wird und welcher eine im Allgemeinen einheitliche
endgültige
Klemmlast über
einen großen
Griffbereich bereitstellt.
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Es
ist erwünscht,
einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, welcher
weniger Bestandteile aufweist als bekannte Konstruktionen.
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Es
ist erwünscht,
einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, welcher über den gesamten
Bolzen einen verringerten Durchmesser aufweist, welcher die gleichen
oder bessere Festigkeitseigenschaften aufweist als bekannte Konstruktionen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Blindbolzen nach Anspruch 1 bereit.
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Die
vorstehenden und andere Aufgaben, Eigenschaften, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden
Erfindung sowie die Betriebsweisen und Funktionen der zugehörigen Strukturelemente
und die Kombination von Teilen und die Einsparungen bei der Herstellung
werden ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den
anhängigen
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, wovon alle einen
Teil der Beschreibung bilden, wobei gleiche Bezugszeichen übereinstimmende
Teile in den verschiedenen Figuren bezeichnen.
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1 ist
eine Seitenansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung
im Montage-Verhältnis mit
aneinander zu befestigenden Werkstücken, wobei einige Abschnitte
im Schnitt gezeigt werden,
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2a–e zeigen
einen Montagezyklus für das
Befestigungselement der vorliegenden Erfindung, wobei einige Abschnitte
im Schnitt und einige Abschnitte schematisch gezeigt werden,
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3a ist
eine Teilansicht des Kopfes eines Ausführungsbeispiels des Stiftes
des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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3b ist
eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen
Abschnitts eines Teils des in 3a abgebildeten
Befestigungselements nach Auswölbung
der Hülse,
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4a ist
eine Teilansicht des Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels
des Stifts des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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4b ist
eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen
Abschnitts eines Teils des in 4a abgebildeten
Befestigungselements nach Auswölbung
der Hülse,
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5a ist
eine Teilansicht eines Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels
des Stiftes des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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5b ist
eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen
Abschnitts eines Teils des in 5a abgebildeten
Befestigungselements nach Deformation der Hülse,
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6a ist
eine Teilansicht des Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels
des Stiftes des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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6b ist
eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen
Abschnitts eines Teils des in 6a abgebildeten
Befestigungselements nach Auswölbung
der Hülse,
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7a ist
eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Hülse
des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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7b ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel
einer Hülse
des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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8a ist
eine Teilansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
für welches
die Hülse
von 7a verwendet wird, nach Auswölbung der Hülse,
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8b ist
eine Teilansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
für welches
die Hülse
von 7b verwendet wird, nach Auswölbung der Hülse,
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9a ist
eine Ansicht des Endes eines Ausführungsbeispiels einer Scherscheibe
des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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9b ist
eine Schnittansicht der in 9a gezeigten
Scherscheibe,
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10a ist eine Ansicht des Endes eines alternativen
Ausführungsbeispiels
einer Scherscheibe des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
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10b ist eine Schnittansicht der in 10a gezeigten Scherscheibe,
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10c ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts
von 10b aus dem Kreis 10c in 10b,
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11 ist
eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Befestigungselements der
vorliegenden Erfindung im Montage-Verhältnis mit aneinander zu befestigenden
Werkstücken,
wobei einige Abschnitte im Schnitt gezeigt werden, und
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12 ist
ein typisches Härteprofil
für den weichgeglühten Streifen
der Hülse
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 1 zu sehen ist, schließt ein Befestigungselement 10 einen
inneren Bolzen oder Stift 12, eine ringförmige Mutter 14,
eine dehnbare röhrenförmige Hülse 16 und
eine Scherscheibe 18 ein. Der Stift 12 weist einen
vergrößerten Kopf 20 auf, welcher
eine Oberfläche 21 zum
Eingriff in die Hülse aufweist
und eine sich verjüngende
Kante 23 zum einfachen Einstecken in eine Bohrung. Der
Stift 12 weist außerdem
einen verlängerten
Schaft 22 auf, welcher einen glatten Schaftabschnitt 24 aufweist,
einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 26, eine Bruchrille 28 und
einen Abschnitt 30 zum Greifen des Stiftendes zum Greifen
durch ein Montagewerkzeug (siehe 2a). Die
Bruchrille 28 weist einen verringerten Querschnittsbereich
auf, welcher ausge bildet ist, um bei einer vorbestimmten Drehmomentlast beim
Abschluss des Montagezyklus zu brechen. Der Abschnitt 30 zum
Greifen des Stiftendes schließt
eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Keilverzahnungen 32 ein
und schließt
in einer Form der Erfindung einen im Allgemeinen herkömmlichen
Aufbau mit zwölf
Keilverzahnungen ein. Der Griffabschnitt 30 schließt auch
ein darüber
liegendes Gewinde der gleichen Größe wie der Gewindeabschnitt 26 zum Eingriff
in die Mutter 14 ein, da die Mutter 14 auf den Stift 12 geschraubt
wird.
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Die
dehnbare röhrenförmige Hülse 16 ist
im Allgemeinen einheitlich röhrenförmig geformt
und weist im Allgemeinen einheitliche Innen- und Außendurchmesser
auf. Der Außendurchmesser
ist im Wesentlichen der gleiche oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser
des Stiftkopfes 20. Der Innendurchmesser der röhrenförmigen Hülse wird
so gewählt,
dass die röhrenförmige Hülse über den
Stiftschaft 22 gleiten kann und eine erwünschte Toleranz zwischen
der röhrenförmigen Hülse 16 und
dem glatten Schaftabschnitt 24 bereitgestellt wird. Die
röhrenförmige Hülse 16 schließt eine
Endfläche 34 ein
zum Eingriff in die Oberfläche 21 des
Stiftkopfs 20 und eine Endfläche 36 zum Eingriff
in die Scherscheibe 18. Die röhrenförmige Hülse 16 ist aus einem
gehärteten
Stahl konstruiert, schließt
aber einen Abschnitt 35 ein, welcher weichgeglüht wurde,
um die Auswölbung
der Hülse 16 bei
Montage des Befestigungselements 10 zu ermöglichen
und zu erleichtern.
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Beim
derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das am besten in 1, 9a und 9b zu sehen
ist, schließt
die Scherscheibe 18 eine Gegenbohrung 38 ein,
welche eine Endfläche 39 aufweist zum
Eingriff in die Endfläche 36 der
Hülse 16,
eine Durchgangsbohrung 40, die den Durchgang des Stifts 12 gestattet,
eine Endfläche 42 zum
Eingriff in die zugängliche
Oberfläche 44 des
Werkstücks 46 und
eine Endfläche 48 zum
Eingriff in eine Endfläche 50 der
Mutter 14. Ein zweites Werkstück 56 weist eine nicht
zugängliche
Oberfläche 58 und
eine Bohrung 60 auf, welche mit einer Bohrung 62 im
Werkstück 46 ausgerichtet
ist.
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Die
Mutter 14 weist eine Außenoberfläche 51 auf mit einer
herkömmlichen
hexagonalen Form zum Eingriff in das Montagewerkzeug und schließt eine Gegenbohrung 52 ein,
welche einen ausreichend großen
Außendurchmesser
aufweist, um einen Endabschnitt der röhrenförmigen Hülse 16 aufnehmen zu
können,
wenn die Scherscheibe 18 abgeschert wird. Die Wahl der
Tiefe der Gegenbohrung 52 legt den effektiven Griffbereich
des Befestigungselements fest. Die Mutter 14 schließt außerdem eine
mit Gewinde versehene Bohrung 54 ein, um den Griffabschnitt 30 und
den Gewindeabschnitts 26 des verlängerten Schafts 22 mittels
Gewinde in Eingriff zu bringen. Die Mutter 14 kann, wie
gewünscht,
auch mit alternativen Außenformen
versehen sein, um in alternative Montagewerkzeugantriebe einzugreifen.
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Die
Scherscheibe 18 weist eine vorgewählte Dicke unterhalb der Gegenbohrung 38 auf,
um einen Scherabschnitt festzulegen, welcher so ausgelegt ist, dass
er bei einer vorgewählten
Scherlast relativ zum Umfang der Gegenbohrung 52 infolge
der relativen axialen Kraft zwischen dem Stift 12, der
Hülse 16 und der
Mutter 14 bricht. Die relativ engen Toleranzen zwischen
dem Stift 12, der Hülse 16,
der Gegenbohrung 38 und der mit Gewinde versehenen Bohrung 54 der
Mutter 14 halten die Bestandteile in einem im Allgemeinen
koaxialen Verhältnis.
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Beim
Gebrauch des Befestigungselements 10 sind die Hülse 16 und
der Stiftschaft 22 so ausgelegt, dass sie sich innerhalb
der ausgerichteten Bohrungen 60 und 62 in den
Werkstücken 56 bzw. 46 befinden
und sich durch diese erstrecken, wobei die Oberfläche 42 der
Scherscheibe 18 in die Oberfläche 44 des Werkstücks 46 eingreift.
In dieser Hinsicht besitzt die Oberfläche 42 eine ausreichend
große
effektive lasttragende Fläche,
um für
eine gewünschte Verteilung
der Montagelasten des Befestigungselements 10 auf der Oberfläche 44 des
Werkstücks 46 sowie
der Betriebslasten auf den Werkstücken 46 und 56 nach
Montage des Befestigungselements 10 zu sorgen. Zusätzlich greift
die gegenüberliegende lasttragende
Fläche 48 der
Scherscheibe 18 in die lasttragende Fläche 50 der Mutter 14 ein
und stellt eine ausreichend große
effektive lasttragende Fläche zur
Verfügung,
um die Montage- und Betriebslasten aufzunehmen. Die Außendurchmesser
des Stiftkopfs 20 und der Hülse 16 sind so gewählt, dass
sie in einem Sitz mit gewünschtem
Spielraum durch die ausgerichteten Bohrungen 60 und 62 passen.
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Das
Befestigungselement 10 ist ausgelegt zur Fixierung durch
ein Drehmoment, welches zwischen dem Stift 12 und der Mutter 14 angelegt
wird über
den Eingriff mittels des Gewindes der Mutter 14 auf den
Gewindeabschnitt 26 des Stifts 12. 2a zeigt
das Befestigungselement 10 in die Werkstücke 46 und 56 eingesteckt
und im Eingriff durch ein Montagewerkzeug 70. Das Werkzeug 70 weist
einen in der Fachwelt allgemein bekannten Aufbau auf, und es wird
daher nur ein Teil des Werkzeugs 70 gezeigt und dessen
konkrete Einzelheiten wurden zur Vereinfachung weggelassen. Die
Außenoberfläche 51 der
Mutter 14 ist so ausgelegt, dass sie von einem röhrenförmigen Fassungsteil 72 des
Montagewerkzeugs 70 zum Antrieb erfasst werden kann, wobei das
Fassungsteil so gestaltet ist, dass es die äußere Form der Mutter 14 passend
erfassen kann. Das Montagewerkzeug 70 schließt ein inneres
Fassungsteil 74 ein, welches so gestaltet ist, dass es
den gezahnten Griffabschnitt 30 des Stifts 12 passend
erfassen kann. Bei einer Form des Werkzeugs ist das innere Fassungsteil 74 federnd
axial nach vorne vorgespannt, um für einen ausreichenden Eingriff
in den Griffabschnitt 30 zu sorgen. Das äußere Fassungsteil 72 und
das innere Fassungsteil 74 sind so ausgelegt, dass sie
relativ zueinander gedreht werden können. Daher wird für die Montage
des Befestigungselements 10 das Werkzeug 70 an
das äußere Ende
des Befestigungselements 10 angelegt, wobei sich das äußere Fassungsteil 72 in
Eingriff mit der Mutter 14 befindet und das innere Fassungsteil 74 in
Eingriff mit dem Griffabschnitt 30 des Stifts 12.
Wenn das Werkzeug betätigt
wird, wird das äußere Fassungsteil 74 relativ
zum inneren Fassungsteil gedreht, wodurch die Mutter 14 weiter
auf den Gewindeabschnitt 26 des Stifts 12 geschraubt
wird.
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Es
gibt zwei herkömmliche
Variationen des Montagewerkzeugs 70. Beim ersten Typ können sich sowohl
die das innere Fassungsteil 74 als auch das äußere Fassungsteil 72 hinsichtlich
des Montagewerkzeugs bewegen, lediglich abhängig vom relativen Drehmoment,
welches erforderlich ist, um entweder den Stift oder die Mutter
zu drehen. Bei diesem Werkzeugtyp kann sich zu Be ginn des Montagezyklus
das innere Fassungsteil 74 drehen, während das äußere Fassungsteil 72 feststehend
bleiben kann, wodurch der Stift 12 relativ zur feststehenden
Mutter 14 gedreht wird. Wenn die Bestandteile des Befestigungselements 10 in
ein gesteigertes Lastverhältnis mit
den Werkstücken 46 und 56 gebracht
werden, drehen sich gewöhnlich
das äußere Fassungsteil
und die Mutter 14, während
das innere Fassungsteil 72 feststeht.
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Beim
anderen Typ des Montagewerkzeugs 70 wird das innere Fassungsteil 74 hinsichtlich
des Werkzeugs immer feststehend gehalten, und nur das äußere Fassungsteil 72 dreht
sich hinsichtlich des Montagewerkzeugs. Mit einem solchen Werkzeug wird
der Stift 12 immer feststehend gehalten und die Mutter 14 wird
gedreht.
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In
jedem Fall bewegt sich während
dieses Vorgangs der Stift 12 axial relativ zur Mutter 14. Gleichzeitig
erlaubt die federnde axiale Vorspannung auf das innere Fassungsteil 74,
dass er axial rückwärts bewegt
wird, um somit die zusätzliche
axiale Bewegung des Stifts 12 relativ zum Werkzeug 70 aufzunehmen.
Auf diese Weise wird eine relative axiale Kraft entwickelt zwischen
dem Stift 12 und der Hülse 16 aufgrund
des Drehmoments, welches vom Werkzeug 70 zwischen dem Stift 12 und
der Mutter 14 angelegt wird.
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Während der
Stift 12 anfängt,
sich aufgrund der relativen Drehung mit der Mutter 14 axial
zu bewegen, steigert die angelegte relative axiale Kraft gleichzeitig
die Säulenbelastung
auf die Hülse 16, was
dazu führt,
dass diese sich am weichgeglühten Abschnitt 35 radial
nach außen
ausdehnt (oder wölbt),
um einen wulstförmig
gestalteten Blindkopf 80 an einer Stelle vollständig festzulegen,
welche von der nicht zugänglichen
Seitenfläche 58 des
Werkstücks 56 beabstandet
ist, siehe 2b. Beim derzeit bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird der Wulst bei ca. 50.000 bis 60.000 Pfund Axialkraft gebildet. Bei
Zunahme der relativen axiale Kraft bricht die zerbrechliche Scherscheibe 18 in
einem Scherabschnitt 82 an der Gegenbohrung unterhalb der
Hülse 16,
siehe 2c. Bei der derzeit bevorzugten
Ausführungsform
bricht die Scherscheibe bei ca. 57.000 – 61.000 Pfund Axialkraft.
Dies erlaubt dem Scherabschnitt 82 und der Hülse 16,
damit zu beginnen, in die Gegenbohrung 52 in der Mutter 14 einzutreten
und entfernt jegliche substantielle axiale Last auf den Abschnitt der
Hülse 16 unterhalb
des wulstförmigen
Blindkopfs 80. Der Scherabschnitt 82 der Scherscheibe 18 ist
so gewählt,
dass er eine ausreichende Festigkeit aufweist, um die Größe der relativen
axialen Kraft aufzunehmen, welche erforderlich ist, um den wulstförmigen Blindkopf 80 vor
der Abscherung im Wesentlichen vollständig zu bilden.
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Die
weitere Drehung der Mutter 14 relativ zum Stift 12 führt die
axiale Bewegung des Stifts 12 und der Hülse 16 fort, wodurch
der Blindkopf 80 in Kontakt mit der nicht zugänglichen
Oberfläche 58 des Werkstücks 56 kommt
und das Befestigungselement 10 hinsichtlich der Werkstücke 46 und 56 belastet wird,
bis eine gewünschte
Klemmlast erzielt wird. Die gewünschte
Klemmlast wird festgelegt von der Kraft, bei welcher die Bruchrille 28 zu
brechen bestimmt ist, wodurch das Anlegen jeglicher weiterer Montagekraft durch
das Montagewerkzeug 70 auf das Befestigungselement 10 beschränkt wird.
Das Anlegen der Klemmkraft kann vor dem Zerbrechen der Bruchrille 28 auch
den wulstförmigen
Blindkopf 80 geringförmig weiter
ausdehnen. Siehe 2d und 2e, welche das
Befestigungselement 10 in den Werkstücken montiert und bis zum Bruchpunkt
der Bruchrille 28 belastet zeigen, was beim derzeit bevorzugten
Ausführungsbeispiel
bei ca. 66.000 – 71.000
Pfund Axialkraft auftritt. 2d zeigt
allgemein die maximale Dicke von Werkstücken, für deren Befestigung das Befestigungselement 10,
wie abgebildet, vorgesehen ist. 2e zeigt
allgemein die minimale Dicke von Werkstücken, für deren Befestigung das Befestigungselement 10,
wie abgebildet, vorgesehen ist.
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Die
Spanne zwischen der maximalen und minimalen Dicke der Werkstücke, welche
das Befestigungselement aufnehmen kann, wird von der Tiefe der Gegenbohrung 52 festgelegt,
in welche der Scherabschnitt 82 der Scherscheibe 18 und
die Hülse 16 eintreten
können,
wenn der Scherabschnitt 82 abgeschert wird. Die axiale
Tiefe der Gegenbohrung 52 wird größer gewählt als der Abstand L von einer freien
Endfläche 83 des
Blindkopfs 80 der dehnbaren Hülse 16 bis zur nicht
zugänglichen
Seitenfläche 58 des
Werkstücks 56 nach
der vollständigen
Ausbildung des Blindkopfs 80, wie in 2b gezeigt.
Der Abstand L kann variieren in Abhängigkeit von der Gesamtdicke
der aneinander befestigten Werkstücke. In einem Minimalgriff-Zustand,
d. h. bei einer minimalen Gesamtdicke der Werkstücke 46 und 56,
wie in 2e zu sehen, ist der Abstand
L maximal, und daher sollte die Tiefe der Gegenbohrung 52 zumindest geringfügig größer sein
als dieser maximale Abstand L, um für alle Griffzustände innerhalb
des Griffbereiches des Befestigungselements 10 zu gewährleisten, dass
der Abschnitt der Hülse 16 unterhalb
des Blindkopfs 80 aus dem Lasteingriff mit dem Stift 12 entfernt
wird, bevor die freie Endfläche 83 des
wulstförmigen
Blindkopfs 80 in die nicht zugängliche Seitenfläche 58 eingreift.
Dies gewährleistet,
dass die Endfläche 83 des
wulstförmigen
Kopfes 80 frei in Eingriff mit der nicht zugänglichen
Seitenfläche 58 des
Werkstücks 56 bewegt
werden kann, wie in 2d und 2e gezeigt
wird. Somit wird die gesamte Größe der relativen
axialen Kraft, welche sich aus dem Drehmoment zwischen der Mutter 14 und
dem Stift 12 ergibt, an den Werkstücken 46 und 56 angelegt, und
zwar im Wesentlichen allein zwischen der Mutter 14, der
Scheibe 18 und dem Stift 12 über den Stiftkopf 20 und
den wulstförmigen
Kopf 80.
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Die
Anzahl der Gewindegänge
der Mutter 14, welche mit dem Gewindeabschnitt 26 des
Stiftschafts vollständig
und endgültig
in Eingriff stehen, wird so gewählt,
dass sie ausreicht, um das gewünschte hohe
Niveau der Verklammerung der Werkstücke 46 und 56 zur
Verfügung
zu stellen und um der maximal vorgesehenen Zuglast auf die resultierende
Verbindung standzuhalten. Die Länge
des Gewindeabschnitts 54 der Mutter 14 wird somit
so gewählt,
dass sie ausreicht, um die nötige
Anzahl von Gewindegängen
bereitzustellen, um diesen Lasten bei vollem Eingriff des Gewindes
standzuhalten (siehe 2d). Gleichzeitig wird die Länge des
Gewindeabschnitts 26 des Stiftschafts so gewählt, dass
ein vollständiger Gewindeeingriff
in die Gewindegänge
der Mutter 14 über
den gesamten Griffbereich des Befestigungselements 10 bereitgestellt
wird, während
für eine
minimale überstehende
Länge nach
der Montage gesorgt wird. Auf diese Weise kann die Ge samtlänge des
Befestigungselements 10 sowohl im montierten als auch im
nicht montierten Zustand minimiert werden.
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Um
die Drehmomentlasten bei der Montage zu minimieren und somit das
ordnungsgemäße Funktionieren
der Bestandteile des Befestigungselements und die beständige ordnungsgemäße Montage
des Befestigungselements zu unterstützen, hat sich ein qualitativ
hochwertiges, aufgebranntes Trockenschmiermittel wie beispielsweise
Molybdändisulphid
auf dem Stift 12 und der Oberfläche 48 der Scheibe 18 als
wünschenswert
erwiesen, um die Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen des
Befestigungselements 10 zu verringern. In der Praxis ist es
auch möglich,
wenn auch nicht bevorzugt, dass sich Schmiermittel während des
Aufbringvorgangs des Schmiermittels auf den anderen Oberflächen der Scheibe 18 ablagern
kann. Dieses zusätzliche Schmiermittel
kann dann alternativ von allen Oberflächen entfernt werden, ausgenommen
die Oberfläche 48.
Ein Molybdändisulphid-Schmiermittel
wie beispielsweise Kalgard FA, welches von der Kalgard Corporation
hergestellt wird, hat sich als zufriedenstellend erwiesen und wird
nach einem Phosphatüberzug
aufgebracht.
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Eine
korrosionsbeständige
Galvanisierung mit Zink ist auf der Mutter 14 erwünscht, und
ein wachsartiges Schmiermittel wie beispielsweise Paraffin ist auf
der Oberfläche 50 der
Mutter 14 bevorzugt. Die Hülse 16 ist nicht geschmiert
bzw. beschichtet. Wenn die Scherscheibe 18 abschert und der
wulstförmige
Kopf 80 auf der Hülse 16 sich
zur Oberfläche 58 des
Werkstücks 56 bewegt,
entsteht die Klemmlast zwischen den Werkstücken 46 und 56 durch
Drehung der Mutter 14 relativ zum Stift 12 und gegen
die feststehende Scheibe 18.
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Bei
manchen Anwendungen mag es zusätzlich
zu der Beschichtung und/oder Galvanisierung, welcher der Stift 12,
die Mutter 14 und die Scheibe 18 unterzogen werden,
wünschenswert
sein, ein Korrosionsschutzöl
auf die Hülse 16 aufzutragen.
Ein Typ von Korrosionsschutzöl
kann ein Öl
sein, welches unter dem Handelsnamen LANACOTE von Amrep, Inc. verkauft
wird.
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Die
Wirkung des Winkels der Oberfläche 21 zum
Stift 12 wird in 3 – 6 gezeigt. Bei Anordnungen des Standes
der Technik, welche zwei Hülsen einsetzen,
und bei welchen die sich auswölbende Hülse relativ
weich ist, wurde die Oberfläche 21 in
einem 12° Winkel über einer
zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene platziert.
Dies wurde vorgenommen, um das weiche, sich wölbende Hülsenmaterial um den Stiftkopf
so zu führen,
dass es einen tulpenförmigen
Wulst bildet. Beim Befestigungselement der vorliegenden Erfindung
wurde jedoch festgestellt, dass eine solche "Tulpenbildung" der Hülse die Festigkeit des Befestigungselements 10 verringert.
Es ist daher wünschenswert
zu verhindern, dass sich die relativ harte Hülse des vorliegenden Befestigungselements
nach oben bewegt und sich um den Stiftkopf 20 formt. Es
wurde ebenfalls festgestellt, dass unerwünschte Schwankungen der Klemmlast
auftreten können,
wenn die äußere umfängliche
Ecke der Oberfläche 21 des
Stiftkopfes 20 dauerhaft deformiert wird oder sogar abschert.
Somit ist der Winkel der Oberfläche 21 kritischer,
wenn er mit der härteren Hülse der vorliegenden
Erfindung kombiniert wird, und wurde so konstruiert, dass die vorstehend
erwähnten
Mängel
minimiert werden.
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Als
bevorzugter Winkel wurde 1° unterhalb einer
zur Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene festgestellt,
wie in 3a gezeigt. Anders ausgedrückt, ist
dies ein Winkel von 89° zwischen
der Oberfläche 21 und
dem verlängerten
Schaft 22. Es hat sich gezeigt, dass dieser Winkel der
Tendenz der Hülse, über den
Kopf 20 hoch zu rutschen, wiedersteht sowie das Anschwellen
oder Abscheren der äußeren umfänglichen
Ecke der Oberfläche 21 des Stiftkopfs 20 minimiert.
Eine bildhafte Darstellung einer tatsächlichen Photographie eines
Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements der vorliegenden
Erfindung mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel ist in 3b gezeigt.
Aus 3b ist ersichtlich, dass die Hülse nicht über den Stiftkopf 20 hochgerutscht
ist und dass die äußere umfängliche Ecke
der Oberfläche 21 nur
sehr geringfügig
angeschwollen ist. Es hat sich gezeigt, dass dieses Ausführungsbeispiel
die Abweichungen der Klemmlast zwischen mehreren Befestigungselementen
verbessert.
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4a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Oberfläche 21 mit
einem Winkel von 5° unter
einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen
wurde. Wie jedoch aus 4b ersichtlich ist, einer bildhaften
Darstellung einer tatsächlichen
Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements
mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel
zu einer erheblichen dauerhaften Deformation der äußeren umfänglichen
Ecke der Oberfläche 21 sowie
zu erheblicher dauerhafter Deformation nach außen der Hülse 16 selbst, was
ausreicht, um zu unerwünschten
Abweichungen der Klemmlast zu führen.
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5a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Oberfläche 21 mit
einem Winkel von 5° über einer
zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen
wurde. Wie jedoch aus 5b ersichtlich ist, einer tatsächlichen
Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements
mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel
zu einem Hochrutschen der Hülse über den
Stiftkopf 20, wodurch eine ordnungsgemäße Klemmlasterzeugung des Befestigungselements
verhindert wurde.
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6a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Oberfläche 21 mit
einem Winkel von 12° unter
einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen
wurde. Wie jedoch aus 12b ersichtlich
ist, einer tatsächlichen
Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements
mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel
zu einer schweren dauerhaften Deformation und sogar zu einer Abscherung
der äußeren umfänglichen
Ecke der Oberfläche 21 sowie
zu einer schweren dauerhaften Deformation nach außen der
Hülse 16 selbst,
und führte
zu unerwünschten
Abweichungen der Klemmlast. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt dem
Ausführungsbeispiel
des Stiftkopfes, welches im Patent '592 offenbart ist.
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Es
wurde ebenfalls festgestellt, dass die Festigkeit des Befestigungselements 10 variiert
in Abhängigkeit
von der Höhe
des Abschnitts der Hülse 16 über dem
Blindkopf 80 und unter der Oberfläche 21 des Stiftkopfs 12.
Wie aus einem Vergleich der 7a und 7b ersichtlich
ist, kann eine Höhe
H eines Fußes 84 der
Hülse 16 über dem
Blindkopf 80 variiert werden in Abhängigkeit von der axialen Platzierung
des weichgeglühten
Abschnitts 35 auf der Hülse 16.
Wenn der weichgeglühte
Abschnitt höher auf
der Hülse 16 platziert
wird, bildet sich der Blindkopf 80 höher auf der Hülse und
sorgt für
einen Fuß 84 mit
einer kleineren Höhe
H, wie in 7a zu sehen ist. Diese Höhe H kann
auch von der Breite des Streifens 28 beeinflusst werden.
Wenn andererseits der weichgeglühte
Abschnitt 35 niedriger auf der Hülse 16 platziert wird,
bildet sich der Blindkopf 80 niedriger auf der Hülse 16 und
sorgt für
einen Fuß 84 mit einer
größeren Höhe H.
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8a und 8b zeigen
vergrößerte Ansichten
der auf Stift 12 montierten Hülse 16 von 7a bzw. 7b.
Wie beim Vergleich von 8a und 8b zu
sehen ist, stellt die Hülse 16 mit
einem kurzen Fuß 84 tatsächlich eine
längere
Scherlinie zwischen dem Stiftkopf 20 und dem Werkstück 56 (nicht
gezeigt) bereit als die Hülse 16 mit
dem längeren
Fuß 84.
Dies ergibt sich aus der geringfügigen Schwellung
nach außen
der Hülse 16 am
Fuß 84 bei Montage
des Befestigungselements in der Weise, dass die Scherlinie sowohl
die Länge
des Blindkopfs 80 als auch die Länge des Fußes 84 einschließt. Siehe
auch 3b.
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Es
gibt eine ähnliche
Schwellung des oberen Abschnitts des Fußes 84 der Hülse, welche
in 7b und 8b gezeigt
ist, dergestalt dass der obere Abschnitt des Fußes 84 die Scherlinie überlappt.
Da die Schwellung sich jedoch nicht über die gesamte Länge des
Fußes 84 erstreckt,
wird die Länge
der Scherlinie in diesem Ausführungsbeispiel
nicht so verlängert,
dass sie die Länge
des Fußes 84 einschließt, sondern
sie erstreckt sich nur über
die Länge
des Blindkopfes 80. Die Länge der Scherlinie nimmt nur zu,
wenn sich der Fuß auf
eine solche Weise vergrößert, dass
die Scherlinie kontinuierlich sowohl den Blindkopf 80 und
einen Abschnitt des Fußes 84 überlappt,
wie in 7a und 8a gezeigt
wird. Wenn die Überlappung
nicht kontinuierlich ist, wie in 7b und 8b gezeigt,
nimmt die Länge
der Scherlinie nicht zu. Die Festigkeit des Befestigungselements wird
stattdessen nur auf der Länge
der Scherlinie durch den Blindkopf basieren. Daher stellt das Ausführungsbeispiel
von 7a und 8a aufgrund der
längeren
Scherlinie ein stärkeres
Befestigungselement bereit und ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
während
das Ausführungsbeispiel
von 7b und 8b eher
den Stand der Technik repräsentiert,
wie in den Patenten '592
und '460 zu sehen
ist.
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Bei
der Verwendung von Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte ist
es wünschenswert, die
Belastungskonzentrationen zu verringern, wie beispielsweise jene
an der Verbindung zwischen der inneren Oberfläche 21 des Stiftkopfs 20 und
dem glatten Schaftabschnitt 24. Dies wird durch Runden der
Verbindung erreicht. Zusätzlich
werden Abschrägungen
am Innendurchmesser auf den gegenüberliegenden Enden der Hülse bereitgestellt,
um zu verhindern, dass die Hülse
in die gerundete Verbindung einschneidet. Andere Verbindungen und
Ecken können ähnlich gerundet
und abgeschrägt
werden.
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Zusätzlich zu
der Verringerung der erwähnten
Belastungskonzentrationen ist es erwünscht, Belastungskonzentrationen
zwischen Gewinde und Gegengewinde zu verringern. Die Gewindegänge des mit
Gewinde versehenen Schaftabschnitts sind daher so geformt, dass
sie im Allgemeinen eine geringe Tiefe aufweisen und einen Gewindegrund
mit einer im Allgemeinen stromlinienförmigen Kontur aufweisen. Bei
einem Ausführungsbeispiel
könnten
für die Gewindegänge daher
die Rillenform und die Ideen von US-Patent Nr. 5090852, welches
am 25. Februar 1992 für
Dixon erteilt wurde, eingesetzt werden. Mit diesem Aufbau des Gewindegrunds
wird die Belastungskonzentration an den Gewinden ebenfalls verringert.
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Wie
im Dixon Patent '852
erwähnt,
können die
Gewindegänge
einen spiralförmigen
Aufbau mit geringer Tiefe haben, mit einer im Allgemeinen stromlinienförmigen Form,
wodurch ein hochfester Verbindungsaufbau mit einer erwünschten
hohen Klemmlast erzielt werden kann. Bei der erwähnten Gewindestruktur mit geringer
Tiefe ist eine enge Toleranzpassung mit den Gewindegängen der
Mutter 14 erwünscht.
Bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wurden ähnliche
Toleranzen benutzt wie bei einer Gewindepassung der Klasse 3.
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Wie
erwähnt,
ist es wünschenswert,
dass das hochfeste Befestigungselement der vorliegenden Erfindung
an der Verbindungsstelle eine hohe endgültige Klemmlast liefert. Um
dieses Ergebnis zu erzielen, sind hohe Montagelasten des Montagewerkzeugs 70 erforderlich,
einschließlich
der endgültigen
Bruchlast des Stifts an der Bruchrille 28. Diese Lasten
werden jedoch durch ein Drehmoment angelegt und werden daher im
Allgemeinen vom Werkzeug 70 aufgenommen und im Wesentlichen
nicht auf den Bediener übertragen,
welcher das Montagewerkzeug 70 handhabt. Die hohe Last,
die beim Bruch des Stifts an der Bruchrille 28 auftritt,
wird daher durch das Anlegens des Drehmoments an das Befestigungselement 10 im
Wesentlichen vom Werkzeug 70 aufgenommen. Die Größe des Montagedrehmoments,
welches durch das Montagewerkzeug 70 aufgebracht werden
muss, kann wesentlich reduziert werden durch die Verwendung der
bereits erläuterten
selektiven Schmierung, so dass die Drehgeschwindigkeit, die letztendlich
vom Werkzeug 70 ausgegeben wird, erhöht werden kann, wodurch die
zur Montage erforderliche Zeit erheblich reduziert werden kann.
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Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Scherscheibe ist in 10a–c zu sehen.
Anstelle der Gegenbohrung 38 schließt die Scheibe des alternativen
Ausführungsbeispiels,
welches in 10a–c gezeigt ist, eine ringförmige Nut 90 auf
jeder Oberfläche 42 und 48 ein,
konzentrisch mit der Bohrung 40. Jede Nut weist vorzugsweise
einen halbkreisförmigen Querschnitt
auf, wie in der vergrößerten Ansicht
von 10c zu sehen ist. Die Nut kann
auch verschiedenen Formen aufweisen, einschließlich einer V-Form, und kann
im Vergleich zueinander unterschiedliche Formen und Tiefen aufweisen.
Die beiden Nuten 90 wirken als Belastungsverstärker auf
die Scheibe 18, um einen zerbrechlichen Abschnitt dazwischen
zu bilden, welcher bei Montage des Befestigungselements abschert.
Alternativ kann auch nur eine einzelne Nut 90 auf einer
Oberfläche
der Scheibe vorgesehen sein. Die Kraft, bei welcher die Scherscheibe bricht
und abschert, kann wie gewünscht
variiert werden durch Veränderung
der Dicke der Scheibe, des Materials, aus welchem die Scheibe aufgebaut
ist und der Größe, Form
und Platzierung der Strukturen, welche die Belastung verstärken.
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Die
verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen offenbarten Scherscheiben
können auch
alternativ in verschiedenen Kombinationen kombiniert werden, um
alternative Ausführungsbeispiele
von Scherscheiben zu kreieren.
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Bei
vielen Anwendungen mit mit Gewinde versehenen Befestigungselementen
ist es erwünscht,
dass es nach der Montage möglich
ist, das Befestigungselement zu entfernen, indem die Mutter vom
Bolzen abgeschraubt wird, oder in manchen Fällen, die Verbindung wieder
festzuziehen, indem ein zusätzliches
Drehmoment zwischen der Mutter und dem Bolzen angelegt wird. Bei
gewissen Anwendungen kann das anfängliche Lösungsdrehmoment zum Entfernen
ziemlich hoch sein, dergestalt, dass beim Anwenden eines Schraubenschlüssels nur
auf die Mutter (wie beispielsweise Mutter 14) zum Entfernen oder
erneuten Festziehen sich sowohl die Mutter als auch der zugehörige Stift
oder Bolzen zusammen drehen und ein Entfernen durch Abschrauben
oder das Festziehen etwas schwierig oder sogar unmöglich machen.
Beim alternativen Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, welches in 11 gezeigt
ist, wird ein Aufbau bereitgestellt, welcher ein separates Erfassen
des Stifts und der Mutter nach der Montage des Befestigungselements
zum Anlegen eines Drehmoments erlaubt, wodurch ein Entfernen oder
erneutes Festziehen erleichtert wird.
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Wie
aus 11 ersichtlich ist, schließt der Gewindeabschnitt 26 innerhalb
der Bruchrille 28 einen sekundären mit Keilverzahnungen/Gewinde
versehenen Abschnitt 27 ein, ähnlich dem Griffabschnitt 30.
Bei der endgültigen
Montage und Entfernung des gezahnten Stiftendabschnitts (30)
durch Brechen der Bruchrille 28 bleibt somit der sekundäre gezahnte Abschnitt 27 am
freien Ende des Stifts 12. Die anderen Bestandteile dieses
Ausführungsbeispiels
des Befestigungselements sind die gleichen wie das in 1 gezeigte
Ausführungsbeispiel.
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Der
sekundäre
gezahnte Abschnitt 27 wird mit einer ausreichenden Länge gewählt, so
dass er sich im maximalen Griffzustand weit genug über das äußere Ende
der Mutter 14 erstreckt, um von einem mit Rillen versehenen
Fassungsteil ordnungsgemäß erfasst
zu werden (wie beispielsweise das innere Fassungsteil 74 am
Werkzeug 70). Die Mutter 14 kann ebenfalls erfasst
werden über
ein sechseckiges Fassungsteil (wie beispielsweise das sechseckige Fassungsteil 72 am
Werkzeug 70). Der Stift 12 wird daher relativ
zur Mutter 14 festgehalten, so dass ein Drehmoment zum
Entfernen oder Festziehen zwischen dem Stift 12 und der
Mutter 14 angelegt werden kann (welcher Bestandteil sich
dreht, hängt
wie vorstehend erläutert
von der Art des verwendeten Montagewerkzeugs ab). Der minimale Überstand des
sekundären
gezahnten Abschnitts 27 über das äußere Ende der Mutter 14 würde in einem
maximalen Griffzustand auftreten, d. h. bei einer maximalen Gesamtdicke
der Werkstücke 46 und 56 innerhalb des
Griffbereichs des Befestigungselements 10. Gleichzeitig
würde der
maximale Überstand
des sekundären
gezahnten Abschnitts 27 über das äußere Ende der Mutter 14 beim
minimalen Griffzustand auftreten, d. h. bei einer minimalen Gesamtdicke
der Werkstücke 46 und 56 innerhalb
des Griffbereichs des Befestigungselements 10. Es ist wünschenswert, den Überstand
so kurz wie möglich
zu halten. Dies wird durchgeführt,
indem zunächst
die Länge
des sekundären
gezahnten Abschnitts 27 festgestellt wird, welche erforderlich
ist, um für
einen ausreichenden Eingriff in das dazu passende Fassungsteil zu
sorgen, um dem Drehmoment für
das Entfernen in einem maximalen Griffzustand standzuhalten. Wenn dies
so kurz als möglich
festgelegt wurde, würde
der maximale Überstand
des sekundären
gezahnten Abschnitts 27, im minimalen Griffzustand, eine
Strecke sein entsprechend der Grifflänge plus der vorgewählten Länge des Überstands,
welcher für
den maximalen Griffzustand als ausreichend bestimmt wurde.
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Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist das Befestigungselement die folgenden Spezifikationen
auf, wobei die angegebenen Abmessungen ungefähr sind und innerhalb von Toleranzparametern
Abweichungen unterliegen. Der Stift 12 ist aus 4140 Stahl
hergestellt und nach der Bearbeitung (oder dem Formen) auf R 36–38 gehärtet. Der
Stiftkopf 20 hat einen Durchmesser von 2,799 cm (1,102
Zoll) und eine Länge
von 1,207 cm (0,475 Zoll), der Schaft 22 hat eine Gesamtlänge von
16,289 cm (6,413 Zoll), der glatte Schaftabschnitt 24 hat
einen Durchmesser von 2,2 cm (0,866 Zoll) und eine Länge von
7,112 cm (2,80 Zoll), der Gewindeabschnitt 26 hat einen
Außendurchmesser
von 2,2 cm (0,876 Zoll) und ist 7,366 cm (2,9 Zoll) lang und die Bruchrille 28 hat
einen Fußdurchmesser
von 1,549 cm (0,610 Zoll). Der Gewindeabschnitt 26 weist
ein Gewinde mit einem Kerndurchmesser von 2,073 cm (0,816 Zoll),
eine Bezugs-Schraubenspitze von 0,109 cm (0,429 Zoll) und eine Steigung
von 0,318 cm (0,125 Zoll) auf, ebenso wie der Griffabschnitt 30,
wobei der Griffabschnitt 30 auch zwölffache Keilverzahnungen zum
Antrieb aufweist mit einem Außendurchmesser
von 2,151 cm (0,857 Zoll).
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Die
röhrenförmige Hülse ist
aus 4130 Stahl hergestellt und nach der Bearbeitung auf 46–49 RC gehärtet. Sie
weist einen Außendurchmesser
von 2,789 cm (1,098 Zoll), einen Innendurchmesser von 2,253 cm (0,887
Zoll) und eine Länge
von 9,975 cm (3,927 Zoll) auf. Der weichgeglühte Streifen 35 ist
bei ca. 1,524 cm (0,600 Zoll) von der Endfläche 34 zentriert und
weist über
seine axiale Breite ein typisches Härteprofil auf, wie in 12 gezeigt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist der Blindkopf nach der Montage einen typischen Außendurchmesser von
4,191 cm (1,650 Zoll) und eine Höhe
von 0,592 cm (0,233 Zoll) auf, und der Fuß 84 ist relativ kurz, um
die in Zusammenhang mit 7a und 8a erläuterten
Vorteile bereitzustellen, wobei er nach der Montage des Befestigungselements
eine typische Länge
von 0,299 – 0,330
cm (0,090 – 0,130
Zoll) aufweist. Der Außendurchmesser
des Fußes 84 schwillt nach
der Montage im Vergleich zum anfänglichen
Außendurchmesser
typischerweise um 0,51 – 0,27
cm (0,20 – 0,50
Zoll) an (oder um ca. 1,8 – 4,5
%). In dieser Hinsicht sollte die Schwellung zwischen 1,5 – 5,0 liegen.
Mit dieser kurzen Konstruktion des Fußes 84, wie in 7a und 8a dargestellt,
liegt die Versagenslast des Befestigungselements typischerweise bei über 93.000
Pfund. Im Vergleich dazu weist die Befestigungselementkonstruktion,
welche in 7b und 8b gezeigt
ist, typischerweise eine Versagenslast von ca. 83.000 Pfund auf.
Die Konstruktion mit dem kurzen Fuß 84 stellt daher
eine beträchtliche Erhöhung der
Versagenslast des Befestigungselements bereit.
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Alternativ
kann die Hülse
zur Korrosionsbeständigkeit
aus einem geeigneten rostfreien Stahl hergestellt sein. Obgleich
es nicht bevorzugt ist, kann der Streifenabschnitt 35 nicht
durch Weichglühen
eines Abschnitts der harten Hülse 16 bereitgestellt
werden, sondern statt dessen, indem die anderen Abschnitte der Hülse hinsichtlich
des Streifenabschnitts 35 gehärtet werden.
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Die
Scherscheibe 18 ist aus 4140 Stahl hergestellt und wird
nach der Bearbeitung (oder dem Formen) auf 41 – 44 RC gehärtet. Sie weist eine Dicke
von 0,584 cm (0,23 Zoll), einen Außendurchmesser von 4,648 cm
(1,83 Zoll), einen Durchmesser der Gegenbohrung 38 von
2,870 cm (1,130 Zoll), einen Durchmesser der Durchgangsbohrung 40 von
2,228 cm (0,887 Zoll) und eine Dicke unterhalb der Durchgangsbohrung 38 (d.
h., die Dicke des Scherabschnitts) von 0,366 (0,144 Zoll) auf.
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Die
Mutter 14 ist aus 4130 Stahl hergestellt und nach der Bearbeitung
(oder dem Formen) auf 36–38
RC gehärtet.
Zwischen gegenüberliegenden sechseckigen
Stirnseiten weist sie eine Breite von 4,114 cm (1,62 Zoll) auf,
eine Gesamthöhe
von 3,81 cm (1,50 Zoll), eine Tiefe der Gegenbohrung 52 von 1,397
cm (0,55 Zoll) und einen Durchmesser von 2,858 cm (1,125 Zoll) und
eine mit Gewinde versehende Bohrung 54 mit einem Gewinde
mit einem Außendurchmesser
von 2,270 cm (0,894 Zoll), einem Kerndurchmesser von 2,121 cm (0,835
Zoll) und ist so ausgelegt, dass sie ordnungsgemäß in den Gewindeabschnitt 26 des
Stifts 12 eingreift.
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Der
Griffbereich des Befestigungselements liegt bei ± 1 mm. Es ist zur Verwendung
bei herkömmlichen
nominalen 27 mm Anwendungen vorgesehen, bei welchen die Bohrung
gewöhnlich
mit einem 30 mm-Bohrer gebohrt wird. Selbstverständlich kann das Befestigungselement
in alternativen Größen und mit
alternativen Griffbereichen zur Verfügung gestellt werden.
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Es
sollte zur Kenntnis genommen werden, dass verschiedene Merkmale
von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
untereinander ausgetauscht werden können, um unterschiedliche Ausführungsbeispiele
bereitzustellen. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ist zusätzlich ersichtlich,
dass es für Befestigungselemente
des gleichen Durchmessers zur Verwendung in unterschiedlichen Griffbereichen tatsächlich nur
nötig ist,
den Stift und die Hülse
zu wechseln, um die erforderlichen Veränderungen bei der Länge der
Befestigungselemente unterzubringen. Dieses Merkmal vereinfacht
die Herstellung und die Anforderungen an den Lagerbestand der Befestigungselement-Bestandteile.
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Obgleich
diese Erfindung in Zusammenhang mit dem derzeit als praktischsten
und als bevorzugt betrachteten Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde, sind selbstverständlich
weitere Modifikation möglich,
und sie sollte nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt wer den,
und es ist vorgesehen, dass diese Anmeldung sämtliche Variationen, Verwendungen, äquivalente
Anordnungen oder Adaptionen der Erfindung abdeckt, welche dem Rahmen
der Erfindung folgen, wie sie in den anhängigen Ansprüchen festgelegt
ist.