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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum
Anziehen/Lösen eines mit Gewinde versehenen getriebenen
Befestigungsmittels, bestehend aus einem mehreckigen
getriebenen Profil, bestehend aus einem aktiven Kopf,
dessen Querschnitt eine im wesentlichen mehreckige Form
aufweist, wobei mindestens zwei Seiten des Querschnittes
des Kopfes des Werkzeugs jeweils von zwei halben Seiten
gebildet werden, deren aktive Bereiche allgemeine,
zueinander in bezug auf die mittlere Axialebene dieser
Seite asymmetrische Formen aufweisen, so daß bei einem
gegebenen Drehmoment, das an das Werkzeug angelegt wird,
die in das Werkzeug eingebrachten Spannungen in eine erste
Richtung weniger groß als in die andere sind, während
umgekehrt die in das getriebene Mittel eingebrachten
Spannungen in diese erste Richtung größer als in die
andere sind, wodurch es möglich ist, an das getriebene
Mittel in die erste Richtung ein größeres Moment anzulegen
als in die zweite Richtung, bevor der Kopf des Werkzeugs
beschädigt wird, siehe US-A-3 908 488.
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Die Erfindung betrifft sowohl die weiblichen Werkzeuge,
die dazu bestimmt sind, eine männliche Mutter zu treiben,
als auch die männlichen Werkzeuge, die dazu bestimmt sind,
eine Schraube zu treiben, deren Kopf eine mehreckige
Aussparung aufweist.
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Die verfügbaren Werkzeuge umfassen ungefähr mehreckige, in
bezug auf beide Drehrichtungen symmetrische Profile.
Folglich entspricht eine gegebene Spannung, der das Werkzeug
unterliegt, einem selben Moment und einer selben Spannung,
die an das getriebene Mittel angelegt werden, in die
Richtung des Anziehens wie auch in jene des Lösens
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Genauer haben die zahlreichen, für die Werkzeuge zum
Anziehen/Lösen vorgeschlagenen Profile
(Handelsbezeichnungen Snap-On, Facom, Kaynar, Wera, Kevalar ...) zum
Ziel, einen möglichst vernünftigen Kompromiß einerseits
zwischen der in das männliche Element eingebrachten
Spannung und andererseits der Berstspannung des weiblichen
Profils zu finden, insbesondere wenn letztgenanntes das
Profil des Werkzeugs ist.
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Nun sind in der Praxis im allgemeinen die zu erfüllenden
Bedingungen in den beiden Drehrichtungen nicht dieselben.
Beispielsweise ist es unbedingt erforderlich, eine Mutter,
die angezogen wird, zu schützen, während es oft annehmbar
ist, eine widerspenstige Mutter, die gelöst wird, zu
beschädigen, wenn sie beispielsweise rostig oder
festgefressen ist, sofern sie gelöst werden kann.
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Überdies kann es in gewissen Fällen erforderlich sein, mit
einem gegebenen Werkzeug ein Anziehmoment zu entwickeln,
das deutlich größer als die üblichen Anziehmomente ist.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Werkzeug zu schaffen, das
besser an die verschiedenen tatsächlichen
Benützungserfordernisse angepaßt ist.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Werkzeug
vorgenannten Typs, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven
Bereiche für beide Drehrichtungen von Abrundungen bzw.
scharfen Kanten gebildet werden, die mit ebenen Flächen
des mehreckigen Profils zusammenwirken.
Nach weiteren Merkmalen:
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- definiert die Asymmetrie in der ersten Richtung einen
Hebelarm, der größer als der der anderen Richtung
entsprechende ist;
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- wird der Unterschied des Hebelarmes durch einen
Entfernungsunterschied der beiden Kontaktbereiche zur
mittleren Axialebene und/oder durch einen Neigungsunterschied
bei der Kraftanlegung in bezug zu dieser Ebene erzielt;
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- erfolgt der Kontakt dieser Seite mit dem getriebenen
Profil durch eine Fläche mit einem Radius, der in die eine
Richtung kleiner ist als in die andere;
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- ist die Kontaktfläche in der ersten Richtung auf eine
Kante reduziert;
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- ist das Werkzeug vom Typ mit vorgegebener
Verwendungsrichtung, insbesondere Hülse,
Rohrsteckschlüssel, Winkelschlüssel, gekröpfter Schlüssel,
Schraubendreher, Einsteckschlüssel oder Einsteckmuffe, wobei diese
erste Richtung die Löserichtung ist;
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- ist das Werkzeug vom Typ mit doppelter
Verwendungsrichtung, insbesondere Ringschlüssel, wobei eine der
Richtungen den Schutz des getriebenen Mittels und die andere
Richtung die Fähigkeit des Werkzeugs, hohe Drehmomente
anzulegen, begünstigt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun in bezug auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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- die Figuren 1 bis 4 in Draufsicht einen Teil des
aktiven Profils von vier unterschiedlichen
erfindungsgemäßen Werkzeugen darstellen;
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- Figur 5A das Lösen einer Mutter mittels eines
weiblichen Werkzeugs gemäß Figur 1 darstellt, wobei die Maße
des Werkzeugs minimal und jene der Mutter maximal
angenommen werden;
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- Figur 5B das Anziehen derselben Mutter mittels
desselben Werkzeugs darstellt;
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- die Figuren 5C und 5D Ansichten analog zu den Figuren
5A und 5B sind, jedoch dem Fall entsprechen, in dem die
Maße des Werkzeugs maximal und jene der Mutter minimal
sind;
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- die Figuren 6A bis 6D Ansichten analog zu den Figuren
5A bis 5D sind, jedoch dem weiblichen Werkzeug gemäß Figur
2 entsprechen;
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- die Figuren 7A bis 7D Ansichten analog zu den Figuren
5A bis 5D sind, jedoch dem weiblichen Werkzeug gemäß Figur
3 entsprechen;
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- Figur 8A das Lösen einer Schraube mittels eines
männlichen Werkzeugs nach Figur 4 darstellt, wobei die Maße
des Werkzeugs maximal und jene der Aussparung zum Treiben
der Schraube minimal angenommen werden;
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- Figur 8B das Anziehen derselben Schraube mittels
desselben Werkzeugs darstellt;
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- die Figuren 8C und 8D Ansichten analog zu den Figuren
8A und 8B sind, jedoch dem Fall entsprechen, in dem die
Maße des Werkzeugs minimal und jene der Aussparung zum
Treiben der Schraube maximal angenommen werden.
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In jeder der Figuren 1 bis 4 bezeichnet 0 den Mittelpunkt
des Querschnittes des Kopfes des Werkzeugs, der ein im
wesentlichen sechskantiges Profil aufweist, von dem nur
ungefähr ein Drittel des Umfanges dargestellt ist. In
jedem Fall wird eine Seite 1 des Profils beschrieben, die
sich zwischen zwei virtuellen Ecken erstreckt und vom
Punkt 0 unter einem Winkel von 60º, der von zwei Radien 2
und 3 begrenzt wird, gesehen wird.
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In dem Beispiel der Figur 1 umfaßt die Seite 1
nacheinander von links nach rechts auf der Zeichnung:
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- einen konkaven Kreisbogen 4, der einen Teil der
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Abrundung der Ecke bildet, mit einem relativ kleinen
Radius r1, der in A auf dem Radius 2 zentriert ist;
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- einen konvexen Kreisbogen 5 mit einem ebenfalls
relativ kleinen Radius r2, der allerdings in diesem Beispiel
größer als der Radius r1 ist; dieser Bogen 5 schließt
tangential an den Bogen 4 an und ist in B außerhalb des
Profils zentriert;
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- ein gerades Segment 6, das auf die Halbierende 7 der
Radien 2 und 3 senkrecht steht und tangential an den Bogen
5 anschließt;
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- einen konvexen Kreisbogen 8, der tangential an das
Segment 6 anschließt, mit einem Radius R2, der wesentlich
größer als der Radius r2 ist; und
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- einen konkaven Kreisbogen 9 mit einem Radius nahe r1
und vorzugsweise kleiner, der in C auf dem Radius 3 oder
in der Nähe dieses Radius zentriert ist und tangential an
den Bogen 8 sowie an den Bogen 4 auf der an das Profil
angrenzenden Seite anschließt.
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In dem Beispiel der Figur 2 unterscheidet sich das Profil
vom vorhergehenden nur durch die Tatsache, daß r2 = 0,
d.h., daß der Bogen 5 durch eine Kante 5A ersetzt wird.
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In dem Beispiel der Figur 3 umfaßt das Profil zwölf
abgerundete Ecken, die wie im vorhergehenden von zwei
Kreisbögen 4 und 9 mit einem Radius r1 definiert werden und
winkelmäßig um 30º voneinander entfernt sind. Zwischen dem
rechten Ende eines Bogens 4 und dem linken Ende des
folgenden Bogens 9 befinden sich zwei gerade Segmente: ein
Segment 10, das an den Bogen 4 mit einer Kante 11
anschließtf und ein Segment 12, das an den Bogen 9 mit
einer Kante 12A anschließt.
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Bei Betrachtung von zwei Seiten des Profils, d.h. des
Profilabschnittes, der sich zwischen den Radien 2 und 3
befindet, sind von links nach rechts somit nacheinander
ein Bogen 4, ein Segment 10, ein Segment 12, ein Bogen 9,
ein Bogen 4, ein Segment 10, ein Segment 12 und ein Bogen
9 zu finden. Das linke Segment 10 steht auf die
Halbierende 7 senkrecht, während das linke Ende des
rechten Segments 12 auf der verlängerung des linken
Segments 10 liegt, jedoch leicht von dieser verlängerung
nach einem kleinen Winkel x abweicht, der typischerweise
ungefähr 30 beträgt.
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Figur 4 stellt das ungefähr sechseckige Profil eines
Kopfes eines männlichen Werkzeugs dar, dessen Seite 1 von
links nach rechts aus folgendem besteht:
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- einer Halbrundung der Ecke 13, die von einem konvexen
Kreisbogen mit einem Radius r der möglichst klein und in
der Nähe des Radius 2 zentriert ist, gebildet wird;
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- einem konvexen Kreisbogen 14 mit großem Radius, der
tangential an den vorhergehenden anschließt;
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- einem geraden Segment 15, das tangential an den Bogen
14 anschließt, auf die Halbierende 7 senkrecht steht und
sich bis zu derselben erstreckt;
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- einem Freiraum 16, der von einem konkaven Kreisbogen
mit großem Radius gebildet wird und an das Segment 15 mit
einer Kante 17 anschließt; und
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- einer Halbrundung der Ecke 18 mit einem Radius r die
an den Bogen 16 mit einer Kante 19 anschließt und auf der
anderen Seite tangential an die Halbrundung 13 der
folgenden Seite des Profils anschließt.
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Es wird nun in bezug auf die Figuren 5A und 5B die
Verwendung
des Werkzeugs aus Figur 1 zum Anziehen und Lösen
einer Sechskantmutter 20 beschrieben, für ein Werkzeug mit
minimalen Maßen und eine Mutter mit maximalen Maßen, d.h.
mit einem minimalen Spiel zwischen dem Werkzeug und der
Mutter.
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In Anziehrichtung (Figur 6B) greift jede Seite des
Werkzeugs die entsprechende Seite der Mutter über einen Punkt
D des Bogens mit großem Radius 8 an, der sich in der Nähe
des linken Endes dieses Bogens befindet. In Löserichtung
(Figur 5A), ist es ebenso ein Punkt E des Bogens 5 in der
Nähe des rechten Endes dieses Bogens, der die Mutter
angreift.
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Aufgrund des großen Unterschiedes zwischen den Radien r2
und R2 der Bögen 5 und 8 und der tangentialen Anschlüsse
dieser beiden Bögen an die angrenzenden Teile des Profils
des Werkzeugs wird die Anziehkraft F&sub5; näher bei der Mitte
der Seite angelegt und ist in bezug zu der Halbierenden 7
weniger geneigt als die Lösekraft Fd. Daraus ergibt sich
ein größerer Hebelarm beim Lösen (Dd) als beim Anziehen
(Ds).
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In der Situation des maximalen Spiels, d.h. das Werkzeug
mit maximalen Maßen und die Mutter mit minimalen Maßen
(Figuren 5C und 5D), wirkt das Werkzeug in jede Richtung
sehr nahe beim Ende der Seite der Mutter. In
Anziehrichtung (Figur 5D) wirkt es über einen Punkt F nahe
des rechten Endes des Bogens 8 und in die andere Richtung
(Figur 5C) über einen Punkt G nahe des linken Endes des
Bogens 5.
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Wieder führt der große Unterschied zwischen den Radien r2
und R2 zu einem wesentlich größeren Hebelarm in
Löserichtung aufgrund einer stärkeren Neigung der Kräfte.
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In beiden Fällen, jedoch insbesondere, wenn die Mutter und
das Werkzeug qualitativ hochwertig sind, d.h., wenn das
Spiel gering ist, ist die Kontaktkraft beim Anziehen
größer. Dies bewirkt in dem Werkzeug höhere Spannungen,
jedoch die Art der Anwendung der Kraft auf die Mutter
führt dazu, daß der Schutz dieser Mutter beim Anziehen
verbessert wird.
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Beim Lösen hingegen entsteht ein umgekehrtes Phänomen: die
Fähigkeit des Werkzeugs, ein hohes Drehmoment zu
übertragen, wird durch eine Verringerung der Kontaktkraft und
durch seine bessere Ausrichtung verbessert. Die Mutter
wird aber mehr beansprucht, so daß, wenn das angewandte
Drehmoment die für normal betrachteten Werte weit
überschreitet, keine Wiederverwendung der Mutter in
Betracht gezogen werden kann.
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Die weiteren nachfolgenden Beispiele zeigen weitere
Anwendungen, die in unterschiedlichem Maße zu denselben
Ergebnissen führen.
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Somit gelten ähnliche Überlegungen für das Profil des
Werkzeugs der Figur 2 (Figuren 6A bis 6D), jedoch der
Ersatz des Bogens 5 durch die Kante 5A verstärkt die
beschriebenen Phänomene, indem die Lösekraft noch mehr
geneigt wird aufgrund der Vergrößerung der Hertzschen
Pressung und indem sie noch mehr von der Mitte der Seite
entfernt wird.
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Im Falle des Werkzeugs der Figur 3 (Figuren 7A bis 7D)
wird in der Situation des "minimalen Spiels" die Seite der
Mutter beim Anziehen (Figur 7B) von der Anschlußkante 21
der Segmente 10 und 12 und beim Lösen (Figur 7A) von der
Anschlußkante 11 des Segments 10 und des Kreisbogens 4
angegriffen. Somit ist dank der oben beschriebenen
unterschiedlichen Ausrichtung der Segmente 10 und 12 der
Kraftanwendungspunkt beim Lösen weiter von der Mitte der
Seite entfernt, und die Kraft ist mehr geneigt, was zu
einem größeren Hebelarm in diese Richtung führt.
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In der Situation des "maximalen Spiels" greift das
Werkzeug die Mutter in beiden Richtungen in der Nähe des
Endes der Seite derselben an. Beim Anziehen (Figur 7D)
wirkt es über die Anschlußkante 12A des Segments 12 und
des Bogens 9 und beim Lösen (Figur 70) über die
Anschlußkante 11 des Segments 10 und des Bogens 4. In
3 diesem Fall führt die unterschiedliche Neigung der
Segmente 10 und 12 zu einer größeren Neigung der Kraft Fd,
um in Löserichtung zu einem größeren Hebelarm zu führen.
Es ist anzumerken, daß in jedem oben beschriebenen Fall
die stärkere Neigung der Kraft beim Lösen bei einem
gegebenen Lösemoment, das auf die Mutter ausgeübt wird,
zur Folge hat, daß die Berstkraft des weiblichen Werkzeugs
verringert wird. Mit anderen Worten ist das an die Mutter
anwendbare Drehmoment vor Zerstörung des Kopfes des
Werkzeugs durch Bersten in Löserichtung größer.
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Im Falle des männlichen Werkzeugs der Figur 4 wird beim
Anziehen (Figuren 8B und 8D) die Schraube 22 mit
sechskantiger Aussparung 23 über einen Punkt H des konvexen
Bogens mit großem Radius 14 angegriffen, der sich in der
Nähe des Segments 15 in der Situation des "minimalen
Spiels" (Figur 8B) befindet, und über einen Punkt I
desselben Bogens angegriffen, der sich in der Nähe der
Abrundung 13 in der Situation des "maximalen Spiels"
(Figur 8D) befindet. Beim Lösen (Figuren 8A und 80) ist
der Kontaktpunkt die Schnittkante 19 der Rundung 13 und
des konkaven Bogens 16. Somit sind in allen Fällen die
Neigung der Kraft und die Hertzsche Pressung beim Lösen
größer, und ferner ist in der Situation des "minimalen
Spiels" der Kraftanwendungspunkt beim Lösen weiter von der
Mitte der Seite entfernt. Folglich ist wieder das
anwendbare Lösedrehmoment größer als das anwendbare
Anziehdrehmoment vor Zerstörung des Kopfes des Werkzeugs,
was
in diesem Fall vor Abrundung des mehreckigen Profils
dieses Werkzeugs bedeutet.