WO2001044672A1 - Selbstfurchende schraube - Google Patents

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WO2001044672A1
WO2001044672A1 PCT/EP2000/012741 EP0012741W WO0144672A1 WO 2001044672 A1 WO2001044672 A1 WO 2001044672A1 EP 0012741 W EP0012741 W EP 0012741W WO 0144672 A1 WO0144672 A1 WO 0144672A1
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screw
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Ralf Birkelbach
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Ejot Verbindungstechnik Gmbh & Co. Kg
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16B25/0036Screws that cut thread in the body into which they are screwed, e.g. wood screws characterised by geometric details of the screw
    • F16B25/0042Screws that cut thread in the body into which they are screwed, e.g. wood screws characterised by geometric details of the screw characterised by the geometry of the thread, the thread being a ridge wrapped around the shaft of the screw
    • F16B25/0047Screws that cut thread in the body into which they are screwed, e.g. wood screws characterised by geometric details of the screw characterised by the geometry of the thread, the thread being a ridge wrapped around the shaft of the screw the ridge being characterised by its cross-section in the plane of the shaft axis

Definitions

  • the invention relates to a self-tapping screw with rolled threads, in which the bisector of the thread formed by the load flank and rear flank has an oblique position away from the screw head to the perpendicular to the screw axis.
  • Such a screw is known from European patent application 501 519.
  • the peculiarity of this known screw is that both the load flank (thread flank fed to the screw head) and the rear flank (flank opposite the load flank) of their thread turns run into the thread root via roundings.
  • This rounded design is emphasized as advantageous in the introduction to the document, in contrast to DE-OS-32 35 352 cited therein.
  • the transition of the flank profile into the core area of the thread is discontinuous, because this transition consists of a kink.
  • DE-OS-32 07 975 which is also cited in the European patent application, discloses a self-tapping screw in which the flank angle of the threads increases continuously from the flank tip to the thread base, which is said to promote damage-free reshaping of the plastic the screw in question is to be screwed in.
  • the screw according to DE-OS 32 07 975 it is pointed out in the European patent application for the screw according to DE-OS 32 07 975 that in the screw described therein for screwing into the plastic, the threads do not run asymmetrically, i.e. the bisector of the thread between the load flank and the rear flank is perpendicular to the screw axis.
  • the invention has for its object to design the screw described above so that its manufacture is improved by thread rolling and moreover its resilience and holding force is increased.
  • the geometrical design of the screw is to be chosen so that an optimized screwing behavior is achieved in the respective metallic material. According to the invention, this is done in that the load flank runs straight to the base of the thread and the back flank of the thread tip is initially straight and from about 1/3 of its height passes over a kink into a straight bend with an angle that is greater than the angle of the back flank measured at right angles is and is between 30 ° and 50 °, the diameter ratio of the thread core diameter to the thread outer diameter is greater than 0.7 and the ratio of thread pitch to thread outer diameter is less than 0.25.
  • the screw can be rolled with rolling jaws, the grooves of which each have a corresponding linear course in cross section, which is a considerable advantage for the production of the rolling jaws compared to rounded jaws in this area.
  • the angle between the bisector (between the load flank and the rear flank) and the perpendicular to the screw axis is advantageously chosen so that it lies in the range between 5 ° and 15 °.
  • the resulting inclined position of the thread leads, even with small flank angles (measured between the load flank and the rear flank), to a sufficient inclined position of the load flank, with the result that favorable forces acting on the load flank are introduced into the core of the screw.
  • the inclined position and the straight course of the load flank are therefore responsible for the friction of the screwed-in screw against the component, which must be large enough so that the overtorque at which the screw would tear out the thread in the component is not easily achieved.
  • the screw according to the invention is particularly suitable for being screwed into steel, for which purpose the screw itself is of course also made of steel.
  • a flank angle between the load flank and the rear flank of 38 ° to 48 ° has been found to be favorable, since this creates an optimal ratio of the displaced volume and the resilience of the material. If the screw according to the invention made of steel is screwed into light metal, it is in this If a flank angle between the load and rear flank of 32 ° to 42 ° is appropriate.
  • the screw is also possible to form the screw from aluminum, in particular from a hard aluminum alloy, which is then also suitable for screwing into light metal.
  • the flank angle between the load flank and the rear flank is suitably chosen between 58 ° and 68 °.
  • a particularly favorable oblique position of the bisector is obtained if this is chosen with about 1/6 of the flank angle between the load flank and the rear flank.
  • 1 is a screw with a screw head and self-tapping thread
  • Fig. 2 shows a section through part of the thread of Fig. 1 in an enlarged scale
  • FIG. 3 shows a section through the thread similar to that according to FIG. 2 with a flank angle of 45 °
  • FIG. 4 shows a similar section angle of a thread with a flank angle of 33 °
  • FIG. 5 shows a section through a thread with a flank angle of 60 °.
  • a self-tapping screw with the screw head 1 and the core 2 is shown, on which the thread 3 is rolled. It is a single-start thread with the individual threads 4, which have an inclined position away from the screw head 1 to the vertical 5 with respect to the screw axis 6.
  • a screw drive 7 is stamped, which is a known design.
  • FIG. 2 the thread 3 according to FIG. 1 is shown in section on an enlarged scale.
  • the individual threads 4 have the load flank 8 facing the screw head 1 and the opposite rear flank 9.
  • the load flank 8 extends straight from the thread tip 10 to the thread base 11.
  • the rear flank 9 opposite the load flank 8 merges into the bend 13 via the bend 12.
  • the bend 13 extends with respect to the perpendicular 5 to the screw axis 6 at an angle a which is greater than the rear flank angle ⁇ measured between the vertical 5 and the rear flank 9.
  • the pitch P (distance between two adjacent threads 4), the outer diameter D of the thread and the core diameter K of the thread are also entered.
  • the diameter ratio of the thread core diameter K to the outer thread diameter D is 0.8
  • the ratio of the thread pitch P to the outer thread diameter D is 0.17.
  • the flank angle ⁇ is 39 ° here.
  • 3 to 5 variants of the thread according to FIG. 2 are shown.
  • 3 is the flank angle ß 45 °, the flank angle ß 33 ° for the thread according to FIG. 4 and the flank angle ß 60 ° for the thread according to FIG. 5.
  • the kink 12 in the area of the rear flank 9 is 1/3 of the height of the threads 4 in the thread according to FIGS. 2 to 5, this height being measured from the thread root 11 in the direction of the thread tip 10.
  • the bend 13 starting from the bend 12 extends in the thread according to FIGS. 2 to 5 in each case at an angle (see FIG. 2) which is 45 °.

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Abstract

Selbstfurchende Schraube mit gewalzter Gewindegängen (4), bei denen die Winkelhalbierende (15) des durch Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gebildeten Gewindeganges eine vom Schraubenkopf (1) weggerichtete Schräglage zur Senkrechten (5) zur Schraubenachse (6) aufweist, wobei die Lastflanke gerade zum Gewindegrund (11) verläuft und die Rückflanke von der Gewindespitze zunächst gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über einen Knick (12) in eine gerade Abwinkelung (13) mit einem Winkel (alpha) übergeht, der grösser als der zur senkrechten gemessene Winkel (delta) der Rückflanke ist und zwischen 30° und 50° liegt, wobei das Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmesser (K) zu Gewinde-Aussendurchmesser (D) grösser als 0,7 und das Verhältnis von Gewindesteigung (P) zu Gewinde-Aussendurchmesser (D) kleiner als 0,25 ist.

Description

Selbstfurchende Schraube
Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstfurchende Schraube mit gewalzten Ge- windegängen, bei denen die Winkelhalbierende des durch Lastflanke und Rückflanke gebildeten Gewindeganges eine vom Schraubenkopf weggerichtete Schräglage zur Senkrechten zur Schraubenachse aufweist.
Eine derartige Schraube ist aus der europäischen Patentanmeldung 501 519 be- kannt. Die Besonderheit dieser bekannten Schraube besteht darin, daß sowohl die Lastflanke (dem Schraubenkopf zugeführte Gewindeflanke) als auch die Rückflanke (der Lastflanke gegenüberliegende Flanke) ihrer Gewindegänge über Rundungen in den Gewindegrund einlaufen. Diese gerundete Gestaltung wird in der Einleitung der Druckschrift im Gegensatz zu der darin zitierten DE-OS-32 35 352 als vorteilhaft herausgestellt. Beim Gegenstand dieser DE-OS-32 35 352 ist der Übergang des Flankenproflls in den Kernbereich des Gewindes unstetig ausgebildet, dieser Übergang besteht nämlich aus einem Knick. In der weiterhin in der europäischen Patentanmeldung zitierten DE-OS-32 07 975 ist demgegenüber eine selbstfurchende Schraube offenbart, bei der sich der Flankenwinkel der Gewinde- gänge von der Flankenspitze bis zum Gewindegrund stetig vergrößert, was eine schädigungsfreie Umformung des Kunststoffs begünstigen soll, in den die betreffende Schraube einzudrehen ist. Ergänzend wird in der europäischen Patentanmeldung zu der Schraube gemäß der DE-OS 32 07 975 darauf hingewiesen, daß bei der darin beschriebenen für das Einschrauben im Kunststoff bestimmten Schraube die Gewindegänge nicht asymmetrisch verlaufen, d.h. die zwischen Lastflanke und Rückflanke liegende Winkelhalbierende der Gewindegänge verläuft senkrecht zur Schraubenachse.
Es ist weiterhin eine vorzugsweise zur Verwendung bei Spanplatten geschaffene, selbstfurchende Schraube aus der europäischen Patentanmeldung 713 017 be- kannt, bei der der Querschnitt der Gewindegänge im Bereich der Lastflanke einen Knick aufweist, und zwar derart, daß von der Gewindespitze her nach dem Knick die Lastflanke mit einem größeren Winkel gegenüber der Senkrechten zur Schraub enachse verläuft. Außerdem verläuft bei dieser Schraube die Winkelhal- bierende zwischen Lastflanke und Rückflanke im Bereich zwischen der Gewindespitze und dem Knick in einer zum Schraubenkopf hin gerichteten Schräglage. Hierdurch bilden die Gewindegänge dieser Schraube bei ihrem Anziehen bzw. bei Belastung eine der Senkrechten angenäherte Auflagefläche, wobei sich der Gewindegang besonders stark gegen gegen ihn drückendes Material des betreffenden Bauteils stemmt. Die Folge ist, daß die einzelnen Gewindegänge durch praktisch parallel zur Schraubenachse verlaufende Kräfte auf Biegung beansprucht werden, was die Belastbarkeit dieser Schraube entsprechend verringert.
Eine ähnliche Gestaltung weisen selbstfurchende Schrauben auf, wie sie in der europäischen Patentanmeldung 133773 und der DE-OS 36 15 271 offenbart sind, da bei diesen bekannten Schrauben im Bereich zwischen Gewindespitze und einem Knick in der Lastflanke die auf die Gewindegänge auftreffenden Kräfte bei Belastung praktisch parallel zur Schraubenachse verlaufen. Besonders ausgeprägt ist dies bei der Schraube gemäß der DE-OS 36 15 271, bei der die Lastflanke im Bereich zwischen Gewindespitze und Knick senkrecht zur Schraubenachse verläuft. Die beiden bekannten Schrauben sind also beim Anziehen der Schrauben und damit in bezug auf hohe Biegebelastungen der Gewindegänge besonders empfindlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schraube so zu gestalten, daß ihre Herstellung durch Gewindewalzen verbessert und darüber hinaus ihre Belastbarkeit und Haltekraft vergrößert wird. Die geometrische Gestaltung der Schraube ist dabei so zu wählen, daß ein optimiertes Einschraubverhalten in dem jeweiligen metallischen Werkstoff erreicht wird. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die Lastflanke gerade zum Gewindegrund verläuft und die Rückflanke von der Gewindespitze zunächst gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über einen Knick in eine gerade Abwinkelung mit einem Winkel übergeht, der größer als der zur Senkrechten gemessenen Winkel der Rückflanke ist und zwischen 30° und 50° liegt, wobei das Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmeser zu Gewinde- Außendurchmesser größer als 0,7 und das Verhältnis von Gewindesteigung zu Gewinde- Außendurchmesser kleiner als 0,25 ist.
Aufgrund des von den Gewindespitzen zum Gewindegrund im wesentlichen geradlinigen Verlaufs im Bereich der Lastflanke und auch der einen Knick enthaltenden Rückflanke läßt sich die Schraube mit Walzbacken walzen, deren Rillen im Querschnitt jeweils einen entsprechenden geradlinigen Verlauf aufweisen, was für die Herstellung der Walzbacken einen erheblichen Vorteil gegenüber in die- sem Bereich abgerundeten Walzbacken darstellt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die mit einem Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmesser zu Gewinde-Außendurchmesser von größer als 0,7 gegebene Dimensionierung zu einer Verkürzung der Gewindegänge führt, so daß diese nur über eine relativ geringe radiale Höhe Biegebelastungen beim Anziehen der Schraube und bei Belastung durch das betreffende Bauteil ausgesetzt sind, die zudem noch dadurch gut aufgefangen werden, daß die Abwinkelung sich über den Bereich erstreckt, der eine starke Abstützung der Gewindegänge gegen Abknicken erfordert. Dabei läßt der erst bei 1/3 der Höhe der Gewindegänge liegende Knick ausreichend Raum im äußeren Bereich der Gewindegänge für das Abfließen des verdrängten Materials des betreffenden Bauteils, so daß dieses Abfließen nicht behindert wird.
Auf der Lastflanke der Gewindegänge ergibt sich beim Anziehen der Schraube aufgrund von deren durchgehend geraden schrägen Verlauf eine auf diese Flanke auftreffende Kraft, die wegen der Schräglage der Lastflanke entsprechend schräg in die Schraube und damit deren Kern eingeleitet wird, der aufgrund seines relativ großen Durchmessers in der Lage ist, hohe Kräfte aufzunehmen. Umgekehrt ver- läuft der Druck im Material des Bauteils ebenfalls in Schrägrichtung, d.h. in das die Einschraubstelle umgebende Material, wo dieser Druck ohne weiteres aufgefangen werden kann. Der gradlinig schräge Verlauf der Lastflanke ermöglicht dabei eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Höhe der Gewindelast- flanke, so daß hierdurch immer eine maximale Kontaktfläche und maximale Reibung beim Anziehen der Schraube ermöglicht wird, ohne das Material zu schädigen. Aufgrund des Verhältnisses von Gewindesteigung zu Gewindeaußendurchmesser, das kleiner als 0,25 gewählt ist, ergibt sich ein Gewinde mit eng zueinander liegenden Gewindegängen, so daß über eine bestimmte Länge im betreffenden Bauteil eine relativ große Zahl von Gewindegängen verankert wird. Dies hat entsprechend hohe Ausreiß- und Haltekräfte zur Folge.
Vorteilhaft wird der Winkel zwischen der Winkelhalbierenden (zwischen Lastflanke und Rückflanke) und der Senkrechten zur Schraubenachse so gewählt, daß er im Bereich zwischen 5° und 15° liegt. Die sich hieraus ergebende Schräglage der Gewindegänge führt auch bei kleinen Flankenwinkeln (gemessen zwischen Lastflanke und Rückflanke) zu einer ausreichenden Schräglage der Lastflanke mit der Folge einer günstigen Einleitung von auf die Lastflanke wirkenden Kräften in den Kern der Schraube. Die Schräglage und der gerade Verlauf der Lastflanke sind also für die Reibung der eingedrehten Schraube gegenüber dem Bauteil verantwortlich, die ausreichend groß sein muß, damit das Überdrehmoment, bei dem die Schraube das Gewinde im Bauteil ausreißen würde, nicht ohne weiteres erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Schraube ist besonders geeignet, in Stahl eingedreht zu werden, wozu die Schraube natürlich selbst ebenfalls aus Stahl besteht. In diesem Fall hat sich ein Flankenwinkel zwischen Last- und Rückflanke von 38° bis 48° als günstig ergeben, da hierdurch ein optimales Verhältnis von verdrängtem Volumen und Beanspruchbarkeit des Werkstoffes geschaffen wird. Wird die erfm- dungsgemäße Schraube aus Stahl in Leichtmetall eingedreht, so ist in diesem Falle ein Flankenwinkel zwischen Last- und Rückflanke von 32° bis 42° zweckmäßig.
Es ist auch möglich, die Schraube aus Aluminium, insbesondere aus einer harten Aluminiumlegierung, auszubilden, die dann ebenfalls zum Eindrehen in Leichtmetall geeignet ist. In diesem Fall wählt man den Flankenwinkel zwischen Last- und Rückflanke zweckmäßig zwischen 58° und 68°.
Eine besonders günstige Schräglage der Winkelhalbierenden ergibt sich dann, wenn diese mit etwa 1/6 des Flankenwinkels zwischen Last- und Rückflanke gewählt wird.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Schraube mit Schraubenkopf und selbstfurchendem Gewinde,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Gewindes aus Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung, Fig. 3 einen Schnitt durch das Gewinde ähnlich demjenigen gemäß Fig. 2 mit einem Flankenwinkel von 45°, Fig. 4 einen ähnlichen Schnittwinkel eines Gewindes mit einem Flankenwinkel von 33 °, Fig. 5 einen Schnitt durch ein Gewinde mit einem Flankenwinkel von 60°.
In der Fig. 1 ist eine selbstfurchende Schraube mit dem Schraubenkopf 1 und dem Kern 2 dargestellt, auf den das Gewinde 3 aufgewalzt ist. Es handelt sich dabei um ein eingängiges Gewinde mit den einzelnen Gewindegängen 4, die eine vom Schraubenkopf 1 weggerichtete Schräglage zur Senkrechten 5 in bezug auf die Schraubenachse 6 aufweisen. In den Schraubenkopf 1 ist ein Schraubenantrieb 7 eingeprägt, bei dem es sich um eine bekannte Gestaltung handelt. In der Fig. 2 ist das Gewinde 3 gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung im Schnitt gezeigt. Die einzelnen Gewindegänge 4 weisen die zu dem Schraubenkopf 1 weisende Lastflanke 8 und die gegenüberliegende Rückflanke 9 auf. Die Lastflanke 8 erstreckt sich von der Gewindespitze 10 gerade zum Gewindegrund 11. Die der Lastflanke 8 gegenüberliegende Rückflanke 9 geht über den Knick 12 in die Abwinkelung 13 über. Die Lastflanke 8 mit ihrem Flankenwinkel γ und die Rückflanke 9 mit ihrem Flankenwinkel δ, jeweils bezogen auf die Senkrechte 5, bilden den Flankenwinkel ß, der hier 39° beträgt. Die Winkelhalbierende 15 des Flankenwinkels ß, die wesentlich die Schräglage der Gewindegänge 4 bestimmt, bildet zu der Senkrechten 5 den Winkel ε. Die Abwinkelung 13 verläuft in bezug auf die Senkrechte 5 zur Schraubenachse 6 in einem Winkel a, der größer ist als der Rückflankenwinkel δ gemessen zwischen der Senkrechten 5 und der Rück- flanke 9.
In die Fig. 2 ist noch die Steigung P (Abstand zwischen zwei benachbarten Gewindegängen 4), der Außendurchmesser D des Gewindes und der Kerndurchmesser K des Gewindes eingetragen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gewinde beträgt das Durchmesserverhältnis von Gewindekerndurchmesser K zu Gewindeaußendurchmesser D 0,8, das Verhältnis von Gewindesteigung P zu Gewindeaußen- durchmesser D beträgt 0, 17. Der Flankenwinkel ß beträgt hier 39°.
In den Fig. 3 bis 5 sind Varianten des Gewindes gemäß Fig. 2 dargestellt. Bei dem Gewinde gemäß Fig. 3 beträgt der Flankenwinkel ß 45°, bei dem Gewinde gemäß Fig. 4 beträgt der Flankenwinkel ß 33° und bei dem Gewinde gemäß Fig. 5 der Flankenwinkel ß 60°.
Bezüglich der Gestaltung der Gewinde gemäß den Fig. 2 bis 4 sei noch darauf hingewiesen, daß der Gewindegrund 11 jeweils zylindrisch verläuft.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 2 bis 5 in vergrößerter Darstellung wiedergegebenen Gewindeausführungsbeispiele Bereiche von jeweils günstigen Flankenwinkeln ß darstellen, die für bestimmte Anwendungsfälle, wie oben im einzelnen dargelegt, Verwendung finden können.
Der Knick 12 im Bereich der Rückflanke 9 liegt bei dem Gewinde gemäß Fig. 2 bis 5 bei 1/3 der Höhe der Gewindegänge 4, wobei diese Höhe vom Gewindegrund 11 in Richtung Gewindespitze 10 gemessen ist. Die vom Knick 12 ausgehende Abwinkelung 13 verläuft beim Gewinde gemäß den Fig. 2 bis 5 jeweils in dem Winkel (siehe Fig. 2), der 45° beträgt.

Claims

Patentansprüche
1. Selbstfurchende Schraube mit gewalzten Gewindegängen (4), bei denen die Winkelhalbierende (15) des durch Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gebildeten Gewindeganges (4) eine vom Schraubenkopf (1) weggerichtete Schräglage zur Senkrechten (5) zur Schraubenachse (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastflanke (8) gerade zum Gewindegrund (11) verläuft und die Rückflanke (9) von der Gewindespitze (10) zunächst gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über einen Knick (12) in eine gerade
Abwinkelung (13) mit einem Winkel (α) übergeht, der größer als der zur Senkrechten (5) gemessene Winkel (δ) der Rückflanke (9) ist und zwischen 30° und 50° liegt, wobei das Durchmesserverhältnis von Gewinde- Kerndurchmesser (K) zu Gewinde- Außendurchmesser (D) größer als 0,7 und das Verhältnis von Gewindesteigung (P) zu Gewinde-
Außendurchmesser (D) kleiner als 0,25 ist.
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglage (ε) der Winkelhalbierenden (15) im Bereich zwischen 5° und 15° liegt.
3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglage (ε) der Winkelhalbierenden (15) etwa 1/6 des Flankenwinkels (ß) zwischen Lastflanke (8) und Rückflanke (9) beträgt.
4. Schraube aus Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Eindrehen in
Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (ß) 38° - 48° beträgt.
5. Schraube aus Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Eindrehen in Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (ß) 32° - 42° beträgt.
6. Schraube aus Aluminium nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Eindrehen in Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (ß) 58° - 68° beträgt.
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