DE19648535B4

DE19648535B4 - Vorrichtung zum Setzen von Bolzen

Info

Publication number: DE19648535B4
Application number: DE1996148535
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Kellner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-24
Filing date: 1996-11-24
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2016-11-25
Also published as: WO1998023413A1; DE19648535A1

Abstract

Vorrichtung zum Setzen von Bolzen, Nägeln, Stiften oder dergleichen Befestigungsmitteln (9), bestehend im Wesentlichen aus einem Bolzensetzgerät (1) mit einem geführten Kolbenschaft (10) und einer manuellen bzw. automatischen Zuführung für das Befestigungsmittel (9), wobei die Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) gegen die zugeordnete Stirnfläche des Befestigungsmittels (9) wirkt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die die Eintreibkraft im Wesentlichen übertragende bzw. aufrecht erhaltende und zur Stoßrichtung (17) in erster Näherung senkrechte plane Fläche der Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) mit einer axial dynamisch ausrichtenden und während des daran anschließenden Eintreibvorgangs kontinuierlich wirkenden konvexen oder konkaven Zentriereinrichtung (20, 20.5, 22, 24.1) versehen ist, und
dass das Befestigungsmittel (9) an seiner dem Kolbenschaft (10) zugewandten Stirnfläche (16) ebenfalls mit einer entsprechenden planen Stoßfläche und einer konkaven oder konvexen Zentriereinrichtung (21.1, 21.3, 21.5, 22.1, 24) versehen ist, die mit der Zentriereinrichtung (20, 20.5, 22, 24.1) des Kolbenschaftes (10) geometrisch korrespondiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Setzen von Bolzen, Nägeln, Stiften oder dergleichen Befestigungsmitteln nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Solche eingangs genannten Systeme werden vor allem in Form von Bolzensetzgeräten zum Einschießen von Spezialnägeln oder Bolzen insbesondere in harte Untergründe, wie Stahl oder Beton, benutzt, um Bauelemente, wie beispielsweise Profilbleche oder Verschalungsplatten, direkt auf dem jeweiligen Untergrund zu befestigen. Man spricht deshalb auch von einer Direktmontage. Zusätzlich zu den Ansprüchen an eine einfache Bedienung und Handhabbarkeit müssen solche Geräte insbesondere den Vorschriften der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig/Deutschland genügen.

Ein solches Bolzensetzgerät ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 89 15 510 U1 bekannt. Anhand von 7 sollen die wesentlichen Bestandteile und die prinzipielle Funktionsweise eines aus dem Stand der Technik und insbesondere aus der DE 89 15 510 U1 bekannten Bolzensetzgeräts erklärt und beschrieben werden.

Ein handelsübliches Bolzensetzgerät 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gerätegehäuse 2 mit einem Abzug 3 im Handgriff 4 und einer Kolbenführungshülse 5, aus einem Treibkolben 6 und einer Bolzenführung 8. Der zu setzende Bolzen 9 wird in die Bolzenführung 8 zugeführt. Über die Stoßfläche 7 eines mit dem Treibkolben 6 verbundenen Treibkolbenschaftes 10 wird das Befestigungselement 9 eingetrieben. Beim Bolzensetzen wird das Gerät 1 über die Stirnfläche 11 der Bolzenführung 8 durch die Andruckbewegung über die Kolbenführungshülse 5 schussfertig gemacht, indem in nicht näher beschriebener Weise ein Patronenlager 12 im rückwärtigen Teil der Kolbenführungshülse 5 über eine bereit stehende Treibladungspulverkartusche gestülpt und eine Schlagbolzenfeder gespannt wird. Nach Auslösen des Abzugs 3 wird die Kartusche abgefeuert und der Treibkolben 6 nach vorne bewegt. Der Bolzen 9 wird dadurch in das Befestigungsmaterial 13 bzw. den Untergrund 14 getrieben. Bei optimaler Einstellung des Bolzensetzgeräts 1 steht in der Endstellung die Schlagfläche 7 des Treibkolbenschaftes 10 oder des Kolbens 6 bündig zur Vorderkante 15 des Geräts 1 bzw. zur Stirnfläche 11 der Bolzenführung 8.

Ein weiteres Bolzensetzgerät ist in der DE 37 02 364 A1 offenbart. Bei dieser Ausführung werden die Befestigungselemente über ein an dem Gerätegehäuse anbringbares Magazin in die Bolzenführung geladen. Die Funktionsweise ist auch bei diesem Gerät prinzipiell analog der anhand von 7 beschriebenen.

Zum besseren Herausstellen der der Erfindung zugrunde liegenden Idee und zur Abgrenzung gegenüber bereits vorhandenen Systemen ist es zweckmäßig, bei den Befestigungselementen zwischen solchen zu unterscheiden, die in ihrer technischen Ausgestaltung über Führungsteile (Sabots) in der Führungshülse positioniert sind, und solchen, die entweder mittels Führungsscheibe und Bolzenteller geführt werden oder auf der Kolbenstangenseite in entsprechende Bohrungen bzw. Sacklöcher bündig zur Schlagfläche eingesetzt werden. Das Prinzip eines einteiligen bolzenführenden Elements eignet sich in besonderer Weise für eine halb- bzw. vollautomatische Zuführung der Befestigungsmittel. Für ein breites Anwendungsgebiet mit unterschiedlichen Bolzenlängen ist dabei davon auszugehen, dass der Bolzenkopf beim Auslösen des Setzvorgangs weder bündig zur Stoßfläche sitzt, noch axial einwandfrei (100%) ausgerichtet ist.

Im Folgenden werden vier Druckschriften zum Stand der Technik kommentiert, bei denen der Bolzenkopf grundsätzlich bündig zur Stoßfläche, meist mittels einer speziellen Vorrichtung, positioniert wird.

In dem US-Patent Nr. 3,690,536 werden insbesondere in den 1 und 7 Ausführungen zu Gewindebolzen mit entsprechenden Treibkolben gemacht. In 7 sitzt der Gewindebolzen mit seinem Gewinde in einer passenden Führung mit konischem Boden, wie er bei Sacklochbohrungen üblich ist. Das kegelige Ende der Bohrung dient nicht der Zentrierung, da der gesamte Gewindeteil des Gewindebolzens formschlüssig eingesetzt ist. In der dargestellten Ausführung ist auch das Übertragen größerer Kräfte nicht möglich, da es unweigerlich zu Aufweitungen der den Gewindebolzen umfassenden Hülse im Bereich des Konusses käme. Außerdem würden die hinteren Gewindegänge unbrauchbar werden.

Eine ähnliche Anordnung ist in der Gebrauchsmusterschrift DE 18 72 698 U1 gezeigt. Hier wird offenbart, dass ein Verankerungsstift (Gewindebolzen) unter möglichst genauer Zentrierung seines vorderen und rückwärtigen Endes genau axial eingetrieben wird und dass die auf ihn einwirkenden Schubkräfte zentrisch und axial auf das rückwärtige Ende des Stiftes einwirken. Um dies zu erreichen, wird das vordere Stiftende zweckmäßig mittels einer auf den Gewindebolzen aufgeschobenen Lochscheibe 19 zentriert. In Kombination mit dieser auf den Gewindebolzen aufgezogenen Lochscheibe 19 sind am rückwärtigen Ende des Gewindebolzens ebenfalls Führungsmittel vorgesehen, die in 5 in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt sind. Bei der einen Darstellung ist am Stirnende 3 des Schubstücks (Kolben) ein zentraler, zylindrischer Ansatz 46 vorgesehen, während bei der anderen Darstellung der zylindrische Zentrieransatz 47 am rückwärtigen Ende des Gewindebolzens selbst angebracht ist. In 1 ist ein derartiger Zentrieransatz hinter dem Gewinde kegelig ausgebildet und wird zusammen mit dem Gewinde formschlüssig von der entsprechenden Ausnehmung im Stirnende des Schubstücks (Kolben) aufgenommen. Aus der 5 geht hervor, dass der Gewindebolzen in seinem hinteren Teil in etwa dem Durchmesser der Bolzenführung (Kolbenschaft) entspricht. Bei den zylindrischen, zentralen Zentrierzapfen handelt es sich dann um formschlüssige Einrichtungen, die lediglich ein Ausweichen des Gewindebolzens aus der Achse während des Eintreibens verhindern sollen.

Diese Zentriereinrichtung bezieht sich somit ausschließlich auf den eigentlichen, reinen Eintreibvorgang des Gewindebolzens, nicht jedoch auf die axiale Ausrichtung eines nicht einwandfrei axial positionierten Befestigungselements.

Die sowohl in der US 3,690,536 als auch bei der hier diskutierten DE 18 72 698 U1 vorgesehene, vordere Scheibe zur Führung des Befestigungselements erfordert unbedingt eine weitere, hintere Führung, die in beiden Fällen durch ein Gewindeteil wahrgenommen wird. Ein Zentrieren z.B. eines nicht einwandfrei axial positionierten Setzelements zu Beginn des Vorganges ist also nicht vorgesehen und nach den gezeigten Ausführungen auch nicht möglich.

In der Gebrauchsmusterschrift DE 66 07 258 U1 ist der zu befestigende Bolzen besonders tief in eine entsprechende Bohrung im Kolben eingeführt. Er wird damit lediglich während des Eintreibens über die Bohrung fixiert. Dieses System ist gegenüber auftretenden lateralen Kräften während des Eintreibens besonders anfällig. Auch können wegen der sehr geringen Heckfläche des Bolzens keine größeren Setzkräfte übertragen werden.

Bei den bisher offenbarten Bolzensetzgeräten wird der jeweilige Gewindebolzen aufgrund der Ausnehmung im Kolbenschaft immer so gesetzt, dass das Gewinde oberhalb vom Befestigungsmaterial bleibt. Ein so genanntes kopfbündiges Setzen, bei dem die Stirnfläche des Bolzenkopfes mit der Oberfläche des Befestigungsmaterials abschließt, z.B. bei Schalungsplatten aus Holz etc., ist so nicht möglich.

In der Gebrauchsmusterschrift DE 19 69 094 U1 ist eine Kolben-Bolzen-Anordnung gezeigt, bei der die axiale Führung des zu setzenden Bolzens über einen balligen Bolzenkopf und eine auf den Bolzen aufgesetzte Zentrierscheibe erfolgt. Eine solche Anordnung wird weitgehend von allen marktgängigen Bolzensetzgeräten verwendet. Ein dynamisches Zentrieren während der Beschleunigungsphase des Setzelements ist dadurch jedoch nicht möglich. Dies führt des öfteren zum Ausknicken des zu setzendes Bolzens, insbesondere wenn der Setzwiderstand zu hoch ist und der Bolzenkopf oberhalb des Befestigungsmaterials zum Stillstand kommt.

Die in diesen Druckschriften dargestellten Lösungen setzten mehrheitlich entweder kurze Setzwege in homogene Werkstoffe voraus oder bedingen relativ geringe Lateralkräfte, damit bei den vorgesehenen langen und formschlüssigen Führungen keine unzulässigen Verformungen bzw. keine Ausbrüche insbesondere auf der Kolbenseite erfolgen.

Danach kann für alle bekannten Systeme zum Bolzensetzen übereinstimmend analysiert werden, dass insbesondere die technische Ausführung der Verbindung zwischen treibendem Kolben und dem zu beschleunigenden Bolzen beliebigen Typs und beliebiger Kopfform den Anforderungen eines einwandfreien Zentrierens des Befestigungselements nach der Zuführung und in Ergänzung dazu auch beim anschließenden Eintreibvorgang nicht gerecht wird.

Bei den nicht fest durch Ausnehmungen im Kolbenschaft eingesetzten Bolzenköpfen, auf die oben bereits eingegangen wurde, liegt dies vor allem daran, dass dem Zusammenspiel zwischen der Dynamik der Energieübertragung und dem Einfluss auch kleiner axialer Abweichungen nicht in ausreichendem Maße Rechnung getragen wird. Dieser Umstand führt bei technisch anspruchsvolleren Setzvorgängen regelmäßig zu einer erheblichen Verminderung der Setzleistung bzw. schränkt diese ein. Insbesondere bei relativ harten Werkstoffen, wie Beton oder Stahl, besonders aber bei Setzuntergründen mit inhomogenem Aufbau bzw. mit Einschlüssen (Kiesel), kann dies zu einem völligen Versagen, zum Beispiel durch Aufweitungen im Bereich der Kontaktflächen und dadurch bedingt zum Knicken oder Abgleiten des Bolzens führen. Weiterhin wird bei den meisten Ausführungsformen die äußere Kolbenfläche besonders belastet, was in der Regel zu Aufstauchungen und Kolbenausbrüchen bereits nach kurzer Betriebszeit führt.

Die 8A bis 8C zeigen Ergebnisse von 3D-Simulationsrechnungen für das Setzen eines Bolzens 9 in einen homogenen Werkstoff 23, wie er mit herkömmlichen Bolzensetzgeräten 1 üblich ist. In der Ausgangsstellung von 8A ist der Bolzen 9 mit planer rückseitiger Stirnfläche 16 um lediglich 1° angestellt, d.h. um 1° aus dem rechten Winkel zur ebenen Oberfläche des Werkstoffes 23 ausgelenkt. In optimaler Position würde der Bolzen 9 mit seiner Längsachse exakt auf der Symmetrielängsachse des Kolbens 6 bzw. des Kolbenschaftes 10 und senkrecht zur Werkstoffoberfläche liegen.

Der Kolbenschaft 10 mit ebenfalls planer Stoßfläche 7 drückt den Bolzen 9 ohne freie Flugstrecke, d.h. ohne Abstand zwischen Bolzenspitze und Werkstoffoberfläche zu Beginn des Setzvorgangs, mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 50 m/s in den Werkstoff 23. Die Computerberechnungen zeigen ein rasches Anwachsen der Anstellung während des Eindringens des Bolzens 9 in den Werkstoff 23 (8B). Außerdem ist ein früh einsetzendes Abknicken des Bolzens 9 zu erkennen (8C), wobei der Gitterstruktur im Bereich des Eindringens zu entnehmen ist, dass der Bolzen 9 im Spitzenbereich asymmetrisch deformiert wird. Diese Vorgänge führen grundsätzlich zu ungenügenden Setzvorgängen. Gleichzeitig belegen sie die Notwendigkeit des exakten Führens des Bolzens 9 während des Setzvorganges, auch bei einer sehr exakten axialen Positionierung des Bolzens 9 in der Bolzenführung 8.

Auch geringe Anstellungen, wie kleinere bzw. leichte Schiefstellungen, führen beim Eindringen der Spitze des Bolzens 9 in insbesondere spröde Materialien, wie Beton und andere, zu großen Abweichungen beim Setzen. Dies kann dazu führen, dass über das seitliche Ausbrechen des Bolzens 9 Teile des Setzgrundes mit zum Teil erheblichen Geschwindigkeiten heraus gelöst werden. Dadurch wird die Arbeitssicherheit stark beeinträchtigt.

Außerdem haben Versuche gezeigt, dass auch der Bolzen selbst durch sein Ausbrechen aus der Achse im Setzmaterial mit erheblicher Geschwindigkeit abgleiten oder seitlich aus der Setzseite austreten kann. Dies stellt ein weiteres Gefährdungspotential dar.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Setzen von Bolzen vorzusehen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet, eine dynamische Zentrierung des Befestigungselements sicherstellt und dessen optimale Ausrichtung und anschließende Führung während des gesamten Setzvorganges bei gleichzeitiger Sicherstellung einer großen Eintreibkraft gewährleistet.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die konische Ausgestaltung der Stoßfläche des Kolbenschaftes gewährleistet ein Zentrieren des Bolzens sowohl in der Beschleunigungsphase – bei einem Spiel zwischen der Kontaktierung von Kolbenschaft und Bolzen und dem Auftreffen des Bolzens auf den Werkstoff – als auch während des gesamten Setzvorgangs. Dies schließt sowohl ein Rückstellen von nicht genau axial positionierten Bolzen als auch das Vermeiden eines Abweichens aus der Achse während des Eintreibens des Bolzens ein. Die Geometrie der hinteren Stirnfläche des gestoßenen Bolzens kann dabei in bestimmten Grenzen frei gewählt werden. Das erfindungsgemäße System ist prinzipiell in allen gängigen und denkbaren Bolzensetzgeräten einsetzbar.

Anhand der Figuren werden nachfolgend verschiedene Ausführungsformen und das Grundkonzept des erfindungsgemäßen Systems näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Kräftediagramm zur Erläuterung der Kräfte von einem Kolbenschaft auf einen Bolzen anhand eines Vergleichsbeispiels;
2 ein Kräftediagramm zur Erläuterung der von einem Kolbenschaft auf einen Bolzen übertragbaren Kräfte anhand eines Vergleichsbeispiels;
3A, 3B, 3C eine erste Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems Kolbenschaft-Bolzen im Schnitt;
4A und 4B eine zweite Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems Kolbenschaft-Bolzen im Schnitt;
5A und 5B eine dritte Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems Kolbenschaft-Bolzen im Schnitt;
6 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des Setzvorganges mit einem erfindungsgemäßen System;
7 ein herkömmliches Bolzensetzgerät im Schnitt;
8A, 8B, 8C eine Computersimulation für das Setzen eines um 1° angestellten Bolzens mit einem herkömmlichen Bolzensetzgerät;
9 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems Kolbenschaft-Bolzen im Schnitt; und
10 eine noch weitere Ausführungsform des Systems Kolbenschaft-Bolzen im Schnitt.
Zunächst soll im Folgenden anhand der 1 und 2 das Grundkonzept der Erfindung näher erläutert werden. Im Anschluss daran werden anhand der 3 bis 5 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems und anhand von 6 ein Setzvorgang mit einem erfindungsgemäßen System beschrieben.
Das Kräftediagramm von 1 veranschaulicht die Kräfte von dem in Richtung des Pfeils stoßenden Kolbenschaft 10 (entspricht dem Treibkolbenschaft von 7) auf den gestoßenen Bolzen 9. Der Kolbenschaft 10 ist in der Kolbenführungshülse 5 geführt und weist eine Stoßfläche 7 von konischer Geometrie mit einem Öffnungswinkel 18 (α) aus. Der Öffnungswinkel 18 des Konusses 20 kann grundsätzlich Werte von 0° < α < 360° annehmen. Hierbei bilden Werte von 180° < α < 360° einen so genannten Außenkonus und der Wert α = 180° eine plane Stoßfläche 7.
Die gesamte Anordnung aus Kolbenschaft 10 und Kolbenführungshülse 5 ist zur Symmetrieachse 19 rotationssymmetrisch. Der Bolzen 9 besitzt bei diesem Beispiel eine plane Stirnfläche 16, und seine Längsachse 19.1 ist aus der Symmetrieachse 19 der Anordnung heraus ausgelenkt. Der Querschnitt des Bolzens 9 ist entweder ebenfalls rotationssymmetrisch oder besitzt einen regelmäßigen Umriss, wie beispielsweise ein regelmäßiges Vieleck.
Im Kräftediagramm ist die Stoßkraft des Kolbenschaftes 10 mit P bezeichnet. Wie aus 1 zu entnehmen ist, kann die Stoßkraft P in eine Normalkomponente F_N = P × sin(α/2) und eine Tangentialkomponente F_T = P × cos(α/2) zerlegt werden.
Im Kräftediagramm von 2 ist zusätzlich zur Normalkomponente F_N der Stoßkraft P die Reibungskraft R eingezeichnet, die ebenfalls auf den gestoßenen Bolzen 9 durch den Kolbenschaft 10 übertragen wird. Die beiden Kräfte F_N und R addieren sich zur übertragbaren Gesamtkraft F, für die gilt: F = sqrt(FN 2+ R2) = FN × sqrt(1 + μ2); μ = tg(β).
Die übertragbare Gesamtkraft F lässt sich ihrerseits zerlegen in eine Kraftkomponente F_X parallel zur Symmetrieachse 19 der Anordnung und in eine radiale, dazu senkrechte Kraftkomponente F_Y. Die Kraftkomponente F_X treibt den Bolzen 9 parallel zur Symmetrieachse 19 in den Werkstoff 23; die Kraftkomponente F_Y treibt den Bolzen 9 zurück in eine zentrierte Stellung, in der die Längsachse des Bolzens 9 und die Symmetrieachse 19 der Anordnung zusammenfallen.
Als ein wichtiges Ergebnis der analytischen Berechnungen für die beiden Kraftkomponenten F_X und F_Y – die der Einfachheit und Kürze halber hier nicht näher ausgeführt werden sollen – bleibt festzuhalten, dass die Reibung R zwischen Kolbenschaft 10 und Bolzen 9 bei diesen Betrachtungen auch bei großen Reibungskoeffizienten nur eine untergeordnete, vernachlässigbare Rolle spielt, sodass sich näherungsweise für μ = 0 FX = P/2 × (1 – cos(α)) und FY = P/2 × sin(α)ergibt. Die Voraussetzung dafür ist ein ausreichend starres Verhalten der Stoßfläche 7 des stoßenden Kolbenschaftes 10, wobei der Bolzen 9 im Prinzip beliebig ausgebildet sein kann. Für die Reibung zweier Stahlflächen gilt beispielsweise μ = 0,15, sodass obige Formeln eine gute Näherung darstellen.
Weiter ergibt die analytische Betrachtung dieses Problems ein Optimum der Rückstellkraft F_Y für einen Öffnungswinkel 18 von α = 90° (Innenkonus) und α = 270°. Dann gilt F_Y= 0,35 × P. Im Gegensatz dazu ergibt sich für eine plane Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes 10, d.h. für α = 180°, keine Kraftkomponente der Rückstellkraft (F_Y = 0).
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass der Reibungseinfluss zwischen Kolbenschaft 10 und Bolzen 9 in praktisch allen technisch denkbaren Fällen vernachlässigt werden kann und ein Öffnungswinkel 18 des Konusses 20 der Stoßfläche 7 von 90° optimal ist.
Insbesondere bei der in der Praxis auch bei einwandfreier Handhabung der herkömmlichen Bolzensetzgeräte 1 vorherrschenden relativ kleinen Schräglage des Bolzens 9 in der Größenordnung von 1° oder weniger – die aber für die Einleitung von Knickvorgängen und damit Versagen des Bolzens 9 absolut ausreichend ist – stellt nur die konische Stoßfläche 7 den Bolzen 9 vollständig in seine zentrische Symmetrieposition zurück. Bei allen anderen denkbaren Formen geht die Rückstellkraft F_Y gerade bei diesen kleinen Achsabweichungen rasch gegen Null. Dieser Umstand ist für die praktische Anwendung von entscheidender Bedeutung.
Im Folgenden sollen nun verschiedene Ausführungsformen des Systems Kolbenschaft 10 – Bolzen 9 beschrieben werden, wie sie sich gemäß den oben dargelegten Überlegungen ergeben.
In den 3A bis 3C sind drei Beispiele für eine Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes 10 mit Innenkonus 20 dargestellt, wobei der Öffnungswinkel 18 des Innenkonusses 20 die bevorzugten 90° beträgt. Der Kolbenschaft 10 von 3A besitzt einen exakten und vollständigen Innenkonus 20 und treibt einen Bolzen 9, der einen Bolzenkopf 21 in Form eines Kegelstumpfes aufweist. Der Kegelstumpf hat ebenfalls einen Öffnungswinkel von etwa 90°, sodass sich zwischen der Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes 10 und dem Bolzenkopf 21 eine Kontaktfläche ergibt.
An Stelle des spitzen Innenkonusses 20 kann auch ein Innenkonus 20 in der Form eines Kegelstumpfes verwendet werden. Im Beispiel von 3B treibt ein solcher Kolbenschaft 10 einen Bolzen 9 mit einem Bolzenkopf 21 mit Kugelabschnitten 21.1. Aufgrund der Kugelabschnitte 21.1 am Bolzenkopf 21 wird der Bolzen 9 vom Innenkonus 20 des Kolbenschaftes 10 nur tangiert, es bilden sich zwar statisch gesehen keine Kontaktflächen zwischen Kolbenschaft 10 und Bolzen 9, aber allein die Materialelastizität sorgt beim dynamischen Setzvorgang in der Regel auch bei leichtem Verkanten und damit einer Linienberührung zum Aufbau ausreichender Kontaktflächen.
Der Innenkonus 20 des in 3C dargestellten Kolbenschaftes 10 zeigt eine abgerundete Kegelspitze 20.4, wie sie in der Praxis zumeist einfacher und kostengünstiger herzustellen sein wird. Als Bolzen 9 ist in diesem Fall ein Bolzen mit einem kegelförmig gewölbten Bolzenkopf 21, der zum Bolzenschaft hin in einen Kegelabschnitt 21.3 übergeht, gezeigt. Durch die Kegelabschnitte 21.3 am Bolzenkopf 21 können hier wieder Kontaktflächen mit der konischen Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes 10 gebildet werden.
Bei den in 3B und 3C dargestellten Kolbenformen ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die gestoßenen Bolzen 9 so ausgebildet sind, dass sie nicht zu weit in den Innenkonus 20 hinein ragen und mit ihrer Spitze das Zentrum des Innenkonusses berühren. Weiter muss bei einem Kolbenschaft 10 mit Innenkonus 20 der Bolzenkopf 21 bzw. der Bolzen 9 einen regelmäßigen oder rotationssymmetrischen Querschnitt aufweisen, und die Stirnfläche 16 des Bolzenkopfes 21 bzw. des Bolzens 9 sollte konvex ausgebildet sein. Um vom Innenkonus 20 des Kolbenschaftes 10 erfasst werden zu können, sollte der Bolzenkopf 21 bzw. die Stirnfläche 16 des Bolzens 9 einen kleineren Öffnungswinkel als der Innenkonus 20 aufweisen. Die optimale zentrierende Wirkung des Systems wird bei konischer Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes 10 und konischer Stirnfläche 16 des Bolzens 9 erreicht, die vorzugsweise beide einen Öffnungswinkel von etwa 90° haben.
Eine zweite Gruppe von möglichen Ausführungsformen der Stoßfläche 7 bildet der Außenkonus 20.5, wie er in 4A und 4B dargestellt ist. Der Öffnungswinkel 18 des Außenkonusses 20.5 beträgt wiederum vorzugsweise 90°. 4A zeigt einen Kolbenschaft 10 mit Außenkonus 20.5 in Form eines Kegelstumpfes, wobei analog zum Innenkonus 20 von 3B die plane Stoßfläche 7 des Kegelstumpfes relativ nahe an der gedachten Kegelspitze liegt. Analog zum Innenkonus 20 von 3C kann auch hier die Kegelspitze der Stoßfläche 7 abgerundet sein (4B). Als Bolzen 9 ist für beide dargestellten Ausführungsformen des Außenkonusses 20.5 ein Bolzen mit einem Bolzenkopf 21 mit Innenkonus 21.5 gewählt.
Die zu dem erfindungsgemäßen System Kolbenschaft-Bolzen angestellten allgemeinen Überlegungen zum Innenkonus 20 des Kolbenschaftes 10 gelten entsprechend für den Außenkonus 20.5. Insbesondere sind für den Außenkonus 20.5 Bolzenköpfe 21 mit genügend tiefen zentralen Ausnehmungen zu wählen, der Öffnungswinkel des konkaven Bolzenkopfes 21 sollte größer als der Öffnungswinkel 18 des Außenkonusses 20.5 des Kolbenschaftes 10 sein, und eine optimale zentrierende Wirkung wird bei konischer Stoßfläche 7 und konischer Stirnfläche 16 – vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel von jeweils etwa 90° – erreicht.
Als weiteres Ausführungsbeispiel wird anhand von 5A die Variante eines Kolbenschaftes 10 mit konischem Zentrierzapfen 22 an seiner Stoßfläche 7 beschrieben. Der Zentrierzapfen 22 wird vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet, welcher zum Beispiel für Schrauben mit Innensechskant geeignet ist. Mit dem Pfeil ist wiederum die Stoßrichtung 17 angezeigt, während analog zu den übrigen Figuren mit 10 der Kolbenschaft, mit 9 der Bolzen, mit 21 der Bolzenkopf und mit 24 die konische Ausnehmung im Bolzenkopf 21 bezeichnet ist.
Analog zur Umkehrung der Verhältnisse zwischen Innenkonus und Außenkonus gemäß 3A bis 3C und 4A, 4B ist in dem Ausführungsbeispiel von 5B die Variante eines Kolbenschaftes 10 mit einer konischen Ausnehmung 24.1 und einem entsprechend konischen Zentrierzapfen 22.1 dargestellt.
Anhand von 6 soll im Folgenden kurz die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Systems beim Setzvorgang beschrieben werden. Zu Beginn des Setzvorgangs befindet sich der Kolbenschaft 10 in der Kolbenführungshülse 5 in der Ausgangsstellung 25. Der zu setzende Bolzen 9 ist aus der Symmetrieachse 19 der Anordnung ausgelenkt. Das Bolzensetzgerät 1 dieses Ausführungsbeispiels ist so ausgelegt, dass schon zu Beginn des Setzvorgangs bei der Kontaktierung von Kolbenschaft 10 und Bolzen 9 kein Abstand von der Bolzenspitze 28 zur Oberfläche des Werkstoffes 23 besteht.
Beim Bolzensetzen ist es zweckmäßig, und bei größeren Anstellwinkeln des Bolzens 9 auch funktionsmäßig notwendig, den Bolzen 9 möglichst in der Nähe der auftreffenden Bolzenspitze 28 ausreichend zu zentrieren, um die Differenz zwischen dem optimalen, zentralen Auftreffpunkt 27 und der Bolzenspitze 28 auf der Werkstoffoberfläche möglichst klein zu halten. Auf diese Weise wird der Setzvorgang während des Eindringens des durch den Kolbenschaft 10 zentrierten Bolzens 9 optimiert. In der Kolbenstellung 26 ist der Bolzen 9 bereits vollständig in der Anordnung zentriert, und kann somit optimal vollständig in den Werkstoff 23 eingetrieben werden.
Die hier vorgeschlagene Art des kontinuierlich zentrierenden Setzens ermöglicht grundsätzlich auch das Einbringen von zentrierten zylindrischen Bohrungen 29 im Kolbenschaft 10, ohne dass dadurch eine Einschränkung der Funktionsfähigkeit und der Setzleistung eintritt, wie dies in 9 dargestellt ist.
3D-Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass durch das Einbringen einer zentrierten Bohrung 29 bei Beschleunigung des Bolzens 9 keine nennenswerten Erhöhungen der Spannungen sowohl beim Bolzen 9 als auch beim Kolbenschaft 10 auftreten. Gerechnet wurde beispielsweise für einen Kolbendurchmesser von elf Millimetern und einen Bohrungsdurchmesser von drei Millimetern.
Die maximal auftretenden Belastungen beim Setzen des Bolzens 9 – hierbei treten die höchsten Spannungen auf – bestimmen die benötigten Flächen im konischen Bereich, um ein plastisches Fließen des Materials oder eine Aufweitung des konischen Bereichs zu vermeiden.
Über derartige Bohrungen 29 im Kolbenschaft 10 können zum Beispiel auch die Masse des Kolbenschaftes 10 und damit die auftretenden Spannungen beim Beschleunigen des Kolbenschaftes 10 und Bolzens 9 verändert werden. Auch lässt sich das Geschwindigkeitsprofil beim Setzvorgang durch diesen zusätzlichen Variationsparameter optimal verbessern. Weiterhin können sich derartige zentrierte Bohrungen 29 als günstig erweisen, wenn diese beispielsweise einen Stift aufnehmen sollen.
In 10 ist ein solches Anwendungsbeispiel gezeigt. Hier besitzt der Bolzen 9 an seiner vorderen Stirnfläche 16 einen Zentrierzapfen 31, der unter anderem zum Fixieren des Bolzens 9 im Kolbenschaft 10 vor Beginn des eigentlichen Setzvorganges dienen kann. Dies bewirkt eine zentrierte Position des Bolzens 9 vor Beginn des Setzens, während einer möglichen Beschleunigungsphase (freie Flugstrecke vor dem Setzen) und beim eigentlichen Setzvorgang und erleichtert die kontinuierliche Zentrierung, wie es zum Beispiel zu 3 beschrieben ist. Der Kolbenschaft 10 kann alternativ mit einer Bohrung 29 gemäß 9 oder mit einer Bohrung 30 Sackloch gemäß 10 versehen sein.
Das oben beschriebene System Kolbenschaft-Bolzen gemäß der vorliegenden, Erfindung ist für alle herkömmlichen und denkbaren Bolzensetzgeräte geeignet, wie sie beispielhaft in 7 dargestellt und im Einleitungsteil beschrieben sind.
Da für verschiedene Ausführungen von Bolzen 9 unterschiedliche Kolben 6 bzw. Kolbenschäfte 10 für die Zentrierung besonders geeignet sind, ist es vorteilhaft, das jeweilige Bolzensetzgerät 1 mit einem wahlweise austauschbaren Satz von verschiedenen Kolben 6 bzw. Kolbenschäften 10 auszustatten. Es ist beispielsweise denkbar, den Kolbenschaft 10 fest, aber lösbar, zum Beispiel durch Verschrauben oder durch Bajonettverschluss, mit dem Kolben 6 zu verbinden und das Bolzensetzgerät 1 so zu konstruieren, dass der Kolben 6 für den Nutzer zugänglich gemacht werden kann.

Claims

Vorrichtung zum Setzen von Bolzen, Nägeln, Stiften oder dergleichen Befestigungsmitteln (9), bestehend im Wesentlichen aus einem Bolzensetzgerät (1) mit einem geführten Kolbenschaft (10) und einer manuellen bzw. automatischen Zuführung für das Befestigungsmittel (9), wobei die Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) gegen die zugeordnete Stirnfläche des Befestigungsmittels (9) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die die Eintreibkraft im Wesentlichen übertragende bzw. aufrecht erhaltende und zur Stoßrichtung (17) in erster Näherung senkrechte plane Fläche der Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) mit einer axial dynamisch ausrichtenden und während des daran anschließenden Eintreibvorgangs kontinuierlich wirkenden konvexen oder konkaven Zentriereinrichtung (20, 20.5, 22, 24.1) versehen ist, und dass das Befestigungsmittel (9) an seiner dem Kolbenschaft (10) zugewandten Stirnfläche (16) ebenfalls mit einer entsprechenden planen Stoßfläche und einer konkaven oder konvexen Zentriereinrichtung (21.1, 21.3, 21.5, 22.1, 24) versehen ist, die mit der Zentriereinrichtung (20, 20.5, 22, 24.1) des Kolbenschaftes (10) geometrisch korrespondiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Fläche der Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) einen nach innen oder nach außen verlaufenden konisch geformten zentralen Bereich aufweist, während die zugeordnete plane Fläche der Stirnfläche (16) des Befestigungselements (9) rotationssymmetrisch oder im Querschnitt regelmäßig ist und in dem zentralen Bereich konisch nach außen oder nach innen oder konkav oder konvex geformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) einen nach innen oder nach außen verlaufenden konisch geformten äußeren Ringbereich aufweist, während die zugeordnete Stirnfläche (16) des Befestigungselements (9) rotationssymmetrisch oder im Querschnitt regelmäßig ist und in dem äußeren Ringbereich konisch nach außen oder nach innen oder konkav oder konvex geformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) mit einem Innenkonus (20) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (18) vom Innenkonus (20) etwa 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) mit einem zentralen Zentrierzapfen (20.5, 22) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierzapfen (20.5, 22) des Kolbenschaftes (10) ein Kegelstumpf ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierzapfen (20.5, 22) des Kolbenschaftes (10) eine ballige oder kugelige Oberfläche besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten des Zentrierzapfens (20.5, 22) des Kolbenschaftes (10) abgerundet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel (18) des Zentrierzapfens (20.5, 22) des Kolbenschaftes (10) etwa 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Stoßfläche (7) des Kolbenschaftes (10) einen achsensymmetrischen äußeren konischen Zentrierring aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel des äußeren Zentrierrings des Kolbenschaftes (10) etwa 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkonus bzw. der Außenkonus der Zentriereinrichtung (20, 20.5, 22, 24.1) der planen Stoßfläche (7) ein rotationssymmetrisches, mehrflächiges Element darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel der konkaven Zentriereinrichtung von Kolbenschaft (10) oder Bolzenkopf (21) geringfügig größer ist als der Öffnungswinkel der geometrisch korrespondierenden, konvexen Zentriereinrichtung von Bolzenkopf (21) bzw. Kolbenschaft (10).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriereinrichtung (21.1, 21.3, 21.5, 22.1, 24) in der Stirnfläche (16) am Bolzen eine Bohrung mit Gewinde oder ein Innensechskant darstellt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (10) eine zentrale Bohrung (29, 30) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) oder Teile des Kolbens (6) wahlweise austauschbar im Bolzensetzgerät (1) montiert sind.