Solche eingangs genannten Systeme werden vor allem in Form von Bolzen- setzgeräten zum Einschießen von Spezialnägein oder Bolzen insbesondere in harte Untergründe, wie Stahl oder Beton, benutzt, um Bauelemente, wie bei- spielsweise 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 soiche Geräte insbesondere den Vorschriften der Physikalisch-Tech- nischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig I Deutschland genügen.

Ein solches Bolzensetzgerät ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchs- muster DE-G 89 15 510.6 der Anmelderin bekannt. Anhand von Figur 1 sollen die wesentlichen Bestandteile und die prinzipielle Funktionsweise eines aus dem Stand der Technik und insbesondere aus der DE-G 89 15 510.6 bekannten Bol- zensetzgerätes erkiärt und beschrieben werden.

Ergänzend zu der in der DE-G 89 15 510.6 angegebenen Figur 1 und entspre- chend der im Vordergrund stehenden automatischen Zuführung des Befesti- gungsmittels aus einem Magazin ist die entsprechende Vorrichtung zusätzlich eingezeichnet.

Ein mit einem Magazin 3 versehenes Boizensetzgerät 1 besteht im wesentlichen aus einem Gerätegehäuse 2 und einer Kolbenführungshülse 5, aus einem Treibkolben 6 und einer Bolzenführung 8. Der zu setzende Bolzen 9, hier mit ei- nem Bolzenkopf 9.1 und einem einteiligen Sabot (Führungsteil) 4 versehen, wird

in die Bolzenführung 8 automatisch zugeführt. Über die Stoßfläche 7 eines mit dem Treibkolben 6 verbundenen Treibkolbenschaftes 10 wird das Befesti- gungselement 9 eingetrieben. Beim Bolzensetzen wird das Gerät 1 über die Stirnfläche 11 der Bolzenführung 8 durch die Andruckbewegung über die Kol- benführungshülse 5 schußfertig gemacht, indem in nicht näher beschriebener Weise ein Patroneniager 12 im rückwärtigen Teii der Kolbenführungshüise 5 über eine bereitstehende Treibladungspulverkartusche gestütpt und eine SchEagbolzenfeder gespannt wird. Nach Auslösen des Abzuges wird die Kartu- sche abgefeuert und der Treibkolben 6 nach vorne bewegt. Der Bolzen 9 wird dadurch in das Befestigungsmaterial 13 bzw. den Setzuntergrund 14 getrieben.

Ein Bolzensetzgerät mit dem oben genannten Magazin zur automatischen Zu- führung des Befestigungsmittels ist beispielsweise in der DE 37 02 364 A1 of- fenbart. Bei dieser Ausführung werden die Befestigungseiemente über ein an dem Gerätegehäuse anbringbares Magazin in die Bolzenführung geladen. Die Funktionsweise ist bei diesem Gerät prinzipiell analog der anhand von Figur 1 beschriebenen.

Zum besseren Herausstellen der der Erfindung zugrunde liegenden Idee und zur Abgrenzung gegenüber bereits vorhandenen Systemen ist es zweckmäßig, bei den Befestigungselementen 9 zwischen solchen zu unterscheiden, die in ihrer technischen Ausgestaltung über Führungsteile (Sabots) in der Führungshülse positioniert sind, und solchen, die entweder mittels Führungsscheibe und Bol- zenteller geführt werden bzw. auf der Kolbenstangenseite in entsprechende Bohrungen bzw. Sacklöcher bündig zur Schiagftche eingesetzt werden. Das in Figur 1 gezeigte Prinzip eines einteiiigen bolzenführenden Elementes 4 eignet sich ; n besonderer Weise für eine halb-bzw. voliautomatische Zuführung der Befestigungsmittel. Für ein breites Anwendungsgebiet mit unterschiediichen Bolzenlängen ist dabei davon auszugehen, daß der Bolzenkopf 9.1 beim Auslö- sen des Setzvorgangs weder bündig zur Stoßfläche 7 sitzt, noch axial einwand- frei (100%) ausgerichtet ist.

Im folgenden werden vier Patentschriften zum Stand der Technik kommentiert, bei denen der Bolzenkopf grundsätzlich bündig zur Stoßfläche, meist mittels ei- ner speziellen Vorrichtung, positioniert wird.

In der Patentschrift US 36 90 536 werden insbesondere in den Figuren 1 und 7 Ausführungen zu Gewindebolzen mit entsprechenden Treibkoiben gemacht. In Fig. 7 sitzt der Gewindebolzen mit seinem Gewinde in einer passenden Führung mit konischem Boden, wie er bei Sacktochbohrungen üblich ist. Das kegelige Ende der Bohrung dient nicht der Zentrierung, da der gesamte Gewindeteil des Gewindeboizens formschlüssig eingesetzt ist. In der dargestellten Ausführung ist auch das Übertragen größerer Kräfte nicht mögiich, da es unweigerlich zu Aufweitungen der den Gewindebolzen umfassenden Hülse im Bereich des Ko- nusses käme. Außerdem würden die hinteren Gewindegänge unbrauchbar wer- den.

Eine ähnliche Anordnung ist in der Patentschrift DE-GM 18 72 698 gezeigt. Hier wird offenbart, daß ein Verankerungsstift (Gewindebolzen) unter möglichst ge- nauer Zentrierung seines vorderen und rückwärtigen Endes genau axial einge- trieben 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 aufgescho- benen Lochscheibe 19 zentriert. In Kombination mit dieser auf den Gewindebol- zen aufgezogenen Lochscheibe 19 sind am rückwärtigen Ende des Gewinde- boizens ebenfalls Führungsmittel vorgesehen, die in Fig. 5 in zwei Ausführungs- beispiefen dargestellt sind. Bei der einen Darstellung ist am Stirnende 3 des Schubstücks (Kolben) ein zentraler, zyiindrischer Ansatz 46 vorgesehen, wäh- rend bei der anderen Darstellung der zyiindrische Zentrieransatz 47 am rück- wärtigen Ende des Gewindeboizens selbst angebracht ist. In den Fig. 1 ist ein derartiger Zentrieransatz hinter dem Gewinde kegelig ausgebildet und wird zu- sammen mit dem Gewinde formschiüssig von der entsprechenden Ausnehmung im Stirnende des Schubstücks (Kolben) aufgenommen. Aus der Abbildung 5 geht hervor, daß der Gewindeboizen in seinem hinteren Teil in etwa dem Durchmesser der Bolzenführung (Kolbenschaft) entspricht. Bei den zylindri- schen, zentralen Zentrierzapfen handelt sich dann um formschlüssige Einrich-

tungen, die lediglich ein Ausweichen des Gewindebolzens aus der Achse wäh- rend des Eintreibens verhindern sollen.

Diese Zentriereinrichtung bezieht sich somit ausschließlich auf den eigentlichen, reinen Eintreibvorgang des Gewindebolzens, nicht jedoch auf die axiale Aus- richtung eines nicht einwandfrei axial positionierten Befestigungselementes.

Die sowohl in der Patentschrift US 36 90 536 als auch bei der hier diskutierten Patentschrift DE-GM 18 72 698 vorgesehene, vordere Scheibe zur Führung des Befestigungselementes erfordert unbedingt eine weitere, hintere Führung, die in beiden Fäilen durch ein Gewindeteil wahrgenommen wird. Ein Zentrieren z. B. eines nicht einwandfrei axial positionierten Setzelementes zu Beginn des Vor- ganges ist also nicht vorgesehen und nach den gezeigten Ausführungen auch nicht mögiich.

In der Patentschrift DE-GM 66 07 258 ist der zu befestigende Bolzen besonders tief in eine entsprechende Bohrung im Kolben eingeführt. Er wird damit tedgiich während des Eintreibens über die Bohrung fixiert. Dieses System ist gegenüber auftretenden lateralen Kräften während des Eintreibens besonders anfäilig.

Auch können wegen der sehr geringen Heckfläche des Bolzens keine größeren Setzkräfte übertragen werden.

Bei den bisher offenbarten Botzensetzgeräten wird der jeweilige Gewindebolzen aufgrund der Ausnehmung im Kolbenschaft immer so gesetzt, daß das Gewinde oberhalb vom Befestigungsmaterial bleibt. Ein sogenanntes kopfbündiges Set- zen, bei der die Stimfläche des Bolzenkopfes mit der Oberfiäche des Befesti- gungsmaterials abschließt, z. B. bei Schalungsplatten aus Holz etc. ist so nicht möglich.

In der Patentschrift DE-GM 19 69 094 ist eine Kolben-Bolzen-Anordnung ge- zeigt, bei der die axiale Führung des zu setzenden Bolzens über einen balligen Bolzenkopf und eine auf den Bolzen aufgesetzte Zentrierscheibe erfotgt. Eine solche Anordnung wird weitgehend von a ! ien marktgängigen Botzensetzgeräten verwendet. Ein dynamisches Zentrieren während der Beschteunigungsphase

des Setzelementes 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 Befestigungsmateriais zum Still- stand kommt.

Die in diesen Patentschriften dargestellten Lösungen setzten mehrheitlich ent- weder kurze Setzwege in homogene Werkstoffe voraus oder bedingen relativ geringe Lateralkräfte, damit bei den vorgesehenen langen und formschlüssigen Führungen keine unzuiässigen Verformungen bzw. keine Ausbrüche insbeson- dere 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 beiiebiger Kopfform den Anforderungen eines einwandfreien Zentrie- rens des Befestigungselementes nach der Zuführung und in Ergänzung dazu auch beim anschließenden Eintreibvorgang nicht gerecht wird.

Bei den nicht fest durch Ausnehmungen im Kolbenschaft eingesetzten Boizen- köpfen, 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 Rech- nung getragen wird. Dieser Umstand führt bei technisch anspruchsvolleren Setzvorgängen regelmäßig zu einer erheblichen Verminderung der Setzieistung 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 Bei- spiel durch Aufweitungen im Bereich der Kontaktfiächen 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 Betriebs- zeit führt.

Die Figuren 8A bis 8C zeigen Ergebnisse von 3D-Simuiationsrechnungen für das Setzen eines Bolzens 9 in einem homogenen Werkstoff 14, wie er mit her- kömmlichen Bolzensetzgeräten 1 üblich ist. In der Ausgangsstellung von Figur 8A ist der Botzen 9 mit planer rückseitiger Stirnfläche 9.2 um iediglich 1° ange- stellt, d. h. um 1° aus dem rechten Winkel zur ebenen Oberfläche des Werk- stoffes 14 ausgelenkt. In optimaler Position würden der Bolzen 9 mit seiner Längsachse exakt auf der Symmetrieachse des Kolbens 6 bzw. 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 Werkstoffober- fläche zu Beginn des Setzvorgangs, mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 50 m/s in den Werkstoff 14. Die Computerberechnungen zeigen ein rasches An- wachsen der Anstellung während des Eindringens des Bolzens 9 in den Werk- stoff 14 (Figur 8B). Außerdem ist ein früh einsetzendes Abknicken des Bolzens 9 zu erkennen (Figur 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 Setzleistungen.

Gleichzeitig belegen sie die Notwendigkeit einer axialen Ausrichtung und des exakten Führens des Bolzens 9 während des dynamischen Setzvorganges.

Auch geringe Anstellungen des Bolzens 9 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 seitli- che Ausweichen des Bolzens 9 Teile des Setzgrundes (Kiesel) mit zum Teil er- heblichen Geschwindigkeiten herausgelöst werden. Außerdem haben Versuche gezeigt, daß auch der Bolzen selbst durch sein Ausweichen aus der Achse im Setzmaterial mit erheblicher Geschwindigkeit abgleiten oder seitlich aus der Setzseite austreten kann. Dadurch wird die Arbeitssicherheit stark beeinträch- tigt.

Weiterhin ist bei der Notwendigkeit einer größeren Eintreibkraft eine entspre- chend croße Kraftübertragungsfläche erforderlich. Hier haben Computer-Simu- lationsrechnungen bestätigt, daß konische oder sonstige zur Bewegungsrich-

tung des Bolzens geneigte Stoßflächen bei der Übertragung größerer Setzkräfte auch bei hochwertigen Materialien zu unzuiässig hohen Lateralspannungen im Kolben führen. Da die zur dynamischen Ausrichtung erforderiichen Rückstell- kräfte im Vergleich zu der Eintreibkraft klein sind, ist eine Trennung der Funktio- nen axiales Ausrichten und Übertragen der Eintreibkraft besonders vorteilhaft bzw. angezeigt. Aus geometrischen Überlegungen folgt, daß es dabei beson- ders sinnvoll ist, den zentrierenden Teil zentral vorzusehen und die verbleibende äußere Ringfläche zur Übertragung der Hauptkraft einzusetzen.

Bei besonderen Ausgestaltungen des Bolzens, beispieisweise wenn dieser im zentralen Bereich keinen Zentrierteil zuläßt, kann es auch sinnvoll sein, über ei- nen entsprechenden äußeren Zentrierring auf der Kolbenschaftseite zu zentrie- ren. Die entsprechenden Zentrierkräfte müssen aber zur Vermeidung von Ver- formungen der Bolzenkopfläche relativ klein sein.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Setzen von Bolzen vorzusehen, das die oben genannten Nachteile vermeidet, eine dynami- sche Zentrierung des Befestigungselementes sicherstellt und dessen optimale Ausrichtung und anschiießende Führung während des gesamten Setzvorganges bei gleichzeitiger Sicherstellung einer großen Eintreibkraft gewährleistet.

Dieses Ziel wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die konische Ausgestaltung eines Teils der stoßenden Fläche des Kolben- schaftes gewährleistet ein Zentrieren des Bolzens sowohl zu Beginn der Be- schieunigungsphase-bei einem Spiel zwischen der Kontaktierung von Kolben- schaft und Bolzenkopf und dem Auftreffen des Bolzens auf den Werkstoff-als auch während des gesamten Setzvorgangs. Dies schließt sowohl ein Rückstei- len von nicht genau axial positionierten Bo) zen. ats auch das Vermeiden eines Abweichens aus der Achse während des Eintreibens des Bolzens ein. Die Geometrie der hinteren Stimfläche des Bolzens kann dabei in bestimmten Grenzen frei gewählt werden. Es ist lediglich darauf zu achten, daß eine ausrei- chend große Fläche zur axialen Übertragung der Eintreibkraft vorhanden ist.

Das erfindungsgemäße System ist prinzipiell in allen gängigen und denkbaren Bolzensetzgeräten einsetzbar.

Ein wesentliches Merkmal der hier vorgeschlagenen Zentriermittel besteht darin, daß auch bei einer Abweichung der Spitze des Befestigungselementes aus der Achse während des Eintreibens dadurch keine Schäden im Kolbenbereich auf- treten, indem ein Ausweichen bzw. eine Drehbewegung des Befestigungsmitteis während des Setzvorgangs zulassen wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Öffnungswinkel der konischen Geometrie des zentrierenden Teils der Kolbenstoßfläche von etwa 90° beson- ders für das Zentrieren des Bolzens geeignet.

In einer besonderen Weiterbildung ist der Treibkolbenschaft im Treibkolben wahlweise austauschbar befestigt, so daß für das Bolzensetzgerät ein Satz von verschiedenen Kolben für unterschiedliche zu setzende Bolzen verwendet wer- den kann.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Anhand der Figuren werden im folgenden verschiedene Ausführungsformen und das Grundkonzept des erfindungsgemäßen Systems näher erläutert. Es zeigen : Figur 1 Ein Bolzensetzgerät im Schnitt ; Figur 2A 2D-Computersimulation für das Übertragen einer grö- ßeren Eintreibkraft 19 mittels planer Kraftübertra- gungsfläche 22 und konischer Zentrierfläche 21 auf den Bolzen 9 ; Figur 2B 2D-Computersimulation für das Übertragen einer gord- ßeren Eintreibkraft 19 mittels konischer Zentrierftäc'ne 20 auf den Bolzen 9 ;

Figur 3A ein Kräftediagramm zur Erläuterung der vom Kolben auf den Bolzen übertragenen Kräfte in der dynami- schen Zentrierphase ; Figur 3B ein Kräftediagramm zur Eriäuterung der vom Kolben auf den Bolzen übertragenen Kräfte in der dynami- schen Zentrierphase unter Berücksichtigung von Rei- bung ; Figur 4A System Kolben/Bolzen mit innenzentrierung über Ke- gelstumpf 23 ; Figur 4B System Kolben/Bolzen mit Innenzentrierung über Ku- gelsegment 25 ; Figur 5 System Kolben/Bolzen mit Außenzentrierung über Ke- gelstumpf 31. 1 ; Figur 6 System Kolben/Bolzen mit Innenzentrierung über eine ballige Fläche 30 ; Figur 7A System Kolben/Bolzen mit Kolbenschaft 10.1 und Boh- rung 32 ; Figur 7B System Kolben/Bolzen mit Kolbenschaft 10.2 und Auf- satzstück 33 mit Bohrung 32.1 ; Figur8A/B/C 3D-Computersimulation für das Setzen eines um 1° angestellten Bolzens ohne Zentriervorrichtung mit ei- nem herkömmlichen Bolzensetzgerät.

Die Figuren 2A und 2B zeigen die Ergebnisse von den 2D-Computersimu- lationen. Gegenübergestellt werden die Daten der Kombination einer zentralen, dynamisch wirkenden Zentriereinrichtung mittels konischer Zentrierfltkche 21 und planer Kraftübertragungsfläche 22 (Fig. 2A) und eine Lösung, bei der so- wohl das Zentrieren als auch die Übertragung der axialen Stoßkraft 19 über ei- nen Konus 20 erfoigt (Fig. 2B).

Für die Simuiationsrechnungen wurden folgende Daten gewählt : Kolbenschaftdurchmesser = 11 mm ; StoBgeschwindigkeit = 40 m/s ; Materialfestigkeit des Kolbens = 1200 MPa ;

Heckdurchmesser des Bolzens = 8 mm ; Materialfestigkeit des Bolzens = 2000 MPa.

Bei dem in Fig. 2B gezeigten Beispiel treten bereits plastische Dehnungen von über 5 % auf. Die Verteilung der insbesondere im Kolbenschaft 10 auftretenden hohen Spannungen zeigt, daß bei einer konischen Gesamtlösung sehr rasch unzulässig hohe Lateralspannungen auftreten, die zu einer plastischen Verfor- mung bis hin zu einer Zerstörung im Bereich der konischen Stoßfläche 20 des Kolbenschaftes 10 führen. Da zudem noch der Kolbenschaft 10 in der Hülse 8 geführt ist, wird damit auch die Funktion des gesamten Bolzensetzgerätes stark beeinträchtigt.

Demgegenüber liegen die Spannungswerte beim in Fig. 2A gezeigten Beispiel noch im zulässigen Rahmen. Außerdem können sie bei dieser Lösung durch Veränderung der planen Flache am Bolzenheck sehr einfach an die jeweils er- forderlichen, zuiässigen Spannungen angepaßt werden.

Die maximal auftretenden Belastungen beim Setzen des Bolzens 9-hierbei treten die höchsten Spannungen auf-bestimmen die benötigten Flächen im zur Setzrichtung senkrechten Bereich, um ein plastisches Fließen des Materials oder eine Aufweitung des konischen Bereiches zu vermeiden.

Anhand der Figuren 3A und 3B soil das Grundkonzept der Erfindung näher er- läutert werden. Im Anschluß daran werden anhand der Figuren 4 bis 7B bei- spielhaft bestimmte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Systems be- schrieben.

Das Kräftediagramm von Figur 3A veranschaulicht die Kräfte vom in Richtung des Pfeiles 19 stoßenden Kolbenschaft 10 des Treibkolbens 6 auf den gestoße- nen Bolzen 9. Der Kolbenschaft 10 ist in der Bolzenführung 8 geführt und weist eine plane Stoßfläche 22 zur Übertragung der Eintreibkraft 19 auf die plane Bol- zenheckfläche22.1auf,sowieeineZentrierfiäche26vonkonischer Geometrie mit einem Öffnungswinkel (a) 27.

Die gesamte Anordnung aus Kolbenschaft 10 und Bolzenführung 8 ist zur Achse 28 rotationssymmetrisch. Der Zentrierzapfen 18 des Bolzens 9 besitzt bei die- sem Beispiel eine plane Stirnfläche 29 und seine Längsachse 28.1 ist aus der Symmetrieachse 28 ausgelenkt bzw. schließt einen Winkel mit dieser ein. Der Querschnitt des Bolzens 9 ist entweder ebenfalls rotationssymmetrisch oder be- sitzt einen regelmäßigen Umriß wie beispielsweise ein regelmäßiges Vieleck.

Dies kann grundsätzlich auch für den Zentrierzapfen 18 gelten. Besonders wichtig ist dies für den Fall, wenn im Anschluß an den Setzvorgang auf den Bol- zen noch ein Drehmoment ausgeübt werden soll. Dies gilt sinngemäß auch für den Fall, daß der Bolzen eine Zentrierbohrung enthält.

Im Kräftediagramm für die Zentrierphase zu Beginn des Setzvorgangs ist die Stoßkraft am Kolbenschaft 10 mit P bezeichnet. Wie aus Figur 3A zu entneh- men ist, kann die Stoßkraft P in eine Normalkomponente} FN = P * sin (aJ2) und eine Tangentialkomponente FT = P *cos (c/2) zerlegt werden.

Im Kräftediagramm von Figur 3B ist zusätzlich zur Normalkomponente FN der Stoßkraft P die Reibungskraft R eingezeichnet, die ebenfalls auf den gestoße- nen Bolzen 9 durch den Kolbenschaft 10 übertragen wird. Die beiden Kräfte FN und R addieren sich zur übertragbaren Gesamtkraft F, für die gilt : F=4 (FN2+R2) = FN (1 + u) ; u = tan (ß).

Die übertragbare Gesamtkraft F während des dynamischen Zentriervorgangs läßt sich ihrerseits zerlegen in eine Kraftkomponente Fx paraliel zur Symmetrie- achse 28 der Anordnung und in eine radiale, dazu senkrechte Kraftkomponente Fy. Die Kraftkomponente Fx treibt den Bolzen 9 parallel zur Symmetrieachse 28 durch das Befestigungsmaterial 13 in den Setzuntergrund 14, die Kraftkompo- nente Fy stellt den Bolzen 9 zurück in eine zentrierte Stellung, in der die Längs- achse 28.1 des Bolzens 9 und die Symmetrieachse 28 der Anordnung zusam- menfallen.

Ein wichtiges Ergebnis der analytischen Berechnur, gen für die beiden Kraftkom- ponenten Fx und Fy-die der Einfachheit und Kürze halber hier nicht näher aus-

geführt werden sollen-ist, daß die Reibung R zwischen Kolbenschaft 10 und Bolzen 9 bei diesen Betrachtungen auch bei großen Reibungskoeffizienten nur eine vemachlässigbare Rolle spielt, so daß sich näherungsweise ergibt : F, = P/2 * (1-cos (a)) und Fy = P/2 * sin (a).

Die Voraussetzung dafür ist ein ausreichend starres Verhalten der Stoßfläche 7 des stoßenden Kolbenschaftes 10, wobei der Bolzen 9 im Prinzip beliebig aus- gebildet sein kann. Für die Reibung zweier Stahtftächen gilt beispielsweise > = 0,15, so daß obige Formeln eine gute Näherung darstellen.

Weiter ergibt die analytische Betrachtung dieses Problems ein Optimum der Rückstellkraft Fy für einen Öffnungswinkel 27 von a = 90° (Innenkonus) und = 270° (Außenkonus). Dann gilt Fy=0, 35 * P. im Gegensatz dazu ergibt sich für eine plane Stoßfläche 7 des Kolbenschaftes, d. h. für a = 180°, keine Kraftkomponente der Rückstellkraft (Fy = 0).

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, daß der Reibungseinfluß zwischen Kol- benschaft 10 und Bolzen 9 in praktisch allen technisch denkbaren Fätten ver- nachlässigt werden kann und ein Öffnungswinkei 27 des Konusses 26 der Kol- benstoßfläche 7 von a = 90° optimal ist.

Die oben dargelegten Überlegungen und Zusammenhänge gelten entsprechend auch für den Fall, daß die Führung über einen äußeren Zentrierring erreicht werden soll.

Insbesondere bei der in der Praxis auch bei sorgfältiger Zuführung des Bolzens 9 vorherrschenden, relativ kleinen Schräglage des Bolzens 9 in der Größenord- nung von 1 Grad oder weniger-die aber für Verkantungen und damit verbun- dene Ausbrüche am Kolbenschaft 10 und für die Einleitung von Knickvorgängen und damit Versagen des Bolzens 9 absolut ausreichend sind-stellt die konische Zentrierfläche 26 den Bolzen 9 vollständig in seine zentrische Symmetrieposition zurück, so daß die Eintreibkraft 19 über die plane Flächen 22 bzw. 22.1 optimal

übertragen werden kann. Bei allen anderen denkbaren Formen geht die Rück- stettkraft Fy gerade bei diesen kleinen Achsabweichungen rasch gegen Null.

Dieser Umstand kann für die praktische Anwendung von entscheidender Be- deutung sein.

Im folgenden sollen nun verschiedene Ausführungsformen des Systems Kol- benschaft 10-Bolzen 9 beschrieben werden, wie sie sich gemäß den oben dar- gelegten Überlegungen ergeben.

Dargestellt ist jeweils die Ausgangsposition, bei der die Symmetrieachsen 28 bzw. 28.1 von Kolbenschaft 10 und Bolzen 9 noch einen Abstand haben bzw. einen Winkel einschließen und ein Aufsetzen der planen Fläche 22 auf die plane Fläche 22.1 noch nicht erfolgt ist. In allen gezeigten Beispielen wird die Eintreib- kraft 19 hauptsächlich nach erfolgter dynamischer Zentrierung über die planen Flächen 22 und 22.1 übertragen.

In den Figuren 4A und 4B sind zwei Beispiele für eine plane Stoßfläche 22 mit Zentriereinrichtung des Kolbenschaftes 10 (Kolben 6) und Innenkonus 26 als konischem Zentrierteil dargestellt. Der Kolbenschaft 10 von Figur 4A besitzt ei- nen exakten und voliständigen innenkonus 26 und treibt einen Bolzen 9, der ei- nen Bolzenkopf 9.1 mit einem zentralen Kegelstumpf 23 aufweist.

An Stelle des spitzen lnnenkonusses 26 kann auch ein Innenkonus 26.1 in der Form eines Kegelstumpfes verwendet werden. Im Beispiel von Figur 4B treibt ein solcher Kolbenschaft 10 einen Bolzen 9 mit einem Bolzenkopf 9.1 und einem Kugelabschnitt 25 als bolzenseitiger Zentriereinrichtung. Aufgrund des Kugelab- schnittes 25 auf dem Bolzenkopf 9.1 wird der Bolzen vom lnnenkonus 26.1 des Kolbenschaftes 10 nur tangiert. Es bilden sich zwar, statisch gesehen, keine Kontaktflächen zwischen Kolbenschaft 10 und Bolzen 9, aber allein die Mate- rialelastizität sorgt beim dynamischen Setzvorgang in der Regel auch bei leich- tem Verkanten und damit einer Linienberührung für den Aufbau ausreichender Kontaktflächen. Durch die konische Fläche 26.1 auf der Kolbenseite ist dann ei- ne ausreichende Zentrierkraft sichergestellt.

Bei einem Kolbenschaft 10 mit Innenkonus 26 oder 26.1 muß der Bolzenkopf 9.1 bzw. der Bolzen 9 einen regelmäßigen oder rotationssymmetrischen Quer- schnitt aufweisen. Um vom Innenkonus 26 oder 26.1 des Kolbenschaftes 10 erfaßt werden zu können, sollte das Zentrierteil 23 oder 25 des Bolzenkopfes 9.1 einen kleineren Offnungswinkel als der Innenkonus 26 bzw. 26.1 aufweisen.

Eine optimale zentrierende Wirkung des Systems wird bei konischer Zentrierfiä- che 26 bzw. 26.1 des Zentrierteils im Kolbenschaft 10 und konischer Ausfüh- rung des Zentrierteils 23 am Bolzenkopf 9.1 erreicht.

Eine zweite Gruppe von möglichen Ausführungsformen des Zentrierteils der Kolbenstoßfläche 7 bildet die. Außenkegelform 31, wie beispielhaft in Figur 5 als zentraler Kegelstumpf 31.1 dargestellt. Der Kegelwinkel 27.1 des Außenkegel- stumpfes 31.1 beträgt wiederum vorzugsweise 90°.

Die zu dem erfindungsgemäßen System Kolben/Bolzen angestellten aligemei- nen Überlegungen zum Innenkonus 26 des Kolbenschaftes 10 gelten entspre- chend für den Außenkegel 31. Insbesondere müssen entsprechend dem zen- tralen Außenkegetstumpf 31.1 der Zentriereinrichtung Bofzenköpfe 9.1 mit ge- nügend tiefen, zentralen Ausnehmungen ausgewähit werden. Der Öffnungswin- kel 27.2 des konkaven Zentrierteils im Bolzenkopf 9.1, das als innenkegel- stumpf 31.2 ausgebildet sein kann, sollte etwas größer als der Kegelwinkel des Außenkegelstumpfes 31.1 am Kolbenschaft 10 sein. Eine optimale zentrierende Wirkung wird mit einem konischen Zentrierteil 31.1 am Kolbenschaft 10 und ko- nischer Ausführung des Zentrierteils 31.2 im Bolzenkopf 9.1-vorzugsweise mit einem Öffnungswinkel von jeweils etwa 90°-erreicht.

Eine weitere zur Figur 4A ähnliche Anordnung ist in Figur 6 gezeigt. Hier ist am Bolzenkopf 9.1 ein kurzer zylindrischer Zapfen 24 angeordnet, der über eine baliige Zentrierfläche 30 und den Innenkonus 26 im Treibkolbenschaft 10 die zentrierende Wirkung gewährleistet.

Für den Fall, daß auf der Bolzenseite über das konkave oder konvexe Zen- trierelement im Bolzenhopf noch ein Drehmoment aufgebracht werden soll, ist das Zentrierelement entsprechend auszugestalten. Dies kann z. B. über mehr-

flächige, rotationssymmetrische Formen geschehen wie Dreieck, Vier-oder Sechseck oder über sternförmige oder sonstige symmetrische Formgebungen.

Die beschriebenen Zentrierfunktionen sind auch dann gewährieistet, wenn z. B. das Zentrierteil im Bolzenkopf als Bohrung mit Gewinde oder als Innensechs- kant ausgebildet ist. In diesem Falle würde ein Kegel (entsprechend Fig. 5) oder ein in die Bohrung greifender kurzer Zapfen auf der Kolbenseite das Zentrieren sicherstellen.

Die hier vorgeschlagene Art des dynamischen axialen Ausrichtens und des sich daran übergangslos anschließenden, kontinuierlich zentrierenden Setzens er- möglicht grundsätzlich auch das Einbringen von zentralen, zylindrischen Boh- rungen 32 im Kolbenschaft 10.1, ohne daß dadurch eine Einschränkung der Funktionsfähigkeit und der Setzleistung eintritt, wie dies in Figur 7A dargestellt ist.

2D-Computersimulationen haben gezeigt, daß durch das Einbringen einer zen- tralen Bohrung 32 bei der Beschleunigung des Bolzens 9 keine nennenswerte Erhöhungen der Spannungen sowohl beim Boizen 9 als auch irn Kolben 6 bzw.

Kolbenschaft 10.1 auftreten. Simuliert wurde beispielsweise ein Kolbenschaft- durchmesser 10.1 von 11 mm mit einer Bohrung 32 von 3 mm.

Über derartige Bohrungen 32 im Kolben 6 bzw. Kolbenschaft 10.1 können zum Beispiel auch die Masse des Treibkolbens 6 bzw. Kolbenschaftes 10.1 und da- mit die auftretenden Spannungen beim Setzvorgang verändert werden. Auch läßt sich das Geschwindigkeitsprofil beim Setzvorgang durch diesen zusätzli- chen Variationsparameter optimal anpassen. Weiterhin können sich derartige zentrale Bohrungen 32 als günstig erweisen, wenn diese beispielsweise einen Stift o. ä. aufnehmen sollen. Beispielsweise könnte der Bolzenkopf 9.1 an seiner Stirnfläche 22.1 einen zylindrischen Fixierstift (Zapfen) besitzen, der mit der zentralen Bohrung 32 am Kolbenschaft 10.1 korrespondieren kann. Dies bewirkt eine nahezu zentrierte Position des Bolzens 9 vor dem Beginn des eigentlichen Setzvorgangs und während einer möglichen Beschteunigungsphase (freie Flug- strecke vor dem Setzen) bzw. beim Auftreffen des Kolbenschaftes 10 auf den

Bolzenkopf, z. B. im Magazin 3 und erleichtert so die nachfolgende kontinuierli- che Zentrierung.

Weiterhin kann es für die praktische Anwendung sehr vorteilhaft sein, den auf- schlagenden Teil des Kolbenschaftes 10.2 mit einem Vorsatzelement 33 zu ver- sehen, wie in Fig. 7B dargestellt. Dieses kann aus einem Werkstoff bestehen, der den dort herrschenden Beanspruchungen optimal angepaßt ist, beispiels- weise ein hochharter Sinterstahl oder Hartmetall. Die Verbindung zwischen Kol- benschaft 10.2 und Vorsatzelement 33 kann z. B. mittels Schrauben, Löten oder Kleben erfolgen. Auch dieses Element 33 kann wiederum eine Bohrung 32.1 enthalten.

Das oben beschriebene System Kolben/Bolzen gemäß der vorliegenden Erfin- dung ist grundsätzlich für alle herkömmlichen und denkbaren Bolzensetzgeräte geeignet, wie sie beispielhaft in Figur 1 dargestellt und im Einleitungsteil be- schrieben sind.

Da für verschiedene Bolzenausführungen 9 unterschiedliche Kolben 6 bzw. Koi- benschäfte 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 beispiels- weise denkbar, den Kolbenschaft 10 fest, aber lösbar, zum Beispiel durch Ver- schrauben oder durch Bajonettverschluß mit dem Treibkolben 6 zu verbinden und das Boizensetzgerät 1 so zu konstruieren, daß der Kolben 6 für den Nutzer leicht zugänglich gemacht werden kann.

Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich auch weitere Variante des Systems und Ausführungsformen von Kolben und Bolzen denkbar, die oben nicht erwähnt wurden. Entscheidend ist die im wesentlichen konische Grund- form der Zentriereinrichtung der Kolbenstoßfläche mit entsprechend kurzen und damit gegen Verkanten unkritischen Führungen, wobei der Offnungswinkel des Konusses vorzugsweise etwa 90° beträgt, in Verbindung mit der zum Aufbringen ausreichender Setzkräfte notwendigen planen Flächen.

Es sei abschließend nochmals darauf hingewiesen, daß die Konstellation koni- sche Kolbenstoßfläche/konischer Bolzenkopf für den Zentrierteil grundsätzlich das Optimum darstellt, auch wenn der Bolzen 9 prinzipiell in bestimmten Gren- zen beliebig ausgebildet sein kann.