DE102014007334A1

DE102014007334A1 - Vorrichtung zur Befestigung und Verbindung verformbarer zylinderförmiger Bauteile

Info

Publication number: DE102014007334A1
Application number: DE102014007334.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Langbein; Dietrich Lembke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-17
Filing date: 2014-05-17
Publication date: 2015-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur werkzeuglosen Befestigung und Verbindung verformbarer zylinderförmiger Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten oder Koppelelementen, die so ausgebildet ist, dass die notwendige Klemmkraft für die Befestigung und Verbindung der verformbaren zylinderförmigen Bauteile durch Klemmelemente mit einer Expansionsbewegung erzeugt wird, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass ein passives Klemmelement mittels eines angelenkten Formgedächtniselementes aufgeweitet und in Klemmlage kraft- oder formschlüssig in einer vorgegebenen Klemmstellung auf oder in der dafür vorgesehenen Bauteilkomponente oder dem Koppelelement gesichert gehalten ist, wobei mittels einer an dem Klemmelement vorgesehenen Einrichtung zur Positionsarretierung das Klemmelement nach der Aufweitung in einer oder mehreren Klemmstellungen in Klemmposition selbstsichernd gehalten ist, oder das innenliegende Klemmelement ist als aktives Klemmelement aus Formgedächtnismaterial ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur werkzeuglosen Befestigung und Verbindung verformbarer zylinderförmiger Bauteile, wie Schläuche, Leitungen, Rohre oder dergleichen Bauteile, auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten von Geräten, Maschinen, Anlagen oder dergleichen Systeme oder Koppelelementen, um das verformbare zylinderförmige Bauteil in einer definierten Klemmlage zu halten.
Es ist bekannt, dass Formgedächtnislegierungen beim thermischen Zyklieren oder beim Einwirken von mechanischen Spannungen eine reversible Gestaltänderung zeigen. Das Material erinnert sich an eine durch einen Wärmebehandlungsprozess eingeprägte Form, auch wenn diese zwischenzeitlich erheblich verändert wurde. Diese als Formgedächtnis bekannte Eigenschaft ist z. B. bei metallischen Legierungen, wie CuZnAl, CuAlNi und insbesondere bei NiTi, zu beobachten. Die Ursache der Gestaltänderung ist in der kristallographischen Transformation von der Hochtemperaturphase Austenit zur leicht verformbaren und bei tieferen Temperaturen stabileren Martensitphase begründet.
Es ist weiterhin bekannt, dass Formgedächtniselemente zwei unterschiedliche Effekte bzw. Funktionsweisen zeigen. Zum einen den thermische Effekt, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung relevant ist. Dieser Effekt beruht auf der pseudoplastischen Verformung im martensitischen Zustand und der im Vergleich zum Austenit geringen Festigkeit des Martensits. Durch das Anlegen einer Kraft wird der Martensit verformt. Die Formänderung ist dabei bleibend. Erwärmt man anschließend das Material über die Phasen-Umwandlungs-Temperatur hinaus, so stellt sich während der Umwandlung in die austenitische Phase die ursprüngliche Form der Probe wieder ein. Während der Formeinstellung kann das Formgedächtniselement eine enorme mechanische Arbeit leisten, es wandelt also thermische in mechanische Energie um. Um das Formgedächtniselement zudem in der kräftigeren Warmphase (Austenit) zu halten, besteht die Möglichkeit durch spezielle Legierungselemente die Umwandlungshysterese derart zu vergrößern, dass eine Rückumwandlung in den Martensit während der Lebensdauer oder des Betriebes nicht mehr stattfindet. Eine derartige Legierung stellt beispielsweise NiTiNb dar. Der zweite Effekt, der für die vorliegende Erfindung ebenfalls von Bedeutung ist, wird als mechanischer oder pseudoelastischer Effekt bezeichnet. Bei diesem Effekt kann man ohne Einfluss einer äußeren Temperaturänderung jedoch bei Einwirken einer äußeren Kraft reversible Dehnungen von maximal 8% erreichen. Dieser pseudoelastische Bereich ist dem Bereich der konventionellen elastischen Verformung nachgelagert und besitzt eine sehr gering ansteigende Federkennlinie. Die Verformung erfolgt in diesem Bereich in der austenitischen Phase und basiert auf einer spannungsinduzierten Martensitbildung. Die Rückstellung des pseudoelastischen Elementes erfolgt nach Kraftwegnahme bei einer niedrigeren mechanischen Spannung. Die sich dadurch ausbildende Hysterese ist ein Maß für die Dämpfung von mechanischer Energie.
Klemmvorrichtungen zum Verbinden von Schläuchen, Leitungen, Rohren oder dergleichen Bauteile auf Kupplungen oder anderen Bauelementen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Schläuche werden z. B. durch eine außen auf dem Schlauch anliegende Klemmschelle auf einem Zapfen der entsprechenden Einrichtung geklemmt. Das Spannen der Klemmschelle erfolgt meistens handbetrieben unter Zuhilfenahme von Zusatzwerkzeugen, wie Zangen oder Schraubendreher. Der Zugang und die Handhabungen zur Klemmung eines Schlauches auf einem Zapfen, einer Schlauchkupplung oder dergleichen Systemen ist dabei oft schwierig und eingeschränkt, was eine manuelle Montage erschwert. Weiterhin sind bei Massenproduktionen manuelle Montageoperationen sehr kostenintensiv. In der DE 694 23 977 T2 wird eine manuell betätigte Klemmschelle zum Klemmen eines Schlauches auf einem Zapfen beschrieben, bei der über einen Schraubmechanismus eine Klemmbewegung realisiert wird. Aus der DE 10 2007 017 881 A1 ist eine weitere manuell betätigte Klemmschelle zum Klemmen von Schläuchen bekannt, bei der ein elastisch aufgespreizter Klemmring durch einen Rastmechanismus in der aufgespreizten Lage gehalten wird. Eine technische Verbesserung stellen hier bereits Klemmschellen dar, deren Klemmbewegung nicht mehr manuell, sondern unter Verwendung eines aktiven Materials, wie z. B. Formgedächtnislegierungen, ausgeführt wird. Aus dem Stand der Technik sind derartige Klemmschellen oder Klemmringe bereits bekannt. So wird in der DE 28 02 571 A1 eine Vorrichtung zur Verbindung von Rohren oder Leitung beschrieben, bei der sich eine Hülse aus Formgedächtnismaterial zusammenzieht. Durch diesen Schrumpfprozess wird eine Verbindung zwischen zwei Rohrenden hergestellt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum werkzeuglosen Befestigen und Verbinden verformbarer zylinderförmiger Bauteile, wie Schläuche, Leitungen, Rohre oder dergleichen Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten von Geräten, Maschinen, Anlagen oder dergleichen Systemen oder Koppelelementen zu schaffen, die einfach aufgebaut und so ausgebildet ist, dass dadurch der äußere Bauraum der Bauteile deutlich reduziert wird und bei der die notwendige Klemmkraft für die Befestigung und Verbindung der verformbaren zylinderförmigen Bauteile durch Klemmelemente mit einer Expansionsbewegung erzeugt wird. Die Klemmelemente sollen darüber hinaus eine sichere Befestigung gewährleisten sowie eine automatische Montage und eine kostengünstige Herstellung ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Vorrichtung zur Befestigung und Verbindung der verformbaren zylinderförmigen Bauteile so auszubilden, dass eine Klemmfunktion durch eine dauerhafte vom Klemmelement unabhängige Aufrechterhaltung der Klemmkraft erreichbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Befestigung verformbarer zylinderförmiger Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten oder Koppelelementen vor, bei der das verformbare zylinderförmige Bauteil mittels eines innenliegenden Klemmelementes gehalten ist, wobei das Klemmelement aus einem elastisch oder plastisch verformbaren Material ohne Formgedächtniseigenschaften ausgebildet und somit passiv ausgeführt ist und mittels eines angelenkten Formgedächtniselementes aufgeweitet und in Klemmlage kraft- oder formschlüssig in einer vorgegebenen Klemmstellung auf oder in der dafür vorgesehenen Bauteilkomponente oder dem Koppelelement gesichert gehalten ist, wobei mittels einer an dem Klemmelement vorgesehenen Einrichtung zur Positionsarretierung das Klemmelement nach der Aufweitung in einer oder mehreren Klemmstellungen in Klemmposition selbstsichernd gehalten ist, oder das Klemmelement ist direkt aus Formgedächtnismaterial und somit aktiv ausgebildet.
Wesentlich an der erfindungsgemäßen neuen Vorrichtung zur Befestigung und Verbindung verformbarer zylinderförmiger Bauteile, wie Schläuche, Leitungen, Rohre oder dergleichen Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten von Geräten, Maschinen, Anlagen oder dergleichen Systemen oder Koppelelementen ist, dass innenliegende Klemmelemente eingesetzt werden, so dass eine Klemmwirkung von innen nach außen auftritt und die Klemmkraft durch Formgedächtniselemente erzeugt wird. Dadurch erhält man die Möglichkeit einer einfachen und automatisierbaren Montierbarkeit. Dies ermöglicht eine Großserienfertigung dieser Klemmverbindungen. Die innenliegende Anordnung der Klemmelemente sorgt zudem für eine platzsparende Anordnung und verhindert eine Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Systems, an dem das verformbare zylinderförmige Bauteil angebracht werden soll. Ein weiteres wesentliches neues Erfindungsmerkmal ist eine selbstsichernde Eigenschaft der Klemmelemente, die für eine dauerhafte Aufrechterhaltung der Klemmkraft sorgt. Das bedeutet, dass das Formgedächtniselement nur für den Klemmvorgang aber nicht mehr für die Aufrechterhaltung der Klemmung eingesetzt wird. Dadurch schließt man Unsicherheiten, die in Bezug auf die Anwendung von Formgedächtnismaterialien auftreten können, aus. Derartige Unsicherheiten sind beispielsweise ein Effektverlust durch zu hohe Betriebstemperaturen oder unerwünschtes Kriechverhalten.
Im Gegensatz zu konventionellen Klemmmechanismen bietet der Einsatz von innenliegenden Klemmelementen aus Formgedächtnismaterial die Möglichkeit, einfach aufgebaute und bauraumsparende thermisch aktivierte Klemmsysteme herzustellen. Zudem zeichnen sich Formgedächtniselemente durch eine hohe Leistungsdichte aus. Das bedeutet, dass man mit geringen Materialquerschnitten hohe Kräfte realisieren kann. Formgedächtnismaterialien gewährleisten weiterhin auch eine weitgehende Freiheit in der Gestaltung der Bauelemente. Die Aufweitung der Klemmelemente erfolgt werkzeuglos temperaturinduziert durch ein angelenktes Formgedächtniselement, so dass man eine selbstsichernde Klemmfunktion erreicht.
Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass das innenliegende Klemmelement die von dem Formgedächtniselement aufgebrachte Klemmkraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil überträgt, wobei das Klemmelement mittels der Einrichtung zur Positionsarretierung beim Aufweiten gleichzeitig in mindestens einer Klemmstellung durch einen Formschluss arretiert ist, so dass das Klemmelement in Bezug auf die Selbstsicherung seine Klemmkraft beibehält. Die Einrichtung zur Positionsarretierung ist vorzugsweise als formschlüssiges richtungsabhängiges Gesperre mit einer oder mehreren Arretierstellungen ausgebildet und zur Positionsarretierung entweder ganz oder teilweise aus dem innenliegenden Klemmelement ausgeformt oder ganz oder teilweise an dem innenliegenden Klemmelement befestigt ist. Durch die zusätzliche Anordnung der Einrichtung zur Positionsarretierung wird das Klemmelement nach dem Aufweiten durch das Formgedächtniselement unabhängig von der weiteren Wirkung des Formgedächtnismaterials im aufgeweiteten Zustand gehalten. Damit kann die gesamte Vorrichtung auch für höhere Temperaturen und lange Standzeiten eingesetzt werden, wenn eine Klemmwirkung durch das Formgedächtniselement normalerweise nicht mehr gewährleistet werden kann.
Eine vorteilhafte Variante wird darin gesehen, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung durch einen Formschluss zweier im ungedehnten Zustand sich überlappenden oder umgebogenen Enden des geschlitzt ausgebildeten Klemmelementes beim Ausdehnen des Klemmelementes erfolgt, indem bei Ausdehnung des geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselementes sich die Stirnflächen des geschlitzten Klemmelementes gegeneinander abstützen und dadurch eine Arretierung der Klemmposition erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Variante besteht darin, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung formschlüssig, insbesondere als Zahnrast ausgebildet ist, wobei in dem geschlitzt ausgebildeten, verformbaren zylinderförmigen Klemmelement an den Mantelflächen der sich überlappend angeordneten Enden ineinander eingreifende Zahnprofile vorgesehen sind, derart, dass beim Ausdehnen des geschlitzten Klemmelementes, infolge der Ausdehnung des geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselementes zur Arretierung der Klemmposition die Zähne des einen Endes des Klemmelementes in die Zahnlücken des anderen Endes einrasten. Dadurch wird das Klemmelement im gedehnten Zustand gehalten und klemmt ein verformbares zylinderförmiges Bauteil kraftschlüssig auf oder in einer Bauteilkomponente oder einem Koppelelement.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung durch die Formgebung des Klemmelementes gebildet ist, wobei beim Ausdehnen des Formgedächtniselementes das Klemmelement derart verformbar ist, dass sich die Außenabmessungen des Klemmelementes, infolge der Einnahme einer stabilen Lage dauerhaft erhöhen und dadurch das Klemmelement arretieren. Bei der Verformung werden vorzugsweise nach innen eingewölbte Bereiche des Klemmelementes nach außen gedrückt, so dass eine elastische oder plastische Verformung erfolgen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass das innenliegende Klemmelement als keilförmiges passives Element ausgebildet ist und die von einem Formgedächtniselement aufgebrachte Klemmkraft derart übertragen wird, dass das keilförmige Klemmelement durch eine Schrumpfung des Formgedächtniselementes aufgrund des Gleitens auf einer keilförmigen Kontur eines Innenkörpers der Vorrichtung eine Expansion ausführt, wobei die Einrichtung zur Positionsarretierung entweder durch die durch das Formgedächtniselement gesperrte Rückstellbewegung des keilförmigen Klemmelementes gebildet wird oder die keilförmige Kontur des Klemmelementes und des Innenkörpers der Vorrichtung ist so ausgebildet, dass sie im Bereich einer Selbsthemmung liegt.
Die Klemmstellung des keilförmigen passiven Klemmelementes kann dabei sowohl durch Formschluss mit dem Formgedächtniselement als auch durch ein Verbleiben des Formgedächtniselementes in der austenitischen Phase erreicht werden, insbesondere durch eine sehr große Hysterese oder durch eine hohe martensitische Kraft durch hohe Materialquerschnitte.
Desweiteren ist vorzugsweise vorgesehen, dass das innenliegende Klemmelement nicht geschlitzt ausgebildet ist und die von dem nicht geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselement aufgebrachte Klemmkraft derart auf das verformbare zylinderförmige Bauteil übertragen wird, dass das Klemmelement durch Expansion des Formgedächtniselementes plastisch verformt wird und die Klemmstellung dauerhaft beibehält und wobei die plastische Verformung insbesondere durch die Ausformung einer Sicke vorgesehen ist. Als Variante ist vorgesehen, dass durch das Aufbiegen von Enden eines mit nicht durchgängigen Schlitzen versehenen Klemmelementes durch die Expansion des nicht geschlitzten Formgedächtniselementes das Klemmelement eine plastische Verformung in Form einer Sicke unter Beibehaltung einer dauerhaften Klemmstellung aufweist.
Eine ebenso vorteilhafte Ausführungsform wird darin vorgesehen, dass die Aufweitung des innenliegenden passiven Klemmelementes durch mindestens ein angelenktes Formgedächtniselement erreichbar ist und dass die Formgedächtniselemente in Form von Schrumpf- und Expansionselemente formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig an dem entsprechenden innenliegenden Klemmelement befestigbar sind und wobei das Klemmelement Führungselemente bzw. Laschen zur Aufnahme der entsprechenden Formgedächtniselemente aufweist.
Die Formgedächtniselemente sind insbesondere aus Rund- oder Flachmaterial als geschlossener oder geschlitzter Ring einteilig oder mehrteilig ausgebildet und weisen eine auf die verformbaren zylinderförmigen Bauteile und die Bauteilkomponenten oder Koppelelemente abgestimmte Kreisform, elliptische Form oder eine gewellte Form auf und sind einteilig oder mehrteilig ausgebildet. Für eine mehrteilige Ausbildung ist eine Kombination zweier Materialen vorgesehen. Die Formgedächtniselemente sind aus einem Formgedächtnismaterial mit einem thermischen oder einem mechanischen Effekt ausgebildet, wobei das Formgedächtniselement mit einem thermischen Effekt durch eine elektrische, magnetische oder oder thermische Energiezufuhr aktiviert wird. Die Aktivierung erfolgt durch Handgeräte oder durch innerhalb einer Produktionsanlage angeordnete Einrichtungen.
In einer weiteren Ausführungsform ist in vorteilhafterweise vorgesehen, dass das innenliegende Klemmelement als aktives Element, bestehend aus Formgedächtnismaterial, ausgebildet ist und die Klemmkraft direkt auf das verformbare zylinderförmige Bauteil ausübt, wobei durch eine nach der Phasenumwandlung verbleibende Formänderung und damit bleibende Aufweitung des Klemmelementes das verformbare zylinderförmige Bauteil auf oder in der Bauteilkomponente gehalten wird. Die bleibende Formänderung erfolgt dabei ebenfalls durch eine hohe martensitische Kraft durch hohe Materialquerschnitte.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein geschlitztes passives Klemmelement mit einem angelenkten Formgedächtniselement im eingebauten Zustand;
2 ein Ausführungsbeispiel mit geschlitztem passivem Klemmelement mit sich überlappenden Enden und einem angelenkten Formgedächtniselement;
3 das geschlitzte passive Klemmelement mit dem angelenkten Formgedächtniselement im arretierten Zustand;
4 ein Ausführungsbeispiel mit geschlitztem passivem Klemmelement mit Zahnrast und einem angelenkten Formgedächtniselement;
5 das geschlitzte passive Klemmelement mit dem angelenkten Formgedächtniselement im arretierten Zustand;
6 ein Ausführungsbeispiel mit geschlitztem passivem Klemmelement mit eingewölbten Bereichen und einem angelenkten Formgedächtniselement;
7 das geschlitzte passive Klemmelement mit dem angelenkten Formgedächtniselement im arretierten Zustand;
8 ein keilförmiges passives Klemmelement mit einem angelenkten Formgedächtniselement im arretierten Zustand;
9 ein keilförmiges passives Klemmelement mit einer gegensinnig angeordneten Keilkontur;
10 ein nicht geschlitztes passives Klemmelement mit einem angelenkten Formgedächtniselement und mit Arretierung mittels plastischer Verformung;
11 ein nicht durchgängig geschlitztes passives Klemmelement mit einem angelenkten Formgedächtniselement und mit Arretierung mittels plastischer Verformung;
12 das nicht durchgängig geschlitzte passive Klemmelement mit dem angelenkten Formgedächtniselement im arretierten Zustand.
In den 1 bis 12 sind verschiedene Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Befestigung verformbarer zylinderförmiger Bauteile 1, wie Schläuche, Leitungen, Rohre oder dergleichen Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten 2 von Geräten, Maschinen Anlagen oder dergleichen Systeme dargestellt. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem verformbaren zylinderförmigen Bauteil 1, beispielsweise einem Schlauch, einem Rohr oder einer Leitung. In dem verformbaren zylinderförmigen Bauteil 1 ist ein innenliegendes geschlitzt ausgebildetes Klemmelement 3 in Form einer passiven Klemmschelle angeordnet. Das passive Klemmelement 3 wird von einem angelenkten geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselement 4 aufgeweitet und damit eine Kraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 übertragen, so dass das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 in der Bauteilkomponente 2 kraftschlüssig sicher geklemmt wird. An dem passiven aus einem herkömmlichen Material, wie Stahl oder Kunststoff, ausgebildeten Klemmelement 3 ist dazu eine Einrichtung zur Positionsarretierung angeordnet, die beim Aufweiten des Klemmelementes 3 dieses in einer oder mehreren Stellungen arretiert und dadurch das Klemmelement 3 seine Klemmkraft behält. Durch die zusätzliche Anordnung der Einrichtung zur Positionsarretierung wird das Klemmelement 3 nach dem Aufweiten durch das Formgedächtniselement 4 unabhängig von der weiteren Wirkung des Formgedächtniselementes 4 im aufgeweiteten Zustand gehalten. Damit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für höhere Temperaturen und lange Standzeiten eingesetzt werden, bei denen eine Klemmwirkung durch das Formgedächtnismaterial normalerweise nicht mehr geleistet werden kann. Die eine oder mehrere Arretierstellungen aufweisende Einrichtung zur Positionsarretierung ist dabei entweder aus dem innenliegenden Klemmelement 3 ausgeformt oder an dem innenliegenden Klemmelement 3 befestigt ist. Das Klemmelement 3 ist vorzugsweise mit Führungselementen 5 ausgebildet, die dem Formgedächtniselement 4 im gespannten und ungespannten Zustand eine funktionsgerechte Lage im Klemmelement 3 ermöglichen. Durch die Anordnung von Nuten 6 im Inneren der Bauteilkomponente 2 wird neben dem Kraftschluss ein Formschluss zwischen dem verformbaren zylinderförmigen Bauteil 1 und der Bauteilkomponente 2 erreicht.
In den 2 und 3 ist das geschlitzte ausgebildete Klemmelement 3 mit einer formschlüssigen Arretierung dargestellt, die dadurch gebildet wird, dass zwei Enden 7 des geschlitzten Klemmelementes 3 im ungedehnten Zustand überlappend angeordnet sind. Entsprechend 3 kommen Stirnflächen 8 des Klemmelementes 3 beim Ausdehnen des Klemmelementes 3 infolge der Expansion des Formgedächtniselementes 4 in Eingriff und stützen sich gegeneinander ab. Durch diesen sich bildenden Formschluss erfolgt die Selbstsicherung. Das Formgedächtniselement 4 ist dabei als Ring mit einem Schlitz 9 ausgebildet. Im gespannten Zustand stützen sich Stirnflächen 10 des Schlitzes 9 aufeinander ab.
Eine weitere vorteilhafte nicht näher dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die formschlüssige Arretierung und damit die Selbstsicherung dadurch gebildet wird, dass die beiden Enden 7 des geschlitzten passiven Klemmelementes 3 im ungedehnten Zustand nach innen gebogen sind, so dass beim Ausdehnen des Klemmelementes 3 durch das Formgedächtniselement 4 die Enden 7 des Klemmelementes 3 wieder gerade gebogen werden und in Eingriff kommen und somit die Stirnflächen 8 des geschlitzten Klemmelementes 3 einen Formschluss bilden.
Die 4 und 5 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des geschlitzten passiven Klemmelementes 3 mit einer Einrichtung zur Positionsarretierung. Das geschlitzte passive Klemmelement 3 weist an der Mantelfläche der sich überlappend angeordneten Enden 7 eine Verzahnung 11 auf. Die Einrichtung zur Positionsarretierung ist dazu formschlüssig als Zahnrast ausgebildet, wobei auf der einen Seite der überlappenden Enden 7 des Klemmelementes 3 ein Bereich vorgesehen ist, auf dessen Oberfläche ein Zahnprofil angeordnet ist, das in einen auf der anderen Seite komplementär geformtes Zahnprofil eingreift, so dass beim Ausdehnen des Klemmelementes 3 durch das Formgedächtniselement 4 die Zähne des einen Bereiches in die Zahnlücken des anderen Bereiches einrasten. Damit wird das Klemmelement 3 im gedehnten Zustand gehalten und klemmt somit das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 selbstsichernd von innen kraftschlüssig gegen die Bauteilkomponente 2 eines Gerätes, einer Maschine, einer Anlage oder eines Koppelelementes.
Eine weitere nicht näher dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die formschlüssige Arretierung und damit die Selbstsicherung dadurch gebildet wird, dass die beiden Enden 7 des geschlitzten passiven Klemmelementes 3 sich gegenläufig verjüngen und in Form einer Lasche ausgebildet sind. Die Laschen sind nicht überlappend, sondern parallel zueinander angeordnet. Die Verzahnung ist dabei an den sich gegenüber liegenden Seitenflächen angeordnet, so dass beim Ausdehnen des Klemmelementes 3 durch das Formgedächtniselement 4 die Zähne der einen Lasche in die Zahnlücken der anderen Lasche einrasten und die Klemmposition arretieren. Damit wird das Klemmelement 3 im gedehnten Zustand ebenfalls gehalten und klemmt dadurch das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 selbstsichernd von innen kraftschlüssig gegen die Bauteilkomponente 2 eines Gerätes, einer Maschine, einer Anlage oder eines Koppelelementes.
Eine ebenso vorteilhafte nicht näher dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die formschlüssige Arretierung auf der Basis einer Zahnrast und damit die Selbstsicherung dadurch gebildet wird, dass das Klemmelement 3 aktiv aus Formgedächtnismaterial ausgebildet ist. Die durch den Formschluss erhöhte Last aufnehmende Querschnittsfläche ermöglicht eine Klemmwirkung des Klemmelementes auch im martensitischen Zustand.
In den 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform des geschlitzten passiven Klemmelementes 3 dargestellt. Gemäß 6 weist das geschlitzte zylinderförmige Klemmelement 3 in seiner Mantelfläche eingewölbte Bereiche 12 auf, so dass das passive zylinderförmige Klemmelement 3 bei Expansion des angelenkten Formgedächtniselementes 4 durch eine plastische oder elastische Verformung eine Vergrößerung der äußeren Abmessungen erfährt, d. h. eine Auswölbung an den zuvor eingewölbten Stellen erhält und dadurch im gespannten Zustand durch seine zylindrische Form eine stabile Klemmlage einnimmt. In 7 ist das geschlitzte passive zylinderförmige Klemmelement 3 mit dem angelenkten Formgedächtniselement 4 im arretierten Zustand dargestellt.
Eine bevorzugte Variante der Verbindung eines verformbaren zylinderförmigen Bauteils 1 auf oder in einer Bauteilkomponenten 2 wird darin gesehen, dass entsprechend 8 ein keilförmig ausgebildetes Klemmelement 15 durch eine Schrumpfung des Formgedächtniselementes 16 aufgrund des Gleitens auf einer keilförmigen Kontur 14 eines Innenkörpers 13 der Vorrichtung eine Expansion ausführt, wobei die Einrichtung zur Positionsarretierung entweder durch die durch das Formgedächtniselement 16 gesperrte Rückstellbewegung des keilförmigen Klemmelementes 15 gebildet wird oder die keilförmige Kontur 14 des Klemmelementes 15 und des Innenkörpers 13 der Vorrichtung ist so ausgebildet, dass sie im Bereich einer Selbsthemmung liegt.
Durch das Zusammenziehen des Formgedächtniselementes 16 wird das keilförmige Klemmelement 15 derart über die keilförmige Kontur 14 verschoben, dass eine Aufweitung des keilförmigen Klemmelementes 15 erfolgt. Das Formgedächtniselement 16 ordnet sich nach der Stellbewegung so an, dass eine Rückstellung des geschlitzten keilförmigen Klemmelementes 15 verhindert wird und dadurch das keilförmige Klemmelement 15 im Zuge der Selbstsicherung in Klemmlage gehalten wird. Die selbstsichernde Position des Formgedächtniselementes 16 ergibt sich dabei aus dem im Bereich der Selbsthemmung liegenden Keilwinkel der keilförmigen Kontur 14. Das verschiebbare geschlitzte keilförmige Klemmelement 15 hat hierbei die Funktion eines Umformers, der die Schrumpfbewegung des Formgedächtniselementes 16 in eine Expansionsbewegung umformt.
9 zeigt eine Variante mit einem passiven keilförmigen Klemmelement 15 mit einer gegensinnig angeordneten Keilkontur 17 gegenüber der Ausführungsform entsprechend 8. Vorteilhaft ist hierbei, dass eine äußere an einem verformbaren zylinderförmigen Bauteil 1 wirkende Auszugskraft bei entsprechenden Reibverhältnissen eine Verstärkung der Klemmkraft erzeugt, da sich das keilförmige Klemmelement 15 axial in Richtung der äußeren Kraft und damit auch radial nach außen bewegt.
10 zeigt ein nicht geschlitztes passives Klemmelement 18 mit einem angelenkten nicht geschlitzten Formgedächtniselement 19. Das innenliegende nicht geschlitzte passive Klemmelement 18 ist aus einem duktilen Material hergestellt. Das Formgedächtniselement 19 ist derart angelenkt, dass durch die Expansion des Formgedächtniselementes 19 sich das nicht geschlitzte passive Klemmelement 18 im Ganzen oder in Teilbereichen plastisch verformt. Dadurch wird eine dauerhafte Klemmung des verformbaren zylinderförmigen Bauteiles 1 und somit eine Selbstsicherung erreicht. Die Klemmstellung wird dauerhaft beibehalten, die plastische Verformung ist insbesondere durch die Ausformung einer Sicke 23 vorgesehen. Durch die Anordnung von Nuten 6 im Inneren der Bauteilkomponente 2 wird neben dem Kraftschluss ein Formschluss zwischen dem verformbaren zylinderförmigen Bauteil 1 und der Bauteilkomponente 2 erreicht. Zusätzlich kann auch durch einen an dem Klemmelement 18 anliegenden Ring eine zusätzliche Abdichtung erreicht werden.
Die 11 und 12 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines nicht durchgängig geschlitzt ausgebildeten passiven Klemmelementes 20 mit einem angelenkten nicht geschlitzten Formgedächtniselement 19 und mit Arretierung mittels plastischer Verformung. Das passive Klemmelement 20 weist an seinem Ende 21 mehrere nicht durchgängige Schlitze 22 auf und verformt sich durch die Expansion des Formgedächtniselementes 19 am Ende 21 derart, dass eine selbstsichernde Klemmung erfolgt. Die plastische Verformung erfolgt vorzugsweise durch die Ausbildung einer Sicke 23. 12 zeigt das nicht durchgängig geschlitzte passive Klemmelement 20 mit dem angelenkten Formgedächtniselement 19 im arretierten Zustand.
Weitere nicht dargestellte vorteilhafte Ausführungsformen werden darin gesehen, dass die Klemmelemente 3, 15, 18, 20 selbst als aktive Elemente ausgebildet sind, welche aus Formgedächtnismaterialen bestehen und direkt die Klemmkraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 ausüben, wobei Klemmstellung durch eine Einrichtung zur Positionsarretierung erreicht wird oder durch eine nach der Phasenumwandlung verbleibende Formänderung und damit bleibende Aufweitung der Klemmelemente 3, 15, 18, 20 das verformbare zylinderförmige Bauteil 1 selbstsichernd auf der Bauteilkomponente 2 gehalten wird. Die selbstsichernde bleibende Formänderung erfolgt vorzugsweise durch eine hohe martensitische Kraft, insbesondere durch hohe Materialquerschnitte. Die hohen Materialquerschnitte und damit hohe martensitischen Rückstellkräfte, die größer als die Klemmkraft sein müssen, liegen permanent an.
Die Formgedächtniselemente 4, 16, 19 sind aus Rund- oder Flachmaterial als geschlossener oder geschlitzter Ring einteilig oder mehrteilig ausgebildet und weisen eine auf die verformbaren zylinderförmigen Bauteile 1 und die Bauteilkomponenten 2 oder Koppelelemente abgestimmte Kreisform, elliptische Form oder eine gewellte Form auf, wobei für eine mehrteilige Ausbildung eine Kombination zweier Materialen z. B. NiTi und Stahl oder Kunststoff oder zwei verschiedene NiTi-Legierungen vorgesehen ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele, sondern ist in der Gestaltung und Anordnung der Formgedächtniselemente sowie der Einrichtungen zur Positionsarretierung vielfach variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmalen bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
Bezugszeichenliste

1: verformbares zylinderförmiges Bauteil
2: Bauteilkomponente
3: Klemmelement
4: Formgedächtniselement
5: Führungselement
6: Nut in Bauteilkomponente
7: überlappend angeordnete Enden des Klemmelementes
8: sich gegeneinander abstützende Stirnflächen des Klemmelementes
9: Schlitz des Formgedächtniselementes
10: sich abstützende Stirnflächen des Formgedächtniselementes
11: Verzahnung der überlappenden Enden des Klemmelementes
12: eingewölbte Bereiche des Klemmelementes
13: Innenkörper der Klemmvorrichtung
14: keilförmige Kontur des Klemmelementes
15: keilförmiges Klemmelement
16: Formgedächtniselement
17: gegensinnige Kegelfläche
18: nicht geschlitztes Klemmelement
19: nicht geschlitztes Formgedächtniselement
20: Klemmelement mit nicht durchgängigen Schlitzen
21: Ende des Klemmelementes
22: Schlitz
23: Sicke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69423977 T2 [0004]
DE 102007017881 A1 [0004]
DE 2802571 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Befestigung und Verbindung verformbarer zylinderförmiger Bauteile auf oder in dafür vorgesehenen unterschiedlichen Bauteilkomponenten von Geräten, Maschinen, Anlagen oder dergleichen Systemen oder Koppelelementen, um das verformbare zylinderförmige Bauteil mittels Klemmelementen in einer definierten Klemmlage zu halten, und Mittel zur Feststellung, Aufrechterhaltung und Sicherung der Klemmkraft, dadurch gekennzeichnet, dass in einem verformbaren zylinderförmigen Bauteil (1) ein innenliegendes Klemmelement (3, 15, 18, 20) gehalten ist, wobei das Klemmelement (3, 15, 18, 20) aus einem herkömmlichen Material ausgebildet, mittels eines angelenkten Formgedächtniselementes (4, 16, 19) aufgeweitet sowie in Klemmlage in einer vorgegebenen Klemmstellung gesichert gehalten ist, um das verformbare zylinderförmige Bauteil (1) auf oder in einer Bauteilkomponente (2) zu halten, oder dass das Klemmelement (3, 15, 18, 20) direkt aus Formgedächtnismaterial ausgebildet ist, wobei mittels einer an dem Klemmelement (3, 15, 18, 20) vorgesehenen Einrichtung zur Positionsarretierung das Klemmelement (3, 15, 18, 20) nach der Aufweitung in einer oder mehreren Klemmstellungen in Klemmpositionen selbstsichernd gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Klemmelement (3) die von dem Formgedächtniselement (4) aufgebrachte Klemmkraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil (1) überträgt, wobei das Klemmelement (3) mittels der Einrichtung zur Positionsarretierung beim Aufweiten gleichzeitig in mindestens einer Klemmstellung durch einen Formschluss arretiert ist und wobei die eine oder mehrere Arretierstellungen aufweisende Einrichtung zur Positionsarretierung entweder aus dem innenliegenden Klemmelement (3) ausgeformt oder an dem innenliegenden Klemmelement (3) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung durch den Formschluss zweier im ungedehnten Zustand sich überlappenden oder gebogenen Enden (7) des geschlitzt ausgebildeten Klemmelementes (3) beim Ausdehnen des Klemmelementes (3) infolge der Ausdehnung des geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselementes (4) durch sich gegeneinander abstützende Stirnflächen (8) des Klemmelementes (3) zur Arretierung der Klemmposition gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung als formschlüssiges richtungsabhängiges Gesperre, insbesondere als Zahnrast ausgebildet ist, wobei das Klemmelement (3) an den Mantelflächen der sich überlappend angeordneten Enden (7) ineinander eingreifende Zahnprofile (11) aufweist, derart, dass beim Ausdehnen des Klemmelementes (3), infolge der Ausdehnung des Formgedächtniselementes (4) zur Arretierung der Klemmposition die Zähne des einen Endes des Klemmelementes (3) in die Zahnlücken des anderen Endes einrasten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Positionsarretierung durch die Formgebung des Klemmelementes (3) gebildet ist, wobei beim Ausdehnen des Formgedächtniselementes (4) das Klemmelement (3) derart verformbar ist, dass sich die Außenabmaße des Klemmelementes (3) infolge der Einnahme einer stabilen Lage dauerhaft erhöhen und dadurch das Klemmelement (3) arretieren und wobei bei der Verformung insbesondere nach innen eingewölbte Bereiche (12) des Klemmelementes (3) nach außen drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende passive Klemmelement (15) keilförmig ausgebildet ist und die von dem Formgedächtniselement (16) aufgebrachte Kraft überträgt, derart, dass das keilförmige Klemmelement (15) durch eine Schrumpfung des Formgedächtniselementes (16) aufgrund des Gleitens auf einer keilförmigen Kontur (14) eines Innenkörpers (13) der Vorrichtung eine Expansion ausführt, wobei die Einrichtung zur Positionsarretierung entweder durch die durch das Formgedächtniselement (16) gesperrte Rückstellbewegung des keilförmigen Klemmelementes (15) gebildet wird oder die keilförmige Kontur (14) des keilförmigen Klemmelementes (15) und des Innenkörpers (13) der Vorrichtung so ausgebildet sind, dass eine Selbsthemmung vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende nicht geschlitzt ausgebildete Klemmelement (18) die von dem nicht geschlitzt ausgebildeten Formgedächtniselement (19) aufgebrachte Klemmkraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil (1) überträgt, wobei das Klemmelement (18) durch Expansion des Formgedächtniselementes (19) plastisch verformbar ist und die Klemmstellung dauerhaft beibehält und wobei die plastische Verformung insbesondere durch die Ausformung einer Sicke (23) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufbiegen von Enden (21) des mit nicht durchgängigen Schlitzen (22) versehenen Klemmelementes (20) durch die Expansion des nicht geschlizt ausgebildeten Formgedächtniselementes (19) das Klemmelement (20) eine plastische Verformung in Form einer Sicke (23) unter Beibehaltung einer dauerhaften Klemmstellung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung des Klemmelementes (3, 15, 18, 20) durch mindestens ein angelenktes Formgedächtniselement (4, 16, 19) erreichbar ist, wobei das Formgedächtniselement (4, 16, 19) formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig an dem entsprechenden Klemmelement (3, 15, 18, 20) befestigbar ist und wobei das Klemmelement (3, 15, 18, 20) insbesondere Führungselemente (5) zur Aufnahme der entsprechenden Formgedächtniselemente (4, 16, 19) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtniselemente (4, 16, 19) aus Rund- oder Flachmaterial als geschlossener oder geschlitzter Ring einteilig oder mehrteilig ausgebildet sind und eine auf die verformbaren zylinderförmigen Bauteile (1) und die Bauteilkomponenten (2) oder Koppelelemente abgestimmte Kreisform, elliptische Form oder eine gewellte Form aufweisen, wobei für eine mehrteilige Ausbildung eine Kombination zweier Materialen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innenliegende Klemmelement (3, 15, 18, 20) als aktives Element aus Formgedächtnismaterial ausgebildet ist und direkt die Klemmkraft auf das verformbare zylinderförmige Bauteil (1) überträgt, wobei durch eine nach der Phasenumwandlung verbleibende Formänderung und damit bleibenden Aufweitung des Klemmelementes (3, 15, 18, 20) das verformbare zylinderförmige Bauteil (1) auf oder in der Bauteilkomponente (2) gehalten ist.