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Vorrichtung zum Festspannen eines Schlauches auf einem rohr-
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förmigen Element Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Festspannen
eines Schlauches, insbesondere aus einem Material mit geringem Druckverformungsrest,
auf einem rohrförmigen Element, insbesondere Rohrstutzen, mit einem ringförmigen
spannbaren Element, insbesondere Schelle, wobei das eine Element eine umlaufende
Halterippe aufweist.
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In Kraftfahrzeugen werden zunehmend Schläuche aus Kunststoff mit hoher
Temperatur- und Witterungsbeständigkeit als Kraftstoff-, Wasser- oder Ölleitung
verwendet. Bei dem Kunststoff handelt es sich in der Regel um ungesättigten Äthylen-Propylen-Kauts
chuk oder PVC (Polyvinylchlorid). Dieser hat jedoch die Eigenschaft, daß er sich
nach längerer Zeit unter Druck bleibend (kalt) verformt, wenn der Schlauch mittels
eines Spannelements in Form einer Schlauchschelle auf einem Stutzen festgeklemmt
wird. Dies bedeutet, daß das Schlauchmaterial unter dem Druck des Spannelements
in Axialrichtung des Rohrstutzens praktisch wegfließt, so daß die Spannkraft des
Spannelements aufgrund des Verschwindens der Gegenkraft schließlich nachläßt, unabhängig
davon, wie hoch die Spannkraft des Spannelements gewählt wird. Die Verwendung von
Rohrstutzen mit Halterippen gemäß DIN 73 377, August 1978,
vermochte
hier ebenfalls keine Abhilfe zu schaffen, selbst wenn herkömmliche Schlauchschellen
oder Kiemmhülsen als Spannelemente verwendet wurden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
gattungsgemäßen Art anzugeben, die auch bei bleibend unter Druck verformbarem Schlauchmaterial,
wie ungesättigtem Äthylen-Propylen-Kautschuk oder PVC, eine hinreichende Dichtigkeit
und Haltbarkeit der Anschlußverbindung sicher stellt.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das andere Element
eine umlaufende Nut aufweist, von der die Halterippe mit einem allseitigen Abstand
übergreifbar ist, und daß die Querschnitte von Nut und Halterippe so gewählt sind,
daß das Schlauchmaterial zwischen den einander zugekehrten, neben der Nut einerseits
und neben der Halterippe andererseits liegenden Ringflächenauf eine geringere Dicke
als in der Nut zusammendrückbar ist.
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Hierbei wird beim Spannen des Spannelements das Schlauchmaterial aus
dem Bereich zwischen den einander zugekehrten Ringflächen der beiden Elemente zum
Teil in den Raum zwischen Nut und Halterippe verdrängt. Wenn dann die Elastizität
des Schlauchmaterials im Laufe der Zeit nachlassen sollte, so daß sich der Einspanndruck
zwischen den Ringflächen unter den Wert verringert, der zwischen Nutengrund und
Stirnfläche der Rippe herrscht, wird das von der Nut und der Rippe eingekammerte
Material wieder in die Bereiche zwischen den Ringflächen zurückgedrängt, so daß
sich dort der Einspanndruck praktisch selbsttätig stabilisiert. Diese Einspannverbindung
kann daher über sehr lange Zeit einem hohen Innendruck standhalten, ohne sich zu
lösen oder undicht zu werden. Die Einkammerung des Schlauchmaterials sorgt ferner
dafür, daß die Anschlußverbindung selbst sehr hohen Axialkräften standhält, die
bestrebt sind, den Schlauch von dem Rohrstutzen oder dergleichen abzuziehen, sei
es aufgrund axialer Komponenten des Innendrucks oder
äußerer Kräfte,
die axial auf den Schlauch einwirken.
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Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die halbe Randweite der Nut um
weniger als die Dicke des entspannten Schlauchmaterials größer als die halbe Fußbreite
der Halterippe ist. Auf diese Weise wird das Schlauchmaterial unabhängig vom tatsächlich
aufgebrachten Einspanndruck auch zwischen den Flanken von Nut und Halterippe eingespannt.
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Sodann kann die teufe der Nut um weniger als die Dicke des entspannten
Schlauchmaterials größer als die Höhe der Halterippe sein. Dies stellt sicher, daß
die Verdichtung des Schlauchmaterials zwischen den erwähnten Ringflächen ebenfalls
unabhängig von der tatsächlich aufgebrachten Einspannkraft stets höher als zwischen
Nutengrund und Stirnfläche fzw. Scheitelfläche) der Halterippe ist.
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Wenn der Unterschied von halber Randweite der Nut und halber Fußbreite
der Halterippe kleiner als der Unterschied von Nutentiefe und Halterippenhöhe ist,
ergibt sich auch zwischen den Flanken von Nut und Halterippe eine höhere Schlauchmaterial-Verdichtung
als zwischen Nutengrund und Stirnfläche der Halterippe unabhängig von der Höhe der
Einspannkraft. Infolgedessen wird das Schlauchmaterial auch aus dem Bereich zwischen
diesen Flanken in den Bereich zwischen Nutengrund und Stirnfläche der Halterippe
gedrückt, um bei nachlassender Spannkraft später wieder zurückgedrängt werden zu
können.
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Ein günstiger Wert des Unterschieds von Nutentiefe und Halterippenhöhe
liegt bei etwa 20 bis 40 % der Dicke des entspannten Schlauchmaterials. Desgleichen
liegt ein günstiger Wert des Unterschieds von halber Randweite der Nut und halber
Fußbreite der Halterippe bei etwa 25 bis 45 % der Dicke des entspannten Schlauchmaterials.
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Wenn die Querschnitte von Nut und Halterippe axialsymmetrisch sind,
zentriert sich die Halterippe selbsttätig in der Nut, so
daß sich
auch eine entsprechend axialsymmetrische Verteilung des Einspanndrucks in dem Spalt
zwischen Nut und Halterippe ergibt.
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Besonders günstig ist es, wenn sich die Breite der Halterippe vom
Fuß bis zum Scheitel verringert. Dies stellt sicher, daß auf jeden Fall am Fuß der
Halterippe beim Spannen ein höherer Einspanndruck herrscht, so daß das Schlauchmaterial
beim Spannen von dort zum Scheitel der Halterippe verdrängt wird.
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Wenn danndie Einspannflächen der Elemente im wesentlichen parallel
verlaufen, ergibt sich eine besonders starke Verdrängung des Schlauchmaterials beim
Einspannen in den Bereich zwischen Nutengrund und Halterippen-Stirnfläche.
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Ferner können Nut und Halterippe einen etwa trapezförmigen Querschnitt
aufweisen. Hierbei verringert sich der Abstand der Flanken von Nut und Halterippe
in jedem Falle langsamer als der der erwähnten Ringflächen, so daß die Verdichtung
zwischen diesen Ringflächen beim Einspannen den Grad der Verdichtung zwschen diesen
Flanken erreichen und schließlich überschreiten kann, selbst wenn der Abstand zwischen
den Ringflächen anfänglich größer als zwischen den Flanken war.
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Besonders günstig ist es#, wenn die Nut durch zwei Ringwulste begrenzt
ist. Diese steigern die Flächenpressung zwischen dem Schlauchmaterial und den Ringflächen
im Vergleich zu in Axialrichtung ebenen Ringflächen auf Seiten des spannbaren ringförmigen
Elements, so daß sich eine entsprechend höhere Dichtwirkung ergibt.
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Eine noch höhere Flächenpressung und damit Dichtwirkung läßt sich
dadurch erreichen, daß die Ringwulste in ihrer Scheitel-Ringfläche je eine flache
Ringvertiefung erhalten.
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Vorzugsweise ist ferner dafür gesorgt, daß das spannbare Element C-ringförmig
ist und das eine Ende des C-ringförmigen
Elements an seiner Innenseite
ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes Verlängerungsstück aufweist, das in eine
sich ebenfalls in Umfangsrichtung erstreckende Aussparung am anderen Ende und auf
der Innenseite des C-förmigen Elements bündig einführbar ist. Auf diese Weise ergibt
sich beim Spannen des C-ringförmigen Elements eine Überbrückung des Spalts zwischen
den Enden des C-ringförmigen Elements und eine kontinuerliche einlage zwischen dem
Schlauchmaterial und dem C-ringförmigen Element. Dies steigert die Dichtwirkung
im Bereich des Spalts zwischen den Enden des C-ringförmigen Elements.
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Ein noch größerer Spannbereich bei ebenfalls höherer Dichtwirkung
ergibt sich, wenn das spannbare ringförmige Element aus mehreren Ringsegmenten besteht,
die auf der Innenseite ihres einen Endes ein sich in Umfangsrichtung erstreckendes
Verlängerungsstück und am anderen Ende eine sich ebenfalls in Umfangsrichtung erstreckende
Aussparung aufweisen, in die das Verlängerungsstück des benachbarten Ringsegments
bündig einführbar ist.
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Bei dieser Ausbildung kann jedes Ringsegment zwei sich axial gegenüberliegende
schräge Flächen aufweisen und das spannbare Element von einem weiteren Spannelement
aus zwei axial verschraubbaren Ringen umgeben sein, die eine im Querschnitt etwa
trapezförmige Ringnut bilden, deren Flanken den gleichen Neigungswinkel wie die
schrägen Flächen der Ringsegmente aufweisen. Auf diese Weise läßt sich die Spannkraft
aller Ringsegmente gleichzeitig und gleichmäßig allein durch Verdrehen der verschraubbaren
Ringe einstellen.
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Das spannbare ringförmige Element kann aus glasfaserverstärktem Kunststoff
bestehen. Dieses Material hat im Vergleich zu Metall einen verhältnismäßig geringen
Temperaturausdehnungskoeffizienten, so daß Änderungen der Spannkraft aufgrund von
Temperaturschwankungen weitgehend vermieden sind.
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Bei dem Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um Polyamid.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine
spannbare Schelle mit Spannschraube in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 den
Axialschnitt II-II der Fig. 1 mit zwischen dieser und einem Rohrstutzen eingespanntem
Schlauch in etwas kleinerem Maßstab, Fig. 3 eine Seitenansicht der gespannten Schelle
nach Fig. 1 in noch kleinerem Maßstab, Fig. 4 den Schnitt IV-IV durch ein den Spalt
zwischen den Schellenenden überbrückendes Verlängerungsstück des einen Schellenendes
in gegenüber Fig. 4 vergrößertem Maßstab, Fig. 5 einen Axialschnitt durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 6 eine Seitenansicht
eines mehrteiligen ringförmigen Spannelements, das in der Vorrichtung nach Fig.
5 verwendet werden kann.
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Die in den Fig. 1 bis 4 als ringförmiges Spannelement dargestellte
Schelle 5 ist C-ringförmig und an ihren Enden mit radialen Laschen 6 und 7 zur Durchführung
einer Spannschraube 8 versehen. Die Lasche 6 hat eine sich auf seiten des Schraubenkopfes
9 zu einer teilkugelförmigen Pfanne erweiternde Bohrung mit größerem Durchmesser
als der Schraubenschaft. Der Schraubenkopf 9 weist einen entsprechenden Kugelteil
10 auf, so daß die Schraube 8 kugelgelenkig in der Lasche 6 gelagert ist.
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Die Lasche 7 ist mit einer Gewindebohrung für die Spannschraube 8
versehen. Bei Verwendung einer Gegenmutter für die Spannschraube
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kann diese Bohrung in der Lasche 7 auch glatt ausgebildet sein.
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Auf der Innenseite ist die Schelle 5 mit einer umlaufenden Nut 11
versehen, die einen sich radial nach innen erweiternden, etwa trapezförmigen Querschnitt
aufweist.
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Die Schelle 5 dient zum Festspannen eines Schlauches 12 aus Kunststoff
mit einem geringeren Druckverformungsrest, wie ungesättigtem Äthylen-Propylen-Kautschuk
oder PVC, auf einem rohrförmigen Element, hier einem Rohrstutzen 13 mit einer im
Querschnitt etwa trapezförmigen umlaufenden Halterippe 14, wobei Schlauch 12 und
Rohrstutzen 13 zur Durchführung eines Fluids, insbesondere einer hlüssigkeit, unter
hohem Druck dienen. Der Querschnitt der Nut 11 ist größer als der der Halterippe
14, so daß die Nut 11 die Halterippe 14 mit einem allseitigen Abstand übergreifen
kann. Beide Querschnitte sind symmetrisch zu ihrer Mittelachse 15. Die einander
zugekehrten Einspannfla#chen von Nut 11 und Halterippe 14 verlaufen weitgehend parallel.
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Der Steigungswinkel ß der Flanken von Nut 11 und Halterippe 14 liegt
bei etwa 600 bis 900, vorzugsweise bei etwa 750. Die Tiefe T der Nut 11 ist größer
als die Höhe H der Halterippe 14. Die Dii'ferenz TH = T - H (1) ist jedoch kleiner
als die Dicke D des entspannten Schlauchmaterials. Die halbe Nutenweite W/2 am Rand
der Nut 11 ist größer als die halbe Fußbreite B/2 der Halterippe 14, wobei die Differenz
n YB = W/2 - B/2 (2) ebenfalls kleiner als D und kleiner als# ß ph ist. Vorzugsweise
TH sind u H und iSWB so gewählt, daß unabhängig von der Einspanndicke d des Schlauchmaterials
zwischen den Ringflächen 16 der die Nut begrenzenden Rungwulste 17 einerseits und
den diesen Ringflächen
16 zugekehrten Ringflächen 18 des Rohrstutzens
13 andererseits stets gilt, daß d kleiner als der oder gleich dem Flankenabstand
A =/W ~ ) .,ion ß + d ~ cos ß (3) (senkrecht zu den Flanken von Nut 11 und Halterippe
14 gemessen) und dieser Flankenabstand stets kleiner als#TH ist. Auf diese Weise
ergibt sich zwischen den Ringflächen 16 und 18 unabhängig von der Einspanndicke
d stets eine stärkere Zusammendrückung des Schlauchmaterials als zwischen dem Nutengrund
19 und der Stirnfläche 20 der Halterippe 14. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Verhältnisse so gewählt, daß bei d = 0,5 D und ß = 750 der zwischen Nutengrund
19 und Stirnfläche 20 gemessene Abstand ANS = T + d - H = ßTH + d = 0,8 D (4) und
der Flankenabstand A = 0,5 D beträgt. D. h., wenn das Schlauchmaterial zwischen
den Ringflächen 16 und 18 um 50 % zusammengedrückt wird, wird es auch zwischen den
Flanken um 50 % zusammengedrückt, dagegen zwischen Nutengrund 19 und Stirnfläche
20 der Halterippe 14 nur auf 80 O# (bzw. um 20 0Ä). Mit den angegebenen Werten für
A und d liegt dannn bei etwa 33,4 %.
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Die stärkere Verdichtung des Schlauchmaterials zwischen den Ringflächen
16 und 18 als zwischen Nutengrund 19 und Stirnfläche 20 führt dazu, daß das Schlauchmaterial
zu einem großen Teil aus dem Bereich zwischen den Ringflächen 16 und 18 (bei beiden
Ringwulsten 17) in den unter geringerem Einspanndruck stehenden Raum zwischen Nutengrund
19 und Stirnfläche 20 verdrängt wird. Diese Verdrängung des Schlauchmaterials zur
Symmetrieachse 15 hin wird noch dadurch unterstützt, daß auch zwischen den Flanken
von Nutengrund 19 und Halterippe 14 ein höherer Einspanndruck als zwischen Nutengrund
19 und Stirnfläche 20 herrscht, wobei die Verdichtung zwischen den Flanken auch
geringer als zwischen den Ringflächen 16 und 18 sein kann.
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Wenn daher die Elastizität des Schlauchmaterials im Bereich der stärkeren
Verdichtung zwischen den Ringflächen 16 und 18 nachläßt, beispielsweise weil das
Material um so stärker zum Wegfließen neigt, je höher der Einspanndruck ist, kann
aus dem ursprünglich weniger, aber jetzt stärker verdichteten Bereich zwischen Nutengrund
19 und Stirnfläche 20 Schlauchmaterial in den ursprünglich stärker verdichteten
Bereich zurückgedrängt werden, so daß letztlich eine selbsttätige Stabilisierung
des Einspanndrucks zwischen den Ringflächen 16 und 18 und den Flanken von Nutengrund
19 und Halterippe 14 erfolgt. Im Ergebnis hält die Verbindung von Schlauch 12 und
Rohrstutzen 13 einem sehr hohen Fluiddruck über sehr lange Zeit stand. Gleichzeitig
hält sie auch hohen Axialzugkräften stand, die nicht nur durch axiale Komponenten
des Fluiddrucks, sondern auch durch Rüttelschwingungen des Schlauches, z. B. in
Kraftfahrzeugen durch den Motor, an dem der Schlauch 12 angeschlossen ist, verursacht
werden können.
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Die im Vergleich zu den übrigen Einspannflächen von Nut 11 und Halterippe
14 wesentlich schmaleren Ringflächen 16 der Ringwulste 17 ergeben sodann einen verhältnismäßig
hohen Flächendruck zwischen den Ringflächen 16 und den gegenüberliegenden Ringflächen
18. Dies unterstützt die Erzielung einer höheren Materialverdichtung zwischen den
Ringflächen 16 und 18 als zwischen den übrigen, zusammenwirkenden Einspannflächen
von Nut 11 und Halterippe 14. Gleichzeitig wird auch eine bessere Abdichtung zwischen
dem Schlauch 12 und den angrenzenden Elementen 5 und 13 sichergestellt. Dieser Flächendruck
und mithin die Abdichtung lassen sich noch dadurch steigern, daß in den Ringflächen
16 der Ringwulste 17 zusätzlich eine flache Ringvertiefung 21 ausgebildet wird,
so daß sich zusätzliche, noch schmalere Ringwulste beiderseits der Ringvertiefung
21 ergeben.
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Am einen Ende ist die Schelle 5 auf ihrer Innenseite mit einer Aussparung
22 versehen, in die ein Verlängerungsstück 23 beim Schließen der Schelle 5 bündig
einführbar ist, so daß die Ringfläche
16 bei geschlossener Schelle
5 am gesamten Umfang des Schlauches 12 ohne Unterbrechung anliegt, obwohl zwischen
den einander zugekehrten Stirnflächen 24 und 25 von Aussparung 22 und Verlängerungsstück
23 sowie den Laschen 6 und 7 ein Spalt (siehe Fig. 3) verbleiben kann.
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Aufgrund der kugelgelenkigen Lagerung paßt die Spannschraube 8 ihre
Winkellage dem jeweiligen Einspanngrad der Schelle 5 an.
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Die Fig. 5 und 6 stellen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dar, wobei sich in beiden Ausführungsbeispielen verwendete gleiche Bezugszahlen
auf gleiche Teile beziehen.
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Die Schelle 5' weist keine Laschen wie die Laschen 6 und 7 nach den
Fig. 1 und 3 auf, sondern ist als mehrteiliger Spannrin#g ausgebildet, der aus mehreren
Ringsegmenten 26, vorzugsweise 4, besteht. Die Enden der Ringsegmente sind einerseits
mit der Aussparung 22 und andererseits mit dem Verlängerungsstück 23 versehen, so
daß der Durchmesser der Schelle 5' einerseits dem Durchmesser des Rohrstutzens 13
angepaßt und andererseits zum Einspannen des Schlauchs 2 versillt werden kann.
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Zum Spannen dient ein Spannelement 5", das aus zwei axial miteinander
verschraubbaren Gewinderingen 27, 28 besteht. Diese bilden auf ihrer Innenseite
eine im Querschnitt etwa trapezförmige umlaufende Ringnut mit sich in axialer Richtung
erweiternden schrägen Flanken 29 und 30 (bzw. Kegelflächen), die an entsprechend
schrägen Flächen 31, 32 (bzw. Kegelflächen) anliegen, wobei die Flächen 31, 32 die
radial äußere Stirnfläche der Schelle 5' mit den axial äußeren radialen Seitenflächen
33 bzw. 34 der Schelle 5' verbinden.
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Jedes Segment 26 kann sodann aus zwei axial nebeneinanderliegenden
Teilen 35 und 36 bestehen, die ebenfalls über eine axiale Brücke 37 nach Art der
Brücke 23 miteinander in Eingriff stehen,
so daß ihr axialer Abstand
veränderbar ist. Andererseits erleichtert diese Zweiteilung der Schelle 5' in Axialrichtung
die Anbringung der Spannvorrichtung auf der Halterippe 14.
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Sowohl die Ringe 27, 28, als auch die Schelle 5 oder 5' können aus
glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.
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Abwandlungen von den dargestellten Ausführungsbeispielen liegen im
Rahmen der Neuerung. So kann die Schelle 5 mit mehreren parallelen Nuten 11 bzw.
weiteren Ringwulsten 17 und der Rohrstutzen 13 mit weiteren Halterippen 14 versehen
sein, die entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Ferner
kann die Schelle 5 mit nur einer Halterippe, die der Halterippe 14 entspricht, und
der Rohrstutzen 13 mit einer Nut, die der Nut 11 nach dem ersten Ausführungsbeispiel
entspricht, versehen sein. Dabei kann die Nut des Rohrstutzens 13 ebenso wie die
Nut 11 durch Ringwulste begrenzt sein, die den Ringwulsten 17 entsprechen.
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Ferner können bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 die
Teile 35 und 36 in Umfangsrichtung einteilig durchgehende Ringe bilden. Diese sind
dann zwar nicht, wie die Ringsegmente 26, auf unterschiedliche Durchmesser einstellbar,
sondern nur axial gegeneinander verspannbar. Dennoch würde das Schlauchmaterial
nicht nur axial zwischen den Flanken von Nut 11 und sondern Halterippe 14/auch radial
in der Nut 11 verspannt, da es bei der axialen Verspannung in die Nut 11 oberhalb
der Stirnfläche 20 der Halterippe 14 gedrückt und auf diese Weise verdichtet wird.
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Anstelle der dargestellten bevorzugten Trapezform mit abgerundeten
Ecken, Kanten und leicht gewölbten Nutengrund 19 bzw. leicht gewölbter Stirnfläche
20 (bei dem ersten Ausführungsbeispiel), können auch andere Querschnittsformen gewählt
werden, beispielsweise rechteckige, dreieckige (jeweils mit abgerundeten Ecken und
Kanten), kreissegmentförmige, elliptische oder Kombinationen davon, wie Rechtecke
oder Trapeze mit aufgesetzem
Sattel- oder Runddach.
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Als Material für die Spannvorrichtung und/oder Ringe bzw.
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Ringsegmente kann nicht nur Polyamid sondern auch ein anderer Thermoplast,wie
Acetalharz oder Polypropylen,oder Metall verwendet werden.