DE102008013751A1

DE102008013751A1 - Mit einer Formgedächtnislegierung verstärkte Schläuche und Klemmen

Info

Publication number: DE102008013751A1
Application number: DE102008013751A
Authority: DE
Inventors: Pablo D. Ann Arbor Zavattieri; Alfred A. Macomb Gunther
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: US20100109322A1; DE102008013751B4; US20080222853A1

Abstract

Verstärkte Schläuche und Klemmen umfassen im Allgemeinen ein Formgedächtnislegierungsmaterial, das ausgebildet ist, um den im Allgemeinen kreisförmigen Schläuchen und Klemmen Tangentialkräfte zu verleihen. Die Formgedächtnislegierung kann in der Form eines Ringes, der innerhalb des Schlauches eingebettet ist, sein oder kann in funktioneller Verbindung mit der Klemme stehen, sodass bei einer thermischen Aktivierung eine Phasenänderung in der Formgedächtnislegierung die Tangentialkräfte bereitstellt.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Schläuche und Klemmen und im Spezielleren Schläuche und Klemmen, die ganz oder teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sind.
Federklemmen auf Metallbasis werden üblicherweise in verschiedenen Stadien des Herstellungsvorgangs verwendet, um einen Schlauch mit einem Verbinder zu verbinden. Es ist wichtig, dass die Klemme richtig verbunden ist, um mögliche Undichtigkeiten zu vermeiden. Darüber hinaus kann es zuweilen schwierig sein, optisch festzustellen, ob die Klemme bis zu einem Grad festgezogen wurde, der wirksam ist, um eine Undichtigkeit zu vermeiden. Selbst wenn sie während des anfänglichen Montagevorgangs in einem Ausmaß entsprechend festgezogen war, das wirksam ist, um eine Undichtigkeit zu vermeiden, ist es möglich, dass eine Klemme sich auf Grund der Schwingungen der Betriebsumgebung lockert. Außerdem können diese Arten von Klemmen oft bei Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, um Kühlerschläuche mit einem Kühlereinlass, der extensiven Temperaturwechseln ausgesetzt ist, zu verbinden.
1 veranschaulicht eine beispielhafte Schlauch-Federklemme 10 nach dem Stand der Technik. Die Klemmen sind typischerweise aus einem länglichen Band aus rostfreiem Stahl gebildet. Ein Band 12 mit einem ersten und einem zweiten entgegengesetzten Ende, die überlappt sind, um ein kreisringförmiges Klemmelement zu bilden, umfasst äußere Gewinde stanzöffnungen (oder Perforationen) 14 und eine Verstellanordnung 16 in funktioneller Verbindung damit, um eine Drehschraube zum selektiven Verstellen des Klemmendurchmessers zu definieren. Die Verstellanordnung umfasst ein Drehzahnrad mit Umfangszähnen, die mit den Gewindestanzöffnungen in Eingriff stehen, wobei eine Drehung des Rades dazu führt, dass sich das erste und das zweite Ende bewegen, um den Umfang des Klemmelements zu ändern. Das Drehzahnrad wird mit einer Verstellschraube 17 angetrieben, die für einen einfacheren Zugriff rechtwinklig zu dem Klemmelementumfang positioniert ist. Durch Verstellen des Klemmdurchmessers kann ein Schlauch 18 von einem Schlauchverbinder 20 entfernt oder an diesem befestigt werden.
Es ist daher wünschenswert, eine Klemme vorzusehen, die für eine einfache Montage beim Befestigen der Klemmen sorgt und auch einige der auf dem Gebiet der Technik bekannten Probleme überwindet.
Kurzzusammenfassung
Hierin offenbart sind verstärkte Schläuche und Schlauchklemmen. In einer Ausführungsform umfasst eine Schlauchklemme zum Befestigen eines Schlauchs an einer Schlauchverbindung ein längliches Band mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, das ausgebildet ist, um ein im Wesentlichen kreisförmiges Klemmelement zu bilden, das eine Schlauchaufnahmeöffnung definiert, wobei das längliche Band eine Vielzahl von in Eingriff bringbaren Abschnitten umfasst, die um eine Außenfläche des Bandes herum beabstandet sind; einen Verstellmechanismus, der an einem Ende des länglichen Bandes befestigt ist, und ausgebildet ist, um mit den in Eingriff bringbaren Abschnitten in Eingriff zu stehen und einen Durchmesser der Schlauchaufnahmeöffnung zu verstellen; und ein Formgedächtnislegierungsmaterial in funktioneller Verbindung mit dem längli chen Band, das ausgebildet ist, um dem kreisförmigen Klemmelement Tangentialkräfte zu verleihen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein selbstreparierender Schlauch eine flexible Leitung mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt und einem offenen Ende, das ausgebildet ist, um an einer Schlauchverbindung befestigt zu werden; und einen Ring, der aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist und innerhalb des allgemein kreisförmigen Querschnitts der flexiblen Leitung eingebettet ist, wobei der Ring in der Nähe des freien Endes positioniert ist, sodass der Ring beim Befestigen des Schlauches an der Schlauchverbindung um einen Außenumfang der Schlauchverbindung herum angeordnet ist. Für jene Fälle, in denen sich Risse unabhängig von dem Ort zufällig bilden können, können Ringe auch entlang der Länge des Schlauches verteilt sein. In einigen anderen Fällen sind Risse an Schlauchkniestücken oder in der Nähe von Stellen zu erwarten, wo die mechanischen oder Umweltbedingungen verschieden sind oder wo ein Kontakt mit anderen Komponenten besteht. In diesen Fällen werden die Ringe strategisch in diesen Bereichen angeordnet.
In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst ein Schlauchanschluss für ein Hochtemperaturfluid eine Schlauchverbindung; eine flexible Leitung mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt und einem freien Ende, das an der Schlauchverbindung befestigt ist; und eine vorgedehnte Formgedächtnislegierung in funktioneller Verbindung mit der flexiblen Leitung, die ausgebildet ist, um beim Empfangen einer thermischen Belastung von dem Hochtemperaturfluid eine Tangentialkraft gegen den allgemein kreisförmigen Querschnitt und die Schlauchverbindung auszuüben.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale sind in den nachfolgenden Fig. und der detaillierten Beschreibung beispielhaft dargestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nunmehr wird Bezug auf die Fig. genommen, die beispielhafte Ausführungsformen darstellen und in denen gleiche Elemente gleich bezeichnet sind.
1 ist eine beispielhafte Schlauchklemme nach dem Stand der Technik;
2 ist eine partielle aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines Schlauchendes mit einem eingebetteten Ring, der aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist;
3 ist eine Schnittansicht des Schlauchendes entlang den Linien 3-3 von 2;
4 ist eine perspektivische Darstellung eines beispielhaften Kabelbandes, das aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist;
5 ist eine Schnittansicht des Kabelbandes mit einem Formgedächtnislegierungsdraht, der ausgebildet ist, um bei einer Aktivierung eine Tangentialkraft auszuüben;
6A, B und C sind Schnittansichten, die den Vorgang des Befestigens eines Schlauches an einer Schlauchverbindung mit einer Schlauchklemme der vorliegenden Offenlegung veranschaulichen; und
7 ist eine Schnittansicht eines selbstreparierenden Schlauches.
Detaillierte Beschreibung
Hierin offenbart sind Schlauchklemmen zum Befestigen eines Schlauches an einem Schlauchverbinder. Die Schlauchklemmen sind ganz oder teilweise aus einem Formgedächtnislegierungsmaterial gebildet. Wie nachfolgend in größerem Detail erläutert wird, werden die Formgedächtnislegierungsklemmen in einem kalten Zustand an einem Schlauch und Schlauchverbinder befestigt, d. h., die Formgedächtnislegierung befindet sich in ihrer Martensitphase und wird anschließend über ihre Übergangstemperatur auf ihre sogenannte Austenitphase erwärmt. Der Phasenübergang von der Martensitphase zu der Austenitphase verringert den Durchmesser der Schlauchklemme. Auf diese Weise kann anstelle von oder zusätzlich zu einem mechanischen Eingriff Wärme auf die Schlauchklemme aufgebracht werden, um sicherzustellen, dass die Klemme sicher in einem Ausmaß befestigt ist, das wirksam ist, um eine Undichtigkeit zu verhindern. Das Aufbringen von Wärme kann durch ein beliebiges Mittel einschließlich des einfachen Betriebs des Fahrzeuges erfolgen. Vorteilhafterweise macht die Verwendung von Formgedächtnislegierungen die Schlauchklemme korrosionsbeständig und ermöglicht es, die Schlauchklemme in korrosiven Umgebungen zu verwenden.
Formgedächtnislegierungen zeigen Eigenschaften, die insofern einzigartig sind, als sie typischerweise in anderen Metallen nicht anzutreffen sind. Der Formgedächtniseffekt manifestiert sich, wenn das Metall zuerst durch Biegen, Druck, Scheren oder Zugdehnungen in seinem kalten Zustand stark verformt wird. Die akkumulierte Dehnung kann dann durch Erhöhung der Temperatur über ihre Übergangstemperatur entfernt werden, wodurch zugelassen wird, dass es seine ursprüngliche Form in seinem heißen Zustand wiedererlangt. Auf diese Weise scheint sich das Material an seine ursprüngliche Form zu „erinnern". Formgedächtnislegierungen, die einen Formgedächtniseffekt in einer Richtung zeigen, kehren bei der Rückkehr in ihren kalten Zustand nicht in ihre verformte Form zurück. Jede gewünschte Verformung in ihrem kalten Zustand sollte spannungsinduziert sein. Der zugrundeliegende Mikrostruktureffekt basiert auf einer spannungsinduzierten Entzwillingung (Verformung) in ihrem kalten Zustand und einem temperaturinduzierten Übergang von der Martensit- in die Austenitphase (Rückverformung). Alternativ lässt die Superelastizität, welche die weitere Haupteigenschaft von Formgedächtnislegierungen darstellt, zu, dass diese Materialien über einen spannungsinduzierten Übergang von der Austenit- in die Martensitphase in ihrem heißen Zustand verformt werden. Unter Spannung ist eine lineare Spannungs-Dehnungs-Kurve zu beobachten, wenn sich das austenitische Material bis zu dem martinsitischen Übergang verformt. Die Dehnung erhöht sich dann bei konstanter Spannung (d. h. die Spannungs-Dehnungs-Kurve erreicht ein Plateau), bis das gesamte Material martensitisch ist. Das Material erlangt seine Form wieder, wenn die Spannung weggenommen wird, was zu einem inversen Phasenübergang führt. Es ist zu beachten, dass sich der kalte und heiße Zustand auf die Übergangstemperaturen beziehen, die für spezifische Anwendungen maßgeschneidert sein können. Zum Beispiel liegt für einige SMA-Drähte, die üblicherweise für Betätigungszwecke vertrieben werden, der kalte Zustand bei Raumtemperatur vor und eine Betätigung wird durch Erwärmen der Drähte auf bis über (70 oder 90°C) erreicht. Andererseits befinden sich Formgedächtnislegierungen, die für Mobiltelefonantennen und Brillenrahmen verwendet werden, üblicherweise bei Raumtemperatur in ihrem heißen Zustand und nur ihre superelastischen Eigenschaften werden verwendet. Ein weiterer Vorteil von Formgedächtnislegierungen gegenüber anderen Metallen, die typischerweise für Schlauchklemmen verwendet werden, ist ihre gute Korrosionsbeständigkeit.
Als Hintergrundinformation sind Formgedächtnislegierungen Legierungszusammensetzungen mit mindestens zwei verschiedenen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, in den Martensit überzugehen, wird als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die oben erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die die SMA-Probe erfährt. Im Speziellen steigen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung. Im Hinblick auf die vorhergehenden Eigenschaften erfolgt eine Verformung der Formgedächtnislegierung vorzugsweise bei oder unterhalb der Austenit-Übergangstemperatur. Ein anschließendes Erwärmen über die Austenit-Übergangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnislegierungsprobe in ihre permanente Form zurückkehrt. Somit ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die aus reicht, um Übergänge zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Die Austenit-Endtemperatur, d. h. die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch thermo-mechanische Verarbeitung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 270°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiederherstellungsprozess kann über einen Bereich von nur wenigen Grad stattfinden oder eine allmählichere Wiederherstellung zeigen. Der Beginn oder das Ende des Übergangs kann innerhalb von ein oder zwei Grad gesteuert sein, je nach gewünschter Anwendung und Legierungszusammensetzung. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihren Übergang überspannt, und stellen einen Formgedächtniseffekt, einen superelastischen Effekt und ein hohes Dämpfungsvermögen bereit. Zum Beispiel ist in der Martensitphase ein niedrigerer Elastizitätsmodul zu beobachten als in der Austenitphase. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können großen Verformungen unterworfen werden, indem die Kristallstrukturumgruppierung mit der aufgebrachten Spannung neu ausgerichtet wird. Das Material wird diese Form behalten, nachdem die Spannung entfernt ist.
Wie oben angeführt, erfolgt eine Formwiederherstellung, wenn die Formgedächtnislegierung SMA eine Verformung erfährt, während sie sich in der verformbaren Niedertemperaturphase befindet, und dann einer Hitze ausgesetzt wird, die höher ist als die Übergangstemperatur (d. h. die Austenit-Endtemperatur). Die Wiederherstellungsspannungen können 400 Megapascal (60 000 Psi) übersteigen. Eine wiederherstellbare Dehnung beträgt etwa 8% (etwa 4% bis etwa 5% für die Kupfer-Formgedächtnislegier ungen) für einen einzigen Wiederherstellungszyklus und nimmt allgemein mit steigender Zyklenzahl ab.
Die SMA kann in der Form eines Bandes, einer Platte, eines Drahtes, eines Rohres, eines Stabes, einer Schiene oder dergleichen vorliegen. Die spezielle Form sowie die Zusammensetzung sollen nicht eingeschränkt sein. Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgend einer höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung weist einen Formgedächtniseffekt auf wie z. B. eine Änderung der Form, der Orientierung, Änderungen der Fließgrenze, des Biegemoduls, des Dämpfungsvermögens, der Superelastizität und/oder ähnliche Eigenschaften. Die Wahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente arbeiten wird. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die SMA eine Nickel-Titan-Legierung.
Die Form der SMA kann planar, gekrümmt oder in jeder beliebigen andere Form vorliegen. Es wird daher einzusehen sein, dass die Verwendung des Begriffs SMA hierin alle diese SMA-Materialien, Gestalten und Formen umfassen soll.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „kalter Zustand" auf einen Zustand, in dem sich die Formgedächtnislegierung bei einer Temperatur unter ihrer Martensit-Endtemperatur M_f befindet (der Begriff ist in der Literatur allgemein anerkannt). In diesem Zustand kann sich das Material durch aufgebrachte Spannung von der Zwillings- in die Entzwillingungsvariante verformen. Der Begriff „heißer Zustand" bezieht sich auf einen Zustand, in dem sich die Formgedächtnislegierung über ihrer Austenit-Endtemperatur A_f befindet. Bei einer Spannung von Null erlangt die Formgedächtnislegierung ihre Form wieder. Auch unter isothermen Bedingungen zeigt das Material ein spannungsinduziertes superelastisches Verhalten, wenn es sich anfänglich in seiner austenitischen Phase befindet (oder wenn die Temperatur über ihrer A_f liegt). Das bedeutet, dass es sich um einen spannungsinduzierten Übergang von der Austenit- in die Martensitphase handelt.
Geeignete Formgedächtnislegierungen können derart gebildet sein, dass sie sich bei Raumtemperatur entweder in ihrem kalten oder ihrem heißen Zustand befinden. Wie zuvor erläutert, können die Übergangstemperaturen M_f und A_f für die Erfordernisse maßgeschneidert sein. Eine Möglichkeit besteht darin, die M_f-Temperatur über die Raumtemperatur zu setzen. In diesem Fall kann sich das Material bei Raumtemperatur verformen und eine Befestigung kann durch Erwärmen der SMA über ihre A_f-Temperatur erfolgen. In Kraftfahrzeuganwendungen können die Temperaturen durch Erwärmen mit einem beliebigen Mittel während des Herstellungsverfahrens, z. B. Induktionserwärmen, ein Heißluftgebläse und dergleichen oder durch ein erstes Motorservice erhalten werden. Ein optionaler Sperrmechanismus kann verwendet werden, um die Klemme zusammengebunden zu halten. Anschließende Heizzyklen des Motors stellen sicher, dass die Klemme im Betrieb weiter schrumpfen wird, um jegliche Druckverformung im Schlauch auszugleichen. In einer weiteren Ausführungsform wird die A_f Temperatur der Formgedächtnislegierung deutlich unter der Raumtemperatur festgelegt (einige der handelsüblichen SMAs werden mit einer A_f unter der Gefriertemperatur angeboten). In dieser Ausführungsform sollte die Verformung und Positionierung der intelligenten Klemme bei T < M_f (z. B. unter Verwendung von flüssigem Stickstoff) erfolgen. Die Aktivierung (und Schrumpfung) der Klemme wird bei Raumtemperatur automatisch erreicht. In diesem Fall ist der Sperrmechanismus unter Umständen nicht notwendig, wenn die Klemmen oberhalb von A_f bleiben.
Beispielsweise kann eine ringförmige Klemme, die die vorgedehnte Formgedächtnislegierung enthält, in den Schlauchverbindungsbereich eingebettet oder um diesen herum angeordnet sein. Diese „intelligente Klemme" kann offen, geschossen oder in Spiralform, jedoch für einen bestimmten Schlauchdurchmesser dimensioniert sein. Beim Anordnen befindet sich die Formgedächtnislegierung in ihrem kalten Zustand und sie kann derart verformt werden, dass sie mit der Verbindung verbunden werden kann. Das Befestigen geschieht durch Erhöhen der Temperatur der Formgedächtnislegierung in ihren heißen Zustand, um die intelligenten Klemme zu schrumpfen (oder ihren Radius zu verringern). Die Klemmkraft kann entweder durch Wärme von dem Fluid oder der Umgebung (d. h. Wärme von dem Kühlmittel im Inneren des Schlauches oder von dem Motor), die die Formgedächtnislegierung dazu zwingt, im Betrieb zu schrumpfen oder durch Verwenden eines Sperrmechanismus (eines Streifens, der lediglich beim ersten Service festgezogen werden muss) aufrechterhalten werden.
Wie zuvor erläutert, werden die Verringerung des Radius der Formgedächtnislegierungs-Schlauchklemme und die anschließende Klemm/Befestigungskraft durch Nutzung der Formgedächtniseigenschaft erreicht. Die 2 und 3 veranschaulichen einen beispielhaften Klemmring 30, der einen Formgedächtnislegierungsring 34 umfasst, welcher an einem dista len Ende eines Schlauches 32 eingebettet ist. Der Klemmring ist lediglich beispielhaft und soll nicht einschränkend sein. Wie in der Schnittansicht von 3 deutlicher gezeigt, ist der nicht verformte SMA-Klemmring in seinem kalten Zustand aufgeweitet (Entzwillingung seiner Martensitphase) und bleibt in seinem verformten Zustand, während er in dem Schlauch eingebettet oder außerhalb davon angeordnet wird. Eine Temperaturerhöhung (über die Übergangstemperatur seiner austenitischen Phasen- heißer Zustand) zwingt den Formgedächtnislegierungs-Klemmring, seine ursprüngliche Form wiederzuerlangen (in Strichlinien gezeigt). Auf Grund der durch den Schlauch und die Verbindung gebotenen Einschränkung kehrt der Klemmring nicht vollständig in seine ursprüngliche Form zurück und übt im Inneren des Schlauches Umfangskräfte aus, die sich an der Schlauch/Verbindungs-Grenzfläche in Kontaktdrücke umwandeln und eine robuste Abdichtung herstellen. Derselbe Formgedächtniseffekt kann verwendet werden, um Klemmkräfte durch Biegen von dicken Stücken von offenen Formgedächtnislegierungs-Ringen herzustellen.
Die 4 und 5 veranschaulichen eine noch weitere Ausführungsform einer Formgedächtnislegierungs-Schlauchklemme 50 zum Verbinden eines Schlauches mit einer Schlauchverbindung (d. h. einem Verbinder). Die Klemme 50 liegt in der Form eines Kabelbandes vor und umfasst einen länglichen flexiblen Streifen- oder Bandabschnitt 52 und einen Kopfabschnitt 54, die jeweils als ein einzelnes Teile geformt sind. Der Kopfabschnitt 54 umfasst ein Gehäuse 56, das eine quer gerichtete Öffnung, die hierdurch gebildet ist, definiert und einen Widerhaken 58 enthält. Der Streifen umfasst einen Eingriffsabschnitt 60, der derart in einer Richtung orientiert ist, dass der Widerhaken 58 nach dem Einsetzen des Streifens in die Öffnung mit dem Eingriffsabschnitt 60 in Eingriff steht. Der Widerhaken 58 umfasst einen flexiblen Bereich und ist derart orientiert, dass der Streifen in die Öffnung eingesetzt werden und sich frei in einer Rich tung bewegen kann. Der Widerhaken wird beim Aufbringen einer Kraft in der Gegenrichtung an dem Eingriffsabschnitt verankert. In 4 ist das gesamte Kabel aus der Formgedächtnislegierung gebildet. Daher tritt die Klemmkraft, anders als die Tangentialkräfte, die in der nächsten Ausführungsform beschrieben werden, unter einer Biegung auf.
In 5 ist die Klemme nicht aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, sondern umfasst ein/en Formgedächtnislegierungsband, -draht oder dergleichen, 62, wobei ein Ende 64 an einem Ende des Streifens (nach dem Einsetzen in die quer gerichtete Öffnung) fest angebracht ist und ein weiteres Ende 66 an dem Kopfabschnitt 54 fest angebracht ist. Auf diese Weise kann die Formgedächtnislegierung jede permanente Verformung des Schlauches (Druckverformung) auf Grund der Temperaturwechsel ausgleichen. Optional kann die Schlauchklemme 50 verwendet werden, um die notwendige Kraft bereitzustellen, um die Klemme/den Streifen bis zu dem Punkt festzuziehen, an dem die Klemme die für eine gute Abdichtung erforderliche Klemmkraft aufweist, die auf die Schlauch/Verbindungs-Grenzfläche ausgeübt wird.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 6A, B und C sind ein/e beispielhafte/s Verfahren und Schlauchklemme zum Befestigen eines Schlauches an einer Schlauchverbindung gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst die Schlauchklemme 70 eine/n Formgedächtnislegierungsdraht 72, der fest an einem Ende des Streifens 52 und an einer Stelle, die sich nahe an dem Kopfabschnitt 54 befindet, angebracht ist. In einer Ausführungsform ist der Formgedächtnisdraht an einer Stelle nahe dem freien Ende des Streifens befestigt. Der Formgedächtnislegierungsdraht wird an dem Kopfabschnitt befestigt, sobald die Klemme anfangs befestigt wird. Wie gezeigt wird zuerst ein Schlauch in der Öffnung der Verbindung positioniert und die Klemme ist offen, ohne dass die Formgedächtnislegierung gesperrt ist. Als Nächstes wird der Schlauch durch die T-förmig profilierte Verbindung geführt, wobei die Klemme offen bleibt und für den Schlauch ausreichend Spielraum lässt, um sich radial aufzuweiten und um den Radius des T-Abschnitts aufzunehmen. Die Schlauchklemme 70 wird dann mit der Hand festgezogen, indem eine Zugkraft auf den Streifen ausgeübt wird, sodass der Kopfabschnitt mit dem Eingriffsabschnitt des Streifens in Eingriff tritt, gefolgt von einer Erhöhung der Temperatur des Formgedächtnislegierungsdrahtes über seine Übergangstemperatur A_f. Die Wärmebehandlung verursacht eine Tangentialkraft, die gegen den Schlauch 20 und die Schlauchverbindung 18 aufgebracht wird und die wirksam ist, um einen abdichtenden Eingriff bereitzustellen und einen permanenten Druck des Schlauches auszugleichen.
Als ein spezielles Beispiel besitzt ein bei Kraftfahrzeuganwendungen üblicherweise verwendeter Schlauch einen Außendurchmesser von 42 mm. Die Klemmkraft (Tangentialkraft), die zum Abdichten erforderlich ist, beträgt etwa 500 Newton. Um eine Abschätzung vorzusehen, wie viel Formgedächtnislegierungsmaterial benötigt wird, kann die folgende einfache Berechnung verwendet werden, wobei Folgendes angenommen wird: (1) Die SMA wird in Drahtform mit typischen Drahtdurchmessern von 200, 250, 380 und 500 Mikron angenommen ist. (2) Diese Drähte besitzen die Fähigkeit, eine maximale Spannung von 0,8–1 GPa liefern (man erinnere sich, dass nur ein Lebenszyklus notwendig ist, um die Klemme einmal im Fertigungsstadium zu befestigen). Eine maximale Länge pro Draht, die dem Außendurchmesser des Schlauches entspricht, wird mit L = Dπ = 131,9 mm angenommen. Die Berechnungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

⌀ [mil] ⌀ [μm] A[mm₂] F_max[N] (0,8/1 GPa) # Draht

8 203 0,0323 25,8/32,3 16–20

10 254 0,0506 40,5/50,6 10–13

15 381 0,1140 91,2/114 5–6

20 508 0,1990 160/200 3–4
Diese Tabelle enthält eine Schätzung des zusätzlichen Preises für jede Klemme (Preis nur für die Formgedächtnislegierung). Die ersten zwei Spalten zeigen die möglichen (handelsüblichen) Drahtdurchmesser, die in dieser Berechnung berücksichtigt sind. Die dritte Spalte zeigt die Querschnittsfläche der Drähte. Die in der vierten Spalte angegebenen Kräfte sind die maximale Kraft, die diese Drähte ausüben können, wenn eine maximale Spannung von 0,8/1,0 GPa angenommen wird. Bei einer gegebenen Länge von 131,9 mm (als eine maximale Zahl) und der Notwendigkeit, insgesamt 500 N vorzusehen, ist in der sechsten Spalte die Anzahl der Drähte angegeben. Es sollte angemerkt werden, dass die Berechnungen nur eine Schätzung vorsehen und in Abhängigkeit von anderen Faktoren schwanken können. Zum Beispiel kann für ein T-förmiges Profil, wenn die Klemme anfangs fest genug angezogen wird, das restliche Zusammenziehen, das erforderlich ist, um die erforderliche Kraft bereitzustellen, kleiner sein.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 7 ist eine weitere mögliche Funktion dieser Formgedächtnislegierungsklemmen die Selbstreparatur-Fähigkeit, innere Risse in Kontaktbereichsnähe zu schließen und daher zu verhindern, dass der Riss größer wird. Da der Zweck dieser Funktion verschieden von der oben erläuterten Fähigkeit, den Schlauch in den Verbin der hinein festzuziehen, können die Konstruktionsparameter in diesem Fall variieren. Zum Beispiel kann, wie in 7 gezeigt, ein innerer Riss 82 in dem Schlauch 30 durch verschiedene mechanische und Umweltbedingungen erzeugt werden. In dem Fall, in dem der Schlauch eine thermische Belastung eines Fluids trägt, zieht sich der eingebettete, vorgedehnte SMA-Ring 34, der in dem Schlauch angeordnet ist, wie in der Fig. gezeigt, zusammen, wenn das Fluid dem Draht nahe kommt (oder mit diesem in Kontakt tritt). Die durch den Draht ausgeübte Kraft wird den Riss 82 schließen und verhindern, dass er während eines Betriebes bei hoher Temperatur größer wird.
Während die Offenlegung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der Offenlegung abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material für die Lehre der Offenlegung geeignet zu machen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Die Offenlegung soll daher nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein, die als die beste in Erwägung gezogene Art der Ausführung der Offenlegung offenbart wurde, sondern die Offenlegung umfasst alle Ausführungsformen, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Schlauchklemme zum Befestigen eines Schlauchs an einer Schlauchverbindung, wobei die Schlauchklemme umfasst: ein längliches Band mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, das ausgebildet ist, um ein im Wesentlichen kreisförmiges Klemmelement zu bilden, das eine Schlauchaufnahmeöffnung definiert, wobei das längliche Band eine Vielzahl von in Eingriff bringbaren Abschnitten umfasst, die um eine Außenfläche des Bandes herum beabstandet sind; einen Verstellmechanismus, der an einem Ende des länglichen Bandes befestigt ist und ausgebildet ist, um mit den in Eingriff bringbaren Abschnitten in Eingriff zu stehen, und einen Durchmesser der Schlauchaufnahmeöffnung zu verstellen; und ein Formgedächtnislegierungsmaterial in funktioneller Verbindung mit dem länglichen Band, das ausgebildet ist, um dem kreisförmigen Klemmelement Tangentialkräfte zu verleihen.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei der Verstellmechanismus ein Drehzahnrad umfasst, das Umfangszähne aufweist, die mit der Vielzahl von in Eingriff bringbaren Abschnitten in Eingriff stehen.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei der Verstellmechanismus ein Gehäuse umfasst, das eine quer gerichtete Öffnung definiert, die an dem zweiten Ende des länglichen Bandes angeordnet ist, wobei die quer gerichtete Öffnung ausgebildet ist, um das erste Ende des länglichen Bandes aufzunehmen, und einen Widerhaken für einen Eingriff mit den in Eingriff bringbaren Abschnitten in einer Richtung umfasst.
Schlauchklemme nach Anspruch 3, wobei das Formgedächtnislegierungsmaterial ein Ende, das fest an dem länglichen Band befestigt ist, und ein weiteres Ende aufweist, das an dem Gehäuse befestigt ist und ausgebildet ist, um bei seiner Aktivierung eine Tangentialkraft auf das längliche Band auszuüben.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei das längliche Band eine Federklemme definiert.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei das längliche Band ein Kabelband definiert.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei die Formgedächtnislegierung ausgebildet ist, um sich bei einer thermischen Aktivierung zusammenzuziehen.
Schlauchklemme nach Anspruch 1, wobei die Formgedächtnislegierung aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Gold-Kupfer- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis und Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis besteht.
Selbstreparierender Schlauch, umfassend: eine flexible Leitung mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt und einem offenen Ende, das ausgebildet ist, um an eine Schlauchverbindung montiert zu werden; und einen Ring, der aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist und innerhalb des allgemein kreisförmigen Querschnitts der flexiblen Leitung eingebettet ist, wobei der Ring in der Nähe des offenen Endes positioniert ist, sodass der Ring beim Befestigen des Schlauchs an der Schlauchverbindung um einen Außenumfang der Schlauchverbindung herum angeordnet ist.
Selbstreparierender Schlauch nach Anspruch 9, wobei die Formgedächtnislegierung aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis, Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis und Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis besteht.
Selbstreparierender Schlauch nach Anspruch 9, wobei der aus der Formgedächtnislegierung gebildete Ring ausgebildet ist, um bei einer thermischen Aktivierung einen Durchmesser des allgemein kreisförmigen Querschnitts zu verringern.
Selbstreparierender Schlauch nach Anspruch 11, wobei die Verringerung des Durchmessers des allgemein kreisförmigen Querschnitts bei einer Größe liegt, die wirksam ist, um einen inneren Riss in der flexiblen Leitung zu schließen.
Schlauchanschluss für ein Hochtemperaturfluid, umfassend: eine Schlauchverbindung; eine flexible Leitung mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt und einem freien Ende, das an der Schlauchverbindung befestigt ist; und eine vorgedehnte Formgedächtnislegierung in funktioneller Verbindung mit der flexiblen Leitung, die ausgebildet ist, um beim Empfangen einer thermischen Belastung von dem Hochtemperaturfluid eine Tangentialkraft gegen den allgemein kreisförmigen Querschnitt und die Schlauchverbindung auszuüben.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die vorgedehnte Formgedächtnislegierung ein Ring ist, der innerhalb des allgemein kreisförmigen Querschnitts der flexiblen Leitung eingebettet ist und der derart positioniert ist, dass er beim Empfangen der thermischen Belastung die Tangentialkraft auf die Schlauchverbindung ausübt.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die Formgedächtnislegierung aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis, Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis und Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis besteht.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die vorgedehnte Formgedächtnislegierung ein längliches Band ist, das ein erstes En de und ein zweites, gegenüberliegendes Ende aufweist, die überlappt sind, um ein im Wesentlichen kreisförmiges Klemmelement um den Umfang der flexiblen Leitung herum zu bilden, wobei das längliche Band eine Vielzahl von in Eingriff bringbaren Abschnitten umfasst, die um eine Außenfläche des Bandes herum beabstandet sind; und ein Verstellmechanismus ist, der an einem Ende des länglichen Bandes befestigt ist und ausgebildet ist, um mit den in Eingriff bringbaren Abschnitten in Eingriff zu stehen, und einen Durchmesser des Klemmelements zu verstellen.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die vorgedehnte Formgedächtnislegierung ein Kabelband ist.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die vorgedehnte Formgedächtnislegierung ein Band ist, das um einen Umfang der flexiblen Leitung herum gebildet ist.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die Formgedächtnislegierung ein Draht ist, der an einem Ende mit einem länglichen Band und an einem anderen Ende mit einem Verstellmechanismus fest verbunden ist, wobei das längliche Band eine Vielzahl von in Eingriff bringbaren Abschnitten umfasst und der Verstellmechanismus ein Gehäuse, das eine quer gerichtete Öffnung definiert, und einen Widerhaken für einen Eingriff mit den in Eingriff bringbaren Abschnitten in einer Richtung umfasst, wobei das Gehäuse derart ausgebildet ist, um ein freies Ende des länglichen Bandes aufzunehmen.
Schlauchanschluss nach Anspruch 13, wobei die Schlauchverbindung ein T-förmiges Profil besitzt.