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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Federelement mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie eine Kontaktbuchse für eine elektrische Steckverbindung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Die Erfindung betrifft
ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktbuchse mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 21.
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Bei
elektrischen Steckverbindungen, mit denen hohe Ströme übertragen
werden sollen, besteht oftmals das Problem einer nur punktuellen
Kontaktierung zwischen einem Stecker und einem Buchsenkontakt, welche
für die
hohen zu übertragenen
Ströme
einen relativ großen
Widerstand bietet. Bei einer flächigeren
Kontaktierung zwischen Stecker und Buchse kann das Problem eines
zu festen Sitzes beziehungsweise einer Verklemmung des Steckers
in der Buchse auftreten. Bekannte Flachsteckerverbindungen weisen
oftmals nur zwei relativ kleine Kontaktstellen auf, bei denen ein
Flach- oder Rundstecker zwischen zwei federnden Zungen der Buchse gehalten
ist.
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Aus
DE 694 03 172 T2 ist ein
Mechanismus zur Herstellung einer mechanischen und/oder elektrischen
Verbindung zwischen einem Stecker und einer Buchse bekannt, bei
dem eine Schraubenfeder in einer Umfangsnut der Buchse angeordnet
ist, von der ein Abschnitt aus der Umfangsnut vorsteht. Die Feder
ermöglicht
ein Einrasten und Verriegeln der Stecker-Buchse-Verbindung, indem sie sowohl in der Umfangsnut
der Buchse als auch in einer Umfangsnut am Stecker einrastet.
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Aus
der Patentschrift
DE
26 33 892 C2 ist eine elektrische Steckverbindung mit Steckerteilen bekannt,
wobei zwischen den Steckerteilen ein federndes Kontaktelement vorgesehen
ist. Das Kontaktelement weist in Steckrichtung verlaufende, zwischen
quer dazu angeordneten Streifen Stege bildende und je um ihre in
Steckrichtung verlaufende Achse aus der Kontaktelementebene herausgebogene
Kontaktlamellen auf. Jede Kontaktlamelle weist mehrere gewölbte, in
Steckrichtung wellenartig ausgebildete, ein bewegliches Steckerteil
mit den gewölbten
Oberflächen
berührende
Vorsprünge
auf.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
119 077 A1 ist ein Kontaktelement zum elektrischen Verbinden
zweier Kontaktstücke
bekannt. Das Kontaktelement ist ringförmig ausgebildet und weist
federnd angeordnete Einzelelemente auf, die senkrecht zur Ringebene
angeordnet sind. Die Einzelelemente sind in Form von Kontaktbügeln ausgebildet, die
mit zwei Endstücken
in einem geschlossenen Trägerband
gehaltert sind.
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Aus
der US-Patentanmeldung
US 3,678,445 ist
eine elektrische Abschirmanordnung für einen elektrischen Stecker
bekannt, wobei zur elektrischen Kontaktierung zwischen zwei Kontaktflächen ein Kontaktband
eingesetzt wird, das zwischen den zwei Kontaktflächen angeordnet ist und federnde
Kontaktfinger aufweist. Das Kontaktband ist mit einer Bandfläche an einer
ersten Kontaktfläche
angeordnet, wobei die federnden Kontaktfinger an der zweiten Kontaktfläche anliegen.
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Aus
dem US-Patent
US 4,106,839 ist
eine elektrische Abschirmanordnung bekannt, bei der zwischen zwei
elektrisch leitenden Kontaktflächen
ein Kontaktelement angeordnet ist. Das Kon taktelement ist in Form
eines Kontaktbands ausgebildet, das zwischen den zwei Kontaktflächen angeordnet
ist. Das Kontaktband weist Kontaktzungen auf, die senkrecht zur
ringförmigen
Anordnung des Kontaktelements ausgebildet sind. Das Kontaktband
ist mit den Kontaktzungen zwischen den zwei Kontaktflächen eingespannt,
wobei die Federkraft der Kontaktzungen eine sichere elektrische
Kontaktierung ermöglichen.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 1
107 377 A1 ist ein Federelement, insbesondere für eine Kontaktbuchse
zur Herstellung eines elektrischen Kontakts einer Stecker-Buchse-Verbindung bekannt,
wobei das Federelement einen ringförmigen Basisabschnitt aus Metallblech
und mit einer Mehrzahl daran befestigten Kontaktzungen aufweist, die
jeweils in einer Bogenform ausgebildet sind. Die Bogenform verläuft entlang
einer Mantelfläche
einer, einen Rotationskörper
beschreibenden Einhüllenden des
Federelements.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Steckverbindung
für hohe
zu übertragende
Ströme
zur Verfügung
zu stellen, die sich durch einen niedrigen Innenwiderstand und eine hohe
mechanische Stabilität
auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Merkmale vorteilhafter
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes Federelement,
das insbesondere für
eine Kontaktbuchse zur Herstellung eines elektrischen Kontakts einer
Stecker-Buchse-Verbindung geeignet ist, umfasst einen ringförmigen Basisabschnitt
aus Metallblech und eine Mehrzahl daran befestigter Kontaktzungen,
die jeweils eine Bogenform entlang einer Mantelfläche einer
Einhüllenden
des Federelements beschreiben. Diese Einhüllende weist die Kontur eines
Rotationskörpers auf,
bspw. eines durch Rotation eines Kreises oder einer Ellipse gebildeten
Rotationskörpers
(z.B. Torus). Auf diese Weise kann ein Kontaktstift mit der Vielzahl
von Kontaktzungen zuverlässig
kontaktiert werden, wodurch hohe Ströme zuverlässig und ohne nennenswerte
Verluste übertragen
werden können.
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Die
Kontaktzungen beschreiben jeweils ein Bogensegment von mindestens
180 Grad, vorzugsweise jedoch von etwa 270 Grad. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass ein Kontaktstift ausschließlich von
den abgerundeten Rückseiten
der Kontaktzungen kontaktiert wird, nicht jedoch von deren kantigen Endabschnitten.
Dies könnte
andernfalls zu einem Verkanten und Umbiegen der Kontaktzungen sowie zu
einem Verkratzen der Oberfläche
des Kontaktstiftes führen.
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Im
Urzustand wird ein Blechstreifen mit einer Reihe von rechteckförmigen Ausstanzungen
versehen, die an den beiden Längsseiten
des Blechstreifens eine Vielzahl von länglichen Blechzungen stehen
lassen. Diese länglichen
Blechzungen stoßen
jeweils mittig an einem Verbindungsstreifen, der anschließend in
eine ringförmige
Form gebracht wird. Zuvor jedoch werden die Blechzungen bogenförmig verformt,
so dass sie beispielsweise einen Winkel von 270° beschreiben, indem sie aufeinander
zugewölbt
sind. Mit den äußeren bogenförmigen Flächen dieser
Blechzungen wird beim Einschieben des Stiftes dessen zylindrische
Mantelfläche
kontaktiert und gehalten.
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Das
erfindungsgemäße Federelement
stellt ein relativ einfaches Stanzteil dar, das aus einem Blechstreifen
hergestellt, durch anschließendes
Biegeumformen in die gewünschte
Form gebracht und in eine Buchse eingebracht und dort fixiert werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Federelement
besteht vorzugsweise aus einem Metall mit günstigen elektrischen Eigenschaften,
das über
eine ausreichende Elastizität
und mechanische Stabilität
verfügt.
So kann es aus Eisen-, Kupfer-, Silber- oder Goldblech oder aus
einem verkupferten, versilberten oder vergoldetem Metallblech bestehen.
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Eine
erfindungsgemäße Kontaktbuchse
zur elektrischen Kontaktierung eines zylindrischen Kontaktstiftes
weist eine innerhalb einer hohlzylindrischen oder nutförmigen Aufnahme
ange ordnete federnde Kontakteinrichtung mit einer Vielzahl von bogenförmig gewölbten Kontaktzungen
auf. Diese Kontakteinrichtung kann insbesondere ein Federelement entsprechend
einer der zuvor erwähnten
Ausführungsformen
sein. Hierdurch kann eine Stecker-Buchse-Verbindung zur Verfügung gestellt
werden, die sich durch günstige
mechanische und elektrische Eigenschaften auszeichnet. Insbesondere können damit
hohe Ströme
ohne nennenswerte elektrische Verluste übertragen werden, da ein eingeschobener
Stecker mittels einer Vielzahl von Kontaktstellen kontaktiert wird.
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Zur
Aufnahme des Federelements weist die Kontaktbuchse eine hohlzylindrische
oder nutförmige Aufnahme
mit einem Absatz oder dergleichen auf, der einen mechanischen Anschlag
für das
fertig gebogene Federelement bildet. Um das Federelement am Herausfallen
zu hindern, kann anschließend
eine Stirnseite der Buchse mit einer Scheibe verschlossen werden,
die beispielsweise mittels eines Federrings oder durch eine Bördelverbindung
oder mittels einer Verstemmung fixiert werden kann. Ein in die Buchse eingeschobener
Kontaktstift wird auf diese Weise mittels des erfindungsgemäßen Federelements
mit einer Vielzahl von Federabschnitten kontaktiert, die sich elastisch
verformen und jeweils an die Außenmantelfläche des
Kontaktstifts anlegen. Hierdurch wird dieser nicht nur mit wenigen
Kontaktstellen kontaktiert, sondern mit so vielen wie federnde Abschnitte
am Federelement vorhanden sind.
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Eine
alternative Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kontaktbuchse
sieht vor, dass das Federelement tangential in die Buchse eingeschoben wird.
Zu diesem Zweck weist die Kontaktbuchse eine tangentiale Öffnung auf,
die anschließend
ver schlossen wird. Das Federelement weist bei dieser Ausführungsform
eine gestreckte Kontur auf, mit einer zylindrischen Einhüllenden.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung einer Kontaktbuchse entsprechend
einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, die ein Federelement
aufweist, wie es ebenfalls oben schon beschrieben wurde, wird zunächst ein
Zentrierdorn in eine Steckeraufnahme der hohlzylindrischen Kontaktbuchse
eingeschoben und anschließend
das gestanzte Federelement mit den gebogenen Kontaktzungen durch
eine mantelseitig angeordnete und tangential in eine nutartige Aufnahme
an der Innenmantelfläche
der Kontaktbuchse mündende Öffnung eingeschoben.
Nach dem vollständigen
Einschieben des Federelements wird die mantelseitige Öffnung mit
einem Deckel oder einem Stopfen verschlossen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutern. Dabei
zeigt
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer Kontaktbuches mit einem darin
befindlichen Federelement zur elektrischen Kontaktierung eines in die
Buchse einzuschiebenden Kontaktstiftes,
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2 eine
Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Federelements,
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3 eine
Teilansicht eines Blechstreifens zur Herstellung des Federelements,
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4 eine
schematische Schnittdarstellung einer Variante der Kontaktbuchse
bzw. des Federelements,
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5 eine
Draufsicht auf ein Stanzteil zur Herstellung einer Variante des
Federelements,
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6 eine
Draufsicht auf die Variante des Federelements entsprechend 5,
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7 eine
Seitenansicht des Federelements entsprechend 6,
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8 eine
schematische Seitenansicht einer weiteren Variante der Kontaktbuchse,
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9 eine
schematische Schnittdarstellung der Kontaktbuchse entsprechend 8,
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10 eine
Schnittdarstellung der Kontaktbuchse entlang der Schnittlinie X-X
der 9,
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11 eine
Draufsicht auf ein Stanzteil zur Herstellung einer weiteren Variante
des Federelements,
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12 bis 14 verschiedene
Teilansichten der weiteren Variante des Federelements,
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15 eine
schematische Seitenansicht der Variante der Kontaktbuchse entsprechend 8 mit einem
Hilfs- bzw. Zentrierdorn
zur Montage des Federelements,
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16 eine
schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Montage des Federelements
in der Kontaktbuchse und
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17 eine
Schnittdarstellung der Kontaktbuchse entlang der Schnittlinie A-A
der 16.
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1 zeigt
in schematischer Schnittdarstellung eine Kontaktbuchse 10 zur
Aufnahme eines passenden zylindrischen Kontaktstiftes 12 und
zu dessen elektrischer Kontaktierung. Die Kontaktbuchse 10 weist
eine hohlzylindrische Gestalt mit einer Aufnahme 14 zur
Fixierung eines Federelements 16 auf. Das Federelement 16 weist
eine Vielzahl von Federzungen 18 auf, die ausgehend von
einem Basisabschnitt 17 so nach innen gewölbt sind,
dass der Kontaktstift 12 beim Einschieben jeweils von jeder
der Federzungen 18 kontaktiert wird. Die Kontaktbuchse 10 mit
dem darin eingelegten Federelement 16 ist stirnseitig mit
einem Scheibenring 20 verschlossen. Der Scheibenring 20 kann
beispielsweise mittels einer Bördelung
o. dgl. 22 fixiert sein. Zur besseren Einführbarkeit
und zur Zentrierung des in die Kontaktbuchse 10 geschobenen
Kontaktstiftes 12 weist der Scheibenring 20 an
seiner nach außen
weisenden Fläche
eine Einsenkung 21 nach innen auf. An einer Außenmantelfläche des
Buchsengehäuses 11 können Nuten 13,
Einkerbungen o. dgl. vorgesehen sein, mittels derer sich das metallische
Buchsengehäuse 11 in
einer Kunststoffspritzguss-Umhüllung fixieren lässt. An
der dem Scheibenring 20 gegenüber liegenden Stirnseite kann
das Buchsengehäuse 11 wahlweise
offen oder geschlossen sein, wie dies in 1 dargestellt
ist.
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2 zeigt
eine schematische Perspektivdarstellung einer ersten Variante des
erfindungsgemäßen Federelements 16,
dass aus einem Blechstreifen 24 (vgl. 3)
gefertigt ist, aus dem durch einen Stanzvorgang die Kontaktzungen 18 als
jeweils parallel nebeneinander angeordnete Blechstreifen herausgeformt
werden, die an beiden Längsseiten des
Basisabschnitts 17 senkrecht zu dessen Längserstreckungsrichtung
angeordnet sind. Anschließend werden
diese Kontaktzungen 18 in gleiche Richtung zunächst aufeinander
zu und dann in kleinerem Radius nach innen gebogen, bis die in 2 gezeigte Form
der Zungen entstanden ist. Anschließend wird der Basisabschnitt 17 zu
einem geschlossenen Ring gebogen und in die endgültige Form gebracht, so dass
er im fertig geformten Zustand eine torusförmige Einhüllende aufweist. Wahlweise
können
die beiden aufeinander stoßenden
Schmalseiten des Basisabschnittes 17 miteinander verbunden,
insbesondere miteinander verschweißt werden oder offen bleiben.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Kontaktbuchse 10 und des Federelements 16,
bei dem dieses eine etwas einfachere Kontur aufweist und nur eine
Reihe nebeneinander angeordneter und bogenförmig umgebogener Kontaktzungen 18 aufweist.
Die Aufnahme 14 kann hierbei als nutförmige Vertiefung an der ansonsten
glattflächigen
Innenmantelfläche
ausgestaltet sein. Die Montage des Federelements 16 im
Buchsengehäuse 11 wird
anhand der 15 bis 17 näher erläutert.
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5 zeigt
das Stanzsteil dieser Ausführungsform
im gestanzten Zustand, bevor es in die Form entsprechend 6 und 7 gebracht
ist. Der Basisabschnitt 17 weist eine kreisringförmige Kontur
auf, von dem die Kontaktzungen 18 als schmale, gerade Blechstreifen
sternförmig
nach außen
weisen. Durch bogenförmiges
Umbiegen dieser Blechstreifen nach innen zum Ringmittelpunkt des Basisabschnitts 17 entsteht
die gewünschte
Kontur des Federelements 16. Um die leichte Montierbarkeit dieser
Ausführungsform
des Federelements 16 im Buchsengehäuse 11 zu gewährleisten,
weist dieses vorzugsweise eine Aufnahme 14 entsprechend 1 auf,
da sich die im Folgenden gezeigten Varianten des Buchsengehäuses 11 nur
zur Montage eines gestreckten Federelements 16 eignen,
das erst während
seiner Montage in seine ringförmige
bzw. torusförmige
Gestalt gebracht wird.
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Die 8 bis 10 zeigen
eine solche alternative Ausführungsform
der Kontaktbuchse 10, dessen Buchsengehäuse 11 die auf Höhe des einzulegenden
Federelements 16 eine tangential in die ringförmige Aufnahme 14 mündende Öffnung 26 aufweist,
durch die das noch nicht ringförmig
gebogene Federelement 16 eingeschoben werden kann. Die Öffnung 26 wird
anschließend
mittels einer geeigneten Verschlussvorrichtung verschlossen.
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Die 11 bis 14 zeigen
verschiedenen Ansichten und Fertigungsstufen einer alternativen Ausführungsform
des Federelements 16, das aus einem Blechstreifen gestanzt
wurde und dass sich zur Montage in einem Buchsengehäuse 11 entsprechend
der 8 bis 10 eignet. Der Blechstreifen entsprechend 11 umfasst
einen relativ schlanken Basisabschnitt 17, von dem in beide
Richtungen zahlreiche Kontaktzungen 18 ausgehen, die regelmäßig voneinander
beabstandet und alle um ca. 10 bis 20 Grad in die gleiche Richtung
geneigt sind. Die Kontaktzungen 18 einer Seite sind jeweils
versetzt zu denen der anderen Seite angeordnet, so dass sie nach
dem Umbiegen die Form entsprechend der 12 bis 14 erhalten.
Hierdurch entsteht eine rohrförmige
Gestalt des Federelements 16, das anschließend durch
die tangentiale Öffnung 26 in
das Buchsengehäuse 11 eingeschoben
werden kann.
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Die 15 und 16 zeigen
in schematischen Darstellungen aufeinanderfolgende Schritte zum
Einbringen des Federelements 16 in die zugehörige Aufnahme 14.
Hierzu wird ein Hilfsdorn 28 in die Kontaktbuchse 10 geschoben,
damit sich das Federelement 16 beim Einschieben um diesen
herum bewegt und schließlich
in der Aufnahme 14 zum liegen kommt. 17 verdeutlicht
eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A der 16.
Die Öffnung 26 kann
nach dem Einschieben des Federelements 16 verschlossen
werden.
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Die
Kontaktbuchse 10 besteht vorzugsweise aus einem Metall
mit guter elektrischer Leitfähigkeit, bspw.
aus versilbertem Kupfer o. dgl. Die Kontaktfeder 16 kann
ebenfalls aus einem entsprechenden versilberten oder vergoldeten
Metall bestehen. Vorzugsweise besteht sie aus einem Metall mit gewissen Federeigenschaften,
um den Kontaktzungen 18 die gewünschte Elastizität zu verleihen.
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- 10
- Kontaktbuchse
- 11
- Buchsengehäuse
- 12
- Kontaktstift
- 13
- Nut
- 14
- Aufnahme
- 16
- Federelement
- 17
- Basisabschnitt
- 18
- Kontaktzunge
- 20
- Scheibenring
- 21
- Einsenkung
- 22
- Bördelstelle
- 24
- Blechstreifen
- 26
- tangentiale Öffnung
- 28
- Zentrierdorn