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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Steckverbinder mit einer zum
Einführen
eines elektrisch leitenden Kontaktpins vorgesehenen Steckaufnahme.
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Derzeit
sind im Automotivebereich Kontaktsysteme bekannt, bei denen Kontaktlamellen
in einem vorgespannten Zustand für
das Zusammenstecken mit dem Kontaktpin bereit stehen. Diese Vorspannung
wird dadurch erreicht, dass die Kontaktlamellen bewusst aus einem
zunächst überbogenen Zustand
zurück
gebogen werden und in dieser neuen Lage durch starre Widerlager
an einer Stahlüberfeder
abgestützt
werden. Durch die Vorspannung der Kontaktlamellen soll ein großes Kontaktgap
eingestellt werden, ohne die im gesteckten Zustand wirksamen Kontaktnormalkräfte zu senken,
die durch den Vorverbiegungszustand der Kontaktlamellen im unbelasteten
Zustand definiert werden. Der Vorteil eines auf diese Weise eingestellten
großen
Kontaktgaps liegt darin, dass die hohe Reibkraft zu Beginn des Steckvorgangs
(Aufschnäbel-Peak
im Steckkraft-Weg-Diagramm) erheblich reduziert wird, da die Kontaktlamellen
und der Kontaktpin erst unmittelbar vor dem parallelen Bereich des
Kontaktpins aufeinander treffen, also in einem Bereich, in dem die
Gleitwinkel – bezogen
auf die Reibkräfte – günstiger
sind. Weiterhin wird durch ein großes Kontaktgap die Wahrscheinlichkeit
einer Hintersteckung der Kontaktlamellen reduziert. Bei bekannten
Kontaktsystemen mit vorgespannten Kontaktlamellen handelt es sich bei
den Widerlagern für
die Vorspannung um starre Elemente der Stahlüberfeder, die die Federbewegung
der Kontaktlamellen auch im gesteckten Zustand einseitig begrenzen.
Aufgrund der engen Toleranzen solcher Federsysteme besteht die Gefahr, dass
die Kontaktkraft nicht vollständig
erreicht wird bzw. dass der Kontaktpin nur einseitig kontaktiert wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Steckverbinder
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Kontaktlamellen im aufgesteckten Zustand über ihren
gesamten Federbereich ohne eine Verringerung der Kontaktkraft arbeiten
können.
Erst dann, wenn der Kontaktpin einen Weg zwischen den voneinander
beabstandeten Kontaktlamellen reibungslos zurückgelegt hat, kommen diese
mit ihm in Eingriff, und es sind nur Gleitreibungskräfte ohne
Aufschnäbel-Peak
wirksam. Ein solcher Steckverbinder lässt sich in sehr engen Toleranzen
fertigen, weil es sich hauptsächlich
um Stanz-Biege-Prozesse handelt, und die Präzision dieser Prozesse das
Gap-Maß definiert.
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Bei
der Ausführungsform
nach Anspruch 8 wird im gesteckten Zustand die Kontaktkraft durch eine
zusätzliche
Kraft der Andruckfeder unterstützt.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Steckverbinders
ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch den Steckverbinder im Ausgangszustand;
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2 eine
Draufsicht in Richtung des Pfeils II in 1;
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3 in
einer der 2 entsprechenden Ansicht (aber
Crimpbereich nicht gezeigt) die Position der Andruckfeder bei vollständig eingeschobenem Kontaktpin;
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4a–4c der 1 entsprechende Darstellungen
des Steckverbinders bei unterschiedlich weit eingeschobenem Kontaktpin;
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5 einen
Längsschnitt
des Steckverbinders ohne Kontaktpin bei nicht vorhandener Andruckfeder
(fiktiv, nur zur Erläuterung);
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6 einen
Längsschnitt
entsprechend der Linie VI-VI in 7 durch
eine nicht in einem Steckverbinder eingebaute, entspannte Andruckfeder;
und
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7 eine
Ansicht in Richtung des Pfeils VII in 6.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 und 2 weist
ein elektrischer Steckverbinder 1 einen Grundkörper 3 auf,
der an einem Ende durch einen Crimpbereich 5 mit einem elektrischen
Anschlusskabel 4 zu verbinden ist. Am anderen Ende ist
eine Steckaufnahme 7 vorhanden. Parallel zur Zeichenebene
der 1 verlaufen ebene Seitenwände 8 des Grundkörpers 3.
In die Steckaufnahme 7 ist bei dem gezeigten, für die Erststeckung
bereiten Ausgangszustand ein Kontaktpin 9 einzuschieben,
der im Querschnitt entweder rund oder, wie hier bevorzugt und vorgesehen,
flach ist. Der Grundkörper 3 ist
aus Metallblech, im Beispiel Stahl, und durch Stanzen und Biegen
hergestellt. Dabei sind in den Seitenwänden 8 einstückig verbundene
Kontaktlamellen 11 durch breite Schlitze 12 ausgeschnitten
und frei geschnitten worden sowie durch Biegen geformt worden. Die
Kontaktlamellen 11 entspringen etwa auf halber Länge des
Grundkörpers 3 und
erstrecken sich in Richtung zum einzusteckenden Kontaktpin 9 hin.
Die Kontaktlamellen 11 begrenzen zwei rechtwinklig zu den
Seitenwänden 8 verlaufende
einander gegenüber
liegende Seiten der Steckaufnahme 7, die willkürlich als
deren Oberseite und Unterseite bezeichnet sind.
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Der
Steckverbinder 1 wird vom Hersteller zweckmäßig im Ausgangszustand
ausgeliefert, möglicherweise
ohne angecrimptes Anschlusskabel 4. Vor dem Zusammenbiegen
des Grundkörpers 3 ist
in diesen ein Spreizelement 13 eingesetzt worden, das im
Beispiel ein Bestandteil einer Andruckfeder 15 ist. Das
Spreizelement 13 ist im Wesentlichen eine federnd verformbare
Platte 16, deren den beiden Kontaktlamellen 11 zugewandten
Endbereiche in einem mittleren Bereich durch eine Abwinkelung 17 verdickt sind
und dort Kanten 18 (6) zum Eingriff
mit je einer Rast 19 (5) haben.
Die Rasten 19 sind an den einander zugewandten Innenflächen der
Kontaktlamellen 11 an einer geeigneten Stelle (hinsichtlich
der auszuübenden
Spreizkraft und dem zu erzeugenden Abstand zwischen den Kontaktstellen
der Kontaktlamellen 11) angeordnet; im Beispiel befinden
sich die Rasten 19 etwa auf einem Drittel der Länge der
Kontaktlamellen 11, von der Seite des Crimpbereichs 5 her
gerechnet, und sind durch sickenartige Prägungen gebildet. Die Platte 16 ist
im Beispiel zur Steckaufnahme 7 hin konvex gewölbt. Außerdem ist
dies im Beispiel ein vorgespannter Zustand der Platte 16,
und im entspannten Zustand ist sie entgegengesetzt (konkav) gewölbt. Die
Angaben bezüglich
der Richtung der Krümmung
im Ausgangszustand und im entspannten Zustand werden als vorteilhaft
im Ausführungsbeispiel
angesehen, sind aber nicht zwingend. Die Plattenwölbung gemäß 1 setzt
zunächst
dem auf die Platte 16 beim Zusammenstecken auftreffenden
Kontaktpin 9 einerseits einen relativ großen Widerstand
entgegen. Es muss erst diese konvexe Wölbung (etwa ähnlich dem Überwinden
der oberen Totpunktlage eines Kniegelenkgetriebes) eingedrückt werden,
damit sie in eine konkave Wölbung überführt werden
kann und die Platte 16 aus den Rasten 19 heraus
gelangen kann. Je stärker die
konvexe Krümmung
ist (das heißt
je kleiner der Krümmungsradius
ist), um so größer ist
die vom Kontaktpin 9 zunächst auszuübende Kraft. Andererseits erleichtert
die Tendenz der Platte 16, den entspannten Zustand anzunehmen,
das Verformen der Platte 16 durch den Kontaktpin 9.
Die konvexe Krümmung in
der Ausgangslage unterstützt
bei der gezeigten Anordnung der Kanten 18 eine besonders
kräftige Verankerung
(Verrastung) der Platte 16 in den Rasten 19. Wenn
das Spreizelement 13 nur durch die Platte 16 (mit
deren Abwinklungen 17) gebildet ist, ist die Platte 16 nach
dem Entrasten innerhalb des Grundkörpers 3 gefangen,
aber lose. Aus den obigen Angaben kann leicht das prinzipielle Verhalten
des Spreizelements 13 bei beliebigen Kombinationen der Richtung
der Krümmung
im Ausgangszustand und im entspannten Zustand ermittelt werden.
Für beide Zustände ist
sogar ein ebener Zustand der Platte möglich, je einzeln oder gleichzeitig.
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In 1 weist
die Andruckfeder 15 zusätzlich
zur beschriebenen Platte 16 einstückig mit dieser verbundene
Schenkel 22 aus elastischem Material auf, die sich weiter
nach vorn, in 1 nach links, erstrecken. Die
Schenkel 22 haben rechtwinklig zur Bildebene der 1 einen
Abstand von den Abwinklungen 17 und verlaufen daher je
nach Biegezustand der Andruckfeder 15 unter verschiedenen
Winkeln relativ zu den Abwinklungen 17. Die Schenkel 22 können auch
ohne die noch zu schildernde weitere Funktion dafür sorgen,
dass sich die Platte 16 nach dem Entrasten nicht oder nur
begrenzt lose im Grundkörper 3 bewegen
kann. Im Beispiel sind die Schenkel 22 beim Montieren der
Steckvorrichtung für
den ersten Gebrauch weit aufgespreizt worden. Dadurch wurde die
Andruckfeder 15 stark elastisch gespannt, besonders im
Bereich der Platte 16, die ein Joch oder eine Basis der
in der Ansicht der 1 etwa U-förmigen Andruckfeder 15 bildet.
Nach dem genannten Spannen wurde die Andruckfeder 15 weiter
nach vorne verschoben, so dass die freien Endbereiche 23 der Schenkel 22 sich
auf unbeweglichen (im Gegensatz zu den Kontaktlamellen 11)
Stützflächen 24 an
der Außenseite
des Grundkörpers 3 abstützen. Dadurch werden
die konvexe Gestalt der Platte 16 und die Verrastung aufrecht
erhalten. Im Beispiel sind die Schenkel 22 durch eine mittig
verlaufende Aussparung 25 (7) in Arme 26 unterteilt,
so dass sie mit den Kontaktlamellen 11 oder Seitenwänden 8 nicht seitlich
kollidieren können.
Außerdem
wurden die freien Endbereiche 23 der Arme 26 jedes
Schenkels nach dem zuletzt genannten Fertigungsschritt durch einen
quer verlaufenden Steg 27 miteinander verbunden, so dass
die Aussparung 25 im Schenkel 22 ein Fenster bildet.
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Beim
Stecken bewegt sich der Kontaktpin 9 zunächst ohne
jeden Kontaktreibungswiderstand zwischen den genügend weit geöffneten
Kontaktlamellen 11 und deren zur Anlage am Kontaktpin 9 bestimmten
Kontaktkuppen 29 ins Innere der Steckaufnahme 7.
Dann trifft er auf die konvex gekrümmte Platte 16, und
spätestens
dann, wenn diese ihre Krümmungsrichtung
geändert
hat, bewegt der Kontaktpin 9 die Andruckfeder 15 insgesamt
nach hinten. Dabei kommt der noch durch die Stützflächen 24 abgestützte Steg 27 der
Schenkel 22 über
die freien Enden der Kontaktlamellen 11. Wenn der Steg 27 von den
Stützflächen 24 frei
gekommen ist, wird die Andruckfeder 15 daher nicht mehr
in ihrer gespreizten Stellung gehalten. Dann werden die Stege 27 durch die
Vorspannung der Andruckfeder 15 gegen die Kontaktlamellen 11 im
Sinn eines Andrückens
an den Kontaktpin 9 gepresst. Die Anordnung ist so, dass der
Kontaktpin 9 dann durch einen nicht gezeigten Anschlag
an einer weiteren Bewegung gehindert wird, wenn die Stege 27 sich
oberhalb der Kontaktkuppen 29 der Kontaktlamellen 11 befinden;
dann bewirken sie eine Verstärkung
der von den Kontaktlamellen 11 erzeugten Kontaktnormalkraft.
Im Beispiel kommen die Stege 27 nach dem Entrasten der
Platte 16 durch die Kraft der Andruckfeder 15 selbsttätig an die
vertiefte Stelle außen
an den Kontaktlamellen 11. Dort befinden sich innen die
Kontaktkuppen 29. Anstatt mittels des Stegs 27 könnte jeder
Arm 26 bei anderen Ausführungsformen
mittels eines seitlichen an ihm vorhandenen Vorsprungs auf die Kontaktlamelle 11 drücken. Die
Anordnung ist in jedem Fall so, dass die Abstützung und die Lage des vorderen
Endes der Kontaktlamellen 11 das Verschieben der Andruckfeder 15 nicht
unerwünscht
hemmen. In 1 sind die Kontaktlamellen 11 und
die Verrastung mit dem Joch der Andruckfeder 15 geschnitten;
ein Schenkel 22 der Andruckfeder 15 ist in Ansicht,
teilweise verdeckt, sichtbar. In Einsteckrichtung des Kontaktpins 9 gesehen,
ist der Steckverbinder 1 etwa rechteckig. Insgesamt hat
das gezeigte Ausführungsbeispiel
unter anderem folgende Funktionen und Eigenschaften:
Es ist
vorgesehen, die vorgespannte und verschiebliche Andruckfeder 15 in
den Steckverbinder 1 mit nach innen vorgebogenen Kontaktlamellen 11 so
einzufügen,
dass die Kontaktlamellen 11 durch Kanten 18 der
Andruckfeder 15 zunächst
aufgespreizt werden. In das auf diese Weise aufgespreizte große Kontaktgap
kann der Kontaktpin 9 kräftefrei bis weit zwischen die
Kontaktkuppen 29 geschoben werden. Der einlaufende Kontaktpin 9 drückt in der
Fortführung
seiner Bewegung die Andruckfeder 15 vor sich her in das
Innere des Kontaktes oder Grundkörpers 3.
So werden die Kontaktlamellen 11 freigegeben und können gegen
die Oberfläche
des Kontaktpins 9 kontaktieren. Gleichzeitig rutschen die
freien Schenkel 22 der Andruckfeder 15 aus ihrer
Vorraststellung in ihre Arbeitsposition hinter die Kontaktkuppen 29,
wo sie die Kontaktnormalkräfte
der Kontaktlamellen 11 verstärken.
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Vorzugsweise
wird die Andruckfeder 15 als breite und U-förmig gebogene
Federstahlklammer ausgeführt.
Die Basis 16 der U-förmigen
Andruckfeder 15 ist dabei massiv ausgeführt; sie übernimmt die Spreizfunktion
für die
Kontaktlamellen 11 während der
Einsteckphase des Kontaktpins 9. Außerdem übernimmt die Basis 16 die
Hauptarbeit der nach innen gerichteten Federwirkung während der
Kontaktierphase. Für
die Fixierung der Andruckfeder 15 in der Spreizposition
sind die entsprechenden Rasten 19 an der Innenseite der
Kontaktlamellen 11 für
die Ränder 18 der
Andruckfederbasis 16 vorgesehen. Die freien Schenkel 22 der
U-förmigen
Andruckfeder 15 sind mit breiten Fenstern 25 versehen;
durch diese können
die Kontaktlamellen 11 von außen hindurchtauchen, so dass
sie in der Kontaktierphase von den äußeren Spitzen (Druckflächen 23)
der freien Schenkel 22 in Höhe der Kontaktpunkte oder Kontaktkuppen 29 von
außen
zusammengedrückt
werden. Im Anlieferungszustand und während der ersten Phase des
Einsteckvorganges ruhen diese Druckflächen 23 der freien
Andruckfederschenkel 22 auf starren Widerlagern 24 des
Kontaktmaulbereiches (Eingangsöffnung
der Steckaufnahme), ohne die Kontaktlamellen 11 zu berühren. Eine
etwaige elastische Verformung der Arme 26 ist nicht dargestellt.
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Durch
diese Anordnung der Kontaktlamellen 11 und der Andruckfeder 15 im
Anlieferzustand ist es möglich,
für die
Erststeckung ein derart weit vorgespanntes Kontaktgap zu realisieren,
das ein kräftefreies
Einstecken des Kontaktpins 9 bis weit zwischen die Kontaktkuppen 29 ermöglicht.
Durch die geschickte Auslegung der Rasten 19 in den Kontaktlamellen 11 ist
es möglich,
die für
die Verschiebung der Andruckfeder 15 notwendige Kraft in
Steckrichtung auf ein Niveau zu senken, das weit unter dem Aufschnäbel-Peak
eines geometrisch vergleichbaren, jedoch nicht aufgespreizten Kontaktsystems liegt.
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Die
in dieser Art ausgeführten
Kontaktlamellensysteme können
- a) durch die sehr genaue Art der Kontaktlamellenaufspreizung
den bei herkömmlichen
Kontakten vorhandenen Aufschnäbel-Peak
(erhöhte
Kraft zum Auseinanderdrängen
der Kontaktlamellen) vollständig
vermeiden;
- b) sich darüber
hinaus in Kontaktsystemen implementieren lassen, deren vorderer
Kontaktierbereich schwingungstechnisch von dem Crimpbereich (für den Anschluss
einer elektrischen Leitung) und der Stahlüberfeder entkoppelt ist, da Wechselwirkungen
mit den umgebenden Elementen des Kontaktes bei diesem System nicht
notwendig sind;
- c) in sehr engen Toleranzen gefertigt werden, da es sich hier
ausschließlich
um Stanz-Biege-Prozesse eines Teiles handelt und die Präzision des Stanz-Biege-Prozesses an dieser
Stelle das Gapmaß definiert.
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Es
wird so ein vorgespanntes Kontaktlamellensystem mit Kraftunterstützung geschaffen,
bei dem die Kontaktlamellen im aufgesteckten Zustand über ihren
gesamten Federbereich ohne Verminderung der Kontaktkraft durch Spreizelemente
arbeiten können.
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3 zeigt
die Endposition der durch den Kontaktpin 9 nach hinten
geschobenen Andruckfeder 15.
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4a bis 4c zeigen
einen in 4a gegenüber 1 bis etwas über die
Kontaktkuppen 29 weiter reibungsfrei vorgeschobenen Kontaktpin 9. In 4b hat
der Kontaktpin 9 die Platte 16 von konvex nach
konkav verformt und die ganze Andruckfeder 15 so weit nach
hinten verschoben, dass die Endbereiche 23 der Arme 26 sich
auf den Kontaktlamellen 11 außen federnd abstützen. In 4c hat
der Kontaktpin 9 sich noch etwas weiter nach hinten bewegt.
Dabei sind infolge Federkraft die Endbereiche 23 zum tiefsten
Punkt der Außenseite
der Kontaktlamellen 11 gerutscht und drücken nun genau im Kontaktbereich
der Kontaktkuppen 29 von außen auf die Kontaktlamellen 11.
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5 zeigt
zur Illustration die völlig
entspannte Stellung der Kontaktlamellen 11. Die Kontaktkuppen 29 berühren sich
fast. Hier ist zur Demonstration in einem Musterstück keine
Andruckfeder in den Grundkörper 3 eingebaut
worden.
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6 und 7 zeigen
die Andruckfeder 15 in einem nicht eingebauten völlig entspannten
Zustand. Die Endbereich 23 der zwei Stege 27 haben einen
kleinen Abstand. In dem Bereich, wo die Druckfeder an den Stützflächen 24 des
Grundkörpers 3 anliegen
soll, ist sie etwas abgebogen.