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Die
Erfindung betrifft ein koaxiales Steckverbindungsteil laut Oberbegriff
des Hauptanspruchs. Ein solches koaxiales Steckverbindungsteil ist
z. B. aus der
WO
2007/002692 A1 bekannt.
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Die 1 zeigt
den Längsschnitt durch eine koaxiale Steckverbindung, wie
sie in ähnlicher Bauart beispielsweise als N-Stecker bekannt
ist. Sie besteht aus einem Steckerteil 1 und einem Buchsenteil 2.
Der Stecker 1 besteht aus einem Außenleiter 3,
in welchem über eine Stützscheibe 4 der
Innenleiter 5 koaxial angeordnet ist. Die Koaxialleitung
bestehend aus Innenleiter 5 und Außenleiter 3 setzt
sich auf der nicht näher dargestellten Rückseite
des Steckers 1 beispielsweise in einem Gerät oder
in einem Koaxialkabel fort. Auf dem Außenleiter 3 ist
eine Überwurfmutter 6 drehbar aufgesetzt, die über
einen Sprengring 7 axial kraftschlüssig mit dem
Außenleiter 3 verbunden ist. Das Innengewinde 8 der Überwurfmutter 6 muss
zur Herstellung der Koaxialverbindung auf das Außengewinde 9 der
Buchse 2 aufgeschraubt werden, bis die ringförmige
Stirnkontaktfläche 10 des Außenleiters 3 des
Steckers 1 die entsprechende ringförmige Stirnkontaktfläche 11 der
Buchse 2 kontaktiert. Die Spitze 12 des Innenleiters 5 wird
dabei in die radial gefederte hülsenförmige Buchse 13 des
Buchsenteils 2 eingeschoben.
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Die
derzeit handelsüblichen koaxialen Steckverbindungen, wie
sie unter den Bezeichnungen N-, 2,92 mm-, SMA-, 1,85 mm-, 3,5 mm-
oder 2,4 mm-Stecker bzw. als sogenannte Zwitterstecker unter der
Bezeichnung PC7 bekannt sind, sind sämtlich nach diesem
Prinzip mit einer auf dem Außenleiter aufgeschraubten Überwurfmutter
aufgebaut, wobei in manchen Fällen die Überwurfmutter
auch am Buchsenteil vorgesehen sein kann.
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Die
Qualität einer koaxialen Steckverbindung ist ganz wesentlich
von einer ausreichend großen axialen Vorspannung abhängig.
Zu kleine Werte können zu einer unzuverlässigen
Verbindung führen, weil der geringe Kontaktdruck am Außenleiter
nicht ausreicht, um einen gleich bleibend niedrigen Übergangswiderstand über
den ganzen Umfang der kreisringförmigen Kontaktfläche
zu gewährleisten. Durch die gestörte Stromverteilung
im Kontaktbereich des Außenleiters können dann
bei höheren Frequenzen Reflexionen und Dämpfungserhöhungen
auftreten: ein Effekt, der im niederfrequenten Bereich kaum festgestellt
werden kann, weil dort ein niedriger Übergangswiderstand
an nur einem einzelnen Kontaktpunkt für die gesamte Verbindung
genügt.
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Zu
geringe axiale Vorspannung hat ferner den Nachteil, dass sich eine
Steckverbindung leicht lösen kann, insbesondere durch Drehmomentangriff
an den verschraubten Komponenten, ohne dass die Überwurfmutter
ins Spiel kommt. Auf der anderen Seite kann übermäßig
festes Anziehen zu vorzeitigem Steckerverschleiß und signifikanten
Abmessungsänderungen durch die eingebrachten mechanischen
Spannungen führen. Das gilt besonders für Komponenten
mit definierter elektrischer Länge, wie z. B. Kurzschlüsse
in Kalibrierkits.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile bei einer koaxialen Steckverbindung
zu vermeiden und ein zuverlässiges und dauerhaftes Steckverbindungsteil
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird für ein koaxiales Steckverbindungsteil durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die Reibungsverhältnisse
im Bereich des axialen Kraftschlusses zwischen Überwurfmutter
und Außenleiter einer koaxialen Hochfrequenz-Steckverbindung
einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Steckverbindung
haben. Durch Reduzierung des Reibungskoeffizienten zwischen diesen
Teilen wird gemäß der Erfindung erreicht, dass
bei einem vorgegebenen Anzugsdrehmoment ein höherer Kontaktdruck
erreicht wird, der Außenleiter außerdem nicht
so leicht mitdreht und auch eine höhere Sicherheit gegen
unbeabsichtigtes Lösen der Steckverbindung besteht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme der Zeichnung
näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine bekannte Steckverbindung;
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2 einen
Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
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3 einen
Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
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4 einen
Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
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5 einen
Schnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
und
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6 einen
Schnitt durch das vierte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
im montierten Zustand.
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Im
Folgenden werden die grundsätzlichen Beziehungen zwischen
dem auf die Überwurfmutter ausgeübten Drehmoment
und der dadurch hervorgerufenen axialen Vorspannkraft dargestellt.
Besonderes Augenmerk gilt dabei dem Einfluss von Reibung und Haftung
an den verschiedenen mechanischen Berührungsflächen.
Dabei zeigt sich, dass der zur Kraftübertragung von der
Mutter zum Außenleiter des Steckers verwendete Sprengring
einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare axiale Vorspannung
und die Zuverlässigkeit der Verbindung hat.
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Die
erreichbare Vorspannkraft und Aufteilung des Anzugs-Drehmoment ergibt
sich dabei wie folgt:
Das an der Überwurfmutter aufzubringende
Drehmoment M ist proportional zur gewünschten axialen Vorspannkraft
F: M = K·F (1)
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Der
Koeffizient K hängt dabei von den Abmessungen der Schraubverbindung
und den verschiedenen Reibungskoeffizienten ab. Es sind zwei Fälle
zu unterscheiden:
- a) Die Außenleiter
von Stecker und Buchse verdrehen sich während des Anschraubens
nicht gegeneinander (anzustrebender Fall). Dann ist neben der Wirkung
des Gewindes (Steigung p) und der Reibung im Gewinde (Reibungskoeffizient μg) noch die Reibung zwischen Überwurfmutter
und Sprengring oder Sprengring und Außenleiter zu berücksichtigen
(Reibungskoeffizient μs; es gilt
der kleinere Wert). Mit β als Flankenwinkel des Gewindes
(üblicherweise 60°), dm als
Flankendurchmesser und ds als mittlerem
Durchmesser des Sprengrings gilt dann:
- b) Beim Anziehen der Steckverbindung wird der Außenleiter
des Steckers vollständig von der sich drehenden Überwurfmutter
mitgenommen. In diesem Fall reiben die Stirnflächen der
Außenleiter von Stecker und Buchse aneinander. Analog zu
(2) gilt mit do als mittlerem Durchmesser
der Stirnfläche und μo als
zugehörigem Reibungskoeffizienten:
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Tabelle
1 zeigt für die Fälle a) und b), welche Vorspannkraft
F bei einem Drehmoment von 12 inch-lbs für eine N-Steckverbindung
erreicht wird und wie sich das auf die Mutter aufgebrachte Anzugsdrehmoment aufteilt.
Dabei wird von einer N-Steckverbindung aus rostfreiem Stahl mit
einem Sprengring aus Bronze ausgegangen. Die Reibungskoeffizienten
werden wie folgt angenommen: Stahl auf Stahl (Stirnfläche
und Gewinde) 0,15; Bronze auf Stahl 0,20 (trocken) bzw. 0,05 (geschmiert).
| | ohne Rotation
des Außenleiters | mit Rotation ... |
| ungeschmiert | geschmiert |
| | Vorspannkraft
in N | 415 | 702 | 662 |
| Aufteilung des Anzugs drehmoments | Vorspannung | 5% | 9% | 8% |
| Reibung
im Gewinde | 40% | 68% | 64% |
| Reibung
am Sprengring | 55% | 23% | - |
| Reibung
an der Stirnfläche | - | - | 28% |
Tabelle
1: Vorspannkraft und Aufteilung des Drehmoments für eine
N-Steckverbindung
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Der
Vergleich der Fälle a) – trocken und b) verdeutlicht
das jedem Praktiker bekannte Phänomen, dass sich eine N-Verbindung
fester anziehen lässt, wenn man eine Rotation der Außenleiter
relativ zueinander zulässt. Derselbe Effekt lässt
sich aber offenbar auch ohne Rotation mit einem gefetteten Sprengring
erreichen, was u. a. die Kontaktflächen von Innen- und
Außenleiter schont.
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Selbst
wenn man nicht die hohen Vorspannkräfte fordert, die sich
bei gefettetem Sprengring ergeben, wäre es erwünscht,
dass sich die beiden Außenleiter durch das Anziehen der Überwurfmutter
nicht gegenseitig verdrehen. Das ist dann der Fall, wenn das über
den Sprengring auf den Außenleiter ausgeübte Drehmoment nicht
ausreicht, die Stirnflächen gegeneinander zu verdrehen.
Mit μ'
o als Haftreibungskoeffizient an der Stirnfläche
lautet die Bedingung
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Da
der Durchmesser des Sprengrings aus technischen Gründen
deutlich größer als der mittlere Stirnflächendurchmesser
sein muss – bei den gebräuchlichen Steckersystemen
N, SMA oder 2.4 ist er etwa doppelt so groß – muss
der Reibungskoeffizient zwischen Sprengring und Mutter oder Sprengring
und Außenleiter auf jeden Fall deutlich kleiner als an
der Stirnfläche sein. Mit einem Haftreibungskoeffizienten μ'o von
0,18 müsste nach dieser Überlegung ein maximaler
Reibungskoeffizient μs von 0,076
für eine N-Steckverbindung gefordert werden, was sich im
geschmierten Fall erreichen ließe.
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Die
beste Sicherung gegen Lösen einer Schraubverbindung ist
gemeinhin eine ausreichend hohe Vorspannkraft. Dem liegt die Überlegung
zugrunde, dass die dadurch verursachte axiale Verformung der Schraube
so groß ist, dass die Vorspannung auch unter dem Einfluss
von Wärmedehnungen und von außen angreifenden
Drehmomenten erhalten bleibt. Bei den gebräuchlichen koaxialen
Steckverbindungen ist aber genau diese Verformung unerwünscht,
weil sich dadurch die Länge des koaxialen Leitungsabschnitts,
der sich im Bereich der Stauchungszone befindet, ändern
würde. Man bleibt deshalb auch aus diesem Grund mit dem
Anzugsdrehmoment weit unterhalb der Streckgrenze des Materials.
So liegt die bei einer geschmierten Steckverbindung (Tabelle 1)
auftretende Flächenpressung an der Stirnfläche
des Außenleiters mit ca. 60 N/mm2 weit unterhalb
der Druckfestigkeit von rostfreiem Stahl. Andererseits wird der
Außenleiter des Steckers unter diesen Bedingungen bereits
um 3 μm gestaucht, was einer Phasenänderung von
0,12° bei 18 GHz bei zweimaligem Durchlaufen der Verbindung,
z. B. für einen Offset-Short, entspricht.
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Die
Sicherheit einer verschraubten koaxialen Steckverbindung gegen Lösen
muss daher anders formuliert werden. So sollte gefordert werden,
dass sich das Lösemoment für die Überwurfmutter
nicht wesentlich vom Anzugsdrehmoment unterscheidet und sich die
Verbindung nicht lösen darf, wenn die Außenleiter
gegeneinander verdreht werden.
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Auch
beim Lösen der Überwurfmutter sind, wie beim Herstellen
der Verbindung, die Fälle mit und ohne gegenseitiges Verdrehen
der Außenleiter zu unterscheiden.
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Wenn
die Außenleiter nicht gegeneinander rotieren, gilt für
das Lösemoment
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Wird
der Außenleiter mitgenommen, gilt
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Bezieht
man die Verhältnisse beim Anschrauben mit ein, welche sich
durch unterschiedliche Vorspannkräfte F bemerkbar machen,
sind vier Fälle zu unterscheiden, die in Tabelle 2 dargestellt
sind. Das Anzugsdrehmoment wurde einheitlich mit 12 inch-lbs angenommen,
die Haftreibungskoeffizienten wurden 20% höher als jene
Reibungskoeffizienten gewählt, welche den Werten in Tabelle
1 zu Grunde liegen.
| | Lösen
derVerbindung |
| ohne
Rotation | mit
Rotation |
| Herstellen der Verbindung | ohne
Rotation | 13
(12) inch-lbs | 8
inch-lbs |
| mit
Rotation | 21
inch-lbs | 12
inch-lbs |
Tabelle
2: Lösemomente an der Überwurfmutter einer N-Steckverbindung
(Klammerwert für geschmierten Sprengring)
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Auffällig
ist die große Variation der Lösemomente für
eine Verbindung mit ungeschmiertem Sprengring, insbesondere der
niedrige Wert von 8 inch-lbs. Demgegenüber wird im geschmierten
Fall, der keine Rotation verursacht, das Anzugsdrehmoment erreicht.
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Im
Unterschied zu einer üblichen Verschraubung lösen
sich koaxiale Steckverbindungen häufig dadurch, dass – unbeabsichtigt
oder durch den Messaufbau bedingt – ein Drehmoment auf
die Außenleiter aufgebracht wird. Damit sich die Verbindung
auch bei sehr großen Drehmomenten nicht lösen
kann, muss das über den Sprengring auf die Mutter übertragbare
Drehmoment kleiner sein als das entgegenwirkende Moment des Gewindes.
Da die Gewindesteigung beim Losdrehen der Reibung entgegenwirkt,
muss folgende Bedingung erfüllt sein:
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Nach μ'
s aufgelöst
ergibt sich
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Für
eine N-Steckverbindung mit μ'g = 0,18 ergäbe
sich nach dieser Überlegung ein maximal zulässiger Haftreibungskoeffizient μ's im
Bereich des Sprengrings von 0,16. Das ist bei trockenem Sprengring
in der Regel nicht, bei Schmierung immer erreichbar.
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Diese Überlegungen
zeigen, dass es im einfachsten Fall bereits ausreicht, den in 1 dargestellten Sprengring 7 zu
schmieren bzw. die Oberfläche des Sprengrings 7 und/oder
die Oberfläche der mit diesem Sprengring 7 zusammenwirkenden
Nut der Überwurfmutter 6 bzw. des Außenleiters 3 mit
einer entsprechenden gleitfähigen Beschichtung zu versehen.
Anstelle eines Schmiermittels könnte also beispielsweise
der Sprengring bzw. die damit zusammenwirkenden Flächen
mit einer Teflonbeschichtung oder einem Nano-Gleitfilm versehen
werden. Im Prinzip ist hierfür jede gleitfähige
Beschichtung geeignet, beispielsweise auch sogenannte Festschmierstoffe.
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Bei
handelsüblichen N-Steckverbindungen besteht der Außenleiter
und die Überwurfmutter meist aus rostfreiem Stahl und der
Sprengring beispielsweise aus Bronze. Zur Herabsetzung des Reibungskoeffizienten könnten
diese Teile auch aus anderen einen geringeren Reibungskoeffizienten
aufweisenden Werkstoffen, z. B. einem geeigneten Metall oder Kunststoff,
bestehen.
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Die 2 bis 6 zeigen
weitere Möglichkeiten für die Herabsetzung des
Reibungskoeffizienten zwischen Überwurfmutter 6 und
Außenleiter 3 durch Einbau entsprechender Wälzlager.
Hierfür sind wiederum Arten von vielen Lagern geeignet,
beispielsweise axiale und radiale Kugellager, axiale Rollenlager,
axiale Nadellager, Schrägkugellager oder auch einfache
axiale Gleitlager.
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2 zeigt
den Einbau eines Radialkugellagers 20 zwischen Überwurfmutter 6 und
Außenleiter 3. Jedes Radialkugellager wirkt nicht
nur als Radiallager sondern bis zu einer gewissen Belastung auch
als Axiallager und ist daher ebenfalls für den erfindungsgemäßen
Zweck geeignet. Die in einem Käfigkranz gelagerten Kugeln 20 laufen
in entsprechenden Ringnuten am Innenumfang der Überwurfmutter 6 bzw.
am Außenumfang des Außenleiters 3. Beim
axialen Verschrauben von Stecker 1 und Buchse 2 wird über
dieses Kugellager 20 die Reibungskraft des axialen Kraftschlusses
zwischen Überwurfmutter 6 und Außenleiter 3 stark
herabgesetzt und so der erfindungsgemäße Zweck
erreicht.
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3 zeigt
eine andere Möglichkeit unter Verwendung eines Nadel- bzw.
Zylinderrollenlagers. Die wieder kranzförmig in einem Käfig
angeordneten Zylinderrollen oder Nadeln 21 laufen auf den
ringförmigen Stirnflächen eines Flansches 22 des
Außenleiters 3 und der gegenüberliegenden
ringförmigen Stirnfläche eines nach innen gezogenen
radialen Flansches 23 der Überwurfmutter 6.
Beim axialen Verschrauben von Stecker 1 und Buchse 2 wirken
diese Rollen 21 wieder reibungskraftherabsetzend.
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4 zeigt
schließlich, wie durch ein Doppel-Wälzlager in
beiden axialen Richtungen die Reibungskraft zwischen Überwurfmutter 6 und
Außenleiter 3 herabgesetzt werden kann.
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Am
Außenleiter 3 ist ein radial abstehender Flansch 24 vorgesehen,
auf dessen gegenüberliegenden Ringflächen jeweils
Kugellager 26, 27 abrollen, die ihrerseits in
entsprechenden Nuten 28, 29 auf der Innenseite
der Überwurfmutter 6 gelagert sind. Damit wird
sowohl beim Aufschrauben der Überwurfmutter 6 auf
die Buchse 2 über das Wälzlager 27 der
Reibungskoeffizient des axialen Kraftschlusses zwischen Überwurfmutter und
Außenleiter stark reduziert, gleichzeitig aber auch in
entgegengesetzter axialer Richtung über das zweite Wälzlager 26,
so dass die Überwurfmutter 6 auch in nicht verschraubter
Position kugelgelagert drehbar ist.
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In
den Ausführungsbeispielen nach den 2 bis 4 sind
die Wälzlager und ihre Anordnung zwischen Überwurfmutter
und Außenleiter jeweils nur schematisch dargestellt, in
der Praxis ist es für den Einbau der Wälzlager
natürlich erforderlich, die aufnehmenden Teile wie Außenleiter, Überwurfmutter
und dergleichen teilbar und beispielsweise miteinander verschraubbar
auszubilden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
sind diese reinen für die Montage erforderlichen Konstruktionsmerkmale
nicht dargestellt.
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Die 5 und 6 zeigen
schließlich eine Anordnung mit einseitiger Wälzlagerung.
Das Wälzlager wird in dieser Anordnung dann belastet, wenn
sich zwischen den beiden Stirnflächen von Stecker und Buchse eine
axiale Kraft aufgebaut hat, d. h. im Zuge des Anschraubvorgangs
bzw. zu Beginn der Lösephase. Bei gelöster Verbindung
erfolgt die Lagerung der Überwurfmutter an verschiedenen
zylindrischen Oberflächen; das Wälzlager ist nicht
beteiligt.
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Durch
diese Beschränkung der Wälzlagerwirkung auf die
Verschraubungsphase kann ein sehr preiswertes, kleines Axial-Nadellager
verwendet werden. Damit das Nadellager bei gelöster Verbindung
nicht klappert oder auseinanderfällt, wird es bevorzugt
durch Federelemente zusammengehalten. Durch die einseitige Lagerwirkung
entstehen keinerlei Einschränkungen bezüglich
der vorstehend gemachten Ausführungen.
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Auf
dem Außenleiter 3 des Steckers sind Tellerfedern 29 aufgeschoben,
die zwischen einer käfigartigen Federaufnahme 31,
die ihrerseits formschlüssig in der Überwurfmutter 6 eingebaut
ist, und einer radialen Ringwand 30 zweier Wellenscheiben 32, 33 und
einem nur schematisch angedeuteten Wälzlager 34 wirken. Die
Tellerfedern können wahlweise auf dem Außenleiter 3 oder
in der Federaufnahme 31 geführt werden.
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Bei
noch nicht mit dem Buchsenteil verschraubter Überwurfmutter 6 (5)
liegt die Wellenscheibe 33 aufgrund der Federvorspannung
an einem ringförmigen Vorsprung 35 der Überwurfmutter
an, und das Wälzlagerteil drückt noch nicht auf
den Flanschring 36 des Außenleiters. Die Lagerteile 32, 33, 34 werden durch
die vorgespannten Tellerfedern 29 lediglich in der Überwurfmutter 6 gehalten
(fixiert). Erst wenn die Überwurfmutter 6 auf
das Außengewinde 9 des schematisch angedeuteten
Buchsenteiles 2 aufgeschraubt wird (6) und die
Wellenscheibe 33 auf den Flansch 36 des Außenleiters 3 drückt,
wird der Kraftschluss zwischen der Wellenscheibe 33 und
dem ringförmigen Vorsprung 35 aufgehoben, und
die axiale Anpresskraft wird über die Überwurfmutter 6 und
die Tellerfedern 29 auf das Nadellager 32, 33, 34 und
damit auf den Außenleiter 3 übertragen.
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Durch
die Tellerfedern wird die notwendige axiale Verschiebung für
die Montage der Lagerteile 32, 33, 34 und
der Federaufnahme 31 mit der Überwurfmutter 6 gewährleistet
(Bajonett-Verriegelung der Federaufnahme 31 mit Überwurfmutter 6).
Die Lagerteile 32, 33, 34 werden durch
diese Tellerfedern innerhalb der Überwurfmutter zusammengehalten,
wobei thermische Längenveränderungen der Steckverbindung
kompensiert werden, ohne dass Verspannungen auftreten. Zudem ermöglicht
der Einsatz von Federn eine kostengünstigere Herstellung
und Montage der betreffenden Einzelteile, da störende Summierungen
von Fertigungstoleranzen durch Federelemente problemlos ausgeglichen
werden können. Von der Optimierung dieser Federfunktionen
hängt es auch ab, wie viele Tellerfedern eingesetzt werden,
im einfachsten Fall reicht eine einzige Tellerfeder, im Ausführungsbeispiel
sind fünf Tellerfedern dargestellt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt und eignet sich nicht nur für sogenannte
N-Stecker sondern für alle Arten handelsüblicher
koaxialer Steckverbindungen. Alle beschriebenen und/oder gezeichneten
Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/002692
A1 [0001]
