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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckverbindungselement mit einem federelastisch verformbaren Kontaktorgan, mittels dem das Steckverbindungselement bei einem Zusammenstecken mit einem zugehörigen weiteren Steckverbindungselement elektrisch verbindbar ist.
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Derartige Steckverbindungselemente sind beispielsweise aus der
DE 10 2007 042 194 A1 bekannt. Beim Zusammenstecken des Steckverbinderelements mit einem zugehörigen weiteren Steckverbinderelement muss das Kontaktorgan gegebenenfalls auch gegen die Wirkung einer Fremdfeder aufgebogen werden, wodurch beim Zusammenstecken eine erhöhte Steckkraft erforderlich ist. Für viele Anwendungsfälle ist dies nicht nachteilig oder sogar wünschenswert, weil dadurch der Bedienperson beim Zusammenstecken signalisiert wird, dass nun das Kontaktorgan in kontaktgebender Anlage ist.
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In Anwendungsfällen, in denen die beim Zusammenstecken aufbringbare Kraft begrenzt ist, beispielsweise weil das Steckverbindungselement an einer schwer zugänglichen Stelle angeordnet ist, muss ein Kompromiss zwischen der aufzubringenden Steckkraft und der im zusammengesteckten Zustand wirksamen Kontaktkraft eingegangen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Steckverbindungselement bereitzustellen, das weiter verbesserte Gebrauchseigenschaften aufweist. In einer Ausführungsart soll die beim Zusammenstecken des Steckverbindungselements mit einem weiteren Steckverbindungselement erforderliche Steckkraft reduziert sein und dennoch eine dauerhaft zuverlässige elektrische Verbindung gewährleistet sein.
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Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Steckverbindungselement gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart weist das Steckverbindungselement ein Spannelement auf, mittels dem das Kontaktorgan und/oder eine das Kontaktorgan bei der Kontaktgabe unterstützende Fremdfeder derart federelastisch verformbar ist, insbesondere im Ausgangszustand des Steckverbindungselements vor dem Zusammenstecken verformt ist, dass die beim Zusammenstecken des Steckverbindungselements mit dem weiteren Steckverbindungselement erforderliche Kraft gegenüber dem Betrag der Kraft, die ohne das Spannelement erforderlich ist, reduziert ist. Diese reduzierte Kraft gilt jedenfalls für eine Phase des Zusammensteckens, insbesondere zu Beginn des Zusammensteckens. Beim weiteren Zusammenstecken, insbesondere im Verlauf des vollständigen Zusammensteckens, ist die Wirkung des Spannelements automatisch und durch das Zusammenstecken zwangsgesteuert aufhebbar. Dadurch ist das Kontaktelement mit der vorgesehenen Kontaktkraft, die durch die Eigenfederung des Kontaktorgans bestimmt ist, gegebenenfalls in Summe mit einer von einer Fremdfeder aufgebrachten Kraft, in elektrisch verbindende Anlage an das weitere Steckverbindungselement bringbar.
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Dadurch ist die zum Zusammenstecken des Steckverbindungselements mit dem weiteren Steckverbindungselement erforderliche Steckkraft insbesondere zu Beginn des Zusammensteckens reduziert. Gleichzeitig wird im vollständig zusammensteckten Zustand die volle Kontaktkraft bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, dass jedenfalls zu Beginn des Zusammensteckens die Steckkraft reduziert ist, und erst nach Erreichen einer Zwischenposition, in welcher die beiden zusammensteckbaren Steckverbindungselemente bereits eine Führung beim weiteren Zusammenstecken erfahren, ist eine höhere Steckkraft erforderlich. Dabei kann auch bereits zu Beginn des Zusammensteckens das Kontaktorgan in Anlage, gegebenenfalls auch in elektrisch kontaktgebender Anlage, an dem zugehörigen weiteren Steckverbindungselement sein, allerdings ist die Anlagekraft aufgrund der Wirksamkeit des Spannelements reduziert.
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In einer Ausführungsart ist durch das zu Beginn des Zusammensteckens wirksame Spannelement zwischen dem Kontaktorgan und der kontaktgebenden Oberfläche des weiteren Steckverbindungselements ein Spalt vorhanden, der durch das Aufheben der Wirkung des Spannelements schließbar ist. Der Spalt kann beispielsweise weniger als 0,2 mm betragen, insbesondere weniger als 0,05 mm und vorzugsweise weniger als 0,03 mm. Dadurch ist auch bereits zu Beginn des Zusammensteckens eine Führung zwischen den beiden Steckverbindungselementen gewährleistet, ohne dass die Steckkraft durch eine Anlage des Kontaktorgans an der kontaktgebenden Oberfläche erhöht ist.
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In einer Ausführungsart ist das Spannelement beim Zusammenstecken in dem Steckverbindungselement verschiebbar, insbesondere in Steckrichtung verschiebbar. Das Verschieben kann dabei erst eintreten, wenn das Spannelement in vorzugsweise formschlüssige Anlage an eine bei dem weiteren Steckverbindungselement hierfür vorgesehene Anlagefläche kommt, und dadurch beim weiteren Zusammenstecken das Spannelement in Steckrichtung verschiebbar ist.
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In einer Ausführungsart ist zwischen einem Grundkörper des Steckverbindungselements und dem Spannelement ein die Reibkraft reduzierendes Gleitmittel aufgebracht. Beispielsweise kann das Spannelement und/oder der Grundkörper an seiner entsprechenden Oberfläche eine die Reibungskraft reduzierende Beschichtung aufweisen und/oder das Spannelement kann geölt oder gefettet sein. Alternativ oder ergänzend kann das Spannelement, das im zusammengesteckten Zustand keine mechanische oder elektrisch leitende Funktion hat, aus einem Werkstoff hergestellt sein, der in Abstimmung auf den Werkstoff des Grundkörpers einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
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Durch den Spalt können die beiden Steckverbindungselemente jedenfalls zu Beginn des Zusammensteckens kraftlos oder sogar kraftfrei ineinander gesteckt werden, bis das weitere Steckverbindungselement in Anlage an das Spannelement kommt und dieses beim weiteren Zusammenstecken verschiebt, bis die Wirkung des Spannelements aufgehoben ist.
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In einer Ausführungsart ist das Spannelement derart in dem Steckverbindungselement angeordnet, dass erst nach Erreichen von mehr als 40% der Überdeckung der einander zugeordneten Kontaktflächen des Steckverbindungselements einerseits und des weiteren Steckverbindungselements andererseits, insbesondere erst nach Erreichen von mehr als 55% der Überdeckung und vorzugsweise erst nach Erreichen von mehr als 65% der Überdeckung, die Wirkung des Spannelements durch das weitere Zusammenstecken aufhebbar ist. Somit muss lediglich für den Rest der Wegstrecke des Zusammensteckens eine erhöhte Steckkraft aufgebracht werden. Dadurch ist auch der Abrieb auf der Oberfläche des Kontaktorgans und/oder der zugeordneten Kontaktfläche des weiteren Steckverbindungselements reduziert.
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In einer Ausführungsart ist das Steckverbindungselement ein Buchsenelement. Das Spannelement kann als Spreizring ausgeführt sein, mittels dem das Kontaktorgan und/oder eine Fremdfeder auf ein Maß spreizbar ist, durch das die zum Zusammenstecken des Buchsenelements mit einem Steckerelement erforderliche Kraft reduziert ist. Beispielsweise kann die lichte Weite des Kontaktorgans des Buchsenelements unter der Wirkung des Spannelements größer sein als der Außendurchmesser eines Kontaktstiftes des Steckerelements.
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In einer Ausführungsart kann das Steckverbindungselement ein Steckerelement sein, und das Spannelement kann den Außendurchmesser des Kontaktorgans reduzieren, beispielsweise durch einen Spannring, der beim Zusammenstecken abstreifbar ist und dadurch dessen Wirkung auf das Kontaktorgan aufhebbar ist.
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In einer Ausführungsart weist das Steckverbindungselement und/oder das weitere Steckverbindungselement ein Fixierelement auf, mit dem der vollständig zusammengesteckte Zustand von Steckverbindungselement und weiterem Steckverbindungselement fixierbar ist. Dadurch ist auch beim Auftreten von weiteren Druck- und insbesondere Zugkräften gewährleistet, dass der zusammengesteckte Zustand und damit die elektrische Verbindung aufrechterhalten wird.
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In einer Ausführungsart ist das Fixierelement beim Zusammenstecken des Steckverbindungselements mit dem weiteren Steckverbindungselement federelastisch verformbar. Beispielsweise kann das Fixierelement beim Zusammenstecken federelastisch auslenkbar sein. Nach Erreichen der zusammengesteckten Position kann das Fixierelement in eine dafür vorgesehene Rastausnehmung an dem weiteren Steckverbindungselement einrasten. Die Ausnehmung kann dabei derart ausgestaltet sein, dass ein Lösen der Fixierung nur mit einem sehr hohen Kraftaufwand und/oder mit einem Werkzeug möglich ist. In einer Ausführungsart kann die Rastausnehmung auch eine selbstsperrende Flanke aufweisen, die ein zerstörungsfreies Lösen des zusammengesteckten Zustands verhindert.
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In einer Ausführungsart sind das Spannelement und das Fixierelement derart in dem Steckverbindungselement und/oder dem weiteren Steckverbindungselement angeordnet, dass das Spannelement beim Zusammenstecken so lange wirksam ist, bis das Fixierelement mehr als 60%, insbesondere mehr als 80% und vorzugsweise mehr als 95% seiner maximalen Verformung erfahren hat. Dadurch kann in einer ersten Phase des Zusammensteckens lediglich das Fixierelement verformt werden, was mit einer vergleichsweise geringen Steckkraft möglich ist. Erst wenn das Fixierelement weitgehend oder auch vollständig seinen maximal verformte Zustand eingenommen hat, kann in einer zweiten Phase des Zusammensteckens das Spannelement verschoben werden und/oder die Wirkung des Spannelements aufgehoben werden. Dadurch wird verhindert, dass sich beim Zusammenstecken die Kräfte zum Verformen des Fixierelements einerseits und zum Verschieben des Spannelements andererseits addieren.
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In einer Ausführungsart weist das Steckverbindungselement und/oder das weitere Steckverbindungselement einen Grundkörper auf, der eine Öffnung zur Aufnahme eines Leiters aufweist, der mittels einer Klemmschraube elektrisch und mechanisch mit dem Grundkörper verbindbar ist. Der Grundkörper kann auch mehrere Öffnungen für das Einschrauben mehrerer Klemmschrauben aufweisen. In einer Ausführungsart ist der Grundkörper des Steckverbindungselements und/oder des weiteren Steckverbindungselements zylindrisch und/oder an der Oberfläche ohne scharfe Kanten, damit ein darüber platzierter, radial elastisch aufdehnbarer Muffenisolierkörper vor Beschädigungen geschützt ist. In einer Auführungsart darf der Außendurchmesser des Grundkörpers deshalb auch ein bestimmtes Maß, beispielsweise 37 mm, nicht übersteigen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Steckverbindungselements,
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung der 1,
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3 zeigt einen Schnitt III-III durch die Anordnung der 2,
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4 bis 6 zeigen einen Querschnitt durch die beiden Steckverbindungselemente in verschiedenen Stadien des Zusammensteckens, und
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7 zeigt den Verlauf der Kraft F über dem Weg s beim Zusammenstecken der beiden Steckverbindungselemente.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Steckverbindungselements 1 im vollständig zusammengesteckten Zustand mit einem weiteren Steckverbindungselement 2. Die 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung der 1. Die 3 zeigt einen Schnitt III-III durch die Anordnung der 2.
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Das Steckverbindungselement 1 weist einen Grundkörper 10 auf, der eine Öffnung 12 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Leiters aufweist. Der Leiter ist durch zwei radial in Bezug auf eine Längsachse 4 des Steckverbinderelements 1 einschraubbare Klemmschrauben 14 elektrisch und mechanisch mit dem Grundkörper 10 verbindbar. Das weitere Steckverbindungselement 2 weist ebenfalls eine Öffnung 32 für einen anzuschließenden Leiter auf, der mittels radial in Bezug auf die Längsachse einschraubbaren Klemmschrauben 34 mit dem Grundkörper 30 des weiteren Steckverbindungselements 2 mechanisch und elektrisch verbindbar ist.
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In der Öffnungen 12, 32 sind Kabelleiter mit unterschiedlichen Querschnitten einsteckbar. Insbesondere für Kabelleiter mit einem geringeren als dem maximal möglichen Leiterquerschnitt ist ein gegebenenfalls auch an den jeweiligen Leiterquerschnitt angepasster oder dem jeweiligen Leiterquerschnitt zugeordneter Zentrierring 8 einsetzbar, insbesondere in die Öffnung 12, 32 einsteckbar. Durch den Zentrierring 8 ist der Kabelleiter in Bezug auf die Öffnung 12, 32 zentrierbar, d. h. ein Versatz der Längsachse des Kabelleiters in Bezug auf die Längsachse der Öffnung 12, 32 kann minimiert oder sogar eliminiert werden. Im montierten Zustand kann dadurch die Längsachse des Kabelleiters mit der Längsachse der Öffnung 12, 32 zusammenfallen. Der Querversatz des Kabels in Bezug auf die Öffnung 12, 32 des Grundkörpers 10, 30 in dem Muffenisolationskörper kann dadurch minimiert oder eliminiert werden.
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Die Längsachse 4 des elektrischen Steckverbinderelements 1 fällt im zusammengesteckten Zustand mit der Längsachse 6 des weiteren Steckverbindungselements 2 zusammen. Die Steckrichtung verläuft parallel zur Längsachse 4.
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Der Grundkörper 10 bildet vorzugsweise einstückig ein Kontaktorgan 16 aus, das im Ausführungsbeispiel um die Längsachse 4 herum angeordnete Kontaktzungen 18 aufweist, die in Radialrichtung federelastisch auslenkbar sind. Das Kontaktorgan 16 bildet dabei einen Korbkontakt, der im Ausführungsbeispiel insgesamt sechs Kontaktzungen 18 aufweist, die in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sein können. Zur Unterstützung der Kontaktkraft weist das Steckverbindungselement 1 eine Fremdfeder 20 auf, die im Ausführungsbeispiel als Schlingfeder die Kontaktzungen 18 nahe ihrem freien axialen Ende umschlingt und in Richtung nach radial innen vorspannt. Dadurch werden im zusammengesteckten Zustand die Kontaktzungen 18 in kontaktgebender Anlage an einer kontaktgebenden Oberfläche 22 eines Kontaktstiftes 24 des weiteren Steckverbindungselements 2 gehalten. Der Grundkörper 30 bildet den Kontaktstift 24 vorzugsweise einstückig aus.
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In dem vollständig zusammengesteckten Zustand ist ein als Rastring ausgebildetes Fixierelement 26, das in eine Innennut 28 in dem Grundkörper 10 des Steckverbindungselements 1 eingelegt ist, in eine an dem Kontaktstift 24 verlaufende Außennut 46 eingerastet. Dadurch ist der vollständig zusammengesteckte Zustand gesichert und kann – sofern überhaupt – nur durch eine übermäßig hohe Zugkraft auf die Steckverbindungselemente 1, 2 aufgehoben werden.
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Die 4 bis 6 zeigen einen Querschnitt durch die beiden Steckverbindungselemente 1, 2 in verschiedenen Stadien des Zusammensteckens. In dem Steckverbindungselement 1 ist an dem Kontaktorgan 16, insbesondere an den Kontaktzungen 18, ein Spannelement 40 derart in Anlage, dass die Kontaktzungen 18 gegen die Kraft der Fremdfeder 20 radial nach außen gebogen sind. Dadurch ist die lichte Weite des von den Kontaktzungen 18 eingeschlossenen Umfangs größer oder gleich dem Außendurchmesser des Kontaktstiftes 24 des weiteren Steckverbindungselements 2 im Bereich der kontaktgebenden Oberfläche 22, und es bildet sich ein ringförmiger Spalt 48, der weniger als 0,2 mm betragen kann, insbesondere weniger als 0,5 mm und vorzugsweise weniger als 0,03 mm. Die lichte Weite kann in dem in der 4 dargestellten Zustand zwischen 0,01 mm und 0,4 mm, insbesondere zwischen 0,01 mm und 0,1 mm und vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,06 mm größer sein als der Außendurchmesser des Kontaktstiftes 24 im Bereich der kontaktgebenden Oberfläche 22.
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Der Innendurchmesser des Spannelements 40 kann dabei größer oder gleich dem Außendurchmesser eines Abschnitts des Kontaktstiftes 24 sein, der kleiner ist als der Außendurchmesser im Bereich der kontaktgebenden Oberfläche 22. Dadurch lassen sich die beiden Steckverbindungselemente 1, 2 in der in der 4 dargestellten Position kraftlos oder jedenfalls mit nur geringer Kraft entsprechend den Pfeilen zusammenstecken.
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Der Grundkörper 10 weist eine Öffnung 36 auf, deren lichte Weite größer ist als der Endabschnitt des Kontaktstiftes 24 des weiteren Steckverbindungselements 2. Die Öffnung 36 ist dabei als Sacklochöffnung ausgeführt und von der Öffnung 24 zum Einsetzen des Leiters durch eine Wand 38 getrennt. Im Bereich der vorzugsweise mindestens abschnittsweise zylindrischen Öffnung 36 ist in der Innennut 28 das Fixierelement 26 eingelegt und anfänglich noch nicht in Anlage an dem Kontaktstift 24. Der Kontaktstift 24 ist an seinem axialen Ende verrundet und/oder weist einen mindestens teilweise kegelförmigen Abschnitt auf.
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Beim weiteren Zusammenstecken (5) kommt der kegelförmige Abschnitt des Kontaktstiftes 24 in Anlage an das Fixierelement 26 und spreizt dieses im Verlauf des Zusammensteckens. In dem in der 5 dargestellten Zustand ist das Fixierelement 26 nahezu maximal gespreizt. In diesem Zustand kommt eine von dem Kontaktstift 24 ausgebildete ringförmige Schulter 42, die durch den Übergang zu der kontaktgebenden Oberfläche 22 mit ihrem vergrößerten Außendurchmesser gebildet ist, in Anlage an das Spannelement 40; beim weiteren Zusammenschieben wird das Spannelement 40 in Richtung des Pfeils 44 innerhalb des Steckverbindungselements 1 verschoben. In dem in der 5 dargestellten Zustand beträgt die Überdeckung der einander zugeordneten Kontaktflächen des Steckverbindungselements 1 und des weiteren Steckverbindungselements 2 mehr als 40% der Überdeckung im vollständig zusammengesteckten Zustand der 6, insbesondere mehr als 55% und vorzugsweise mehr als 65%.
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Die Kontaktzungen 18 weisen einen Abschnitt mit reduzierter Wandstärke auf, durch den die lichte Weite des Grundkörpers 10 in diesem Bereich vergrößert ist. Der Übergang zu der erhöhten lichten Weite erfolgt in einem stumpfen Winkel von mehr als 90°, insbesondere mehr als 120° und vorzugsweise mehr als 145°. Sobald das Spannelement 40 in diesen Abschnitt hineinverschoben ist, ist die Wirkung des Spannelements 40 aufgehoben. Dieser Zustand ist in der 6 dargestellt. Dadurch kommen die Kontaktzungen 18 in kontaktgebende Anlage an die Oberfläche 22, unterstützt außerdem noch durch die Fremdfeder 20. In dem in der 6 dargestellten Zustand rastet außerdem das Fixierelement 26 in die Außennut 46 des Kontaktstiftes 24 und fixiert dadurch den zusammengesteckten Zustand.
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Die 7 zeigt den Verlauf der Kraft F in Newton über dem Weg s in mm beim Zusammenstecken der beiden Steckverbindungselemente 1, 2. Der Bereich s < 0 entspricht dabei der Phase des Zusammensteckens, bis die konische Endfläche des Kontaktstiftes 24 in Anlage an das Fixierelement 26 kommt. Im Bereich 0 < s < ca. 3 mm wird durch das Zusammenstecken das Fixierelement gespreizt, bis die Schulter 42 in Anlage an das Spannelement 40 kommt. Bei etwa s = 3,5 mm setzt bei einem weiteren Zusammenstecken das Verschieben des Spannelements 40 ein, bis bei etwa s = 6,5 mm die Wirkung des Spannelements 40 aufgehoben wird und die Kontaktzungen 18 in Anlage an der Oberfläche 22 sind. Dadurch erhöht sich die für das weitere Zusammenstecken erforderliche Kraft, bleibt aber insgesamt unter einem Wert von etwa 100 N. Bei etwa s = 9 mm rastet das Fixierelement 26 in die Außennut 46, woraufhin der vollständig zusammengesteckte Zustand erreicht ist und die Kraft sehr stark ansteigt.
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Aus dem Diagramm geht hervor, dass beim Zusammenstecken die Phase, in denen das Fixierelement gespreizt wird (0 ≤ s ≤ ca. 3 mm), und die Phase, in der das Spannelement verschoben wird (ca. 3,5 mm < s < ca. 6,5 mm), und/oder die Phase, in welcher die Kontaktzungen 18 in Anlage an der kontaktgebenden Oberfläche 22 sind (ca. 7 mm < s < ca. 9 mm), klar voneinander getrennt sind, so dass sich die in den jeweiligen Phasen erforderlichen Steckkräfte nicht addieren, sondern beim Zusammenstecken nur nacheinander aufgebracht werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007042194 A1 [0002]
