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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltkreisvorrichtung, insbesondere für elektrische Steuergeräte in Fahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gesetzliche Vorgaben zur elektromagnetischen Verträglichkeit, wie beispielsweise die europäische Richtlinie 2004/108, schreiben vor, dass elektrische Vorrichtungen in vorgeschriebenen Grenzen gegen Einfluss von außen einwirkenden elektromagnetischen Wellen störunempfindlich sein müssen und des Weiteren selber keine Störungen durch emittierte elektromagnetische Wellen in ihrer Umwelt verursachen dürfen.
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Vor diesem Hintergrund ist es generell bei elektrischen Komponenten und speziell in Fahrzeugen hilfreich, Platinen mit einem Massepotential galvanisch zu verbinden, um Potentialdifferenzen zwischen der Platine und der Masse zu vermeiden.
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Bekannt ist es, die Masse und Platine mittels einer Schraubverbindung miteinander zu verbinden, wie in 1 dargestellt, wobei eine Zahnscheibe 60 zwischen der Masse und der Platine angeordnet ist. Beim Verschrauben der Masse mit der Platine wird die Zahnscheibe an die beiden Teile gedrückt. Dadurch wird ein galvanischer Kontakt zwischen der Masse und der Platine sichergestellt. Nachteilhaft dabei sind der zusätzliche Montageaufwand und die Kosten für die Zahnscheibe sowie mögliche Fehler, die auftreten, wenn die Zahnscheibe versehentlich nicht eingefügt wird oder die Zahnscheibe nicht ordnungsgemäß den galvanischen Kontakt herstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine elektrische Schaltkreisvorrichtung mit einem galvanischen Kontakt aufzuzeigen, der kostengünstiger und einfacher herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels der elektrischen Schaltkreisvorrichtung der eingangs genannten Art, wobei mindestens einer der Trägerkörper mindestens ein Eindrückmittel aufweist, das beim Verbinden der Trägerkörper in den anderen Trägerkörper eingedrückt wird und auf diese Weise einen galvanischen Kontakt zwischen den Trägerkörpern in besonders einfacher und zuverlässiger Weise sicherstellt. Die elektrische Schaltkreisvorrichtung ist u. a. für die Anwendung in einem Kraftfahrzeug verwendbar, um als Teil eines Regelkreises oder in Kombination mit einem Aktuator verwendet zu werden. Insbesondere ist die elektrische Schaltkreisvorrichtung als Teil einer Leistungselektronik vorgesehen.
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Die Trägerkörper sind zum Tragen weiterer Elemente vorgesehen, die zur Funktionserweiterung der Schaltkreisvorrichtung dienlich sind. Diese Elemente sind z. B. elektrische Leiterbahnen, elektrische Bauteile, Interfacematerialien usw. Denkbar ist dabei die Verwendung des Trägerkörpers als Massepotential oder als Leiterbahnplatte. Idealerweise sind die Trägerkörper plattenförmig ausgebildet. Der galvanische Kontakt wird mittels des Eindrückmittels sichergestellt und gegen äußere Einflüsse stabilisiert. Denkbar ist dabei auch die Verwendung mehrerer Eindrückmittel. Beim Verbinden beider Trägerkörper drückt sich das Eindrückmittel in den anderen Trägerkörper ein und erzeugt auf diese Weise einen fest am Trägerkörper anliegenden Kontakt zwischen dem Eindrückmittel und dem anderen Trägerkörper. Zumindest in dem Kontaktbereich zwischen dem Eindrückmittel und dem anderen Trägerkörper sind die Trägerkörper mit elektrisch leitfähigen Materialien versehen, um eine galvanische Verbindung herzustellen. Denkbar ist dabei, dass der Trägerkörper an sich leitfähig ist oder mit einem zusätzlichen elektrisch leitfähigen Material versehen ist. Hiervon umfasst sind alle metallischen Materialien, mit denen eine galvanisch leitfähige Verbindung herstellbar ist. Durch die galvanische Verbindung wird im Idealfall eine widerstandslose elektrische Verbindung zwischen den Trägerkörpern aufgebaut. Beide Trägerkörper bilden auf diese Weise eine elektrische Einheit, wobei der Potentialunterschied zwischen den Trägerkörpern im Wesentlichen 0Ω beträgt. Dadurch wird die Emission von elektromagnetischen Wellen über die Trägerkörper bzw. Empfangsempfindlichkeit der Schaltkreisvorrichtung gegenüber elektromagnetischen Wellen auf ein Minimum reduziert.
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Das Eindrückmittel ist am Trägerkörper, vorzugsweise einstückig, angeordnet. Des Weiteren ist das Eindrückmittel derart geformt, dass es beim Verbinden der Trägerkörper in den anderen Trägerkörper eindringt und eine lokale Verformung des anderen Trägerkörpers bewirkt. Auf diese Weise entfällt vorteilhafterweise die Verwendung zusätzlicher Elemente zur Verbesserung des galvanischen Kontaktes zwischen den Trägerkörpern. Beim Verbinden der Trägerkörper wird mittels des Eindrückmittels ein lokal fest anliegender Kontakt zwischen den Trägerkörpern erzeugt und auf diese Weise die Funktion der Zahnscheibe oder ähnlicher Hilsmittel auf einfachem Wege ersetzt.
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Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Schaltkreisvorrichtung dadurch weitergebildet, dass das Eindrückmittel mittels eines Vorsprungs am Trägerkörper ausgebildet ist. Das Eindrückmittel ist mittels eines von der Kontaktfläche des Trägerkörpers abstehenden Vorsprungs ausgebildet. Auf diese Weise ist das Eindrückmittel besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung, bei welcher das Eindrückmittel benachbart zum Verbindungsmittel angeordnet ist. Insbesondere bei Verwendung von formschlüssigen Verbindungsmitteln kann der höhere Flächendruck zwischen den Trägerkörpern im Bereich der Verbindungsmittel dazu ausgenutzt werden, um das Eindrückmittel besonders fest in den anderen Trägerkörper einzudrücken.
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Bevorzugterweise weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung eine Vielzahl von auf einem Trägerkörper ausgebildeten Vorsprüngen auf und erreicht auf diese Weise einen besonders sicheren und fehlerresistenten galvanischen Kontakt zwischen den Trägerkörpern.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung mit einem Vorsprung, der eine Spitze aufweist, wobei der Vorsprung sich zur Spitze hin verjüngend ausgebildet ist. Auf diese Weise verringert sich der notwendige Kraftaufwand um den Vorsprung in den Trägerkörper einzudrücken. Hierzu weist die Spitze eine möglichst kleine Kontaktfläche auf, um mit möglichst kleinem Kraftaufwand einen hohen Eindrückdruck zu erzeugen. Gleichzeitig ist die Fläche so bemessen, dass es beim Eindrücken nicht abbricht. Die zur Spitze verjüngende Form des Vorsprungs erleichtert dabei zusätzlich das Eindrücken des Vorsprungs in den anderen Trägerkörper.
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Darüber hinaus ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung besonders bevorzugt, bei welcher der Vorsprung rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Die rotationssymmetrische Form des Vorsprungs erlaubt eine gleichmäßige Verteilung des Drucks auf den Vorsprung beim Eindrücken. Auf diese Weise ist ein besonders kraftsparsames und abbruchsicheres Eindrücken des Vorsprungs in den anderen Trägerkörper erreichbar. Außerdem ermöglicht die Form eine einfache Herstellung des Vorsprungs.
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Ferner ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung vorteilhaft, bei welcher die Trägerkörper jeweils Materialien mit unterschiedlichen Härtegraden aufweisen, gemessen in Rockwell nach einer Methode aus EN ISO 6508-1. Wesentlich ist dabei, dass das Eindrückmittel und die dazu korrespondiere Stelle am anderen Trägerkörper mit den jeweiligen Materialien versehen ist. Vorzugweise weist der Trägerkörper mit dem Eindrückmittel oder das Eindrückmittel selbst das härtere Material auf.
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Vorzugsweise weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung einen Vorsprung auf, der kegelförmig ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung bevorzugt, bei welcher eines der Trägerkörper eine Ausnehmung aufweist, die mit einem Dorn am anderen Trägerkörper korrespondiert, wobei der Dorn an der Seitenfläche mindestens einen rippenförmigen Vorsprung aufweist. Die Trägerkörper sind mittels des Dorns besonders einfach zueinander ausrichtbar. Zudem bietet der Dorn eine mechanisch stabile Abstützung für das als rippenförmigen Vorsprung ausgebildetes Eindrückmittel. Der rippenförmige Vorsprung ist gleichläufig zur Längsachse des Dorns ausgerichtet und dringt dank seiner geringen Breite besonders gut in den anderen Trägerkörper hinein. Auch bei hohen Druckbelastungen ist daher ein sicheres Eindringen und Eindrücken des Vorsprungs in den anderen Trägerkörper erreichbar ohne abzubrechen.
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Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung bei welcher der Dorn kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei der rippenförmige Vorsprung zur Spitze und zur äußeren Kante hin verjüngend ausgebildet ist, um das Eindringen und Eindrücken des rippenförmigen Vorsprungs in den anderen Trägerkörper zu verbessern.
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Ferner ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung bevorzugt, bei welcher das Verbindungsmittel eine Schraube ist. Es ermöglicht die Verbindung der Trägerkörper und das Eindrücken des Eindrückmittels in den anderen Trägerkörper durch das Anziehen der Schraube zu kontrollieren.
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Nach Erprobung hat sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung als vorteilhaft herausgestellt, bei welcher derjenige Trägerkörper mit dem Eindrückmittel Aluminium und der andere Trägerkörper (11) Kupfer aufweist. Umfasst sind hierbei auch Aluminium und Kupferlegierungen. Als vorteilhaft hat sich insbesondere die gute Wärmeleitfähigkeit der Materialien herausgestellt, die bei Leistungselektronik oder Hochstromanwendungen eine wichtige Rolle spielen. Vorteilhaft ist hierbei eine Ausführungsform, bei welcher ein Zwischenmaterial bzw. Interfacematerial zum herstellen eines thermischen Kontaktes zwischen den Trägerkörpern vorgesehen ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung ist eines der Trägerkörper ein Kühlkörper und der andere Trägerkörper eine Leiterbahnplatte. Auf diese Weise ist die Wärme der Leiterbahnplatine besonders gut über den Kühlkörper abführbar. Der Kühlkörper weist hierzu eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Ferner ist es bevorzugt, dass der Kühlkörper Wärmeabführflächen aufweist, die z. B. in Form von Kühlrippen oder dgl. am Trägerkörper ausgebildet sein können.
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Ferner ist ein Steuergerät für eine Steuereinheit eines Fahrzeugs mit einer Schaltkreisvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche besonders vorteilhaft.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
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2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Steuergerätes für eine Lenkung eines Fahrzeugs mit einer Schaltkreisvorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels,
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3a eine erste Teilschnittdarstellung erster Eindrückmittel der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung,
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3b eine Vergrößerte Darstellung des Bereiches D aus 3a,
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4 eine zweite Teilschnittdarstellung der ersten Eindrückmittel,
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5a eine erste Teilschnittdarstellung eines zweiten Eindrückmittels der erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung,
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5b eine Vergrößerte Darstellung des Bereiches E aus 5a, und
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6 eine zweite Teilschnittdarstellung des zweiten Eindrückmittels.
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1 zeigt ein Steuergerät 2 für eine Steuereinheit bzw. Lenkung eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Schaltkreisvorrichtung 1. Das Steuergerät weist einen Aktuator 3 und eine Anschlußeinheit 4 mit mehreren Anschlüssen 5 auf, wobei die elektrische Schaltkreisvorrichtung 1 zwischen dem Aktuator 3 und der Anschlußeinheit 4 angeordnet ist. Die elektrische Schaltkreisvorrichtung 1 dient hierbei zur Steuerung des Aktuators 3, der als Teil einer Servolenkungseinheit eingesetzt wird. Eine Besonderheit bei dieser Anwendung u. a. in der Wärmeentwicklung aufgrund der hohen Ströme, die durch die Schaltkreisvorrichtung durchfließt.
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Die elektrische Schaltkreisvorrichtung 1 weist einen ersten Trägerkörper 10 mit einem elektrisch leitfähigen Material und einen zweiten Trägerkörper 11 mit einem elektrisch leitfähigen Material auf. Die Trägerkörper 10, 11 sind mittels mehreren Verbindungsmitteln 14 miteinander verbunden, um einen galvanischen Kontakt zwischen den Trägerkörpern 10, 11 herzustellen. Hierzu weist der erste Trägerkörper 10 zwei unterschiedliche Typen von Eindrückmitteln 30, 40 auf, die beim Verbinden der Trägerkörper 10, 11 in den zweiten Trägerkörper 11 eingedrückt werden.
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Der erste und zweite Trägerkörper 10, 11 sind als viereckige Platten ausgebildet. Denkbar sind jedoch auch andere Formen der Trägerkörper 10, 11. Der erste Trägerkörper 10 stützt teilweise den zweiten Trägerkörper 11 ab und dient vorrangig als Massenpotential, aber auch als Kühlkörper und Abschirmplatte. Zur besseren Wärmeabfuhr ist zwischen den Trägerkörpern 10, 11 eine zusätzliche Zwischenschicht bzw. sind Interfacematerialien anordnenbar. Denkbar ist auch ein Interfacematerial zur Verbesserung der Haftvermittlung zwischen den Trägerkörpern 10, 11. Der zweite Trägerkörper 11 ist als Leiterplatte ausgebildet und mit elektrischen Bauteilen 6 versehen, die auf dem zweiten Trägerkörper 11 mittels gängiger Verbindungsverfahren, z. B. Löten, aufgebracht sind. Der zweite Trägerkörper 11 ist mit dem ersten Trägerkörpers 10 galvanisch verbunden und wird durch diesen geerdet. Die Materialen der Trägerkörper 10, 11 zumindest im Bereich der galvanischen Verbindung sind derart ausgewählt, dass die Trägerkörper 10, 11 jeweils Materialien mit unterschiedlich hohen Härtegrade aufweisen. Vorzugsweise weist das Material des ersten Trägerkörpers 10 im besagten Bereich einen höheren Härtegrad auf als der zweite Trägerkörper 11 ohne Eindrückmittel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Trägerkörper 10 aus Aluminium hergestellt und der zweite Trägerkörper 11 zumindest an den galvanischen Kontaktstellen mit Kupfer versehen.
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An den Ecken sind die Trägerkörper 10, 11 jeweils mit Bohrungen 12, 13 zum Durchführen der Verbindungsmittel 14 versehen. In diesem Ausführungsbeispiel werden Schrauben 14 als Verbindungsmittel verwendet. Alternativ sind auch andere Verbindungsmittel wie Nieten, Bolzen, Klemmen oder dgl. denkbar. Ferner weist das Ausführungsbeispiel in den Bereichen B und C, wie in 1 gezeigt, zwei unterschiedliche Ausführungen der Eindrückmittel 30, 40 auf. Alternativ ist auch eine Ausführung der Schaltkreisvorrichtung mit einer einheitlichen Ausführung der Eindrückmittel an allen Verbindungsbereichen von der Erfindung umfasst.
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In den 3a, 3b und 4 ist ein erster Typ von Eindrückmitteln 30 des elektrischen Schaltkreises 1 gezeigt. Die Eindrückmittel 30 sind mittels mehrerer Vorsprünge 30 am ersten Trägerkörper 10 ausgebildet. Die Vorsprünge 30 sind benachbart zur Schraube 14 angeordnet. Die Vorsprünge 30 sind kreisförmig um die Bohrung 12 herum in Umfangsrichtung äquidistant zueinander angeordnet. Denkbar wären auch andere Anordnungen der Vorsprünge 30, bspw. eine Verteilung über die Kontaktfläche 15 des ersten Trägerkörpers 10.
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Die Vorsprünge 30 sind kegelförmig und um deren eigene Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet. Die rotationssymmetrische Kontaktfläche 32 des Vorsprungs 30 erlaubt ein gleichmäßiges Anliegen des Vorsprungs 30 am zweiten Trägerkörper 10 und damit einen besseren galvanischen Kontakt zwischen den Trägerkörpern 10, 11. Zudem verteilt sich dank der abgerundeten Spitze 31 der Druck beim Eindrücken großflächiger gleichmäßiger über den Vorsprung, so dass eine lokale hohe Druckbelastung des Vorsprungs vermieden wird.
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Wie in 4 gezeigt, bilden sich beim Verbinden der Trägerkörper 10, 11 durch die Vorsprünge 30 am zweiten Trägerkörper 11 Eindruckstellen 32. Neben einer plastischen Verformung des zweiten Trägerkörpers 11 wäre es auch denkbar, die Vorsprünge derart zu gestalten und/oder das Material des zweiten Trägerkörpers 11 derart auszuwählen, dass nur eine elastische Verformung des zweiten Trägerkörpers 11 stattfindet. Ferner ist es denkbar die Form der Vorsprünge 30 je nach Härtegrad oder Elastizitätsmodul des Materials des zweiten Trägerkörpers anzupassen. Beispielsweise wären Vorsprünge mit abgeflachter Spitze 31 oder mit einer stark oder schwach verjüngender Kontaktfläche 32 zur Spitze 31 hin denkbar.
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Die Vorsprünge 30 sind am ersten Trägerkörper 10 angeordnet. Idealerweise sind die Vorsprünge einstückig mit dem Trägerkörper 10 ausgebildet. Je nach Material des Trägerkörpers 10, 11 wäre es auch denkbar die Vorsprünge 30 auf den Trägerkörper 10, 11 mittels Schweißen, Löten, Kleben oder dgl. anzubringen. Ferner umfasst die Erfindung auch Eindrückmittel 30, 40, die aus einem anderen Material hergestellt sind, als die Trägerkörper 10, 11.
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In den 5a, 5b und 6 ist ein zweiter Typ des Eindrückmittels 40 des elektrischen Schaltkreises 1 gezeigt, welches nach den gleichen Prinzipien, wie das zuvor beschriebene Beispiel wirkt, um einen galvanischen Kontakt zwischen den Trägerkörpern 10, 11 sicherzustellen.
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Am zweiten Trägerkörper 11 ist eine Ausnehmung 50 angeordnet, die mit einem Dorn 42 am ersten Trägerkörper 10 korrespondiert. Die Ausnehmung ist mit einem elektrisch leitfähigen metallischen Material überzogen bzw. beschichtet. Zudem weist der Dorn 42 an seiner Seitenfläche 41 mehrere gleichläufig zur Längsachse des Dorns verlaufende Vorsprünge in Form von Rippen 42 auf. Diese Rippen 42 drücken sich beim Verbinden bzw. Verschrauben der Trägerkörper 10, 11 in den zweiten Trägerkörper 11 hinein und bilden zu den Vorsprüngen 40 korrespondierende Eindrückstellen 43, wie in 6 gezeigt.
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Der Dorn 42 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und ist konzentrisch zu den Bohrungen 12 und 13 ausgerichtet. Von der Kontaktfläche des Trägerkörpers 10 zur Deckfläche bzw. Spitze 43 des Dorns 42 hin weist der Dorn 42 somit ein sich verjüngendes Profil auf, um die Einführung des Dorns 42 in die Ausnehmung 50 zu erleichtern. Die Höhe des Dorns 42 entspricht in diesem Beispiel in etwa der Dicke des zweiten Trägerkörpers 11, wie in 5a dargestellt.
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Zudem weist der Dorn 42 eine Bohrung 48 auf, so dass die Schraube 14 durch den Trägerkörper 10, Dorn 42 und den zweiten Trägerkörper 11 durchführbar ist. Die äußeren Kanten 44a, 44b der Deckfläche 47 des Dorns sowie der Übergang 44c des Dorns 47 zur Kontaktfläche 15 des Trägerkörpers 11 sind abgerundet, um die Druckbelastung beim Verbinden der Trägerkörper 10, 11 an den Flächenübergängen über eine größere Fläche zu verteilen.
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Die Rippen 40 sind an der Seitenfläche 48 des Dorns 42 jeweils um die Längsachse des Dorns 42 um 90° versetzt zueinander angeordnet. Denkbar je nach Bedarf sind aber auch kleinere oder größere Winkelabstände zwischen den Rippen 40, um die Anzahl der Rippen 40 anzupassen. Die Rippen 40 sind im Wesentlichen senkrecht zum Trägerkörper 10 angeordnet und sind daher besonders steif gegenüber Belastungen, die in Richtung der Längsachse der Rippen 40 wirken. Eine Verformung der Rippen 40 beim Eindrücken in den zweiten Trägerkörper 11 kann auf diese Weise wirksam vorgebeugt werden. Zum einfacheren Eindrücken in den zweiten Trägerkörper 11 sind die Spitzen 45 der Rippen 40 abgerundet und gehen jeweils kantenfrei in die äußere Kante 46 der Rippe und der Deckfläche 47 des Dorns über. Ferner weisen die Rippen 40 eine sich zur Spitze 45 und zur äußeren Kante 46 verjüngende Form auf, um das Ausrichten und Einführen des Dorns 42 in die Ausnehmung 50 zu erleichtern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- europäische Richtlinie 2004/108 [0002]
- EN ISO 6508-1 [0014]
