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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungstechnologie in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Leiteranordnung, ein Steuergerät, ein Getriebe sowie ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Durch die immer weiter fortschreitende Elektrifizierung von Fahrzeugen wird mittlerweile eine Vielzahl von Steuergeräten in einem Automobil vorgesehen, welche dezentrale, lokale Steuerungsaufgaben einzelner Fahrzeugkomponenten übernehmen, jedoch durch geeignete Verbindungen miteinander in Kontakt stehen, entweder um zentral mit Energie versorgt zu werden oder aber zumindest um eine gemeinsame Datenbusanbindung zu realisieren, um untereinander kommunizieren zu können. Im Automobilbereich werden Steuergeräte, zum Beispiel von Getrieben, entweder im Motorraum, im PKW-Innenraum oder vorzugsweise im Getriebeaggregat selbst angeordnet. Bekannte Elektronikmodule, zum Beispiel für Getriebe, weisen unter anderem ein Steuergerät, Leistungselektronik, diskrete Bauteile wie Sensoren und zumindest eine Steckverbindung zum Anschluss an einen Fahrzeugkabelbaum auf. Elektronikmodule werden dabei zum Teil im Getriebe vorgesehen und dort im Getriebeöl (Automatic Transmission Fluid – ATF) angeordnet. Dadurch sind sie den hohen Temperaturen im Getriebe sowie der aggressiven Getriebeflüssigkeit ausgesetzt. Beispielsweise werden Steuermodule dabei so verbaut, dass sie ganz oder teilweise im Getriebeöl liegen und dabei einem Temperaturbereich von –40° bis +150° ausgesetzt sein können.
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Durch den Betrieb von Elektronikmodulen bzw. Steuermodulen im Getriebeöl sind an den einzelnen Komponenten Maßnahmen zur Abdichtung notwendig. Zunächst ist die empfindliche Elektronik vor aggressivem ATF zu schützen, wozu diese meist in einem dichten Steuergerät untergebracht ist. Sensorelemente müssen ebenfalls geschützt und mediendicht verpackt werden. Des weiteren ist es notwendig, zumindest eine mediendichte Steckverbindung vom Getriebeinnenraum nach außen zum Fahrzeugkabelbaum bereitzustellen, einen sogenannten Getriebestecker.
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In all diesen Fällen ist es notwendig, eine mediendichte Leitungsdurchführung bereitzustellen, um elektrische Signale und/oder elektrische Leistung übertragen zu können. Herkömmlich wird eine derartige Leitungsdurchführung aufgebaut, indem ein metallischer Leiter bzw. ein Stanzgitter vorgesehen ist, welches mit einem thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel Polyamid, umspritzt und dadurch isoliert ist. Zwischen dem Leiter und dem Kunststoff bzw. Isolierelement ergibt sich aufgrund von Ausdehnungseffekten bei Temperaturschwankungen jedoch ein Spalt, da herkömmliche Kunststoffe meist auf metallischen Leitern nicht oder nicht ausreichend haften. Aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen metallischem Leiter und Isolierelement ergibt sich eine unterschiedliche Längenausdehnung der einzelnen Elemente bei Temperaturschwankungen, wodurch sich die Verschiebung des metallischen Leiters im Kunststoff, abhängig von einem Fixierungspunkt im Kunststoff, ergibt. Je größer die effektive Länge l ist, desto größer werden die Verschiebungen im Verguss und damit die Spannungen.
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1a–d zeigen eine exemplarische Ausgestaltung einer Leiteranordnung. Eine solche Leiteranordnung besteht aus einem Leiterelement 4, welches geeignet von einem Isolierelement 6 umgeben ist. Beispielsweise kann Isolierelement 6 aus PA66GF35-Material mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von 15 – 60·10–6 1/K gebildet sein, während das Leiterelement ein metallisches Leiterelement ist, exemplarisch ausgebildet aus dem Werkstoff CuSn0,15, mit einem Temperaturausdehnungskoeffizienten von 18·10–6 1/K. In den 1a–c angenommen ist, dass die linke Seite der Leiteranordnung 2 als ein Nullpunkt oder Ursprung der Ausdehnung anzusehen ist, wovon abgehend sich Leiterelement 4 und Isolierelement 6 in einer Länge l erstrecken. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 ergeben bei Temperaturschwankungen unterschiedlich resultierende absolute Längen. So dehnt sich beispielsweise Isolierelement 6 bei einer Temperaturerhöhung auf exemplarisch +140°C, um Δl1 mehr aus als Leiterelement 4. Im umgekehrten Fall, bei einer exemplarischen Temperatur von –40°C zieht sich wiederum Isolierelement 6 weiter zusammen bzw. verkürzt sich mehr als Leiterelement 4, wodurch ein Längenunterschied Δl2 auftritt. Durch diese temperaturabhängigen unterschiedlichen absoluten Längen der Elemente 4 und 6 gleiten diese aufgrund der nicht haftenden Oberfläche von Isolierelement 6 auf Leiterelement 4 ineinander hin und her und bilden dabei möglicherweise Zwischenräume zwischen Isolierelement 6 und Leiterelement 4 aus, welche nachfolgend im Verlust der Dichtigkeit von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 zueinander resultieren können. Aus diesem Grund wird regelmäßig, wie in 1d dargestellt, ein Dichtelement 8, beispielsweise ein geeignetes Vergussmaterial, vorgesehen, was einerseits sowohl an Dichtelement 6 als auch Leiterelement 4 geeignet anhaftet und somit eine Abdichtung der Leiteranordnung 2 bereitstellt, auch im Falle, dass im Inneren der Leiteranordnung 2 Leiterelement 4 und Isolierelement 6 nicht vollständig abdichten. Die Länge l1 der 1d stellt dabei die effektive Länge dar, die für eine unterschiedliche Ausdehnung von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 zueinander relevant ist. Aufgrund des Knicks in Leiterelement 4 stellt dies im Wesentlichen einen Nullpunkt der unterschiedlichen Ausdehnung von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 bereit.
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Übliche Abdichtmaßnahmen ist dabei der sogenannte Verguss, der in eine Tasche zwischen Leiterelement und Isolierelement drucklos eingefüllt wird. Der für den Verguss verwendete Werkstoff hat dabei die Eigenschaft, sowohl zum Leiterelement 4 als auch zum Isolierelement 6, beispielsweise zwischen metallischem Leiter- und Kunststoffgehäuse, eine geeignete Haftung und damit Abdichtung aufzubauen. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterelement und Isolierelement bzw. Leiter/Stanzgitter und Kunststoff entstehen über Temperaturgang Spannungen im Verguss an den Grenzflächen. Der Verguss muss nun in der Lage sein, diese Spannungen auszugleichen bzw. ausreichend Haftung zu Leiterelement und Isolierelement bereitzustellen.
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Geeignete Vergusswerkstoffe können dabei insbesondere Silikone, Polyurethan und Epoxide sein. In dieser Reihenfolge nimmt das E-Modul in diesen Werkstoffklassen zu, das heißt, die Eigenschaft, Dehnungen ausgleichen zu können, nimmt ab. Allerdings steigt demgegenüber in dieser Reihenfolge auch die Haftung des Dichtelementes auf Leiterelement und Isolierelement sowie die Medienbeständigkeit gegenüber ATF. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Polyurethanen oder Epoxiden für Getriebeanwendungen, um beständig gegen aggressives ATF zu sein. Meist ist es jedoch durch die sich ergebenden unterschiedlichen Längenausdehnungen bzw. -schrumpfungen insbesondere bei Getriebesteckern nicht möglich, diese Werkstoffe einzusetzen, da durch die hohe Spannungen der Verguss reißen bzw. sich ablösen mag.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag darin gesehen werden, eine neuartige Leiteranordnung bereitzustellen, die geeignete Maßnahmen aufweist, um insbesondere bei Getriebeapplikationen Dicht-Materialien verwenden zu können, welche vormals hierfür nicht verwendet werden konnten.
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Demgemäß wird eine Leiteranordnung, ein Steuergerät, ein Getriebe für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug, insbesondere Automobil gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen die Ausdehnungsunterschiede zwischen Leiterelementen und Isolierelementen reduziert werden. Insbesondere soll die temperaturabhängige Dehnung zwischen Leiterelementen und Isolierelementen und somit die dadurch auf das Dichtelement wirkenden Kräfte reduziert werden, wodurch es ermöglicht wird, einen größeren Temperaturbereich in der Anwendung abzudecken oder alternativ ein anderes, medienbeständigeres Vergussmaterial einzusetzen.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dabei die Reduzierung der Distanz zwischen Fixierung des Leiterelementes im Kunststoff und somit die Positionierung eines bezüglich des Ausdehnungsverhaltens von Leiterelement und Isolierelement relevanten Nullpunkts bereitzustellen. Dabei wird erfindungsgemäß ein Formschlussbereich bzw. eine Verkrallung zwischen Leiterelement und Isolierelement bereitgestellt, welche möglichst nahe am Vergussbereich bzw. am Dichtelement angeordnet sein soll. Damit wird bewirkt, dass die absolute Ausdehnung von Leiterelement und Isolierelement zueinander möglichst gering gehalten wird, im besten Fall bis auf null reduziert werden mag.
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Durch den damit reduzierten Unterschied in der absoluten Ausdehnung treten am Dichtelement geringere Kräfte auf, wodurch sich andere Materialien verwenden lassen, welche beispielsweise medienbeständiger sind. Eine solche Abdichtung ist dabei im Vergleich zu anderen medienresistenten Abdichttechnologien günstiger. Die Geometrien eines Formschlussbereiches bzw. der Verkrallung können dabei im Wesentlichen kostenneutral in bestehende Konstruktionen übernommen werden. Dadurch können sich auch komplizierte bzw. aufwendige Leiterelement- bzw. Stanzgitterstrukturen in einem Temperaturbereich betreiben lassen, welcher insbesondere bei Getriebeanwendungen gefordert ist. Die erfindungsgemäße Lösung ist dabei unabhängig von einem Leiterquerschnitt, während andere Dichtungstechnologien einen runden Querschnitt im Dichtbereich bedingen.
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Der Formschlussbereich soll dabei so ausgestaltet sein, dass Leiterelement und Isolierelement in diesem Bereich in einem formschlüssigen Eingriff stehen, wodurch sich hier ein Leiterelement und ein Isolierelement nicht oder unwesentlich gegeneinander verschieben können. Somit stellt der Formschlussbereich einen Nullpunkt bezüglich der unterschiedlichen Längenausdehnung von Leiterelement und Isolierelement über die Betriebstemperaturspanne dar. Der Formschlussbereich weist dabei eine geeignete Geometrie auf, so dass ein Element von Leiterelement und Isolierelement in das andere Element von Leiterelement und Isolierelement formschlüssig eingreift bzw. dieses geeignet hintergreift. Der Formschlussbereich wird dabei bevorzugt im Nahbereich des Dichtelementes bereitgestellt, so dass die effektive Länge zwischen dem Nullpunkt der Ausdehnung von Leiterelement und Isolierelement sich in der Nähe des Dichtelementes befindet. Da der Unterschied in absoluter Längenausdehnung von Leiterelement und Isolierelement abhängig ist von dem Abstand zwischen Nullpunkt und Dichtelement, ist die unterschiedliche Längenausdehnung um so geringer, je näher der Nullpunkt am Dichtelement angeordnet ist. Dabei muss der Formschlussbereich jedoch zumindest so weit vom Dichtelement entfernt sein, so dass dieser noch seinen Formschluss bereitstellen kann, ohne die strukturelle Integrität der Leiteranordnung zu gefährden. Hierdurch mag sich ein definierter Mindestabstand zwischen Nullpunkt und Dichtelement ergeben, welcher nicht unterschritten werden darf, um die strukturelle Integrität der Leiteranordnung nicht zu gefährden.
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Die genaue Form des Formschlussbereiches bzw. die geometrischen Formen von Leiterelement und Isolierelement zueinander sind dabei so lange im Wesentlichen beliebig ausgestaltbar, solange ein Formschluss zwischen Leiterelement und Isolierelement und damit ein gemeinsamer Nullpunkt der Längenausdehnung sichergestellt ist. Somit kann der Formschlussbereich in einem bzw. den zwei Elementen von Leiterelement und Isolierelement ausgebildet sein als eine Prägung, eine Aufweitung, eine Querschnittsvergrößerung, eine Einkerbung, eine Einschnürung, eine Bohrung durch ein Element oder auch durch geeignete Oberflächenstrukturierung bzw. Oberflächenaufrauhung. Das Dichtelement kann dabei am Ende einer Leiteranordnung angeordnet sein, kann jedoch auch mittig zwischen zwei Teilhälften des Isolierelementes 6 angeordnet sein, durch die das Leiterelement hindurchführt. Bevorzugt weist das Dichtelement dabei eine geeignete Isolierwirkung auf. Denkbar ist auch, dass die Leiteranordnung eine Mehrzahl von Leiterelementen aufweist, die herkömmlich zueinander gesehen unterschiedliche Nullpunkte und damit unterschiedliche absolute Längen aufweisen würden, über die die Ausdehnung bzw. Schrumpfung wirken kann. Hierbei kann nun bevorzugt an einer Stelle, welche für alle oder zumindest einige Leiterelemente geeignet bzw. im Wesentlichen gleich ist, ein Formschlussbereich bzw. Nullpunktbereich bereitgestellt werden. Dadurch lässt sich die unterschiedliche Ausdehnung für alle Leiterelemente einheitlich ausgestalten, so dass ein Dichtelement auch mehrere Leiterelemente gegenüber Isolierelement abdichten kann, dabei jedoch keine unterschiedliche Belastung bzw. Spannung auf das Dichtelement von den einzelnen Leiterelementen her aufgebracht wird.
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Die Erfindung kann dabei auf Sensorverpackungen, Steurgerätegehäuse und Steckverbindungen angewendet werden, d.h. überall wo eine dichte Durchführung eines elektrischen Leiters notwendig ist.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1a–d eine exemplarische Ausgestaltung einer Leiteranordnung;
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2a, b exemplarische Ausgestaltungen einer Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3a–c verschiedene Ausgestaltungen des Formschlussbereiches gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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4 eine weitere exemplarische Ausgestaltung einer Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Weiter Bezug nehmend auf 2a, b werden exemplarische Ausgestaltungen einer Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung angezeigt.
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2a, b zeigen zwei typische Anwendungsfälle einer Leiteranordnung mit entsprechender Anordnung des Dichtelementes 8. 2a zeigt dabei die Vergusstasche bzw. das Dichtelement 8 am Ende einer Leiteranordnung, somit am Ende eines Leiterelementes 4, wobei das Leiterelement 4 noch aus dem Dichtelement 8 zur Konnektierung eines weiteren Elementes herausragt. 2a zeigt dabei z.B. den Anwendungsfall bei einem Stecker. Durch das Vorsehen des Formschlussbereiches 10 wird der Nullpunkt 14 der Längenausdehnung auf den Formschlussbereich 10 gelegt, wodurch eine vergleichsweise geringe absolute Länge l2 resultiert, bis das Dichtelement 8 angeordnet ist. Im Vergleich zu 1b ist somit nur der Bereich bzw. die Länge l2 für die Ausdehnung von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 relevant, wodurch auf das Dichtelement 8 effektiv eine wesentlich reduzierte Krafteinwirkung resultiert. Leiterelement 4 weist auf der linken Seite exemplarisch einen Knick im Isolierelement 6 auf, kann jedoch im Wesentlichen auch gerade ausgeführt sein.
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Die Vergusstasche bzw. das Dichtelement 8 kann jedoch auch mittig im Verlauf einer Leiteranordnung 2 angeordnet sein (2b). Zwar ergeben sich über die gesamte Länge von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 in 2b eine Krafteinwirkung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten, aufgrund des Abstandes l2 zwischen Formschlussbereich 10 und Dichtelement 8 ist jedoch die Krafteinwirkung auf das Dichtelement 8 aufgrund des durch den Formschlussbereich 10 bereitgestellten Nullpunktes 14 derart reduziert, dass eine übermäßige Belastung von Dichtelement 8 vermeidbar ist. Auch dies ermöglicht den Einsatz von geeigneten Dichtmaterialien, welche im herkömmlichen Fall möglicherweise nicht hätten verwendet werden können. Wenn die Abdichtung in der Mitte einer Leiteranordnung erfolgt, sollte die Vergusstasche für das Dichtelement 8 des Isolierelementes geöffnet sein, um keine Hinterschnitte zu erzeugen. Eine derartige Geometrie kann für verschiedene Dichtaufgaben herangezogen werden wie zum Beispiel die Abdichtung einer Getriebesteuerungselektronik, ein Dichtrahmen für Eingangsfilterbaugruppen oder auch für Sensorverpackungen.
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Sowohl in 2a als auch 2b liegt die Verkrallungsgeometrie bzw. der Formschlussbereich 10 von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 möglichst nahe am Vergussbereich bzw. am Dichtelement 8. Die vorherigen Ausführungen bezüglich des geringstmöglichen Abstandes sind hierbei gültig. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die Länge l2 deutlich kleiner als die Länge l1. Damit sind Spannungen im Verguss und an den Grenzflächen deutlich reduziert.
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Weiter Bezug nehmend auf 3a–c werden verschiedene Ausgestaltungen des Formschlussbereiches gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Eine notwendige Geometrie zur Herstellung eines Formschlusses zur Verkrallung eines Leiterelementes 4 in einem Isolierelement 6 kann auf verschiedene Weise bereitgestellt werden. Beispielsweise können in einem Stanzprozess Nasen bzw. durchgehende oder nicht durchgehende Kerbungen bzw. Prägungen seitlich an einem Stanzgitter bzw. an einem Leiterelement ausgebildet werden (3a). Bei runden Leiterelementen können Kerben, Vertiefungen oder Rändel eingebracht, bei runden Kontakten beispielsweise eingedreht werden (vgl. 3b). Im Wesentlichen unabhängig von einer genauen Geometrie eines Leiterelementes kann beispielsweise ein durchgehendes Loch, beispielsweise eine Bohrung 12, im Leiterelement vorgesehen sein, die bei Montage von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 beispielsweise ein Durchfließen des Leiterelementes 4 mit dem Material des Isolierelementes 6 ermöglicht. Hierbei muss selbstverständlich sichergestellt werden, dass das Leiterelement 4 trotz der Bohrung 12 seine Aufgabe als Leiter weiterhin anforderungsgemäß erfüllen kann (3c). Auch denkbar ist eine Aufrauhung bzw. Strukturierung der Oberfläche von Leiterelement 4 und Isolierelement 6, welche lokal bei Ausbildung eines Formschlussbereiches 10 erfolgen kann, alternativ jedoch auch über eine größere bzw. vollständige Kontaktfläche zwischen Leiterelement 4 und Isolierelement 6 vorhanden sein kann, wodurch sich der Nullpunkt 14 zwischen Leiterelement 4 und Isolierelement 6 über die gesamte Kontaktlänge von Leiterelement 4 und Isolierelement 6 ergeben kann.
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Weiter Bezug nehmend auf 4 wird eine weitere exemplarische Ausgestaltung einer Leiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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4 stellt eine Anordnung mit exemplarisch drei Leiterelementen 4a, b, c sowie einem gemeinsamen Isolierelement 6 und Dichtelement 8 dar. Aufgrund des unterschiedlichen Verlaufs von Leiterelementen 4a, b, c weist jedes, ohne vorsehen des Formschlussbereiches 10, einen individuellen Nullpunkt 14a, b, c auf, welcher jeweils im Wesentlichen in dem Knickbereich des Leiterelementes 4a, b, c liegt. Von jeweiligen Nullpunktbereich ausgehend weist Leiterelement 4a somit die effektive Länge la, Leiterelement 4b die effektive Länge lb sowie Leiterelement 4c die effektive Länge lc auf. Somit ist der absolute Unterschied in Längenausdehnung von Leiterelement 4a und Isolierelement 6 (Δa) größer als derjenige von Leiterelement 4b und Dichtelement 6 (Δb), wobei der Unterschied zwischen Leiterelement 4c und Dichtelement 6 (Δc) noch geringer ist. Aufgrund dieser unterschiedlichen absoluten Ausdehnungsunterschiede Δa, Δb, Δc würde ein einzelnes Dichtelement 8 von jedem leiterelement 4a, b, c unterschiedlich belastet werden, insbesondere würde es die höchste Belastung bei Leiterelement 4a und die geringste Belastung bei Leiterelement 4c erfahren. Durch das Vorsehen von parallel angeordneten Formschlussbereichen 10 im Abstand von ld von Dichtelement 8 erhalten die Leiterelemente 4a, b, c einen gemeinsamen Nullpunkt 14 bezüglich ihrer Längenausdehnung zu Dichtelement 8, so dass hierdurch, nach Vorsehen des Formschlussbereiches 10 in den Leiterelementen 4a, b, c, das Dichtelement 8 die identische Dehnungsdifferenz Δd, welche sogar noch kleiner als Δc ist, erfährt, insbesondere von allen Leiterelementen 4a, b, c die gleiche Belastung. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass durch die unterschiedliche absolute Längenausdehnung der Leiterelemente 4a, b, c ungleiche Spannungen im Dichtelement 8 auftreten.
