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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Kontaktbuchse für eine elektrische Verbindungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Verbindungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 11.
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Stand der Technik
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Elektrische Steckverbindungen sind charakterisiert durch die Kontaktierung von z. B. einem Steckkontakt mit einem Kontakt, der häufig als Kontaktbuchse ausgebildet ist, wobei die Kontaktierung meistens mittelbar über Lamellen bzw. Kontaktlamellen realisiert wird. Üblicherweise sind die Lamellen in einer Kontaktbuchse angeordnet, in welche der Steckkontakt in einer Einsteckrichtung eingeführt wird. In der Regel sind die Lamellen krumm bzw. gebogen und aus dünnem, elastischem Blech hergestellt. Daher besitzen Lamellen gutes Federungsverhalten.
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In der Steckverbindung erfüllen die Lamellen normalerweise zwei Funktionen. Zum einen gewährleisten Sie die elektrische Verbindung zwischen dem Steckkontakt und der Kontaktbuchse. Dazu üben die Lamellen mittels ihrer Federwirkung eine Kontaktkraft, die häufig quer zur Einsteckrichtung wirkt, auf den Steckkontakt aus. Zum anderen helfen die Lamellen dabei, den Steckkontakt in der Kontaktbuchse entlang der Einsteckrichtung festzuhalten, indem sie den Steckkontakt in der Kontaktbuchse festklemmen. Die Lamellen üben dabei eine Klemmkraft auf den Steckkontakt aus, welche proportional zur Kontaktkraft ist. Die Klemmkraft ergibt sich dabei aus der Kontaktkraft multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten (μ).
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Aus der
DE 43 11 352 A1 ist eine solche elektrische Verbindungseinrichtung bekannt, bei der ein Steckkontakt in eine mit federnden Lamellen versehene Kontaktbuchse einsteckbar ist.
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Aus der
DE 10 2006 009 074 A1 ist ein elektrischer Steckverbinder bekannt. Dieser umfasst eine zum Einführen eines Kontaktpins vorgesehene Steckaufnahme, eine am Steckverbindergehäuse schwenkbar gelagerte Kontaktlamelle, deren freies Ende in Einführrichtung des Kontaktpins gerichtet ist, und einen am Steckverbindergehäuse schwenkbar gelagerten Haltearm, der im einführbereiten Ausgangszustand des Steckverbinders sowohl mit seinem freien Ende in die Steckaufnahme hineinragt als auch die in die Steckaufnahme hinein vorgespannte Kontaktlamelle zurückhält, wobei die Kontaktlamelle und/oder die gegenüberliegende Gehäusewand aus elektrisch leitendem Material zur Kontaktierung des eingeführten Kontaktpins sind.
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Aus der
DE 199 59 392 A1 ist eine Steckbuchse zur Aufnahme eines Halbleiterbauteils mit einem elektrischen Anschluss bekannt. Diese umfasst einen Kontakt, mit welchem der elektrische Anschluss verbunden wird, und einen Antriebsmechanismus zum Bewegen des Kontaktes zu dem elektrischen Anschluss hin, wenn das Halbleiterbauteil in einer Einführungsposition in die Steckbuchse eingeführt ist. Der Antriebsmechanismus hat ein bewegbares Trennglied, um den Kontakt von der Einführungsposition des Halbleiterbauteils wegzuhalten, wenn das Halbleiterbauteil nicht in die Steckbuchse eingeführt ist. Die Steckbuchse hat auch eine Feder, welche zusammengedrückt wird, wenn das Halbleiterbauteil eingeführt wird, und welche das bewegbare Trennglied zu dem Halbleiterbauteil hin drückt.
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Aus der
US 6 902 413 B1 ist eine elektrische Verbindungsanordnung für eine Zündkerze bekannt.
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Aus der
JP 2011-10 84 48 A ist eine weitere elektrische Verbindungsanordnung bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass zur Erzielung einer zuverlässigen elektrischen Verbindung die Lamelle eine geeignete Kontaktkraft zum Steckkontakt benötigt, die in einem bestimmten Kraftbereich liegt. Wenn die Kontaktkraft zu klein ist, kann keine gute elektrische Verbindung gewährleistet werden. Wenn die Kontaktkraft zu groß ist, kann die Kontaktoberfläche bei mehrfachen Steckzyklen beschädigt werden, was die elektrische Verbindung ebenfalls beeinträchtigt.
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Aufgrund von Vibrationsanforderungen ist eine zuverlässige Klemmwirkung der Lamellen bezüglich des Steckkontakts erforderlich. Je höher die Vibrationsbeanspruchung der elektrischen Verbindung ist, desto größer ist die erforderliche Klemmkraft und damit die erforderliche Kontaktkraft. Die Vibrationsanforderungen können dazu führen, dass die für das Klemmen erforderliche Kontaktkraft wesentlich größer ist als die für eine zuverlässige elektrische Verbindung benötigte Kontaktkraft. Dies führt bei herkömmlichen Kontaktbuchsen und herkömmlichen elektrischen Verbindungseinrichtung dazu, dass beim Einstecken des Steckkontakts in die Kontaktbuchse eine erhöhte Steckkraft benötigt wird was sich insbesondere bei vielpoligen Steckverbindungen (200 Pole und mehr sind heutzutage üblich) oder bei breiten Steckkontakten und Kontaktbuchsen mit vielen Lamellen zu enormen Steckkräften und einem aufwändigen Steck-Montageprozess führt. Gleichzeitig kann durch die hohe Kontaktkraft der Lamellen beim Steckvorgang die Oberfläche des Steckkontakts beschädigt werden, was zum einen die Anzahl der möglichen Steckzyklen (beispielsweise zu Wartungszwecken) reduziert und andererseits bei erfolgter Beschädigung einen unangemessen hohen Übergangswiderstand bewirkt. In herkömmlichen elektrischen Verbindungseinrichtungen wird diesem Phänomen durch eine dickere Beschichtung der Oberfläche des Steckkontakts entgegengewirkt, was erhebliche Zusatzkosten verursacht.
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Erfindungsgemäß wird eine Kontaktbuchse für eine elektrische Verbindungseinrichtung vorgeschlagen. Die Kontaktbuchse umfasst eine Einstecköffnung, durch die ein Steckkontakt entlang einer Einsteckrichtung in die Kontaktbuchse einsteckbar ist. Die Kontaktbuchse umfasst weiterhin wenigstens eine ins Innere ragende federnd ausgebildete Lamelle mit einem freien Ende, wobei die Federkraft quer zur Einsteckrichtung ins Innere der Kontaktbuchse wirkt. Erfindungsgemäß ist in der Kontaktbuchse wenigstens ein entlang der Einsteckrichtung von einer ersten Position in eine zweite Position verlagerbares Federelement vorgesehen, wobei das Federelement in der ersten Position die wenigstens eine Lamelle an ihrem freien Ende quer zur Einsteckrichtung betrachtet entgegen der Federwirkung der Lamelle abstützt, und in der zweiten Position die Lamelle freigibt, so dass die Lamelle durch die Federwirkung der Lamelle nach innen ins Innere der Kontaktbuchse verlagert wird.
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Erfindungsgemäß wird außerdem eine elektrische Verbindungseinrichtung mit einer Kontaktbuchse und einem Steckkontakt, der in die Kontaktbuchse einsteckbar ist, vorgeschlagen. Die Kontaktbuchse der elektrischen Verbindungseinrichtung umfasst eine Einstecköffnung, durch die der Steckkontakt entlang einer Einsteckrichtung in die Kontaktbuchse einsteckbar ist und wenigstens eine ins Innere ragende federnd ausgebildete Lamelle mit einem freien Ende, wobei die Federkraft quer zur Einsteckrichtung ins Innere der Kontaktbuchse wirkt. Die wenigstens eine Lamelle übt mittels der Federwirkung auf den in die Kontaktbuchse eingesteckten Steckkontakt eine quer zur Einsteckrichtung wirkende Soll-Kontaktkraft aus. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass beim Einführen des Steckkontakts entlang der Einsteckrichtung das wenigstens eine Federelement von einer ersten Position in eine zweite Position verlagerbar ist, wobei das Federelement in der ersten Position die wenigstens eine Lamelle an ihrem freien Ende quer zur Einsteckrichtung betrachtet entgegen der Federwirkung der Lamelle abstützt, und in der zweiten Position die Lamelle freigibt, so dass am Steckkontakt die Soll-Kontaktkraft anliegt.
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Vorteile der Erfindung
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Im Kontext dieser Anmeldung wird unter dem Ausdruck „abstützen” eine Situation verstanden, bei der ein erstes Teil mit einem zweiten Teil wenigstens mittelbar in mechanischem Kontakt steht und eine Bewegung des zweiten Teils in die Richtung der Abstützung, also in Richtung des mechanischen Kontakts, unterbunden ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Kontaktbuchse für eine elektrische Verbindungseinrichtung den Vorteil auf, dass die Kontaktkraft auf die Oberfläche des Steckkontakts während des Einsteckvorgangs bzw. des Ausziehvorgangs des Steckkontakts aus der Kontaktbuchse stark reduziert ist, bzw. dass während dieser Vorgänge überhaupt keine Kontaktkraft auf die Oberfläche des Steckkontakts wirkt und die durch die wenigstens eine Lamelle aufzubringende Kontaktkraft erst bei im Wesentlichen vollkommen eingestecktem Steckkontakt auf die Oberfläche des Steckkontakts wirkt. Dadurch wird eine Abnutzung bzw. Beschädigung der Oberfläche des Steckkontakts erheblich verringert, wodurch eine deutlich erhöhte Anzahl von Einsteck- und Ausziehvorgängen bei gleich bleibender Qualität der elektrischen Verbindung ermöglicht wird. Gleichzeitig wird es möglich, über die wenigstens eine Lamelle eine gegenüber herkömmlichen Kontaktbuchsen größere Kontaktkraft auf den Steckkontakt auszuüben, die in der zweiten Position des Federelements wirksam wird. Dadurch kann die Kontaktbuchse auch in einem Betriebsumfeld mit erhöhten Vibrationsanforderungen eingesetzt werden, da sie auch in einem solchen Umfeld vorteilhaft eine zuverlässige elektrische Kontaktierung und eine vibrationsbeständige Klemmung ermöglicht. Schließlich wird durch die Erfindung vorteilhaft bewirkt, dass die Steckkraft beim Einstecken eines Steckkontakts bzw. eines Kontaktpins erheblich reduziert ist, bis die zweite Position des Federelements erreicht ist. Dadurch wird der Montageaufwand reduziert und es werden vorteilhaft auch Beschädigungen der Kontaktbuchse oder des Steckkontakts beim Einsteckvorgang bzw. beim Ausziehvorgang in Folge erhöhter Steckkräfte vermieden. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Kontaktbuchse vorteilhaft für den Einsatz in Bauteilen, bei denen eine geringe Steckkraft notwendig ist oder bei denen eine Vielzahl von Kontaktbuchsen beispielsweise in einem Modul gleichzeitig mit Steckkontakten kontaktiert werden sollen. Besonders vorteilhaft können durch die erfindungsgemäße Kontaktbuchse Kosten bei der Steckverbindung eingespart werden, indem die Dicke der Oberflächenbeschichtung der wenigstens einen Lamelle und/oder des Steckkontakts reduziert werden kann, da gegenüber dem Stand der Technik ein erheblich geringerer Abrieb beim Einsteckvorgang und beim Ausziehvorgang auftritt. Eine besonders hohe Kostenersparnis ergibt sich, falls als Oberflächenbeschichtung Edelmetalle wie zum Beispiel Gold, Silber oder Platin verwendet werden.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße elektrische Verbindungseinrichtung dieselben Vorteile wie die erfindungsgemäße Kontaktbuchse auf. Besonders vorteilhaft wird die Abnutzung bzw. Beschädigung der Oberfläche des Steckkontakts beim Einsteckvorgang und beim Ausziehvorgang reduziert, wird die Anzahl der möglichen Steckzyklen des Steckkontakts in die Kontaktbuchse hinein und aus der Kontaktbuchse heraus erhöht, lässt sich bei reduzierter Steckkraft gleichzeitig die im eingesteckten Zustand des Steckkontakts anwendbare Kontaktkraft erhöhen und ist die Vibrationsbeständigkeit der elektrischen Verbindungseinrichtung durch die erhöhten Klemmkräfte im eingesteckten Zustand des Steckkontakts vorteilhaft verbessert.
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Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale und Maßnahmen bewirkt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Kontaktbuchse mehrere Lamellen vorgesehen sind, wobei ein oder mehrere mittels des Steckkontakts entlang der Einsteckrichtung verlagerbare Federelemente vorgesehen sind und wobei dem oder den Federelementen jeweils eine oder mehrere Lamellen zugeordnet sind. Durch diese Weiterbildung ist es vorteilhaft möglich, eine Kontaktbuchse bereitzustellen, die eine besonders gute elektrische Kontaktierung ermöglicht, was durch die Verwendung mehrerer Lamellen bewirkt wird. Dies erhöht beispielsweise die Stromtragfähigkeit, beispielsweise in Hochstromanwendungen, zum Beispiel für Elektrofahrzeuge. Weiterhin vorteilhaft kann eine derartige Kontaktbuchse mit mehreren Lamellen auch in Direktsteckverbindungen für die Kontaktierung von Leiterplatten eingesetzt werden, wobei zum Beispiel jede Lamelle eine Kontaktierfläche der Leiterplatte kontaktiert. Dadurch, dass einem Federelement mehrere Lamellen zugeordnet sind, die in der ersten Position des Federelements vom Federelement abgestützt werden oder sogar nur ein einziges Federelement vorgesehen ist, welches in seiner ersten Position alle Lamellen abstützt, wird vorteilhaft eine besonders einfache Herstellung der Kontaktbuchse bewirkt. Weiterhin ist bei einer Zuordnung von mehreren Lamellen zu einem Federelement die Zuverlässigkeit der Anordnung erhöht, da die Federelemente bzw. das Federelement mechanisch robuster ausgelegt werden können.
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Dadurch, dass eine Anzahl von Federelementen vorgesehen ist, die der Anzahl der Lamellen entspricht und wobei jeder Lamelle ein mittels des Steckkontakts entlang der Einsteckrichtung verlagerbares Federelement zugeordnet ist, wird vorteilhaft bewirkt, dass die Kontaktbuchse und die ihr zugeordneten Lamellen auch komplizierte geometrische Formen annehmen können, wodurch eine Optimierung der Kontaktkraft erreicht werden kann bzw. wodurch annähernd beliebige Steckergeometrien bzw. Kontaktbuchsengeometrien Verwendung finden können. Denn durch die Zuordnung jeweils eines Federelements zu jeweils einer Lamelle ist eine kostengünstige Herstellung der Kontaktbuchse und der jeweiligen Einzelfeder auch bei komplizierten Geometrien möglich. Weiterhin wird dadurch vorteilhaft bewirkt, dass die Federkraft jedes Federelements an die jeweils ihr zugeordnete Lamelle angepasst werden kann, wodurch es möglich ist, in der Kontaktbuchse Lamellen mit unterschiedlich starker Kontaktkraft anzuordnen. Dies kann beispielsweise bei breiten Steckkontakten oder Direktsteckverbindungen zu Leiterplatten notwendig sein, in denen zum Beispiel ein Masseanschluss zur zuverlässigen Erdung mit besonders starker Kontaktkraft beaufschlagt werden soll.
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Dadurch, dass das wenigstens eine Federelement einen sich entgegen der Einsteckrichtung erstreckenden Kontaktbereich aufweist, der zumindest in der ersten Position des wenigstens einen Federelements in mechanischem Kontakt mit dem sich entlang der Einsteckrichtung erstreckenden freien Ende der wenigstens einen Lamelle steht, wird vorteilhaft bewirkt, dass das Federelement die Lamelle zuverlässig durch unmittelbaren mechanischen Kontakt abstützt. Dadurch wird die Abstützung der wenigstens einen Lamelle besonders zuverlässig bewirkt. Weiterhin wird beispielsweise ein Potenzialausgleich, z. B. eine Erdung der Lamelle über das beispielsweise auf Massepotenzial liegende Federelement ermöglicht. Schließlich kann das Federelement besonders kompakt bauend ausgebildet werden, da es nicht die gesamte Lamelle in der ersten Position abstützt, sondern nur das freie Ende der Lamelle. Vorteilhaft wird dadurch auch bewirkt, dass beim Verlagern des Federelements von der ersten Position in die zweite Position eine Kontaktstelle der Lamelle, also der Bereich der Lamelle, welcher den elektrischen Kontakt mit dem Steckkontakt im montierten Zustand bewirkt, nicht durch Abrieb beim Verlagern des Federelements von der ersten Position in die zweite Position beschädigt wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Federelement einen Auslösebereich aufweist, wobei das wenigstens eine Federelement durch das Aufbringen einer mechanischen Mindestkraft entlang der Einsteckrichtung auf den Auslösebereich in die zweite Position verstellbar ist und durch Rücknahme der auf den Auslösebereich wirkenden mechanischen Mindestkraft entlang der Einsteckrichtung in die erste Position rückstellbar ist. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft erreicht, dass die Anzahl der Steckzyklen in der Kontaktbuchse erheblich erhöht wird, wobei gleichzeitig sowohl beim Einstecken als auch beim Ausziehen eines Steckkontakts in die Kontaktbuchse hinein bzw. aus der Kontaktbuchse heraus die Steck- bzw. Ausziehkräfte erheblich reduziert sind mit entsprechender Verringerung von Abrieb an den Oberflächen der wenigstens einen Lamelle und des Steckkontakts. Denn dadurch, dass bei Rücknahme der auf den Auslösebereich wirkenden mechanischen Mindestkraft das Federelement in seine erste Position rückstellbar ist stützt es die wenigstens eine Lamelle entgegen ihrer Federwirkung nach außen ab und reduziert so die Kontaktkraft, die durch die wenigstens eine Lamelle auf die Oberfläche des Steckkontakts wirkt. Die reduzierte Kontaktkraft bewirkt gleichzeitig eine Verringerung der auf den Steckkontakt wirkenden Klemmkraft. Somit handelt es sich bei dieser Weiterbildung der Erfindung um einen Mechanismus der ein mehrmaliges Einstecken und Ausziehen des Steckkontakts ermöglicht, wobei im eingesteckten Zustand jeweils die gewünschte Kontakt- und Klemmkraft von der wenigstens einen Lamelle auf den Steckkontakt aufgebracht wird und wobei die Steckkräfte bei jedem Einsteckvorgang und Ausziehvorgang reduziert sind.
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Dadurch, dass das wenigstens eine Federelement einen im Endbereich der Kontaktbuchse umgebogenen Biegeabschnitt aufweist, an den sich ein entgegen der Einsteckrichtung in das Innere der Kontaktbuchse eindringender Eindringabschnitt anschließt, wird vorteilhaft bewirkt, dass das wenigstens eine Federelement in besonders einfacher Weise in einem Biegeprozess aus einem Stanzbiegeteil hergestellt werden kann. Dadurch wird eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht. Als Endbereich der Kontaktbuchse ist dabei ein Bereich zu verstehen, der an der bezüglich der Einstecköffnung für den Steckkontakt gegenüberliegenden Seite der Kontaktbuchse angeordnet ist. Besonders vorteilhaft lässt sich durch diese Weiterbildung das Federelement auch als ein von der Kontaktbuchse separat hergestelltes Teil ausbilden, welches in einem späteren Schritt am Endbereich der Kontaktbuchse montiert und wenigstens bereichsweise im Inneren der Kontaktbuchse angeordnet wird. Dadurch ist eine besonders flexible Ausgestaltung des wenigstens einen Federelements möglich, so dass bei gleich bleibender äußere Form der Kontaktbuchse unterschiedliche, jeweils auf einen bestimmten Anwendungszweck ausgelegte Federelemente an der Kontaktbuchse angeordnet werden können und auf diese Weise ein modularer Aufbau ermöglicht wird. Beispielsweise können Federelemente mit unterschiedlich weit in das Innere der Kontaktbuchse hineinragenden Eindringabschnitten vorgesehen sein oder Federelemente, die das freie Ende der wenigstens einen Lamelle unterschiedlich stark abstützen, also insbesondere unterschiedlich weit nach außen drücken. Dadurch wird beispielsweise die Verwendung unterschiedlich dicker Steckkontakte für ein und dieselbe Kontaktbuchse möglich.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement als Teil einer Überfeder ausgebildet ist, wobei die Überfeder wenigstens einen Schenkel aufweist, der sich entlang der Kontaktbuchsenaußenseite erstreckt. Durch diese Weiterbildung wird eine besonders einfache und wirkungsvolle Konstruktion ermöglicht. Denn die Überfeder lässt sich beispielsweise mit ihrem wenigstens einen Schenkel, welcher sich an der Kontaktbuchsenaußenseite befindet, im Bereich der Einstecköffnung für den Steckkontakt an der Kontaktbuchse festlegen, während das Federelement als Teil der Überfeder an einem entgegengesetzt zur Einstecköffnung befindlichen Ende der Kontaktbuchse ins Innere der Kontaktbuchse hineinragt. Wird nun das Federelement von der ersten Position in die zweite Position verlagert, so werden die auf das Federelement wirkenden Kräfte auf die wenigstens mit einem Schenkel entlang der Kontaktbuchsenaußenseite verlaufende Überfeder abgeleitet und belasten somit nicht das Innere der Kontaktbuchse, wodurch Verformungen des Innern der Kontaktbuchse vorteilhaft vermieden werden. Weiterhin ermöglicht die Ausbildung des Federelements als Teil einer Überfeder eine besonders günstige Herstellung des Federelements und eine besonders einfache Anbringung des Federelements an der Kontaktbuchse, beispielsweise durch einfaches Einclipsen des Federelements und der Überfeder in der bzw. an der Kontaktbuchse.
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Dadurch, dass die Kontaktbuchse mit der wenigstens einen Lamelle und mit dem wenigstens einen Federelement einteilig ausgebildet ist wird vorteilhaft bewirkt, dass die Kontaktbuchse in einem Stanzbiegevorgang aus einem einzigen Stück Blech herstellbar ist, wodurch der Herstellungsvorgang besonders kostengünstig durchführbar ist.
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Dadurch, dass die wenigstens eine Lamelle und das wenigstens eine Federelement voneinander separat ausgebildet sind, wird vorteilhaft bewirkt, dass das Federelement mit seinen Eigenschaften, beispielsweise seiner Federkraft, seiner Eindringtiefe in die Kontaktbuchse oder anderen, materialabhängigen Eigenschaften, bei unterschiedlichen Verwendungszwecken der Kontaktbuchse an den jeweiligen Verwendungszweck individuell angepasst werden kann. Dadurch lässt sich vorteilhaft die Kontaktbuchse als ein modulares System besonders kostengünstig für verschiedene Anwendungszwecke herstellen, wobei die äußere Form der Kontaktbuchse im Wesentlichen unverändert bleibt und nur das Federelement an den Verwendungszweck angepasst wird.
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Dadurch, dass das wenigstens eine Federelement aus einem Material gestaltet ist, welches eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Lamelle, insbesondere, dass das wenigstens eine Federelement aus Federstahl oder Kunststoff gestaltet ist, wird vorteilhaft bewirkt, dass das Federelement besonders kostengünstig herstellbar ist und dass das Federelement individuell auf den jeweiligen Verwendungszweck der Kontaktbuchse in ihrer Zusammenwirkung mit einem Steckkontakt für eine elektrische Verbindungseinrichtung abgestimmt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, das Federelement aus nicht leitendem Material, beispielsweise Kunststoff auszubilden, wodurch vorteilhaft bei einer Berührung des Steckkontakts mit dem Federelement während des Einsteckvorgangs ein Kurzschluss zwischen dem Steckkontakt und der wenigstens einen Lamelle über das Federelement vermieden werden kann. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn zunächst an einer anderen Stelle eine gezielte Masse-Verbindung zwischen dem Steckkontakt und der Kontaktbuchse hergestellt werden soll, um beispielsweise einen elektrischen Überschlag in für die Steckverbindung relevanten Bereichen, zum Beispiel an den Kontaktlamellen, zu verhindern.
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Eine Weiterbildung der elektrischen Verbindungseinrichtung sieht vor, dass in der ersten Position des Federelements die auf den Steckkontakt durch die wenigstens eine Lamelle ausgeübte Kontaktkraft gegenüber der Soll-Kontaktkraft reduziert ist, insbesondere um wenigstens 75%, bevorzugt um wenigstens 90% reduziert ist. Ganz besonders bevorzugt liegt in der ersten Position des Federelements am Steckkontakt überhaupt keine quer zur Einsteckrichtung wirkende, von der wenigstens einen Lamelle ausgeübte Kontaktkraft an. Durch diese Weiterbildung werden besonders vorteilhaft die Steckkräfte reduziert, die durch einen möglichen mechanischen Kontakt zwischen der wenigstens einen Lamelle und der Oberfläche des Steckkontakts beim Einsteckvorgang und beim Ausziehvorgang wirken.
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In keiner der Zeichnungen ist der Gegenstand der unabhängigen Ansprüche dargestellt. Die Zeichnungen werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a einen Querschnitt einer Kontaktbuchse gemäß dem Stand der Technik beim Einsteckvorgang eines Steckkontakts im unkontaktierten Zustand,
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1b die Kontaktbuchse aus 1a im kontaktierten Zustand,
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2a bis 2d Querschnitte einer Kontaktbuchse in verschiedenen Stadien eines Einsteckvorgangs eines Steckkontakts vom nicht-eingesteckten, unkontaktierten Zustand bis zum vollständig eingesteckten, kontaktierten Zustand,
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3 eine perspektivische Ansicht Kontaktbuchse mit einer Vielzahl von Lamellen und einen zugehörigen Steckkontakt,
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4a eine Aufsicht auf ein Schnittmuster eines Stanzbiegeteils einer Kontaktbuchse,
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4b einen Querschnitt durch eine Kontaktbuchse, die aus dem Stanzbiegeteil aus 4a geformt ist und einen dazugehörigen Steckkontakt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei den in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen weisen Elemente mit gleicher Funktion das gleiche Bezugszeichen auf.
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In den 1a und 1b ist eine Kontaktbuchse 200 gemäß Stand der Technik dargestellt, die zusammen mit einem zur Kontaktbuchse 200 korrespondierenden Steckkontakt 500 eine elektrische Verbindungseinrichtung 100 bildet.
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Der Steckkontakt 500 weist einen Steckkontakt-Außendurchmesser D2 und eine Steckkontakt-Außenseite 502 auf. Der Steckkontakt 500 ist ferner mit einer Steckkontakt-Leitung 510 elektrisch verbunden, wobei die Steckkontakt-Leitung 510 beispielsweise am Steckkontakt 500 angecrimpt oder auf eine sonstige Art und Weise elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Kontaktbuchse 200 ist als ein Hohlkörper ausgebildet und weist eine Kontaktbuchsenaußenseite 204 und eine Innenwand 206 auf. Die Kontaktbuchse 200 ist mit einer Anschlussleitung 202 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktbuchse 200 weist an ihrem einen Ende, welches in der Abbildung nach rechts weist, eine Einstecköffnung 210 auf, durch welche der Steckkontakt 500 entlang einer Einsteckrichtung 550 (in der Abbildung von rechts nach links weisend) in die Kontaktbuchse eingeführt werden kann. Die Einstecköffnung 210 ist an einem bezüglich der Einsteckrichtung 550 vorderen Ende der Kontaktbuchse 200 angeordnet. Die Kontaktbuchse 200 weist in ihrem Innern zwei quer zur Einsteckrichtung 550 nach innen ragende Lamellen 250 auf, die an einem Befestigungsende 252 an der Innenwand 206 der Kontaktbuchse befestigt sind. Die Lamellen 250 weisen außerdem ein freies Ende 254 auf, welches sich bezogen auf das Befestigungsende 252 in Richtung der Einsteckrichtung 550 betrachtet hinter dem Befestigungsende 252 befindet. Die Kontaktbuchse 200, die Lamellen 250 und der Steckkontakt 500 sind zumindest abschnittsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die Lamellen 250 und die Kontaktbuchse 200 sind beispielsweise elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass im eingesteckten Zustand des Steckkontakts 500 ein elektrischer Strom von der Steckkontakt-Leitung 510 über den Steckkontakt 500 und über die Lamellen 250 zur Kontaktbuchse 200 fließen kann, von der aus der elektrische Strom über die Anschlussleitung 202 weitergeleitet werden kann.
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Die Lamellen 250 sind federnd ausgebildet und ragen einander zugewandt in der Kontaktbuchse 200 quer zur Einsteckrichtung 550 nach innen ab, wobei zwischen ihnen an der engsten Stelle, an welcher sich Kontaktstellen 260 der Lamellen 250 gegenüberliegen, ein Lamellen-Abstand D1 verbleibt. Der Lamellen-Abstand D1 ist geringer als der Steckkontakt-Außendurchmesser D2. Die Federkraft der Lamellen 250 wirkt quer zur Einsteckrichtung 550 mit einer Federkonstante F nach innen.
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Im Kontext dieser Anmeldung ist mit dem Begriff „nach innen” im Bezug auf die wenigstens eine Lamelle 250 eine Bewegung oder eine Kraftwirkung gemeint, die im Innern der Kontaktbuchse 200 von der das Befestigungsende 252 der wenigstens einen Lamelle 250 aufweisenden Wand quer zur Einsteckrichtung 550 weg weist, bzw. die von dem das Befestigungsende 252 der Lamelle 250 aufweisenden Wandabschnitt quer zur Einsteckrichtung 550 weg weist. Mit dem Begriff „nach außen” ist dagegen eine Bewegung oder eine Kraftwirkung gemeint, die im Innern der Kontaktbuchse 200 auf die das Befestigungsende 252 der Lamelle 250 aufweisende Wand hin weist, bzw. die auf denjenigen Wandabschnitt hin weist, an dem das Befestigungsende 252 der wenigstens eine Lamelle 250 angeordnet ist. Die Begriffe sind für jede Lamelle einzeln zu verstehen.
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Der Steckkontakt 500 ist bis in eine von der Einstecköffnung 210 aus bemessene Endstecklänge L2 entlang der Einsteckrichtung 550 in die Kontaktbuchse einsteckbar. Während des Einsteckvorgangs kommt die Steckkontakt-Außenseite 502 mit den Kontaktlamellen 250 in mechanischen Kontakt und drückt die Lamellen 250 nach außen, da der Lamellen-Abstand D1 zunächst geringer ist als der Steckkontakt-Außendurchmesser D2. Infolgedessen werden die Lamellen 250 aus ihrer Ruhelage ausgelenkt und bringen eine quer zur Einsteckrichtung 550 wirkende Soll-Kontaktkraft F1 auf die Außenseite 502 des Steckkontakts 500 auf, die sich in Abhängigkeit von der Federkonstante F und der Auslenkung der Lamellen 250 ergibt. Durch die Soll-Kontaktkraft F1 wird auf den Steckkontakt 500 gleichzeitig eine Klemmkraft F2 ausgeübt, die proportional zur Kontaktkraft F1 ist und vom Gleitreibungskoeffizienten bzw. vom Haftreibungskoeffizienten abhängt. Dadurch ist die Steckkraft zum Einstecken des Steckkontakts 500 entlang derjenigen Wegstrecke erhöht, die an der Stelle beginnt, an welcher der Steckkontakt 500 zum ersten Mal in Kontakt mit den Lamellen 250 tritt und welche bis zur Endstecklänge 12 reicht. Beim Ausziehen des Steckkontakts 500 aus der Kontaktbuchse 200 ergibt sich über dieselbe Wegstrecke eine von der Kontaktkraft F1 abhängige Steckkraft.
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In den 2a–2d ist eine erfindungsgemäße Kontaktbuchse 200 in einem Querschnitt parallel zur Einsteckrichtung 550 dargestellt, wobei die Abbildungen den Einsteckvorgang eines Steckkontakts 500 in die Kontaktbuchse 200 durch die Einstecköffnung 210 vom nicht eingesteckten Zustand (2a) bis zum vollständig eingesteckten Zustand des Steckkontakts (2d) zeigen. Die Kontaktbuchse 200 ist wie die in den 1a und 1b dargestellte Kontaktbuchse 200 als Hohlkörper ausgebildet. Die erfindungsgemäße Kontaktbuchse 200 kann in einem quer zur Einsteckrichtung 550 liegenden Querschnitt (nicht dargestellt) beispielsweise einen runden, elliptischen, rechteckigen, quadratischen oder mehreckigen Querschnitt aufweisen und weist beispielsweise eine im wesentlichen unveränderliche Außenkontur auf, ist also beispielsweise nicht an einem Scharnier aufklappbar.
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Die Kontaktbuchse 200 ist von einer Überfeder 310 an ihrer Außenseite umspannt. Die Überfeder 310 weist dabei zwei in der Figur sichtbare Schenkel 312 auf, welche sich entlang der Kontaktbuchsenaußenseite 204 im Wesentlichen entlang der Einsteckrichtung 550 erstrecken und mit einem ersten Ende 314 die Kontaktbuchsenwand 203 im Bereich der Einstecköffnung 210 umgreifen und in der Einstecköffnung 210 festgeclipst sind. Das Federelement 300 ist als Teil der Überfeder 310 ausgebildet. Dazu weist die Überfeder 310 an ihrem der Einstecköffnung 210 entgegengesetzten Ende im Endbereich der Kontaktbuchse einen Biegeabschnitt 306 auf, welcher im Wesentlichen quer zur Einsteckrichtung 550 umgebogen ist. An den Biegeabschnitt 306 schließt sich ein entgegen der Einsteckrichtung 550 in das Innere der Kontaktbuchse 200 eindringender Eindringabschnitt 307 an. An dem der Einstecköffnung 210 zugewandten Ende des Eindringabschnitts 307 ist ein Kontaktbereich 302 vorgesehen, welcher im nicht eingesteckten Zustand des Steckkontakts 500 in mechanischem Kontakt mit den freien Enden 254 der Lamellen 250 steht und diese entgegen der Federwirkung der Lamellen 250 durch die Federwirkung FF des Federelements 300 nach außen drückt und dabei abstützt. Quer zum Kontaktbereich 302 schließt sich an diese ein Auslösebereich 304 des Federelements 300 an. Im in den 2a–2d dargestellten Querschnitt des dargestellten Ausführungsbeispiels ist das Federelement 300 mit der Überfeder 310 spiegelsymmetrisch zur Einsteckrichtung 550 ausgebildet. Das entgegen der Einsteckrichtung 550 ins Innere der Kontaktbuchse 200 ragende Federelement mit dem Biegeabschnitt 306, dem Eindringbereich 307, dem Kontaktbereich 302 und dem Auslösebereich 304 weist im dargestellten Querschnitt eine pilzförmige Form auf. Der Auslösebereich 304 stellt den am weitesten entgegengesetzt zur Einsteckrichtung 550 hin zur Einstecköffnung 210 ins Innere der Kontaktbuchse 200 hineinragenden Abschnitt des Federelements 300 dar. Der Auslösebereich 304 ragt bis in eine von der Einstecköffnung 210 aus bemessene Kontaktlänge L1 in die Kontaktbuchse 200 hinein, wobei die Kontaktlänge L1 die Lage der ersten Position des Federelements definiert.
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Die Lamellen 250 sind an ihrem freien Ende 254 etwas nach außen umgebogen, so dass sie bezüglich des Kontaktbereichs 302 des Federelements 300 eine Art Einführschräge ausbilden. In der ersten Position des Federelements 300, in welcher die freien Enden 254 der Lamellen 250 von dem Kontaktbereich 302 des Federelements 300 nach außen gedrückt werden, sind die Lamellen 250 an ihrer am wenigsten beabstandeten Stelle, den Kontaktstellen 260, zueinander in einem Spreiz-Abstand D3 beabstandet. Der Spreiz-Abstand D3 ist größer als der Lamellen-Abstand D1, der sich einstellt, wenn das Federelement 300 sich in seiner zweiten Position befindet. Der Spreiz-Abstand D3 kann dabei auch größer sein als der Steckkontakt-Außendurchmesser D2.
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Wird nun der Steckkontakt 500 wie in den 2a–2d dargestellt in die Kontaktbuchse 200 eingeführt, so kann er die Kontaktstelle 260 der Lamellen 250 passieren (2b), wobei auf seine Außenseite 502 eine gegenüber der Soll-Kontaktkraft F1 erheblich verringerte Kontaktkraft einwirkt, da die Lamellen 250 an ihrem freien Enden 254 vom Federelement 300 nach außen gedrückt werden. Idealerweise wird die Kontaktkraft dadurch um wenigstens 50%, bevorzugt um wenigstens 75%, besonders bevorzugt um wenigstens 90% gegenüber der Soll-Kontaktkraft reduziert. Ganz besonders bevorzugt werden die Lamellen 250 so weit nach außen gedrückt, dass der Spreiz-Abstand D3 größer ist als der Steckkontakt-Außendurchmesser D1 und insofern überhaupt keine Kontaktkraft quer zur Einsteckrichtung 550 auf den Steckkontakt 500 wirkt. Beim weiteren Einstecken des Steckkontakts 500 in die Kontaktbuchse 200 stößt der Steckkontakt 500 beim Erreichen einer von der Einstecköffnung 210 aus bemessenen Kontakttiefe L1 an den Auslösebereich 304 der Federelements 300. Wird der Steckkontakt 500 noch weiter eingeschoben, so verlagert er das Federelement 300 mittels des mechanischen Kontakts am Auslösebereich 304 aus seiner ersten Position axial entlang der Einsteckrichtung 550 bis in eine zweite Position des Federelements (2c). Dabei gibt das Federelement 300 die freien Enden 254 der Lamellen 250 frei, welche dadurch quer zur Einsteckrichtung nach innen verlagert werden und mit ihrer Kontaktstelle 260 die Oberfläche des Steckkontakts 500 kontaktieren. Dabei wirkt zunächst eine Kontaktkraft F2, die bei der Verlagerung des Federelements 300 in seine zweite Position bis zur Soll-Kontaktkraft F1 ansteigt (2d). Die durch die Soll-Kontaktkraft F1 auf den Steckkontakt 500 ausgeübte Klemmkraft, welche sich entlang und entgegen der Einsteckrichtung 550 auswirkt übersteigt dabei die Rückstellkraft der in die zweite Position verlagerten Federelements 300. Beim Herausziehen des Steckkontakts 500 aus der Kontaktbuchse 200 verlagert sich das Federelement 300 in Folge seiner Elastizität wieder entgegen der Einsteckrichtung 550 hin in seine erste Position. Dabei tritt es mit seinem Kontaktbereich 302 erneut in mechanischen Kontakt mit dem freien Ende 254 der Lamellen und drückt diese nach außen und stützt sie ab. Dieser Vorgang verringert die auf den Steckkontakt einwirkende Kontaktkraft äquivalent zum Einsteckvorgang oder hebt die Kontaktkraft und damit auch die Klemmkraft sogar vollständig auf. Dieser Einsteck- und Herausziehvorgang unter verringerter Steckkraft ist somit reversibel und lässt sich beliebig oft wiederholen.
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Der Steckkontakt 500 weist an seiner Steckkontakt-Außenseite 502 beispielsweise eine Oberflächenbeschichtung auf, die zum Beispiel aus einem Edelmetall wie Gold, Silber oder Platin besteht. Durch die verringerten Steckkräfte beim Einsteckvorgang und beim Herausziehvorgang ist das Risiko für eine Beschädigung oder einen Abrieb diese Oberflächenbeschichtung stark verringert. Der Steckkontakt 500 und die Kontaktbuchse 200 sind z. B. aus Kupfer hergestellt.
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kontaktbuchse 200 dargestellt. Diese Kontaktbuchse 200 weist an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite jeweils mehrere parallel zueinander versetzte Lamellen 250 auf. Der zu dieser Kontaktbuchse 200 korrespondierende Steckkontakt 500 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckig und flach ausgebildet. Es kann sich hierbei beispielsweise um eine Leiterplatte zur Direktkontaktierung handeln. Alternativ kann es sich bei dieser elektrischen Verbindungseinrichtung 100 auch um eine Hochstrom Verbindungseinrichtung handeln, bei der eine Vielzahl von Lamellen 250 notwendig sind, um eine möglichst hohe Stromtragfähigkeit zu bewirken. Das Federelement 300 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einstückig ausgebildet und stützt in seiner ersten Position gleichzeitig alle Lamellen 250 entgegen Ihrer jeweiligen Federwirkung quer zu Erstreckungsrichtung 550 nach außen ab. Das Federelement 300 weist dabei eine trogartige Form auf, die in der ersten Position des Federelements 300 ungefähr u-förmig ausgebildet ist. Das Federelement 300 ist dabei wie eine Blattfeder ausgebildet. Es kann durch einen Clipsvorgang oder einen Schweißvorgang oder einen Lötvorgang an der Kontaktbuchse 200 festgelegt sein. Auch eine einstückige Ausbildung mit der Kontaktbuchse 200 durch einen Biegevorgang ist denkbar.
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Das Federelement 300 kann dabei aus demselben Material hergestellt sein wie die Kontaktbuchse 200, es kann jedoch auch aus einem elektrisch weniger leitfähigen Material wie zum Beispiel Federstahl hergestellt sein. In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, das Federelement 300 aus einem nicht leitfähigen Material, beispielsweise aus Kunststoff herzustellen, um so ein Kurzschluss zwischen den Lamellen 250 in der ersten Position des Federelements 300 über das Federelement 300 zu verhindern.
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In 4a ist ein Schnitt-Biegemuster in Form eines dünnen Blechstreifens 270 dargestellt, aus dem eine rechteckige Kontaktbuchse 200 biegbar ist. Es sind auch andere Formen des Kontaktbuchsengehäuses denkbar, beispielsweise mit rundem oder elliptischen oder sechseckigem Querschnitt. Mit dem Bezugszeichen 274 sind als gestrichpunktete Linien die Biegelinien zur Formung des Kontaktbuchsengehäuses dargestellt. Gestrichelt umrandet sind mit dem Bezugszeichen 250 versehen diejenigen Bereiche dargestellt, aus welchen die Lamellen mit ihren Befestigungsenden 252 und ihren freien Enden 254 geformt werden. In der Figur als senkrechte, gestrichelte Linien dargestellt sind die Biegelinien 276 für die Federlaschen 320, welche im zusammengefalteten Bereich das Federelement 300 ausbilden. Die Federlaschen 320 werden dabei entlang der Pfeile 278 ins Innere der Kontaktbuchse 200 gefaltet. In 4a ist dargestellt, wie sich der Biegeabschnitt 306a, 306b, der Eindringabschnitt 307a, 307b und der Auslöseabschnitt 304a, 304b aus den zwei Federlaschen 320a, 320b ergeben. Die Faltungsabfolge wird anschließend exemplarisch für die untere Federlasche 320b angegeben: der Biegeabschnitt 306b wird nach oben um ungefähr 90° gebogen, dann wird der Eindringabschnitt 307b nach innen gebogen, danach wird der Auslöseabschnitt 304b nach oben gebogen. Im zusammengefalteten Zustand werden die zwei Federlaschen 320a, 320b miteinander verbunden, beispielsweise durch einen Punktschweißvorgang an der Verbindungsstelle 324 (4b). Es ist auch denkbar, dass die Federlaschen 320 derart ausgebildet sind, dass sich die enden der beiden Federlaschen 320a und 320b miteinander verhaken lassen. In 4b ist ein Querschnitt der fertig gefalteten Kontaktbuchse dargestellt, wobei der Steckkontakt 500 in der Figur von links kommend in die Einstecköffnung 210 eingesteckt wird. Auf diese Art ist es möglich, die Kontaktbuchse mit einfachen Mitteln kostengünstig und in Großserie herzustellen und dabei auch selektiv einzelne Bereiche der Kontaktbuchse zu beschichten, beispielsweise mit einem Edelmetall. Dies kann insbesondere auf den für die Lamellen 250 vorgesehenen Bereichen geschehen.
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Die erfindungsgemäße Kontaktbuchse und die erfindungsgemäße elektrische Verbindungseinrichtung können beispielsweise verwendet werden in Multipol-Steckverbindern, in Einzelsteckkontakten in Direktsteckverbindern für die Kontaktierung von Leiterplatten und in Hochstrom-Steckverbindern.
