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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine formschlüssige Steckverbindung aus Stecker und Aufnahme zum Trennen und Verbinden von elektrischen Leitungen. Die Steckverbindung weist einen ein- oder mehrpoligen Stecker und eine für diesen passende Aufnahme auf. Die Steckverbindung und deren Bestandteile aus Stecker und Aufnahme finden vorzugsweise Anwendung bei der Datenübermittlung und/oder Stromversorgung bei Elektrofahrzeugen, insbesondere Leicht-Elektrofahrzeugen, wie etwa Elektrofahrrädern.
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Hintergrund der Erfindung
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Klinkenstecker sind weitverbreitete Steckverbinder, die in einer Vielzahl von Bauformen, teilweise genormt, auftreten. Hauptsächlich kommen die Klinkenstecker zur Übertragung von Wechsel- oder Gleichspannungen im Niedervoltbereich zum Einsatz, etwa zur Weiterleitung von Audiosignalen oder zur Stromversorgung im Bereich der Unterhaltungselektronik.
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Der grundlegende Klinkensteckeraufbau sieht einen zylindrischen Schaft aus einem leitenden Metall und eine sich daran anschließende und vom Schaft isolierte Spitze vor. Dieser einfache zweipolige Aufbau führt üblicherweise an der Spitze das Signal und am Schaft die Masse. Drei- oder mehrpolige Klinkenstecker weisen weitere Kontakte auf, etwa für das linke und das rechte Tonsignal im Falle eines Stereosteckers, indem der Schaft in mehrere Ringkontakte unterteilt ist, die voneinander isoliert sind.
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Beim Steckvorgang rastet der Klinkenstecker an Kontaktfedern einer passenden Aufnahme ein. Um ein Einrasten und eine mechanische Sicherung herzustellen, weisen der Schaft und/oder die Spitze des Klinkensteckers Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser auf, ohne dass dadurch der zylindrische Charakter des Steckers verlorengeht. Die Kontaktfedern in der Aufnahme stellen nicht nur die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten des Steckers und der Aufnahme her, sondern dienen gleichzeitig der mechanischen Sicherung der Steckverbindung. Die einzig zulässige Relativbewegung beim Steckvorgang zwischen dem Klinkenstecker und der Aufnahme – von einer Rotation um die Zylinderachse einmal abgesehen – erfolgt entlang der Steckrichtung.
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Klinkenstecker sind, wie andere mechanische Steckverbindersysteme, sehr empfindlich gegen äußere Krafteinwirkung. Belastungen gegen den mit der Aufnahme verbundenen Stecker, etwa ein unbeabsichtigter Stoß auf den Schaft quer zur Steckrichtung, können leicht zu Beschädigungen bis zur Zerstörung des Systems führen. Kurzschlüsse und andere Probleme der Funktionssicherheit können die Folge sein.
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Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Stecker und eine Steckverbindung zum Trennen und Verbinden von elektrischen Leitungen bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Sicherheit und/oder Robustheit gegen mechanische Beschädigungen aufweisen, insbesondere bei Fällen unbeabsichtigter äußerer Krafteinwirkung, wie etwa bei unsachgemäßer Benutzung oder in Notfällen.
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Die Aufgabe wird mit einem Stecker mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einer Steckverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Darstellung der Erfindung, sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Die Steckverbindung gemäß der Erfindung ist zum Trennen und Verbinden von elektrischen Leitungen vorgesehen. Sie weist einen Stecker und eine Aufnahme, auch als Buchse bezeichnet, auf. Der Stecker hat einen Schaft, an dem ein oder mehrere elektrische Kontakte, auch als Steckerkontakte bezeichnet, vorgesehen sind und der entlang einer Steckrichtung mit der Aufnahme formschlüssig und elektrisch verbindbar ist. Der Schaft oder ein Teil des Schafts weist eine bauchige äußere Form auf, die im gesteckten Zustand ein Nachgeben des Schafts durch Relativdrehung zwischen Stecker und Aufnahme erlaubt, wenn eine äußere Kraft auf den Schaft wirkt, die eine zur Steckrichtung senkrechte Komponente oberhalb eines Schwellwerts hat.
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Mit anderen Worten stellt die Erfindung einen mechanischen Sicherungsmechanismus gegen eine äußere Krafteinwirkung bereit, die im herkömmlichen Fall leicht zur Beschädigung oder gar Zerstörung der Steckverbindung führen kann. Wirkt auf den erfindungsgemäßen Schaft eine starke äußere Kraft, insbesondere eine solche, die von einer unsachgemäßen Benutzung oder einem Notfall herrührt, dann gibt der Stecker im gesteckten Zustand nach, indem er gelenkartig zur Seite schwenkt. Die Aufnahme und der Stecker agieren in diesem Fall wie ein Kugelgelenk. Es werden somit zusätzlich zur Steckbewegung weitere Bewegungsfreiheitsgrade geschaffen, die bei großen, schädlichen Kräften – und nur dann – zur Anwendung kommen. Technisch umgesetzt wird dieses Sicherungsverhalten, indem der Schaft zumindest teilweise bauchig ist und in einem entsprechenden, passenden Hohlraum der Aufnahme sitzt. Die Bauchigkeit erlaubt, im Unterschied zu einer zylindrischen Ausprägung, ein Abrollen des Schafts an der Hohlraumwand der Aufnahme. Damit ist der Steckverbinder bis zu einem gewissen Grad zerstörungsfrei. Das Ausweichverhalten impliziert eine Verbesserung der Betriebssicherheit, da mit der Schwenkbewegung bzw. dem gelenkartigen Abrollen zudem die elektrischen Kontakte zwischen dem Stecker und der Aufnahme gelöst werden.
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Vorzugsweise ist der bauchige Teil des Schafts kugelförmig, um eine nach allen Seiten optimale Gelenkverbindung herzustellen. Die Bezeichnungen ”kugelförmig” und ”Kugel” umfassen hierbei Vollkugeln (oder nahezu Vollkugeln) ebenso wie Halbkugeln und beliebige Kugelsegmente.
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Vorzugsweise befindet sich an der Vorderseite des Schafts, in Steckrichtung gesehen, ein Vorsprung. Dieser Vorsprung kann in Anlehnung an die Terminologie eines Klinkensteckers auch als Spitze bezeichnet werden. Der Vorsprung kann einen elektrischen Kontakt aufweisen oder isoliert sein. Mit Bezug auf die mechanische Sicherung kann der Vorsprung folgende Funktion übernehmen: indem der Vorsprung beim Stecken in eine entsprechende Ausnehmung der Aufnahme eingreift, sich mit dieser vorzugsweise formschlüssig verbindet, legen der Vorsprung und die Ausnehmung wesentlich den Widerstand fest, der zunächst überwunden werden muss, bevor die Schwenksicherung aktiviert wird. So lassen sich auf rein mechanische Weise die zulässigen Kräfte definieren, bei denen das Sicherungssystem noch nicht eingreift, wodurch die Funktionssicherheit der Steckverbindung verbessert wird. Insofern arbeiten der Vorsprung und der bauchige Teil des Schafts synergetisch zusammen. Außerdem drückt der Vorsprung im Sicherungsfall auf die Hohlraumwand der Aufnahme, wodurch der Stecker in Trennungsrichtung angehoben wird. Dies führt zu einem zuverlässigeren Lösen der elektrischen Kontakte, ebenfalls vorteilhaft für die Betriebssicherheit. Vorzugsweise ist der Vorsprung abgerundet, insbesondere kugelförmig, um Beschädigungen an der Steckverbindung vorzubeugen und einen wohldefinierten Widerstand einzustellen.
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Vorzugsweise schließt sich am bauchigen Teil des Schafts entgegen der Steckrichtung ein zylindrischer Abschnitt an, dessen Durchmesser kleiner als der maximale Durchmesser des Schafts ist. Auf diese Weise kann der Stecker beim Einstecken in die Aufnahme einrasten und wird dort positionsgenau gehalten, ohne dass für diese mechanische Wirkung zusätzliche Mittel erforderlich wären. Der Übergang zwischen dem bauchigen Teil des Schafts und dem zylindrischen Abschnitt ist vorzugsweise weich, so dass sich eine Tropfenform des Steckers ergibt. So werden Kanten und ungewollte Sollbruchstellen vermieden, bei ausgezeichneter Funktionalität.
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Der oder die elektrischen Kontakte des Steckers sind vorzugsweise ringförmig am bauchigen Teil des Schafts vorgesehen. Sie bilden beispielsweise konzentrische Ringe entlang der Kugeloberfläche. Auf diese Weise können große, genau positionierte Steckerkontakte hergestellt werden, wodurch die Funktionssicherheit verbessert wird. Der oder die Kontakte können in Form von Ausnehmungen am Schaft vorgesehen sein. In diese Ausnehmungen oder Nuten können Kontaktfedern eingreifen, die nicht nur für einen sicheren elektrischen Kontakt sorgen, sondern ferner eine Funktion zur mechanischen Sicherung übernehmen. Derartige Kontaktfedern können am Stecker und/oder an der Aufnahme vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Kontaktfedern ringförmig gestaltet. Auf Kontaktfedern kann ggf. auch verzichtet werden, oder diese können integral mit dem Stecker und/oder der Aufnahme verbunden sein.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Aufnahme ringförmige Kontaktfern auf, die beim Steckvorgang in die nutartigen Kontakte des Steckers eingreifen. Die Steckerkontakte sind in diesem Fall über erhabene, ringförmige Abschnitte des Schafts voneinander elektrisch isoliert. Alternativ können die Isolationsabschnitte und die Steckerkontakte vertauscht sein.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung im technischen Umfeld der Elektrofahrzeugindustrie, insbesondere Leicht-Elektrofahrzeugindustrie, zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden, beispielsweise allgemein im Fahrzeugbau, in der Luftfahrt und Schifffahrt, im Bereich der Haus- und Unterhaltungselektronik, Medizintechnik und Spielzeugindustrie.
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Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist eine Seitenansicht auf einen Stecker mit kugelförmigem Schaft, konzentrischen Kontaktringen und einer kugelförmigen Spitze.
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Die 2a und 2b zeigen den Stecker der 1, sowie eine dazu passende Aufnahme, die Aufnahme ist zum Einblick in das Innere aufgeschnitten.
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3 zeigt den Stecker und die Aufnahme der 2 in einem gesteckten Zustand.
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4 ist eine seitliche Schnittansicht auf den Stecker und die Aufnahme im gesteckten Zustand der 3, wobei von außen eine seitliche Kraft auf den Stecker wirkt.
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5 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steckers.
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Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht dazu beabsichtigt sind, die Erfindung zu beschränken, sondern der Erläuterung der Erfindung dienen, wobei die dargelegten Merkmale oder Merkmalskombinationen der Ausführungsbeispiele nicht immer essentiell für die Erfindung sein müssen.
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Die 1 zeigt einen Stecker 10, der zum formschlüssigen Verbinden mit einer Aufnahme 20 (vgl. 2b) vorgesehen ist. Gemeinsam bilden der Stecker 10 und die Aufnahme 20 die Steckverbindung 1. Vorzugsweise findet die Steckverbindung 1 Anwendung bei der Datenübermittlung und/oder Stromversorgung bei Elektrofahrzeugen, insbesondere Leicht-Elektrofahrzeugen, wie etwa Elektrofahrrädern. Der Stecker 10 kann beispielsweise zur Verbindung eines Ladekabels mit der Stromversorgung eines Elektrofahrzeugs ausgelegt sein. Dieses Anwendungsgebiet ist besonders bevorzugt, denn die hier dargestellte Steckverbindung 1 ist aufgrund deren Sicherungsmechanismus nicht nur für Niedervoltanwendungen, sondern auch für höhere Ströme und Spannung geeignet.
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Der Stecker 10 weist einen bauchigen Schaft 11 und einen zylindrischen Teil 12 auf, die ineinander übergehen. In Anlehnung an die Terminologie herkömmlicher Klinkenstecke wird die Bezeichnung ”Schaft” gewählt, wenngleich sich dieser erheblich von der Geometrie eines Klinkenstecker-Schafts unterscheidet. Denn der Schaft 11 des Steckers 10 ist nicht wie bei einem herkömmlichen Klinkenstecker zylindrisch ausgebildet, sondern bauchig, wodurch ein Sicherungsmechanismus implementiert wird, dessen Funktionsweise im Zusammenspiel mit der Aufnahme 20 weiter unten beschrieben ist. Der bauchige Schaft 11 ist vorzugsweise kugelförmig.
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Der bauchige Schaft 11 und der zylindrische Teil 12 gehen zur Optimierung der Betriebssicherheit des Steckers 10 weich ineinander über. So werden Kanten und ungewollte Sollbruchstellen vermieden. An den zylindrischen Teil 12 schließt sich ein Kabel 30 an, das nicht Teil des Steckers 10 ist. Der Stecker 10 hat durch seinen bauchigen Schaft 11 und den sich daran anschließenden zylindrischen Teil 12 eine tropfenähnliche Form.
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Der Stecker 10 weist ferner eine Spitze 13 auf, die gegenüber vom Kabel 30 am Schaft 11 vorgesehen ist. Die Spitze 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein abgerundeter Vorsprung, der vom Schaft 11 über seine eigentliche Geometrie ein Stück hervorsteht. Damit soll insbesondere auch ausgesagt sein, dass die Spitze 13 nicht spitz sein muss (aus diesem Grund wird sie auch als Vorsprung bezeichnet). Die Spitze 13 kann einen elektrischen Kontakt aufweise oder isoliert sein. Die Funktion der Spitze 13 für der Sicherungsmechanismus ist weiter unten beschrieben. Vorzugsweise weist die Spitze 12 eine Kugelform auf.
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Am bauchigen Schaft 11 sind leitende Steckerkontakte 14 als konzentrische Ringe ausgebildet. Die Steckerkontakte 14 sind in diesem Beispiel als nutförmige Vertiefungen in die Schaftoberfläche eingebracht. Die Steckerkontakte 14 sind durch Isolationsabschnitte 15, die ebenfalls als konzentrische Ringe ausgebildet sind, elektrisch voneinander isoliert. Im Unterschied zum hier dargestellten Beispiel können die Steckerkontakte 14 auch anders gestaltet sein, etwa als erhabene Kontaktfedern, entlang der Steckrichtung, plan, ringförmig mit Unterbrechungen usw.. Auch können die Steckerkontakte 14 (analog deren Gegenstücke 24 in der Aufnahme 20) unterschiedlich ausgebildet sein, etwa größer und kleiner, wie es im vorliegenden Beispiel gezeigt ist. Die Abmessungen und Formen der Kontakte können etwa an deren Funktion, insbesondere an die zu transportierenden Ströme (Datenübermittlung oder Stromversorgung), angepasst werden. Es können ein, zwei oder mehr Steckerkontakte 14 vorgesehen sein.
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Die Aufnahme 20 als Gegenstück zum Stecker 10 weist, wie es in 2b gezeigt ist, Merkmale auf, die denen des Steckers 10 entsprechen und mit diesen elektrisch und/oder mechanisch zusammenwirken. So sind Aufnahmekontakte 24 vorgesehen, die mit den entsprechenden Steckerkontakten 14 beim Einstecken des Steckers 10 in die Aufnahme 20 zumindest elektrisch, ggf. auch mechanisch in Kontakt geraten. Der Hohlraum 21 der Aufnahme 20 entspricht dem bauchigen Schaft 11, so dass ein Formschluss zwischen beiden möglich ist. Der Formschluss soll zum einen ein Einrasten und zum anderen ein Lösen der Steckverbindung 1 mit auf dem Anwendungsgebiet üblicher Kraft erlauben. Wie die geometrischen Maße konkret gewählt werden, hängt vom Anwendungsfall ab, insbesondere auch von den verwendeten Materialien.
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Die 2b zeigt die Aufnahme 20 aufgeschnitten. Daraus geht hervor, dass die Aufnahmekontakte 24 voneinander durch Isolationsabschnitte 25 isoliert sind. Ferner hat die Aufnahme 20 eine Ausnehmung 23 zur formschlüssigen Aufnahme der Spitze 13. Der gesteckte Zustand der Steckverbindung 1 ist in der 3 gezeigt.
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Der elektrische Kontakt zwischen den Steckerkontakten 14 und den Aufnahmekontakten 24 wird über Kontaktfedern 26 vermittelt, die in den nutartigen Ausnehmungen der Kontakte von Stecker 10 und Aufnahme 20 liegen. Die Kontaktfedern 26 sind mit dem Stecker 10 und/oder der Aufnahme 20 form- und/oder stoffschlüssig verbunden, so dass diese beim Verbinden oder Lösen der Steckverbindung 1 sich nicht gleichzeitig vom Stecker 10 und der Aufnahme 20 lösen. Die Kontaktfedern 26 stellen den elektrischen Kontakt zwischen Stecker 10 und Aufnahme 20 her und dienen gleichzeitig zur mechanischen Sicherung der Steckverbindung 1. Auch die Spitze 13 dient im Formschluss mit der Ausnehmung 23 zur mechanischen Sicherung der Steckverbindung 1. Die Kontaktfedern 26 können auch integral mit dem Stecker 10 und/oder der Aufnahme 20 verbunden sein, insbesondere können die Steckerkontakte 14 und/oder Aufnahmekontakte 24 gleichzeitig die Funktionen der Kontaktfedern 26 übernehmen, in diesem Fall kann auf separate Kontaktfederelemente verzichtet werden.
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Die 4 zeigt einen Zustand der Steckverbindung 1, in dem auf den zylindrischen Teil 12 des Steckers eine äußere, seitliche Kraft wirkt. Wenn in einem solchen Fall die Belastung auf die Steckverbindung 1 einen bestimmten Schwellwert übersteigt, d. h. wenn die Steckverbindung 1 beispielsweise unsachgemäß verwendet wird, kommen die bauchige Geometrie des Schafts 11 und die abgerundete Spitze 13 zum Tragen: der Stecker 10 dreht sich aus dem in 3 gezeigten ordnungsgemäßen Steckzustand heraus, die Spitze 13 verlässt unter der äußeren Kraft die Ausnehmung 23, die Steckerkontakte 14 und Aufnahmekontakte 24 lösen sich. All das geht aus der 4 hervor.
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Mit anderen Worten wird ein mechanischer Sicherungsmechanismus gegen eine unbeabsichtigte äußere Krafteinwirkung bereitgestellt, die im herkömmlichen Fall leicht zur Beschädigung oder gar Zerstörung der Steckverbindung 1 führen kann. Die Aufnahme 20 und der Stecker 10 agieren im Sicherungsfall wie ein Kugelgelenk. Es werden somit zusätzlich zur Steckbewegung weitere Bewegungsfreiheitsgrade geschaffen, die bei großen, schädlichen Kräften – und nur dann – zur Anwendung kommen. Die Spitze 13 und die Ausnehmung 23 legen hierbei wesentlich (ggf. im Zusammenspiel mit den Kontakten 14, 24 und/oder den Kontaktfedern 26) den Widerstand fest, der zunächst überwunden werden muss, bevor die Schwenksicherung aktiviert wird. So lassen sich auf rein mechanische Weise die zulässigen Kräfte definieren, bei denen das Sicherungssystem noch nicht eingreift, wodurch die Funktionssicherheit der Steckverbindung 1 verbessert wird. Insofern arbeiten die Spitze 13 und der bauchige Teil 11 des Schafts synergetisch zusammen. Außerdem drückt die Spitze 13 im Sicherungsfall auf die Hohlraumwand der Aufnahme 20, wodurch der Stecker 10 in Trennungsrichtung angehoben wird. Dies führt zu einem zuverlässigeren Lösen der elektrischen Kontakte 14 und 24.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steckers 10, bei dem der bauchige Teil des Schafts in der Form einer Kugelsegment-Scheibe ausgebildet ist. Während die Flächen des Schafts 11, in die die Steckerkontakte 14 eingebracht sind, im Wesentlichen rund ausgebildet sind, weist der Schaft 11 zwei gegenüberliegende parallele und im Wesentlichen grade Flächen auf, um so die Freiheitsgrade bei der Bewegung des Steckers innerhalb der Aufnahme zu begrenzen. Der Vorsprung 13 ist in der vorliegenden Ausführungsform ebenfalls so ausgestaltet, dass seine Seitenflächen mit den Seitenflächen des Schafts 11 fluchtend ausgebildet sind.
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Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steckverbindung
- 10
- Stecker
- 11
- Schaft
- 12
- zylindrischer Teil
- 13
- Spitze
- 14
- Steckerkontakte
- 15
- Isolationsabschnitte am Stecker
- 20
- Aufnahme
- 21
- Hohlraum
- 23
- Ausnehmung
- 24
- Aufnahmekontakte
- 25
- Isolationsabschnitte an der Aufnahme
- 26
- Kontaktfedern
- 30
- Kabel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004042671 A1 [0005]
