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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochstromkontaktbuchse zur Aufnahme eines Kontaktstifts und zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit dem Kontaktstift gemäß Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Kontaktelemente sind vorgesehen, um insbesondere Hochstromverbindungen mit beispielsweise Litzenleiterkabeln sowohl mechanisch als auch elektrisch zuverlässig mit dem entsprechenden Kontaktelement zu verbinden. Dabei muss gewährleistet sein, dass hohe Zugkräfte, mechanische Einflüsse und Vibrationen keine ungewollte Trennung der Verbindung hervorrufen dürfen.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, dass Litzenleiter mit Crimpverbindungen an Kontaktelementen angebunden werden oder alternativ Litzenleiter mit Kontaktelementen verbindbar sind, bei denen ein kegelförmiges oder zylindrisches Kontaktteil in einem Kontaktelement die Litzenleiter mittels axial oder radial wirkender Kräfte auf eine entsprechend geformte Gegenfläche pressen, wobei die Winkel der Kegelflächen in der Regel gleich sind.
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Die
DE 89 14 460 U1 offenbart ein Kontaktsystem bestehend aus einem Buchsenteil und einem Steckerteil mit federelastischen Kontaktlamellen zur Übertragung von hohen Strömen.
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Die
FR 618 171 A offenbart Vorrichtungen, die geeignet sind zum Klemmen von elektrischen Leitern für elektrische Geräte, bei denen insbesondere ummantelte elektrische Leiter in isolierende Vorrichtungen zur Montage verklemmt werden.
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Die
EP 3 121 908 A1 offenbart einen Steckverbinder mit einer elektrisch leitfähigen Kontaktbuchse. Die Kontaktbuchse ist durch eine Öffnung in dem Steckverbinder zugänglich. Ein Verschlusselement zur Verschließen der Öffnung ist innerhalb der Kontaktbuchse beweglich gelagert.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Kontaktelemente bzw. Kontaktbuchsen sind jedoch nicht für hohe Ströme größer 200 A ausgelegt und werden aufgrund der dadurch resultierenden Überhitzung zerstört.
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Beschreibung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine für hohe Ströme geeignete Kontaktbuchse bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Hochstromkontaktbuchse dient zur Aufnahme eines Kontaktstifts und zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Kontaktstift. Die Hochstromkontaktbuchse umfasst einen Kolben, welcher einen Aufnahmeraum aufweist.
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Um den Aufnahmeraum ist erfindungsgemäß ein radial bewegliches Klemmelement zur klemmenden Aufnahme des Kontaktstifts angeordnet. Das Klemmelement ist bevorzugt in Form einer Spannzange oder aus einem Klemmkäfig gebildet. Der Klemmkäfig ist bevorzugt aus mehreren sich in Kolbenlängsrichtung erstreckenden federnden Elementen ausgebildet. Eine solche Ausbildung kann dadurch bewerkstelligt werden, dass das Klemmelement z. B. aus einem geschlitzten Klemmkäfig geformt ist.
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Die Innenwand des Aufnahmeraums, in welchem das Klemmelement gelagert ist, ist mit einer Steuerkurve zum radialen Einschnüren des Klemmelements ausgebildet. Steuerkurve im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Federarme des Klemmkäfigs beim Betätigen des Klemmelements von einer Kontaktstifteinführposition in eine Kontaktstiftklemmposition entlang der Steuerkurve so radial nach innen bewegt werden, dass der Öffnungsmechanismus der Öffnung zur Aufnahme des Kontaktstifts verkleinert wird, wodurch das Klemmelement eingeschnürt wird.
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Anders ausgedrückt hat die Steuerkurve die Aufgabe, die beweglichen Federarme des Klemmkäfigs so zu betätigen, dass der Kontaktstift beim Übergang von der Kontaktstifteinführposition in die Kontaktstiftklemmposition zunehmend von den Federarmen kraftbeaufschlagt und eingeklemmt wird.
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Die Steuerkurve ist bevorzugt so ausgebildet, dass beim Betätigen des Klemmelements die Federarme nach innen betätigt werden, so dass der Klemmkäfig stetig radial eingeschnürt wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass bei der Handhabung der Hochstromkontaktbuchse auch unmittelbar spürbar wird, wie beim radialen Einschnüren des Klemmelements die Klemmkraft zum Klemmen des Kontaktstifts stetig zunimmt.
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Bevorzugt weist der Klemmkäfig oder die Spannzange mindestens zwei Federarme, besonders bevorzugt mindestens vier Federarme auf. Je mehr Federarme, d.h. radiale Unterteilungen vorgesehen sind, desto mehr Anlagepunkte, d.h. Kontaktpunkte zwischen Federarmen und Kontaktstift, können erzielt werden. Um Toleranzen besser ausgleichen zu können, sind ebenfalls möglichst viele Anlagepunkte von Vorteil. Durch die Federarme wird zudem ermöglicht, dass möglicherweise eintretender Schmutz in die Schlitze der Federarme gelangt und somit die eigentliche Kontaktstelle zwischen Hochstromkontaktbuchse und Kontaktstift sauber bleibt.
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Weiter umfasst die Hochstromkontaktbuchse eine Kolbenführung, welche teilweise den Kolben ummantelt und eine Bewegung entlang einer Kolbenlängsachse ermöglicht. Der Kolben ist entlang der Kolbenlängsachse innerhalb der Kolbenführung bewegbar ausgebildet. Bevorzugt ist zwischen dem Kolben und der Kolbenführung eine Feder angeordnet, um beim Einbringen des Kontaktstifts diesen dämpfend bis zur gewünschten Position einzubringen. Erst beim Erreichen der Endposition wird das Klemmelement geschlossen und der Kontaktstift entsprechend gehalten. Weiterhin unterstützt die Feder die sichere Rückfederung des Kolbens und damit der Federarme beim Beenden des Kontaktvorganges.
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Bevorzugt sind die Kolbenführung und der Kolben aus einer hochleitfähigen Kupferlegierung gefertigt und bevorzugt mittels einer Beschichtung versehen. Bevorzugt ist der Kolben aus Kupfer mit geringen Beimengungen aus Legierungselementen wie z. B. Nickel, Tellur, Beryllium oder Blei um eine optimale Kombination aus elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, Federwirkung und Bearbeitbarkeit zu erhalten. Bevorzugt sind der Kolben und die Kolbenführung im Wesentlichen mit Nickel und/oder Silber und/oder Palladium und/oder Gold beschichtet, um einen guten Schutz gegen Korrosion, einen guten Verschleißschutz sowie sehr gute Kontakteigenschaften zu erhalten. In einer weiteren Ausführung ist die Kolbenführung aus einem elektrisch isolierenden, thermisch hochbelastbaren Material wie z. B. Hochtemperaturkunststoff oder Keramik, bevorzugt z. B. aus Polyetheretherketon (PEEK) hergestellt und verfügt somit über eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit sowie über eine sehr gute chemische Beständigkeit. So ist PEEK gegenüber fast allen organischen und anorganischen Chemikalien beständig, bis ungefähr 280 °C sogar gegen Hydrolyse. Die Kolbenführung aus PEEK isoliert elektrisch gegenüber spannungsführenden Teilen im Kontaktbereich, z. B. bei erforderlichen Hochspannungsanwendungen.
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Weiter weist die Hochstromkontaktbuchse mindestens eine zwischen dem Kolben und der Kolbenführung entlang der Kolbenlängsachse angeordnete Prüfleitung zum Messen von physikalischen Eigenschaften des anbringbaren Kontaktstifts und/oder der Hochstromkontaktbuchse auf. Sensormittel sind im Klemmelement angeordnet. Die Sensormittel sind federnd angebracht, beispielsweise durch eine Lagerung auf einem Silikonbett, welches elastisch verformbar ist. Mittels dieses Sensormittels kann eine Vierleiter- oder Kelvinmessung am eingebrachten Kontaktstift durchgeführt werden. Die Vierleitermessung wird bei der Messung von elektrischen Widerständen mit einem Vierleiteranschluss eingesetzt, wenn Leitungs- und Anschlusswiderstände die Messung verfälschen könnten. Bei der Vierleiter-Messanordnung fließt über zwei der Leitungen ein bekannter elektrischer Strom durch den Widerstand. Die am Widerstand abfallende Spannung wird hochohmig über zwei weitere Leitungen abgegriffen und mit einem Spannungsmessgerät gemessen. Der zu messende Widerstand wird daraus nach dem ohmschen Gesetz berechnet. Das Prinzip gilt analog bei der Strommessung mittels eines niederohmigen Shunts. Hierbei wird die unbekannte Stromstärke durch einen bekannten Widerstand mittels der abfallenden Spannung ermittelt. Bei der Vierleiter- oder Kelvinmessung werden die Zuleitungswiderstände der Messleitungen und die Übergangswiderstände an den Messstellen zwischen Prüfling und Messgerät kompensiert. Für den Einsatz von Kapazitäts- oder Induktivitätsmessungen gilt das gleiche Prinzip. Nur eine einwandfreie Kontaktierung des Prüflings garantiert eine qualitativ hochwertige und reproduzierbare Messung. Um der ständig wachsenden technischen Entwicklung gerecht zu werden, müssen die Anforderungen an die Kontaktierung der Prüflinge stetig angepasst werden.
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Das Sensormittel ist durch Anschlussmittel mit der Prüfleitung verbunden und gemessene Daten werden über die Prüfleitung an eine Steuereinheit gesendet und dort ausgewertet. Die Sensormittel sind bevorzugt ausgebildet, elektrische Widerstände des Kontaktstifts zu messen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein weiteres Sensormittel zwischen der Kolbenführung und dem Kolben angebracht. Dieses weitere Sensormittel ist durch weitere Anschlussmittel mit einer weiteren Prüfleitung verbunden. Bevorzugt ist dieses Sensormittel ein Temperaturfühler, der an dem Kolben anliegt. Mittels dieses weiteren Sensormittels kann insbesondere die Temperatur innerhalb der Hochstromkontaktbuchse gemessen werden.
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Bevorzugt werden die Prüfleitungen und das Sensormittel zur Temperaturmessung in einer speziell dafür angefertigten Nut von der Kontaktfläche durch den Kolben an das hintere Ende der Hochstromkontaktbuchse geführt und dort angeschlossen. Das gleiche gilt für die Leitungen der Kelvin-Sensormittel.
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Bevorzugt weist die Hochstromkontaktbuchse an dem Kontaktstift gegenüberliegenden Ende eine Anschlussvorrichtung auf, um beim Überschreiten einer vordefinierten Temperatur der Hochstromkontaktbuchse gemessen von dem weiteren Sensormittel die Hochstromkontaktbuchse durch Einströmen von Luft oder Gas in den Hohlraum des Kolbens entlang der Kolbenlängsachse zu kühlen. Durch die aktive Kühlung der Hochstromkontaktbuchse ab einer vordefinierten Temperatur ist es möglich, höhere Ströme, insbesondere Ströme bis zu einem Wert von 1000 Ampere oder mehr, zu ermöglichen. Die sehr gute Kühlung wird nicht nur durch die zentrale Mittelbohrung ermöglicht, sondern auch durch die geschlitzten Lamellen/Federarme, welche eine sehr große Oberfläche aufweisen. Mögliche Verschmutzungen, die sich zwischen den Federarmen ablagern, können durch einen kurzen Luftstoß mit höherem Druck herausgeschleudert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Hochstromkontaktbuchse entstehen die Vorteile, hohe Ströme zu verwenden, da durch die integrierte Kühlmöglichkeit entstehende Wärme, welche die Hochstromkontaktbuchse beschädigen würde, reduziert werden kann. Somit ist es möglich, zum Beispiel für eine Dauer von 20 Sekunden Ströme von 1500 Ampere zu beaufschlagen oder einen Dauerstrom von 500 Ampere zu beaufschlagen. Testreihen haben ergeben, dass bei einem Zuführen von Luft mit einem Druck von 1 bar die entstandene Temperatur von Beispielsweise 200 °C ohne Kühlung auf 80 °C verringert werden konnte.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eine erfindungsgemäßen Hochstromkontaktbuchse;
- 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Hochstromkontaktbuchse; und
- 3 eine Darstellung des Klemmelements der erfindungsgemäßen Hochstrom kontaktbuchse.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer elektrisch leitfähigen Hochstromkontaktbuchse 1. Die Hochstromkontaktbuchse 1 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Mittellängsachse 6 aufgebaut. Die Hochstromkontaktbuchse 1 ist zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kontaktstifts in einen Aufnahmeraum 3 aufgebaut. Des Weiteren ist die Hochstromkontaktbuchse 1 zum Herstellen einer elektrischen Verbindung auch bei hohen Strömen zwischen der Hochstromkontaktbuchse 1 und dem Kontaktstift ausgebildet.
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Der nicht dargestellte Kontaktstift drückt bei Zuführung in Steckrichtung 21 auf eine distale Anschlussfläche 17 des Aufnahmeraums 3 und bewegt somit den Aufnahmeraum 3 in Steckrichtung 21.
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Für den Kontaktstift weist der Aufnahmeraum 3 ein Klemmelement 4 auf. Wie in 2 und 3 erkennbar, ist die Steuerkurve 20 aus einem kegelförmig zulaufenden Wandabschnitt ausgebildet, dessen Innenradius von einem ersten Innendurchmesser R1 zu einem zweiten Innendurchmesser R2 abnimmt und anschließend in einem zylinderförmigen Abschnitt mit dem Durchmesser R2 übergeht.
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Bevorzugt weist der Außendurchmesser R2 einen Durchmesser von 20 bis 25 mm und der Innendurchmesser bevorzugt einen Durchmesser von 16 bis 20 mm auf.
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Die Federarme verlaufen wie in 2 und 3 gezeigt mit ihrem Federarmende nach außen konisch, so dass das in die Hochstromkontaktbuchse hineinragendes Ende des Klemmkäfigs 19 einen Außendurchmesser aufweist, der im wesentlichen dem Innendurchmesser R1 am oberen Ende der Steuerkurve 20 entspricht. Die Federarme 18 des Klemmkäfigs 19 verlaufen daher in einer leicht gekrümmten, konischen Form Durch Verringern des Innendurchmessers des Klemmkäfigs 19 wird der Kontaktstift klemmend im Klemmkäfig 19 gehalten.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Hochstromkontaktbuchse 1. In Steckrichtung 21 kann ein nicht dargestellter Kontaktstift in den Aufnahmeraum 3 des Kolbens 2 eingeführt werden. Mittels des Klemmelements 4, welches bevorzugt aus einer Spannzange oder einem Klemmkäfig 19 besteht, wird der Kontaktstift im Kolben 2 gehalten. Der Kolben 2 wird durch das Einführen des Kontaktstifts in Steckrichtung 21 entlang der Kolbenlängsachse 6 verschoben. Zwischen dem Kolben 2 und der den Kolben 2 teilweise umgreifenden Kolbenführung 5 ist eine Feder 8 angeordnet. Weiterhin unterstützt die Feder 8 die sichere Rückfederung des Kolbens 2 und damit der Federarme beim Beenden des Kontaktvorganges und dient zum Öffnen des Klemmelements 4 beim Dekontaktieren. Ein Gehäuseverschluss 21 dient dazu, die Kolbenführung 5 an einem Gehäuse 14 der Hochstromkontaktbuchse 1 zu fixieren. Eine Kolbenverschlussmutter 22 fixiert den Kolben 2 und verhindert somit das Lösen des Kolbens 2 aus dem Gehäuse 14. Ein Gewinde 24 nimmt die Kolbenverschlussmutter 22 und die Kontermutter 23 auf. Zwischen der Kolbenverschlussmutter 22 und der Kontermutter 23 wird ein nicht dargestellter Kabelschuh mit einer Leitung von beispielsweise größer 35 mm2 geklemmt und dort angeschlossen. Es können allerdings auch kleinere Querschnitte verwendet werden.
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Der Kolben 2 ist innen mit einer Bohrung, welche komplett durch den Stift ragt, und am hinteren Ende mit einem Schlauchanschluss 13 versehen. Der Anschluss 13 und die Bohrung ermöglichen ein Kühlen des Kontaktes beispielsweise mittels Druckluft. Dies dient zur Senkung der Temperatur, welche bei hohen Strömen und besonders bei hohen Zykluszeiten hervorgerufen werden.
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Um auch physikalische Größen wie beispielweise den elektrischen Widerstand mittels Messung z. B. durch eine Vierpol- oder Kelvinmessung am Kontaktstift zu bestimmen, ist eine Prüfleitung 7.1 zwischen dem Kolben 2 und der Kolbenführung 5 angeordnet. Das zur Prüfleitung 7.1 gehörige Sensormittel 10 ist im Aufnahmeraum 3 vorgesehen. Das Sensormittel 10 ist federnd auf beispielsweise Silikon gelagert, damit eine sichere Kontaktierung des Sensormittels 10 mit dem Kontaktstift ermöglicht wird und das Sensormittel 10 beim Einbringen des Kontaktstifts in die Hochstromkontaktbuchse 1 nicht beschädigt wird. Das Silikon ist bevorzugt hochtemperaturtauglich.
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Um die Temperatur des Hochstromkontaktes 1 zu messen und entsprechend Druckluft oder Gas zum Kühlen in den Hochstromkontakt 1 einzuführen, ist zwischen dem Kolben 2 und der Kolbenführung 5 eine weitere Prüfleitung 7.2 mit einem weiteren Sensormittel 11 vorgesehen. Das Sensormittel 11 misst bevorzugt möglichst nahe am Kopf des Kolbens 2 die Temperatur und sendet die Daten an eine Steuereinheit (nicht dargestellt), welche in Abhängigkeit der Temperatur Kühlluft einführt, um die Kontaktbuchse 1 bei höheren Strömen auf Grund zu hoher Temperatur nicht zu zerstören. Durch das Spannzangenprinzip oder Klemmkäfig wird eine große Oberfläche erreicht, welche in Kombination mit der Kühlung eine sehr gute Wärmeabfuhr und auch am Kontaktstift (Prüfling) gewährleistet.
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Die beiden Prüfleitungen 7.1, 7.2 und Sensormittel 10, 11 sind aus Materialien gefertigt, welche Temperaturen von min. 200 °C standhalten. Bevorzugt sind die Prüfleitungen eine versilberte Kupferlitze mit einer Polytetrafluorethylen-Isolierung (PTFE). Das Sensormittel zur Kelvinmessung ist bevorzugt aus einer Kupferlegierung, ggf. mit Vergoldung, oder einer Silberlegierung und das Sensormittel zur Temperaturmessung aus NiCr mit einer Glasfaserisolierung gefertigt.
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Durch die beiden Sensormittel 10, 11 ist es möglich, Daten, wie beispielsweise Temperatur, Widerstand oder ähnliche Parameter der Hochstromkontaktbuchse 1 oder des Kontaktstifts zu generieren und entsprechend mittels Kühlung des Hochstromkontaktbuchse darauf zu reagieren.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Hochstromkontaktbuchse
- 2
- Kolben
- 3
- Aufnahmeraum/ Kontaktieröffnung
- 4
- Klemmelement
- 5
- Kolbenführung
- 6
- Kolbenlängsachse
- 7.1
- Prüfleitung
- 7.2
- weitere Prüfleitung
- 8
- Feder für Kolbenrückführung
- 9
- Gegenlager
- 10
- Sensormittel
- 11
- weiteres Sensormittel
- 12
- Ende
- 13
- Anschlussvorrichtung
- 14
- Gehäuse
- 15
- Hohlraum
- 16
- Hauptfeder
- 17
- distale Anschlussfläche
- 18
- Federarm
- 19
- Klemmkäfig
- 20
- Steuerkurve
- 21
- Gehäuseverschluss
- 22
- Kolbenverschlussmutter
- 23
- Kontermutter
- 24
- Gewinde
- 25
- Einführrichtung Kontaktstift
