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Die Erfindung betrifft ein Verschlusssystem für Steckverbinder zur Verbindung und Verriegelung eines Steckers mit seinem Steckpartner, aufweisend eine Primärverriegelung, gebildet aus wenigstens einem Bajonettring mit wenigstens einer Steuerkulisse, gekoppelt mit einem Steckverbinderstecker und ausgebildet zum funktionalen Zusammenwirken mit wenigstens einem der Steuerkulisse zugeordneten Zapfen an einem Steckverbindergegenstecker.
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Zur Kontaktierung oder Herstellung lösbarer elektrisch leitender Verbindungen werden Steckverbindungen, Kontaktierungselemente, Polverbinder, Steckhülsen usw. in unterschiedlichsten Ausbildungen und Varianten eingesetzt. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bei elektrischen Kontaktierungsaufgaben im höheren Leistungsbereich sind Kontaktsysteme entwickelt worden, die auf Rundkontaktgeometrien zur Aufnahme eines Kontaktpins basieren.
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Solche Hochspannungssteckverbinder sind häufig als Rundsteckverbinder mit einem oder mehreren Steckkontaktpins realisiert und müssen neben der zuverlässigen, lösbaren und dauerfesten Kontaktierung insbesondere auch gegen ungewolltes oder durch Axialzugbelastungen verursachtes Trennen der Steckverbindung gesichert werden.
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Bei Rundsteckverbinder werden als Primärverriegelungen im Stand der Technik häufig Bajonett- oder Schraubverriegelungen eingesetzt. Diese Sicherungsmittel sind üblicherweise fest an den jeweiligen Steckverbindungen angebracht und werden ergänzt durch Sekundärverriegelungen zur Sicherung gegen ungewolltes Trennen der Verbindung. Im Stand der Technik werden Sicherungsmittel üblicherweise als federartige Anordnungen verwendet, die mit entsprechenden Öffnungen oder Verrastungen in Eingriff stehen und dadurch eine Verrieglung von zwei Teilen einer Rundsteckverbindung bewirken.
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Weiterhin sind Rundsteckverbinder bekannt, bei denen über so genannte Bajonettverschlüsse die Steckverbindung hergestellt wird. Eine alternative Form eines Verschlusses ist ein Drehverschluss, der ähnlich wie ein Bajonettverschluss jeweils an den Steckverbindungen so angebracht ist, dass mittels einer Verrieglungsschraube das Steckverbinderpaar an einem Verriegelungsgewinde festgelegt wird.
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Problematisch sind Verriegelungen dieser Bauart insbesondere wenn verhindert werden soll, dass die Verriegelung unbeabsichtigt oder nicht bestimmungsgemäß gelöst wird und/oder der unter Spannung stehende Steckverbinder gezogen wird. Im letztgenannten Fall können sich insbesondere im Hochspannungsbereich Lichtbögen zünden, die sicherheitsproblematisch sind und Lebensgefahr bedeuten können.
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Auch kann bei dynamischen Anwendungen und bei Vibrationen von Maschinen das Problem auftreten, dass sich Steckverbinderverriegelungen, insbesondere Schraubverrieglungen, mit der Zeit infolge dieser mechanischen Vibrationen lösen können und der Steckverbinder nicht mehr zuverlässig mit dem Gegenstecker verbunden ist.
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Eine bekannte Steckverbinderlösung mit Primär- und Sekundärverriegelung ist in der
DE 10 2013 112 103 A1 vorgestellt. Ein Stecker dieser Steckverbindung umfasst eine innere Baugruppe, eine bezüglich der inneren Baugruppe verschiebbar gelagerte und die innere Baugruppe zumindest teilweise umschließende äußere Hülse und erste Verriegelungsmittel zum Verriegeln des Steckers mit einem zugeordneten Steckverbinderteil bei einem Aufstecken des Steckers auf das Steckverbinderteil, wobei die Verriegelung durch eine Verschiebung der äußeren Hülse bezüglich der inneren Baugruppe gelöst werden kann.
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Solche Steckverbinder, bestehend aus einem Stecker und einem Steckverbinderteil, sind bekannt unter der Bezeichnung Push-Pull-Steckverbinder. Dieser Name leitet sich von der Funktion solcher Steckverbinder ab. So können diese durch ein einfaches Aufstecken des Steckers in einer Einsteckrichtung auf das Steckverbinderteil geschlossen werden („Push“). Das Steckverbinderteil kann dabei eine Buchse oder ein zweiter Stecker sein. Bei dem Aufstecken bzw. durch das Aufstecken werden Verriegelungsmittel des Steckers und des Steckverbinderteils miteinander verriegelt, sodass der Steckverbinder nicht durch einen Zug z. B. an einem mit dem Stecker verbundenen Kabel gelöst werden kann. Zum Lösen der Verbindung wird die äußere Hülse des Steckers entgegen der Einsteckrichtung gezogen („Pull“). Dabei erfolgt eine Relativbewegung zwischen der äußeren Hülse und der inneren Baugruppe des Steckers, wodurch die Verriegelungsmittel entriegelt werden. Wird die äußere Hülse weiter entgegen der Einsteckrichtung gezogen, so wird der Stecker von dem Steckverbinderteil gelöst.
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Bei anderen Arten von Steckverbindern muss zum Verriegeln bzw. Entriegeln ein zusätzlicher Vorgang ausgeführt werden. Ein derartiger Vorgang wäre beispielsweise das Anheben oder Niederdrücken eines als Verriegelungsmittel dienenden Rasthakens oder eine zusätzliche Drehbewegung der äußeren Hülse, wie z. B. bei sogenannten Bajonett-Steckverbindern üblich.
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Nachteilig ist, dass ggf. ein versehentliches Lösen des Steckverbinders aufgrund des einfachen Entriegelungsvorgangs durch Ziehen an der äußeren Hülse erfolgen kann. Ein weiterer Nachteil der bekannten Steckverbinder dieses Push-Pull-Typs ist, dass jede Person, die Zugang zu dem Steckverbinder hat, ohne weitere Hilfsmittel einen solchen Steckverbinder lösen kann. Ein versehentliches, willkürliches oder unbefugtes Lösen kann mit den bekannten Steckverbindern vom komfortablen Push-Pull-Typ nicht verhindert werden.
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Zur Lösung schlägt die
DE 10 2013 112 103 A1 vor, dass ein zusätzliches Verriegelungselement vorgesehen ist, welches verschiebbar gelagert ist und in mindestens eine stabile Verriegelungsposition, in der die Verschiebung der äußeren Hülse bezüglich der inneren Baugruppe blockiert ist, und mindestens eine stabile Freigabeposition, in der die Verschiebung der äußeren Hülse bezüglich der inneren Baugruppe freigegeben ist, bringbar ist.
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Die
DE 20 2008 013 794 U1 offenbart eine Steckverbindungsvorrichtung mit zwei aus Steckerteil und Buchsenteil bestehenden Kupplungshälften zum Verbinden und Trennen mehradriger elektrischer Stark- und/oder Schwachstromleitungen, wobei jede Kupplungshälfte aus einem im Wesentlichen zylindrischen, elektrische Kontaktelemente aufnehmenden Gehäuse besteht, die beide mittels einer Überwurfhülse kuppelbar sind.
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Die Überwurfhülse umfasst an einem ihrer beiden offenen Enden eine radial nach innen vorstehende Nase für den Eingriff in eine Verriegelungsnut, die am Gehäuseende einer der beiden Kupplungshälften ausgebildet ist. Die Verriegelungsnut besteht aus einem in Umfangsrichtung verlaufenden Endabschnitt, in den ein axial oder schräg verlaufender Einführabschnitt mündet, wobei in der Überwurfhülse eine Torsionsfeder angeordnet ist, die sich mit einem Ende in der Überwurfhülse und mit dem anderen Ende an dem nicht mit der Verriegelungsnut versehenen Gehäuseende abstützt.
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Diese dreiteilige Steckverbindungsvorrichtung wird über ein Bajonettsystem gekoppelt bzw. entkoppelt. Die Torsionsfeder hat dabei die Wirkung einer Schließfeder, die im zusammengesteckten Zustand der beiden Kupplungshälften die Überwurfhülse automatisch in die Schließstellung dreht.
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Eine andere bekannte Steckverbindervorrichtung zeigt die
DE 20 2005 010 113 U1 . Vorgestellt wird eine Steckverbinderkupplung, bestehend aus einer ersten Kupplungshälfte, welche wenigstens ein Kupplungsgehäuse, einen darin untergebrachten Kontaktträger samt Kontaktelementen und einen den Kontaktträger und ggf. dessen Kontaktelemente zumindest über einen Teil ihrer axialen Länge hin umgreifenden, mit einem Außengewinde zum wahlweisen Aufschrauben einer drehbar mit einer zweiten Kupplungshälfte gekoppelten Überwurfmutter oder zum Anschluss eines drehbar mit einer zweiten Kupplungshälfte gekoppelten, mit Mitteln zur Herbeiführung einer Schnellverriegelung ausgestatteten Verbindungselementes geeigneten Bereich des Kupplungsgehäuses umfasst.
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Die Primärverriegelung ist wahlweise als Schraubverbindungen, beispielsweise mittels Überwurfmutter oder als Bajonettverriegelung ausgebildet. Als Sekundärverriegelung wird einem Steckverbindungspartner eine Rückdrehsicherung bzw. eine Sicherung gegen ungewolltes Verdrehen infolge von Vibrationen zugeordnet. Eine solche Rückdrehsicherung ist dadurch gebildet, dass die dem gewindelosen Verbindungselement der zweiten Kupplungshälfte zugeordnete Rückdrehsicherung bzw. Sicherung gegen ungewolltes Verdrehen infolge von Vibrationen aus mindestens einem am Küpplungsgehäuse der zweiten Kupplungshälfte festgelegten Federelement und einer diesem zugeordneten Raste am Innenumfang der das Verbindungselement bildenden Hülse besteht, wobei sich eine einfache Verwirklichung dadurch ergibt, dass das bzw. die am Kupplungsgehäuse der zweiten Kupplungshälfte festgelegten Federelemente durch radial vorspringende Blattfederabschnitte gebildet sind, denen kerbenförmige Rasten am Innenumfang der das Verbindungselement bildenden Hülse zugeordnet sind.
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Eine andere Sekundärverriegelungslösung in der Kombination mit einem Bajonett als Primärverriegelung zeigt die
DE 20 2010 017 274 U1 .
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An einem der Steckverbinder wird ein Sekundärverrieglungsmittel angebracht derart, dass das Primärverriegelungsmittel, vorzugsweise der Verriegelungsring, in seinem bestimmungsgemäßen verriegelten Zustand durch das Sekundarverriegelungsmittel in seiner Position gehalten wird. Durch bestimmungsgemäßes Lösen des Sekundarverrieglungsmittels lässt sich der Verriegelungsring aus seiner verriegelnden Position entriegeln und entgegen der Verriegelungsrichtung lösen. Die Sekundärverrieglung oder das Sekundärverrieglungsmittel ist als ein zwischen dem Steckverbinder und der Steckverbinderbuchse angeordneter Federpin ausgebildet. Als Federpin kann hierzu ein so genannter Pogopin verwendet werden.
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Der Pogopin ist derart aufgebaut, dass der Federpinstift in den Federpinkörper federnd eintauchen kann und bei Loslassen des Federpinstiftes aus diesem, entgegen einer Federkraft einer im Federpinkörper angeordneten Feder, wieder in seine Ursprungslage zurückkehren kann.
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Der Federpin wird an der Steckverbinderbuchse so angeordnet, dass er in einer Ausnehmung am Verriegelungsring des Steckverbinders nach Verriegelung des Verriegelungsringes eintauchen kann, indem der Federpinstift in einer Ausnehmung am Verriegelungsring eingreift und damit den Verriegelungsring gegen ein Lösen sichert. Am Ende des Verriegelungsvorgangs greift der Federpinstift in die entsprechende Sekundärverriegelungsausnehmung ein und legt die Primärverriegelung, vorzugsweise einen Verriegelungsring, in seiner bestimmungsgemäßen Position fest. Die Anordnung des Federpins relativ zu den Steckverbinderpartnern ist dabei immer so gewählt, dass die Federpinbewegung axial zum Steckverbinder in eine ebenfalls axial ausgerichtete Aussparung erfolgt.
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Weiterer druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet, welcher den Oberbegriff des Anspruch 1 wiederspiegelt, ist in den Dokumenten
US 7,988,479 B2 und
CN 208753591 U offenbart.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Steckverbinder bereitzustellen, der die zuvor genannten Nachteile wenigstens teilweise reduziert und insbesondere die ungewollte oder durch Umgebungseinflüsse auf die Steckverbindung unerwünschte Trennung der Steckverbindung verhindert. Einer sicherheitsrelevanten Trennung der unter Spannung stehenden Steckverbinder soll mit hoher Zuverlässigkeit entgegengewirkt werden.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Steckverbinder mit Verschlusssystem, insbesondere für Hochspannungssteckverbinder (DC-Stecker) mit einem Verschlusssystem gebildet aus einem Bajonettverschluss und einer funktionell gekoppelten Sekundärverriegelung gebildet aus wenigstens einem Sperrschieber.
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Das Verschlusssystem erfolgt erfindungsgemäß durch einen zweistufig wirkenden Bajonettverschluss, der in der Verschluss-Endlage durch die Sekundärverriegelung gegen unbeabsichtigtes Lösen gesperrt werden kann. Die Sekundärverriegelung ist durch wenigstens einen Sperrschieber, der entweder funktional-integrativer Bestandteil des Bajonettringes oder des zugeordneten Steckverbindergehäuses ist.
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Die wenigstens eine Steuerkulisse der bajonettprinzipbasierenden Verschlusslösung bietet einem zugordneten Zapfen zwei Rastpositionen, die durch die Z-förmige Erstreckung erreicht wird. Den beiden Rastpositionen ist eine erste und eine zweite Stecktiefe des korrespondieren Steckverbindergegensteckers zugeordnet.
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Der Bajonettring weist einen rotatorischen Freiheitsgrad auf, der zwei Endlagenpositionen unterstützt. Der Bajonettring so gestaltet, dass dieser wenigstens zwei Stellungen aufweist, welche durch eine Kombination von axiallinearer Verschiebung und Drehbewegung erreicht werden können. Eine der Endlagenpositionen unterstützt einen entriegelten Zustand des Verschlusssystems, die andere Endlagenposition unterstützt die Sperrposition. In der entriegelten Position (wenn Stecker und Gegenstecker getrennt werden können) kann der jeweils zugeordnete Zapfen durch die Steuerkulisse bewegt werden. In der Sperrposition des Bajonettrings kann die funktionell gekoppelte Sekundärverriegelung aktiviert sein, sodass die Bewegung aus der Sperrposition in der Steuerkulissennut gesperrt ist mit der Folge das der Steckverbinder nicht gelöst werden kann.
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Die als Sperrschieber ausgebildete Sekundärverriegelung ist in eine Position verschiebbar, die eine Bewegung des Zapfens in der Steuerkulisse durch Anschlag unterbindet und diesen in der Sperrstellung verrastet. Gleichzeitig und integrativ ist der rotative Freiheitsgrad des Bajonettrings blockiert, sodass der Bajonettring nicht aus seiner Gesperrtstellung hinausbewegt werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Steckverbinder mit Verschlusssystem, insbesondere für Hochspannungssteckverbinder mit Verschlusssystem und Sekundärverriegelung, werden nicht nur eine Reihe der zuvor genannten Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise reduziert, sondern weitere Vorteile erzielt:
- - In der Sperrposition ist die Schock- und/oder Vibrationsfestigkeit erhöht. Ein selbständiges Drehen des Sperrrings durch Vibrationen kann ausgeschlossen werden, da der Ring mittels der Sekundärverriegelung gebildet aus wenigstens einem Sperrschieber in Sperrposition gehalten wird;
- - um unbefugtes Lösen der Steckverbindung kann durch die optionale Gestaltung der Sperrposition verhindert werden, dadurch, dass die Sekundarverriegelung nur durch ein Werkzeug freigegeben wird;
- - die Z-kurvenförmige Ausbildung der Bajonettkulisse erzwingt eine zweigestufte Bewegungskinematik, sodass ein schnelles Trennen der Steckverbindung verhindert wird.
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Zur Vermeidung eines Lichtbogens werden beim Ziehen des Steckverbinders zunächst zwei Schaltkontakte freigeschaltet, welche das System veranlassen die Spannung abzuschalten. In dieser Zeit muss der Hochstromkontakt noch gesteckt bleiben. Um im System Kapazitäten und Induktivitäten abzubauen, sollte nach dem Trennen der zwei Schaltkontakte ein kurzer Zeitraum zum Abbau der Ladung gewährleistet sein. Im Falle der zweistufigen Bewegungskinematik infolge der Z-kurvenförmigen Bajonettkulisse, muss nach Erreichen der Zapfenposition in die Z-Kurve (Zwischenstufe, ersten Rastposition) zuerst eine axiale und anschließend eine rotatorische Bewegungskomponente der Steckverbinderelemente zueinander realisiert werden, um die Steckverbindung und die Kontaktierung der Steckkontaktpins zu lösen. Mit dem durch die Bewegungskinematik erforderlichen Zeitbedarf ist sichergestellt, dass die Steckkontakte vor dem eigentlichen Lösen spannungsfrei geschaltet sind und eine Lichtbogenbildung nicht auftritt - die geometrische Ausgestaltung der Sekundärverriegelung als weitgehend formgleiches Gegenstück der durch die Bajonettkulisse für den zugeordneten Zapfen vorgegebenen Bewegungsbahn verhindert die fehlerhafte Verriegelung außerhalb der definierten Sperrposition, welche durch die Endposition des Zapfens in der Bajonettkulisse im Kulissengrund definiert ist. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 die perspektivische und die stirnseitige Ansicht des Steckverbindergehäuses mit Steckverbinder mit Verschlusssystem in einer Geöffnetstellung („unlock“) des Verschlusssystems;
- 2 die dreidimensionale sowie die Draufsicht auf den Sockelgegenstecker mit Zapfen und Hülsenabschnitt;
- 3 die Seitenansichten auf das Steckverbindergehäuse mit Steckverbinder mit Verschlusssystem und der Sekundärverriegelung in unversperrter (obere Abbildung, „unlock“) und versperrter (untere Abbildung, „lock“) Position.
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1 umfasst die perspektivische und die stirnseitige Ansicht des Steckverbindergehäuses 140 mit Steckverbinder mit Verschlusssystem 100 in einer Geöffnetstellung („unlock“) des Verschlusssystems 100. Primäre Bestandteile des Verschlusssystems 100 dieses Ausführungsbeispiels sind das Verschlusssystem 100, gebildet durch den Bajonettring 110, zusammenwirkend mit wenigstens einem Zapfen 151 des Steckverbindergegensteckers 150 und die Sekundärverriegelung gebildet durch den Sperrschieber 160.
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Das Steckverbindergehäuse 140 ist in diesem Beispiel mit dem Bajonettring 110 einteilig ausgeführt, beispielsweise hergestellt in einem Kunststoffspritzgussverfahren unter Verwendung eines entsprechend mehrteiligen Werkzeuges mit Schiebern. Auch gebaute Anordnungen sind möglich, bei welchen die Gesamtanordnung mehrteilig aufgebaut und gefügt ist.
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Die Bewegungskinematik des Verschlusssystems erfolgt dem Bajonettprinzip folgend rotatorisch im Umfang einer Teilkreisbewegung und kombiniert mit einem axiallinearen Bewegungsanteil infolge der Z-förmigen Steuerkulisse 116, die Sekundärverriegelung gehorcht einer Linearbewegung in axialer Richtung des Steckverbindergehäuses 140. Die als Sperrschieber 160 realisierte Sekundärverriegelung ist ringförmig mit wenigstens einem Eingriff 161 ausgebildet und außenseitig an und beweglich mit dem Steckverbindergehäuse 140 gekoppelt.
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Die Steckverbinderkontaktierung erfolgt axial zentrisch mit einem vorzugsweise rund ausgebildeten Steckkontakt. Im gezeigten Beispiel ist die Kontaktierung mittels einer Lamellenkontaktbuchse 141 vorgesehen.
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In 1 ist eine Anordnung von drei Steuerkulissen, Zu-/Ablaufnuten 116, 116' symmetrisch am Umfang des Steckverbindergehäuses 140 bzw. am Umfang gleichmäßig verteilt gezeigt. Diese aus statischen Gründen häufig vorteilhafte Gestaltung kann je nach Einsatzgebiet oder Umfeldbedingungen auch abweichend konstruiert werden, beispielsweise asymmetrisch oder mit einem, zwei oder mehr als drei funktional zusammenwirkenden Steuerkulissenanordnungen. Korrespondierend und kongruent zu Anzahl und Lage der Steuerkulissen, Zu-/Ablaufnuten 116, 116' sind sowohl die Eingriffe 161 des Sperrschiebers 160 als auch die Ausnehmungen 113 des Bajonettrings 110 vorgesehen.
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Die 2 zeigt die dreidimensionale Darstellung sowie die Draufsicht auf den Sockelgegenstecker 150 mit Zapfen 151 und Hülsenabschnitt 152. Konzentrisch mit einem stirnseitig im Steckverbindergehäuse 140 angeordneten Ringspalt wird der Hülsenabschnitt 152 in diesen eingeführt und der sich radial nach außen erstreckende wenigstens eine Zapfen 151 in die Zu-/Ablaufnut 116' eingefädelt, um zunächst das Verschlusssystem 100 zu bewerkstelligen und nach Erreichen der Endposition durch die Sekundärverriegelung zu sichern. Im Innern des Sockelgegensteckers 150 sind vorzugsweise die Kontaktierungselemente zur Herstellung der elektrisch leitenden Verbindung angeordnet (nicht dargestellt). Für die Realisierung der Steckverbindung ist es unerheblich, ob die Kinematik des Verschlusssystems 100 durch das Steckverbindergehäuse 140 oder den Sockelgegenstecker 150 oder eine Bewegungskombination - sequentiell oder überlagernd - beider Steckpartner geleistet wird. Bei der dargestellten möglichen Ausführungsform des Gegensteckers als Sockelgegenstecker 150 ist dieser über Bohrungen 154 vorzugsweise festgelegt, sodass die Bewegungskinematik durch das Steckverbindergehäuse 140 vollständig bewerkstelligt wird.
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3 umfasst die Seitenansichten auf das Steckverbindergehäuse mit Steckverbinder mit Verschlusssystem 100 und der Sekundärverriegelung 160 in unversperrter (obere Abbildung, „unlock“) und versperrter (untere Abbildung, „lock“) Position, wobei beide Darstellungen die Primärverriegelung in ihrer verbundenen Endlage dadurch darstellen, dass der wenigstens eine zugeordnete Zapfen 151 in der endlagigen Rastposition, Sperrposition 117 in der Steuerkulisse 116 steht.
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Die Sekundärverriegelung wird aktiviert, indem der Sperrschieber 160 aus der Geöffnetposition „unlock“ axial in die Geschlossenposition „lock“ bewegt wird und der Eingriff 161 in die Ausnehmung 113 des Bajonettrings 110 eingefahren wird. Der Eingriff 161 ist das konturkongruente Gegenstück zur Ausnehmung 113 sowie der Z-kurvenförmigen Ausbildung der Steuerkulisse 116 und verriegelt mit einer Eingriffsschulter den zugeordneten Zapfen 151 in seiner Sperrposition 117, sodass die Rotationskinematik des Verschlusssystems 100 gesperrt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steckverbinder mit Verschlusssystem
- 110
- Bajonettring
- 113
- Ausnehmung
- 116
- Bajonettkulisse, Steuerkulisse
- 116'
- Zu-/Ablaufnut
- 117
- Sperrposition
- 140
- Steckverbindergehäuse
- 141
- Lamellenkontaktbuchse
- 142
- Signalkontaktierung
- 146
- Bajonettkulisse, Bajonettnut, Steuerkulisse
- 146'
- Zu-/Ablaufnut
- 147
- Rastposition, Sperrposition
- 148
- Zwischenrastposition
- 150
- Sockelgegenstecker, Steckverbindergegenstecker
- 151
- Zapfen
- 152
- Hülsenabschnitt
- 153
- Sockelplatte, Flanschplatte
- 154
- Bohrung
- 160
- Sekundärverriegelung, Sperrschieber
- 161
- Eingriff
