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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steckverbinder mit dem unter hygienisch anspruchsvollen Bedingungen eine elektrische Verbindung zu einem Gerät hergestellt werden kann. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Gerät, das sowohl mit diesem Steckverbinder als auch mit herkömmlichen Schraubsteckverbindern verbunden werden kann. Der Steckverbinder und das Gerät bilden zusammen ein System, das hohen hygienischen Anforderungen genügt.
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Stand der Technik
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Beim Einsatz von Sensoren in der Lebensmittelindustrie bestehen an Steckverbindungen besondere Anforderungen hinsichtlich der hygienischen Bedingungen. Es muss eine hohe Dichtigkeit und Spaltfreiheit gewährleistet werden, um die Bildung von Bakteriennestern zu verhindern. Enge Spalten, Absätze, Hinterschnitte, Taschen und offene Gewinde sollten deshalb vermieden werden. Auch Metall-Metall-Kontakte können dazu führen, dass die Steckverbindung hohen hygienischen Anforderungen nicht genügt. Die Erfüllung hoher hygienischer Standards wird beispielsweise durch die EHEDG (European hygienic engineering design group) zertifiziert.
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Die
DE 20 2011 051 244 U1 beschreibt einen Sensor zur Verwendung in hygienisch anspruchsvollen Umgebungen. Eine Verbindung zwischen dem Sensor und seinem Anschlusskabel wird durch eine konische Dichtung abgedichtet. Diese ist allerdings nicht spaltfrei. Zudem wird im Anschlussbereich zwischen dem Sensor und dem Kabel eine lose Hülse verwendet, welche die Steckverbindung umgibt. Diese lose Hülse ist nicht verlustsicher.
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Die
EP 3 293 834 A1 beschreibt einen Schraubsteckverbinder zum Einsatz in hygienisch anspruchsvollen Umgebungen. Auch dieser weist eine konische Dichtung auf, die nicht spaltfrei ausgeführt ist. Zudem weist er eine Radialdichtung auf, die nicht reibungsfrei ist. Eine reibende Dichtung kann jedoch ein Eindringen von Verunreinigungen ermöglichen. Reibung erzeugt nämlich einen Verschleiß der Dichtung. Zusätzlich lässt sich der Schraubsteckverbinder schwer aufschrauben, was die Handhabung beeinträchtigt, und es gibt keine eindeutige haptische Rückkopplung, wann der Stecker fest ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Steckverbinder bereitzustellen, der eine spaltfreie und leicht zu reinigende Steckverbindung zu einem elektrischen Gerät ermöglicht. Er sollte insbesondere ohne Zuhilfenahme eines Werkzeugs mit einem Gerät verbunden werden können. Außerdem sollte der Steckverbinder eine eindeutige haptische Rückkopplung ermöglichen, wann er fest und damit dicht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Gerät bereitzustellen, das eingerichtet ist, um mittels des Steckverbinders elektrisch kontaktiert zu werden, der aber im Bedarfsfall auch mit herkömmlichen Schraubsteckverbindern verbunden werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in einem Aspekt der Erfindung durch einen Steckverbinder gelöst, der eine zylinderförmige, insbesondere kreiszylinderförmige, Hülse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende aufweist. In der Hülse ist ein zylinderförmiger, insbesondere kreiszylinderförmiger, Kontaktträger mit mehreren elektrischen Kontaktelementen angeordnet. Bei den elektrischen Kontaktelementen handelt es sich insbesondere um Federelemente (female contact). In einer anderen Ausführungsform des Steckverbinders kann es sich bei den elektrischen Kontaktelementen allerdings auch um Messerelemente (male contact) handeln. Die Kontaktelemente sind dem ersten Ende der Hülse zugewandt. Der Außendurchmesser des Kontaktträgers ist kleiner als der Innendurchmesser der Hülse. Hierdurch bleibt zwischen dem Außenmantel des Kontaktträgers und dem Innenmantel der Hülse ein Freiraum, welcher einen Kontaktträger eines Geräts, insbesondere eines Sensors, aufnehmen kann. Hierzu beträgt der Innenradius der Hülse vorzugsweise mindestens drei Millimeter.
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In dem erfindungsgemäßen Steckverbinder ist vorgesehen, dass der Kontaktträger drehbar in der Hülse angeordnet ist. Zudem sind mindestens zwei Bajonettstifte, vorzugsweise genau zwei Bajonettstifte, an einem Innenmantel der Hülse angeordnet. Diese ermöglichen es, den Steckverbinder mittels einer Bajonettverbindung mit einem Gerät zu verbinden. Beim Herstellen der Bajonettverbindung greifen elektrische Kontaktelemente des Steckverbinders und des Geräts bereits ineinander, während die Bajonettstifte noch einer Bajonettbahn folgen. Um eine Drehbewegung des Steckverbinders relativ zum Gerät zu ermöglichen, die erforderlich ist, um die Bajonettverbindung zu schließen, erlaubt die Verdrehbarkeit des Kontaktträgers relativ zur Hülse, dass die Hülse, welche mit den Bajonettstiften verbunden ist, gedreht wird während der Kontaktträger des Steckverbinders sich relativ zu einem Kontaktträger des Geräts nicht bewegt.
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Um mittels des Steckverbinders eine elektrische Kontaktierung des Geräts vornehmen zu können, verläuft ein Kabel von dem Kontaktträger des Steckverbinders ausgehend durch das zweite Ende der Hülse. Dabei ist es an dem zweiten Ende unverdrehbar in einem fluiddichten Abdichtkörper befestigt.
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Dieser Abdichtkörper verschließt das zweite Ende der Hülse, sodass ein Eindringen von Flüssigkeiten in die Hülse durch das zweite Ende verhindert wird.
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Weiterhin weist die Hülse einen ersten Innenbereich und einen zweiten Innenbereich auf. Der erste Innenbereich ist dem ersten Ende der Hülse zugewandt und der zweite Innenbereich ist dem zweiten Ende der Hülse zugewandt. Die Bajonettstifte sind im ersten Innenbereich angeordnet. Weiterhin ragt das Ende des Kontaktträgers, über welches eine Kontaktierung seiner elektrischen Kontaktelemente mittels Kontaktelementen eines Geräts möglich ist, in den ersten Innenbereich hinein. Deshalb muss der erste Innenbereich über das erste Ende der Hülse zugänglich und somit offen sein.
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Das Kabel verläuft verdrehbar durch den zweiten Innenbereich. In herkömmlichen Steckverbindern, welche einen Kontaktträger aufweisen, der so von einer zylinderförmigen Hülse umgegeben ist, dass diese einen Kontaktträger eines Geräts aufnehmen kann, ist der Kontaktträger des Steckverbinders unverdrehbar zu seinem Abdichtkörper angeordnet. Wenn eine Schraubsteckverbindung zwischen dem Steckverbinder und dem Gerät geschaffen wird, wird auf diese Weise verhindert, dass Scherkräfte auf das Kabel wirken, welches an dem Steckverbinder angeordnet ist. Während eine fluiddichte Abdichtung am Abdichtkörper nur gewährleistet werden kann, wenn sich das Kabel im Abdichtkörper nicht drehen kann, ist in dem erfindungsgemäßen Steckverbinder eine Fixierung des Kabels im zweiten Innenbereich beispielsweise durch eine Vergussmasse nicht erforderlich und vorteilhafterweise auch nicht erwünscht. Indem der Teil des Kabels, der im zweiten Innenbereich zwischen dem Kontaktträger und dem Abdichtkörper verläuft, in sich verdreht werden kann, ohne dass diese Verdrehung durch eine Befestigung des Kabels im zweiten Innenbereich behindert wird, ist eine ausreichende Drehung des Kontaktträgers in der Hülse möglich, um einer Bajonettbahn zu folgen, ohne dass hierbei inakzeptabel hohe Scherkräfte auf das Kabel wirken würden.
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Die Bajonettstifte sind vorzugsweise halbkugelförmig ausgeführt, um ihre nahezu spielfreie Führung in einer Bajonettbahn des Geräts zu ermöglichen.
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Um eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Steckverbinder und dem Gerät zu erreichen, ist an dem ersten Ende der Hülse vorzugsweise eine Flachdichtung angeordnet. Insbesondere greift diese in eine ringförmig um die Hülse umlaufende Nut ein, um die Flachdichtung so fest mit der Hülse zu verbinden. Bei schließender Bajonettverbindung wird die Flachdichtung an ein Gerät angepresst, sodass eine spaltfreie Abdichtung zwischen Steckverbinder und Gerät geschaffen wird. Damit wird sichergestellt, dass es keine Kavitäten gibt, in denen sich Bakterien ansammeln können. Zusätzlich hält der Steckverbinder so eine Reinigung mit einem Hochdruckstrahl aus, was einer Schutzklasse von IP69K entspricht.
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Wenn der Steckverbinder nicht mit einem für die Bajonettverbindung eingerichteten Gerät verbunden wird, so dass die Flachdichtung nicht an das Gerät angepresst wird, kann keine hygienische Verbindung erreicht werden. Um in diesem Fall jedoch sicherzustellen, dass die Verbindung der elektrischen Kontaktelemente des Steckverbinders mit elektrischen Kontaktelementen des Geräts gemäß der Schutzklasse IP67 dicht sind, ist es bevorzugt, dass an dem Kontaktträger ein Dichtring, insbesondere ein O-Ring, angeordnet ist.
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Wird der erfindungsgemäße Steckverbinder mit dem erfindungsgemäßen Gerät verbunden, so bilden diese ein System, in dem die Flachdichtung des Steckverbinders auf einer Anschlagfläche des Geräts aufliegt.
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Das Gerät ist insbesondere ein Sensor, bei dem es sich beispielsweise um einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen optischen Sensor oder ein Ultraschallsensor handeln kann. Das Gerät weist einen zylinderförmigen, insbesondere kreiszylinderförmigen, Kontaktträger mit mehreren elektrischen Kontaktelementen auf. Die elektrischen Kontaktelemente sind insbesondere Messerelemente. In einer anderen Ausführungsform des Steckverbinders kann es sich bei den elektrischen Kontaktelementen allerdings auch um Federelemente handeln. Ein Außengewinde umschließt den Kontaktträger teilweise. Die Verwendung eines solchen Außengewindes ermöglicht es, das Gerät mittels herkömmlichen Schraubsteckverbindern wie beispielsweise einem M12-Stecker zu kontaktieren.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Außengewinde mehrere Bajonettbahnen aufweist. In diesen können die Bajonettstifte des Steckverbinders gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung geführt werden. Es ist also nicht nur möglich einen herkömmlichen Schraubsteckverbinder an dem Außengewinde anzuschrauben, sondern auch ein erfindungsgemäßer Steckverbinder kann mit einem solchen Gerät verbunden werden. Dabei erfolgt keine Verschraubung des Außengewindes mit einem korrespondierenden Innengewinde, die dem erfindungsgemäßen Steckverbinder fehlt. Stattdessen wird jeder Bajonettstift des Steckverbinders durch eine Bajonettbahn des Geräts geführt, um so eine Bajonettverbindung zwischen dem Steckverbinder und dem Gerät zu schließen.
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Das Gerät weist eine Anschlagfläche für eine Flachdichtung auf. Diese kann insbesondere so ausgeführt sein, dass das Gehäuse des Geräts einen ersten zylinderförmigen, insbesondere kreiszylinderförmigen, Bereich mit einem ersten Außendurchmesser aufweist, an dem sich ein zweiter kreiszylinderförmiger Bereich anschließt, an dessen Außenmantel zumindest teilweise das Außengewinde angebracht ist. Dabei ist der Außendurchmesser des zweiten Bereichs kleiner als der Außendurchmesser des ersten Bereichs. Die so entstehende Stufe zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich dient als Anschlagfläche für die Flachdichtung, um so eine spaltfreie hygienische Verbindung zwischen dem erfindungsgemäßen Steckverbinder und dem erfindungsgemäßen Gerät zu ermöglichen.
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In dem System greifen die Bajonettstifte des Steckverbinders vorzugsweise in die Bajonettbahn des Geräts ein, um so den Steckverbinder mit dem Gerät zu verbinden und die Flachdichtung an die Anschlagfläche anzudrücken.
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Eine Bajonettbahn weist jeweils eine Ansetzstellung und eine Raststellung auf. Unter der Ansetzstellung wird dabei die Stellung verstanden, in der ein Bajonettstift vom offenen Ende der Bajonettbahn aus in diese eingeführt werden kann. Die Raststellung bildet das Ende der Bajonettbahn. Wenn ein Bajonettstift seine Raststellung erreicht hat, ist die Bajonettverbindung geschlossen. In dem System aus Steckverbinder und Gerät ist es bevorzugt, dass ein Verdrehwinkel zwischen dem Steckverbinder und dem Gerät in der Ansetzstellung und der Raststellung gleich ist. Dies bedeutet, dass die Ansetzstellung und die Raststellung beide auf einer Geraden liegen, die parallel zur gemeinsamen Längsachse des Geräts und des Steckverbinders verläuft. Diese Ausführung der Bajonettbahn hat den Vorteil, dass der drehbar im Steckverbinder gelagerte Kontaktträger in der Raststellung in dieselbe Position zurückkehrt, welche er in der Ansetzstellung hatte. Der Kontaktträger des Steckverbinders ist relativ zu den Bajonettstiften vorzugsweise so angeordnet, dass das Kabel des Steckverbinders in der Ansetzstellung und damit auch in der Raststellung jeweils nicht verdreht ist. Dies führt dazu, dass das Kabel lediglich während die Bajonettstifte der Bajonettbahn folgen im zweiten Innenbereich verdrillt wird und damit Scherkräfte auf das Kabel einwirken. Sowohl in der verrasteten Stellung als auch in der Stellung, in der der Steckverbinder vom Gerät gelöst ist, befindet sich das Kabel hingegen in einer Neutralstellung. Dies hat den Vorteil, dass es zu keiner Materialermüdung des Kabels kommt.
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Um sicherzustellen, dass an der Oberfläche des Steckverbinders keine Substanzen anhaften können, welche als Nährboden für Bakterien dienen könnten, weisen alle Oberflächen des Steckverbinders vorzugsweise einen arithmetischen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4287:2010 von maximal 0,8 µm auf. Dasselbe gilt vorzugsweise auch für alle Oberflächen des Geräts.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1a zeigt eine isometrische Darstellung eines Steckverbinders gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 1b zeigt eine andere isometrische Darstellung des Steckverbinders gemäß 1a.
- 1c zeigt eine Schnittdarstellung des Steckverbinders gemäß den 1a und 1b.
- 2a zeigt eine isometrische Darstellung eines Geräts, welches ein Bestandteil eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist.
- 2b zeigt eine Schnittdarstellung des Geräts gemäß 2a.
- 3a zeigt eine isometrische Darstellung eines Systems aus einem Steckverbinder und einem Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3b zeigt eine Schnittdarstellung des Systems gemäß 3a.
- 4 zeigt schematisch den Verlauf einer Bajonettbahn eines Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Ein Steckverbinder 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 1a bis 1c dargestellt. Er weist eine Hülse 110 auf, die im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Metall besteht und einen Außensechskant aufweist. Die Hülse 110 verfügt über ein erstes Ende 111 und ein zweites Ende 112. An dem ersten Ende 111 ist eine Flachdichtung 120 angeordnet. Diese greift mit einer nach Innen weisenden ringförmig umlaufenden Lippe in eine außen um die Hülse 110 umlaufende ringförmige Nut ein, sodass die Flachdichtung 120 fest an dem ersten Ende 111 der Hülse 110 angebracht ist. An dem zweiten Ende 112 ist ein Abdichtkörper 130 angesetzt, der aus einem Kunststoff besteht. Ein Kabel 140 verläuft von außen durch den Abdichtkörper 130 hindurch in die Hülse 110 hinein. Es ist fluiddicht und verdrehsicher in dem Abdichtkörper 130 befestigt. In der Hülse 110 endet das Kabel 140 in einem Kontaktträger 113, der aus einem Kunststoff besteht. In diesem sind fünf Federelemente 114a - 114e angeordnet, die elektrisch mit dem Kabel 140 verbunden sind. Zwei halbkugelförmige Bajonettstifte 115a, 115b, die vorliegend aus Metall bestehen, sind so am Innenmantel der Hülse 110 angeordnet, dass sie sich nahe des ersten Endes 111 gegenüberstehen. Der Kontaktträger 113 ist kreiszylinderförmig mit einem sich stufenweise ändernden Außendurchmesser ausgeführt. Er reicht teilweise in einen ersten Innenraum 116 und teilweise in einen zweiten Innenraum 117 der Hülse 110 hinein. Der erste Innenraum 116 ist zum ersten Ende 111 hin offen. In ihm sind die Bajonettstifte 115a, 115b angeordnet. Im ersten Innenbereich 116 ist der Innendurchmesser der Hülse 110 größer als der Außendurchmesser des Kontaktträgers 113, sodass zwischen diesen ein ringförmiger Freiraum freibleibt. Der zweite Innenbereich 117 ist dem zweiten Ende 112 zugewandt. Er nimmt einen Teil des Kontaktträgers 13 sowie einen Teil des Kabels 140 auf. Dabei berührt das Kabel 140 im zweiten Innenbereich 117 den Innenmantel der Hülse 110 nicht. Ein in Form eines O-Rings ringförmig um den Kontaktträger 113 umlaufender Dichtring 118 ist im ersten Innenbereich 116 in der Nähe des Übergangs zum zweiten Innenbereich 117 angeordnet.
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Der Kontaktträger 113 ist drehbar in der Hülse 110 gelagert. Da bei einer Drehung des Kontaktträgers 113 das Ende des Kabels 114, welches den Kontaktträger 113 kontaktiert, mit diesem mitgedreht wird, während der im Abdichtkörper 130 fixierte Bereich des Kabels 140 nicht verdreht werden kann, kommt es beim Drehen des Kontaktträgers 113 zu einer Verdrillung des Kabels 140 im zweiten Innenbereich 117. Die Verdrillbarkeit des Kabels 140 begrenzt die Drehbarkeit des Kontaktträgers 113.
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In den 2a und 2b ist ein Kontaktbereich eines Geräts 200 dargestellt, welches als Sensor ausgeführt ist. Dieser weist ein Sensorgehäuse 210 auf, in dem ein Kontaktträger 220 angeordnet ist. Der Kontaktträger 220 trägt elektrische Kontaktelemente 221a, 221b in Form von Messerelementen. An dem Ende des Geräts, welcher die elektrischen Kontaktelemente 221a, 221b aufweist, ist das Sensorgehäuse 210 offen, sodass ein Kontaktbereich zur Kontaktierung des Steckverbinders 100 entsteht. In Richtung des Kontaktbereiches erfolgt eine stufenförmige Verkleinerung des Außendurchmessers des Sensorgehäuses 210, sodass eine Anschlagfläche 211 entsteht, die ringförmig um den verjüngten Bereich des Sensorgehäuses 210 umläuft. Ein Teil des verjüngten Bereiches weist ein Außengewinde 230 auf, welches zum Aufschrauben eines Standard-M12-Schraubsteckverbinders eingerichtet ist. In diesem Außengewinde 230 sind zwei Bajonettbahnen 240 ausgebildet. Eine der Bajonettbahnen 240 ist in 2a dargestellt. Die zweite Bajonettbahn 240 liegt der dargestellten Bajonettbahn 240 gegenüber und ist deshalb in 2a nicht sichtbar.
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In den 3a und 3b ist ein System 300 dargestellt, in dem der Steckverbinder 100 mit dem Gerät 200 verbunden ist. Die Bajonettstifte 115a, 115b sind hierbei entlang den Bajonettbahnen 240 gefahren, um so eine Bajonettverbindung zwischen dem Steckverbinder 100 und dem Gerät 200 zu bilden. Dabei wird die Flachdichtung 120 auf die Anschlagfläche 211 angedrückt. Der Kontaktträger 220 greift teilweise in den ersten Innenbereich 116 des Steckverbinders 100 ein. Dadurch wurden seine elektrischen Kontaktelemente 221a, 221b in die elektrischen Kontaktelemente 114a bis 114e des Steckverbinders 100 eingeführt.
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4 zeigt eine der Bajonettbahnen 240, welcher einer der Bajonettstifte 115a, 115b beim Bilden der Bajonettverbindung gefolgt ist. Die Bajonettbahn 240 weist eine Ansetzstellung 241 und eine Raststellung 242 auf. Diese liegen beide auf einer Geraden 243, die parallel zur gemeinsamen Längsachse des Steckverbinders 100 und des Geräts 200 verläuft. Der Kontaktträger 113 des Steckverbinders 100 ist relativ zu den beiden Bajonettstiften 115a, 115b so angeordnet, dass es möglich ist die elektrischen Kontaktelemente 221a, 221b des Geräts 200 in die elektrischen Kontaktelemente 114a - 114e des Steckverbinders 100 einzuführen und gleichzeitig die Bajonettstifte 115a, 115b in die Ansetzstellungen 241 der Bajonettbahnen 240 einzuführen, ohne dabei das Kabel 140 innerhalb des Steckverbinders 100 zu verdrillen. Wenn die Bajonettstifte 115a, 115b dann entlang der Bajonettbahnen 240 geführt werden, erfolgt zunächst eine Verdrillung des Kabels 140 im Steckverbinder 100 bis dieses schließlich in der Raststellung 242 wieder in seine unverdrillte Neutralstellung zurückkehrt. Das System 300 ist nun verrastet, ohne dass noch eine Verdrillung des Kabels 140 bestünde, durch welche Scherkräfte auf diese einwirken würden.
