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Die Erfindung betrifft eine Kontaktbuchse zur Übertragung elektrischer Energie durch lösbare Kontaktierung mit einem Kontaktpin.
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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 und deren Ausgangsmaterial aus einem flächigen Kontaktgitter besteht, dass mit hyperbolischem Drall in die Rundkontaktgeometrie gebracht wird. Diese als RADSOK bekannt gewordenen Kontaktsysteme zeichnen sich durch robuste und hochdichte Kontaktherstellung infolge der erheblichen Kontaktfläche zum jeweiligen Kontaktpin aus. Alternativ sind anstelle der hyperbolischen Verdrehsituation nach innen gerichtete Lamellengeometrien bekannt, dessen Lamellenkontaktgitter radialsymmetrisch ausgerichtet ist.
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Diese vorzugsweise als Hochstromkontaktbuchsen verwendeten Kontaktgeometrien sind folglich als Radialkontaktbuchsen oder hyperbolische Kontaktbuchsen bekannt.
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RADSOK-Kontaktsysteme der vorgenannten Art werden über ihre in der Regel zylindrischen Außenkonturen in Steckverbinderbuchsenhülsen aufgenommen und realisieren die Kontaktierung außenseitig über die Zylinderflächen. Die
DE 10 2007 051 266 B4 basiert auf der Grundidee, eine einzige Steckverbinderbuchsenhülse bereitzustellen, die so ausgebildet ist, dass unterschiedliche Lamellenkontaktkäfige in Form von RADSOK-Kontaktbuchsen aufgenommen werden können, welche flächig an der Innenseite der Kontakthülse zur Anlage kommt.
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Einen vergleichbaren Grundaufbau zeigt die
DE 20 2016 100 095 U1 . Erfindungsgegenstand hier ist die Kopplung, Verbindung, Kontaktierung des zylinderförmigen Lamellenkäfigs „fliegend“ innerhalb der aufnehmenden Steckverbinderbuchsenhülse, dadurch, dass nur eine der die jeweils endseitigen Bunde beispielsweise durch Presspassung in der Buchse festgelegt wird. Es ist eine elektrische Steckverbinderbuchse umfassend eine zylindrische Buchsenhülse vorgesehen, welche mit einem Aufnahmeraum ausgebildet ist, in dem ein zylinderförmiger Lamellenkäfig mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden Kontaktlamellen eingeschoben ist, wobei der Lamellenkäfig über einen ersten und zweiten endseitig umlaufenden Bundsteg verfügt zwischen denen die Kontaktlamellen verlaufen. Der Lamellenkäfig wird an dem einen Ende zumindest axial und bevorzugt auch drehfest in der Buchsenhülse festgelegt und dadurch eingespannt bzw. befestigt und an dem anderen gegenüberliegenden Ende eine axiale und zumindest um einen gewissen Drehwinkel drehbare Gleitlagerung gegenüber der Buchsenhülse vorgesehen ist. Vorzugsweise wird der Lamellenkäfig mit seinem einen Bundsteg mittels hülsenseitigem Befestigungsmittel an der Innenwand der Buchsenhülse befestigt.
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Insbesondere bei Kontaktierungsaufgaben im Hochstrombereich - beispielsweise zur Aufladung von Batterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder die elektrische Kontaktierung der Fahrzeugbatterie mit den Verbrauchern im Fahrzeug - ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die elektrische Kontaktierung der Steckverbindungspartner sehr zuverlässig ist. Auf derartige Steckverbindungen und deren Kontaktierungselemente, die häufig aus einer oder mehrerer Paarungen, bestehend aus Steckkontaktpin und Steckkontaktbuchse aufgebaut sind, können unterschiedliche Einflüsse einwirken, beispielsweise mechanische Belastungen, Vibrationen, Stöße, Alterungseinflüsse. Auch möglich sind erhebliche Temperatureinflüsse verursacht durch Umweltbedingungen oder infolge der Eigenerwärmung verursacht durch die fließende elektrische Leistung und den Eigenwiderstand der stromführenden Teile. Besonders relevant kann die Eigenerwärmung sein an den Kontaktstellen, da kontaktkraftbedingt die Kontaktflächen klein und somit ein quasi geometrisch verursachter hoher Widerstand vorliegen kann. Aus diesem Grund ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die Kontaktkraft - genauer: die Kontaktnormalkraft - möglichst hoch und dauerhaft gleichbleibend ist, um die Kontaktpartner, meist gebildet durch Kontaktpin und Kontaktbuchse für deren elektrisch Kontaktierung an dessen Kontaktflächen aneinanderzupressen.
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Die im Stand der Technik verfügbaren Kontaktbuchsen wie beispielsweise die erwähnten RADSOK-Buchsen oder auch deren Steckkontaktpartner, die Steckkontaktpins werden sowohl bildsame Formgebungsverfahren wie beispielsweise Stanzen, Rollen und geeignete Werkstoffe mit federnden Eigenschaften eingesetzt, um die erwünschten Federwirkungen durch Rückstellkräfte zu erzeugen die genutzt werden, um vorzugsweise elastische Anpresskräfte der Kontaktpartner an ihren Kontaktflächen zu erzeugen. Dabei wird die Leistungsfähigkeit der Steckkontaktverbindung durch auftretenden Temperatureinwirkungen begrenzt, dadurch, dass höheren Temperaturen ein Federkraftverlust infolge von Relaxierungsvorgängen, Materialkriechen und Eigenspannungsabbau bewirken. Dies gilt insbesondere für Kupfer und Kupferlegierungen, da Kupfer neben seiner generell niedrigen Elastizitätseigenschaft vor allen bereits bei niedrigen Temperaturen „weich“ wird.
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Werden die Steckkontaktpartner derart konstruiert und aus Werkstoffen wie beispielsweise Federstahl gebildet, ist es zwar möglich, auch sehr hohe Kontaktnormalkräfte zu erzeugen, welche die Kontaktflächen der Steckkontaktpartner zuverlässig aneinanderdrücken, aber es ergeben sich häufig Montageprobleme, dadurch, dass das Zusammenstecken der Kontaktpartner hohe Steckkräfte erfordert, welche die Montage erschweren oder den Einsatz von Werkzeugen erfordern.
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Um die Problematik der sich durch hohe Steckkräfte ergebenden Montageschwierigkeiten zu reduzieren sind Kontaktierungslösungen entwickelt worden, bei denen sich die Kontaktierungselemente oder Zusatzbauteile hohe Kontaktnormalkräfte durch elastisch vorgespannte Federelemente bereitstellen.
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Zur Realisierung dieser Eigenschaftenkombination wurden female-Kontaktpartner für Steckkontaktpins bestehend aus einer starren und verformungsarmen Außenhülse und einem darin aufgenommenen Lamellenkäfig entwickelt. Der Lamellenkäfig ist dabei das Element mit den elastischen Verformungseigenschaften und ist entsprechend filigran und feingliedrig aufgebaut. Lösungen dieser Art erfordern wenigstens drei Kontaktpartnerkomponenten in Form eines Steckkontaktpins als male-Steckkontaktpartner und die Kombination bestehend aus Außenhülse mit Lamellenkäfig als female-Steckkontaktpartner. Diese Konstruktionen sind als RADSOK-Kontaktsysteme bekannt und können beispielsweise als Radiallamellenkontakte oder hyperbolische Lamellenkontakte realisiert sein.
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Weiterhin ist problematisch und mit erheblichem Aufwand verbunden den Lamellenkäfig innerhalb der Außenhülse festzulegen oder zuverlässig zu positionieren.
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Die
US 4,657,335 A offenbart zur Festlegung des Lamellenkäfigs in der Außenhülse zusätzliche Befestigungselemente in Form von Ringen, welche an den jeweiligen Enden der Außenhülse übergestülpt werden.
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Befestigungslösungen mit Ein- oder Hintergriffen werden beispielsweise realisiert durch Eingriffszungen. Die
DE 10 2011 105 821 B4 zeigt eine zylindrische Außenhülse mit einem Aufnahmeraum, in dem ein hyperbolisch gedrehter Lamellenkäfig angebracht ist. Die Außenhülse verfügt über eine erste und zweite Stirnfläche mit Durchbrüchen. Der Lamellenkäfig ist mit korrespondierenden Anschlusszungen derart ausgestattet, dass die Zungen an der ersten und zweiten Stirnfläche der Außenhülse mit dieser formschlüssig verbunden werden können.
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Die im Stand der Technik verfügbaren Kontaktierungslösungen basierend auf dem Gedanken der Bereitstellung hoher Kontaktnormalkräfte durch elastisch vorgespannte Federelemente überzeugen nicht. Häufig findet man Lösungen, welche ein oder mehrere Bauteile wie beispielsweise Ringe oder rohrförmige Bauteile sowie Zwischenhülsen aufweisen. Diese Lösungen sind aufwändig, erfordern mehrteilige Kontaktierungsanordnungen, sind dadurch schwieriger zu montieren und haben erhöhtes Potential von Fehlmontagen. Die Steckkräfte und damit die Montagekräfte sind hoch. Daraus ergeben sich wirtschaftlich ungünstige Lösungen mit der Gefahr von Fehlfunktionen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Kontaktierungslösungen mit der durch elastisch vorgespannte Federelemente gesteigerten Kontaktnormalkräfte der Kontaktpartner weiterzuentwickeln, die bestehenden Nachteile wenigstens teilweise zu reduzieren und die Montage zu vereinfachen.
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Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Kontaktbuchse in Form einer Spiralhülse mit female-Eigenschaft für einen Kontaktstecker mit male-Eigenschaft vor, welche durch eine hohe elastische Vorspannung die Kontaktnormalkraft steigert als auch durch hohe Verformungsfähigkeit besonders ausgeprägte Elastizitätseigenschaften aufweist. Grundgedanke der Erfindung ist es, die Außenhülse und den Lamellenkäfig als ein Bauteil in integrativer Weise zu realisieren und durch konstruktive Gestaltung die zumindest teilweise ambivalenten Eigenschaften bestehend aus Elastizitätseigenschaften zur Reduzierung von Montage- und Steckkräften und hoher elastischer Federvorspannung zur Unterstützung hoher Kontaktnormalkräfte zu kombinieren.
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Die erfindungsgemäße Spiralhülse ist eine einteilige Kombination aus einem die Außenhülse bildenden Element, kombiniert mit einer sich im Innern der Außenhülse erstreckenden Spirale. Dabei ist die Außenhülse nicht als geschlossener rohrförmiger Querschnitt ausgebildet, sondern als offener c-förmiger Querschnitt konzipiert. Das bandförmige Halbzeugmaterial, aus dem die Spiralhülse geformt wird, ist im Bereich des offenen Teils aus der Querschnittsansicht gesehen in das Innere der Außenhülse geführt und weist eine spiralähnliche Querschnittsgeometrie auf.
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Wird zum Beispiel die Herstellung der Spiralhülse mittels Stanzen und Rollen verwirklicht, dann kann das zunächst bandförmige Halbzeugmaterial in dessen ersten Abschnitt zur Spirale verformt und anschließend dessen zweiter Abschnitt zur Außenhülse, welche die Spirale in ihrem Innern aufnimmt, gerollt werden.
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Die Außenhülse als erstes integratives Element der Spiralhülse realisiert die Stütz- und Abstützungsfunktion zur Steigerung der Vorspannung und damit der Steigerung der Kontaktnormalkraft des female-Kontaktpartners in der Steckverbindung. Die Spirale als zweites integratives Element der Spiralhülse realisiert die für die Verringerung der Montags- bzw. Steckkraft erforderliche Verformungsfähigkeit durch dessen Elastizitätsverhalten. Damit fungiert die Spirale praktisch als Federelement integriert in die Spiralhülse, welche die female-Kontaktbuchse in der Steckverbindung abbildet.
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Die Spirale im Innern der Spiralhülse ist in ihrem Querschnitt durch eine Mehrzahl von Krümmungsradien mit zumindest teilweise wechselnden Vorzeichen gebildet und derart geformt, dass ein Kontaktstecker innenseitig der Spirale eingebracht werden kann. Dabei ist vorgesehen, den Kontaktstecker an wenigstens drei Kontaktflächen der Spiral mit ihren wellenförmigen Abschnitten zu kontaktieren. Die Kontaktflächen ergeben sich aus der Formung der Spirale und sind bereichsweise linienförmig mit Erstreckung in axialer Richtung der Spiralhülse. Darauf in seiner Dimension abgestimmt muss der Kontaktstecker, Kontaktpin sein, d. h. dessen Durchmesser muss größer sein als die lichte Weite der wellenförmigen Abschnitte der Spirale um zu verhindern, dass der Kontaktpin in eine solche Welle hineinrutscht und dadurch sowohl die Kontaktfläche hin zur Spirale verringert wird als auch der Kontaktpin exzentrisch zur Spiralhülse positioniert ist.
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Mit der vorgeschlagenen Spiralhülse ergeben sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik erhebliche Vorteile. Mit der Spiralhülse und seinem integrativen Konzept werden die Kontaktpartner nur aus Spiralhülse und Kontaktpin gebildet, sodass Herstellung, Montage, Lagerhaltung und Handhabung sehr wirtschaftlich sind. Auch ist die Spiralhülse wirtschaftlich durch Stanzen und Rollen herstellbar und in ihrem einteiligen Aufbau einfach. Ebenfalls vorteilhaft für die Montage ist, dass der Kontaktpin nicht zwingend und mit enger Toleranz zentrisch in die Spiralhülse eingesteckt werden muss, weil die Spirale mit ihren wellenförmigen Abschnitten einen exzentrischen Versatz sehr gut ausgleichen und für eine Zentrierung der Steckkontaktpartner zueinander sorgen kann. Kabel und elektrische Leitungen können an die Spiralhülse in einfacher und bewährter Weise, beispielsweise durch Crimpen oder Schweißen festgelegt werden.
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Durch die Einteiligkeit der Spiralhülse als Ergebnis des integrativen Aufbaus bestehend aus Außenhülse und Spirale ist es nicht erforderlich, dass diese beiden Elemente zusammengelegt, fixiert oder zueinander positioniert werden müssen. Dies verhindert Fehlmontagen, reduziert die Teileanzahl der Kontaktpartner und unterstützt in besonderer Weise die Funktionssicherheit über die gesamte Lebensdauer.
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Soll die Kontaktnormalkraft weiter gesteigert werden, insbesondere bei Temperaturänderungen durch die Übertragung elektrischer Energie, ist es möglich, die erfindungsgemäße Spiralhülse mit einem Kontaktstecker zu kombinieren und zu kontaktieren, der sich durch Temperaturänderung verformt und infolge der Verformung die Änderung der Kontaktnormalkraft zwischen den Kontaktpartnern bewirkt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 die perspektivische Darstellung der Spiralhülse mit der Sicht auf die Aufnahmeöffnung, in die der Kontaktstecker einsteckbar ist;
- 2 die Seitenansicht auf die Spiralhülse;
- 3 die Detailansicht eines wellenförmigen Bereiches der Spiralhülse;
- 4 eine dreidimensionale Ansicht auf die Spiralhülse;
- 5 die Seitenansicht auf die Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung;
- 6 eine Darstellung der Spiralhülse mit der Abwicklung des bandförmigen Halbzeugmaterials.
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1 bildet die perspektivische Darstellung der Spiralhülse 10 mit der Sicht auf die Aufnahmeöffnung, in die der Kontaktstecker 20 einsteckbar ist, ab. Die Außenhülse 30 umschließt bereichsweise die innerhalb der Außenhülse 30 angeordnete Spirale 50. Einstückig verbunden sind die Spirale 50 und die Außenhülse 30 im Bereich der Öffnung OE der Außenhülse 30 durch einen fließenden und stetigen Übergang.
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Optional möglich und in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt sind Aussparungen A in der Spirale 50 in den wellenförmigen Bereichen 51 und/oder den Kontaktbereichen 52. Je nach Lage und Geometrie haben die Aussparungen A unterschiedliche Funktionen bzw. Wirkungen: Sind die Aussparungen A in den wellenförmigen Bereichen 51 der Spirale 50 angeordnet, werden die Elastizitätseigenschaften beeinflusst. Sind die Aussparungen A in den Kontaktbereichen 52 der Spirale 50 angeordnet, werden zum einen die Kontaktnormalkräfte beeinflusst und zum anderen die Flächenpressung der aneinander liegenden Kontaktflächen von Spirale 50 und Kontaktpin 20 dadurch, dass durch die Aussparungen A die Kontaktfläche reduziert und damit die Flächenpressung auf die verbleibende Fläche gesteigert ist.
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Ein optionales Funktionselement 40 kann die Spiralhülse 10 ergänzen. Das Funktionselement 40 kann sich gegenüberliegend der Kontaktöffnung erstrecken und als überkragendes Teil der Spiralhülse 10 gestaltet sein. Es kann eine Bohrung, Laschen oder andere Geometrien aufweisen, welche geeignet sind, Zusatzfunktionen bereitzustellen wie beispielsweise ein Griffstück zur Unterstützung der Handhabung beim Zusammenstecken der Kontakt- oder Steckverbindungspartner bestehend aus Spiralhülse 10 und Kontaktpin 20 oder zum Anschlagen eines Kabels, einer Leitung (ggf. mit einer Abschirmung) durch zum Beispiel Schweißen oder Crimpen.
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2 umfasst die Seitenansicht auf die Spiralhülse 10 und zeigt den Querschnitt der Außenhülse 30 und der Spirale 50. Die Außenhülse 30 hat eine im Wesentlichen zylinderförmige, aber infolge der Öffnung OE nicht geschlossene Gestalt und erstreckt sich in axialer Richtung der Spiralhülse 10 weitgehend stetig und linear. Infolge der Öffnung OE ist der Querschnitt der Außenhülse 30 bis zum Übergang hin zu der Spirale 50 vergleichbar einer „C“-Kontur.
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Im Bereich der Öffnung OE erfolgt der Übergang von der Außenhülse 30 zur Spirale 50, der im gezeigten Ausführungsbeispiel bogenförmig gestaltet ist. Von der Öffnung OE aus erstreckt sich die Spirale 50 in Umfangsrichtung mit drei wellenförmigen Bereichen 51 und drei Kontaktbereichen 52. Denkbar sind auch jeweils zwei oder mehr als drei Bereiche 51, 52, deren Übergänge fließend ausgebildet sind. Die Bereiche 51, 52 sind wechselweise angeordnet.
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Die wellenförmigen Bereiche 51 sind im Wesentlichen durch einen Krümmungsradius R1 gekennzeichnet, die Kontaktbereiche 52 sind im Wesentlichen durch einen Krümmungsradius R2 gebildet. Die Vorzeichen der Krümmungsradien R1, R2 sind entgegengesetzt, d. h. sie weisen zueinander einen Vorzeichenwechsel auf, sodass sich in Umfangserstreckungsrichtung der Spirale 50 alternierend, wechselweise ein positiver und negativer Krümmungsradius R1, R2 ergibt und auf diese Weise die Spiralform gebildet ist. Der Krümmungsradius R1 der wellenförmigen Bereiche 51 wird kleiner gewählt als der halbe Durchmesser des Kontaktpins 20 um zu verhindern, dass der Kontaktpin 20 in einem Wellengrund zu liegen kommt und die Steckverbindung mit einem exzentrischen Axialversatz vorliegt. Die Krümmungsradien R2 der Kontaktbereiche 52 können angepasst sein auf die zu erzielende Flächenpressung der Kontaktpartner zueinander, dadurch, dass ein kleiner werdender Krümmungsradius R2 die Kontaktfläche verringert und sich bei gleicher Kontaktnormalkraft eine höhere Flächenpressung ergibt. Vorzugsweise ist R2>R1.
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Im Innenbereich der Spirale 50 ist der Aufnahmeraum gebildet zum Einstecken des Kontaktpins 20 (nicht dargestellt).
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3 zeigt die Detailansicht eines wellenförmigen Bereiches 51 der Spiralhülse 10 im Wesentlichen ausgebildet durch den Krümmungsradius R1. Abweichend von der gezeigten Gestaltung dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, dass der wellenförmige Bereich 51 nicht an der Innenfläche der Außenhülse 30 anliegt und/oder dass der wellenförmige Bereich 51 primär eine bogenförmige Gestaltung mit einem in Umfangsrichtung ungleichen Krümmungsradius aufweist.
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4 bildet eine dreidimensionale Ansicht auf die Spiralhülse 10 von der Seite des Funktionselementes 40 aus gesehen ab. Die Aussparungen A dieses Ausführungsbeispiels weisen zueinander eine gleiche Geometrie auf und sind in axialer Richtung der Spirale 50 gleichmäßig angeordnet. Gleichfalls möglich ist es, andere Aussparungsgeometrien zu verwenden und/oder unregelmäßige Anordnungen zu wählen.
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5 zeigt die Seitenansicht auf die Kontaktpartner 1 für eine elektrisch leitende Steckverbindung bestehend aus der Spiralhülse 10 mit ihrer Außenhülse 30 und ihrer Spirale 50 sowie dem Kontaktpin 20. Der Kontaktpin 20 ist zentrisch und weitgehend axial fluchtend zur Spiralhülse 10 in ihrem Innern aufgenommen und kontaktiert mit den drei Kontaktbereichen 52 der Spirale 50.
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6 illustriert eine Darstellung der Spiralhülse 10 mit der Abwicklung des bandförmigen Halbzeugmaterials 60. Durch die Kombination der Herstellungsschritte Rollen (Kalt- oder Warmverformung) und Stanzen zur Herstellung der optionalen Aussparungen A und/oder der Kontur des bandförmigen Halbzeugmaterials 60 ist die erfindungsgemäße Spiralhülse mit ihrer vorzugsweise realisierten Einteiligkeit wirtschaftlich herstellbar. Als Werkstoffe kommen elektrisch leitende Eisenmetalle und Nichteisenmetalle mit geeigneter Verformungsfähigkeit und Elastizität infrage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung
- 10
- Kontaktbuchse, Spiralhülse
- 20
- Kontaktstecker, Kontaktpin
- 30
- Außenhülse
- 40
- Funktionselement
- 50
- Spirale
- 51
- wellenförmiger Bereich
- 52
- Kontaktbereich
- 60
- Halbzeug, bandförmiges Halbzeugmaterial
- A
- Aussparung
- OE
- Öffnung
- R1
- Krümmungsradius wellenförmiger Bereich
- R2
- Krümmungsradius Kontaktbereich
