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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verbindungsverfahren für
ein Kontaktelement mit Kabel, bei dem ein Kabel zur Weiterleitung
eines Netzstroms oder eines Signalstroms zu einem Bauteil in einem Fahrzeug
mit einem Kontaktelement durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
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Ein bekanntes Verbindungsverfahren
für Kabel
und Kontaktelemente nach dem Stand der Technik ist in der
JP-A-54-43588 offenbart
und in den
7 und
8 schematisch dargestellt.
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Wie in 7 gezeigt
ist, bezieht sich das bekannte Verbindungsverfahren für Kabel
und Kontaktelemente auf ein Verfahren, bei dem ein freier Endabschnitt 51a eines
Kabels 51 vorab auf einen halbkreisförmigen Querschnitt gebracht
wird, wobei dieser freie Endabschnitt 51a anschließend zusammen mit
einem Aluminiumflachkabel 55 (das als Verbindungskabel
dient) zwischen dem Werkzeugkopf 59 und dem Unterwerkzeug 60 einer
Ultraschallschweißmaschine 56 gehalten
wird und eine Verbindungsgrenzfläche 65 (8) zwischen dem Kabel 51 und
dem Aluminiumflachkabel 55 durch Schwingungsenergie erhitzt
und geschmolzen wird, wodurch die Verschweißung erfolgt.
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Der freie Endabschnitt 51a des
Kabels 51 wird mit Hilfe einer (nicht-dargestellten) Widerstandsschweißmaschine,
die eine obere Elektrode mit einer halbkreisförmigen Montagenut und eine
untere Elektrode aufweist, die gegenüberliegend der oberen Elektrode
angeordnet ist, in der vorbestimmten Form fixiert.
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In 7 bezeichnet
Bezugsziffer 55 das Aluminiumflachkabel, das mit dem Kabel 51 verbunden werden
soll, Bezugsziffer 56 die Ultraschallschweißmaschine,
Bezugsziffer 57 eine Ultraschallquelle, Bezugsziffer 58 eine
Ultraschallsonotrode zur Übertragung
der Ultraschallwellen von der Ultraschallquelle 57 und
Bezugsziffer 59 den Werkzeugkopf, der am freien Ende der
Sonotrode 58 vorgesehen ist.
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Der Werkzeugkopf 59 weist
eine halbkreisförmige
Nut 59a auf, die senkrecht zu einer Schwingungsrichtung a der Ultraschallwellen verläuft. Bezugsziffer 60 bezeichnet
das Unterwerkzeug, das dem Werkzeugkopf 59 gegenüberliegend
vorgesehen ist. Eine obere Fläche
des Unterwerkzeugs 60 ist flach ausgebildet.
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Das Aluminiumflachkabel 55 und
das Kabel 51 werden auf dem Unterwerkzeug 60 der
Ultraschallschweißmachine 56 so
platziert, dass das Kabel 51 das Aluminiumkabel 55 überdeckt.
Anschließend
wird der Werkzeugkopf 59 in Richtung des Unterwerkzeugs
bewegt, so dass der freie Endabschnitt 51a des Kabels 51 in
die Nut 59a des Werkzeugkopfes 59 eingeführt wird.
Dadurch wird das Kabel 51 von oben gepresst und festgehalten,
da die Tiefe der Nut 59a im Werkzeugkopf 59 etwas
kleiner ist als die Höhe
des halbkreisförmigen
freien Endabschnitts 51a des Kabels 51.
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Wenn Ultraschallwellen von der Ultraschallquelle 57 mit
Hilfe der Sonotrode 58 und des Werkzeugkopfes 59 aufgebracht
werden, breitet sich die Schwingungsenergie bis zur Verbindungsgrenzfläche 65 zwischen
dem Kabel 51 und dem Aluminiumflachkabel 55 aus,
wobei das Kabel 51 in einem festgesetzten Zustand verbleibt,
da die Verlaufsrichtung der Nut 59a im Werkzeugkopf 59 im
wesentlichen senkrecht zur Schwingungsrichtung a steht. Als Folge wird dieser Verbindungsgrenzflächenabschnitt 65 durch
Reibungswärme
erhitzt und zum Schmelzen gebracht, wodurch das Kabel 51 und
das Aluminiumflachkabel 55 miteinander verbunden werden.
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Bei dem oben beschriebenen Kabel-Kontaktelement-Verbindungsverfahren
nach dem Stand der Technik sind jedoch folgende Probleme zu lösen.
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- 1. Wenn, wie in 8 zu
sehen, das Kabel (Werkstück) 51 durch
den Werkzeugkopf 59 mit Druck beaufschlagt wird, konzentrieren
sich die Beanspruchungen in einem Grenzabschnitt 51b zwischen
jedem Randabschnitt 59b des Werkzeugkopfes 59 und
dem Kabel 51 und darüber
hinaus reiben der Randabschnitt 59b des Werkzeugkopfes 59 und
das Kabel 51 an jedem Grenzabschnitt 51b aneinander,
wenn der Werkzeugkopf 59 aufgrund der Ultraschallwellen
schwingt, wodurch das Problem entstehen kann, dass die Einzeldrähte 51c beschädigt werden,
z.B. dass sie durchtrennt werden.
- 2. Je größer der
Preßdruck,
der von dem Werkzeugkopf 59 ausgeübt wird, und je höher die
Ultraschallschwingungsfrequenz ist, um so kürzer ist die Erhitzungs- und
Schmelzzeit des Verbindungsgrenzflächenabschnitts 65,
so dass das Problem auftritt, dass sich die in einer Mehrzahl vorhandenen
Einzeldrähte 51c leichter
lösen können und
auch die Gefahr besteht, dass sie beschädigt werden, dass heißt durchtrennt
werden. Deshalb ist es wünschenswert,
ein Ultraschallverbindungsverfahren bereitzustellen, bei dem, selbst
bei hoher Ultraschallschwingungsfrequenz, die Einzeldrähte 51c nicht
z.B. durchtrennt werden und bei dem der Fügevorgang zwischen dem Kabel 51 und
dem Aluminiumflachkabel 55 leicht ausgeführt werden
kann.
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Wenn ein Leiterabschnitt eines dicken
Kabels (das mit einer Batterie verbunden ist, um einen Bordstrom
zu liefern) oder ein Leiterabschnitt eines dünnen Kabels (das mit einem
Bauteil des Fahrzeugs verbunden ist, um einen Signalstrom weiterzuleiten) länger freiliegt,
lagern sich darüber
hinaus Wassertropfen oder Staub auf dem Leiterabschnitt (leitenden Abschnitt)
ab, wodurch das Problem entstehen kann, dass die Kontaktgüte zwischen
dem Leiterabschnitt und dem Kontaktelement verringert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden eines Kontaktelements mit
einem Kabel vorzuschlagen, bei dem verhindert wird, dass Einzeldrähte durchtrennt
werden, sich während
des Ultraschallschweißens
lösen und
bei dem gleichzeitig eine wasserabdichtende Behandlung des Kabels
durchgeführt
wird.
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Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist
erfindungsgemäß ein Verfahren
zum Verbinden eines Kontaktelementes mit einem Elektrokabel bereitgestellt,
das folgende Schritte umfaßt
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- – Bereitstellen
eines Kontaktelementes,
- – Bereitstellen
eines Elektrokabels,
- – Bereitstellen
eines leitenden Verbindungselements, das mit einer Einführbohrung
ausgebildet ist,
- – Einführen zumindest
eines Teils des Leiters des Elektrokabels in die Einführbohrung
des Verbindungselements,
- – Zusammendrücken des
Verbindungselements radial nach innen, um den eingeführten Abschnitt des
Elektrokabels gleichförmig über dessen
gesamten Umfang einzuschnüren,
und
- – Verschweißen des
Verbindungselements mit dem Kontaktelement durch Einwirkung von
Ultraschallwellen.
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Bei dem vorgenannten Verfahren wird
der Leiterabschnitt in die Einführbohrung
des Verbindungselements eingeführt
und der Außenumfang des
Verbindungselements wird zusammengedrückt und über dessen gesamten Umfang
so geformt, dass der Durchmesser des Verbindungselements verringert
wird und das Verbindungselement in innigem Kontakt mit dem Leiterabschnitt
gehalten wird. Anschließend
werden das Verbindungselement und das Kontaktelement so zwischen
einem Werkzeugkopf und einem Unterwerkzeug einer Ultraschallschweißmaschine
platziert, dass das Verbindungselement und das Kontaktelement aufeinander
liegen. Der Werkzeugkopf wird dann in Richtung des Unterwerkzeugs
bewegt, um das Verbindungselement und das Kontaktelement mit Druck
zu beaufschlagen, wobei in diesem Zustand Schwingungsenergie über eine Schwingungsquelle
und eine Sonotrode auf den Werkzeugkopf übertragen wird, so dass gleichzeitig ein
Gleiten an den Grenzflächen
der Verbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Kontaktelement
sowie eine Erwärmung
aufgrund innerer Reibung stattfindet, wobei eine Diffusion von Atomen
erfolgt, während
der Grenzflächenabschnitt
zu einem gewissen Grad schmilzt. Als Folge daraus werden das Kabel
und das Kontaktelement durch das Verbindungselement miteinander
verschweißt.
Somit wird der Leiterabschnitt, der aus einer Mehrzahl von Einzeldrähten besteht,
nicht direkt vom Werkzeugkopf mit Druck beaufschlagt, so dass aus
diesem Grund sich die in einer Mehrzahl vorhandenen Einzeldrähte nicht
lösen und
die Belastungen sich nicht auf den Leiterabschnitt konzentrieren,
womit verhindert wird, dass die Einzeldrähte durchtrennt oder sonst
wie beschädigt
werden.
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Vorzugsweise wird das Verbindungselement durch
Rundkneten zusammengedrückt
und geformt.
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Bei dem vorgenannten Verfahren arbeiten eine
Mehrzahl von radial angeordneten Werkzeugen einer Rundknetmaschine
jeweils mit Stößeln (Hämmern) zusammen,
um eine radiale Bewegung auszuführen,
wodurch periodisch Schläge
auf die Außenumfangsfläche des
Verbindungselements ausgeführt werden,
so dass der Außenumfang
des Verbindungselements gleichförmig über den
gesamten Außenumfang
mit gleichförmiger
Belastung zusammengedrückt
und geformt wird, wodurch der Leiterabschnitt des Kabels in innigen
Kontakt mit der Innenumfangsfläche
der Einführbohrung
des Verbindungselements gebracht wird. Darüber hinaus nimmt die Kontaktfläche zwischen
dem Leiterabschnitt und dem Verbindungselement zu, so dass die Fügekraft
zunimmt und dabei die Zuverlässigkeit
des elektrischen Kontakts verbessert wird.
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Vorzugsweise umfasst das Verbindungselement
einen ersten Bohrungsabschnitt und einen zweiten Bohrungsabschnitt,
dessen Durchmesser größer ist
als der der ersten Bohrung. Die Isolierumhüllung wird in den ersten Bohrungsabschnitt
und der Leiter in den zweiten Bohrungsabschnitt eingeführt, wobei
der erste Bohrungsabschnitt und der zweite Bohrungsabschnitt koaxial
zueinander angeordnet sind. Das Verbindungselement wird so zusammengedrückt, dass
die Isolierumhüllung
in innigem Kontakt mit dem zweiten Bohrungsabschnitt gehalten wird.
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Bei dem vorgenannten Verfahren wird
die Isolierumhüllung
des Kabels in innigem Kontakt zu der Innenumfangsfläche des
ersten Bohrungsabschnitts des Verbindungselements gehalten, so dass kein
Spalt zwischen dem Kabel und dem Verbindungselement vorhanden ist,
wodurch verhindert wird, dass Wassertropfen, Staub und so weiter
in das Innere des Verbindungselements gelangen können. Dadurch wird außerdem die
Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung aufrechterhalten.
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Vorzugsweise ist das Kontaktelement
mit einem Quetschabschnitt versehen. Das Verbindungsverfahren umfasst
darüber
hinaus den Schritt des Quetschverbindens des Kontaktelements mittels
des Quetschabschnitts.
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Bei dem vorgenannten Verfahren werden das
Verbindungselement und das Kontaktelement durch Verquetschen der
Quetschverbindungslasche miteinander verbunden, die am Kontaktelement
vorgesehen ist, wodurch das Kontaktelement und das Verbindungselement
sowohl durch die durch das Schweißen erzielte Fügekraft
als auch durch die bei dem Quetschverbindungsvorgang erzielte Quetschverbindungskraft
verbunden sind. Ferner wird wirksam verhindert, dass sich das Kontaktelement
vom Verbindungselement lösen
kann, so dass die Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung verbessert wird.
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Bei dem vorgenannten Verfahren umfasst das
Verbindungselement einen Abschnitt mit einem ersten Durchmesser
und einen zweiten Abschnitt, die koaxial zueinander angeordnet sind,
wobei der Abschnitt mit dem ersten Durchmesser und der Abschnitt
mit dem zweiten Durchmesser gleichzeitig durch eine Rundknetmaschine
zusammengedrückt und
verformt werden.
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Bei dem vorgenannten Verfahren werden
der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Verbindungselements
gleichzeitig durch eine Rundknetmaschine zu sammengedrückt und
verformt, wodurch die Notwendigkeit, den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser
und den Abschnitt mit größerem Durchmesser
getrennt voneinander zusammenzupressen und zu verformen entfällt, so
dass die Leistungsfähigkeit
des Formungsvorgangs verbessert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die vorgenannten Aufgaben und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden durch die detaillierte Beschreibung
von bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher, wobei
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung ist, die eine bevorzugte Ausführungsfrom des
erfindungsgemäßen Kabel-Kontaktelement-Verbindungsverfahrens
zeigt,
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2 eine
perspektivische Darstellung ist, die einen Zustand zeigt, bei dem
bei dem Kabel-Kontaktelement-Verbindungsverfahren nach 1 eine Verbindungskappe
auf einem Endabschnitt eines Kabels befestigt worden ist,
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3 eine
Vorderansicht ist, die einen Teil einer Rundknetmaschine zum Zusammendrücken und
Formen des Außenumfangs
der Verbindungskappe zeigt,
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4 ein
Querschnitt eines Verbindungskappenabschnitts mit größerem Durchmesser
ist, der durch Rundkneten zusammengedrückt und geformt wurde,
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5 ein
Querschnitt eines Verbindungskappenabschnitts mit kleinerem Durchmesser
ist, der durch Rundkneten zusammengedrückt und geformt wurde,
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6 eine
Ansicht eines Prinzipaufbaus einer Ultraschallschweißmaschine zeigt,
wie sie zum Verbinden der Verbindungskappe mit einem Kontaktelement
verwendet wird,
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7 eine
perspektivische Ansicht ist, die ein bekanntes Verfahren zum Verbinden
eines Kabels mit einem Kontaktelement zeigt und
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8 ein
Teilquerschnitt ist, der einen Zustand zeigt, bei dem das Kabel
und das Kontaktelement von 7 durch
Ultraschalleinwirkung miteinander verschweißt werden.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTENAUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
im Detail beschrieben.
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Die 1 bis 6 zeigen eine bevorzugte
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kabel-Kontaktelement-Verbindungsverfahrens.
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In 1 ist
eine Verbindungskappe (Verbindungselement) 10 gezeigt,
die aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, z.B. einer Kupferlegierung
einer Aluminiumlegierung besteht, sowie ein Endabschnitt eines Kabels 17,
der in eine Einführbohrung 12 der Verbindungskappe 10 einzuführen ist.
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Die elektrisch leitende Verbindungskappe 10 wird
auf den Endabschnitt des Kabels 17 aufgesteckt (2). Der Außendurchmesser
der Verbindungskappe 10 wird durch Rundkneten (Beschreibung
erfolgt unten) radial zusammengedrückt und die Verbindungskappe 10 und
ein elektrisch leitendes Kontaktelement 40 werden zwischen
einem Unterwerkzeug 31 und einem Werkzeugkopf 32 einer
Ultraschallschweißmaschine 30 gehalten
(6). Die Verbindungskappe
und das Kontaktelement werden durch Ultraschall miteinander verschweißt.
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Das Kabel 17 umfasst einen
Leiterabschnitt 18, der aus einer Mehrzahl von Einzeldrähten 18a besteht,
sowie eine Isolierumhüllung 19,
die den Außenumfang
des Lei terabschnitts 18 umgibt. Obwohl es keine besonderen
Beschränkungen
hinsichtlich der Auswahl des Werkstoffs für den Leiterabschnitt 18 gibt,
besteht hier der Leiterabschnitt 18 beispielsweise aus
Kupfer, einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung.
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Wenn der Leiterabschnitt 18 aus
Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, wird sauerstofffreies Kupfer
oder sauerstoffhaltiges (zäh
gepoltes) Kupfer (Tough Pitch Copper) verwendet. Wenn der Leiterabschnitt 18 aus
einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, wird eine Aluminiumlegierung
verwendet, die Zusätze,
wie z.B. Mg-Si, MG und Zr, enthält.
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Die Isolierumhüllung 19 besteht aus
einem weichen Kunstharz, wie z.B. einem Polyethylenharz, einem Polyvinylchloridharz
einem Polypropylenharz. In Abhängigkeit
vom Harzwerkstoff werden ein Harz (Polyvinychlorid) mit einem Weichmacher
oder ein vernetztes Harz verwendet. Um den Leiterabschnitt 18 freizulegen,
wird mit einem Messer oder dergleichen Schneidegerät ein Schlitz
in die Isolierumhüllung
geschnitten und der betreffende Abschnitt der Isolierumhüllung 19 durch
Abziehen entfernt.
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Das in 6 dargestellte
Kontaktelement 40 ist eine Kontaktbuchse von einstöckiger Bauart,
die durch Ausstanzen eines Teils aus einem elektrisch leitenden
metallischen Grundwerkstoff (wie z.B. Kupfer, einer Kupferlegierung
oder einer Aluminiumlegierung) und durch Biegen dieses Ausgangsteils
hergestellt ist. Die Kontaktbuchse weist einen kastenförmigen elektrischen
Kontaktabschnitt 43 auf, der an einem ihrer Endabschnitte
ausgebildet und so ausgeführt
ist, dass er mit einem steckerartigen elektrischen Kontaktabschnitt
eines als Gegenkontakt dienenden (nicht dargestellten) Kontaktsteckers
elektrisch verbunden werden kann. Das Kontaktelement 40 ist
nicht auf die Ausführung
als eine solche Kontaktbuchse beschränkt, es kann vielmehr auch
ein Kontaktstecker oder ein LA-Kontaktelement anderer Ausführung sein,
wobei auch Kontaktelemente mit verschiedenen Kontaktabschnitten
verwendet werden können.
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Ein Kabelverbindungsabschnitt 41,
der mit zwei ein Paar bildenden Quetsch verbindungslaschen 42 versehen
ist (von denen nur eine dargestellt ist), ist am anderen Ende des
Kontaktelements 40 ausgebildet, wobei dieser Kabelverbindungsabschnitt 41 so ausgeführt ist,
dass er mit der Verbindungskappe 10 verbunden werden kann.
Die zwei ein Paar bildenden Quetschverbindungslaschen 42 werden
zum Quetschverbinden und Verbinden mit einem Verbindungskappenabschnitt 11 mit
größerem Durchmesser
nach innen gedrückt
und ein Körperabschnitt 41a des
Kabelverbindungsabschnitts 41 wird mit einem Verbindungskappenabschnitt 15 mit
kleinerem Durchmesser durch Ultraschallschweißen verbunden, wie in 6 gezeigt ist. Dadurch sind
das Kontaktelement 40 und die Verbindungskappe 10 sowohl durch
die durch das Schweißen
erzielte Fügekraft
als auch durch die durch den Quetschverbindungsvorgang hervorgerufene
Quetschverbindungskraft fest miteinander verbunden.
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In 1 hat
die Verbindungskappe 10 eine abgestufte zylindrische Form
und umfasst den ersten Kappenabschnitt 11 mit größerem Durchmesser
und den zweiten Kappenabschnitt 15 mit kleinerem Durchmesser,
die koaxial zueinander angeordnet sind. Die Einführbohrung 12, die
einen ersten Bohrungsabschnitt 13 mit einer größeren Bohrung
und einen zweiten Bohrungsabschnitt 14 mit einer kleineren
Bohrung aufweist, ist in der Verbindungskappe 10 ausgebildet.
Der im Querschnitt kreisrunde zweite Bohrungsabschnitt 14 mit
kleinerer Bohrung zum Einführen
des Leiterabschnitts 18 des Kabels 17 ist im zweiten
Kappenabschnitt 15 mit kleinerem Durchmesser ausgebildet
und der im Querschnitt kreisrunde erste Bohrungsabschnitt 13 mit
größerer Bohrung zum
Einführen
der Isolierumhüllung 19 des
Kabels 17 ist im ersten Kappenabschnitt 11 mit
größerem Durchmesser
ausgebildet. Der zweite Bohrungsabschnitt 14 mit kleinerer
Bohrung ist als Blindloch ausgebildet, so dass das darin eingeführte freie
Ende des Leiterabschnitts 18 nicht nach außen freiliegt.
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Die Einführbohrung 12 wird
durch einen Bohrvorgang hergestellt, bei dem ein Vollbohrer aus Sinterhartmetall
verwendet wird. Da der zweite Abschnitt 14 mit kleinerer
Bohrung und der erste Bohrungsabschnitt 13 mit größerer Bohrung
unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wird der Bohrvorgang mit
zwei Bohrern, (d.h. mit einem Bohrer mit einem kleineren Durchmesser
und einem Bohrer mit einem größeren Durchmesser)
durchgeführt.
Das freie Ende des Vollbohrers weist einen Spitzenwin kel von etwa
120 Grad auf, wodurch die innere Endfläche des Abschnitts 14 mit
kleinerer Bohrung konisch zulaufend ausgebildet ist.
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Die Form des freien Endes des Vollbohrers zeigt
sich auch in einem Stufenabschnitt 16, der den zweiten
Bohrungsabschnitt 14 mit kleinerer Bohrung mit dem ersten
Bohrungsabschnitt 13 mit größerer Bohrung verbindet, d.h.
dieser Stufenabschnitt 16 ist mit einer ringförmigen sich
verjüngenden
Form ausgebildet. Der Stufenabschnitt 16 kann auch als
Fläche
ausgebildet sein, die senkrecht zur Achse der Verbindungskappe steht,
wobei in diesem Fall das vordere Ende der Isolierumhüllung 19 gegen
diesen Stufenabschnitt 16 anschlägt, wodurch die Einführlänge des
Kabels in Längsrichtung
begrenzt wird. In diesem Fall wird mittels eines Bohrwerkzeugs,
das einen Werkzeugwinkel von 90 Grad aufweist, der Stufenabschnitt 16 als
Fläche
geschnitten, die senkrecht zur Achse der Verbindungskappe angeordnet ist.
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Der Innendurchmesser des zweiten
Bohrungsabschnitts 14 mit kleinerer Bohrung ist im allgemeinen
gleich groß wie
oder unwesentlich größer als der
Außendurchmesser
des Leiterabschnitts 18. Wenn der Innendurchmesser des
zweiten Bohrungsabschnitts 14 kleiner ist als der Außendurchmesser des
Leiterabschnitts 18, kann der Leiterabschnitt 18 nicht
problemlos in die Verbindungskappe 10 eingeführt werden.
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Der Innendurchmesser des ersten Bohrungsabschnitts 13 ist
im allgemeinen gleich groß wie oder
unwesentlich größer als
der Außendurchmesser der
Isolierumhüllung 19.
Wenn der Innendurchmesser des ersten Bohrungsabschnitts 13 kleiner
ist als der Außendurchmesser
des Isolierumhüllung 19, kann
die Isolierumhüllung 19 nicht
ohne Probleme in die Verbindungskappe 10 eingeführt werden
und außerdem
kann die Luft während
des Rundknetvorgangs nicht entweichen, so dass die Verbindungskappe 10 nicht
zusammengedrückt
werden kann.
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Selbst wenn ein Spalt zwischen dem
ersten Bohrungsabschnitt 13 und der Isolierumhüllung 19 vorhanden
ist, wird dieser Spalt durch den Rundknetvorgang geschlossen, wodurch
Wassertropfen, Staub, etc. nicht in das Innere eindringen können. Die Isolierumhüllung 19 besteht
aus einem weichen Kunstharz und deshalb wird der Spalt durch eine elastische
Reaktionskraft der Isolierumhüllung
sicher geschlos sen, wenn die Isolierumhüllung 19 verformt wird.
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Die Bohrungslänge (Bohrungstiefe) des zweiten
Bohrungsabschnitts 14 ist größer als die Länge des
freiliegenden Endabschnitts des Leiterabschnitts 18. Wenn
die Bohrungslänge
des zweiten Bohrungsabschnitts 14 im allgemeinen gleich
groß oder
geringfügig
kleiner ist als der freiliegende Endabschnitt des Leiterabschnitts 18,
ist die Kontaktfläche
zwischen dem Leiterabschnitt 18 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 14 eher
klein, so dass die Leistungsfähigkeit
der elektrischen Verbindung verringert ist. Außerdem wird die Ausdehnung
(Verlängerung)
des Leiterabschnitts 18 durch die innere Endfläche des
zweiten Bohrungsabschnitts 14 begrenzt, wenn der Außenumfang
des zweiten Kappenabschnitts 15 mit kleinerem Durchmesser
durch den Rundknetvorgang (Beschreibung erfolgt später) zusammengedrückt wird.
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Die Bohrungslänge des ersten Bohrungsabschnitts 13 ist
so festgelegt, dass dieser die Isolierumhüllung 19 in engem
Kontakt halten kann, um zu verhindern, dass das Kabel 17 nach
hinten herausgezogen werden kann. Bei dieser Ausführungsform
ist die Bohrungslänge
des ersten Bohrungsabschnitts 13 im allgemeinen gleich
der Bohrungslänge
des zweiten Bohrungsabschnitts 14.
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Der erste Kappenabschnitt 11 mit
größerem Durchmesser
und der zweite Kappenabschnitt 15 mit kleinerem Durchmesser
weisen im allgemeinen die gleiche Wandstärke auf und aus diesem Grund
weist die Verbindungskappe 10 eine gestufte zylindrische Form
auf. Obwohl der erste Kappenabschnitt 11 größer im Durchmesser
ist als der zweite Kappenabschnitt, können diese gleichzeitig durch
gestufte Innenflächen 21a der
Werkzeuge 21 der Rundknetmaschine 20 zusammengedrückt werden.
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Wenn der Verbindungskappe 10 durch
radiales Zusammendrücken
ein gleichförmiger
Durchmesser über
ihre gesamte Länge
und über
den gesamten Umfang verliehen werden kann, weist sie eine Zylinderform
auf, selbst wenn die Umfangswand der Verbindungskappe 10 nicht
gleichförmig über die
gesamte Länge
und deshalb uneben ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Verbindungskappe 10 mit
einer gestuften Zylinderform ausgebildet und dadurch sind die Wanddicken
des ersten Kappen abschnitts 11 und des zweiten Kappenanschnitts 15 im
allgemeinen gleich groß und
die Formung durch Zusammendrücken
kann leicht erfolgen, so dass der Leiterabschnitt 18 und
die Isolierumhüllung 19 jeweils
in innigem Kontakt mit den inneren Umfangsflächen des zweiten Bohrungsabschnitts 14 und
des ersten Bohrungsabschnitts 13 gehalten werden, ohne
dass sich ein Spalt dazwischen bildet.
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2 zeigt
einen Zustand, in dem die Verbindungskappe 10 am Endabschnitt
des Kabels 17 befestigt wird. Der Leiterabschnitt 18 des
Kabels 17 ist in den zweiten Bohrungsabschnitt 14 eingeführt, während die
Isolierumhüllung 19 des
Kabels 17 in den ersten Bohrungsabschnitt 13 eingeführt ist.
In diesem Zustand wird das Kabel 17 in die Rundknetmaschine 20,
wie sie in 3 zu sehen
ist, eingesetzt und der Außenumfang
der Verbindungskappe 20 wird gleichförmig über ihren gesamten Umfang zusammengedrückt und
geformt. Jedes andere geeignete Bearbeitungsverfahren als Rundkneten
kann verwendet werden, wenn es den Außenumfang der Verbindungskappe 10 gleichförmig über den
gesamten Umfang zusammendrücken
kann.
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Als nächstes folgt die detaillierte
Beschreibung des Rundknetens (Rundhämmerns) unter Bezugnahme auf 3. Das Rundkneten ist eine
Art Schmieden, bei dem, während
sich eines der Werkzeuge und eine der Rollen drehen, ein Rohr oder
eine Rundstange wiederholt hammerartigen Schlägen ausgesetzt wird, wodurch
das Werkstück
in eine vorbestimmte Form zusammengedrückt wird.
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Die in 3 dargestellte
Rundknetmaschine 20 ist eine Vorrichtung mit Spindelantrieb,
bei der Werkzeuge 21 und Stößel 33 umlaufen, indem
eine Spindel 24 rotiert. Es ist ein weiteres Antriebsverfahren
bekannt, bei dem sich Rollen drehen, während sich die Werkzeuge und
Stößel nicht
drehen, indem eine Spindel stationär gehalten wird.
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Die Vorrichtung mit Antrieb der Spindel
hat den Vorteil, dass die gesamte Vorrichtung kompakt ausgebildet
werden kann, da die Anzahl der Einzelteile gering ist (ein Schwungrad
und Scheiben sind nicht erforderlich) und dass ein Werkstück mit einem kleinen
Durchmesser mit hoher Präzision
bearbeitet werden kann. Die Vorrichtung mit drehenden Rollen wird
verwendet, wenn ein Werkstück
in eine andere als eine runde Form gebracht werden soll (z.B. in eine
im Querschnitt viereckige Form). Bei der vorliegenden Ausführung wird
eine Vorrichtung mit Antrieb der Spindel verwendet.
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Innerhalb der Spindel 24 der
Rundknetmaschine 20 sind die Werkzeuge 21 und
Stößel 22 so beweglich
gelagert, dass jedes Werkzeug an einem korrespondierenden Stößel anliegt.
Bei dieser Ausführungsform
sind zwei Paare von gegenüberliegenden
Werkzeugen 21 radial angeordnet. Die Verbindungskappe (Werkstück) 10 wird
so in der Mitte der Spindel 24 platziert, dass sie von
den Innenflächen 21a der
Werkzeuge 21 erfasst wird. Durch ein derartiges Anordnen
der Verbindungskappe 10 auf der Drehachse der Spindel 24,
können
die Schläge gleichmäßig auf
die äußere Umfangsfläche der
Verbindungskappe 10 über
ihren gesamten Umfang ausgeführt
werden.
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Die vier Werkzeuge 21 sind
in gleichen Abständen
umfangsverteilt angeordnet. Die Anzahl der Werkzeuge 21 ist
nicht auf vier beschränkt,
sondern kann zwei oder auch acht betragen. Indem die Werkzeuge 21 in
gleichen Abständen
angeordnet werden, kann der Außenumfang
der Verbindungskappe 10 gleichförmig zusammengedrückt werden.
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Die Innenfläche 21a jedes Werkzeugs 21 ist gestuft
ausgeführt,
so dass die radial angeordneten Werkzeuge 21 gleichzeitig
Druck auf den zweiten Kappenabschnitt 15 und den ersten
Kappenabschnitt 11 der Verbindungskappe 10 ausüben. Bei
dieser gestuften Form der Werkzeuge können der zweite Kappenabschnitt 15 und
der erste Kappenabschnitt 11 der Verbindungskappe 10 gleichzeitig
in einem Verfahrensschritt zusammengedrückt werden, so dass der Formgebungsvorgang
leicht und kostengünstig ausgeführt werden
kann.
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Wenn die Verbindungskappe 10 eine
zylindrische Form aufweist, ist es nicht erforderlich, dass die
Innenflächen 21a jedes
Werkzeugs 21 gestuft sind. Für den Fall, dass der zweite
Kappenabschnitt 15 und der erste Kappenabschnitt 11 der
Verbindungskappe 10 mit einer gestuften zylindrischen Form
unabhängig
voneinander ei nem Rundknetverfahren unterworfen werden, ist es nicht
nötig,
dass die Innenfläche 21a jedes
Werkzeugs 21 gestuft ist.
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Der Stößel 22, der an der
Rückseite
(d.h. radial außen
bezüglich)
des Werkzeugs 21 vorgesehen ist, ist vom Werkzeug 21 getrennt,
jedoch läuft
der Stößel 22 zusammen
mit dem Werkzeug 21 um und kann auch in radialer Richtung
(zur Mitte hin) bewegt werden. Dieses Umlaufen erfolgt durch das
Drehen der Spindel 24 durch einen (nicht-dargestellten)
Motor. Die Bewegung in Radialrichtung erfolgt durch den Drehkontakt
zwischen dem Stößel 22 und
der Rolle 23.
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Eine Außenfläche des Stößels 22 bildet eine Nockenfläche 22a.
Diese Nockenfläche 22a ist
nicht mit einem konstanten Krümmungsradius
ausgeführt, vielmehr
ragt ein bezüglich
der Breite mittiger Abschnitt der Nockenfläche radial nach außen. Wenn der
Stößel 22 in
Drehkontakt mit der Rolle 23 gebracht wird, wird er deshalb
durch die Rolle 23 um einen Betrag radial nach innen verlagert,
der der Größe des nockenartigen
Vorsprungs des mittigen Abschnitts des Stößels entspricht, so dass das
Werkzeug 21 radial nach innen verschoben wird.
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Die kugeligen Rollen 23 sind
zwischen der Außenumfangsfläche der
Spindel 24 und einem Außenring 25 vorgesehen
und in gleichen Abständen angeordnet.
Sie sind drehbar um ihre jeweiligen Achsen gelagert. Die Anzahl
der Rollen 23 beträgt
vier (welches der Anzahl der Werkzeuge 21 entspricht), es
können
aber auch acht Rollen sein. Je größer die Anzahl der Rollen 23,
um so größer die
Anzahl der Schläge
pro Spindelumdrehung, wodurch die Bearbeitungsgeschwindigkeit für die Verbindungskappe 10 erhöht wird.
Lagerstahl mit hohem Kohlenstoff- und niedrigem Chromgehalt mit
einer hervorragenden Verschleißfestigkeit
und Schlagfestigkeit ist als Werkstoff zur Herstellung der Rollen 23 geeignet.
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Nachstehend folgt eine Beschreibung
des druckbeaufschlagten Zustands und des nicht mit Druck beaufschlagten
Zustands, die durch die Positionen der Werkzeuge 21 und
der Stößel 22 gegenüber den
Rollen 23 bestimmt werden. Wenn die Spindel 24 rotiert,
laufen die Werkzeuge 21 und die Stößel 22 um und auch
die Rollen drehen sich um ihre jeweilige Achse. Jeder Stößel 22 befindet
sich radial außerhalb
seines zugehörigen
Werkzeugs 21. Der umlaufende Stößel 22 kommt in Kontakt
mit der Rolle 23, wobei die Nockenfläche 22a des Stößels 22 sich an
der Rolle 23 abstützt,
so dass die Innenfläche
des Stößels 22 das
Werkzeug 21 radial nach innen drückt und als Folge die Innenfläche 21a jedes
Werkzeugs 21 gegen die äußere Umfangsfläche der
Verbindungskappe 10 schlägt, wodurch der Schmiedevorgang
ausgeführt
wird.
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Wenn der Kontakt zwischen jedem Stößel 22 und
der korrespondierenden Rolle 23 aufhört, bewegt sich der Stößel 22 unter
dem Einfluss der Zentrifugalkraft geringfügig radial nach außen, so
dass sich das Werkzeug 21 von der Verbindungskappe 10 fort
bewegt, wodurch die Schlageinwirkung des Werkzeugs 21 unterbrochen
wird. Anschließend
wird jeder Stößel 22 wieder
in Kontakt mit einer Rolle 23 gebracht und der Vorgang
beginnt erneut.
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4 zeigt
einen Zustand, bei dem der ersten Kappenabschnitt 11 der
Verbindungskappe 10 durch Rundkneten zusammengedrückt ist
und 5 zeigt einen Zustand,
bei dem der zweite Kappenabschnitt 15 durch Rundkneten
zusammengedrückt
ist. Wie in 4 zu sehen
ist, werden der Leiterabschnitt 18 und die Isolierumhüllung 19,
die im ersten Bohrungsabschnitt 11 mit größerem Durchmesser
angeordnet ist, radial stark zusammengedrückt, wobei die Einzeldrähte 18a des
Leiterabschnitts 18 wabenartig verformt und in innigem
Kontakt miteinander gehalten werden, wobei ferner eine elastische
Reaktionskraft der Isolierumhüllung 19 auf
die innere Umfangsfläche
des ersten Bohrungsabschnitts 13 mit größerer Bohrung einwirkt. Wie
der erste Bohrungsabschnitt 11 wird auch der zweite Bohrungsabschnitt 15 radial
zusammengedrückt,
wobei der Leiterabschnitt 18 in innigem Kontakt mit der
inneren Umfangsfläche des
Abschnitts 14 mit kleinerer Bohrung gebracht wird, wie
in 5 zu sehen ist.
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Als nächstes folgt eine Beschreibung
des Ultraschallschweißverfahrens.
Ultraschallschweißen
ist ein Schweißverfahren,
bei dem Schwingungsenergie an die Verbindungsgrenzflächen zwischen
zwei Werkstücken
angelegt wird, während
die zwei Werkstücke
aneinander gepresst werden. Wenn die Schwingungsenergie angelegt
wird, erfolgt ein Gleiten an der Verbindungsgrenzfläche und
eine Erhitzung auf grund der inneren Reibung und es kommt zu einer
Diffusion von Atomen, während
die Werkstücke zu
einem gewissen Grad schmelzen, so dass die zwei Werkstücke an der
Verbindungsgrenzfläche
zusammengeschweißt
werden. Beim Ultraschallschweißen
sind die thermisch beeinflussten Schichten in der Nähe des geschweißten Abschnitts
gering. Deshalb wird das Ultraschallschweißen beispielsweise zum Schweißen dünner Teile
verwendet, wie z.B. einem elektronischen Bauteil, und zum Schweißen von
niedrig schmelzenden nichtmetallischen Werkstoffen.
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Wie in 6 gezeigt,
umfasst die Ultraschallschweißmaschine 30 einen
Ultraschallgenerator 33, einen Vibrator 34, eine
Sonotrode 35, den Werkzeugkopf 32, das Unterwerkzeug 31 sowie
ein Gewicht 36. Diese Einzelteile werden nachfolgend beschrieben.
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Der übliche Ultraschallgenerator 33 kann elektrische
Energie in der Größenordnung
von etwa 100 W bis etwa 10 kW erzeugen. Der Vibrator 34 ist ein
magnetostriktiver Vibrator aus einem ferromagnetischen Werkstoff,
der in einem Magnetfeld platziert ist, wobei der Vibrator 34 Schwingungsenergie
erzeugt, wenn er elektrische Energie vom Ultraschallgenerator 33 erhält. Die
Sonotrode 35 dient zum Übertragen
der Ultraschallschwingungen vom Vibrator 34 zum Werkzeugkopf.
Obwohl die Sonotrode 35 horizontal angeordnet ist, kann
ihre Richtung in geeigneter Weise geändert werden, so dass sie auch vertikal
angeordnet sein kann.
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Der Werkzeugkopf 32 und
das Unterwerkzeug 31 stellen ein oberes und ein unteres
Werkzeug dar und halten die Verbindungskappe 10 und das Kontaktelement 40 (welches
die Werkstücke
sind) so zwischen sich, dass sie Druck auf die zwei Werkstücke ausüben können. Das
Gewicht 36 dient dazu, den Werkzeugkopf 32 (nach
unten) zu drücken.
Anstelle des Gewichts 36 kann eine Hydraulikvorrichtung
als Druck ausübendes
Mittel verwendet werden.
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Bei einem Beispiel für die Prozessparameter einer
Ultraschallschweißmaschine 30 dieser
Konstruktion liegt die Ultraschallausgangsleistung bei etwa mehreren
kW, die Ultraschallfrequenz beträgt etwa
15 bis 30 kHz, die Ultraschallamplitude (die Amplitude der Sonotrode)
beträgt
40 bis 50 μm
und die Druckkraft des Werkzeugkopfes 32 liegt zwischen 300
N und 500 N.
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Bei dieser Ausführung wird die Verbindungskappe 10 an
dem Endabschnitt des Kabels 17 derart befestigt, dass der
Leiterabschnitt 18 und die Isolierumhüllung 19 in die Einführbohrung 12 in
der Verbindungskappe 10 eingeführt werden, die Verbindungskappe 10 durch
Rundkneten zusammengedrückt
und geformt wird, so dass die Verbindungskappe 10 und das
Kontaktelement 40 durch Ultraschalleinwirkung so miteinander
verschweißt
werden, dass der Leiterabschnitt 18 und die Isolierumhüllung 19 in
innigem Kontakt mit der inneren Umfangsfläche der Einführbohrung 12 in
der Verbindungskappe 10 gehalten werden, ohne dass ein
Spalt dazwischen gebildet wird. Deshalb können sich die Einzeldrähte 18a,
die den Leiterabschnitt 18 des Kabels 17 bilden,
nicht lösen
und die Belastungen konzentrieren sich nicht auf den Leiterabschnitt 18,
so dass dieser Leiterabschnitt 18 keiner Reibung unterworfen
und verhindert wird, dass die Einzeldrähte 18a z.B. durchtrennt
werden. Außerdem
wird verhindert, dass Wasser, Staub und dergleichen in das Innere
der Verbindungskappe 10 eindringt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
unter Bezugnahme auf eine spezifische und bevorzugte Ausführung dargestellt
und beschrieben würde,
werden für
den Fachmann verschiedene Änderungen
und Modifikationen an der hier vorgestellten Lehre offensichtlich.
Diese Änderungen
und Modifikationen sollen innerhalb des Geistes und des Umfangs
der Erfindung liegen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert
ist.