DE3518052C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktanordnung für elektrische Steckverbindungen, mit mindestens einem Kontaktstift, der am Stiftumfang wendelförmig um die Stift­ längsachse verlaufende, radial elastisch nachgiebige Kontakt­ flächen aufweist.

Zur Übertragung elektrischer Ströme von einem Leitungsteil auf den andern dienen elektrische Kontaktstellen, die in der Regel in Schaltern oder Steckverbindern untergebracht sind. Eine Steckerverbindung im Sinne der Umgangssprache besteht im we­ sentlichen aus den Elementen Steckerstift und Steckerbuchse als lösbare Kontaktmittel, aus einer in der Regel elektrisch iso­ lierenden Kontaktmittelhalterung und aus den in der Regel nichtlösbaren elektrischen Kontaktableitungen, das sind z. B. Leiterkabel. Die lösbaren Kontaktmittel sollten nebst einem sicheren Kontakt, insbesondere bei der Übertragung größerer elektrischer Ströme, einen möglichst geringen Übergangswider­ stand aufweisen. Beide Kriterien versucht man bei lösbaren Kon­ takten über das Leitermaterial und den Kontaktdruck zu erfüllen.

Während man das für die Kontaktmittel gewählte Leitermaterial in der Arbeitscharakteristik als konstant annehmen kann, ist dies beim Kontaktdruck nicht immer gewährleistet. Zum Teil sehr aufwendige und nicht zuletzt störungsanfällige Federmittel sol­ len den nötigen Kontaktdruck auch beim Auftreten einer großen Zahl von Steckoperationen immer wieder neu in befriedigender Weise bewerkstelligen; dies trotz erschwerenden Betriebs- und/ oder Umweltbedingungen wie große Anzahl Lastspiele, Tempera­ turbelastung und Verschmutzung, um hier nur die wichtigsten zu nennen.

Eine Kontaktanordnung der eingangs genannten Art ist bekannt aus der US-PS 31 57 445. Dort ist in einer Ausführung (Fig. 3d) ein um seine Längsachse verdrillter Flachmaterial-Kontaktstift gezeigt, der zwar infolge seiner zur Stiftlängsachse koaxialen Wendelachse an sich keine radiale Nachgiebigkeit aufweist, jedoch durch eine zusätzliche Maßnahme, nämlich das Einformen eines Längsschlitzes eine solche Nachgiebigkeit erhalten soll. Diese Nachgiebigkeit ist jedoch vergleichsweise gering, weil die beiden durch den Längsschlitz voneinander getrennten Hälften des verdrillten Flachmaterialstreifens beim Einstecken in eine zugehörige Kontaktbuchse in Hochkantrichtung ihres flach-rechteckigen Querschnittes, d. h. in Richtung des größten Flächenträgheitsmomentes und damit der größten Biegesteifheit, verformt werden müssen. Ferner ist auf diese Weise eine auch nur annähernd gleichförmige Verteilung des Kontaktdruckes in Stiftlängsrichtung nicht erreichbar, weil die lokale Biegesteifheit der Flachstreifenhälften in Radialrichtung von der Längenmitte aus in beiden Richtungen stark zunimmt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine sichere Steckverbindung für lösbare elektrische Kontaktanordnungen zu schaffen, die durch ihre Einfachheit nicht strörungsanfällig ist, auch bei verhältnismäßig starker Verschmutzung ihre Fe­ derwirkung beibehält, selbstreinigende Kontaktflächen aufweist und in der Herstellung einfach und preisgünstig ist. Das fe­ dernde Element der Kontaktanordnung soll außerdem so geschaf­ fen sein, daß die elastische Verformung im wesentlichen gleichmäßig über das ganze Federmaterial verteilt ist, so daß eine partielle Überbelastung des Materials bis in den plasti­ schen Verformungsbereich im Normalbetrieb nicht vorkommen kann. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Im Gegensatz zu den Konstruktionen mit Ausführungen von be­ kannten, beispielsweise geschlitzten Kontaktstiften kann beim erfinderischen Kontaktstift der Federweg durch kumulierende An­ sammlung von Schmutz nicht blockiert werden; auch ist die Bela­ stung des Federmaterials gleichmäßiger verteilt und bei erhöh­ ter radialer Kraftwirkung kann das Federmaterial längs des ge­ wellten und verdrehten Bereich in Elongation, das heißt axial ausweichen. Der Kontaktdruck bleibt durch den Einbezug aller räumlichen Bewegungsrichtungen in einem relativ weiten Bela­ stungsbereich und auch geometrischen (Toleranz-) Bereich in etwa gleich. Zugleich reinigen sich die Kontaktflächenanteile des gewellten Bereichs bei jedem Steckvorgang und die kumulie­ rende Verschmutzung kann sich nur an den feder- und kontaktin­ aktiven Partien des Steckerstiftes ansammeln. Letztlich ist ge­ mäß der Aufgabenstellung die Herstellung der Kontaktstifte wie auch der vorzugsweise koaxial dazu angeordneten, gegebenenfalls einstückig mit den Kontaktstiften ausgebildeten Kontaktbuchsen, z. B. als gewendelter Teil des Kontaktstiftmaterials, einfach, kostengünstig und mit bekannten Mitteln durchzuführen.

Dies gilt natürlich auch für die daraus gefertigten Stecker mit einem oder mehreren Kontaktstiften und/oder -buchsen. Für die Stifthalterung und Isolation ist z. B. die Einspritztechnik oder die Knüpftechnik geeignet. Die elektrischen Ableitungen können als nichtlösbare Verbindungen, z. B. gelötet, gequetscht, punkt­ geschweißt etc. und als lösbare Verbindung mit bekannten Mit­ teln, z. B. mit Klemmschrauben, realisiert werden.

Einige Ausführungsbeispiele von Kontaktanordnungen und deren Kombination mit den erfindungsgemäßen Kontaktstiften bzw. Kon­ taktbuchsen werden anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren eingehend diskutiert.

Eine entsprechende Erweiterung auf Mehrfach-Buchsen bzw. Mehr­ fach-Stecker kann mit bekannten Mitteln durchgeführt werden. Dies trifft insbesondere auf Zweistift/Zweibuchsen-Steckverbin­ dungen zu.

Fig. 1 zeigt einen Laborstecker mit einem Kontaktstift in einer Kunststoffhalterung, die zugleich als isolie­ render Griff dient.

Fig. 2 zeigt den Laborstecker gemäß Fig. 1 von der Schmalseite.

Fig. 3 zeigt einen Stecker mit einem Kontaktstift gemäß der Erfindung und einer aufgesetzten, glatten Buchse für rückwärtiges, axiales Stecken von gleichen Steckern mit gewellten Kontaktstiften.

Fig. 4 zeigt einen Kontaktstift mit angesetzter Buchse ge­ mäß der Erfindung, in einem Stück hergestellt und fertig für den Einbau in eine isolierende Halterung.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Steckers mit einem Kontaktstift und einer Buchse für rückwär­ tiges, axiales Stecken.

Fig. 6 zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 5 von der Schmalseite.

Fig. 7 zeigt eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 5.

In den beiden Fig. 1 und 2 ist ein einfacher Laborstecker oder Meßkabelstecker mit einem erfindungsgemäßen Kontaktstift S dargestellt. Ein isolierender Steckergriff 2 hat auf der einen Seite eine Befestigungsvorrichtung 4 für ein nicht dargestell­ tes Meßkabel, das hier z. B. in einer Klemmvorrichtung be­ festigt werden kann. Mit dieser Befestigungseinrichtung 4 ist das gewendelte Kontaktelement 1 mit elektrisch leitfähigen Mitteln, z. B. Meßkabel, verbunden. Das gewellte Kontaktelement 1 ragt als gewellter, schraubenförmig um eine Mittelachse 3 ver­ drehter Bereich aus dem Steckergriff 2 heraus.

Der äußere Durchmesser D des gewendelten Bereichs ist auf eine zugehörige Kontaktbuchse ausgelegt, wobei hier schon bemerkt werden soll, daß durch die spezielle, elektrische Kontakt­ stiftdeformation in allen drei Raumrichtungen, die Federwirkung und damit der Kontaktdruck in Bezug auf einen Buchsendurchmes­ ser in einem weiten Bereich variiert werden können. Dieser Sachverhalt ist durch die Beziehung L = f (D) = f(p) angedeutet, wobei L die axiale Längenveränderung aus der Ruhelage des Bereichs, D der variable Außendurchmesser des ra­ dial gestreßten, gewellten Bereichs und p der durch die Feder­ wirkung des gewendelten Bereichs verursachte Kontaktdruck bedeu­ ten. Einfach errechenbar sind diese Zusammenhänge bei einer starren Kontaktbuchse, deren elastische Verformung vernachläs­ sigt werden kann. Bei dem in der Projektion dargestellten Kon­ taktstift 1 sind die Kontaktstellen 5 eingezeichnet; räumlich betrachtet handelt es sich natürlich um einen Multipunktkontakt entlang der Peripherie des verdrehten, wellenförmigen Bereichs.

Vorzugsweise wird dieser drahtförmig ausgebildet, bspw. als ¹/₁₀ mm bis 2 mm starker, um die Stiftlängsachse gewendelter Kontaktdraht. Bei einer mehrgängigen Spirale kann die Kontaktfläche vervielfacht wer­ den. Dies wird insbesondere dadurch erleichtert, daß in der Regel verhältnismäßig große Steigungen verwendet werden, um die nötige axiale Steifigkeit des Kontaktelementes zu erhalten.

In dieser Figur ebenfalls in Projektion dargestellt, sind meh­ rere Depoträume 6 für die akkumulierten Verunreinigungen. Es ist hier eindeutig ersichtlich, daß solche Depots, die je nach Umgebungsbedingungen z. B. durch Einwirkung von Lösungsmittel­ dämpfen eine festgebackene Konsistenz aufweisen können, die mechanische Federwirkung nicht beeinträchtigen können. Auch ist leicht ersichtlich, daß die Kontaktstifte mühelos zu reinigen sind (keine Ecken und Spalten). Die Selbstreinigung der wendel­ förmigen Kontaktflächen 5 erfolgt, wie bei anderen Steckern auch, durch die Steckoperation, nur daß im Gegensatz zu den Kontaktstiften gemäß dem Stand der Technik der abgestreifte Schmutz sich im gewellten Depotraum 6 ablagern kann und auch dort verbleibt, bis der Kontaktstift gelegentlich ge­ reinigt wird.

Die relativ große Kontaktfläche der gewendelten Kontakt­ elemente erleichtert bei der Wahl des Kontaktstiftmaterials den Kompromiß zwischen Leitfähigkeit und Elastizitätskonstante des Materials. Sehr gut in punkto mechanischer Festigkeit, Elastizität und elektrischen Eigenschaftgen erweisen sich ver­ schiedene Cu-Be-Legierung. Das Produkt verteuernde Überzüge sind in der Regel unnötig; entsprechende Probleme damit, wie z. B. ein Abblättern des Überzugs, entfallen daher.

Weitere, vorteilhafte Materialien sind solche, die auch für die Herstellung von Federn verwendet werden, wie z. B. Federbronce etc. Dabei ist diesen Materialien der Vorzug gegeben, da sie weitgehend korrosionsbeständig sind und somit den Kontaktüber­ gangswiderstand klein erhalten. Auch metallisierte Kunststoff­ materialien eignen sich dort, wo nur geringe Ströme zu übertra­ gen sind, z. B. in der Signaltechnik. Aus Kunststoff lassen sich besonders kostengünstige, einfache und kleine Kontaktstifte herstellen.

Fig. 3 zeigt nun ein gewendeltes Kontaktelement 1 mit aufge­ setzter Buchse 10, wie er in einen isolierenden Griff 2 einge­ baut werden kann. Diese Ausführungsform eignet sich insbeson­ dere für die Einspritztechnik; das elektrische Ableitkabel ist nicht dargestellt. Mit aufgesetzten Buchsen ist ein Einstecken von zusätzlichen Leitungen möglich; in diesem Fall kann durch die axiale Auslegung auch einhändig gesteckt werden. Der Buch­ seninnenteil 11 ist starr; es können hier mit Vorteil die fe­ dernden, gewendelten Kontaktelemente gemäß der Erfindung einge­ steckt werden. Die Verbindung 12 zwischen Kontaktelement 1 und Buchse 10 wird mit bekannten Mitteln (Pressen, Löten etc.) be­ werkstelligt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit elektrischer Buchse 20 auf einem federnden, gewendelten Kontaktelement 1 in einstücki­ ger Ausführung. Das zu Fig. 1 ausgeführte gilt hier sinngemäß auch für die Buchse 20. Die gewendelt ausgeführte Buchse aus dem gleichen Material wie der Steckstift verhält sich dabei in radialer Richtung im wesentlichen starr. Mit B ist der Innen­ durchmesser der Buchse im ungestreßten Zustand bezeichnet. Die im Vergleich zum gewellten, spiralförmig verdrehten Kontakt­ element 1 verhältnismäßig kleine Steigung des Buchsenwendels 20 verringert die Steifigkeit in axialer Richtung, hier insbeson­ dere in Zugrichtung. Dies kann behoben werden durch die Wahl des Materials für den Steckerstift oder die Kontakthalterung; mittelelastisches, spritzfähiges Polypropylen verleiht dem Buchsenwendel den nötigen Halt gegen die üblichen Zugkräfte, wie sie beim Ausziehen eines Steckkontakts aus der Buchse vor­ kommen.

Die beiden Fig. 5 und 6 zeigen aus zwei Betrachtungsrichtun­ gen eine weitere, besonders rationelle Ausführungsform eines Steckers mit Kontaktelement 1 gemäß der Erfindung und mit aufge­ setzter Buchse 31 für rückwärtiges Stecken. Das gewendelte Kontakt­ element 1 geht in einen geradlinig verlaufenden Kontaktstift­ teil 1 A über und endet schließlich in einem Kontaktverbin­ dungsteil 1 B, zur Vereinigung mit einem elektrischen Leiterka­ bel 33. Die Verbindung Kabel/Stift ist hier eine Lötverbindung; ebensogut kann es eine Quetschverbindung in einem hülsenförmi­ gen Kontaktverbindungsteil 1 B, oder eine andere adäquate Ver­ bindung sein. Kontaktträger, isolierender Griff und Buchse ist ein Kunststoffteil 30. Der elektrische Buchsenkontakt 1 C ist identisch mit dem geradlinig verlaufenden Kontaktstiftteil 1 A. Die für den Kontaktdruck nötige Federwirkung erfolgt durch das elastische Verhalten des Kunststoffs.

Schließlich zeigt Fig. 7 noch eine Variante der Ausführungs­ form gemäß den Fig. 5 und 6, bei welcher die Leitungszufüh­ rung 33 quer zum geradlinig verlaufenden Kontaktelementteil 1 A in einem Kontaktverbindungsteil 1 B an diesem befestigt ist. Die Kunststoffbuchse 40 mit der Ausnehmung 41 für ein Kontakt­ element weist in deren Innenteil als elektrischen Buchsenkontakt 1 C ebenfalls den geradlinig verlaufenden Kontaktelementteil 1 A auf.

Wie schon erwähnt, läßt sich die beschriebene Kontaktanordnung gemäß der Erfindung auch in Mehrstiftsteckern mit den zugehö­ rigen Buchsen verwenden. Insbesondere geeignet sind die erfin­ derischen, gewellten Kontaktstifte zusammen mit starren Buchsen für die vielstrapazierten Haushaltsstecker mit zwei oder drei Polen. Die Federwirkung dieser Steckergruppe wurde bis heute den längsgeschlitzten Buchsen zugedacht, deren Schwachstelle eben dieser Längsschlitz ist. Mit einer starren Buchse und einem geeignet gefederten Steckstift gemäß dem Erfindungsvor­ schlag ist ein solcher Stecker über eine große Gebrauchsspanne schier unverwüstlich.

Claims (12)

1. Elektrische Kontaktanordnung für elektrische Steck­ verbindungen, mit mindestens einem Kontaktstift (S), der am Stiftumfang wendelförmig um die Stiftlängsachse (3) verlau­ fende, radial elastisch nachgiebige Kontaktflächen (5) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen (5) über mindestens einen Teil der Kontaktstiftlänge durch wenigstens ein drahtförmiges Kontaktelement (1) gebildet sind, dessen Drahtachse längs einer Steilwendel um die Stift­ längsachse (3) sowie mit radialem Abstand von der Stiftlängsachse (3) verläuft.

2. Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Kontaktelementes (1) eine Kontaktbuchse (10, 20) angeordnet ist.

3. Kontaktanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbuchse (20) aus elektrisch leitfähigem Draht gebildet ist, dessen Drahtachse längs einer Steilwendel um die Stiftlängsachse (3) sowie mit radialem Abstand von der Stiftlängsachse (3) verläuft.

4. Kontaktanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbuchse (10, 20) in einer elektrische isolierenden Halterung (2) so aufgenommen ist, daß die Buchsenöffnung frei ist und das Kontaktelement (1) aus der Halterung (2) hervorragt.

5. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (1) an seinem oberen Ende eine als Halterung dienende, elektrisch isolierende, hohlzylindrisch ausgebildete Buchse (30, 40) trägt, in deren Innenraum ein Endabschnitt (1 A) des Kontaktelementes (1) hineinragt.

6. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktseitigen Durchmesser (D bzw. B) von einander zugeordneten Kontaktelementen (1) bzw. Kontaktbuchsen (10, 20) in ungestecktem Zustand voneinander abweichen.

7. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D) des gewendelten Teils des Kontaktelements (1) größer ist als der Innendurchmesser (B) einer zugehörigen Kontaktbuchse (10, 20).

8. Kontaktanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Durchmesser (B) der Kontaktbuchse (10, 20) kleiner ist als der äußere Durchmesser (D) des gewellten Abschnittes eines zugehörigen Kontaktelementes (1).

9. Kontaktanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement (1) aus Federmetall besteht.

10. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement aus einem metalli­ sierten, elektrisch leitfähigen Kunststoffverbund gefertigt ist.

11. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbuchse aus Federmetall besteht.

12. Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbuchse aus einem metalli­ sierten, elektrisch leitfähigen Kunststoffverbund gefertigt ist.