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Die Erfindung betrifft elektrische Verbinder.
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Sie betrifft insbesondere Verbinder mit folgenden
Funktionseigenschaften:
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- große Betätigungsanzahl (in der Regel zwischen 5000 und
50 000 Betätigungen), was Maßnahmen erfordert, um
einerseits einen zu schneller Verschleiß der
aneinanderreibenden Teile zu verhindern und andererseits eine
Selbstreinigung der in elektrischen Kontakt kommenden
Teile zu gewährleisten,
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- großer Kontaktbereich, d.h., daß die homologen
beweglichen Elemente des Verbinders auf der ganzen Länge
eines relativ langen Einschubwegs einen guten
elektrischen Kontakt herstellen können sollen, und zwar mit
relativ hohen Maßtoleranzen,
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- relativ schwache Kraft zum Einstecken und zum Halten
des Drucks (in der Endstellung), was im allgemeinen der
Fall ist bei Verbindern, bei denen die Verriegelung in
der Endstellung mittels einer außerhalb des
eigentlichen Verbinders angeordneten mechanischen Vorrichtung
erfolgt: in diesem Fall muß der Kraftaufwand zum Halten
des Drucks begrenzt sein (da er von der außen
befindlichen Vorrichtung geliefert wird) und muß der
Verbinder andererseits relativ große Maßtoleranzen
vertragen - was wieder zum vorstehenden Merkmal führt -, da
die mechanische Präzision des Andrückens (mechanisches
Annähern der beweglichen Elemente) und die des
Einsteckwegs nicht vom Verbinder selbst, sondern von der
äußeren Vorrichtung abhängen.
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Die zusammenwirkenden Elemente eines Verbinders
umfassen mindestens ein starres, leitendes Element, das in
mechanischen und elektrischen Kontakt mit einem biegsamen
(d.h. elastisch verformbaren) Kontaktelement kommt, dem
gegenüber es sich mit einer relativen Bewegung bewegen
kann. Diese Elemente werden nachfolgend "starres Element"
und "biegsames Element" genannt, doch wird das starre
Element in der Praxis auch "Stift" oder "Steckerstift" und
das biegsame Element "Buchse" oder "Steckerbuchse" genannt.
Bei einer ersten, auf Fig. 1 dargestellten Art Stecker
erstreckt sich das starre Element 1 in einer
Längsrichtung Δ und das/die biegsame/n Kontaktelement/e 2
erstreckt/erstrecken sich im wesentlichen parallel zur gleichen
Richtung Δ. Zur Herstellung des elektrischen Kontakts nähert
man das starre Element 1 an, indem man es in
Längsrichtung Δ bewegt, wodurch das freie Ende des (oder der)
biegsamen Element/e quer weggedrückt wird, d.h. in einer
zur Richtung A im wesentlichen senkrechten Richtung (auf
der Abbildung gestrichelt dargestellt).
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Dieser Verbinderaufbau hat mehrere Vorteile.
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Zunächst einmal erhält man ohne Probleine einen langen
Weg, da die Verformung der biegsamen Elemente
(quergerichtetes Abspreizen) nur vom Durchmesser des
starren Elements abhängt, wodurch der Weg in die
Längsrichtung Δ beim Entwurf des Verbinders problemlos verlängert
werden kann.
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Zum zweiten ist die Selbstreinigung des Kontaktpunkts
durch Reibung problemlos gesichert, da die Länge des
Kontaktwegs (d.h. der Ort der aufeinanderfolgenden
Kontaktpunkte auf der Länge des Einsteckwegs) gleich dem Weg des
Verbinders ist.
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Schließlich ist bei dieser Art Verbinder nur eine
geringe Einsteck- und Haltekraft notwendig: auf Fig. 3 ist
mit 1 die Kennkurve F/d (Einsteckkraft/Eindrücklänge) für
diese Art Verbinder dargestellt. Der gekrümmte Abschnitt OA
entspricht dem Kraftaufwand, der zur radialen Verformung
der biegsamen Elemente 2 erforderlich ist; wenn die
Deformationsstellung erreicht ist, kommt man bei einem Peak
A an, dessen Umfang durch eine geeignete Wahl der
zusammenwirkenden Formen begrenzt werden kann. Beim weiteren
Eindrücken (Abschnitt AB) bleibt die Einsteckkraft auf der
ganzen Länge des Nutzwegs D dann im wesentlichen konstant.
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Diese Art Verbinder hat allerdings den Nachteil, daß
sie schneller verschleißt, genau deshalb, weil am
Kontaktpunkt, der praktisch festliegt, eine große Länge des
starren Elements vorbeizieht, da die Länge des Kontaktwegs die
gleiche ist wie die des mechanischen Wegs des Verbinders.
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Bei einer zweiten, auf Fig. 2 dargestellten Art
Verbinder, zu welcher der Verbinder der Erfindung zählt,
erstreckt sich das biegsame Kontaktelement in einer zur
Richtung Δ, in der sich das starre Element 1 erstreckt,
allgemein quer verlaufenden und im wesentlichen senkrechten
(oder stark schrägen) Richtung. Der Anschluß erfolgt nun
durch einfaches Drücken am Ende auf das freie Ende des
biegsamen Elements, das sich immer mehr krümmt, je mehr das
starre Element 1 hineingedrückt wird.
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Da die Länge des Kontaktwegs viel kürzer als im
vorangegangenen Fall ist, ist der Verschleiß wesentlich geringer
und damit die Lebensdauer höher. Dafür ist die
Selbstreinigung aufgrund des verkürzten Kontaktwegs wesentlich
schlechter.
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Der Hauptnachteil dieser Art Verbinder besteht jedoch
vor allem in der relativ hohen benötigten Einsteckkraft,
insbesondere am Ende des Wegs: so wurde auf Fig. 3 mit II
die entsprechende Kennkurve F/d dargestellt. Man sieht, daß
nach einem geringen Kraftaufwand (Abschnitt OA') zum
Erreichen des Punkts A', an dem der elektrische Kontakt sehr gut
ist, die erforderliche Kraft sehr schnell zunimmt
(Abschnitt A'B'), wenn man das starre Element weiter
hineindrückt, und zwar aufgrund des zunehmenden Widerstands,
die von dem immer mehr weggedrückten Hebelarm des biegsamen
Elements entgegengesetzt wird. Außerdem ist der Nutzweg D'
wesentlich kürzer als im vorangehenden Fall.
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Diese Nachteile (erhöhte Einsteckkraft und kürzerer
Weg) sind insbesondere für die weiter oben genannten
Anwendungsfälle unannehmbar, in denen das Halten des Drucks der
beiden Elemente des Verbinders von einer außerhalb des
eigentlichen Verbinders angeordneten Vorrichtung übernommen
wird: man überschreitet dann sehr schnell den für das
Halten des Drucks des Verbinders in seiner verriegelten
Stellung maximal erlaubten Kraftaufwand Fmax; außerdem ist ein
Nachjustieren der Maßtoleranzen durch den relativ kurzen
Weg D' unmöglich, wodurch eine sehr präzise Fertigung der
äußeren Verriegelungsvorrichtung erforderlich ist, da die
Funktionsqualität des Verbinders von präzisen Maßen dieser
Vorrichtung abhängig ist.
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Eines der Ziele der vorliegenden Erfindung ist es,
einen Verbinder anzubieten, der diesen verschiedenen
Nachteilen abhilft und gleichzeitig einen langen Weg, einen
geringen Einsteckkraftaufwand und große Zuverlässigkeit
(geringer Verschleiß und Selbstreinigung) aufweist.
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Der Verbinder der Erfindung gehört zur zweiten
vorgenannten Art, d.h. er umfaßt mindestens ein biegsames,
lamellenförmiges elektrisches Kontaktelement, das elastisch
verformbar ist, und mindestens ein starres elektrisches
Kontaktelement runder Form, beispielsweise mit einem im
wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, wobei die beiden
Elemente durch die relative Bewegung des starren Elements
zum biegsamen Element hin elektrisch und mechanisch in
Kontakt kommen, wobei diese Richtung die allgemeine
Ausrichtung des biegsamen Elements schneidet, das auf diese
Weise unter elastische Spannung gesetzt wird.
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Nach der Erfindung weist das freie Ende des biegsamen
Elements einen gekrümmten Bereich auf, dessen Hohlfläche
zum starren Element zeigt und dessen Krümmungsradius größer
als der Querschnittsradius des starren Elements ist, wobei
dieser gekrümmte Abschnitt von einem gekröpf ten
Andrückabschnitt verlängert wird.
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Das biegsame Element schlägt in Ruhestellung
vorzugsweise an Schultern eines Verbinderkörpers an und verdeckt
so in dieser Stellung die öffnung des Verbinderkörpers, die
das starre Element aufnimmt.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Detail beschrieben,
wobei sich auf die beiliegenden Abbildungen bezogen wird.
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Die vorgenannten Fig. 1 und 2 stellen schematisch zwei
generelle Arten von Verbindern dar.
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Fig. 3 zeigt die Kennkurve von Einsteckkraft/relativer
Bewegung der Kontaktelemente der Verbinder der Fig. 1 und
2.
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Fig. 4 ist eine Gesamtansicht eines Verbinders der
Erfindung.
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Fig. 5 zeigt vergrößert und in mehreren
Funktionsstellungen die zusammenwirkenden Flächen der beiden Elemente
des Verbinders der Fig. 4.
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Fig. 6 zeigt die Kennkurve von Einsteckkraft/Bewegung
dieses gleichen Verbinders.
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Fig. 7 stellt eine Ausführungsvariante zum Schutz der
Kontakte dar.
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Fig. 4 zeigt im Schnitt den Verbinder der Erfindung,
der von einem Steckerkörper 3 getragene, starre
Kontaktelemente 1 umfaßt, beispielsweise zwei parallele Reihen
starrer Kontaktelemente. Der Steckerkörper 3 fügt sich in
einen homologen Aufnahmeraum eines Steckverbinders 4 ein,
der die biegsamen Kontaktelemente 2 trägt, die mit den
starren Kontaktelementen 1 zusammenwirken sollen.
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Auf Fig. 4 wurden die Kontaktelemente zum Zeitpunkt
des Aneinandersetzens abgebildet, d.h. in der
Zwischeneindrückposition, in welcher die Elemente in mechanischen
Kontakt kommen, lange vor dem kompletten Eindrücken, welches
der mechanischen Verriegelungsposition des Verbinders
entspricht.
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Auf Fig. 5 wurde vergrößert ein starres Element 1 und
ein biegsames Element 2 in drei verschiedenen,
aufeinanderfolgenden Stellungen dargestellt: die rechte Stellung im
Vollstrich entspricht dem Aneinandersetzen der beiden
Elemente (Stellung der Fig. 4), die linke Stellung, ebenfalls
im Vollstrich, entspricht der Stellung des kompletten
Eindrückens, in welcher der Verbinder verriegelt ist, während
die mittlere, gestrichelt dargestellte Stellung eine
besondere Zwischenstellung ist, die nachfolgend beschrieben
wird.
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Das starre Element 1 weist im Querschnitt eine im
wesentlichen kreisrunde Endform mit einem Radius p&sub1; auf.
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Das biegsame Element 2 ist in Form einer beweglichen
Lamelle ausgeführt, deren freies Ende eine gewölbte Zone 5
aufweist, deren Hohlfläche zum starren Element zeigt und
deren Krümmungsradius p&sub2; über dem Radius p&sub1; des
kreisförmigen Querschnitts des starren Elements 1 liegt. An diese
gewölbte Zone 5 schließt sich eine gekröpfte Andrückzone 6
an, deren Ausbauchung also zum starren Element hingewandt
ist.
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Die Einschiebkinematik wird in zwei Etappen zerlegt:
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- Zum Zeitpunkt des Aneinanderfügens (auf der Abbildung
rechts dargestellt) bekommt der Punkt 7 des starren
Elements 1 Kontakt mit dem in der gekröpften Zone
befindlichen Punkt 10 des biegsamen Elements. Beim
weiteren Vorwärtsbewegen des starren Elements 1 in der
Richtung Δ verschiebt sich der Kontaktpunkt am starren
Element von 7 zu 8 und am biegsamen Element von 10 zu
11.
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Man erreicht nun die auf Fig. 5 gestrichelt
dargestellte Stellung, und man sieht, daß sich der
Kontaktpunkt am biegsamen Element von der gekröpften Zone 6
bis zum Beginn der gewölbten Zone 5, d.h. im
wesentlichen auf Höhe des diese beiden Zonen verbindenden
Inflexionspunkts, verschoben hat.
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- Mit weiterer Bewegung verschiebt sich der Kontaktpunkt
am starren Element von 8 zu 9 und am beweglichen
Element von 11 zu 12.
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Man sieht, daß sich in dieser zweiten Phase der
Kontaktpunkt am starren Element in Richtung auf den
ursprünglichen Berührungspunkt 10 verschoben hat, und
daß der Kontaktpunkt am biegsamen Element die gesamte
gewölbte Zone 5 durchlaufen hat.
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Auf diese Weise hat beim starren Element auf der
Strecke D" eine Hin- und Herbewegung des Kontaktpunkts (von
7 zu 8, dann von 8 zu 9) stattgefunden, während beim
biegsamen Element eine durchgehende Bewegung (von 10 zu 11,
dann von 11 zu 12) über einen relativ langen Weg zu
beobachten war, welcher der Strecke der gewölbten Zone 5
entsprach, und zwar, obwohl eine relativ schwache
abschließende Bewegung (die zweite vorgenannte Phase) in
Richtungerfolgte. Die Hin- und Herbewegung sorgt insbesondere für
eine ausgezeichnete Selbstreinigung der Kontaktflächen.
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Statisch gesehen ist die Verschiebung des biegsamen
Elements aufgrund der sehr geringen Verschiebung des
starren Elements (in Richtung Δ) im allgemeinen sehr gering,
und die Reaktionskraft des Hebelarms wird somit nur langsam
höher.
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Dieses Merkmal erscheint deutlich in der Kennkurve von
Kraft/Verschiebung der Fig. 6.
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Auf dieser Abbildung wurde der Gesamtweg D" in einen
Vorabweg d&sub1; (zwischen dem Berührungspunkt O und dem der
Kraft F&sub1; entsprechenden Punkt A", die genügend Druck
ausübt, um einen guten elektrischen Kontakt herzustellen) und
einen Nutzweg d&sub2; (zwischen dem Punkt A" und dem Punkt des
der Verriegelung des Verbinders entsprechenden, kompletten
Eindrückens B") zerlegt.
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Man sieht auf diese Weise, daß der erforderliche
Kraftaufwand (zwischen F&sub1; und F&sub2;) zwischen den Punkten A"
und B" trotz des sehr langen Wegs nur in sehr engen Grenzen
schwankt: in einem Ausführungsbeispiel kann man auf diese
Weise einen großen Funktionsbereich erreichen, bei einem
Vorabweg d&sub1; = 0,2 mm und einem Nutzweg d&sub2; = 1,6 mm, wobei
der Kraftaufwand F in der Regel nur zwischen F&sub1; = 10 N und
F&sub2; = 25 N schwankt, wodurch wesentlich bessere Merkmale
erreicht werden, als sie bei den herkömmlichen Verbindern
beobachtet wurden.
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Auf Fig. 7 wurde eine Ausführungsvariante dargestellt,
bei der das biegsame Element 2 an zwei Schultern 13, 14 des
Steckverbinders 4 anliegt, wodurch der Innenraum des
Steckers geschützt wird, da die Öffnung 15, die das starre
Element 1 aufnimmt, verdeckt wird; somit erhält man aus
ausgeschnittenen Teilen (wobei die Lamelle das biegsame
Element 2 darstellt) in einfacher Weise ein geschütztes
Kontaktelement, während diese geschützten Kontaktelemente
bisher hauptsächlich mittels einziehbarer Kolben
hergestellt wurden, was eine wesentlich teurere und viel
komplizierter einzusetzende Fertigung an der Drehbank erforderte