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Stand der Technik
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Bei
Laserzündungssystemen sind eine Pumplichtquelle und ein
Zündlaser örtlich voneinander getrennt angeordnet
weil der Zündlaser in unmittelbarer Nähe der Brennräume
der Brennkraftmaschine angeordnet werden muss und sich die Vibrationen
und Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine negativ auf die
Lebensdauer der Pumplichtquelle auswirken. Um die Distanz zwischen Pumplichtquelle
und Zündlaser zu überbrücken, ist zwischen
Pumplichtquelle und Zündlaser ein Lichtwellenleiter vorhanden.
Dieser Lichtwellenleiter transportiert das von der Pumplichtquelle
erzeugte Pumplicht zum Zündlaser. Dort wird in einem Festkörperlaser
der eigentliche Zündimpuls erzeugt, welcher durch eine
Fokussieroptik und ein Brennraumfenster in den Brennraum geleitet
wird. Dort entsteht das gewünschte Zündplasma,
welches die Verbrennung des im Brennraum befindlichen Kraftstoff/Luft-Gemisches
auslöst.
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Die
Pumplichtquelle und der Lichtwellenleiter haben große Lebensdauern
von etwa 30.000 Betriebsstunden, während der Zündlaser
deutlich kürzere Lebensdauern hat beziehungsweise in deutlich kürzeren
Zeitintervallen gewartet werden muss. Deshalb ist es erforderlich,
den Lichtwellenleiter und den Zündlaser einfach voneinander
trennen zu können.
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Aus
der
WO 02/071122
A1 und der
EP
0 570 652 A2 sind faseroptische Steckverbindersysteme bekannt,
bei denen ein Stecker Mittel zum Verschließen des Steckers
aufweist, die bei Bedarf geöffnet werden können.
Diese Steckverbindersysteme arbeiten mit Führungsnuten
und einer Kulissensteuerung der Mittel zum Schließen des
Steckers. Dadurch sind sie vergleichsweise aufwändig in
der Herstellung und weisen nicht die für den rauen Betrieb
im Motorraum eines Kraftfahrzeugs erforderliche Robustheit auf.
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Außerdem
ist bei diesem Steckverbindersystem lediglich eine Lösung
für den Schutz der optisch aktiven Oberflächen
innerhalb des Steckers beziehungsweise des im Stecker endenden Lichtwellenleiters
beschrieben. Ein Schutz der optisch aktiven Oberflächen
einer mit dem Stecker kompatiblen Buchse wird in dem genannten Stand
der Technik nicht beschrieben.
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Im
Motorraum eines Kraftfahrzeugs sind Staub und Schmutz vorhanden.
Da sowohl der Lichtwellenleiter als auch der Zündlaser
empfindlich auf Verschmutzungen ihrer optisch aktiven Flächen
reagieren, besteht eine Notwendigkeit, ein faseroptisches Verbindersystem
bereitzustellen, das in getrenntem Zustand verhindert, dass die
optisch aktiven Flächen von Stecker und Buchse verschmutzt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindersystem bereitzustellen,
das bei geöffneter Verbindung die optischen Flächen
sowohl des Steckers als auch der Buchse gegen Verschmutzungen schützt. Überdies
soll das Verbindersystem einfach bedienbar sein und den rauen Betriebsbedingungen
im Motorraum einer Brennkraftmaschine über die gesamte
Lebensdauer des Fahrzeugs standhalten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stecker
für eine faseroptische Verbindung mit einem Gehäuse
und mit einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Lichtleiter,
wobei der Stecker Mittel zum Verschließen des Gehäuses
aufweist und wobei diese Mittel das Gehäuse selbsttätig
freigeben, wenn der Stecker in eine mit dem Stecker kompatible Buchse
eingesteckt wird dadurch gelöst, dass an dem Gehäuse
eine Schutzhülse vorgesehen ist, dass die Schutzhülse
eine optisch aktive Oberfläche des Steckers, insbesondere
ein Ende eines Lichtleiters, allseitig umgibt und dass die Mittel
zum Verschließen des Gehäuses als mindestens eine
an einer Stirnseite der Schutzhülse drehbar gelagerte Klappe
ausgebildet sind.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ebenfalls durch eine
Buchse für eine faseroptische Verbindung nach dem nebengeordneten
Anspruch 3 dadurch gelöst, dass an der Buchse ebenfalls
eine Schutzhülse vorgesehen ist, dass die Schutzhülse
die Buchse allseitig umgibt und dass die Buchse mindestens eine
an einer Stirnseite der Schutzhülse drehbar gelagerte Klappe
zum Verschließen der Buchse aufweist.
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Dadurch
dass sowohl der Stecker als auch die mit dem Stecker kompatible
Buchse jeweils eine Schutzhülse aufweisen, ist es möglich,
die optisch aktiven Flächen von Stecker und Buchse gegen
Verschmutzungen zu schützen, sobald die Verbindung geöffnet
wird.
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Dadurch,
dass die erfindungsgemäßen Mittel zum Verschließen
des Gehäuses des Steckers beziehungsweise der Buchse als
drehbar gelagerte Klappen ausgebildet sind, kann eine aufwändige Steuerung
der Mittel zum Verschließen mit Hilfe von Nuten und Kulissen
entfallen. Des Weiteren können dadurch die Schutzhülsen
konzentrisch zum Stecker und zur Buchse ausgebildet werden und es
ist infolgedessen bei dem erfindungsgemäßen Verbindersystem
möglich, dass sich die Schutzhülsen von Stecker
und Buchse teleskopartig ineinander bewegen und jeweils wechselseitig
die Klappen der jeweils anderen Schutzhülse öffnen.
Dadurch ist nicht nur ein selbsttätiges Verschließen
von Stecker und Buchse möglich, sobald die Verbindung getrennt
wird, sondern es werden auch die optisch aktiven Oberflächen von
Stecker und Buchse selbsttätig wieder freigegeben, sobald
die Verbindung wieder hergestellt wird, indem der Stecker in die
Buchse eingeführt wird.
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Die
erfindungsgemäße drehbare Lagerung der mindestens
einen Klappe an den Schutzhülsen kann mit Hilfe eines Scharniers,
insbesondere mit einem Filmscharnier, erfolgen. Wenn die Schutzhülse zwei
Klappen aufweist, dann ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, dass die Drehachsen der beiden Klappen
parallel zueinander verlaufen. Diese Ausführungsform ist insbesondere
dann geeignet, wenn die Schutzhülse einen quadratischen
oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dann nämlich ist
es möglich, die Drehachsen der Klappe parallel zu zwei
Wänden der Schutzhülse anzuordnen, so dass trotz
einer sehr einfachen Kinematik die gesamte Querschnittsfläche der
Schutzhülsen durch eine oder zwei Klappen verschlossen
werden kann und es auch ohne Weiteres möglich ist, dass
sich die Schutzhülsen von Stecker und Buchse teleskopartig
ineinander bewegen, wenn die Verbindung hergestellt wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Klappen an den Schutzhülsen selbsttätig in
eine Schließstellung zurückgehen, sobald die Verbindung
getrennt wird. Dies lässt sich auf einfache Weise dadurch
erreichen, dass die Scharniere federnd ausgebildet sind.
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Dabei
kann dies, falls die Scharniere als Filmscharniere ausgebildet sind,
durch eine geeignete Formgebung und Materialwahl von Schutzhülse und
Klappen erreicht werden. Andernfalls, können an den Scharnieren
eine Schraubenverdrehfeder oder eine Spiralfeder vorgesehen sein.
Alternativ wäre es auch möglich, zwischen Schutzhülse
und Klappen jeweils eine Schraubendruckfeder vorzusehen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Schutzhülse axial auf dem Gehäuse des Steckers
beziehungsweise der Buchse verschiebbar geführt und wird
federbelastet gegen einen stirnseitigen Anschlag gepresst. Dadurch
ist es möglich, beim Herstellen der Verbindung zunächst die
Schutzhülse axial auf dem Gehäuse des Steckers oder
der Buchse zu verschieben, so dass die zu der Schutzhülse
gehörenden Klappen nach außen geöffnet
werden und anschließend die Verbindung hergestellt wird.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen
offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1a eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer laserbasierten
Zündeinrichtung;
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1b eine
schematische Darstellung der Zündeinrichtung aus 1;
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2 bis 11 Ausführungsformen
erfindungsgemäßer faseroptischer Verbindungssysteme
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
Brennkraftmaschine trägt in 1a insgesamt
das Bezugszeichen 10. Sie kann zum Antrieb eines nicht
dargestellten Kraftfahrzeugs oder eines Generators zur Stromerzeugung
dienen. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst mehrere Zylinder,
von denen in 1 nur einer mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet
ist. Ein Brennraum 14 des Zylinders 12 wird von
einem Kolben 16 begrenzt. Kraftstoff gelangt bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in den Brennraum 14 direkt
durch einen Injektor 18, der an einen auch als Rail bezeichneten
Kraftstoff-Druckspeicher 20 angeschlossen ist. Alternativ
kann die Gemischbildung auch in einem nicht dargestellten Saugrohr erfolgen.
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In
den Brennraum 14 eingespritzter Kraftstoff 22 oder
angesaugten Kraftstoff-Luft-Gemisch wird mittels eines Laserimpulses 24 entzündet,
der von einer einen Zündlaser 26 umfassenden Zündeinrichtung 27 in
den Brennraum 14 abgestrahlt wird. Hierzu wird der Zündlaser 26 über
eine Lichtleitereinrichtung 28 mit einem Pumplicht gespeist,
welches von einer Pumplichtquelle 30 bereitgestellt wird.
Die Pumplichtquelle 30 wird von einem Steuergerät 32 gesteuert, das
auch den Injektor 18 ansteuert.
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Wie
aus 1b hervorgeht, speist die Pumplichtquelle 30 mehrere
Lichtleitereinrichtungen 28 für verschiedene Zündlaser 26,
die jeweils einem Zylinder 12 der Brennkraftmaschine 10 zugeordnet sind.
Hierzu weist die Pumplichtquelle 30 mehrere einzelne Laserlichtquellen 34 auf,
die mit einer Pulsstromversorgung 36 verbunden sind. Durch
das Vorhandensein der mehreren einzelnen Laserlichtquellen 34 ist
gleichsam eine „ruhende" Verteilung von Pumplicht an die
verschiedenen Zündlaser 26 realisiert, so dass
keine optischen Verteiler oder dergleichen zwischen der Pumplichtquelle 30 und
den Zündlasern 26 erforderlich sind.
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Der
Zündlaser 26 weist beispielsweise einen laseraktiven
Festkörper 44 mit einer passiven Güteschaltung 46 auf,
die zusammen mit einem Einkoppelspiegel 42 und einem Auskoppelspiegel 48 einen optischen
Resonator bildet. Unter Beaufschlagung mit von der Pumplichtquelle 30 erzeugtem
Pumplicht erzeugt der Zündlaser 26 in an sich
bekannter Weise einen Laserimpuls 24, der durch eine Fokussieroptik 52 auf
einen in dem Brennraum 14 (1a) befindlichen
Zündpunkt ZP fokussiert ist. Die in dem Gehäuse 38 des
Zündlasers 26 vorhandenen Komponenten sind durch
ein Brennraumfenster 58 von dem Brennraum 14 getrennt.
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In 2a ist
ein Stecker 60 ohne die erfindungsgemäße
Schutzhülse geschnitten dargestellt. Im Inneren des Steckers 60 ist
eine Lichtleitereinrichtung 28 vorhanden. Deren stirnseitiges
Ende 64 stellt bei dem in 2a dargestellten
Ausführungsbeispiel die optisch aktive Oberfläche
des Steckers 60 dar. Der Stecker 60 umfasst ein
Gehäuse 64 und eine Dichtung 66. An dem
Gehäuse 64 ist ein Innengewinde 68 ausgebildet.
An einem Außenumfang des Gehäuses 64 ist
ein Absatz 70 vorhanden. Dort ist das Gehäuse 64 rotationssymmetrisch
ausgebildet.
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In 2b ist
eine mit dem Stecker 60 kompatible Buchse 72 ebenfalls
geschnitten dargestellt. Die Buchse 72 ist bei dem in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel
Teil einer Lasereinrichtung 26, die, wie bereits im Zusammenhang
mit der 1b erläutert, unter
anderem einen Einkoppelspiegel 42 und einen Festkörperlaser 44 aufweist.
Der Einkoppelspiegel 42 ist die optisch aktive Oberfläche
der Buchse 72. Selbstverständlich könnte
die Buchse 72 auch am Ende eines Lichtwellenleiters 28 (nicht
dargestellt in 2b) angeordnet sein.
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Die
Buchse 72 weist ein Außengewinde 74 auf,
welches mit dem Innengewinde 68 des Steckers 60 kompatibel
ist. Der Lichtwellenleiter 28 beziehungsweise dessen Stirnseite 62 wird
mit dem Einkoppelspiegel 42 der Lasereinrichtung 26 verbunden, indem
der Stecker 60 in die Buchse 72 eingeführt
und das Gehäuse 64 des Steckers 60 mit
dem Außengewinde 74 der Buchse verschraubt wird.
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Wie
sich aus den 2a und 2b ohne Weiteres
erkennen lässt, sind die optisch aktiven Oberflächen 62 und 42 von
Stecker 60 und Buchse 72 bei geöffneter
Verbindung Verschmutzungen durch Staub, Öl oder anderen
Stoffen weitestgehend schutzlos ausgesetzt. Um dies zu verhindern,
ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Schutzhülse 76.1 an
dem Stecker 60 anzuordnen.
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Diese
Schutzhülse 76.1 ist in 3 dargestellt.
Die Schutzhülse 76.1 stützt sich in axialer
Richtung an dem Absatz 70 des Gehäuses 64 ab
und ist relativ zum Gehäuse 64 drehbar. Der Stecker 60 beziehungsweise
dessen optisch aktive Oberfläche 62 wird allseitig
von der Schutzhülse 76.1 umgeben. An der Schutzhülse 76.1 sind
zwei Klappen 78.1 angeformt. Bei dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Schutzhülse 76.1 mit
den angeformten Klappen 78.1 als Kunststoffformteil, welches
nur einmal verwendet wird, ausgebildet.
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Die
Klappen 78.1 sind mit Filmscharnieren 80 drehbar
an der Schutzhülse 76.1 gelagert. Zwischen den
Klappen 78.1 ist eine erste Sollbruchstelle 82 vorgesehen.
Anstelle der ersten Sollbruchstelle 82 kann zwischen den
Klappen 78.1 auch eine Dichtung vorhanden sein (nicht dargestellt).
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In 3 sind
die Klappen 78.1 geschlossen, so dass die optisch aktive
Oberfläche 62 der Lichtleitereinrichtung 28 durch
die Schutzhülse 76.1 und die geschlossenen Klappen 78.1 vollständig
gegen Schmutz und Feuchtigkeit geschützt ist.
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In 4 ist
ein entsprechender Schutz der Buchse 72 mittels einer Schutzhülse 76.2 mit
Klappen 78.2 und einer ersten Sollbruchstelle 82 dargestellt.
Der Aufbau der Schutzhülsen 76.1, 76.2 von Stecker 60 und
Buchse 72 ist prinzipiell gleich. Allerdings sind die Durchmesser
der Schutzhülsen 76.1, 76.2 voneinander
verschieden, so dass die Schutzhülsen 76.1, 76.2 von
Stecker 60 und Buchse 72 teleskopartig ineinander
schiebbar sind, wenn der Stecker 60 in die Buchse 72 eingeführt
werden soll.
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Anhand
der 5 wird das Herstellen einer Verbindung
zwischen Lichtwellenleiter 28 und der Lasereinrichtung 26 mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verbindungssystems
erläutert.
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Aus
Gründen der Übersichtlichkeit wurden nicht alle
Bezugszeichen eingetragen.
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In
einem ersten Schritt, der in 5a dargestellt
ist, wird mit Hilfe der Schutzhülse 76.1 des Steckers 60 die
erste Sollbruchstelle 82 zwischen den Klappen 78.2 der
Buchse 72 aufgebrochen und die Klappen 78.2 nach
innen geöffnet. In diesem Stadium sind die Klappen 78.1 der
Schutzhülse 76.1 noch geschlossen. Dies wird dadurch
erreicht, dass die Klappen 78.1 der Schutzhülse 76.1 des
Steckers 60 nicht bündig mit der Stirnseite der
Schutzhülse 76.1 des Steckers 60 sind.
Der Durchmesser der Schutzhülse 76.2 ist so bemessen,
dass bei geöffneten Klappen 78.2 die Schutzhülse 76.1 noch
in die Schutzhülse 76.2 eingefahren werden kann.
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Sobald
die Klappen 78.1 des Steckers 60 auf die Buchse 72 auftreffen,
bricht die zugehörige Sollbruchstelle 82.1 und
die Klappen 78.1 öffnen nach innen, das heißt
in Richtung des Gehäuses 64. Dieses Stadium ist
in 5b dargestellt.
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Wenn
nun das Gehäuse 64 des Steckers 60 mit
der Buchse 72 verschraubt worden ist, wie dies in 5c dargestellt
ist, liegt die Stirnseite 62 des Lichtwellenleiters 28 unmittelbar
auf dem Einkoppelspiegel 42 der Lasereinrichtung auf, so
dass die Übertragung von Pumplicht beziehungsweise die
Einkopplung von Pumplicht aus dem Lichtwellenleiter 28 in die
Lasereinrichtung 26 möglich ist (5c).
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In
den 6 und 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Steckers 60 und
einer erfindungsgemäßen Buchse 72 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Klappen 78.1 und 78.2 mit
einem Scharnier 83 an den Schutzhülsen 76.1 und 76.2 drehbar
gelagert sind. Des Weiteren ist zwischen den Klappen 78.1 und 78.2 einerseits
sowie den Schutzhülsen 76.1 und 76.2 andererseits
jeweils eine Schraubendruckfeder 84 vorgesehen. Die Schraubendruckfedern 84 sorgen
dafür, dass die Klappen 78.1, 78.2 selbsttätig wieder
in die in den 6 und 7 dargestellten Schließstellungen
gelangen, sobald die Verbindung geöffnet wird. Alternativ
zu den dargestellten Schraubendruckfedern 84 können
auch Schraubenverdrehfedern 86 (siehe 7)
oder Spiralfedern (nicht dargestellt) eingesetzt werden.
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Bei
dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Schutzhülse 76.1 axial verschiebbar an dem
Gehäuse 64 aufgenommen. Zwischen dem Absatz 70 und
der Schutzhülse 76.1 ist eine Schraubendruckfeder 88 angeordnet.
Dabei ist die Federsteifigkeit der Schraubendruckfeder 88 so
bemessen, dass zunächst die Schutzhülse 76.1 in
Richtung des Absatzes 70 axial nach hinten verschoben wird und
anschließend die Klappen 78.1 nach außen öffnen,
wenn der Stecker 60 in die Buchse 72 eingeschraubt
wird. Eine ähnliche Wirkung wie mit Hilfe der Schraubendruckfedern 88 kann
erreicht werden, wenn im Bereich des Absatzes 70 an der
Schutzhülse 76.1 eine zweite Sollbruchstelle 92 vorgesehen
ist (Siehe 8).
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Klappen 78.1 und 78.2 jeweils
eine Dichtung 90 vorgesehen. Dies ist insbesondere dann
vorteilhaft, wenn die Schutzhülsen mehrfach verwendet werden sollen.
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Das
Zusammenfügen von Stecker 60 und entsprechender
Buchse 72 ist in den 9a bis 9d dargestellt.
Ein Unterschied zu dem Ablauf gemäß 5a–c
besteht darin, dass die Klappen 76.1 des Steckers 60 nach
außen öffnen nachdem die zweite Sollbruchstelle 72 gebrochen
ist und in Folge dessen die Schutzhülse 76.1 axial
nach hinten weggeschoben werden kann. Anschließend öffnet das
Gehäuse 64 des Steckers 60 die Klappen 78.2 der
Buchse 72 nach innen.
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In 10 ist
eine Ansicht von vorne auf eine erfindungsgemäße
Schutzhülse 76 mit quadratischem Querschnitt und
zwei Klappen 78 dargestellt. In 11 ist
ein alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem
die Schutzhülse 76 einen kreisringförmigen
Querschnitt hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 02/071122
A1 [0003]
- - EP 0570652 A2 [0003]