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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schraubkontakt, insbesondere einen Schraubkontakt für den Anschluss einer mehradrigen Leitung, ein Leitungsverbindungssystem, ein Hochvoltsystem und ein Fahrzeug damit
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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft das physische Bordnetz von Elektro- und Hybridfahrzeugen. Das Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug selbst verfügt über ein isoliert aufgebautes Hochvolt-System (HV-System), das mit einem IT-System nach DIN VDE 0100-100:2009 vergleichbar ist. Dabei ist insbesondere eine elektrische Entkoppelung des HV-Systems von der Außenwelt wie etwa der Karosserie sicherzustellen.
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Zur lösbaren Kontaktierung von Hochvoltkomponenten sind unterschiedliche Kontaktierungsarten anwendbar. Eine Möglichkeit stellt die Schraubkontaktierung dar, um über die Lebensdauer eine guten konstanten Übergangswiderstand zu gewährleisten. Montagearbeiten an den Leitungen und Schraubkontakten sind dabei vorzugsweise stromlos bzw. spannungsfrei durchzuführen. Allerdings kann es im Fehlerfall zu einer Verletzung dieser Vorgabe kommen. Ein Fehlerfall kann im Fahrzeug an der Energieversorgungsquelle, die eine HV-Batterie ist, z. B. durch einen doppelten Schützkleber auftreten. Solche Fehlerfälle müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden. Daher ist es wünschenswert, gewisse Prämissen und Kriterien von Berührschutzklassen, die für Straßenfahrzeuge beispielsweise in ISO 20653 normiert sind, einzuhalten. Beispielsweise betrifft die Berührschutzklasse IPxxB den Schutz gegen Eindringen mit dem Finger, während die Berührschutzklasse IPxxD den Schutz gegen Eindringen eines Drahts betrifft.
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Es ist eine berührgeschützte Hochvolt-Schraubkontaktierung zur Erfüllung des IPxxB-Standard bekannt, die beispielsweise mit einem in 1 gezeigten Leitungsende gemäß Fe. TE 2pol IPT verwirklicht wird. Eine Hochvoltleitung 2 weist zwei Adern 4 auf, deren Enden in einem Koppelelement 6 münden und durch dieses gehalten werden. Das Koppelelement 6 weist eine Flanschplatte 8 mit Dichtung zur Befestigung an einem Gehäuse und eine Schirmung 10 auf. Die Aderenden sind jeweils von einem Kabelschuh 12 gefasst, dessen Schaft 12a in einer flachen Kontaktzunge 12b ausläuft und an der Flanschplatte 8 durch eine Isolierung 14 elektrisch isoliert ist. Die Kontaktzungen 12b weisen jeweils eine Form einer Öse auf. Zur Montage wird die Flanschplatte 8 beispielsweise an einem Gehäuse verschraubt, und dann können die Kontaktzungen (Ösen) 12b beispielsweise an jeweiligen Stromschienen oder dergleichen angeschraubt werden. Mit diesem Leitungsende, bei welchem die Adern 4 durch des Koppelelement 6 zusammengefasst sind, wird sichergestellt, dass der Einsteckvorgang nur als Paar möglich ist. Bei dieser Variante sind aber während des gesamten Montagevorgangs die blanken Teile der Kabelschuhe 12 offen zugänglich. Die Schraubkontaktierung kann (bei entsprechend gestaltetem Gegenstück) den IPxxB-Standard zwar im montierten Zustand erfüllen, nicht jedoch bei der Montage. Im Fehlerfall bei der Batterie (Hochvoltbatterie) erfüllt diese Art der Schraubkontaktierung die HV-Sicherheitsanforderungen nicht. Auch ist der Vorgang der Schraubkontaktierung umständlich und erfordert hohe Sorgfalt.
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Ein Konzept einer berührgeschützten, spannungsfreien Schraubkontaktierung, das von der Fa. Yazaki als YPT-Konzept bekannt ist, ist in 2 und 3 gezeigt. Dabei zeigt 2 eine perspektivische Ansicht der gesamten Schraubkontaktierungsanordnung dieses Konzepts geschnitten entlang einer Schnittebene 16, die durch eine Achse einer Ader 4 verläuft, und zeigt 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Schraubkontaktierungsanordnung. Es ist anzumerken, dass gleiche oder ähnliche Bauelemente in dieser Anmeldung durchgängig mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind. Wie in 3 gezeigt, ist ein Leitungsende einer zweipoligen Leitung 2 dieses Konzepts ähnlich wie bei dem von 1 gezeigten Leitungsende aufgebaut. So sind auch die Adern 4 der Leitung 2 in einem Koppelelement 6, das allerdings zwei Anschraublaschen anstelle einer Flanschplatte aufweist, zusammengefasst, und die Kontaktzungen 12b der Kabelschuhe 12 weisen hier die Form von Gabeln anstelle von Ösen auf. Ein Schraubkontakt weist ein Gehäuse 20 und einen Anschraubsockel 22 mit Ein- und Anbauteilen auf. Das grob quaderförmige Gehäuse 20 weist eine Montageöffnung 20a und, in einer an die Seite mit der Montageöffnung 20a angrenzenden Seite, zwei Durchführungsöffnungen 20b zur Durchführung der Aderenden 4a bzw. der Kabelschuhe 12 auf. Der Anschraubsockel 22 nimmt zwei Anschlusselemente 24 in jeweiligen Sitzteilen 26 auf. Die Sitzteile 26 können einstückig zusammengefasst oder getrennt hergestellt und zusammengefügt sein. Die Anschlusselemente 24 sind in der Form abgewinkelter Kabelschuhe ausgebildet. Jedes Sitzteil 26 weist eine Polöffnung 26a zur Einführung jeweils eines der Kabelschuhe 12 auf. Eine PTFE-Unterlegscheibe 28, eine Druckscheibe 30 und eine Kontakt- oder Klemmschraube 32 je Pol (Sitzteil) bilden eine Schraubklemmeinheit und sind zum Kontaktieren der Aderenden 4a bzw. Kabelschuhe 12 mit den Anschlusselementen 24 vorgesehen. Zur Montage werden, nachdem der Anschraubsockel 22 mit vormontierten Anschlusselementen 24 und Schraubklemmeinheiten 28, 30, 32 in des Gehäuse 24 eingesetzt ist, die Kabelschuhe 12 durch die Durchführungsöffnungen 20b des Gehäuses 20 und die Polöffnungen 26a des Anschraubsockels 22 geführt und durch Anziehen der Klemmschrauben 32 mit den Anschlusselementen 24 kontaktiert. Dann werden noch eine Deckeldichtung 34 und ein Deckel 36 auf den Rand um die Montageöffnung 20a herum aufgelegt und mittels Deckelschrauben 38 angeschraubt. Bei diesem Konzept sind die Kabelschuhe 12 während des Vorgangs der Schraubkontaktierung zwar in dem Anschraubsockel 22 sicher positioniert. Allerdings sind hier die mit den Anschlusselementen 24 und den Kabelschuhen 12 verbundenen Klemmschrauben 32 offen zugänglich. Des Konzept erfüllt daher IPxxB-Kriterien im montierten Zustand und geschlossenen Zustand des Gehäuses 20. Als zusätzliches Sicherheitskriterium ist an dem Gehäuse 20 eine Interlock-Aufnahme 42 vorgesehen. Bei dem Konzept des HV-Interlock wird ein Niedervoltkreis durch entsprechende Brücken nur dann geschlossen, wenn alle Stecker gesetzt sind. Hierzu weist das Koppelelement 6 ein entsprechendes Gegenelement (nicht näher dargestelt) auf, welches den Niedervoltkreis im Inneren der Interlock-Aufnahme 42 brückt. Durch eine Überwachungselektronik wird der Niedervoltkreis überwacht und eine Spannungsbeaufschlagung nur dann freigegeben, wenn der Niedervoltkreis vollständig geschlossen, d. h., in allen in Reihe geschalteten Elementen gebrückt ist. Im Fehlerfall, d. h., wenn Spannungsfreiheit nicht hergestellt werden kann, ist eine Verschraubung unter Spannung in dieser Variante nur dann zulässig, wenn zur Klemmung der Kabelschuhe Kunststoffelemente bzw. isolierten Schrauben verwendet werden. Dieses Konzept kann somit die HV-Sicherheitsanforderungen bei der Quelle (HV-Batterie) erfüllen, aber es sind teure Zusatzkomponenten notwendig. Dies erhöht die Bauteilkosten. Weiterhin ist die Langzeitstabilität von Isolationselementen, welche durch die Klemmkraft in der Kontaktzone beaufschlagt sind, problematisch.
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Eine weitere, an sich bekannte Schraubkontaktierungsanordnung ist in 4 in perspektivischer Teilexplosionsdarstellung gezeigt. Die Anordnung ist der in 2, 3 gezeigten ähnlich, sodass hier nur noch die Unterschiede beschrieben werden und im Übrigen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird. Als zusätzliches Sicherheitsmerkmal sind in dieser Anordnung zwei Berührschutzkappen 46 vorgesehen, die an dem Anschraubsockel so anclipsbar sind, dass sie den Kopf jeweils einer Klemmschraube 32 bedecken. Jede Berührschutzkappe 46 weist eine Zugangsöffnung 46a auf, die ausreichend weit ist, damit durch die Zugangsöffnung 46a hindurch der Schraubenkopf durch ein Schraubwerkzeug (nicht näher dargestellt) zugänglich ist, die aber so eng ist, dass der Schraubenkopf durch einen Finger nicht berührt werden kann. Um die Situation, dass eine Berührschutzkappe 46 entfernt wird oder verloren geht und dieser Berührschutz damit aufgehoben wird, zu beherrschen, ist für jede der Berührschutzkappen 46 ferner ein Interlock-Steckkontakt 44 vorgesehen. Das Koppelelement 6 zur Kopplung der Adern 4 der Leitung 2 weist eine Sicherungslasche 48 auf, die bei Montage auf einem Vorsprung 50 des Gehäuses 20 ruht und mittels einer Sicherungsschraube 52 daran befestigt wird. Eine Poldichtung 54 dient der Abdichtung zwischen dem Koppelelement 6 und dem Gehäuse 20. Zur Anbringung des Gehäuses 20 an einem anderen Bauteil ist ein Befestigungsflansch 56 vorgesehen. Durch die mittels Interlock überwachten Berührschutzkappen ist sichergestellt, dass bei entfernter Berührschutzkappe keine Spannung angelegt wird. Allerdings erfordert dieses Konzept eine funktionsbereite Überwachung des HV-Interlocksystems, und es sind noch teurere Zusatzkomponenten (Interlock-Steckkontakte an den Berührschutzkappen) notwendig. Ferner ist es möglich, mit zwei Schraubwerkzeugen gleichzeitig beide Klemmschrauben 32 zu erreichen. Wenn die Schraubwerkzeuge nicht isoliert sind und der Steckkontakt unter Spannung steht, besteht somit weiterhin eine Stromschlaggefahr. Daher kann eine Schraubbetätigung der Klemmschrauben 32 mit nicht isoliertem Werkzeug nicht zugelassen werden. Bei diesem Konzept sind grundsätzlich hohe HV-Sicherheitsanforderungen bei der Quelle (HV-Batterie) erfüllt, aber es können trotz vergleichsweise hohen Aufwands bestimmte, beschriebene Gefahrenquellen weiterhin nicht ausgeschlossen werden.
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Im Sinne dieser Anmeldung wird eine Baueinheit, welche das Gehäuse 20 mit dem darin aufgenommenen Anschraubsockel 22 einschließlich aller daran oder darin vorgesehenen Bauteile umfasst, auch als Schraubkontakt 18 bezeichnet. Der Bereich der Durchführungsöffnungen 20b mit dem Vorsprung 50 und entsprechenden Dichtflächen für Poldichtungen 54 wird im Sinne dieser Anmeldung auch als Aufnahmebereich des Gehäuses 20 bezeichnet. Ein oder mehrere Schraubkontakte 18 und eine oder mehrere damit kontaktierte oder kontaktierbare Leitungen 2 können im Sinne dieser Anmeldung zusammen als Elemente eines Leitungsverbindungssystems verstanden werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schraubkontaktierung im Hinblick auf die oben genannten Aspekte zu optimieren. Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Schraubkontaktierung derart weiterzubilden, dass auch im Fehlerfall, dass Spannungsfreiheit nicht gewährleistet werden kann, eine Schraubbetätigung der Klemmschrauben mit nicht isoliertem Werkzeug gefahrlos möglich ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Schraubkontaktierung zu schaffen, welche die Sicherheitsprämissen mit einfacheren, insbesondere kostengünstigeren Mitteln erfüllt. Die vorstehende(n) Aufgabe(n) wird bzw. werden wenigstens in Teilaspekten durch einen Schraubkontakt mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Leitungsverbindungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13, ein Hochvoltsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erster Erfindungsgesichtspunkt betrifft einen Schraubkontakt mit wenigstens zwei, insbesondere genau zwei, Polen für die elektrische Kontaktierung einer mehradrigen, insbesondere zweiadrigen, elektrischen Leitung. Der Schraubkontakt weist einen Anschraubsockel auf, der je Pol eine Polöffnung, die zur Einführung eines Aderendes der mehradrigen Leitung ausgebildet ist; ein Anschlusselement, welches in dem Anschraubsockel aufgenommen ist; und eine Schraubklemmeinheit, die zum Festklemmen des Aderendes an dem Anschlusselement mittels einer Klemmschraube ausgebildet ist, aufweist. Ferner weist der Schraubkontakt eine Zugangsauswahleinheit auf, welche stets den Zugang zu wenigstens einer, insbesondere genau einer, der Klemmschrauben verhindert und gleichzeitig den Zugang zu wenigstens einer, insbesondere genau einer bzw. der anderen, der Klemmschrauben freigibt.
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Ein Schraubkontakt kann im Sinne der Erfindung als eine Vorrichtung zum Anschließen, d. h., zur elektrischen Kontaktierung Verbindung einer elektrischen Leitung bzw. von Leitern mittels Anschrauben verstanden werden. Der Schraubkontakt kann Bestandteil einer elektrischen Vorrichtung oder separat vorgesehen sein. Unter einem Pol wird im Sinne der Erfindung eine einzelne Kontaktierungsmöglichkeit eines Leiters bzw. einer Leitungsader mit einem jeweiligen Anschlusselement verstanden. Ein Anschraubsockel kann im Sinne der Erfindung ein Körper zur Aufnahme von Anschraubelementen sein. Unter einem Aderende wird im Sinne der Erfindung ein zu kontaktierendes Ende einer Ader verstanden, das vorzugsweise, aber nicht zwingend, mit einem Kabelschuh versehen sein kann. Sofern ein Kabelschuh vorgesehen ist, kann dieser eine flache Kontaktzunge aufweisen, die vorzugsweise gabelförmig, alternativ ring- bzw. ösenförmig ausgebildet sein kann. Ein Anschlusselement kann im Sinne der Erfindung jedwedes Leiterelement sein, mit welchem eine Ader der Leitung zu verbinden ist. Das Anschlusselement kann beispielsweise, aber nicht nur, ein Leitungsverbinder, ein Stromschienenelement, eine Anschlussfahne, ein Kabelschuh oder ein Kabelende sein. Mit einem Zugang ist im Sinne der Erfindung elf mechanischer Zugang von außen, beispielsweise ein bestimmungsgemäßer Zugang durch ein entsprechendes Schraubwerkzeug zum Antreiben der Klemmschraube, gemeint.
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Da erfindungsgemäß durch die Zugangsauswahleinheit ein Zugang zu wenigstens einer, insbesondere genau einer, der Klemmschrauben verhindert und gleichzeitig der Zugang zu wenigstens einer, insbesondere genau einer bzw. der anderen, der Klemmschrauben freigegeben ist, kann eine Berührung mehrerer oder aller, insbesondere baider Klemmschrauben verhindert werden. Dies ist ein zusätzliches Sicherheitskriterium, welches einen Schutz auch dann zwingend gewährleistet, wenn der Schraubkontakt nicht spannungsfrei ist. Da eine gleichzeitige Berührung mehrerer Leiter somit ausgeschlossen ist, kann auch die Arbeit mit einem nicht isolierten Werkzeug gefahrlos ermöglicht werden. Gefahrlos bedeutet in diesem Fall, dass elf Stromfluss durch einen Körper einer Person von einem Pol zu einem anderen Pol des Schraubkontakts nicht möglich ist.
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Der Anschraubsockel kann in einem Gehäuse aufgenommen oder aufnehmbar und vorzugsweise daran befestigt oder befestigbar sein. Dabei kann das Gehäuse je Pol eine Durchführungsöffnung aufweisen, die mit der entsprechenden Polöffnung des Anschraubsockels fluchtet, wenn der Anschraubsockel in dem Gehäuse aufgenommen ist. Die Durchführungsöffnungen können verbunden sein oder durch Stege getrennt sein. Da mit einer solchen Anordnung die Aderenden sowohl durch die Durchführungsöffnungen als auch durch die Polöffnungen geführt werden müssen, damit die Aderenden die Schraubklemmeinheiten erreichen, können auch die Aderenden durch die Ränder der Durchführungsöffnungen gestützt werden und kann eine Knicklast der Aderenden im Anschraubbereich verhindert werden.
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Das Gehäuse kann im Bereich der Durchführungsöffnung einen Aufnahmebereich, der zur Aufnahme eines Koppelelements zur Kopplung der Adern der Leitung ausgebildet ist, aufweisen. Unter einer Kopplung ist dabei eine mechanische Kopplung, also ein Zusammenfassen oder Bündeln, von Adern zu verstehen. Dabei kann der Aufnahmebereich eine Dichtfläche zur dichtenden Anlage mit einer Poldichtung des Koppelelements aufweisen. Ferner kann der Aufnahmebereich einen Befestigungsbereich aufweisen, der zum Befestigen des Koppelelements ausgebildet ist. Der Befestigungsbereich kann insbesondere, aber nicht nur, durch einen Vorsprung verwirklicht sein, an welchem ein Vorsprung an dem Koppelelement anschraubbar ist.
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Das Gehäuse kann eine Montageöffnung in einer Seite, welche an eine Seite mit der Durchführungsöffnung anschließt und durch einen Deckel verschlossen oder verschließbar ist, aufweisen. Dabei kann eine Deckeldichtung zur Abdichtung eines Spalts zwischen dem Kastenteil und dem Deckel vorgesehen sein. Somit kann der Anschraubsockel im Betrieb dicht eingehaust sein, zur Wartung oder Montage aber durch einfaches Lösen des Deckels leicht zugänglich gemacht werden.
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Die Zugangsauswahleinrichtung kann wahlweise an dem Gehäuse oder an dem Anschraubsockel vorgesehen sein.
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Die Zugangsauswahleinrichtung kann als einfache Ausführung ein Schiebeelement zum Verhindern bzw. Freigeben eines Zugangs aufweisen. Aternativ sind beispielsweise, aber nicht nur, Klapp- oder Schwenkmechanismen denkbar.
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Der Schraubkontakt kann für eine Kontaktierung von Hochvoltleitungen, insbesondere im Automobilbereich, ausgelegt sein. Insbesondere im Automobilbereich ist als Hochvoltbereich ein Bereich ab ca. 48 VAC bzw. 60 VDC zu verstehen. Allgemein kann als Hochvoltbereich auch ein Spannungsbereich einer Versorgungsspannung eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs bzw. einer entsprechenden Batterie im Vergleich mit einer üblichen Bordspannung für sonstige Peripherie, die oft im Bereich zwischen 6 und 24 VDC liegt, verstanden werden.
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Der Schraubkontakt kann mit einer Interlock-Einrichtung versehen ist. Damit kann auch sichergestellt werden, dass ein Spannungsversorgungssystem, insbesondere Hochvoltsystem, nur dann mit Spannung versorgt wird, wenn alle Kontakte belegt sind.
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Für jede Schraubklemmeinheit kann eine Berührschutzeinrichtung vorgesehen sein, welche den Zugang zu der Klemmschraube für ein zum Antreiben der Klemmschraube vorgesehenes Schraubwerkzeug ermöglicht, jedoch für einen Finger einer Person verhindert. Die Verhinderung eines solchen Zugang ist ein Sicherheitsmerkmal, das beispielsweise mittels eines Normprüffingers, insbesondere nach IPxxB, geprüft werden kann. Zur Verwirklichung dieses Sicherheitsmerkmals kann die Berührschutzeinrichtung beispielsweise, aber nicht nur, als eine Berührschutzkappe mit einer Öffnung, die weit genug für das Schraubwerkzeug, aber zu eng für den Finger ist, ausgebildet sein. Die Berührschutzeinrichtung kann vorzugsweise verliersicher montiert bzw. montierbar sein und kann mit einer Interlock-Einrichtung versehen sein, um das System außer Spannung zu setzen, wenn eine Berührschutzeinrichtung verloren geht oder entfernt wird.
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Der Schraubkontakt kann eine Geometrie derart aufweisen, dass ein Zugang zu dem Anschlusselement über die Polöffnung für einen Finger einer Person verhindert ist. Die Verhinderung eines solchen Zugang ist ein Sicherheitsmerkmal, das beispielsweise mittels eines Normprüffingers, insbesondere nach IPxxB, geprüft werden kann. Zur Verwirklichung dieses Sicherheitsmerkmals kann beispielsweise, aber nicht nur, die Polöffnung einen engen Schlitz aufweisen, der zur Einführung des Aderendes (Kabelschuhs) ausgelegt ist, aber für den Finger zu eng ist, wobei das Anschlusselement hinter die Öffnung des Schlitzes zurückweicht.
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Der Anschraubsockel kann je Pol ein Sitzteil aufweisen, welches jeweils die Polöffnung aufweist und das Anschlusselement und die Schraubklemmeinheit aufnimmt. Dabei können die Sitzteile miteinander verbunden oder verbindbar sein. Diese Vereinzelung der Sitzteile ermöglicht eine modulare Herstellungsweise, sodass beispielsweise Anschraubsockel mit einer beliebigen Anzahl von Polen durch Kombination der entsprechenden Anzahl von gleichartigen Sitzteilen hergestellt werden kann. Alternativ kann der Anschraubsockel auch einstückig ausgebildet sein, wobei die Sitzteile nur geometrisch oder gar nur als funktionale Einheiten voneinander abzugrenzen sind. Dabei können Sollbruch- oder Trennungsstellen vorgesehen sein, die es ermöglichen, einzelne Sitzteile oder Gruppen von Sitzteilen von einer größeren Herstellungseinheit, die etwa in Form eines Riegels oder einer Endloskette bereitgestellt werden kann, abzutrennen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Leitungsverbindungssystem. Das Leitungsverbindungssystem weist den vorstehend beschriebenen Schraubkontakt und eine mehradrige, insbesondere zweiadrige, elektrische Leitung, die zum Kontaktieren mit dem Schraubkontakt ausgebildet ist, auf. Da das Leitungsverbindungssystem den Schraubkontakt des vorherigen Erfindungsgesichtspunkts aufweist, kann das Leitungsverbindungssystem sämtliche Vorteile, Ausführungsformen und Varianten des Schraubkontakts aufweisen.
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Ein Aderende jeder Ader der Leitung kann mit einem Kabelschuh versehen sein. Der Kabelschuh weist einen Schaft, der ein blankes Aderende umschließt und zum Teil mit einer Isolierung versehen ist, und eine Kontaktzunge, die zur Kontaktierung mit dem Anschlusselement des Schraubkontakts ausgebildet Ist, auf. Wenn eine Länge der nicht isolierten Teile des Kabelschuhs kürzer ist als ein Abstand von einem Rand der Polöffnung (des Anschraubsockels) bis zu dem (darin aufgenommenen) Anschlusselement, kann auch sichergestellt werden, dass die blanken Teile des Kabelschuhs nicht zugänglich sind, während die Kontaktzunge Kontakt mit dem Anschlusselement hat. Dies ist ein weiteres Sicherheitskriterium, das einen Stromfluss verhindern kann, wenn mit einem nicht isolierten Werkzeug die Klemmschraube berührt wird und gleichzeitig der Kabelschuh angefasst wird.
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Wenn ein Koppelelement zum Koppeln der Aderenden der mehradrigen Leitung vorgesehen ist, kann dies auch die Handhabung der Leitung erleichtern und ein Kontaktieren aller Adern der Leitung sicherstellen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Hochvoltsystem für ein Fahrzeug. Das Hochvoltsystem weist das vorstehend beschriebene Leitungsverbindungssystem auf. Das Hochvoltsystem kann beispielsweise eine Hochvolt-Spannungsquelle und einen Verbraucher, der über eine mehradrige Leitung mit der Hochvolt-Spannungsquelle verbunden bzw. verbindbar ist, aufweisen. Zur Verbindung der mehradrigen Leitung ist definitionsgemäß der Schraubkontakt des ersten Erfindungsgesichtspunkts vorgesehen. Das Hochvoltsystem kann insbesondere von der Umgebung elektrisch entkoppelt sein. Als Verbraucher kann insbesondere, aber nicht nur, ein Antriebssystem des Fahrzeugs in Betracht kommen. Da das Hochvoltsystem das Leitungsverbindungssystem des vorherigen Erfindungsgesichtspunkts und mithin den Schraubkontakt des ersten Erfindungsgesichtspunkts aufweist, kann das Hochvoltsystem sämtliche Vorteile, Ausführungsformen und Varianten des Leitungsverbindungssystems und auch des Schraubkontakts aufweisen.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit dem vorstehend beschriebenen Schraubkontakt, Leitungsverbindungssystem oder Hochvoltsystem. Da das Fahrzeug das Hochvoltsystem, das Leitungsverbindungssystem oder den Schraubkontakt der vorherigen Erfindungsgesichtspunkte aufweist, kann das Fahrzeug sämtliche Vorteile, Ausführungsformen und Varianten des Hochvoltsystems, des Leitungsverbindungssystems und auch des Schraubkontakts aufweisen. Das Fahrzeug kann in allen Erfindungsgesichtspunkten ein PKW, LKW oder Kraftrad, Schienen-, Wasser- oder Luftfahrzeug sein.
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Weitere Merkmale, Aufgaben und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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In den Zeichnungen zeigt bzw. zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer elektrischen Leitung zur Schraubkontaktierung nach dem Stand der Technik,
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2 eine perspektivische Darstellung einer Schraubkontaktierungsanordnung nach dem Stand der Technik im Längsschnitt,
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3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der Schraubkontaktierungsanordnung von 2,
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4 eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung einer weiteren Schraubkontaktierungsanordnung nach dem Stand der Technik,
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5A eine perspektivische Darstellung einer Schraubkontaktierungsanordnung bei geöffnetem Gehäuse nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer ersten Stellung einer Zugangsauswahleinrichtung,
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5B eine perspektivische Darstellung entsprechend 5A in einer zweiten Stellung der Zugangsauswahleinrichtung,
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6 eine Längsschnittdarstellung eines Teils der Schraubkontaktierungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer ersten Prüfsituation,
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7 eine Längsschnittdarstellung eines Teils der Schraubkontaktierungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer zweiten Prüfsituation, und
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8 eine Längsschnittdarstellung eines Teils der Schraubkontaktierungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer dritten Prüfsituation.
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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Dabei sind gleiche Bauteile in mehreren Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bauelemente und Merkmale, Zwecke und Wirkungen, die in Bezug auf ein Ausführungsbespiel beschrieben werden, sind, soweit nicht ausdrücklich oder ersichtlich ausgeschlossen, als in jedem anderen Ausführungsbeispiel anwendbar anzunehmen und sollen auch in Bezug auf das jeweils andere Ausführungsbeispiel als offenbart gelten, auch wenn sie dort nicht ausdrücklich gezeigt und/oder beschrieben werden. Es versteht sich ferner, dass die Zeichnungen als schematisch zu verstehen sind und ihnen keine Einschränkungen im Hinblick auf konkrete Abmessungen oder Größenverhältnisse entnommen werden sollen, es sei denn, dies wäre ausdrücklich so beschrieben.
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Eine Schraubkontaktierungsanordnung mit einem Schraubkontakt 18 nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Darstellung in 5A und 5B erläutert. Danach werden Prüfsituationen des Schraubkontakts 18 bzw. einer Schraubkontaktierungsanordnung mit dem erfindungsgemäßen Schraubkontakt 18 anhand der Darstellung in 6 bis 8 erläutert.
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5A und 5B sind perspektivische Darstellungen der Schraubkontaktierungsanordnung mit dem Schraubkontakt 18 dieses Ausführungsbeispiels bei geöffnetem Gehäuse 20. Dabei zeigt 5A den Schraubkontakt 18 in einer ersten Stellung einer Zugangsauswahleinheit 58 und zeigt 5B den Schraubkontakt 18 in einer zweiten Stellung der Zugangsauswahleinheit 58.
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Die Anordnung geht von der in 4 gezeigten Anordnung nach dem Stand der Technik aus und ist ihr, bis auf erfindungsrelevante Einzelheiten, gleich oder ähnlich, sodass hier nur noch die Unterschiede beschrieben werden und im Übrigen auf die vorstehende Beschreibung zum Stand der Technik verwiesen wird. Zu bestimmten grundsätzlichen Begrifflichkeiten und Funktionalitäten kann auch auf den Stand der Technik gemäß 2 und 3 mit zugehöriger Beschreibung, in Bezug auf die Leitung 2 auch auf 1 mit zugehöriger Beschreibung, zurückgegriffen werden.
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Die 5A und 5B zeigen in Relation zu 4 nur einen Ausschnitt im Bereich der Montageöffnung (20a in 4) des Gehäuses 20 aus einer steileren Perspektive. Wie im Stand der Technik gemäß 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel Kabelschuhe 12 in dem Anschraubsockel 22 verschraubt und sind die Schraubenköpfe durch Berührschutzkappen 46 abgedeckt. Es wird darauf hingewiesen, dass für das vorliegende Ausführungsbeispiel davon ausgegangen wird, dass die Kontaktzungen 12b der Kabelschuhe 12 die Form von Gabeln (wie in 3) aufweisen. Dies erleichtert die Montage, die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. An dem Anschraubsockel 22 ist eine Zugangsauswahleinrichtung 58 vorgesehen, welche stets den Zugang zu einer der Klemmschrauben über die Zugangsöffnung 46a der zugehörigen Berührschutzkappe 46 verhindert und gleichzeitig den Zugang zu der anderen der Klemmschrauben über die Zugangsöffnung 46a der zugehörigen Berührschutzkappe 46 freigibt. Die Zugangsauswahleinrichtung 58 weist zwei Schienen 60 und eine Schiebeabdeckung 62, welche auf den Schienen 60 in einer Bewegungsrichtung 64 hin und her verschiebbar ist, auf. 5A zeigt eine erste Stellung des Schiebeabdeckung 62, in welcher die Zugangsöffnung der unteren Berührschutzkappe verdeckt und die Zugangsöffnung 46a der obere Berührschutzkappe 46 frei ist, und 5B zeigt eine zweite Stellung des Schiebeabdeckung 62, in welcher die Zugangsöffnung 46a der unteren Berührschutzkappe 46 frei und die Zugangsöffnung der obere Berührschutzkappe verdeckt ist. Es ist ersichtlich, dass durch die erfindungsgemäße Zugangsauswahleinheit 58 ein Gefahrenfall, der dadurch entsteht, dass eine Person mit zwei unisolierten Werkzeugen gleichzeitig beide Klemmschrauben berührt, nicht vorkommen kann. Die Schiebeabdeckung 64 erfüllt insbesondere eine Berührschutzprämisse gemäß IPxxD für den von ihr abgedeckten Schraubzugang (Zugangsöffnung 46a). Gleichzeitig erfüllen die Berührschutzkappen Berührschutz gemäß IPxxB an den Schraubzugängen. Sofern die Berührschutzkappen 46 verliersicher an dem Gehäuse 20 befestigt (beispielsweise angeklemmt) sind, kann gegebenenfalls auf eine Überwachung der Berührschutzkappen durch Interlock verzichtet werden, was die Herstellungskosten senken kann; die Erfindung ist aber hierauf nicht beschränkt.
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6 bis 8 zeigen verschiedene Standard-Prüfsituationen und weitere Einzelheiten der Schraubkontaktierung dieses Ausführungsbeispiels. 6 bis 8 sind Längsschnittansichten eines Sitzteils 26 (Pols) des Anschraubsockels 22 in einer Schnittebene entsprechend der Schnittebene 16 von 2.
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Wie in 6 bis 8 gezeigt, wird eine Schraubklemmeinheit 70 durch die Klemmschraube 32, eine in dem Sitzteil 26 eingelassene oder eingegossene Mutter 66, eine Verliersicherung 68 und die Berührschutzkappe 46 gebildet. Das Anschlusselement 24, das hier in der Form eines Stromachienenwinkels dargestellt ist, ist in einer entsprechenden Ausnehmung des Sitzteils 26 aufgenommen und wird durch die Klemmschraube 32 zunächst lose gehalten. Die Polöffnung 26a weist im Inneren des Sitzteils 26 eine Schräge 72 auf, die an eine Schräge des Kabelschuhs 12 in etwa angepasst ist und welche die Polöffnung 12a verjüngt, bis sie in einen flachen Schlitz 74 übergeht, der weiter ins Innere des Sitzteils 26 reicht und an den flachen Teil (Kontaktzunge 12b, vgl. 3) des Kabelschuhs 12 in etwa angepasst ist (vgl. 7). Im montierten Zustand befindet sich die Kontaktzunge 12b des Kabelschuhs 12 vollständig in dem Schlitz 74 und wird mittels der Klemmschraube 32 gegen das darunter liegende Anschlusselement 24 geklemmt und befindet sich der Rest der blanken Teile des Kabelschuhs 12 sowie ein Teil der Isolation 14 im vorderen Bereich der Polöffnung 26a, wobei ein schräger Absatz des Schafts 12a des Kabelschuhs 12 an der Schräge 72 der Polöffnung 26a anliegt.
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6 zeigt eine Prüfsituation zur Überprüfung des Berührschutzes gemäß IPxxB an den Einführungsstellen der Leitungen. Hierzu wird ein gemäß IPxxB standardisierter Prüffinger 76 in die Polöffnung 72 eingeführt, bis er auf den Schlitz 74 stößt. Die Spitze des Prüffingers 76 hat keine Berührung zum leitenden Element (Anschlusselement 24); daher ist der Berührschutz gegeben.
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7 zeigt eine Prüfsituation zur Überprüfung des Berührschutzes gemäß IPxxB an den Schraubzugängen. Hierzu wird ein gemäß IPxxB standardisierter Prüffinger 76 an die Zugangsöffnung 46a der Berührschutzkappe 46 gehalten, bis er am Rand der Zugangsöffnung 46a anliegt. Die Spitze des Prüffingers 76 hat keine Berührung zum leitenden Element (Klemmschraube 32); daher ist der Berührschutz gegeben.
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8 zeigt eine Prüfsituation zu Überprüfung des Berührschutzes gemäß IPxxB an den Kabelschuhen 12 während des Steckvorgangs. Ein kritischer Bereich 78 ist dabei als derjenige Bereich definiert, in welchem die Kontaktzunge (Gabel) 12b gerade Kontakt mit dem Anschlusselement 24 aufnimmt. Hierzu wird ein gemäß IPxx6 standardisierter Prüffinger 76 mit seiner Spitze gleichzeitig an den Umfang des Kabelschuhs 12 und an den Rand der Polöffnung 26a angelegt (Prüfbereich 80), während der Kabelschuh 12 (ggf. mehrmals) ein- und ausgeführt wird. Die Spitze des Prüffingers 76 gleitet dabei während des Einführens von den blanken Teilen des Kabelschuhs 12 auf die Isolierung 14 und während des Ausführens umgekehrt. Solange die Kontaktzunge 12b Kontakt mit dem Anschlusselement 24 hat, liegt die Spitze des Prüffingers 76 ausschließlich an der Isolierung 14 an. Wenn dagegen die Spitze des Prüffingers 76 Berührung zum blanken Teil des Schafts 12a oder der Kontaktzunge 12b hat, sind die Kontaktzunge 12b und das Anschlusselement 24 voneinander entfernt. Somit liegt eine elektrische Verbindung zwischen dem Anschlusselement 24 und dem Prüffinger 76 niemals vor; daher ist der Berührschutz gegeben. Dies wird durch eine gegenseitige Anpassung der Längen der nicht isolierten (blanken) Teile des Kabelschuhs 12 und des Anschlusselements 24 sowie der Tiefe der Einführungsöffnung 26a und des Schlitzes 74 erreicht.
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Der Schraubkontakt 18 gemäß diesem Ausführungsbeispiel setzt die HV-Sicherheitsanforderungen mit der maximal notwendigen Maßnahme um. Ein Einsatz von Kunststoffelementen, Kunststoffschrauben oder ähnlichen Hilfsmitteln zur Kontaktklemmung ist entbehrlich, so dass eine kostenoptimierte Lösung entsteht.
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Durch den Schraubkontakt 18 und die entsprechende Leitung 2 ist ein Leitungsverbindungssystem als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung definiert. Das Leitungsverbindungssystem kann eine Vielzahl von Schraubkontakten 18 und Leitungen 2 aufweisen.
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Ein Hochvoltsystem ist durch eine Hochvoltspannungsquelle bzw. Hochvoltstromquelle (allgemein als Hochvoltquelle bezeichnet), wenigstens einen Hochvoltverbraucher und das oben beschriebene Leitungsverbindungssystem zur Verbindung der Hochvoltverbraucher mit der Hochvoltquelle als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung definiert.
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Die Schraubkontaktierung eignet sich für jede Art von Fahrzeug, insbesondere PKW, LKW oder Kraftrad, Schienen-, Wasser- oder Luftfahrzeug. Das elektrische Hochvoltsystem kann vorzugsweise ein elektrisches Energieversorgungssystem und/oder ein elektrisches Antriebssystem des Fahrzeugs aufweisen. Die Schraubkontaktierung eignet sich jedoch grundsätzlich auch zur Anwendung für andere Systeme, insbesondere Hochvoltsysteme, wie etwa Stromerzeugungssysteme, Umspannsysteme, Klimatisierungssysteme, Systeme der Unterhaltungselektronik, insbesondere Verstärker, und andere.
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Als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug jedweder oben genannten Art definiert, welches das oben beschriebene Hochvoltsystem oder zumindest das oben beschriebene Leitungsverbindungssystem oder zumindest einen oben beschriebenen Schraubkontakt aufweist.
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Mit dem hier vorgestellten Schraubkontakt, dem Leitungsverbindungssystem, dem Hochvoltsystem und dem damit ausgestatteten Fahrzeug ist im Fahrzeughochstrom- bzw. -hochvolt-IT-System die Zugänglichkeit der Schraubverbindung mit dem zu verwendeten Werkzeug eingeschränkt, indem die folgende Prämissen gleichzeitig erfüllt sind:
- – Berührschutz IPxxB an den Einführungsöffnungen der Leitungen;
- – Berührschutz IPxxB an den Schraubzugängen der Kontaktierung; Gleichzeitige Zugänglichkeit der Schraubzugänge von der Kontaktierung gemäß IPxxD verhindert;
- – Berührschutz IPxxB während des Steckvorgangs der Kabelschuhe;
- – Überwachung mit HV-Interlock an den Schraubzugängen der Kontaktierung;
- – Überwachung mit HV-Interlock an dem Leitungssatz;
- – Schraubbetätigung mit nichtisoliertem Werkzeug zulässig;
- – Pole isoliert, so dass beim Stecken/Entstecken die Kabelschuhe elektrisch kontaktieren; und
- – Steck-/Entsteckvorgang nur als Paar möglich und Berührschutz IPxxB einzuhalten oder Leitungsseite Kabelschuhe als festen Berührschutz IPxxB ausgeführt.
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Es ist kein aufwändiges und teures HV-Schraubsystem/-kontaktierung mehr nötig, und die Ausfallwahrscheinlichkeit wird durch die robuste, HV-sichere Schraubvariante deutlich gesenkt.
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Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, -varianten, -alternativen und Abwandlungen beschrieben und in den Figuren veranschaulicht. Diese Beschreibungen und Darstellungen sind rein schematisch und schränken den Schutzumfang der Ansprüche nicht ein, sondern dienen nur der beispielhafter Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass die Erfindung auf vielfältige Weise ausgeführt und abgewandelt werden kann, ohne den Schutzumfang der Patentansprüche zu verlassen. Einzelne Merkmale und/oder Merkmalskombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele können für sich genommen als Ausführungsformen der Erfindung verstanden werden, sofern sie unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche in ihrer breitesten Auslegung fallen, und können auch in anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden, auch wenn sie dort nicht explizit beschrieben sind. Insbesondere können einzelne oben beschriebene Sicherheitsmerkmale und -prämissen in einer praktischen Ausführung entfallen, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- zweiadrige Leitung (Hochvolt-(HV)-Leitung)
- 4
- Ader
- 4a
- Aderende
- 6
- Koppelelement
- 8
- Flanschplatte mit Dichtung
- 10
- Schirmung
- 12
- Kabelschuh
- 12a
- Schaft
- 12b
- Kontaktzunge (Öse oder Gabel)
- 14
- Isolierung
- 16
- Schnittebene
- 18
- Schraubkontakt
- 20
- Gehäuse
- 22
- Anschraubsockel
- 24
- Anschlusselement
- 26
- Sitzteil
- 26a
- Polöffnung
- 28
- Unterlegscheibe (PTFE)
- 30
- Druckscheibe
- 32
- Kontaktschraube
- 34
- Deckeldichtung
- 36
- Gehäusedeckel
- 38
- Deckelschraube
- 40
- Befestigungsschraube
- 42
- Interlock-Aufnahme
- 44
- Interlock-Steckkontakt
- 46
- Berührschutzkappe
- 46a
- Zugangsöffnung
- 48
- Sicherungslasche
- 50
- Vorsprung
- 52
- Sicherungsschraube
- 54
- Poldichtung
- 56
- Befestigungsflansch
- 58
- Zugangsauswahleinheit
- 60
- Führungsschiene
- 62
- Schiebeabdeckung
- 64
- Bewegungsrichtung
- 66
- Mutterteil
- 68
- Verliersicherung
- 70
- Schraubklemmeinheit
- 72
- Schräge
- 74
- Schlitz
- 76
- Prüffinger
- 78
- kritischer Bereich
- 80
- Prüfbereich
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Die vorstehende Liste der Bezugszeichen ist integraler Bestandteil der Beschreibung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN VDE 0100-100:2009 [0002]
- ISO 20653 [0003]
