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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Leiter, welcher eine Stromschiene und wenigstens ein Kontaktelement umfasst.
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In elektrischen Fahrzeugen fließen hohe Ströme, welche von einer Batterie über Stromwandler und Steuergeräten zu einem elektrischen Antrieb geleitet werden. Um diese hohen Ströme zu übertragen sind elektrische Leiter mit einem großen Querschnitt erforderlich. Des Weiteren sind elektrische Leiter in elektrischen Fahrzeugen erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt.
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Aufgrund dessen werden in elektrischen Fahrzeugen unter anderem Stromschienen als elektrischer Leiter eingesetzt, welche hohe Ströme transportieren können und mechanisch stabil sind. Diese müssen nach dem Stand der Technik aufwendig über Schraubverbindungen oder über teure Steckverbindungen mit den Elektronikbauteilen im elektrischen Fahrzeug kontaktiert werden.
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Es wäre wünschenswert einen elektrischen Leiter zu besitzen, welcher kostengünstig ist und hohe Ströme leiten kann. Außerdem wäre es wünschenswert, wenn dieser elektrische Leiter ein geringes Gewicht aufweist und robust mit weiteren Elektronikbauteilen kontaktiert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße elektrische Leiter gemäß dem Anspruch 1 löst diese Aufgabe. Er umfasst eine Stromschiene und ein Kontaktelement. Das Kontaktelement besteht dabei aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und weist eine Verbindungszone zur Verbindung mit der Stromschiene auf, und eine Anschlusszone zur Verbindung mit einem Elektronikbauteil. Die Stromschiene ist ein Blechbauteil und besteht aus einem anderen Material als das Kontaktelement. Dabei sind die Stromschiene und das Kontaktelement an der Verbindungszone nicht zerstörungsfrei lösbar miteinander verbunden.
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Die Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung für das Kontaktelement resultiert in einem geringen elektrischen Widerstand, so das der elektrisch leitende Querschnitt des Kontaktelements klein gehalten werden kann oder weniger Kontaktelemente benötigt werden. Als Kupferlegierung wird eine Legierung verstanden, welche Kupfer als Hauptbestandteil enthält.
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Die Stromschiene aus einem Blechbauteil weist im Vergleich zum Kontaktelement einen großen elektrisch leitenden Querschnitt auf, so dass die Anforderungen an den elektrischen Widerstand geringer sind als für das Kontaktelement. Aufgrund dessen wird die Stromschiene aus einem anderen Material als das Kontaktelement hergestellt, welches sowohl einen geringen elektrischen Widerstand aufweist, als auch kostengünstig ist, ein geringes Gewicht aufweist und einfach zu verarbeiten ist. Besonders vorteilhaft ist eine Stromschiene aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, da Aluminium einen geringen elektrischen Widerstand und ein geringes Gewicht bei niedrigen Kosten aufweist. Es sind aber auch weitere Materialien, wie beispielsweise Messing denkbar. Vorzugsweise ist die Stromschiene kupferfrei.
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Der elektrische Leiter ist vom Querschnitt an die im Betrieb vorkommende Strombelastung anzupassen. Diese liegt in einem Bereich, welcher 1000 A vorzugsweise nicht überschreitet.
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Lösbare Verbindungen könnten sich durch die erhöhten Kräfte bei der Verbindung mit dem Elektronikbauteil oder durch mechanische Kräfte im Betrieb beschädigt werden oder sich lösen. Die feste Verbindung zwischen Stromschiene und Kontaktelement, welche nicht zerstörungsfrei lösbar ist, ermöglicht eine sichere Verbindung des elektrischen Leiters mit Elektronikbauteilen in der Fertigung sowie über die Lebensdauer der Verbindung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung weist die Stromschiene ein Kontaktloch auf. Das Kontaktloch ist vorzugsweise ein Stanzloch. Alternativ kann das Kontaktloch auch mit einem Laser oder vergleichbaren Verfahren in die Stromschiene geschnitten werden. Durch Stanzverfahren können schnell und kostengünstig Löcher die erfindungsgemäße Stromschiene integriert werden. Die Verbindungszone des Kontaktelements ist eingerichtet in das Kontaktloch eingepresst zu werden. Dies erlaubt eine stabile, gut automatisierbare, schnelle und kostengünstige Möglichkeit das Kontaktelement fest mit der Stromschiene zu verbinden. Dabei liegt vorzugsweise eine Übermaßpassung zwischen der Verbindungszone und dem Kontaktloch vor.
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Das Kontaktelement ist vorzugsweise ebenfalls ein Blechbauteil. Insbesondere ist jedoch die Verbindungszone blechförmig. Dies hat den Vorteil, dass Kontaktelemente kostengünstig aus Blech hergestellt werden können, beispielsweise durch Stanzen und anschließendes Umformen. Des Weiteren kann das Kontaktelement somit bündig in Stromschiene integriert werden.
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Weiter vorteilhaft ist das Kontaktloch an der Stromschiene offen. Die Öffnung zeigt dabei vorzugsweise an einer Längsseite nach außen. Somit ist es möglich das Kontaktelement parallel zur Stromschiene einzupressen. Somit liegt das Kontaktelement vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene mit der Stromschiene, wodurch weniger Momente auf die Verbindungszone wirken können.
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Besonders vorteilhaft weist das Kontaktloch einen Hinterschnitt auf. Dieser ist vorzugsweise in Richtung der seitlichen Öffnung des Kontaktlochs gerichtet. Durch den Hinterschnitt wird verhindert, dass sich das Kontaktelement seitlich aus dem Kontaktloch löst. Somit ermöglicht der Hinterschnitt in seitliche Richtung eine formschlüssige Verbindung und erhöht die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen Stromschiene und Kontaktelement.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Kontaktelement eingerichtet kalt in das Kontaktloch eingepresst zu werden. Dies erfordert hohe Maßtoleranzen aber resultiert in einem gleichmäßigen Korngefüge des Kontaktelements sowie einer Kaltverfestigung der Kontaktstelle, welche sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften der Verbindung ausüben. Das Kalteinpressen resultiert ebenfalls in einer verbesserten metallischen Bindung zwischen der Stromschiene und dem Kontaktelement, welche den Übergangswiderstand reduziert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst die Anschlusszone des Kontaktelements ein Einpresspin und/oder ein Kontaktpin und/oder eine Schneidklemme und/oder ein Nietpin. Diese Ausgestaltungsformen der Anschlusszone erlauben eine Verbindung des elektrischen Leiters mit einem Elektronikbauteil ohne die Einbringung von Wärme, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Sie ermöglichen des Weiteren eine mechanisch feste und dauerhafte Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem Elektronikbauteil bei einem geringen Übergangswiderstand.
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Weiter vorteilhaft ist das Kontaktelement eingerichtet mit der Stromschiene verschweißt zu werden. Dafür eignen sich insbesondere Laserschweißen, Reibschweißen oder Ultraschallschweißen. Somit ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung mit einer hohen Festigkeit zwischen dem Kontaktelement und der Stromschiene. Vorzugsweise werden bereits eingepresste Kontaktelemente zusätzlich verschweißt, um die Festigkeit der Verbindung zu erhöhen.
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Weiter vorteilhaft ist das Kontaktelement eingerichtet mit der Stromschiene verstemmt zu werden. Durch plastisches Verformen der Stromschiene und/oder des Kontaktelements entsteht eine kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen den beiden Elementen ohne die Einbringung von zusätzlicher Wärme. Durch Verstemmen lässt sich ebenfalls die Festigkeit von zuvor genannten Verbindungsverfahren erhöhen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kontaktelement eine Biegung um 90° auf. Die Biegung ist vorzugsweise zwischen der Verbindungszone und der Anschlusszone ausgeführt. Somit ist es möglich Elektronikbauteile zu kontaktieren, welche senkrecht zur Stromschiene angeordnet sind, was den Anwendungsbereich des elektrischen Leiters erhöht. Die erfindungsgemäße feste Verbindung zwischen der Stromschiene und dem Kontaktelement ermöglicht die Aufnahme von Kräften in der Herstellung und im Betrieb.
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Besonders vorteilhaft ist der elektrische Leiter eingerichtet mehrere Elektronikbauteile über Kontaktelemente zu kontaktieren. Die erfindungsgemäßen schmalen Toleranzen der Kontaktelemente in der Stromschiene erlauben es zuverlässig mit einem elektrischen Leiter mehrere Elektronikbauteile zu kontaktieren. Die hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen elektrischen Leiters ermöglicht dabei Relativkräfte im Betrieb zwischen den Elektronikbauteilen aufzunehmen und weiterhin eine zuverlässige Verbindung darzustellen.
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Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Steuergerät, welches einen zuvor beschriebenen elektrischen Leiter umfasst. Das Steuergerät wird vorzugsweise im Elektrofahrzeugbereich eingesetzt. Dort können über längere Zeit Ströme von 300 A auftreten, welche in der Spitze 1000 A erreichen können. Des Weiteren werden Steuergeräte häufig unter erschwerten mechanischen Bedingungen eingesetzt. Der erfinderische elektrische Leiter ermöglicht ein Steuergerät, welches günstig in der Herstellung ist und die hohen elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Leiters mit unterschiedlichen Kontaktelementen nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Detailansicht eines elektrischen Leiters nach dem Ausführungsbeispiel, wobei die Kontaktelemente als Einpresspins ausgeführt sind,
- 3 eine Detailansicht eines elektrischen Leiters nach dem Ausführungsbeispiel, wobei die Kontaktelemente als Schneidklemme ausgeführt sind, und
- 4 eine Detailansicht eines elektrischen Leiters nach dem Ausführungsbeispiel, wobei die Kontaktelemente als Einpresspins mit 90° Biegung ausgeführt sind.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt einen elektrischen Leiter 1 aus einer Stromschiene 2 und einer Vielzahl an Kontaktelementen 3. Die Kontaktelemente 3 umfassen Einpresspins 33, Kontaktpins 34a, 34b, Schneidklemmen 35 und Nietpins 36. Die Kontaktelemente 3 sind sowohl nach oben, nach unter, als auch nach hinten angeordnet. Weiterhin ist es denkbar die Kontaktelemente 3 in weitere Richtungen an der Stromschiene 2 anzuordnen.
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Die Stromschiene 2 besteht aus einem Blechstreifen, welcher zwei Mal senkrecht zur Längsachse gebogen ist und einmal parallel zur Längsachse. Die Breite B der Stromschiene 2 ist deutlich größer als die Dicke D der Stromschiene 2.
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Die Kontaktelemente 3 im Ausführungsbeispiel umfassen alle eine Verbindungszone 31 zur Verbindung mit der Stromschiene 2 und eine Anschlusszone 32 zur Verbindung mit einem Elektronikbauteil.
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In 1 sind zwei unterschiedliche Kontaktpins 34a, 34b dargestellt. Der erste Kontaktpin 34a ist ein Blechbauteil und weist eine schwertförmige Geometrie auf. Zwischen Verbindungszone 31 und Anschlusszone 32 weist der Kontaktpin 34a eine 90° Biegung 37 auf. Die Verbindungszone 32 des ersten Kontaktpins 34a ist zweiteilig ausgeführt. Dabei ist die Verbindungszone 32 in zwei kreisförmige Kontaktlöcher 21 in der Stromschiene 2 eingepresst. Durch die schwertförmige Geometrie weist der Kontaktpin 34a eine große Kontaktfläche auf und kann beispielsweise mit flächigen Buchsen an Elektronikbauteilen verbunden werden.
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Der zweite Kontaktpin 34b weist eine zylinderförmige Form auf, wobei die Mantelfläche die Anschlusszone 32 bildet. Der zweite Kontaktpin 34b steckt mit seiner Verbindungszone 31 in einem kreisförmigen Kontaktloch 21 in der Stromschiene 2. Durch eine zusätzliche Verstemmung wurde die Verbindung des zweiten Kontaktpins 34b mit der Stromschiene 2 verstärkt. Der zweite Kontaktpin 34b ist für einen Kontakt mit einer zylinderförmigen Kontaktbuchse ausgelegt. Für eine bessere Kontaktierung mit einem Elektronikbauteil weist der zweite Kontaktpin 34b eine Fase zwischen Mantelfläche und Stirnfläche auf.
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Neben dem zweiten Kontaktpin 34b ist im Ausführungsbeispiel auf der Stromschiene 2 ein Nietpin 36 aufgebracht. Der Nietpin 36 ist zylinderförmig, wobei die Mantelfläche des Nietpins 36 als Anschlusszone 32 dient. Der Nietpin 36 ist eingerichtet in ein zugehöriges Loch in einem Elektronikbauteil gesteckt und anschließend plastisch umgeformt zu werden. Somit entsteht zwischen elektrischem Leiter 1 und Elektronikbauteil eine feste, formschlüssige Verbindung. Der Nietpin 36 ist fest mit dem zugehörigen Kontaktloch 21 in der Stromschiene 2 verbunden.
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Des Weiteren weist das Ausführungsbeispiel in 1 Kontaktelemente auf, welche als Einpresspin 33 oder Schneidklemme ausgeführt sind und in den 2 - 4 detailliert beschrieben werden.
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Somit zeigt 1 einen elektrischen Leiter, welcher kostengünstig ist und hohe Ströme leiten kann. Außerdem weist der elektrische Leiter ein geringes Gewicht auf und kann robust mit weiteren Elektronikbauteilen über die Kontaktelemente 3 kontaktiert werde.
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2 zeigt eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels eines elektrischen Leiters 1 aus 1. In 2 ist ein Abschnitt mit vier Kontaktelementen 3 gezeigt, welche als Einpresspins 33 ausgeführt sind. Die Einpresspins 33 sind als Blechbauteil ausgeführt und weisen identische pfeilförmige Anschlusszonen 32 auf. Die Verbindungszone 31 ist in zwei Ausführungsformen dargestellt.
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Die erste Ausführungsform zeigt eine im wesentlichen rechteckige Verbindungszone 31a mit zwei seitlichen Aussparungen. Diese Aussparungen entsprechen dem Hinterschnitt 22 im gestanzten offenen Kontaktloch 21 in der Stromschiene 2.
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Die zweite Ausführungsform zeigt jeweils eine im wesentlichen kreisförmige Verbindungszone 31b, welche über einen schmalen Steg mit der Anschlusszone 32 verbunden ist. Dabei ist ein Teil des Stegs ebenfalls mit der Stromschiene 2 in Kontakt. Das zugehörige Kontaktloch 21, welches in die Stromschiene 2 gestanzt wurde weist somit einen Hinterschnitt 22 am Übergang des runden Bereichs in den stegförmigen Bereich auf.
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Sowohl die rechteckige Verbindungszone 31a, als auch die kreisförmige Verbindungszone 31b sind sowohl als Pressverbindung im Kontaktloch 21 der Stromschiene 2, als auch als Anbindung 38 dargestellt. Die Verbindungszone 31 ist dabei in beiden Fällen parallel zur Stromschiene 2 angeordnet.
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3 zeigt eine Detailansicht des Ausführungsbeispiels eines elektrischen Leiters 1 aus 1. In 3 ist ein Abschnitt mit zwei Kontaktelementen 3 gezeigt, welche als Schneidklemme 35 ausgeführt sind. Schneidklemmen 35 eignen sich insbesondere zur Kontaktierung von elektrischen Kabeln ohne Löten, Schrauben und Abisolieren. Dies führt zu einer günstigen und schnellen Verbindungstechnik, welche eine sichere Verbindung sicherstellt.
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Die Schneidklemme hat eine rechteckige Grundform mit einer Kerbe 35a an der außenstehenden Kante. Ein Kabel kann senkrecht zur Grundfläche der Schneidklemme 35 in die Kerbe 35a hineingepresst werden, wodurch das Kabel an dieser Stelle abisoliert und kontaktiert wird. Ein Hinterschnitt am unteren Ende der Kerbe 35a verhindert das Lösen eines Kabels.
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Die Schneidklemme 35 ist in 3 sowohl im eingepressten Zustand, als auch im verschweißten Zustand dargestellt. Für eine Pressverbindung wird ein rechteckiges Kontaktloch 21 in den Rand der Stromschiene 2 gestanzt. Das Kontaktloch 21 weist eine Übermaßpassung zum Kontaktbereich 31 des Kontaktelements 3 auf. Durch die rechteckige Form des Kontaktlochs 21 weist dieses keinen Hinterschnitt auf, weshalb das Kontaktelement 3 sowohl seitlich als auch längs in das Kontaktloch 21 gepresst werden kann. Um die Pressverbindung zusätzlich zu festigen kann sie mit weiteren Verbindungsverfahren kombiniert werden, wie beispielsweise Schweißen, Löten oder Verstemmen.
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Die rechte Schneideklemme 35 ist in 3 ohne Pressverbindung dargestellt. Sie liegt dabei bündig mit ihrem Kontaktbereich 31 an der Stromschiene 2 an. Die Verbindung wird vorzugsweise über eine Schweißverbindung 38 hergestellt, beispielsweise durch Reibschweißen, Ultraschallschweißen oder Laserschweißen. Alternativ ist auch eine Lötverbindung oder Verstemmung von Stromschiene 2 und Kontaktelement 3 denkbar. Die Verbindung zwischen Stromschiene 2 und Kontaktelement 3 sollte eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen und mechanisch sowie thermisch stabil sein.
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4 zeigt eine weitere Detailansicht des Ausführungsbeispiels eines elektrischen Leiters 1 aus 1. In 4 ist ein Abschnitt mit zwei Kontaktelementen 3 gezeigt, welche als Einpresspin 33 mit einer 90° Biegung 37 ausgeführt sind.
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Die Biegung 37 ermöglicht es Elektronikbauteile, welche in unterschiedlichen Richtungen zum elektrischen Leiter 1 angeordnet sind, zu kontaktieren. Durch die Biegung 37 wirken Kräfte versetzt auf die Verbindungszone 31 des Einpresspins 33, was Torsions- oder Biegemomente zwischen Kontaktelement 3 und Stromschiene 2 zur Folge hat. Um diese Drehmomente möglichst gering zu halten ist die Biegung 37 vorzugsweise möglichst nah an der Verbindungszone 31 angeordnet. Die Biegung 37 kann je nach den Anforderungen an weitere Kontaktierungen in beliebige Richtungen ausgeführt sein.
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Um die Drehmomente auf die Verbindung zwischen Kontaktelement 3 und Stromschiene 2 in 4 aufzunehmen ist eine feste Verbindung zwischen den zwei Komponenten notwendig. Diese kann erfindungsgemäß durch das Einpressen einer Verbindungszone 31 in ein Kontaktloch 21 und/oder durch ein weiteres Verbindungsverfahren, wie beispielsweise Schweißen oder Verstemmen, erfolgen. In 4 sind die zwei Verbindungszonen 31 analog zu den Einpresspins 33 in 2 dargestellt. Sie weisen einen rechteckigen Querschnitt mit zwei seitlichen, gegenüberliegenden Einkerbungen auf. Somit entsteht eine feste Verbindung mit einem geringen Übergangswiderstand zwischen dem Kontaktelement 3 und der Stromschiene 2.
