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Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktverbindung zwischen einem Kontaktelement, insbesondere einem Kabelschuh, und einem elektrischen Leiter, wobei der Leiter mit dem Kontaktelement in einem Kontaktbereich verbunden ist und wobei das Kontaktelement einen Befestigungsbereich aufweist. Sie betrifft desweiteren ein Kontaktelement für eine elektrische Kontaktverbindung.
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Im Besonderen betrifft die Erfindung dabei eine Kontaktverbindung zwischen einem Leiter aus Aluminium und einem Kontaktelement aus einem davon abweichenden Werkstoff. Bei derartigen Kontaktverbindungen liegt oftmals eine Materialkombination zwischen Aluminium und einem edleren Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Messing, vor. Dies kann bei der Anwesenheit eines Elektrolyten zu Korrosionsproblemen führen, was bisher durch aufwendige Dichtmaßnahmen vermieden werden muss.
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Leiter oder Litzenleiter aus Aluminium können unter anderem mittels Ultraschall auf geeignete Oberflächen eines Trägerkörpers aufgeschweißt werden. Der Schweißprozess stellt hierbei eine Querstromtragfähigkeit der Aluminiumlitzen untereinander und auch eine elektrische sowie eine mechanische Verbindung zum Material des Trägerkörpers her. In vielen Fällen werden entsprechende Leiter dabei direkt auf einen Kabelschuh als Trägerkörper geschweißt, der dann je nach Lochdurchmesser auf einen geeigneten Anschlussbolzen, zum Beispiel an einer Batterie in einem Kraftfahrzeug, gesteckt und/oder angeschraubt werden kann.
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Bei Auftreten eines Elektrolyts, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit und/oder Salzsprühnebel, entsteht unerwünschterweise ein galvanisches Element, in dem je nach verwendetem Material, z. B. Kupfer für den Trägerskörper, eine elektrochemische Spannung zwischen dem Material des Trägerskörpers und dem Aluminium des Leiters wirkt. Dadurch korrodiert das unedlere Material, also hier in der Regel das Aluminium, und wird mittelfristig zerstört.
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Um nun eine Korrosion zu vermeiden, werden zum Beispiel Dichtmaßnahmen vorgenommen, die eine Beaufschlagung mit Feuchtigkeit unterbinden sollen. Am Markt verfügbar sind beispielsweise auch Lösungen mit Trägerkörpern aus Walzplattierten Materialien, bei denen als Beispiel ein Aluminiumband auf ein Kupferträgermaterial aufgebracht ist. Eine Verwendung solcher kombinierter Materialien hat den Vorteil, dass sich eine Aluminiumleitung oder ein Leiter aus Aluminium relativ einfach auf einem daraus gefertigten Trägerkörper kontaktieren lässt, sofern das auf das Trägermaterial aufgebrachte Material dem Material des Leiters entspricht. Dabei wird der Übergang zwischen den verschiedenen Metallen, also meist vom Aluminium zum Kupfer, in einen anderen Bereich, also weg von der Aluminiumleitung, verlagert, in dem eine Korrosion ggf. besser beherrschbar ist.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kontaktverbindung zwischen einem Leiter, insbesondere Aluminiumleiter, und einem Kontaktelement, insbesondere ein Kabelschuh, zu ermöglichen, die möglichst einfach sowie möglichst kostengünstig herstellbar ist und gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit zeigt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Kontaktverbindung mit den Merkmalen des Anspruch 1 sowie durch ein Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Bevorzugte Weiterbildungen sind jeweils in den Unteransprüchen enthalten.
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Die elektrische Kontaktverbindung ist dabei zwischen einem Kontaktelement, insbesondere einem Kabelschuh, und einem elektrischen Leiter ausgebildet, wobei der Leiter mit dem Kontaktelement in einem Kontaktbereich verbunden ist. Zudem ist das Kontaktelement zweiteilig ausgebildet mit einem den Kontaktbereich aufweisenden Kontaktteil und mit einem Befestigungsteil, wobei das Kontaktteil und das Befestigungsteil aus verschiedenen Materialien bestehen. Das Befestigungsteil weist dabei üblicherweise eine Öffnung auf, durch die ein Kontaktbolzen hindurchführbar ist. Das Befestigungsteil ist mit dem Kontaktteil dabei üblicherweise fest verbunden, also form-, kraft- und/oder stoffschlüssig. Eine Relativbewegung zwischen den Teilen ist dabei nicht möglich. Die Befestigung und Kontaktierung des Kontaktelements an einen Anschlusskontakt erfolgt daher über das Befestigungsteil mit Hilfe eines zusätzlichen Befestigungselements.
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Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist hierbei darin zu sehen, dass das Kontaktelement, also zum Beispiel der Kabelschuh, zwei Teile aus verschiedenen Materialien aufweist und vorzugsweise genau aus diesen beiden Teilen besteht. Der erste Teil, also das Kontaktteil, dient hierbei vor allem zur Befestigung des elektrischen Leiters und der zweite Teil, also der Befestigungsteil, dient zur Befestigung oder zum Anschließen des Kontaktelements an eine elektrische Baueinheit, wie beispielsweise eine Energiequelle, eine Batterie oder auch ein sonstiges elektrisches Gerät, wie einen Verbraucher.
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Die beiden Teile des Kontaktelements bestehen dabei, wie zuvor erwähnt, aus unterschiedlichen Materialien oder Werkstoffen, wobei der Kontaktteil insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und das Befestigungsteil insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wie Messing etc., also insbesondere aus einem edleren Metall, besteht. Die Materialwahl richtet sich dabei vorteilhafterweise auch nach dem Verwendungszweck für das Kontaktelement, also auch mit welchen weiteren Materialien das Kontaktelement im Einsatz in Verbindung oder Kontakt steht. Je nach Wahl der Materialien und der Formgestaltung des Kontaktelements und seiner Bestandteile lassen sich sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften für die jeweilige Anwendung optimieren.
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Bevorzugt wird der Leiter zudem stoffschlüssig mit dem Kontaktteil verbunden und dabei insbesondere, zum Beispiel durch Ultraschallschweißen, an diesem in dem Kontakt- oder Schweißbereich angeschweißt. Die Materialien oder Werkstoffe des elektrischen Leiters sowie des Kontaktteils sind dabei vorzugsweise identisch oder zumindest – was ihre Anordnung in der chemischen Spannungsreihe anbelangt – gleichartig. Insbesondere handelt es sich hierbei um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Durch diese Maßnahme wird im Falle der Befestigung und damit auch der Kontaktierung des elektrischen Leiters auf dem Kontaktelement das eingangs dargelegte Korrosionsproblem aufgrund der Verwendung von gleichartigen Materialien ausgeschlossen.
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Gleichzeitig bleibt der Vorteil einer Materialkombination mit einem zweiten, insbesondere edleren Metall erhalten. Das grundsätzliche Problem der Korrosion bei einem Übergang zwischen zwei verschiedenen Metallen und dem Vorliegen eines Elektrolyten wird also bevorzugt zunächst einmal in einen anderen Bereich verlagert und betrifft nun den Verbindungsbereich zwischen den beiden Teilen des Kontaktelements. Hier ist dieses jedoch tendenziell leichter und besser beherrschbar, so dass einfachere Gegenmaßnahmen, also insbesondere Abdichtmaßnahmen, getroffen werden können, die prozesstechnisch einfacher handelbar und insbesondere auch kostengünstiger sind. Der Verbindungs- oder Übergangsbereich zwischen den beiden Teilen des Kontaktelements ist dabei ausreichend weit von dem Verbindungsbereich zwischen dem Leiter und dem Kontaktelement entfernt positioniert, so dass die Verbindung zwischen dem Leiter und dem Kontaktelement durch die Verbindung zwischen den beiden Teilen des Kontaktelements im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
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Das Kontaktteil ist weiter bevorzugt nach Art eines plattenförmigen und insbesondere einstückigen Bauteils oder Elements ausgebildet und weist den zuvorgenannten Kontakt- oder Schweißbereich einerseits und einen Befestigungsbereich anderseits auf, die zweckmäßigerweise an zwei gegenüberliegenden Enden des plattenförmigen Elements positioniert sind. Der Befestigungsbereich weist weiter bevorzugt eine Aufnahme, insbesondere einen Durchbruch oder ein Loch, auf, in der das Befestigungsteil platziert wird und im Montageendzustand positioniert ist. Die Formen für das Kontaktteil einerseits und das Befestigungsteil andererseits werden hierbei so gewählt, dass zum einen eine möglichst große Oberfläche zur elektrischen Kontaktierung entsteht und zum anderen eine möglichst große Oberfläche und Presspassung zur Aufnahme von mechanischen Kräften entsteht.
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Das Befestigungsteil ist dabei bevorzugt nach Art eines Einlegeteils ausgebildet und wird im Rahmen eines Montageprozesses in den Durchbruch oder das Loch im Befestigungsbereich des Kontaktteils eingesetzt und nachfolgend mit dem Kontaktteil verbunden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist das Befestigungsteil als Einpressteil ausgebildet und wird dementsprechend bei der Montage des Kontaktelements in die Aufnahme oder den Durchbruch eingepresst, so dass dieses nachfolgend durch einen Presssitz mit dem Kontaktteil fest verbunden ist. Auf ein zusätzliches Verkleben, Verlöten oder eine andere Verbindungstechnik wird dann bevorzugt verzichtet. Auf diese Weise wird die Fertigung entsprechender Kontaktelemente möglichst einfach gehalten.
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Zweckdienlicherweise ist das Befestigungsteil desweiteren nach Art einer Hülse oder Buchse ausgestaltet und weist zudem bevorzugt eine Außenstrukturierung, also beispielsweise eine Rändelung oder eine Verzahnung, auf, wobei der Kontakt zwischen dem Befestigungsteil und dem Kontaktteil bevorzugt gerade über diese Außenstrukturierung gegeben ist. Je nach Anwendungsfall erfüllt die Außenstrukturierung dabei unterschiedliche Aufgaben. So lässt sich beispielsweise eine Außenstrukturierung vorsehen, die beim Einpressen des Befestigungsteils in das Kontaktteil umgeformt oder verformt wird. Alternativ oder zusätzlich wird die Außenstrukturierung, also beispielsweise die Verzahnung, genutzt, um beim Einpressen des Befestigungsteils die Oberfläche des Kontaktteils an mehreren Stellen anzuritzen, so dass in den entsprechenden Bereichen die typischerweise gegebene Oxidschicht auf dem Kontaktteil lokal abgetragen oder durchbrochen wird, wodurch das Befestigungsteil zumindest punktuell an mehreren Stellen einen direkten und unmittelbaren Kontakt zum eigentlichen Werkstoff des Kontaktteils, also insbesondere zum Aluminium, hat. Auf diese Weise wird eine besonders gute elektrische Verbindung zwischen dem Befestigungsteil und dem Kontaktteil hergestellt. Auf eine alternativ ebenfalls mögliche Vorbehandlung des Kontaktteils vor dem Einpressen des Befestigungsteils zur Abtragung der Oxidschicht wird in diesem Fall bevorzugt verzichtet.
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Bevorzugt werden allgemein Buchsengeometrien mit Einpresszonen gewählt, bei denen über eine mechanische Umformung eine elektrische Kontaktierung sowie ein bündiger Abschluss mit dem Kontaktteil ausgebildet werden. Es wird also eine kombinierte elektrische Kontaktierungs- und Abdichtzone ausgebildet.
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Zu Gunsten einer besonders guten Korrosionsbeständigkeit ist es darüber hinaus vorgesehen, das Kontaktelement zumindest bereichsweise, also beispielsweise zumindest das Kontaktteil, das Kontaktteil mit dem Befestigungsteil oder das Kontaktteil zusammen mit dem darauf angebrachten elektrischen Leiter zusätzlich mit einer Korrosionsschutzschicht zu überziehen oder zumindest in einigen Bereichen eine entsprechende Korrosionsschutzschicht aufzubringen. Je nach Anwendungszweck wird dabei eine entsprechende Korrosionsschutzschicht durch ein Eloxal-Verfahren hergestellt oder aber die entsprechenden Bereiche werden mit einem Schutzlack, wie beispielsweise einem UV-Lack, überzogen.
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Zur Vermeidung von Korrosionsproblemen beim Übergang zwischen den verschiedenen Metallen des Kontaktteils und des Befestigungsteils ist zumindest dieser Übergangsbereich zwischen dem Kontaktteil und dem Befestigungsteil insbesondere gegen ein potenzielles Elektrolyt zumindest im montierten Endzustand abgedichtet.
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Die Abdichtung erfolgt dabei vorzugsweise mithilfe eines Befestigungselements, welches zur Befestigung des Kontaktelements an einem Anschlusskontakt, also beispielsweise einem Anschlussbolzen einer Kraftfahrzeugbatterie, dient. Dazu wird das Befestigungsteil über den Anschlussbolzen gestülpt und nachfolgend wird das Befestigungselement auf den Anschlussbolzen gesteckt oder aufgeschraubt, wodurch das Kontaktelement am Anschlussbolzen befestigt wird. Das Befestigungselement ist dabei derart an das Kontaktelement angepasst, dass es den Übergangs- bzw. Verbindungsbereich zwischen dem Befestigungsteil und dem Kontaktteil abdeckt und diesen gegen ein potenzielles Elektrolyt abdichtet.
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In vorteilhafter Weiterbildung weist das Befestigungselement zur Abdichtung des Übergangs- bzw. Verbindungsbereichs eine Zinnbeschichtung auf, die bei der Befestigung des Kontaktelements mithilfe des Befestigungselements verformt wird. Die entsprechende Zinnbeschichtung fungiert somit als verformbares Dichtelement.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer perspektivischen Ansicht ein Kontaktteil eines Kabelschuhs,
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2 in der perspektivischen Ansicht gemäß 1 das Kontaktteil mit einem angeschweißten Leiter,
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3 in einer teilweise im Schnitt dargestellten Seitenansicht eine Einpressbuchse mit einer umlaufenden als Längsrändel ausgebildeten Rändelung,
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4 in einer Aufsicht die Einpressbuchse,
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5 in einer Seitenansicht den Kabelschuh mit dem Kontaktteil und der Einpressbuchse befestigt an einem Anschlussbolzen sowie
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6 in der perspektivischen Ansicht gemäß 1 das Kontaktteil mit dem angeschweißten Leiter und einer Korrosionsschutzschicht.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Kontaktelement ist als zweiteiliger Kabelschuh 2 ausgestaltet und weist ein in 1 abgebildetes plattenförmiges Kontaktteil 4 als Basis oder als Trägerkörper auf. Der Kabelschuh 2 dient hierbei zur Ausbildung einer elektrischen Kontaktverbindung zwischen dem Kabelschuh 2 und einem elektrischen Leiter 6.
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Das Kontaktteil 4 ist dabei als einstückiges oder einteiliges Bauteil insbesondere aus Aluminium gefertigt. Es weist eine Materialstärke von einigen Millimetern, beispielsweise von 6–10 mm auf. Der Kabelschuh 2 weist zwei Funktionsbereiche auf, die durch zwei gegenüberliegende seitlich am Kontaktteil 4 positionierte Einkerbungen 8 optisch voneinander getrennt sind.
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Der erste Funktionsbereich, nachfolgend Kontaktbereich 10 genannt, zeigt eine rechteckige Grundform mit abgerundeten Ecken und dient zur Befestigung des Leiters 6, der in diesem Kontaktbereich 10 angeschweißt wird, wie dies in 2 dargestellt ist. Dabei wird der Leiter 6 nicht nur am Kontaktteil 4 und somit letztenendes auch am Kabelschuh 2 im Kontaktbereich 10 befestigt, sondern es wird hierbei auch eine elektrische Verbindung zwischen dem Leiter 6 und dem Kontaktteil 4 hergestellt. Es handelt sich dabei um eine Verbindung zwischen zwei gleichen Materialien oder Werkstoffen, da auch der Leiter 6 aus Aluminium gefertigt ist, und dementsprechend lässt sich diese Verbindung oder Befestigung relativ problemlos beispielsweise durch Ultraschallschweißen herstellen.
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Der zweite sich unmittelbar an den ersten anschließende Funktionsbereich, nachfolgend Befestigungsbereich 12 genannt, weist im Kontaktteil 4 näherungsweise eine ringförmige Grundgeometrie auf mit einem Durchbruch oder einem Loch 14 als Aufnahme für ein Befestigungsteil, in dem dieses im Endzustand des Kabelschuhs 2 einliegt.
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Ein entsprechendes Befestigungsteil ist in 3 und 4 abgebildet. Es handelt sich dabei um eine einstückige, im Ausführungsbeispiel aus Messing gefertigte Einpressbuchse 16 mit einem ringförmigen Grundkörper, an welchem eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Verzahnung 18 vorgesehen ist. Die Zähne 20 der Verzahnung 18 sind dabei als gerade Prismen mit trapezförmiger Grundfläche ausgestaltet.
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In einem Montageprozess wird diese Einpressbuchse 16 mechanisch in das Loch 14 im Kontaktteil 4 eingepresst, wodurch der Kabelschuh 2 entsteht. Nachfolgend ist die Einpressbuchse 16 dann durch Presssitz im Befestigungsbereich 12 gehalten und somit am Kontaktteil 4 befestigt.
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Beim Einpressen der Einpressbuchse 16 wird die Oxidschicht, mit der das Kontaktteil 4 typischerweise aufgrund natürlicher Oxidation an der Luft überzogen ist, zumindest lokal durch die Zähne 20 aufgebrochen oder abgetragen, wodurch die Einpressbuchse 16 im Bereich der Zähne 20 im direkten und unmittelbaren Kontakt mit dem eigentlich für das Kontaktteil 4 vorgesehenen Werkstoff Aluminium in Verbindung steht. Auf diese Weise wird eine gute elektrische Verbindung zwischen der Einpressbuchse 16 und dem Kontaktteil 4 hergestellt. Durch die Vielzahl an Zähnen 20 wird dabei einerseits eine in der Summe relativ große Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem Messing-Material der Einpressbuchse 16 und dem Aluminium-Material des Kontaktteils 4 geschaffen und andererseits wird eine gute Pressanpassung zur Aufnahme von mechanischen Kräften und eine entsprechend große Kontaktoberfläche zwischen diesen beiden Bauteilen realisiert.
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Der auf diese Weise gefertigte Kabelschuh 2 wird, wie in 5 skizziert, im Gebrauch an einen Anschlussbolzen 22 mit einem Gewinde angeschlossen, um den Leiter 6 über den Kabelschuh 2 und den Anschlussbolzen 22 beispielsweise mit einer Autobatterie elektrisch leitend zu verbinden. Dazu wird die Einpressbuchse 16, die fest mit dem Trägerkörper 4 verbunden ist, über den Anschlussbolzen 22 gestülpt, sodass der Anschlussbolzen 22 die Einpressbuchse 16 durchsetzt. Nachfolgend wird eine Gewindemutter 24, die als Befestigungselement dient, mit einem vorgegebenen Anzugsmoment auf den Anschlussbolzen 22 aufgeschraubt, bis diese flächig am Kabelschuh 2 anliegt und diesen somit festklemmt. In der Folge bedeckt die Gewindemutter 24 den Übergangsbereich zwischen der Einpressbuchse 16 und dem Trägerkörper 4 des Kabelschuhs 2 und dichtet diesen somit gegen ein potenzielles Elektrolyt, wie beispielsweise Kondenswasser, ab.
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Für eine möglichst gute Dichtwirkung ist die Gewindemutter 24 mit einer etwa 20 μm dicken Zinnschicht 26 umhüllt, die beim Aufschrauben der Gewindemutter 24 auf den Anschlussbolzen 22 und insbesondere beim Festklemmen des Kabelschuhs 2 plastisch verformt wird. Auf diese Weise wird im Übergangsbereich zwischen der Einpressbuchse 16 und dem Trägerkörper 4 des Kabelschuhs 2 ein Korrosionsschutz realisiert.
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Für einen zusätzlichen Korrosionsschutz im Bereich der Verbindung zwischen dem Leiter 6 und dem Trägerkörper 4 ist auf den Kabelschuh 2 in diesem Bereich eine Korrosionsschutzschicht 28 aufgetragen, die durch einen UV-Lack realisiert ist. Dies ist in 6 angedeutet. Die Korrosionsschutzschicht 28 deckt vorzugsweise auch den Übergangsbereich zwischen dem Trägerkörper 4 und der Einpressbuchse 16 ab.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kabelschuh
- 4
- Kontaktteil
- 6
- Leiter
- 8
- Einkerbung
- 10
- Kontaktbereich
- 12
- Befestigungsbereich
- 14
- Loch
- 16
- Einpressbuchse
- 18
- Verzahnung
- 20
- Zahn
- 22
- Anschlussbolzen
- 24
- Gewindemutter
- 26
- Zinnschicht
- 28
- Korrosionsschutzschicht
