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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung zur Kontaktierung eines Heizleiters eines elektrisch beheizbaren Wabenkörpers, mit einem elektrisch leitfähigen Bolzen, mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht und mit einer Buchse, in welcher die Isolationsschicht und der Bolzen zumindest teilweise aufgenommen sind, wobei der Bolzen zentral angeordnet ist und zumindest abschnittsweise von der Isolationsschicht in Umfangsrichtung vollständig umlaufend umfasst ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung.
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Stand der Technik
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Zur Aufheizung von Abgasen in einer einem Verbrennungsmotor nachgelagerten Abgasstrecke beziehungsweise des in einer Abgasstrecke strömenden Abgases werden heute regelmäßig elektrische Heizelemente eingesetzt. Hierbei wird das Ziel verfolgt schneller eine Temperaturschwelle zu erreichen, ab welcher eine wirkungsvolle Umwandlung der im Abgas mitgeführten Schadstoffe erfolgen kann. Dies ist notwendig, da die zur Abgasnachbehandlung eingesetzten katalytisch aktiven Oberflächen der in der Abgasstrecke verbauten Katalysatoren erst ab einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-Off Temperatur, eine ausreichende Umsetzung der jeweiligen Schadstoffe ermöglichen.
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Zu den bekannten Lösungen im Stand der Technik gehören sogenannten Heizkatalysatoren, welche eine mit einer Spannungsquelle verbundene metallische Struktur aufweisen oder eine metallisch beschichtete keramische Struktur aufweisen, welche unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes aufgeheizt werden kann.
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Zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung der beheizbaren Struktur, muss ein elektrischer Leiter an zumindest einer Stelle durch das Gehäuse der Abgasstrecke beziehungsweise eines in der Abgasstrecke angeordneten Katalysators eingeführt werden. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die Durchführung gasdicht ist, außerdem eine elektrische Isolation zwischen dem Gehäuse und dem elektrischen Leiter gegeben ist und, dass eine ausreichende Dauerhaltbarkeit gewährleistet ist. Der elektrische Leiter ist regelmäßig aus einem massiven Vollmaterial gebildet, wie beispielsweise einem metallischen Bolzen.
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Die
DE 10 2012 110 098 B4 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung für die Stromversorgung einer elektrischen Abgasheizung in einem Kraftfahrzeug. Die Durchführung weist ein Außenrohr auf, dessen Innenraum von einem elektrischen Leiter durchsetzt ist. Der elektrische Leiter überragt an mindestens einer der Stirnfläche des Außenrohrs das Außenrohr. Der elektrische Leiter ist im Innenraum des Außenrohres von einem Isolierstoff umgeben. Die Durchführung wird dabei durch das Ablängen eines verdichteten Stangenmaterials erzeugt, wobei durch spanende Verfahren jeweils Bereiche des als Außenrohr fungierenden Abschnitts und des als Isolierstoff fungierenden Abschnitts entfernt werden, um so eine elektrische Durchführung der gewünschten Länge mit einem gewünschten Überstand des elektrischen Leiters über das Außenrohr hinaus zu erzeugen.
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Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung ist insbesondere, dass das verwendete verdichtete Stangenmaterial sehr hochpreisig ist, da es einen mehrschichtigen Aufbau aufweist. Darüber hinaus wird durch die spanende Verarbeitung zur Freistellung des elektrischen Leiters und zur Ablängung der elektrischen Durchführung ein wesentlicher Anteil von ca. zwei Drittel des Stangenmaterials ungenutzt durch spanende Verarbeitung zerstört und somit verschwendet. Der Herstellprozess ist dadurch besonders aufwändig und kostenintensiv.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrische Durchführung zur Kontaktierung eines elektrisch beheizbaren Wabenkörpers zu schaffen, welche gegenüber den im Stand der Technik bekannten Lösungen einfacher und kostengünstiger herzustellen ist. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung zu schaffen.
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Die Aufgabe hinsichtlich der elektrischen Durchführung wird durch eine elektrische Durchführung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung zur Kontaktierung eines Heizleiters eines elektrisch beheizbaren Wabenkörpers, mit einem elektrisch leitfähigen Bolzen, mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht und mit einer Buchse, in welcher die Isolationsschicht und der Bolzen zumindest teilweise aufgenommen sind, wobei der Bolzen zentral angeordnet ist und zumindest abschnittsweise von der Isolationsschicht in Umfangsrichtung vollständig umlaufend umfasst ist, wobei die drei Elemente mittels eines Formschlusses und/oder eines Kraftschlusses miteinander zerstörungsfrei untrennbar verbunden sind.
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Die elektrische Durchführung wird aus den drei Einzelelementen Bolzen, Isolationsschicht und Buchse aufgebaut. Die Bauteile werden erfindungsgemäß wie folgt angeordnet. Der Bolzen, welcher das stromführende Element darstellt, wird zentral angeordnet. Die Isolationsschicht umfasst den Bolzen in Umfangsrichtung vollständig und erstreckt sich in axialer Richtung zumindest entlang eines Teilabschnitts des Bolzens. Auf die Isolationsschicht folgt radial außen die Buchse, welche als Befestigungselement der gesamten elektrischen Durchführung an einem Gehäuse oder einem Mantelrohr eines Katalysators dient.
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Die Buchse ist durch die Isolationsschicht vollständig elektrisch isoliert gegenüber dem Bolzen, so dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen dem Bolzen und der Buchse beziehungsweise dem mit der Buchse verbundenen Gehäuse verhindert ist.
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Erfindungsgemäß sind die drei vorbeschriebenen Bauteile mittels eines Formschlusses und/oder einen Kraftschluss miteinander verbunden. Grundsätzlich bedeutet das, dass auf einzelne oder mehrere Bauteile nach dem Zusammenbau eine Kraft ausgeübt wird, welche zu einer zumindest teilweise plastischen Verformung führt, wodurch ein Kraftschluss zwischen den Bauteilen entsteht. Je nach der Gestaltung der Bauteile kann hierdurch auch ein Formschluss erzeugt werden.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft, da alle drei Bauteile unabhängig voneinander hergestellt werden können und so besonders kostengünstig zu produzieren sind. So kann der Bolzen einfach aus einem Vollmaterial abgesägt werden. Ebenso kann die Buchse aus einem hohlzylindrischen Material, beispielsweise einem Rohr, abgesägt werden. Die Isolationsschicht, die bevorzugt aus einer Oxidkeramik gebildet ist kann durch ein geeignetes Verfahren, wie beispielsweise Sintern, einfach hergestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch eine radiale und/oder axiale Kraft auf die Außenfläche der Buchse ein Formschluss und/oder Kraftschluss zwischen der Buchse, der Isolationsschicht und dem Bolzen erzeugt ist.
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Das Aufbringen einer Kraftkomponente, beispielsweise eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf die radiale Außenfläche, führt zu einer Stauchung der Buchse in radialer Richtung. Dadurch wird, sofern die Verformung den elastischen Anteil übersteigt und eine zumindest teilweise plastische Verformung erreicht wird, eine Vorspannung zwischen der Buchse und der Isolationsschicht erzeugt, welche zu einem dauerhaften Kraftschluss zwischen Buchse und Isolationsschicht führt.
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Sofern die radial nach innen gerichtete Kraft groß genug ist, kann auch eine Vorspannung zwischen der Isolationsschicht und dem Bolzen hierdurch erzeugt werden. Das Aufbringen der Kraftkomponente kann beispielsweise durch ein Presswerkzeug durch das radiale und/oder axiale Stauchen der Buchse erfolgen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn durch eine axiale und/oder radiale Kraft auf die Isolationsschicht ein Formschluss und/oder Kraftschluss zwischen der Isolationsschicht und der Buchse und/oder zwischen der Isolationsschicht und dem Bolzen erzeugt ist.
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Auf die Isolationsschicht kann bevorzugt eine axiale Kraftkomponente aufgebracht werden. Hierdurch erfährt die Isolationsschicht eine axiale Stauchung, wodurch es auch zu einer Verbreiterung in radialer Richtung kommt, wodurch letztlich eine Vorspannung zwischen der Isolationsschicht und dem Bolzen beziehungsweise der Buchse erzeugt wird.
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Sofern die Isolationsschicht in axialer Richtung über die Buchse hervorsteht, kann auch auf einfache Weise eine radiale Kraft auf die Isolationsschicht ausgeübt werden, um beispielsweise eine Vorspannung zum Bolzen hin zu erzeugen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine axiale und/oder eine radiale Kraft, die von innen auf den Bolzen wirkt, ein Formschluss und/oder Kraftschluss zwischen dem Bolzen und der Isolationsschicht und/oder der Isolationsschicht und der Buchse erzeugt ist.
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Durch axiale oder radiale Kräfte auf die Buchse und/oder die Isolationsschicht kann man im Wesentlichen eine Stauchung erzeugen, wodurch eine nach innen ins Zentrum der elektrischen Durchführung gerichtete Vorspannung erzeugt werden kann.
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Der im Zentrum angeordnete Bolzen kann bevorzugt durch eine radial nach außen gerichtete Kraftkomponente aufgeweitet werden, wodurch eine radial nach außen gerichtete Vorspannung erzeugt wird. Der Bolzen kann bevorzugt hierzu eine Öffnung, wie beispielweise eine axiale Bohrung aufweisen, in welche ein Spreizwerkzeug eingeführt werden kann, um den Bolzen per Krafteinwirkung aufzuweiten. Alternativ könnte der Bolzen mit einem hohen Innendruck beaufschlagt werden, beispielswiese einem pneumatischen oder hydraulischen Druck.
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Wesentlich ist, dass der Bolzen durch die wirkende Kraftkomponente eine dauerhafte, also eine plastische Verformung erfährt, die ausreichend groß dimensioniert ist, dass die dadurch erzeugte Vorspannung auf die Isolationsschicht und die Buchse ausreichend ist, um die elektrische Durchführung dauerhaltbar zu machen.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Bolzen eine axiale Aussparung zur Aufnahme eines Formstückes aufweist.
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In eine Aussparung, beispielsweise eine sich konisch verjüngende Bohrung, kann ein passendes Formteil eingesetzt beziehungsweise eingepresst werden, wodurch ebenfalls eine radial nach außen gerichtete Kraftkomponenten auf den Bolzen und gegebenenfalls auf die Isolationsschicht und die Buchse erzeugt werden kann.
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Das Formteil ist bevorzugt derart gestaltet, dass es ein gewisses Übermaß gegenüber der Aussparung hat und so durch das Einpressen des Formteils eine Aufweitung des Bolzens erreicht wird, wodurch eine Vorspannung auf die Isolationsschicht und die Buchse erreicht wird.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Isolationsschicht und/oder die Buchse und/oder der Bolzen wechselseitig konkav oder konvex geformte Kontaktflächen aufweisen, über welche sie miteinander in Kontakt stehen.
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Dies ist vorteilhaft, um neben dem Kraftschluss, welcher über das Aufweiten oder Stauchen einzelner Bauteile erreicht wird, einen Formschluss zu erzeugen. Dadurch kann die Verbindung der Bauteile dauerhaltbarer gemacht werden und der Kraftschluss unterstütz werden. Der Bolzen kann an seiner der Isolationsschicht zugewandten Kontaktfläche beispielsweise eine keilförmige in Umfangsrichtung verlaufende Nut aufweisen. Die Isolationsschicht kann eine keilförmige dachartige Kontaktfläche aufweisen, wodurch es zu einer Verrastung der Isolationsschicht in dem Bolzen kommt. Ebenso kann ein solcher Formschluss zwischen der Isolationsschicht und der Buchse ausgebildet sein.
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Alternativ können die Kontaktflächen zwischen den Bauteilen Riefen oder Rillen aufweisen oder anderweitig miteinander korrespondierende Ausnehmungen und Vorsprünge aufweisen. Bevorzugt besteht jeweils ein gewisses Übermaß, so dass es im zusammengebauten Zustand zu einer Vorspannung zwischen den Bauteilen kommt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Kontaktflächen zwischen dem Bolzen und der Isolationssicht und/oder zwischen der Isolationsschicht und der Buchse oberflächenvergrößernde Elemente aufweisen. Oberflächenvergrößernde Elemente sind insbesondere Noppen, Riefen, Nuten, Wülste, aber auch gezielt eingebrachte Rauigkeiten.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung, wobei auf zumindest eines der Bauteile aus der Reihe Buchse, Bolzen oder Isolationsschicht nach dem Zusammenbau eine Kraftkomponente aufgebracht wird, welche eine dauerhafte plastische Verformung zumindest desjenigen Bauteils erzeugt, auf welches die Kraftkomponente aufgebracht wurde.
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Durch das Aufbringen der Kraftkomponenten nach dem Zusammenbau wird erreicht, dass die einzelnen Bauteile grundsätzlich leicht zu montieren sind, da die zwischen den Bauteilen entstehenden Passungen ausreichend dimensioniert werden können, da der Halt zwischen den Bauteilen nicht zwingend über diese erzeugt wird. Erst durch das Aufbringen der Kraftkomponente wird schließlich eine bleibende plastische Verformung einzelner oder aller Bauteile erzeugt wird, welche eine dauerhaltbare Verbindung zwischen den Bauteilen erzeugt.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn ein Innendruck in einer im Bolzen befindliche Aussparung erzeugt wird, wodurch der Bolzen eine Ausdehnung in radialer Richtung erfährt und der Außendurchmesser dauerhaft auch nach Abbauen des Überdrucks vergrößert wird.
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Durch das Erzeugen eines Innendrucks in einer in dem Bolzen befindlichen Aussparung kann eine Aufweitung des Bolzens erreicht werden, wodurch es zur Ausbildung einer Vorspannung auf die Isolationsschicht und/oder die Buchse kommt. Bevorzugt wird der Innendruck hydraulisch oder pneumatisch erzeugt.
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Alternativ kann auch ein nicht im Bolzen verbleibendes Formstück in die Aussparung eingepresst werden, wodurch der Bolzen aufgeweitet wird und die nötige Vorspannung zur Isolationsschicht erzeugt wird. Nach erfolgter plastischer Verformung des Bolzens kann das entsprechende Formstück, beispielsweise ein Stempel einer Presse, wieder entfernt werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein Formteil in eine Aussparung des Bolzens eingepresst wird, wobei der Bolzen eine Aufweitung in radialer Richtung erfährt und eine Vorspannung auf die Isolationsschicht und/oder die Buchse erzeugt wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann das Formteil auch im Bolzen verbleiben und so die Stabilität des Bolzens erhöhen und das Aufrechterhalten der erzeugten Vorspannung absichern.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Buchse und/oder der Bolzen und/oder die Isolationsschicht thermisch vorbehandelt wird, um eine temporäre Vergrößerung oder Verkleinerung des Durchmessers des jeweiligen Bauteils zu erzeugen, wobei die Bauteile nach Erzeugen der temporären Vergrößerung oder Verkleinerung zusammengefügt werden und anschließend eine Erwärmung oder Abkühlung der zusammengefügten Bauteile erfolgt, um eine Pressung zwischen der Buchse, der Isolationsschicht und dem Bolzen zu erzeugen.
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Durch eine thermische Vorbehandlung, beispielsweise dem starken Abkühlen oder dem starken Erhitzen, kann eine Schrumpfung oder Aufweitung einzelner Bauteile erreicht werden. Durch das nachfolgende Abkühlen im Falle eines aufgeheizten Bauteils, kommt es zu einer Schrumpfung, wodurch es zum Entstehen einer Vorspannung gegenüber einem eingesetzten Bauteil kommen kann. Im umgekehrten Fall wird es durch das Abkühlen zu einer Schrumpfung kommen und durch die nachfolgende Aufwärmung zu einer Ausdehnung, wodurch ebenfalls eine Vorspannung gegenüber einem anderen Bauteil erreicht werden kann.
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Bauteile, die in etwas eingesetzt werden, beispielsweise der Bolzen in die Isolationsschicht, werden bevorzugt durch Abkühlen geschrumpft. Bauteile, in die etwas eingesetzt wird, beispielsweise die Isolationsschicht in die Buchse, werden erhitzt und somit aufgeweitet. Auch eine Kombination beider Methoden für die unterschiedlichen Bauteile der elektrischen Durchführung ist vorsehbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch einen Bolzen, eine Isolationsschicht und eine Buchse, wobei die einzelnen Bauteile im nicht montierten Zustand gezeigt sind,
- 2 zwei Schnittansichten durch jeweils eine elektrische Durchführung, wobei die Kontaktflächen der einzelnen Bauteile zueinander unterschiedlich gestaltet sind,
- 3 eine Schnittansicht durch eine elektrische Durchführung, wobei in einen Hohlraum im Bolzen ein Innendruck erzeugt wird, und
- 4 eine Schnittansicht durch eine elektrische Durchführung, wobei in eine Aussparung im Bolzen ein Formteil eingepresst wird.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt die einzelnen Bauteile der elektrischen Durchführung. Zentral ist der Bolzen 1 angeordnet, welcher den Stromleiter bildet und bevorzugt aus einem Vollmaterial hergestellt ist. Durch eine geeignete Nachbearbeitung kann der Bolzen 1 an die geometrischen Erfordernisse angepasst werden. Hierzu können alle gängigen Bearbeitungsmethoden genutzt werden.
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Die Isolationsschicht 2 ist als ringförmige Hülse dargestellt. Bevorzugt ist die Isolationsschicht aus einer gepressten Oxidkeramik erzeugt. Der Innenquerschnitt der ringartig ausgebildeten Isolationsschicht 2 ist bevorzugt derart gestaltet, dass der Bolzen 1 aufgenommen werden kann.
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Mit dem Bezugszeichen 3 ist die Buchse dargestellt, welche in dem Ausführungsbeispiel der 1 ebenfalls ringartig ausgestaltet ist. Der Innendurchmesser der Buchse 3 ist derart gewählt, dass die Isolationsschicht 2 in die Buchse 3 eingesetzt werden kann.
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Die Bauteile sind in 1 explosionsartig dargestellt im nicht zusammengebauten Zustand.
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Die 2 zeigt im oberen Teil einen Zusammenbau der in 1 gezeigten Bauteile. Der Bolzen 1 ist zentral angeordnet, die Isolationsschicht 2 umfasst den Bolzen 1 und die Buchse 3 nimmt die Isolationsschicht 2 mit dem Bolzen 1 auf.
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Die 2 ist beispielhaft für eine elektrische Durchführung und schließt insbesondere andere geometrische Ausgestaltungen nicht aus. Eigenschaften, wie beispielsweise die Länge der einzelnen Bauteile, Überstände der Bauteile relativ zueinander, Materialstärken und Materialien allgemein, sind durch die 2 nicht beschränkt.
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Mit dem Pfeil 4 ist die Wirkrichtung einer in radialer Richtung wirkenden Kraftkomponenten bezeichnet, die auf die Außenseite der Buchse 3 aufgebracht werden kann, wodurch eine Stauchung der Buchse 3 und infolge dessen eine Vorspannung zwischen den Bauteilen erzeugt werden kann.
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Mit dem Bezugszeichen 5 ist die Wirkrichtung einer Kraftkomponente bezeichnet, die von innen radial nach außen wirken kann. Diese könnte beispielsweise von innen auf die Isolationsschicht 2 wirken oder sofern der Bolzen 1 eine hierfür passende Aussparung aufweist von innen auf den Bolzen 1.
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Im unteren Teil der 2 sind alternativen Ausgestaltungen für den Bolzen 6, die Isolationsschicht 7 und die Buchse 8 dargestellt. Die Isolationsschicht 7 weist dachartige in radialer Richtung ausgestellte Kontaktflächen auf. Die Buchse 8 und der Bolzen 6 weisen jeweils mit der Form der Isolationsschicht 7 korrespondierende Kontaktflächen auf. Durch die Gestaltung der Kontaktflächen zwischen den Bauteilen kann zusätzlich zum Kraftschluss ein Formschluss erreicht werden.
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Die 3 zeigt eine zusammengebaute elektrische Durchführung wie sie bereits im oberen Teil der 2 gezeigt wurde. Im Unterschied zur 2 weist der Bolzen 10 hier eine Aussparung 9 auf, welche in axialer Richtung von unten in den Bolzen 10 eingebracht wurde. Durch geeignete Mittel kann man in der Aussparung 9 einen Überdruck erzeugen, welcher mit den im Inneren der Aussparung angedeuteten Pfeilen dargestellt ist. Durch diesen erzeugten Innendruck kann eine radiale und auch axiale Ausdehnung des Bolzens 10 erreicht werden.
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Weiterhin sind in der 3 mit dem Bezugszeichen 11 Pfeile dargestellt, die das Aufbringen einer axialen und/oder radialen Kraftkomponenten von außen auf die Buchse 3 oder die Isolationsschicht 2 andeuten.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Bolzens 12. Im Unterschied zur 3 weist er eine sich konisch verjüngende Aussparung 15 auf, in welche mittels einer entlang der Richtung 13 wirkenden Kraft ein Formkörper 14 eingepresst wird, wodurch der Bolzen 12 in radialer und axialer Richtung aufgeweitet wird und eine Vorspannung zur Isolationsschicht 2 und zur Buchse 3 erzeugt wird.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. So kann insbesondere das Aufbringen einer Kraft von außen und das Erzeugen eines Innendrucks im Bolzen kombiniert werden. Auch kann das Aufbringen einer Kraft und eine spezielle Gestaltung der Kontaktflächen in einem Ausführungsbeispiel miteinander kombiniert werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bolzen
- 2
- Isolationsschicht
- 3
- Buchse
- 4
- Wirkrichtung Kraft
- 5
- Wirkrichtung Kraft
- 6
- Bolzen
- 7
- Isolationsschicht
- 8
- Buchse
- 9
- Aussparung
- 10
- Bolzen
- 11
- Wirkrichtung Kraft
- 12
- Bolzen
- 13
- Wirkrichtung Kraft
- 14
- Formteil
- 15
- Aussparung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012110098 B4 [0005]