DE10140177A1

DE10140177A1 - Verbindungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10140177A1
Application number: DE10140177A
Authority: DE
Inventors: Marcus Bach; Reinhold Blutbacher; Markus Eckel; Josef Woller
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Tyco Electronics AMP GmbH; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: TE Connectivity Germany GmbH
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2001-08-22
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: DE10140177B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für hohe Ströme von bis zu mehreren hundert Ampere. Um Vibrationen, Maßtoleranzen und andere Abstandsänderungen im Betrieb von einer zugeordneten Steckverbindung 7 und 10 fernhalten zu können, ist der Stiftkontakt 7 an einem Gerät 2 radial und/oder axial verstellbar an einer Kontaktführung 9 gehalten sowie mittels eines flexiblen Hochstromleiters 4 an einem Stromanschluß 3 dieses Gerätes 2 elektrisch angeschlossen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Es ist bei Fahrzeugen und insbesondere bei Personenfahrzeugen ganz allgemein bekannt, darin eine elektrische Stromquelle zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie vorzusehen. Zur elektrischen Verbindung von zwei Geräten kommen dabei in der Regel Kabel und Schraubverbindungen zum Einsatz, wenn hohe elektrische Ströme von mehreren hundert Ampere auftreten. Derartige Maßnahmen an lösbaren elektrischen Verbindungen dürfen nach den einschlägigen Vorschriften nur von Fachpersonal durchgeführt werden. Dazu muß Spezialwerkzeug notwendig sein und es darf kein Eingriff in das jeweilige Gerät erforderlich sein. Das Lösen und Wiederherstellen solcher Schraubverbindungen ist demnach aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsvorrichtung bereitzustellen, die ohne Werkzeuge gelöst und zusammengefügt werden kann und dabei mechanische Toleranzen ausgleichen und Vibrationen zwischen den zu verbindenden Geräten abfangen und dämpfen kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die Merkmale des ersten Anspruchs. Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einem Aufbau einer Verbindungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird besonders im Sevicefall nicht nur der Austausch bzw. das Trennen und Verbinden eines lösbar im Fahrzeug angebrachten Gerätes wesentlich vereinfacht, sondern dabei auch sichergestellt, daß die zur Anwendung gelangte Steckvorrichtung z. B. von im Betrieb des Fahrzeugs auftretenden Vibrationen oder auch thermischen Lageveränderungen zumindest weitgehend entkoppelt wird und somit praktisch keiner Reib- und Kontaktkorrosion unterliegt. Dabei kann die jeweilige Steckverbindung auch hohe Anforderungen hinsichtlich der vorgeschriebenen Schutzart besonders in Bezug auf elektrische und mechanische Sicherheit sowie staub- und feuchtigkeitsdichten Abschluß erfüllen.
Zur Entkopplung trägt auch bei, wenn der Hochstomleiter wegen seiner nicht zu vermeidenden mechanischen Steifigkeit zunächst radial vom schwimmend angeordneten Stiftkontakt weggeführt und anschließend in Achsrichtung des Stiftkontakts weitergeführt wird. Durch die Abwinkelung wird ein Biegegelenk geschaffen, durch das bei Vibrationen oder dergleichen auftretende Kräfte in Verformungsenergie umgewandelt und damit jedenfalls teilweise vernichtet bzw aufgefangen werden. Sie wirken dann nicht in voller Größe auf die Steckverbindung ein. Für die schwimmende Halterung des Stiftkontakt gegenüber dem zugeordneten Gerät weist der Stiftkontakt an seinem der Steckerbuchse abgewandten Ende vorzugsweise einen axial gerichteten Führungsbolzen auf, der eine Führungsbohrung in der Kontaktführung mit radialem Spiel durchgreift. Dadurch kann der Stiftkontakt eine taumelnde Pendelbewegung an seinem freien, der Steckerbuchse zugewandten Ende ausführen, so daß beim Zusammenführen der Steckverbinderteile auftretende axiale Fluchtfehler zwischen dem Stiftkontakt und der zugehörigen Steckerbuchse selbsttätig ausgeglichen werden können. Zudem kann der Führungsbolzen die Führungsbohrung auch axial begrenzt frei verschiebbar durchsetzen, wobei das freie axiale Spiel größer als die zwischen den Geräten aufzufangenden Toleranzen und Vibrationsschwingungsamplituden ist. Eine Relativbewegung zwischen den beiden zu verbindenden Geräten wird somit in diesem Spielraum aufgefangen, ohne auf die Kontakte der Steckverbindung einzuwirken. Der Stiftkontakt bzw. sein Führungsbolzen ist an seinem freien Ende mit dem Hochstomleiter fest verbunden.
Zur mechanischen Axialführung des Stiftkontakts kann noch an seinem der Steckerbuchse abgewandten Ende ein vorzugsweise umlaufender Führungsbund vorgesehen werden, der mir begrenztem radialen Spiel in eine im Durchmesser angepasste Vertiefung der Kontaktführung eintaucht und damit in Verbindung mit der Führungsbohrung zwar die geforderte Pendelbewegung ermöglicht, gegen darüber hinausgehende Schrägstellungen jedoch eine kippsichere Zweipunktabstützung des Stiftkontakts bildet.
Damit der Hochstomleiter bei möglichst geringem Abstand zwischen dem Stiftkontakt und dem zugehörigen Gerät eine niedrige Biegesteifigkeit bzw. größere Freiheitsgrade erhält, ist er insbesondere zwei- oder mehrfach abgewinkelt. Auch ist es zweckmäßig, zwischen das der Steckerbuchse abgewandte Ende des Stiftkontakts und die Kontaktführung ein vorzugsweise konzentrisch zum Führungsbolzen angeordnetes Druckfederelement zu setzen, so daß der Stiftkontakt stets axial ausgerichtet wird und sicher positioniert der Steckerbuchse beim Verbindungsvorgang gegenübersteht.
Für eine Hochstromverbindung zur Übertragung von mehreren hundert Ampere eignet sich besonders ein Hochstomleiter aus geschichteten Blechlamellen, die eine lamellierte Schiene bilden. Das Blechlamellenpaket ist dabei zumindest an seinen Enden durch Anwendung thermischer Energie oder durch Druck verschweißt und bildet dort Anschlußstücke für eine stromleitende Verbindung mit dem Stiftkontakt bzw. dem zugeodneten Gerät. Ist der Hochstomleiter mehrfach abgewinkelt, dann sind die Lamellen bevorzugt auch noch zwischen den Abwinkelungen begrenzt flächenartig verschweißt, um Geräuschbildung durch Abstoßungskräfte bei Stomduchfluß zu vermeiden. Kommt ein Kabelschuh zur Verbindung des Hochstomleiter mit dem Stiftkontakt zur Anwendung, dann ist der Kabelschuh zweckmäßigerweise abgewinkelt, so daß die den Hochstomleiter bildende Litze parallel zum Stiftkontakt läuft. Schließlich ist die Gesamtsteifigkeit der Anordnung aus Stiftkontakt, Federelement, Kontaktführung und Hochstomleiter in der Weise bemessen, daß die zwischen Steckerbuchse und Stiftkontakt in Kuppelrichtung wirksame Kontaktreibkraft ggf. unter Berücksichtigung der von dem Federelement erzeugten Kraft größer als die in gleicher Richtung in Folge der Biegesteifigkeit des Hochstromleiters sich ergebende Kraft bei Relativbewegungen zwischen den Geräten ist.
Die Erfindung ist in den beiliegenden Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht von zwei mittels einer Verbindungsvorrichtung elektrisch gekoppelten Geräten,
Fig. 2 einen axial verstellbar gehaltenen Stiftkontakt der Verbindungsvorrichtung mit einem Kabelschuh und
Fig. 3 einen axial verstellbar gehaltenen Stiftkontakt der Verbindungsvorrichtung mit einem mehrfach abgewinkelten Hochstromleiter
Ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug, insbesondere ein Personen-Kraftfahrzeug oder auch ein Schienenfahrzeug trägt auf einem Bodenabschnitt 1 als ein erstes Gerät 2 eine Leistungsverteileinheit, mittels welcher die Verteilung von elektrischer Energie an Verbraucher im Fahrzeug erfolgt bzw. gesteuert wird. Das Gerät 2 kann aber auch ein Stromabnehmer, ein Verbraucher oder eine sonstige elektrische Einrichtung sein. Das Gerät 2 besitzt einen Hochstromanschluß 3, der über einen Hochstromleiter 4 mit dem freien Ende 5 eines Führungsbolzens 6 z. B. mittels Flachmuttern 16 elektrisch und mechanisch fest verbunden ist. Der Führungsbolzen 6 ist Teil eines Stiftkontakts 7 und durchgreift eine Führungsbohrung im Boden 8 einer topfförmig gestalteten Kontaktführung 9. Die Kontaktführung 9 ist mechanisch fest mit dem Gerät 2 bzw. mit dessen Gehäuse verbunden und elektrisch gegenüber dem Stiftkontakt 7 oder dem Gerät 2 isoliert. Der Stiftkontakt 7 steckt reibschlüssig in einer Steckerbuchse 10, welche an einem zweiten Gerät 11, vorzugsweise einer Brennstoffzelle festsitzt. Die Brennstoffzelle 11 ist ortsveränderlich und insbesondere in Achsrichtung des Stiftkontakts 7 auf dem Bodenabschnitt 1 verschiebbar und arretierbar geführt, um sie z. B. im. Sevicefall handhaben zu können.
Da bei einem Fahrzeug bauliche Maßtoleranzen und im Betrieb auch Strukturschwingungen, Vibrationen und auch thermische Maßtoleranzen auftreten, ist zur Vermeidung von daraus resultierenden Bewegungen zwischen der Steckerbuchse 10 und dem Stiftkontakt 7 der Stiftkontakt 7 mittels seines Führungsbolzens 6 axial verschiebbar in der Kontaktführung 9 geführt und der Hochstomleiter 4 flexibel ausgebildet. Es ist also immer bei zusammengefügten Geräten 2 und 11 ein kleiner Spalt 17 zwischen dem Boden 8 und der benachbarten Flachmutter 16 vorhanden, der z. B. noch betriebsbedingte Vibrationsschwingungen zuläßt, ohne daß der Stiftkontakt 7 bewegt wird. Wenn bei diesem Aufbau Relativbewegungen zwischen den beiden Geräten 2 und 11 auftreten, bleibt der reibschlüssige Sitz des Stiftkontakt 7 in der Steckerbuchse 10 demnach davon unberührt, weil die dabei auftretenden Wege vom flexiblen Hochstromleiter 4 durch entsprechende Verformung oder Biegung aufgenommen werden. Zudem üben auch Bewegungen des Gehäuses des zugehörigen Gerätes 2 wegen der Entkopplung des Stiftkontakts 7 infolge seiner axialen Bewegungsfreiheit gegenüber diesem Gehäuse 2 keine relevante Krafteinwirkung auf die Steckverbindung 7 und 10aus. Dabei gilt, daß die zwischen Steckerbuchse 10 und Stiftkontakt 7 in Kuppelrichtung wirksame, axiale Kontaktreibkraft ggf. unter Berücksichtigung der von dem noch zu erläuternden Federelement 12 erzeugten Kraft größer als die in gleicher Richtung in Folge der Biegesteifigkeit des Hochstromleiters 4 sich ergebende Kraft bei Relativbewegungen zwischen den Geräten 2 und 11 ist. Zum Ausgleich von axialen Fluchtfehlern ist der Stiftkontakt auch pendelbeweglich in seiner Führungsbohrung gehalten und kann gegen die Rückstellkraft des Federelements 12 eine begrenzte Schrägstellung gegenüber der Steckerbuchsen- Längsachse einnehmen. Dadurch kann sich der Stiftkontakt 7 bei leichtem seitlichen Versatz der beiden Geräte 2 und 11 bzw. der Steckverbinderteile (Stiftkontakt 7 und Steckerbuchse 10) unter entsprechendem Neigen selbsttätig gegenüber der Steckerbuchse 10 ausrichten, wobei das Neigen durch Anlaufschrägen 23 am freien Ende des Stiftkontakts 7 bzw. der Kappe 20 und/oder am freien Öffnungsrand der Steckerbuchse 10 bewerkstelligt wird.
Das vorerwähnte Federelement 12 ist vorzugsweise als Wendelfeder ausgebildet und umschließt den Führungsbolzen 6 konzentrisch. Dabei befindet sich das Federelement 12 innerhalb der topfförmigen Vertiefung der Kontaktführung 9 zwischen dessen Boden 8 und einem am zugewandten Ende des Stiftkontakts 7 angeordneten Führungsbund 13. Das Federelement 12 bewirkt eine stabile, senkrecht zum Boden 8 gerichtete Ausrichtung des Stiftkontakt 7, so daß ein sicheres Zusammentreffen von Steckerbuchse 10 und Stiftkontakt 7 bei einem Zusammenkuppeln der Gerät 2 und 11 gewährleistet ist. Wird das Federelement 12 nicht verwendet, muß zur Erreichung des entsprechenden Effekts z. B. die Führungsbohrung im Boden 8 die relativ präzise Geradführung des Stiftkontakts 7 übernehmen. Dann entfällt jedoch weitgehend die Möglichkeit zur selbsttätigen Korrektur von axialen Fluchtfehlern.
Der Hochstromleiter aus elektrisch gut leitendem Material kann eine metallische Litze oder Gewebeband sein. Vorzugsweise ist er jedoch als lamellierte Schiene ausgebildet und besteht aus mehreren parallel zueinander verlaufenden Metallbändern aus Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen. Damit können sehr hohe elektrische Ströme bei geringen Verlusten übertragen werden. Zudem ist ein so ausgebildeter Hochstromleiter flexibel insbesondere dann, wenn er abgewinkelt ist. Die Knickstelle wirkt hier wie ein Gelenk und bewirkt die erforderliche Flexibilität. Um eine sichere und dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen den Bändern des Hochstromleiters 4 zu erzielen, sind die Bänder an ihren Endabschnitten 14 z. B. durch Widerstandsschweißen, Punktschweißen, Preßschweißen, Hartlöten oder dergl. fest miteinander verbunden und bilden Anschlußstücke zur Verklemmung mit dem Hochstromanschluß 3 und dem Kontaktstift 7. Kommt ein Hochstromleiter mit mehreren Abwinkelungen zum Einsatz, dann werden die Bänder zweckmäßig auch zwischen benachbarten Knickstellen an Verbindungspunkten 15 begrenzt flächenförmig über ihre Breite miteinander fest verbunden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 3 gezeigt, wobei der Hochstromleiter 4 hier 3-fach, teils in unterschiedlichen Richtungen, abgewinkelt ist und dementsprechend zwei Verbindungspunkte 15 aufweist.
Entsprechend Fig. 2 ist die elektrische Verbindung zwischen dem Führungsbolzen 6 und dem Hochstromkontakt 3 mittels einer Litzen- oder Gewebeband-Leitung 18 hergestellt, wobei die Leitung 18 endseitig einen abgewinkelten Kabelschuh 19 trägt. Der Kabelschuh 19 ist hier zwischen den Flachmuttern 16 festgeklemmt. Die erforderliche Flexibilität dieses Hochstromleiters 4 wird allein durch die Leitung 18 bereitgestellt.
Nach Fig. 3 ist kein Federelement 12 vorgesehen. Hier übernimmt die im Boden 8 der Kontaktführung 9 vorgesehene Führungsbohrung die notwendige axiale Geradführung des Stiftkontakts 7. Es ist daher nur der Spalt 17 für die Bereitstellung des notwendigen axialen Spiels zur Entlastung der Steckverbindung 7 und 10 von z. B. schwingungsbedingten Krafteinflüssen erforderlich.
Im übrigen weist der Stiftkontakt 7 an seiner freien Stirnfläche eine Kappe 20 aus elektrischem Isolierstoff auf, die einen Berührschutz bildet. Damit wird vermieden, daß z. B. beim Zusammenführen der Gerät 2 und 11 ungewollte elektrische Verbindungen mit dem Gehäuse des Gerätes 11 auftreten oder bei unachtsamem Umgang eine manuelle Berührung des Stiftkontakts 7 trotz einer den Stiftkontakt 7 umgebenden Schutzhülse 21 möglich wird. Da der Stiftkontakt 7 und die Schutzhülse 21 die Frontseite des Gerätes 2 überragen, ist in der gegenüberliegenden, zugehörigen Frontseite des Gerätes 11 eine angepaßte Einformung 22 vorgesehen, welche die Steckerbuchse 10 und die Schutzhülse 21 aufnimmt. Ferner ist es besonders bei fehlendem Federelement 12 zweckmäßig, zur Erhöhung der Federwirkung des Hochstromleiters 4 Kupfer mit erhöhter Zugfestigkeit oder dispersionsgehärtetes Kupfer bzw. Kupfer-Legierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (> 50% IACS) zu verwenden.
Insgesamt wird bei dem Aufbau gemäß der Erfindung eine elektrische Steckverbindung mechanisch so entkoppelt, daß sie mechanische Toleranzen zwischen den sie tragenden Geräten 2 und 11 ausgleichen und Vibrationen abfangen und dämpfen und somit Reib- und Kontaktkorrosion mindern oder sogar verhindern kann.

Claims

1. Verbindungsvorrichtung für hohe Ströme zur elektrischen Verbindung von zwei relativ zueinander bewegbar angeordneten Geräten (2 und 11), insbesondere zum Anschluß einer Brennstoffzelle an eine Leistungsverteilereinrichtung in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Steckerbuchse (10) an einem Gerät (2 oder 11) und ein Stiftkontakt (7) am anderen Gerät (11 oder 2)vorgesehen ist, wobei der Stiftkontakt (7) in axialer Richtung reibschlüssig in der Steckerbuchse (10) sitzt und
daß der Stiftkontakt (7) am zugehörigen Gerät an einer Kontaktführung (9) radial und/oder axial verstellbar gehalten sowie mittels einer flexiblen Hochstromleitung (4) an einen Stromanschluß (3) dieses Gerätes elektrisch angeschlossen ist.

2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (4) radial von dem Stiftkontakt (7) wegführt und anschließend vom Stiftkontakt (7) weg abgewinkelt ist.

3. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktführung (9) an dem mit dem Stiftkontakt (7) verbundenen Gerät mechanisch festgesetzt ist.

4. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stiftkontakt (7) an seinem der Steckerbuchse (10) abgewandten Ende einen axial gerichteten Führungsbolzen (6) aufweist, der eine Führungsbohrung in der Kontaktführung (9) durchsetzt,
daß am freien Ende (5) des Führungsbolzens (6) der Hochstromleiter (4) festgesetzt ist und
daß der Führungsbolzen (7) mit radialeml und/oder axialem Spiel in der Führungsbohrung geführt ist.

5. Verbindungsvorrichtung nach 4, dadurch gekennzeichnet, daß, der Stiftkontakt (7) an seinem der Steckerbuchse (10) abgewandten Ende einen radial umlaufenden Führungsbund (13) aufweist, der in eine Vertiefung in der Kontaktführung (9) eintaucht, deren Durchmesser derart größer als der Durchmesser des Führungsbundes (13) ist, daß der Stiftkontakt (7) eine Pendelbewegung um seine Längsachse ausführen kann.

6. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (4) mehrfach abgewinkelt ist.

7. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Achsrichtung des Stiftkontakts (7) wirkendes Federelement (12) zwischen der Kontaktführung (9) und dem Stiftkontakt (7) angeordnet ist.

8. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (12) eine Wendelfeder ist, die konzentrisch um den Führungsbolzen (6) angeordnet ist.

9. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (4) eine lamellierte Schiene ist, deren Lamellen an ihren Endabschnitten (14) verschweißt sind.

10. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen zwischen benachbarten Abwinklungen verschweißt sind.

11. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (4) einen abgewinkelten Kabelschuh (19) aufweist, welcher mit dem Stiftkontakt (6, 7) stromleitend verbunden ist.

12. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochstromleiter (4) mit dem freien Ende (5) des Führungsbolzens (7) verbunden ist.

13. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Steckerbuchse (10) und Stiftkontakt (7) in Kuppelrichtung wirksame Kontaktreibkraft ggf. unter Berücksichtigung der von dem Federelement (12) erzeugten Kraft größer als die in gleicher Richtung in Folge der Biegesteifigkeit des Hochstromleiters (4) sich ergebende Kraft bei Relativbewegungen zwischen den Geräten (2 und 11) ist.