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Die
Erfindung betrifft einen modularen Steckeraufbau gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
modularen Steckeraufbaus, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen
in der Automobilindustrie.
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Stand der Technik
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Integrierte
Mechatroniken, das heißt
insbesondere Steuerelektroniken, die direkt vor Ort beispielsweise
in einem Getriebe oder in einem Motor eingesetzt werden, unterliegen
einer Vielzahl von umgebungsabhängigen
Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit der
Steuerung stehen die erhöhten
Betriebstemperaturen sowie die chemisch aggressive Umgebung des
Motor- oder Getriebeöls
im Vordergrund. Daher ist es unerlässlich, dass die empfindlichen
Elektroniken und Sensoren soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden.
Gerade die Konzeption der Steuerelektronik einerseits und der angebundenen
peripheren Komponenten wie Sensoren oder Ventile andererseits stellen
eine große
Herausforderung dar.
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Es
sind verschiedene Konzepte bekannt, die Kontaktierung zweier Komponenten
wie beispielsweise Zentralelektronik und Peripherie-Komponente herzustellen.
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Die
DE 10 2004 050 687
A1 beschreibt ein solches Konzept zur Kontaktierung eines
Kabels an eine flexible Leiterbahn. Die vorgeschlagene Kontaktierung
umfasst eine Kontaktleiste für
ein oder mehrere Kabel und die Anordnung eines speziellen Kontakts
mit einer Schweißwarze
am Kabelende. Die Kabel wer den hierbei durch die Kontaktleiste in
einer vordefinierten Position fixiert.
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Durch
die mehrteilige Ausführung
der Kontaktierungsvorrichtung wird eine zusätzliche Stabilität im Kontaktbereich
erzielt.
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Nachteilig
ist jedoch, dass sich dieses Konzept nur auf die speziellen Kontaktierungen
mittels Schweißwarzen
am Kabelende bezieht. Weder kann das Konzept auf andere Kontaktierungen übertragen werden
noch erlaubt es einen modularen Aufbau der Verbindung, da die Kabelendstücke stets
auf die spezielle Vorgabe der Steckplätze zur Kontaktierung der flexiblen
Leiterplatte abgestellt werden muss.
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Darüber hinaus
ist aus der
DE 102
60 241 A1 eine Anordnung zur elektrischen Kontaktierung
von Steuerelektronik zu peripheren Komponenten wie beispielsweise
Sensoren, Ventile oder Stecker mittels Ankontaktierung an flexible
Leiterplatten bekannt. Es wird eine Möglichkeit zur Herstellung eines Kontaktierungsbauteils
beschrieben, welches eine Leitereinrichtung mit mehreren separaten
Leiterbahnen umfasst. Diese flexible Leiterplatte wird im Herstellungsprozess
von Halteeinrichtungen in Position gehalten, während die Kunststoffbauteile
an die derart gehaltenen Leiterplatten angespritzt werden. Nach
Beendigung des Spritzvorgangs wird die Haltevorrichtung entfernt.
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Ein
solches Herstellungskonzept ist auch bei der Fertigung von Steckern
bekannt. Die in der Mechatronik verwendeten Stecker umfassen bevorzugt flache
Kontaktstifte aus Kupferblech oder einem anderen leitenden Metall,
die so genannten Pins. Bekannte Verfahren zur Herstellung von solchen
Steckern für
Mechatroniken basieren darauf, die Pins in ein Kunststoffgehäuse einzuspritzen.
Die Pins werden beim Spritzvorgang mit im Werkzeug integrierten Haltenadeln
festgehalten und positioniert. Sobald die Kunststoffmasse in das
Werkzeug mit Druck eingespritzt wird, werden die Haltenadeln schlagartig
zurückgezogen,
damit sie nicht im Kunststoffteil verbleiben.
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Insbesondere
bei Steckern mit großer
Pinlänge
ist ein solches Spritzverfahren jedoch mit großen Schwierigkeiten verbunden.
Die Lagerung und Stabilisierung der Pins während des Umspritzvorgangs
bereitet hierbei verfahrensbedingt Probleme. Der Spritzdruck kann
die Pins verlagern und verbiegen und sie so aus der Toleranz bringen,
dass sie unbrauchbar werden.
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Eine
andere Variante zur Herstellung solcher Stecker besteht darin, bei
komplexen Pingeometrien zunächst
einen so genannten Vorumspritzling anzufertigen, der die Pins stabilisiert
und festhält.
In einem separaten, zweiten Schritt wird dann um dieses Zwischenprodukt
der endgültige
Stecker gespritzt. Diese Variante ist bereits aufgrund der getrennten,
aber dennoch aufwendigen Schritte nur dann angezeigt, wenn eine
andere Verfahrensweise durch die Komplexität der Pingeometrie zu fehleranfällig ist.
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Im
Falle der Spritzverfahren zeigt sich zudem der Nachteil, dass bisher
der gesamte Grundkörper des
Steckers nur zusammen mit den Pins gefertigt werden kann. Damit
wird der Einsatz von Halte- und Positioniereinrichtungen für die Elektronikelemente unerlässlich,
was die entsprechenden Werkzeuge komplex und mithin unflexibel und
teuer werden lässt.
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Eine
weitere Variante der Steckerherstellung für Mechatroniken sieht vor,
die Pins in den Steckergrundkörper
einzuschießen,
solange dieser aufgrund der Fertigung noch elastisch ist. Diese
Variante ist lediglich für
kurze Pins anwendbar und erweist sich bei größeren Pinlängen wegen ihrer größeren Flexibilität als nicht
ausführbar.
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Im
Gegensatz zur direkten Integration der Kontaktstifte in den Kunststoffgrundkörper des
Steckers wird gemäß der
DE 10 2005 021 488
B3 vorgeschlagen, einen Kontaktstecker mit mindestens zwei Gehäuseteilen
vorzusehen. Ein Folienleiter wird in ein erstes Gehäuseteil
eingelegt und mit einer Dichtung versehen. Die Dichtung bewirkt
zudem eine Vorspannung des Folienleiters. Anschließend wird
das zweite Gehäuseteil
in das erste Gehäuseteil
eingeschoben und der Folienleiter mit dem Anschlussbereich des Stiftkontakts
elektrisch leitend verbunden.
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Nachteilig
an einer solchen Steckerkonstruktion ist neben der mangelnden Flexibilität in der
Ausgestaltung des Steckers vor allem die Tatsache, dass eine Dichtung
eingesetzt werden muss. Gerade für integrierte
Mechatroniken eignet sich der Einsatz von Dichtungen wegen der hohen
mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen der Stecker
wenig. Die Langzeitstabilität
der Stecker wird somit herabgesetzt und es können sich Bruchstellen gerade
im Dichtungsbereich über
die beabsichtigte Lebensdauer ausbilden.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Konzept zum Aufbau
eines Steckers für Mechatroniken
bereit zu stellen, das eine weniger aufwendige Herstellung und den
Einsatz von Kontaktstiften mit großer Länge erlaubt.
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Dies
wird erfindungsgemäß mit einer
Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem Verfahren
zur Herstellung einer solchen Vorrichtung gemäß Anspruch 7 erreicht.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einen modularen Stecker für
Mechatroniken zur Verfügung zu
stellen, in dem auf einem separaten Kernelement aus Kunststoff und/oder
auf einer davon getrennt hergestellten Seitenabdeckung ein oder
mehrere Kontaktstifte angespritzt sind und wobei das separate Kernelement
mindestens im Bereich der Kontaktstifte mit der Seitenabdeckung
spandicht verbunden ist.
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Unter
dem Begriff spandicht wird hier und im folgenden verstanden, dass
eine Abdichtung erzielt wird gegenüber elektrisch leitenden Partikeln,
wie sie durch Abrieb oder aufgrund der Herstellung in Getriebegehäusen oder
Motoren auftreten können.
Der Begriff wird vor dem Hintergrund der integrierten Mechatroniken
insbesondere in Abgrenzung zum Begriff öldicht verwendet, der eine
Abdichtung gegen das die Mechatronik umgebende Getriebe- oder Motoröl signalisiert.
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Der
modulare Stecker der vorliegenden Erfindung weist gegenüber den
bisher einstückig
gefertigten Steckern den entscheidenden Vorteil auf, dass er keine
aufwendigen und teueren Werkzeuge zur Herstellung benötigt. Der
modulare Aufbau aus mindestens einem Kernelement und einer Seitenabdeckung
erlaubt zudem eine kostengünstige
und flexible Anpassung des Steckers an unterschiedliche Vorgaben
beispielsweise zur Anzahl und Beabstandung der einzelnen Kontaktstifte.
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Die
Kontaktstifte sind in der Regel aus elektrisch leitendem Metallblech
gefertigt und können standardmäßig eine
Dicke zwischen 0,6 und 1,2 mm aufweisen. Üblicherweise werden die Kontaktstifte
in einer Länge
zwischen 30 mm und 35 mm verwendet. Spezielle Getriebe- oder Motorkonstruktionen
können
jedoch auch erheblich längere
Kontaktstifte erfordern. Diese können
leicht Abmessungen zwischen 60 mm und 70 mm aufweisen. Im Zusammenhang mit
ihrer geringen Dicke werden gerade diese langen Kontaktstifte bevorzugt
in einem modularen Stecker gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt.
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Auf
diese Weise werden neben der erforderlichen Maßhaltigkeit des Steckers die
Dichtigkeit und insbesondere eine vereinfachte Herstellung des Steckers
mit seinen einzelnen Komponenten erzielt.
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Gerade
im Hinblick auf solche Stecker, die aggressiven Medien ausgesetzt
sind, wie sie beispielsweise in Getrieben und in Motoren vorherrschen,
wird zudem ein Schutz der Kontaktstifte gewährleistet.
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Der
modulare Stecker kann hergestellt werden, in dem die einzelnen Komponenten
zunächst separat
hergestellt werden und anschließend
der oder die Kontaktstifte an eine der beiden Komponenten angespritzt
werden, wobei die beiden Komponenten dann spandicht verbunden werden.
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Die
einzelnen Steckerkomponenten können vorzugsweise
aus einem Material gefertigt sein, das unter allen Betriebs- und
Umgebungsbedingungen maßhaltig
bleibt und die entsprechenden Festigkeiten und Langzeitstabilitäten aufweist.
Mit anderen Worten sind die Komponenten bevorzugt aus verwölbungsfreiem
Material gefertigt. Beispielsweise kann als Material sowohl für das Kernelement
als auch für die
Seitenabdeckung PA 6.6 (Polyamid 6.6) oder PBT (Polybutylenterephthalat)
eingesetzt werden.
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Die
Kontaktstifte werden an das Kernelement und/oder an die Seitenabdeckung
angespritzt. Bei diesem Vorgang können die Kontaktstifte flächig auf
dem Kernelement und/oder auf der Seitenabdeckung aufliegen und durch
die bereits vorhandene Geometrie der Teile in Position gehalten
werden. Auf diese Weise ist die Herstellung der Einzelmodule unabhängig voneinander
wesentlich weniger aufwendig, da die Halte- und Positionierungseinrichtungen der
Werkzeuge weniger aufwendig ausgestaltet sein müssen oder gänzlich weggelassen werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung können
auf dem Kernelement beidseitig Kontaktstifte angeordnet sein und
neben der Seitenabdeckung zusätzlich
eine weitere Seitenabdeckung befestigbar sein. Diese Ausführungsform
zeigt die hohe Flexibilität
des erfindungsgemäßen Steckers,
weil der Stecker damit auf einfachere Weise an die unterschiedlichen
Anforderungen der übrigen Mechatronik-Komponenten
angepasst werden kann was Anzahl und Abstand der einzelnen Kontaktstifte angeht.
Eine weitere Variante wird durch die Tatsache ermöglicht,
dass auf eine erfindungsgemäß angebrachte
Seitenabdeckung ein zusätzliches
Kernelement folgen kann, das in gleicher Weise wie beschrieben weitere
Kontaktstifte tragen kann. Daher wird mit den Ausgestaltungen der
vorliegenden Erfindung ein hoher Grad an Modularität erreicht,
der vorteilhaft in die vereinfachte Herstellung und Planung der
Mechatroniken einbezogen werden kann.
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Die
Fixierung der Seitenabdeckung auf dem Kernelement kann mit allen
dem Fachmann bekannten Mitteln erfolgen. Bevorzugt werden mechanische Verbindungen über Schnappverbindungen
vorgesehen oder ein Heißverstemmen,
Laser- oder Reibschweißen
oder Verkleben der Einzelkomponenten wird durchgeführt. Werden
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Rastnasen zur
Herstellung einer Schnappverbindung bereitgestellt, so ist eine
solche Anordnung insbesondere bevorzugt, die eine passgenaue Positionierung
sowohl parallel als auch senkrecht zum Kernelement erlaubt. Im befestigten
Zustand sollte keine Relativ-Bewegung der Seitenabdeckungen zum
Kernelement mehr möglich
sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann der Schritt des Anspritzens des oder der Kontaktstifte an das
Kernelement und/oder an die Seitenabdeckung gleichzeitig zum jeweiligen
Schritt der Herstellung des Kernelements und/oder der Seitenabdeckung
erfolgen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die Rastnasen durch den Vorgang des Anspritzens
der Kontaktstifte an die jeweilige Einzelkomponente als Hinterspritznoppen
erzeugt.
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Ein
erfindungsgemäßer Aufbau
eines modularen Steckers kann besonders bevorzugt als Bestandteil
einer integrierten Me chatronik, insbesondere in Getrieben und/oder
in Motoren in der Automobilindustrie verwendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer
Ausführungsvariante in
Verbindung mit den Zeichnungen erläutert.
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In
dieser zeigt:
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1 eine
teilexplodierte perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen modularen Stecker,
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2 eine
perspektivische Draufsicht auf den zusammengesetzten modularen Stecker
aus 1,
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3 eine
teilexplodierte perspektivische Darstellung auf einen erfindungsgemäßen modularen
Stecker mit beidseitig vom Kernelement an Seitenabdeckungen befestigten
Kontaktstiften und
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4 eine
perspektivische Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer Seitenabdeckung
als Leiste mit angespritzten Kontaktstiften.
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1 zeigt
in einer teilexplodierten perspektivischen Darstellung einen erfindungsgemäßen modularen
Stecker 1 mit einem Kernelement 2, einer Seitenabdeckung 3 und
auf dem Kernelement 2 angespritzten Kontaktstiften 4.
Die Kontaktstifte 4 bestehen aus Kupfer oder einem sonstigen
elektrisch leitenden Metall. Das Kernelement 2 und die
Seitenabdeckung 3 bestehen bevorzugt aus einem Kunststoff-Elastomer,
insbesondere aus PA 6.6, PBT oder PPS. Die Kontaktstifte 4 ragen
in der gezeigten Ausgestaltung über
die Unterkante des Kernelements 2 heraus. Vorteilhafterweise
kann das Kernelement 2 die Kontaktstifte 4 beim
Anspritzvorgang nahezu auf ihrer gesamten Länge im Spritzwerkzeug unterstützen. Hierdurch
kann ein Verbiegen oder Verlagern der Kontaktstifte durch den Spritzdruck
vermieden werden. Es ist alternativ auch möglich, dass die Kontaktstifte 4 bündig mit
der Unterkante des Kernelements 2 ab schließen oder
sogar noch kürzer gehalten
werden, so dass die Unterstützung
durch das Kernelement 2 auf nahezu der gesamten Länge der
Kontaktstifte 4 gegeben ist. In dieser Ausgestaltung muss
zur Kontaktierung ein Stück
des Kontaktstiftes von der Umspritzung frei bleiben. Das Kernelement 2 und
die Seitenabdeckung 3 können
in ihrer Geometrie aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere sind
Kernelement 2 und die Seitenabdeckung 3 so ausgestaltet
und aufeinander abgestimmt, dass sie mindestens im Bereich der Kontaktstifte 4 spandicht
miteinander verbunden werden können.
Auf dem Kernelement 2 sind Rastnasen 6 gebildet,
die sowohl für
die Kontaktstifte 4 als zusätzliche sichere Positionierung
und Fixierung als auch für
die Seitenabdeckung vorteilhafterweise als mechanische Schnappverbindung
dienen können.
Als Rastnasen 6 können
auch einfache Hinterspritznoppen aus einer Spritzprozess-Herstellung des Kernelements 2 oder aus
der Anspritzung der Kontaktstifte 4 dienen. Es ist in der
vorliegenden Abbildung weiterhin gezeigt, dass die Seitenabdeckung 3 Befestigungsstellen
aufweist, die genau mit den im Kernelement 2 vorgesehenen
Rastnasen 6 übereinstimmen
und so eine passgenaue Befestigung ermöglichen können. Auf diese Weise trägt die Seitenabdeckung 3 nicht
nur zum Schutz der Kontaktierstifte 4 sondern auch zu seiner
langzeitstabilen Fixierung auf dem Kernelement 2 bei.
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2 zeigt
den modularen Stecker aus 1 mit mechanisch
auf dem Kernelement 2 befestigter und eingerasteter Seitenabdeckung 3.
Die Kontaktstifte 4 ragen in der gezeigten erfindungsgemäßen Ausgestaltung über die
Unterkanten von Kernelement 2 und Seitenabdeckung 3 heraus.
Die Befestigungsstellen der Seitenabdeckung 3 können als Durchbohrungen
oder durchgängige
Aussparungen ausgestaltet sein. In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung kann auf der Rückseite
der Seitenabdeckung 3, d.h. auf der dem Kernelement 2 und
den Kontaktstiften 4 abgewandten Seite, ein weiteres Kernelement 2 mit
Kontaktstiften 4 vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung
können
also mehrere erfindungsgemäße Steckermodule
mit ihren Seitenflächen
in der Art eines Stapels aneinander befestigt werden.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines modularen Steckers 1 mit einem Kernelement 2,
zwei Seitenabdeckungen 3 und 5 und, im Gegensatz
zu der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der vorhergehenden Abbildungen, auf den Seitenabdeckungen 3 und 5 angespritzten
Kontaktstiften 4. Die Kontaktstifte 4 ragen in
der gezeigten Ausgestaltung über
die Unterkanten der Seitenabdeckungen heraus. Vorteilhafterweise
können die
Seitenabdeckungen 3 und 5 gleich oder unterschiedlich
ausgestaltet sein. Erfindungsgemäß können auch
in dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
die Kontaktstifte 4 beim Anspritzvorgang durch die Seitenabdeckungen
nahezu auf ihrer gesamten Länge
im Spritzwerkzeug unterstützt
werden. Es ist alternativ auch möglich,
dass die Kontaktstifte 4 bündig mit der Unterkante der
Seitenabdeckungen 3 und/oder 5 abschließen oder
sogar noch kürzer
gehalten werden, so dass die Unterstützung durch die Seitenabdeckungen 3 und/oder 5 auf
nahezu der gesamten Länge
der Kontaktstifte 4 gegeben ist. In dieser Ausgestaltung
muss zur Kontaktierung ein Stück des
Kontaktstiftes von der Umspritzung frei bleiben. Vorteilhafterweise
kann so ein Verbiegen oder Verlagern der Kontaktstifte 4 durch
den Spritzdruck vermieden werden. Das Kernelement 2 und
die Seitenabdeckungen 3 und 5 können in
ihrer Geometrie aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere sind das Kernelement 2 und
die Seitenabdeckung 3 so ausgestaltet und aufeinander abgestimmt,
dass sie mindestens im Bereich der Kontaktstifte 4 spandicht
miteinander verbunden werden können.
Auf der Seitenabdeckung sind Rastnasen 6 gebildet, die
sowohl für
die Kontaktstifte 4 als zusätzliche sichere Positionierung
und Fixierung als auch für
die Anbringung auf dem Kernelement 2 vorteilhafterweise
als mechanische Schnappverbindung dienen können. Als Rastnasen 6 können auch
einfache Hinterspritznoppen aus einer Spritzprozess-Herstellung
der Seitenabdeckung 3 und/oder 5 oder aus der
Anspritzung der Kontaktstifte dienen.
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4 zeigt
eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausgestaltung einer Seitenabdeckung 3 mit angespritzten
Kontaktstiften 4. Vorteilhafterweise kann die Seitenabdeckung 3 als
Leiste, beispielsweise auch in einem Endlosprozess, gefertigt sein.
Diese Seitenabdeckungs-Leiste ist Vorteilhafterweise so ausgestaltet,
dass sie in Module mit spezifisch wählbaren Pinzahlen vereinzelt
werden kann. Dies kann beispielsweise sehr einfach durch ein Abstanzen
der Stege zwischen den Bereichen der Seitenabdeckung 3,
die die Kontaktstifte 4 tragen, erreicht werden.
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Zusammenfassend
wird aufgrund des modularen Aufbaus erstmals die Herstellung von
Steckern insbesondere mit vergleichsweise langen Kontaktstiften
ohne Halte- und Positionierhilfen ermöglicht. Gleichzeitig wird durch
das Zusammenwirken des Kernelements und der Seitenabdeckungen sichergestellt,
dass ein ausreichender Schutz vor Umwelteinflüssen und insbesondere vor Kurzschlüssen der Kupfer-Leitungsbahnen
gegeben ist. Zudem kann eine vereinfachte Fertigung verschiedener
Geometrien aufgrund der weniger aufwendigen Halte- und Positionierungseinrichtungen
im Werkzeug wesentlich kostengünstiger
vorgesehen werden. Die erfindungsgemäßen Stecker sind darüber hinaus
insoweit erstmals modular ausgelegt, dass sie sowohl eine variable
Pinzahl in ein und demselben Stecker ermöglichen als auch eine flexible
Anzahl der Pinbänke
durch modulare Erweiterung oder Verkleinerung möglich ist.
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Durch
einen standardisierten Aufbau kann weiterhin eine erleichterte Qualitätskontrolle
und damit eine erhebliche Fehlerreduktion solcher Bauteile aufgrund
von schadhaften Schnittstellen erzielt werden. Elektronikgeräte mit den
erfindungsgemäßen Steckern
können
vorteilhafter Weise in einem Temperaturbereich von –40 °C bis +180 °C verwendet werden.