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Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, für den Einsatz
in stark schwingenden Umgebungen mit einem elektronischen Modul.
Die Erfindung betrifft ferner ein Dämpfungsglied, insbesondere
für ein Steuergerät in einem
Kraftfahrzeug, zur Reduzierung der Übertragung von Schwingungen
auf ein Bauteil.
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Bei
Motor- und Getriebesteuergeräten,
welche auch als „Powertrain
Control Units PCU" bezeichnet
werden, ist häufig
eine Montage direkt am Motor bzw. am Getriebe eines betreffenden
Kraftfahrzeugs vorgesehen. Bedingt wird dies durch das Bestreben,
einzelne Baugruppen komplett vormontieren zu können und die Baugruppen vor
dem Verbau einer Funktionsprüfung
unterziehen zu können.
Als Folge der direkten Montage der Steuergeräte am Motor bzw. Getriebe ergeben
sich höhere
Schwingungsbelastungen der in dem jeweiligen Steuergerät enthaltenen
elektronischen Module.
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Da
die auf das elektronische Modul einwirkenden Schwingungen die Zuverlässigkeit
des elektronischen Moduls im Laufe der Zeit beeinträchtigen können, existieren
verschiedene Lösungen,
die Schwingungen von dem elektronischen Modul in dem elektrischen
Gerät fernzuhalten.
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So
werden beispielsweise externe Dämpfer aus
einem Gummi verwendet, um die Schwingungen, welche auf das elektronische
Modul übertragen werden,
zu dämpfen.
Die Dämpfer
werden hierzu in Befestigungslaschen eines Gehäuses des elektrischen Geräts eingebracht,
so dass bereits auf das Gehäuse
des elektrischen Geräts
geringere Schwingungen einwirken. Das elektronische Modul kann bei dieser
Variante starr mit dem Gehäuse
des elektrischen Geräts
verbunden sein. Ein Nachteil dieser Vari ante besteht darin, dass
die aus Gummi bestehenden Dämpfer
ihre mechanischen Eigenschaften mit der Zeit verlieren, wodurch
die Dämpfung
der Schwingungen verschlechtert wird. Die mechanischen Eigenschaften
beeinträchtigende
Faktoren sind ständige
mechanische und thermische Belastungen sowie Korrosion bei Kontakt
mit Ölen, Schmierstoffen,
Salzwasser etc.
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Alternativ
ist bekannt, Gummihülsen
im Inneren des elektrischen Geräts
anzuordnen, welche das elektronische Modul gegen ein Heft in dem
Gehäuse pressen.
Die Einpressfläche
beansprucht verhältnismäßig viel
Platz, so dass wertvolle Fläche
des elektronischen Moduls für
elektrische Funktionen verloren geht.
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Ferner
kann zur Schwingungsdämpfung
das in dem Gehäuse
des elektrischen Geräts
vorgesehene elektronische Modul komplett mit einer Vergussmasse,
z. B. einem Gel, vergossen werden. Nachteilig hieran sind die Kosten
sowie das hohe Gewicht des elektrischen Geräts.
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Um
Wärme von
dem elektronischen Modul über
das Gehäuse
des elektrischen Geräts
abführen zu
können,
ist es ferner üblich
einen Wärmeleiter
mit einer guten thermischen Leitfähigkeit vorzusehen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Gerät anzugeben,
bei welchem die Schwingungsdämpfung
auf einfachere und kostengünstigere
Weise realisiert werden kann. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Dämpfungsglied
anzugeben, das die Schwingungsdämpfung
eines Bauteils auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes elektrisches
Gerät, insbesondere
ein Steuergerät
für ein
Kraftfahrzeug, für
den Einsatz in stark schwingenden Umgebungen umfasst ein elektronisches
Modul, das über
einen Wärmeleiter
mit einem Gehäuse
des elektrischen Geräts
zur Wärmeabfuhr
verbunden ist. Das Gerät umfasst
weiter ein Dämpfungsglied,
das die Übertragung
von Schwingungen auf das elektronische Modul zumindest reduziert.
Erfindungsgemäß ist das Dämpfungsglied
durch den als thermisch leitfähige Paste
ausgebildeten Wärmeleiter
gebildet.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass das pastöse Material
des Wärmeleiters
neben der gewünschten
thermischen Leitfähigkeit
gute dämpfende
Eigenschaften aufweist. Es ist deshalb vorgesehen, die thermisch
leitfähige
Paste gezielt als Dämpfungsglied
zu verwenden, um den Schwingungsbelastungen des elektronischen Moduls
in dem elektrischen Gerät
zu begegnen. Hierdurch kann auf zusätzliche, extern oder intern
in dem elektronischen Gerät
vorgesehene mechanische Dämpfer,
wie z. B. Gummipuffer und dergleichen, vollständig verzichtet werden. Hierdurch
lässt sich
der konstruktive Aufbau des elektrischen Geräts erheblich vereinfachen,
wodurch dies kostengünstiger
herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein erfindungsgemäßes elektrisches
Gerät gegenüber herkömmlichen, Dämpfungsglieder
aufweisenden elektrischen Geräten
ein kleineres Volumen aufweist und damit platzsparend verbaut werden
kann.
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Erfindungsgemäß ist damit
ein pastöses, thermisch
leitfähiges
Material für
die Dämpfung
von Schwingungen vorgesehen.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltung weist
das Gehäuse
eine oder mehrere Auflageflächen
auf, auf welcher oder welchen das elektronische Modul flächig aufliegt,
wobei die thermisch leitfähige
Paste zwischen der einen oder den mehreren Auflageflächen und
dem elektronischen Modul vorgesehen ist. Um die Dämpfungsfunktion
optimal übernehmen
zu können,
ist ferner vorgesehen, die thermisch leitfähige Paste im Wesentlichen vollflächig zwischen
der einen oder den mehreren Auflageflächen und dem elektronischen
Modul vorzusehen.
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Die
Gesamtfläche
und/oder die Anordnung der einen oder der mehreren Auflageflächen bemisst sich
in einer Variante nach einer Verlustleistung des elektronischen
Moduls. Gemäß dieser
Variante wird primär
der Wärmehaushalt
des elektrischen Geräts optimiert,
um sicherzustellen, dass die in dem elektronischen Modul vorgesehenen
elektrischen Komponenten durch Überhitzung
nicht beschädigt
werden können.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausgestaltung
bemisst sich die Gesamtfläche und/oder
Anordnung der einen oder der mehreren Auflageflächen nach einer zu erzielenden
Schwingungsdämpfung
des elektronischen Moduls. Da durch die Menge bzw. Fläche der
thermisch leitfähigen
Paste das Schwingungsverhalten beeinflussbar ist, kann durch die
Ausgestaltung der einen oder mehreren Auflageflächen das Schwingungsverhalten bzw.
die zu erzielende Dämpfung
gezielt eingestellt werden. Die Gesamtfläche und/oder die Anordnung der
einen oder der mehreren Auflageflächen kann auf einfache Weise
durch Versuche ermittelt werden. Bei bekannten mechanischen Eigenschaften
der thermisch leitfähigen
Paste ist ebenso eine Berechnung der Gesamtfläche und/oder Anordnung der
einen oder mehreren Auflageflächen
möglich,
um das gewünschte
Ergebnis zu erzielen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das elektronische Modul
eine Leiterplatte, auf der eine Mehrzahl an elektronischen Bauelementen aufgebracht
ist, wobei die thermisch leitfähige
Paste zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse angeordnet ist. Hierbei
kann die Leiterplatte des elektronischen Moduls auf Auflagedomen
der einen oder mehreren Auflageflächen aufliegen und mit diesen über jeweilige
Befestigungsmittel verbunden sein.
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Eine
zusätzliche
Schwingungsdämpfung wird
dadurch bewirkt, dass zumindest ein elektronisches Bauelement, insbesondere
mit hoher Verlustleistung, über
die thermisch leitfähige
Pas te mit dem Gehäuse
verbunden ist. Hierdurch kann beispielsweise eine Schwingungsdämpfung an
mehreren Orten und gegebenenfalls gegenüberliegenden Seiten des elektronischen
Moduls bewirkt werden, wodurch die Schwingungsdämpfung ohne zusätzlichen
Platzbedarf verbessert werden kann. Darüber hinaus ergibt sich hierdurch
der Vorteil, dass gleichzeitig Verlustwärme abgeführt werden kann.
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Die
thermisch leitfähige
Paste weist zweckmäßigerweise
eine Dicke zwischen 0,1 und 0,3 mm, insbesondere 0,2 mm auf. Der
Abstand kann beispielsweise dadurch festgelegt werden, indem die Auflagedome
einen entsprechenden Abstand zur Fläche der Auflageflächen aufweisen.
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In
einer weiteren Ausbildung ist das Gehäuse aus einem steifen Material,
insbesondere einem Metall, gebildet.
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Von
der Erfindung ist nicht nur ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug,
umfasst, sondern auch in allgemeiner Form ein Dämpfungsglied, das insbesondere
für ein Steuergerät in einem
Kraftfahrzeug verwendet wird. Das Dämpfungsglied ist zur Reduzierung
der Übertragung
von Schwingungen auf ein Bauteil durch einen Wärmeleiter in Form eines pastösen, insbesondere
thermisch leitfähigen
Materials, gebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Teil eines erfindungsgemäßen elektrischen
Geräts
in einer Querschnittsdarstellung,
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2 eine
Querschnittsdarstellung durch ein weiteres elektrisches Gerät, welches
das Prinzip der Erfindung verdeutlicht, sowie
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3 ein
aus einer Vibrationsanalyse hervorgehendes Diagramm, das den Frequenzverlauf eines
gedämpften
gegenüber
einem ungedämpften erfindungsgemäßen Gerät darstellt.
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1 zeigt
in einer Querschnittsdarstellung einen Teil eines erfindungsgemäßen elektrischen Geräts 1.
Das elektrische Gerät
kann beispielsweise als Motorsteuergerät, Getriebesteuergerät oder ein Steuergerät für die Ansteuerung
von Personenschutzmitteln ausgebildet sein, das an einem stark vibrierenden/schwingenden
Bauteil, wie z. B. einem Motor oder Getriebe eines Kraftfahrzeugs,
befestigt wird. Das elektrische Gerät 1 umfasst ein elektronisches
Modul 10, welches in einem Gehäuse 20, z. B. aus
einem Metall, angeordnet und mit diesem über ein Befestigungsmittel 25 verbunden
ist. Das Befestigungsmittel 25 kann beispielsweise eine
Schraube oder eine Steckverbindung umfassen.
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Das
elektronische Modul 10 umfasst eine Leiterplatte 11,
auf welcher im Ausführungsbeispiel eine
Vielzahl an elektronischen Bauelementen 12 auf beiden Hauptseiten
angeordnet ist. Die einzelnen Bauelemente 12 können über auf
der Leiterplatte 11 vorgesehene Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen
elektrisch miteinander verbunden sein.
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Die
Leiterplatte 11 grenzt mit einem Abschnitt an einer Auflagefläche 21 des
Gehäuses 20 an.
Aus der 1 ist hierbei nicht ersichtlich,
dass die Leiterplatte 11 auf einem Auflagedom 22 aufliegt, welcher
geringfügig über die
Auflagefläche 21 hervorsteht.
Die Leiterplatte 11 wird im Bereich des Auflagedoms 22 mit
dem Gehäuse 20 über das
Befestigungsmittel 25 befestigt. Dabei entsteht im Bereich der
Auflagefläche 21 ein
Spalt zwischen der Auflagefläche 21 und
der Leiterplatte 11, welcher im Wesentlichen vollflächig mit
einer thermisch leitfähigen
Paste 14 gefüllt
ist. Die thermisch leitfähige
Paste 14 dient einerseits dazu, in den elektronischen Bauelementen 12 entstehende
Verlustwärme über das
Gehäuse 20 abzutranspor tieren.
Um eine bessere Kühlung
der elektronischen Bauelemente 12 zu bewirken, ist das
Gehäuse 20 mit
einer Mehrzahl an Kühlrippen 24 versehen,
welche sich im Wesentlichen senkrecht von dem Gehäuse 20 weg
erstrecken.
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Der
zwischen der Leiterplatte 11 und der Auflagefläche 21 gebildete
Spalt beträgt
zweckmäßigerweise
zwischen 0,1 mm und 0,3 mm, bevorzugt ca. 0,2 mm. Die Dicke des
Spaltes entspricht hierbei auch der Dicke der darin eingebrachten
thermisch leitfähigen
Paste. Die thermisch leitfähige
Paste kann beispielsweise auf die Auflagefläche 21 des Gehäuses 20 dispensed
werden, wobei dies nicht vollflächig zu
erfolgen braucht. Durch das Anlegen der Leiterplatte 11 des
elektronischen Moduls und Anpressen an die Auflageflächen 21 wird
die thermisch leitfähige Paste 14 verquetscht,
so dass die gewünschte,
im Wesentlichen vollflächige
Bedeckung der Anbaufläche 21 erfolgt.
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Neben
der Wärmeabfuhr übernimmt
die thermisch leitfähige
Paste 14 auch die Aufgabe, die auf das elektronische Modul 10 übertragenen
Schwingungen zu dämpfen,
die entstehen, wenn das elektrische Gerät 1 über sein
Gehäuse 20 an
einer Schwingungen ausgesetzten Anbaufläche montiert ist. Bereits die
in der genannten Schichtdicke vorgesehene thermisch leitfähige Paste 14 ist
ausreichend, um die auf das elektronische Modul 10 übertragenen Schwingungen
auf ein gewünschtes
Maß zu
reduzieren.
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Die
auf das elektronische Modul 10 übertragenen Schwingungen sind
hierbei nicht nur von der Schichtdicke der thermisch leitfähigen Paste 14,
sondern auch von der Größe der Auflagefläche 21 bzw. der
Anordnung mehrerer Auflageflächen
abhängig. Je
nach Ausgestaltung des elektrischen Geräts 1 und den Gegebenheiten
am Anbauort kann die Größe der Auflagefläche 21 und
damit die Größe/Anordnung der
zur Schwingungsdämpfung
verfügbaren
Fläche variiert
werden.
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In
dem in der 1 vorgesehenen Ausführungsbeispiel
ist auf der Leiterplatte 11 ein Bauelement 13 mit
großer
Verlustleistung angeordnet. Das Bauelement 13 kann beispielsweise
durch einen Kondensator oder eine Spule gebildet sein. Das Bauelement 13 grenzt
an einen gewölbten
Gehäuseabschnitt 23 an,
wobei zwischen dem Gehäuseabschnitt 23 und
dem Bauelement 13 ein in etwa gleichbleibend dicker Spalt
ausgebildet ist, welcher mit thermisch leitfähiger Paste 15 gefüllt ist.
Hierdurch ist einerseits eine optimierte Verlustwärmeabführung von
dem Bauelement 13 an das Gehäuse 20 ermöglicht.
Weiterhin ist das elektronische Modul 10 mit einem weiteren
Dämpfungsglied
versehen.
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Das
elektronische Modul 10 kann, wie in der Figur dargestellt,
durch einen Deckel 27, z. B. aus einem Kunststoff oder
einem Metall, verschlossen sein.
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Das
erfindungsgemäße elektrische
Gerät benötigt neben
der als Dämpfungsglied
vorgesehenen thermisch leitfähigen
Paste 14, 15 darüber hinaus keine weiteren mechanischen
Dämpfungselemente,
um die auf das elektronische Modul übertragenen Schwingungen auf
ein gewünschtes
Maß zu minimieren.
Hierdurch vereinfacht sich der konstruktive Aufbau des elektrischen
Geräts.
Darüber
hinaus kann das elektrische Gerät 1 kostengünstig und platzsparend
hergestellt werden.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung das der Erfindung zu Grunde liegende
Prinzip zur Dämpfung
von Schwingungen in vereinfachter Weise. Hierbei ist ein elektrisches
Gerät 1 in
einer Querschnittsdarstellung dargestellt. Auf der Leiterplatte 11 des
elektronischen Moduls 10 ist eine Anzahl an elektronischen
Bauelementen 12 aufgebracht. Diese können mit oder ohne ein Gehäuse in bekannter
Weise auf die Leiterplatte 11 aufgebracht und elektrisch
miteinander verbunden sein. Eine elektrische Verbindung kann über auf
der Leiterplatte 11 vorgesehene Leiterzüge (nicht dargestellt) hergestellt
sein. Das elektronische Modul 10 ist mit seiner Lei terplatte 11 mit
dem Gehäuse 20 verbunden.
Zwischen der Leiterplatte 11 und dem Gehäuse 20,
genauer Auflageflächen 21 des
Gehäuses 20,
ist thermisch leitfähige
Paste 14 eingebracht, die einerseits für die Abfuhr von Wärme von
den Bauelementen 12 zu dem Gehäuse 20 und andererseits
für die
Dämpfung
der auf das elektronische Modul 10 übertragenen Schwingungen sorgt.
Das elektronische Modul 10 ist ferner durch einen Deckel 27 vor äußeren Einflüssen geschützt, wobei
der Deckel 27 mit dem Gehäuse 20 verbunden ist.
Die mechanische Befestigung des elektronischen Moduls 10 an
dem Gehäuse ist
nicht dargestellt.
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3 zeigt
ein Diagramm, in welchem die Beschleunigung a über die Frequenz f aufgetragen ist.
Die mit K1 gekennzeichnete Kurve zeigt den Frequenzverlauf eines
elektrischen Geräts,
bei dem das elektronische Modul nicht über eine thermisch leitfähige Paste
mit dem Gehäuse
verbunden ist. Hierbei ist gut zu erkennen, dass bei einer Frequenz
fn ~ 180 Hz eine erste Eigenfrequenz des
ungedämpften
elektrischen Geräts
vorliegt, wobei eine Beschleunigung von knapp 2000 m/s2 erreicht
wird. Die mit K2 gekennzeichnete Kurve zeigt den Frequenzverlauf
eines erfindungsgemäßen elektrischen
Geräts
mit der thermisch leitfähigen
Paste als Dämpfungsglied.
Es zeigt sich deutlich, dass eine erste Eigenfrequenz fd bei
ungefähr
360 Hz auftritt, wobei die Beschleunigung auf ca. 180 m/s2 verringert ist. Die Verschiebung der ersten
Eigenfrequenz des gedämpften
elektrischen Geräts
wird durch das Elastizitäts-Modul (E-Modul) der
thermisch leitfähigen
Paste bestimmt. Die Dämpfung,
d. h. die Abnahme des Beschleunigungsmaximums bei der ersten Eigenfrequenz
wird durch die Dämpfungskonstante ϛ bestimmt.
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Wie
aus dem Diagramm unschwer zu erkennen ist, wird durch die zwischen
dem elektronischen Modul und dem Gehäuse des elektrischen Geräts angeordnete
thermisch leitfähige
Paste eine signifikante Schwingungsdämpfung erzielt, die das zusätzliche Vorsehen
von weiteren mechanischen Dämpfungsgliedern
entbehrlich macht.
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Bislang
werden thermisch leitfähige
Pasten lediglich dazu verwendet, eine thermische Anbindung der elektronischen
Bauelemente des elektrischen Geräts
sicherzustellen. Durch den gezielten Einsatz der Wärmeleitpaste
können
auch Schwingungen gedämpft
werden.