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Stand der Technik
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Steuergeräte werden in einem Kraftfahrzeug derzeit auf verschiedene Art und Weise befestigt. Bekannt ist eine als E-Box bezeichnete Einheit. In einer derartigen E-Box sind Kabelbaumstecker montiert, und ein oder mehrere Steuergeräte werden sodann der E-Box zugeführt und in den Kabelbaumstecker eingesteckt.
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Sogenannte Direktkontaktierungen von Leiterplatten-Lands, abgekürzt LP-Lands, zu Gegensteckern sind aus PC-Technikanwendungen bekannt, bspw. in Form von Zählerkarten.
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Bei kunststoffummantelten Steuergeräten oder sogenannten Electronic Powertrain Mold-Geräten, abgekürzt EPM-Geräten, handelt es sich um bspw. im Transfer-Moldingverfahren mit einem Duroplast ummantelte Bauelementeträger, d. h. um ummantelte Leiterplatten- oder Keramik-Substrate. Derartige Bauelementeträger verfügen in vorteilhafter Weise über keine übliche Steckerleiste, sondern über Kontaktierflächen bzw. Kontaktpunkte (Kontaktlands), die auf dem Bauelementeträger zur Kontaktierung vorgesehen sind. Diese Kontaktierflächen sind in einem Direktkontaktierungsbereich (im Folgenden als Kontaktierungsbereich bezeichnet), welcher aus der Kunststoffummantelung des Bauelementeträgers herausragt, angeordnet. Dieser Direktkontaktierungsbereich bzw. Kontaktierungsbereich kann in Einzelkontaktierungsbereiche zu je etwa 20 Kontakten bzw. Kontaktlands unterteilt sein, wobei jeder Einzelkontaktierungsbereich durch eine jeweilige Leiterplatte realisiert werden kann.
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Im Folgenden wird übergreifend von Kontaktierungsbereich gesprochen.
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Dieser Kontaktierungsbereich wird in eine konkave Aufnahmeeinheit, die den oben bereits erwähnten Kabelbaumstecker umfasst und im Kraftfahrzeug festgeschraubt ist, eingesteckt. Das entsprechende kunststoffummantelte Steuergerät oder das EPM-Gerät wird sodann allein von der Aufnahmeeinheit gehalten.
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Zur Gewährleistung einer geforderten Vibrationsfestigkeit von etwa 18 g Sinusschwingung sind dann etwa 1 bis 3 N Federkontaktanpresskraft erforderlich. Bei 20 Kontaktpunkten bzw. -lands in jedem einzelnen Kontaktierungsbereich drücken die an dem Stecker zur Kontaktierung vorgesehenen Kontaktträger, in der Regel Federkontakte, insgesamt mit je 10 bis 30 N Federkraft von oben und unten gegen die entsprechende Leiterplatte. Mit dieser Kraft werden beim derzeitigen Design Kontakte mit Hilfe von entsprechend kräftigen u-förmigen Metallbügeln als Kontaktträger auf die Kontaktlands gedrückt, wenn eine Steckverbindung hergestellt, d. h. gesteckt ist.
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Bei einem derzeitig eingesetzten Design erfolgt ein Aufsteckvorgang wie folgt:
Zunächst werden Kontaktträger eines Kabelbaumsteckers oben und unten bei einem Überfahren von duroplastischen Steckerrahmenrampen, die sich am vorderen Leiterplattenende befinden und über die ganzen Einzelkontaktierungsbereichsbreiten verlaufen, aufgespreizt. Gleichzeitig werden die kräftigen Metallbügel durch Überfahren von an den Einzelkontaktierungsbereichsseiten befindlichen Duroplast-Aufspreizrampen auseinandergedrückt und halten somit die Federkontakte geöffnet, bis sie nach Erreichen der Enden von vorgesehenen Duroplast-Rückführrampen von oben und unten auf die Leiterplatten-Kontaktlands aufsetzen und diese nicht durch longitudinales Kratzen, d. h. durch Scherkräfte zerstören. Beim Entstecken, d. h. beim Herausführen der entsprechenden Leiterplatte aus dem Kabelbaumstecker, verläuft der Vorgang umgekehrt. Die hohen Metallbügelkräfte der Kontaktträger von maximal 120 N erfordern eine Stecker-, Aufsteck- und Entsteck-Kraft von > 120 N. Während die Aufsteck-Kraft mit den Fingern noch leistbar wäre, ist die Entsteck-Kraft manuell nicht zu erbringen. Ein Durchschnittserwachsener kann eine maximale Reibungskraft von 70 N auf ein entsprechendes Gerät, wie bspw. ein EPM-Gerät mit der Hand ausüben, darüber hinaus gleiten jedoch Finger und Daumen von dem entsprechenden Gerät ab.
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Das bedeutet, dass das entsprechende Gerät nicht mehr manuell, d. h. von Hand, sondern nur noch mittels einem mechanischen Hilfsmittel, bspw. einem Hebel, aus der Aufnahmeeinheit herausgezogen werden kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nunmehr, eine Steckkraft-Reduktion durch Vorsehen eines geeigneten Steckmoduls herbeizuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor dem Hintergrund des Stands der Technik und der dadurch sich ergebenden Aufgabe stellt die Erfindung nunmehr zur Lösung der genannten Aufgabe ein Steckmodul nach Anspruch 1, einen kunststoffummantelten Bauelementeträger nach Anspruch 6 sowie ein entsprechendes Verfahren zum Einstecken eines kunststoffummantelten Bauelementeträgers in eine einen Stecker enthaltende Aufnahmeeinheit nach Anspruch 7 bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die entsprechenden Unteransprüche beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein Steckmodul für einen kunststoffummantelten Bauelementeträger mit mindestens einem aus der Kunststoffummantelung herausragenden Kontaktierungsbereich vorgeschlagen, wobei das Steckmodul an dem mindestens einen Kontaktierungsbereich in Richtung einer in eine einen Stecker enthaltenden Aufnahmeeinheit vorzunehmenden Einsteckung anzuordnen ist. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Steckmodul läuft dabei in Richtung der vorzunehmenden Einsteckung unter der Bildung mindestens einer Einführrampe keilförmig bzw. spitz zu und schließt auf Seiten des Kontaktierungsbereichs mit diesem bündig ab. Das bedeutet, dass das Steckmodul ausgehend von dem Kontaktierungsbereich sich in Richtung zu der Aufnahmeeinheit verjüngt, so dass mindestens eine bzw. ggf. beidseitig des Steckmoduls, d. h. oben und unten je eine Einführrampe gebildet wird, die von Kontaktträgern der Aufnahmeeinheit zu überfahren ist, bevor diese Kontaktträger mit dem Kontaktierungsbereich des Bauelementeträgers bzw. mit den darauf angeordneten Kontaktlands in Kontakt kommen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Steckmodul mit einer Abdeckung überzogen. Dabei ist es vorgesehen, dass sich die Abdeckung zumindest partiell über den Kontaktierungsbereich erstreckt. Somit wird durch die Abdeckung die Anschlussfläche zwischen Steckmodul und Kontaktierungsbereich des kunststoffummantelten Bauelementeträgers überdeckt.
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Das erfindungsgemäße Steckmodul ermöglicht es, bei entsprechender Anordnung an dem Kontaktierungsbereich des kunststoffummantelten Bauelementeträgers, dass Kontaktträger der den Stecker enthaltenden Aufnahmeeinheit fest miteinander verbunden werden können und nur zum Ausgleich von Toleranzen ggf. leicht schwenkbar gegeneinander zu lagern sind. In der Regel umfasst die Aufnahmeeinheit zwei Kontaktträger, die nach entsprechendem Einstecken des Bauelementeträgers in die Aufnahmeeinheit in Kontakt mit dem Kontaktierungsbereich des Bauelementeträgers bzw. mit den dort angeordneten Kontaktflächen bzw. -punkten treten. Die in der Regel zwei Kontaktträger der Aufnahmeeinheit ersetzen damit die bisherig verwendeten Metallbügel, die im Design nach dem Stand der Technik von den seitlichen Duroplast-Rampen aufgespreizt wurden. Das bedeutet, dass die Metallbügel, wie bisher vorgesehen, vollkommen entfallen können. Dadurch entfällt auch deren Aufspreizhöhe beim Einstecken des entsprechenden Bauelementeträgers in die Aufnahmeeinheit. Das erfindungsgemäß vorgesehene Steckmodul ermöglicht bei entsprechender Anordnung an dem Kontaktierungsbereich des Bauelementeträgers, dass eine Gesamtaufspreizhöhe von Kontaktträgern nur noch halb so groß ist wie beim bislang bekannten Design. Das entspricht in etwa einem Millimeter auf jeder Seite des Bauelementeträgers. Da eine aufzubringende Aufspreizkraft proportional zu einem Aufspreizweg ist entsprechend der Formel: PFeder = D·s, wobei D einer entsprechenden Federkonstante und s einem entsprechenden Federweg entspricht, reduziert sich die derzeit aufzubringende Aufspreizkraft auf die Hälfte, also auf etwa 60 N. Damit verbunden ist folglich eine geringere und manuell noch handhabbare Auf- und insbesondere Entsteckkraft.
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In Folge einer Reduktion eines Reibungskoeffizienten zwischen Kontaktfedern bzw. Kontaktträgern der Aufnahmeeinheit und Abdeckung des Steckmoduls kann das Steckmodul, welches in der Regel auch aus einem Duroplast besteht, mit folgenden Abdeckmaterialien überzogen werden:
glattes Metallblech
Verbundfolie
glatter und hochfester Tauchlack
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All diese Abdeckmaterialien haben gegenüber Metall einen geringeren Gleitreibungskoeffizienten als ein Duroplast.
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Bei einem Entfall, wie voranstehend erläutert, von je zwei, wie bislang vorgesehenen Metallbügeln bzw. Metallklammern pro Einzelkontaktierungsbereich, entfällt folglich auch deren Masse und somit deren Trägheitskräfte, was sich sehr vorteilhaft bezüglich einer Schwingstabilität erweist. Die Federkraft der bislang vorgesehenen Metallbügel bzw. Metallklammern hätte ihre eigene Trägheitskraft und die der dann schwächer auslegbaren Kontaktfedern zu überwinden, damit die Kontakte angepresst geblieben wären. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Steckmoduls müssen die Federkontakte nur noch stärker als ihre eigenen Trägheitskräfte sein. Da die Masse der Kontaktfedern als zu verwendende Kontaktträger deutlich geringer ist, als die von Metallklammern bzw. Metallbügeln, genügt für die Kontaktfedern jetzt eine Kontaktanpresskraft von ca. 1,5 N anstelle von 3 N.
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Das Steckmodul kann aus einem oder aber auch aus einer Kombination von Duroplasten gefertigt sein.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen kunststoffummantelten Bauelementeträger mit mindestens einem aus der Kunststoffummantelung herausragenden Kontaktierungsbereich und einem an dem mindestens einen Kontaktierungsbereich in Richtung einer in eine einen Stecker enthaltenden Aufnahmeeinheit vorzunehmenden Einsteckung angeordneten erfindungsgemäßen Steckmodul.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstecken eines kunststoffummantelten Bauelementeträgers mit mindestens einem aus der Kunststoffummantelung herausragenden Kontaktierungsbereich in eine einen Stecker enthaltenden Aufnahmeeinheit, bei dem an dem mindestens einen Kontaktierungsbereich in Richtung der vorzunehmenden Einsteckung ein erfindungsgemäßes Steckmodul angeordnet und das Steckmodul zwischen Kontaktträgern der Aufnahmeeinheit durchgeführt wird, bis die Kontaktträger mit dem Kontaktierungsbereich in Kontakt kommen. Dabei können die Kontaktträger der Aufnahmeeinheit, wie bereits voranstehend erläutert, miteinander verbunden und leicht schwenkbar gegeneinander gelagert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines erfindungsgemäßen Steckmoduls für kunststoffummantelte Steuergeräte mit Direktkontaktierung, insbesondere bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Steuergerät nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Steuergeräts aus 1.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Bauelementeträgers.
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4 zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Bauelementeträgers aus 4.
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5 zeigt einen seitlichen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Bauelementeträgers.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Steuergerät, wie es derzeit bekannt ist. Das Steuergerät 100 ist mit einem Kunststoff ummantelt und umfasst ferner eine aus der Kunststoffummantelung 101 herausragende Kontaktbereichszone 102 (voranstehend auch als Kontaktierungsbereich bezeichnet), in welcher in der Regel eine Mehrzahl von Kontaktierflächen bzw. Kontaktlands 103 angeordnet sind. In dem hier dargestellten Beispiel unterteilt sich der Kontaktierungsbereich 102 in zwei Einzelkontaktierungsbereiche, auf welchen jeweils bis zu 20 Kontaktlands 103 angeordnet sein können. Zum Einstecken des Steuergeräts in eine Aufnahmeeinheit (hier nicht dargestellt), in welcher sich ein entsprechender Stecker befindet, weist die Kontaktbereichszone 102 an ihrer von der Kunststoffummantelung 101 wegweisenden Kante eine Aufspreizrampe 104 für entsprechende Kontaktträger der Aufnahmeeinheit auf. Ferner ist die Kontaktbereichszone 102 von einem Duroplast-Rahmen mit Rückführ- 105_2 und Aufspreizrampen 105_1 an den Kontaktbereichsseiten für Metallbügel der Aufnahmeeinheit umgeben. Darüber hinaus umfasst das hier dargestellte Steuergerät 100 am Rande der Kunststoffummantelung 101, an welcher die Kontaktbereichszone 102 herausragt, eine umlaufende Dichtung 106.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Steuergeräts 100 von 1, wie es derzeit aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dargestellt hier wiederum das Steuergerät 100 mit einer Kunststoffummantelung 101 und einer umlaufenden Dichtung 106. Ferner ist die vordere Aufspreizrampe 104 sowie die Aufspreizrampe 105_1 an den Seiten der die Kontaktlands 103 umfassenden Kontaktbereichszone 102, welche in der Regel durch eine Leiterplatte realisiert ist, gezeigt. Die Rückführrampe 105_2 für einen an der Aufnahmeeinheit vorgesehenen Metallbügel ist ebenfalls gekennzeichnet. Im Kontaktierungsbereich 102 sind Kontaktlands oben und unten auf der die Kontaktlands umfassenden Leiterplatte dargestellt. Wie deutlich in der Seitenansicht erkennbar, müssen die Metallbügel beim Einführen des Steuergeräts in die Aufnahmeeinheit zunächst die Aufspreizrampen 104 und 105_1 vorne und an der Seite der die Kontaktlands 103 umfassenden Leiterplatte überfahren und damit extrem aufgespreizt werden, um dann nach Überfahren der Rückführrampen 105_2 die Kontaktträger der Aufnahmeeinheit in Kontakt mit den Kontaktlands oben und unten auf der Leiterplatte zu bringen. Bei einem Entstecken ist es nunmehr notwendig, eben diese Metallträger der Aufnahmeeinheit über die Rückführrampen 105_2 wiederum aus der Einsteckung zu lösen. Dabei ist, wie voranstehend erläutert, eine relativ hohe Kraft erforderlich, um die Metallträger über die Rückführrampe 105_2 zu führen, was manuell nicht möglich ist, sondern mit Hilfe eines Hebels vonstatten gehen muss.
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3 zeigt nunmehr eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Bauelementeträgers 300. Der Bauelementeträger 300 umfasst ebenfalls eine Kunststoffummantelung 301 sowie eine umlaufende Dichtung 306. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ragen zwei Einzelkontaktierungsbereiche 302 aus der Kunstoffummantelung 301 heraus. Jeder Kontaktierungsbereich 302 kann dabei mit je etwa 20 Kontakten bzw. Kontaktlands versehen sein. Bei den Kontakten kann es sich bspw. um Kupfer, insbesondere um vergoldete Kupferkontakte handeln. Die Einzelkontaktierungsbereiche 302 können je durch eine Leiterplatte, auf welcher die Kontaktlands angeordnet sind, realisiert sein. An der vorderen Kante der Kontaktierunsbereiche 302, die in Richtung einer Aufnahmeeinheit (hier nicht dargestellt) weisen, d. h. weg von der Kunststoffummantelung 301 ist nunmehr eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Steckmoduls 307 angeordnet.
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Das erfindungsgemäß vorgesehene Steckmodul 307 ist in Richtung einer vorzunehmenden Einsteckung in einer einen Stecker umfassenden Aufnahmeeinheit keilförmig zulaufend, wodurch eine Art Rampe gebildet wird. Das Steckmodul 307 ist auf Seiten des Bauelementeträgers 300 bündig nach oben und unten mit den jeweiligen Kontaktierungsbereichen 302. Das Steckmodul 307 ist in der hier dargestellten Ausführungsform mit einer Abdeckung 308 überzogen. Bei der Abdeckung 308 kann es sich dabei um ein glattes Metallblech, eine Verbundfolie oder einen glatten und hochfesten Tauchlack handeln. Im Gegensatz zu dem in 1 und 2 beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Steuergerät umfasst der hier dargestellte Bauelementeträger, welcher ebenfalls ein Steuergerät darstellen kann, keine Aufspreiz- und Rückführrampen an den Seiten der Kontaktierungsbereiche 302.
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4 zeigt die in 3 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen kunststoffummantelten Bauelementeträgers von der Seite. In der Seitenansicht des Bauelementeträgers 300 ist hier ein Kontaktierungsbereich 302 mit entsprechenden Kontakten erkennbar. Ferner dargestellt sind Kontaktträger 309, welche über das Steckmodul 307 mit einer Abdeckung 308 geführt und letztlich mit den Kontakten 310 in den Kontaktierungsbereichen 302 in Kontakt kommen. Falls nunmehr der erfindungsgemäße Bauelementeträger aus der Aufnahmeeinheit entfernt werden soll, so sind lediglich die Kontaktträger 309 leicht aufzuspreizen und über das Steckmodul 307 mit der Abdeckung 308 zu führen, was einen erheblich geringeren Kraftaufwand erfordert als bei einem Bauelementeträger gemäß dem Stand der Technik.
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5 zeigt eine Querschnittansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steckmoduls 307 aus 3 und 4, welches an einem Kontaktierungsbereich 302 eines Bauelementeträgers 300 angeordnet ist. Ferner gezeigt ist ein Kontaktträger 511 bzw. eine Kontaktfeder einer Aufnahmeeinheit. Dargestellt ist hier eine beispielhafte Berechnung einer Steckkraft PSx, die erforderlich ist, um letztlich auch eine Kontaktfeder bzw. einen Kontaktträger 511 der Aufnahmeeinheit wiederum von dem Bauelementeträger 300 bzw. vom Steckmodul 307 zu entfernen. Ferner dargestellt ist eine Abdeckung 308, mit welcher das Steckmodul 307 überzogen ist.
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Eine Steckkraft einer Kontaktfeder ist dabei definiert wie folgt: PSx = PNHx + PRxcosα
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PSx ist dargestellt durch Bezugszeichen 520, PNHx durch Bezugszeichen 521, PRx durch Bezugszeichen 522 und α durch Bezugszeichen 523. PNHx = PNx·sinα, x = 1, 2 PNx ist dargestellt durch Bezugszeichen 524
PRx/cosα ist dargestellt durch Bezugszeichen 525
PNHx = horizontale Normalkraftkomponente einer Kontaktfeder PN1 = D·s1 = 1,5 N
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Ein Stecker hat beispielsweise 40 Kontaktfedern
D = Federkonstante einer Kontaktfeder
s1 = 1 mm = angenommener Federweg, wenn Federkontakt auf Cu-Land (Beispiel für Kontaktland) aufliegt
s2 = s1 + 1 mm = 2 mm (vordere Rampenhöhe = 1 mm = zusätzlicher Federweg, wenn Kontakt durch vordere Rampen abgehoben)
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Gleitreibungskoeffizienten:
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µDuro = 0,15 µMetall = 0,09 PRx = µx·PNx α = 15° cos15° = PRHx/PRx → PRHx = PRx·cos15° (P
RHx = horizontale Reibungskraftkomponente
x einer Kontaktfeder)
D = PN1/s1 = 1,5 N/mm PN2 = D·s2 = D·2 mm PN2 = 1,5 N/mm·2 mm = 3 N | Reibungskräfte pro Kontakt: | PR2Duro = 0,45 N | PR2Metall = 0,27 N |
| Steckkräfte pro Kontakt: | PS2Duro = 1,21 N | PS2Metall = 1,04 N |
| Gesamtsteckkraft Metall auf Duroplast: | PS2DuroGesamt = 49 N |
| Gesamtsteckkraft Metall auf Metall-Abdeckung: | PS2MetallGesamt = 42 N |
