-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Federkontaktelement gemäß Anspruch 1.
-
Auf dem technischen Gebiet der elektrischen Kontaktierung von elektrischen und/oder elektronischen Geräten zur Realisierung eines (teil)elektrischen Antriebs, insbesondere eines Hybridantriebs in Fahrzeugen, werden aufgrund der hohen Leistungsanforderungen und der rauen Umgebungsbedingungen bisher nur in Einzelfällen Steckverbinder eingesetzt.
-
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Lösungen zur Kontaktierung zwischen Gehäusen und dem Kabelschirm eines geschirmten Kabels bekannt.
-
Aus der
DE 196 15 602 A1 ist eine Kabelverschraubung bekannt, bei der durch die Kabelverschraubung ein Kabel hindurchgeführt wird, wobei eine Verbindung zwischen dem Kabelschirm und dem Stutzen der Kabelverschraubung herstellbar ist, in dem der Stutzen ein Schirmkontaktelement aufweist.
-
Aus der
DE 695 10 422 T2 ist eine Erdungsanordnung für ein abgeschirmtes Kabel bekannt, bei welcher das geflochtene Kabel mit einem Metallgehäuse elektrisch verbunden ist.
-
Die
JP 2002-280 131 A zeigt eine weitere Lösung eines geschirmten elektrischen Steckverbinders mit einem Schirmelement.
-
Aus der
DE 37 34 667 C1 ist ein Kabelstecker zum Aufstecken auf ein Koaxialkabel bekannt, wobei ein erster Kontaktbereich gegen die Einsteckrichtung des Koaxialkabels schräg nach außen verlaufende Kontaktzungen aufweist und ein zweiter Kontaktbereich in Einsteckrichtung des Koaxialkabels schräg nach innen verlaufende Kontaktzungen ausbildet.
-
Aus der
DE 41 07 714 C1 ist ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Koaxial-Steckverbinders bekannt, bei dem eine Kontakthülse leitend mit dem Steckverbinder verbunden ist.
-
Aus der
JP 2002-075 553 A ist eine weitere Ausführungsform eines geschirmten elektrischen Steckverbinders für Geräte bekannt, bei dem ein ringförmiges Schirmelement zur Schirmübergabe vorgesehen ist.
-
Dabei treten typischerweise folgende Probleme auf.
-
Bei Lösungen für geschirmte Rundkontaktierungen wie Standard-Spiral-Federn, welche zwar kostengünstig hergestellt werden können, besteht aber der Nachteil, dass sie sehr steife radiale Kraft-/Weg-Kennlinien aufweisen und insgesamt dadurch sehr steif sind.
-
Mit Nachteil besteht aufgrund der Steifigkeit daher nur ein geringer Toleranzausgleich.
-
Viele Ausführungsformen entsprechend dieser Kontaktierungslösung weisen hohe Übergangswiderstände auf und sind nicht ausreichend robust hinsichtlich der für die Anwendung notwendigen Anforderungen.
-
So haben Umwelttest wie Vibrations- und Temperaturtest gezeigt, dass insbesondere Standard-Spiral-Federn die erforderlichen Umwelttests häufig nicht bestehen.
-
Im Stand der Technik gibt es neben Standard-Spiral-Federn auch andere Spiral-Feder Lösungen, die derart ausgebildet sind, dass diese unter einem bestimmten Verdreh-Winkel jeweils angelegte Einzelfedern aufweisen.
-
Diese auch unter der Bezeichnung ”Bal-Seal” bekannte Lösungen sind sehr teuer und aufwendig in der Herstellung.
-
Insgesamt haben die im Stand der Technik bekannte Lösungen generell den Nachteil, dass jeweils zwei federnde Kontaktstellen vorhanden sind, nämlich eine zum ersten zu kontaktierenden Bauteil und ein weiteres zum zweiten (mit dem ersten Bauteil zu kontaktierenden) Bauteil.
-
Infolge von zwei federnden Kontaktstellen ist ein ungünstiger Übergangswiderstand gegeben.
-
Bei den bekannten Steckverbindern handelt es sich um applikationsspezifische Entwicklungen, welche sich durch die hohe Anforderung an die elektrische Abschirmung und die Abdichtung, insbesondere gegenüber Feuchtigkeit, nur schwer oder nicht auf weitere Anwendungen in Fahrzeug adaptieren lassen.
-
Die
WO2006/013027 A offenbart einen solchen Hochstromsteckkontakt.
-
Zunehmend werden auch im Automobilbereich Verbindungsleitungen verwendet, die als geschirmte Koaxialleitung mit Schirm-Geflechten ausgestattet sein müssen.
-
Solche (flexible) geschirmte Leitungen werden an ihren entsprechenden Schnittstellen so mit dem Steckverbinder verbunden, dass das Schirm-Geflecht eine möglichst optimale elektrische und mechanische Verbindung zum Steckverbinder und zum Schirm-Geflecht einerseits, sowie zum kontaktierenden Gehäuse andererseits erzielt werden kann.
-
Problematisch ist dabei allerdings der jeweils individuell auftretende elektrische Kontaktwiderstand der Kontaktpaare.
-
Da sich das erfindungsgemäße Kontaktelement zwischen einem Schirm eines Kabels und einem damit zu verbindenden elektrisch leitfähigen Gehäuse befindet, sind auch die Besonderheiten des Gehäuses zu betrachten.
-
Insbesondere bei Aluminiumdruckgussgehäusen oder Gehäusen mit korrosionsanfälligen Oberflächen kommt es regelmäßig vor, dass infolge von Oxidation störende Oxidschichten gebildet werden und diese bei Kontaktierung zunächst durchbrochen werden müssen, damit überhaupt ein befriedigender Kontakt und damit ein niedriger Übergangswiderstand erzielt werden kann.
-
Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, eine verbesserte Schirmübergabe zu realisieren.
-
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Federkontaktelement für eine Schirmübergabe mit einer optimierten Federkontur herzustellen und einer Oberfläche bzw. einer Geometrie zur Reduzierung des elektrischen Kontaktwiderstandes bei elektrischer Verbindung zwischen Schirm-Geflechten von geschirmten flexiblen Leitungen und metallischen Gehäusen.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen in der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Nicht einschränkend aber vorzugsweise wird die Erfindung im Rahmen eines runden Kabels, somit einer runden Kabelschirmanbindung, beschrieben.
-
Zunächst wird erfindungsgemäß anstatt zwei federnden Übergangskontaktstellen eine dieser Kontaktstellen im Rahmen einer kaltverschweißten Verbindung als teilformschlüssige Verbindung hergestellt. Dies geschieht vorzugsweise durch Vercrimpung und/oder Kaltverschweißung des Federkontaktelementes mit dem Schirm.
-
Ferner wird das erfindungsgemäße Federkontaktelement über lediglich eine federnde Kontaktübergangsstelle, die über eine Vielzahl parallel angeordneter Federarme realisiert werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird daher die Verbindung auf einer Kontaktseite massiv in Form einer Kaltverschweißung hergestellt und auf der anderen Kontaktseite und zwar in Verbindung zum Gehäuse als federnder Kontaktübergang bereitgestellt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Federkontaktelement hergestellt aus einer Vielzahl miteinander verbundenen parallel ringförmig umlaufenden Federkontakten gebildet, wobei an wenigstens einer Stelle das Federkontaktelement geschlitzt ausgebildet ist.
-
Infolge des Schlitzes im Kontaktfederelement entsteht ein Federverhalten, welches derart beschrieben werden kann, dass die Klemmung und Crimpkontaktierung zum Schirm unabhängig von Schwankungen in der Abmessung am Kabelmantel erfolgen kann und dadurch Toleranzschwankungen am Kabelmantel ausgeglichen werden, während andererseits der freie Federkontaktarm bzw. die vielen parallel ausgebildeten und freien Federkontaktarme mit dem zu kontaktierenden Gehäuse in Kontakt treten können.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kontakt aus Edelstahl gebildet und benötigt daher keine besondere Oberflächenbehandlung.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das Federkontaktelement als Stanz-/Biegeteil mit scharfen Schnittkanten ausgebildet, die in einer ebenfalls vorteilhaften Ausführung mit einer Gradbildung versehen sind.
-
Hierdurch wird sichergestellt, dass ein Kratz-Kontakt entsteht, der die zuvor erwähnten Oxidschichten durchtrennen bzw. aufreisen kann.
-
Alternativ können auch profilierte Oberflächen am Kontaktpunkt angebracht werden, die bei Betätigung des Federarms und dem damit verbundenen Federweg ein Kratz-Effekt erzeugen und infolge dessen auf dem entsprechenden Gehäusekontaktpunkt die störende Oxidschicht durchtrennen.
-
Die zuvor beschriebenen Maßnahmen führen in Summe zu einem wesentlich niedrigeren Übergangswiderstand.
-
Erfindungsgemäß verfügt das Federkontaktelement über einen ersten Arm, der über einen U-förmigen Biegeabschnitt mit dem dazu beweglichen Federarm verbunden ist, die in einer vorteilhaften Ausführungsform so ausgebildet sind, dass eine Federform mit einer 3-Punkt-Kontaktierung gebildet wird.
-
Die 3-Punkt-Kontaktierung ist so ausgebildet, dass die Kontaktkraft auf ein maximum erhöht werden kann und somit im Bereich für das Kraft-Weg-Diagramm in einem optimierten Bereich liegt.
-
Infolge dessen kann der flexible Federanteil optimal auf die Geometrie angepasst und damit maximiert werden und dessen Übergangswiderstand reduziert werden.
-
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
-
1 eine Labormesskurve;
-
2 eine perspektivische Darstellung des Federkontaktelementes;
-
3 eine perspektivische Darstellung des Federkontaktelementes gemäß 2 in geschlitzter Ausführung;
-
4 das erfindungsgemäße Federkontaktelement in einer ersten Montageposition;
-
5 das erfindungsgemäße Federkontaktelement in einer zweiten Montageposition;
-
6 das erfindungsgemäße Federkontaktelement in einer dritten Montageposition;
-
7 eine Seitenansicht eines Ausschnittes des erfindungsgemäßen Federkontaktelementes;
-
8 eine Kraftverlaufskurve in Abhängigkeit von der Auslenkung des erfindungsgemäßen Federkontaktes mit entsprechendem Kraftanstieg;
-
9 eine perspektivische Ansicht eines Steckverbinders mit erfindungsgemäßen Federkontaktelementen;
-
10 eine perspektivische Ansicht des Steckverbinders gemäß 9 von unten.
-
In 1 sind Widerstands/Kraft-Kennlinien dargestellt von verschiedenen Materialien.
-
Der Kraftwiderstandsverlauf wird am Beispiel der Kurve 4 erläutert und erklärt, wie sich ein Kontaktwiderstandsminimum ergibt.
-
Labormessungen konnten nachweisen, dass für Aluminiumlegierungen ohne Oberflächenveredelung ein Kontaktwiderstandminimum bei einer Kontaktkraft von ca. 6 bis 7 N erreicht wird. Folglich wird bei einer Kontaktkraft oberhalb von 7 N der Übergangswiderstand nicht mehr deutlich reduziert.
-
Sämtliche Kurven münden in etwa bei 6 N bis 7 N in einer ähnlich asymptotischen Kurve und zeigen, dass es auch bei Erhöhung von Kontaktkräften kaum noch einen spürbaren Effekt zur Reduzierung des Übergangswiderstandes gibt. Folglich lässt sich in etwa bei 7 N Kontaktkraft bzw. Kontaktanpresskraft ein Übergangswiderstand von ca. 10 mOhm erzielen.
-
Betrachtet man typische Schirmkontakte, so weisen diese regelmäßig eine Kontaktkraft von ca. 1 N bis 2 N auf.
-
Höhere Kontaktkraftwerte sind mit üblichen Federkontaktmaterialien und Abmessungen bei engsten Bauräumen nicht zu erzielen.
-
Anders ist dies bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem 3-Punkt-Kontakt sinnvoll zu realisieren.
-
Wie in 2 gezeigt, besteht das erfindungsgemäße Federkontaktelement 1 aus einer Vielzahl miteinander verbundenen Federkontakten 2, welche ringförmig miteinander verbunden angeordnet sind unter Bildung eines Ringabschnittes 7.
-
Wie in 2 und 3, sowie in 7 deutlich zu erkennen, besteht (vorzugsweise jeder) Federkontakt 2 aus einem ersten Haltearm 3 und einem daran in etwa um einen Winkel von 160° zurückgebogenen Federarm 4.
-
Der Federarm 4 ist mit dem Haltearm 3 über einen U-förmigen Bogenabschnitt 5 verbunden. Der Haltearm 3 ist in seiner geometrischen Länge gegenüber dem Federarm 4 verlängert ausgebildet, so dass im eingefederten Zustand ein Teil des Federarms 4 sich auf dem Haltearm 3 aufliegend abstützen kann, wie dies in 7 dargestellt ist.
-
Der Federarm 4 verfügt über einen ersten Federarmabschnitt 40 und zwar ersten linearen Federarmabschnitt 40, an den sich ein erster gekrümmter Federarmabschnitt 41 anschließt, während sich der gekrümmter Federarmabschnitt 41 in einen entgegengesetzt gekrümmten Federarmabschnitt 42 erstreckt. Die geometrische Anordnung der Krümmungsverläufe ist ebenfalls in 7 ersichtlich.
-
Während sich der erste gekrümmte Federarmabschnitt 41 in Richtung des Haltearms 3 hinkrümmt, verläuft der zweite gekrümmte Federarmabschnitt in einem Krümmungsverlauf weg vom Haltearm 3. Hierdurch entsteht ein S-förmiger Federarmabschnitt 43.
-
Der erste gekrümmte Federarmabschnitt 41 bildet auf der dem Haltearm 3 entgegen gelegenen Seite einen ersten Kontaktpunkt 44, benachbart zum Ende des Federarms 4 und zwar im Bereich des zweiten gekrümmten Federarmabschnitt 42 befindet sich auf der dem Haltearm 3 zugewandten Seite ein zweiter Kontaktpunkt 45. Im Innenradius des U-förmigen Bogenabschnittes 5 befindet sich ein dritter Kontaktpunkt 46.
-
Im folgenden sei die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Federkontaktelementes an einem Federkontaktarm 2 beschrieben.
-
Wie in 8 ersichtlich, ist der Kraft-/Weg-Verlauf des 3-Punkt-Kontaktsystems, insbesondere bedingt durch den ersten Kontaktpunkt 44 und den zweiten Kontaktpunkt 45 so ausgebildet mit einem Übergangspunkt von einem ersten linearen Kurvenverlauf in einen zweiten linearen Kurvenverlauf mit größerer Steigung im Kraft-/Weg-Verhältnis.
-
Zunächst steigt die Kontaktkraft bei Betätigung des Federarms 4 so lange linear an, bis sich der Federarm 4 mit seinem zweiten Kontaktpunkt 45 und damit dem zweiten gekrümmten Federabschnitt 42 auf dem Haltearm 3 abstützt. Hier wird eine maximale Federkraft von ca. 4 N erreicht.
-
Wird der Federarm 4 des Federkontaktelementes 1 nun weiter (z. B. durch Aufschieben oder Einschieben in das entsprechend korrespondierende Gehäuse) betätigt, so wandert der zweite Kontaktpunkt 45 entlang der Oberfläche des Haltearms 3 in Richtung dessen Haltearmende 30.
-
Hierdurch wird zunächst eine Kratzbewegung auf der Oberfläche des Haltearms 3 bewirkt, was zur Folge hat, dass die dort befindliche Oxidschicht weggekratzt wird und eine optimierte Kontaktierung erzielt wird. Durch das Beseitigen der Oxidschicht mittels dieses Kratzeffektes reduziert sich der Übergangswiderstand der Kontaktpaare.
-
Weiterhin steigt gemäß 8 die Federkraft bei der zusätzlichen Betätigung des Federarms 4 weiter an und zwar auf ca. 10 N.
-
Wie zuvor in 1 gezeigt, wird hierdurch ein minimaler Übergangswiderstand von weniger als 10 mOhm erzielt. Da auch nur durch eine relativ geringe Federarmbewegung des Federarms 4 sehr schnell hohe Kontaktkräfte erzielt werden.
-
In 3 ist das erfindungsgemäße Federkontaktelement 1 als geschlitzter Federkontakt dargestellt. Hierdurch wird bewerkstelligt, dass der Federkontakt radial auf einem Kabelmantel aufgebracht werden kann und Toleranzen damit federn abgefangen Werden können.
-
Zunächst können typische herstellungsbedingte Toleranzen abgefangen werden, die infolge der Crimpverbindung der Haltearme 3 mit dem Kabelmantel 20 des geschirmten Kabels 6 eliminiert werden.
-
Wie in 4, 5 und 6 gezeigt, erfolgt die Montage des Federkontaktelementes 1 dadurch, dass dieses geschlitzte Federkontaktelement 1 auf den Kabelmantel 20 eines geschirmten Kabels 6 aufgeschoben wird. Dadurch werden die Unterseiten 31 der Haltearme 3 am Kabelmantel 20 anliegend befestigt. In diesem Zustand lässt sich das Federkontaktelement 1 am Kabelmantel in die richtige Position verdrehen und bewegen, da eine feste Verbindung noch nicht hergestellt ist.
-
In einem nächsten Montageschritt gemäß 5 wird der Schirm bzw. das Schirm-Geflecht 50 zurück gefaltet und zwar derart, dass es auf der Oberseite 32 der Haltearme 3 kontaktierend anliegt.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß 6 wird eine Crimphülse 60 über die Oberseite 32 der Haltearme 3 und dem dazwischen befindlichen Schirm-Geflecht 50 soweit in Richtung des U-förmigen Bogenabschnittes 5 des Federkontaktelementes 1 eingeschoben, dass die Crimphülse 60 mit ihrer vorderen Kante 61 am dritten Kontaktpunkt 46 innerhalb des U-förmigen Bogenabschnittes 5 kontaktierend anliegt und das Schirm-Geflecht jedenfalls teilweise umschließt.
-
Danach wird die Crimphülse derart mit den Haltearmen 3 und dem dazwischen befindlichen Schirm-Geflecht 50 auf dem Kabelmantel 20 verpresst, dass eine Kaltverschweißung entsteht und das Federkontaktelement 1 fest am Kabel 6 befestigt ist.
-
Wird das Kabel nun in eine entsprechende Aufnahme an einem nicht dargestellten umliegenden Gehäuse eingeschoben, so federn die Federarme 4 in Richtung der Crimphülse ein, bis der jeweils zweite Kontaktpunkt 45 der Federarme 4 auf der Außenseite 62 der Crimphülse 60 oder auf der Oberseite 32 des Haltearmendes 30 zum Anliegen kommt.
-
Dieser Federverlauf entspricht dem zuvor beschriebenen und wie bei 8 dargestellten ersten linearen Kraft-/Wege-Verlauf.
-
In der Endmontagestellung wird der Federarm 4 über den ersten Kontaktpunkt 44 weiter betätigt, so dass sich der Kontakt gemäß dem zweiten Linearabschnitt gemäß 8 betätigt wird und die Kontaktkraft sich kontinuierlich erhöht.
-
Im Idealfall liegt sie mit einer Kontaktanpresskraft von 10 N in dem für den Übergangswiderstand optimalen Minimalbereich bei geringem Bauraum.
-
Alternativ kann die Crimphülse auch, wie in 6 dargestellt, in ihrer Länge verkürzt ausgebildet werden, so dass der zweite Kontaktpunkt 45 nicht auf der Außenseite 62 der Crimphülse zum Aufliegen kommt, sondern auf der Oberseite 32 des Haltearms 3.
-
Hierdurch wird lediglich der Knickpunkt des ersten Linearenbereiches der Federkraftkennlinie in den zweiten Linearenbereich gemäß 8 nach rechts verschoben und ein größerer Federweg bis zur Erstkontaktierung des zweiten Kontaktpunktes 45 auf die Oberfläche des Haltearmes benötigt.
-
Es besteht allerdings die Möglichkeit entsprechend den Anforderungen und der Anwendung über kürzere oder größere Federwege die entsprechende zweigeteilte Kraftkennlinie einzustellen.
-
In 9 und 10 wird ein Beispiel der Anwendung der vorliegenden Erfindung bei einem HS-Steckverbinder dargestellt.
-
Im vorderen Bereich findet man ein Federkontaktelement 1 zur Abschirmung des HS-Steckverbinders zur Schirmanbindung mit einem geschirmten Interface.
-
Die Ausführungen der einzelnen Federkontakte 2 sind hier entsprechend in 7 ausgebildet.
