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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungstechnik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Verbinden eines Leiterelementes und eines Hülsenelementes. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement, die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement sowie ein Leiterelement, hergestellt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Bekannte Verfahren zum Verbinden einer Hülse mit einem Leiter werden regelmäßig dadurch realisiert, dass die Hülse auf einen abisolierten Teil des Leiters aufgesteckt und nachfolgend mit diesem unter Einwirkung einer Radialkraft mittels eines geeigneten Werkzeuges verpresst wird. Dabei werden die einzelnen Litzen des Leiterelementes untereinander und mit der Hülse erst durch den Verpressvorgang im Wesentlichen materialschlüssig miteinander verbunden. Ein solcher Verpressvorgang wird auch als Crimp-Vorgang bzw. als Kaltverschweißen bezeichnet.
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Bekannte Verbindungsverfahren können hierbei jedoch aufgrund einer möglicherweise nicht symmetrisch eingebrachten Verbindungskraft gleichfalls nicht symmetrisch ausgebildet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung mag darin gesehen werden, eine neuartige Verbindungstechnologie zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement bereitzustellen.
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Demgemäß wird eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement, die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement sowie ein Leiterelement, hergestellt unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das technische Konzept der vorliegenden Erfindung ermöglicht hierbei insbesondere die Verbindung bzw. Kontaktierung einer großen Anzahl von Einzelleitern bzw. Drähten, welche teilweise isoliert als auch nicht isoliert ausgeführt sein können. Insbesondere kann hierbei die Anzahl der Drähte bzw. Einzelleiter größer 50 sein.
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Erfindungsgemäß erfolgt das Verpressen bzw. die Verbindung zwischen dem Leiterelement und dem Hülsenelement nicht in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung, somit in Längserstreckungsrichtung des Leiterelementes bzw. der einzelnen Drähte. Hierbei wird ein Hülsenelement nicht nur im Wesentlichen um die Gesamtheit der Einzelleiterelemente gelegt und dort verpresst, vielmehr erfolgt in einem geeigneten Matrizenelement eine Fließbewegung des Hülsenelementes in radialer Richtung. Das Hülsenelement umfließt somit das Leiterelement, was letztendlich in einem bevorzugten elektrischen Kontakt zwischen allen Drähten und dem Hülsenelement resultiert.
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Die sich dabei ausbildende Verbindung ist aufgrund der axialen Krafteinwirkung auch im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Durch geeignete Ausgestaltung des Matrizenelementes kann diese jedoch auch nicht symmetrisch ausgebildet sein. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens wird eine Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement, im Weiteren als Pressverbindung bzw. Crimpverbindung bezeichnet, mit einer erheblich erhöhten Kontaktspannung erzeugt, wobei gleichzeitig zwischen allen Drähten des Leiterelementes ein guter elektrischer Kontakt bereitgestellt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Fließpressen werden sowohl das Leiterelement als auch das Hülsenelement bzw. zumindest eines dieser Elemente gelängt, somit in dessen Längserstreckungsrichtung vergrößert, was im Falle des Vorhandenseins von Isolierlack auf einzelnen Drähten zum Aufreißen dieses Isolierlackes führen kann, wodurch eine bevorzugte elektrische Verbindung zwischen einzelnen Drähten bereitstellbar ist.
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Erfindungsgemäß kann hierzu ein axial segmentiertes Matrizenelement verwendet werden, welches zumindest zwei unterschiedliche Bereiche aufweist, einen ersten Bereich mit einem ersten Durchmesser sowie einen zweiten Bereich mit einem zweiten Durchmesser, wobei der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser. Der Übergang zwischen erstem Durchmesser und zweitem Durchmesser bzw. erstem Bereich und zweitem Bereich kann dabei durch ein gerade bzw. linear ausgebildetes Stück des Matrizenelementes erfolgen. Alternativ bzw. dadurch kann der Übergangsbereich als ein Düsenelement angesehen werden bzw. als Düsenform realisiert sein. Auch ein kurviger bzw. stetiger Übergang zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich ist denkbar.
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Der erste Bereich des Matrizenelementes kann dabei dergestalt dimensioniert bzw. auf ein bestimmtes Leiterelement abgestimmt sein, so dass dieses, insbesondere in einem abisolierten Zustand bzw. mit einem abisolierten Ende, in den ersten Bereich eingebracht werden kann. Der Durchmesser des ersten Bereiches kann dabei derart auf den Durchmesser des Leiterelementes abgestimmt sein, so dass zumindest noch ein geringfügiger Zwischenraum bzw. Unterschied zwischen dem Durchmesser des Leiterelementes und dem Durchmesser des ersten Bereiches verbleibt. Denkbar ist auch, dass der Durchmesser des ersten Bereiches im Wesentlichen dem Durchmesser des Leiterelementes entspricht.
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Der erste Bereich kann dabei eine Zentrierung und Halterung des Leiterelementes bereitstellen. Das Leiterelement ragt nach dem Einbringen in den ersten Bereich in den zweiten Bereich des Matrizenelementes, welcher einen größeren Durchmesser als der erste Bereich aufweist. Im zweiten Bereich kann nun ein Hülsenelement auf das Leiterelement aufgebracht werden, welches nachfolgend mit dem Leiterelement verbunden werden soll. Bevorzugt sind der erste Bereich und der zweite Bereich hierbei zylinderförmig Durchmesser ausgebildet. Ein Stempelelement, welches im Wesentlichen auch den Durchmesser des zweiten Bereiches aufweist, kann nun auf die Anordnung von Leiterelement und aufgestecktem Hülsenelement aufgesetzt werden und dabei insbesondere bereits zumindest geringfügig in den zweiten Bereich eingebracht sein.
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Ein Pressvorgang, somit ein Bewegen des Stempelelementes durch den zweiten Bereich des Matrizenelementes in Richtung des ersten Bereiches mag nun im Wesentlichen ein Verschieben des Leiterelementes aus dem zweiten Bereich in den ersten Bereich darstellen, während gleichzeitig das Hülsenelement aufgrund des sich reduzierenden Volumens, das sich zwischen dem Leiterelement und dem zweiten Bereich durch Bewegen des Stempelelementes im zweiten Bereich in Richtung des ersten Bereichs ergibt, wird das Hülsenelement gleichzeitig in Richtung des ersten Bereiches gedrückt bzw. gepresst, trifft dort auf den Übergang zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich, umfließt durch die Pressbewegung das Leiterelement und wird somit, durch die Reduktion des Durchmessers im ersten Bereich gegenüber dem zweiten Bereich auf das Leiterelement aufgepresst bzw. mit diesem verpresst. Hierbei resultiert auch eine Krafteinwirkung auf die Mehrzahl der Drähte im Leiterelement, wodurch diese gegeneinander verpresst und insbesondere auch, zumindest geringfügig, gelängt werden, so dass zum Beispiel auf der Oberfläche der einzelnen Drähte vorgesehener Isolierlack aufplatzt, wodurch die einzelnen Drähte einen elektrisch leitfähigen Kontakt zueinander herstellen können.
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Als alternative Abfolge der Bereitstellung wird in den zweiten Bereich des axial segmentierten Matrizenelementes ein Hülsenelement eingelegt, dessen Innendurchmesser größer bzw. zumindest gleich ist als der erste Durchmesser des Matrizenelementes. Hierdurch mag es möglich sein, ein loses Drahtbündel, das Leiterelement, über den ersten Durchmesser des Matrizenelementes vorzuzentrieren und sicher in die Hülse einzuführen. Das im zweiten Bereich angeordnete Stempelelement mag hierbei als Anschlag in Längsrichtung für das Drahtbündel dienen. Somit kann das Hülsenelement bereits im zweiten Bereich des Matrizenelementes, gehaltert vom Stempelelement angeordnet sein, während erst im Anschluss das Leiterelement in das Matrizenelement via des ersten Bereiches eingebracht wird. Das Leiterelement kann mit einem geringen Druck gegen das Stempelelement gedrückt werden, so dass es nicht wieder aus dem Matrizenelement herausgleiten kann.
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Das Matrizenelement mag segmentiert aufgebaut sein, insbesondere einen konischen Haltering aufweisen, in welchem ein zum Beispiel zweiteiliges bzw. zwei halbkreisförmige Matrizeninnenelement(e) angeordnet ist/sind. Der Konuswinkel mag dabei derart gewählt sein, so dass es nicht zu einer Selbsthemmung kommt.
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Das Hülsenelement mag beispielsweise durch Hochgeschwindigkeitsscheren abfallfrei aus einem Rohr hergestellt werden, welches insbesondere an seiner Außenseite mit Festschmierstoff beschichtet sein kann. Durch den Festschmierstoff kann die Tribologie zwischen Matrizenelement und Hülsenelement besser beherrscht werden.
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Das Hülsenelement kann insbesondere an der Seite, welche im Übergangsbereich zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich angeordnet ist, eine geeignete Abflachung, zum Beispiel eine Fase mit Radius aufweisen, um ein Einschnüren der äußersten Drähte des Leiterelementes beim Verpressvorgang zu vermeiden.
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Nachdem sämtliche Elemente geeignet angeordnet wurden, wird das Stempelelement, das mit einem sehr geringen Spiel in der Matrize im zweiten Bereich geführt wird, so dass zwischen Stempelelement und dem zweiten Bereich kein Material des Hülsenelementes austreten kann, in Richtung des ersten Bereichs bewegt. Dadurch wird das Hülsenelement und das Leiterelement durch die vom Matrizenelement gebildete Düse gepresst, welche sich insbesondere im Übergang zwischen erstem Bereich und zweitem Bereich ausbildet. Dadurch werden das Hülsenelement und das Leiterelement zunächst gestaucht und dann radial komprimiert.
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Wird der Durchmesser des ersten Bereichs des Matrizenelementes derart gewählt, dass die Austrittsfläche kleiner ist als die Summe der Drahtquerschnittsflächen und der Hülsenelementquerschnittsfläche, so kommt es zusätzlich zu einer radialen Kompression und somit zu einer Längung der einzelnen Drähte des Leiterelementes. Durch eine solch starke Beanspruchung mag Isolierlack auf den Drähten aufreißen, so dass es zu einer metallischen Kontaktierung der Drähte untereinander sowie mit dem Hülsenelement kommt. Zur Verbesserung dieses Effektes mögen einzelne abisolierte Drähte in der Mehrzahl der Drähte des Leiterelementes vorgesehen sein.
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Nach dem Pressvorgang am Ende des Weges des Stempelelementes mag das Stempelelement in dieser Position belassen werden, in der Position im Wesentlichen am Ende des zweiten Bereiches im Übergang zwischen zweitem Bereich und erstem Bereich, kann der konische Haltering derart bewegt werden, so dass die einzelnen, z.B. halbkreisförmigen, Innensegmente des Matrizenelementes frei werden und radial nach außen bewegt werden können. Wenn die einzelnen Segmente weit genug nach außen bewegt worden sind, kann das gefügte Drahtbündel in Richtung des ersten Bereiches entnommen werden.
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Mögliche Materialien von Leiterelement und Hülsenelement sind beispielsweise Aluminium und Kupfer. So können sowohl das Leiterelement als auch das Hülsenelement aus Aluminium oder aus Kupfer hergestellt sein. Insbesondere denkbar ist auch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien von Leiterelement und Hülsenelement, welche regelmäßig nur schwer zu verbinden sind, insbesondere derart, so dass sie eine leitfähige Verbindung ausbilden. So können beispielsweise die Drähte des Leiterelementes aus Aluminium ausgebildet sein, während das Hülsenelement aus Kupfer ausgebildet ist, oder umgekehrt. Allgemein kann jedoch für Hülsenelement und Leiterelement bzw. dessen Drähte jedes ausreichend duktile Metall verwendet werden.
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine exemplarische Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2a eine weitere exemplarische Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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2b, c exemplarische Anbindungen eines Leiterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem weiteren Leiterelement.
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Weiter Bezug nehmend auf 1 wird eine exemplarische Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die Figuren sind im Weiteren derart aufgebaut, so dass die Abbildungen links der Symmetrieachse den Zustand vor bzw. zu Beginn des Pressvorganges bzw. Verbindungsvorganges darstellen, während rechts der Symmetrieachse die im Wesentlichen resultierende Endposition des Verbindungsvorganges darstellt wird.
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Die Vorrichtung 2 in 1 zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement 4 und einem Hülsenelement 6 zeigt einen Aufbau eines Matrizenelementes 8 mit einem ersten Bereich 10a mit einem ersten Durchmesser 12a sowie einem zweiten Bereich 10b mit einem zweiten Durchmesser 12b. Der Übergangsbereich 10c zwischen erstem Bereich 10a und zweitem Bereich 10b ist in 1 exemplarisch linear bzw. gerade dargestellt.
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Ein Leiterelement 4, aufgebaut aus Einzelleitern 5 bzw. Drähten ist vom ersten Bereich 10a her kommend in das Matrizenelement 8 eingebracht, ragt in den zweiten Bereich 10b und stößt dort an Stempelelement 14 an. Stempelelement 14 weist einen geeigneten Durchmesser auf, so dass es in den zweiten Bereich 10b eingebracht und dort bewegt werden kann. Außerhalb des Leiterelements 4, angeordnet im zweiten Bereich 10b zwischen dem Matrizenelement 8 und dem Leiterelement 4, ist Hülsenelement 6. Dieses ist exemplarisch ausgebildet als ein zylindrisches Rohr, welches einen geeigneten Innen- und Außendurchmesser aufweist, so dass einerseits das Leiterelement 4 in das Hülsenelement 6 und andererseits das Hülsenelement 6 selbst in den zweiten Bereich 10b eingebracht werden kann.
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Eine Stempelbewegung bzw. Verpressrichtung 16 bewegt das Stempelelement 14 durch den zweiten Bereich 10b in Richtung des ersten Bereichs 10a.
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Hierdurch fließt 18 das Hülsenelement 6 entlang des Leiterelementes 4 vom zweiten Bereich 10b in den ersten Bereich 10a und umschließt das Leiterelement 4 kraftschlüssig. In anderen Worten wird das Hülsenelement 6 durch die Bewegung 16 des Stempelelementes 14 um das Leiterelement 4 herum verpresst. Aufgrund des reduzierten Durchmessers 12a gegenüber dem zweiten Bereich 10b übt das Hülsenelement 6 einen radial gerichteten Druck auf das Leiterelement 4 aus, wodurch es zu einer Längung 20 des Leiterelementes 4 und des Hülsenelementes 6 im ersten Bereich 10a kommt. Hierdurch können etwaige vorhandene Hohlräume in der Mehrzahl der Einzeldrähte des Leiterelementes 4 durch ein Verpressen der einzelnen Leiter 5 miteinander aus dem Leiterelement 4 verbracht werden.
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Ist das Stempelelement 14 nach dem Verbindungsvorgang im Wesentlichen am Übergangsbereich 10c angeordnet, ist der Verbindungsvorgang abgeschlossen und das Leiterelement 4 und das Hülsenelement 6 im Wesentlichen vollständig ein Vollmaterial ausbildend verpresst.
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Das Matrizenelement 8 in 1 ist exemplarisch als mehrteiliges Element ausgebildet mit einem konischen Haltering 8b sowie darin angeordnetem Matrizeninnenelement 8a, welches beispielsweise aus zwei halbkreisförmigen Matrizeneinzelelementen bestehen kann. Der Haltering 8b kann in Richtung des ersten Bereiches verschoben werden, wodurch die Matrizeneinzelelemente radial nach außen bewegt werden können, so dass das fertig verpresste Leiterelement 4 mit Hülsenelement 6 in Richtung des ersten Bereiches 10a aus dem Matrizenelement 8 entnommen werden kann.
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Weiter Bezug nehmend auf 2a wird eine weitere exemplarische Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen einem Leiterelement und einem Hülsenelement gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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2a zeigt insbesondere ein modifiziertes Hülsenelement 6, welches unter anderem eine Verbindung mit einem weiteren Leiterelement 22, zum Beispiel einem flachen Stromleiter aus Blech, wie zum Beispiel einer Stromschiene, ermöglicht. Hülsenelement 6 ist dabei mit einem Bund bzw. Überstand 24 versehen, der durch ein modifiziertes Stempelelement 14 abgestützt wird.
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Ebenso denkbar ist, dass der Überstand 24 erst im Rahmen des Verbindungsvorganges durch ein geeignet ausgebildetes Stempelelement in das Hülsenelement eingebracht wird.
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Eine Höhe und Dicke eines derartigen Überstandes 24 ist dabei derart zu wählen, so dass ausreichend Material für einen anschließenden Fügeprozess bzw. Verbindungsprozess, wie er in 2b, c dargestellt ist, zur Verfügung steht. Die Kontaktierung des Leiterelementes 4 und des Hülsenelementes 6 erfolgt dabei wie bezüglich 1 beschrieben durch die Bewegung des hier modifizierten Stempelelementes 14. Das Hülsenelement 6 selbst weist in zum ersten Bereich 10a gerichteter Seite eine modifizierte Form eines Endes auf, eine Fase, läuft beispielsweise exemplarisch von seiner Innen- als auch seiner Außenseite schräg zu. Die Schräge kann hierbei einerseits auf die Form des Übergangsbereichs 10c angepasst sein und andererseits derart ausgebildet sein, so dass ein Abscheren von einzelnen Drähten des Leiterelementes 4 beim Verbindungsvorgang vermieden wird.
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Weiter Bezug nehmend auf 2b, c werden exemplarische Anbindungen eines Leiterelementes, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem weiteren Leiterelement, dargestellt.
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Ein mit einer Vorrichtung 2 gemäß 2a hergestelltes Leiterelement 4 wird mit dem Überstand 24 in eine geeignete Öffnung eines weiteren Leiterelementes 22, beispielsweise einer Stromschiene, eingebracht. Das Leiterelement 4 mit verbundenem Hülsenelement 6 kann dabei über eine Oberfläche des Leiterelementes hinausragen, so dass Material aus dem Überstand 24 des Hülsenelementes 6 radial nach außen bewegt werden kann, um ein Verpressen des Leiterelementes 4 mit dem weiteren Leiterelement 22 zu realisieren. Somit lässt sich ein Leiterelement 4 mit einem verbundenen Hülsenelement 6 gemäß der vorliegenden Erfindung einfach mit einem weiteren Leiterelement 22 verbinden.
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Eine Kontaktierung mit einer Stromschiene 22 erfolgt hierbei beispielsweise durch Aufpressen der mit einer Öffnung bzw. Bohrung versehenen Stromschiene auf den Überstand 24 bzw. den Bund des Hülsenelementes 6. Für eine bessere Kontaktierung bzw. definiertere Verpressung kann die Bohrung mit einer Zusatzkontur, wie beispielsweise einer Verzahnung, versehen sein. In 2b wird der Überstand 24 des Hülsenelementes 6 exemplarisch verstemmt, während er bei 2c unter Verwendung eines Bördelstempels umgebördelt werden kann. Der Bördelstempel kann dabei derart ausgeführt sein, dass es während des Bördelprozesses zu einer Aufweitung der Bohrung des weiteren Leiterelementes kommen kann, was nach Entlastung und somit nach Entfernen des Bördelstempels zu einer zusätzlichen Druckspannung in der Kontaktzone zwischen Verbördelung und Öffnung des weiteren Leiterelementes 22 führt. Insbesondere im Falle der Verbörderlung kann das Hülsenelement 6 über das Leiterelement hinausragen. Diese Anordnung zueinander kann beim Herstellen eines erfindungsgemäßen Leiterelementes 4 der Ausführung des Stempelelementes 14 geschuldet sein.
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Erfindungsgemäß können derartige Verbindungen von einem Leiterelement 4 mit einem weiteren Leiterelement 22 gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere bei elektrischen Maschinen, insbesondere im Bereich von Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen, realisiert sein.
