DE102013013368A1

DE102013013368A1 - Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung sowie elektrische Verbindung

Info

Publication number: DE102013013368A1
Application number: DE102013013368.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wimmer
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: DE102013013368B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten zumindest bereichsweise flachen Leiters (1) mit einem Loch (2), Bereitstellen eines zweiten Leiters (1), der einen Zapfen (12) mit einer Stirnseite (16) aufweist, wobei der Zapfen (12) in seinem Umfang wenigstens eine Vertiefung (14) aufweist, die vor der Stirnseite (16) endet, Einführen des Zapfens (12) in das Loch (2), plastisches Verformen des ersten Leiters (1) in einem Verformungsbereich um das Loch (2), so dass Material des ersten Leiters (1) in die Vertiefung (14) eindringt und den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbindet oder Aufspreizen des Zapfens des zweiten Leiters durch Einbringen eines Spreizelements in ein Loch des Zapfens, um den Zapfen entlang der Mittelachse des Lochs formschlüssig mit dem ersten Leiter zu verbinden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch elektrische Verbindungen, die nach den genannten Verfahren hergestellt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bevorzugt dauerhafte elektrische Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders. Derartige elektrische Verbindungen und Steckverbinder kommen insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Es ist aber auch die Verwendung in anderen Bereichen, wie beispielsweise Flugzeugen oder Wasserfahrzeugen, denkbar. Im Besonderen betrifft sie einen Hochvoltsteckverbinder oder Hochstromsteckverbinder bzw. eine zugehörige elektrische Verbindung. Zum Beispiel kann sie einen gewinkelten Steckverbinder betreffen. Unter einem Steckverbinder ist diesbezüglich ein Bauteil zu verstehen, das mit einem anderen Bauteil zusammengebracht werden kann, um eine Steckverbindung herzustellen. Rein beispielhaft sind als Steckverbinder Stecker und Buchse genannt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Verbindung, insbesondere zwischen elektrisch leitenden Teilen eines oben genannten Steckverbinders und/oder die Herstellung eines solchen Steckverbinders.
Stand der Technik
Abnehmende Ressourcen petrochemischer Rohstoffe, die in den vergangenen Jahrzehnten überwiegend als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kamen, führen dazu, dass derzeit verstärkt Mobilitätskonzepte entwickelt werden, in denen der Antrieb der Fahrzeuge über batterie- bzw. akkumulatorgespeiste Elektromotoren alleinig oder in Kombination mit einer weiteren nichtelektrischen Energiequelle, als sogenannter Hybrid-Antrieb, erfolgt.
Dies hat zur Konsequenz, dass klassische 14 V-Bordnetze zukünftig ergänzt oder vollständig ersetzt werden durch (Traktions-)Bordnetze mit erheblich höheren Spannungen von 200–750 V (Hochvolt). In der Folge können die bisherigen zur Herstellung der Bordnetze eingesetzten Verbindungssysteme nicht mehr genutzt werden, da die mit derart hohen Spannungen verbundenen Phänomene von diesen nicht gehandhabt werden können.
Gleichzeitig ist ein einfaches Heranziehen von Verbindungskonzepten aus stationär eingesetzten Technologien, in denen ähnlich hohe Spannungen zum Einsatz kommen, nicht möglich, da diese nicht für die in Kraftfahrzeugen herrschenden Bedingungen ausgelegt sind.
Insbesondere müssen die Verbindungen so gestaltet sein, dass die im Fahrzeugbetrieb entstehenden Vibrationen die Qualität der Verbindung mittel- und langfristig nicht negativ beeinflussen. Dies betrifft vor allem die Güte der Kontaktierung der Leitungen, häufig geschirmten Leitungen, mit im Querschnitt erheblich größeren Innenleiterquerschnitten von 50 mm² oder mehr aus Kupfer oder aber zunehmend auch aus Aluminium, oder Legierungen davon.
Weiterhin werden an Verbindungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge hohe Anforderungen in Bezug auf die Dichtigkeit gestellt. Ein Eindringen von Medien, wie z. B. Öl, Frostschutzmitteln, Streusalz, flüssigem Wasser oder Staub, durch welches die Verbindungsgüte mittelfristig negativ beeinflusst werden könnte, muss sicher vermieden werden.
Die Verbindungen müssen so gestaltet sein, dass die in Fahrzeugen auftretenden Temperaturen von –40°C bis zu 200°C keinen Einfluss auf die Funktionalität des Bordnetzes haben.
Durch die räumliche Nähe zu elektronischen Geräten, wie beispielsweise den Infotainment-Systemen von Kraftfahrzeugen muss eine vollständige Schirmung des Hochvolt(HV)-Bordnetzes auch im Verbindungsbereich gewährleistet werden.
Zusätzlich muss vermieden werden, dass Personen durch Kontakt mit den stromführenden Leitungen im Betrieb oder bei der Montage beziehungsweise Wartung der Fahrzeuge oder bei Unfällen geschädigt werden.
Letztendlich muss die Herstellung und Montage der Verbindungskonzepte möglichst ressourceneffizient erfolgen, das heißt der Kapital-, Zeit- und Materialaufwand sollte minimal sein.
Aus der DE 10 2012 201 123 A1 ist ein gewinkelter Steckverbinder bekannt, bei dem ein erstes Innenleiterteil (erster Leiter) und ein zweites Innenleiterteil (zweiter Leiter) über eine Presspassung miteinander verbunden sind. Eine solche Presspassung ist auch in der DE 10 2007 057 443 A1 oder der DE 198 51 790 A1 beschrieben.
In der Regel kommen für die Innenleiterteile Kupfer oder Aluminium bzw. Legierungen davon als Material zum Einsatz. Diese Materialien weisen jedoch beim Verpressen eine gewisse Fließneigung (Setzverhalten) und später eine Kriechneigung auf. Dadurch widersteht die Verbindung, selbst bei relativ hohen Einpresskräften, nur relativ geringen Ausziehkräften. Dem wird dadurch entgegengetreten, dass die Presspassung stärker und die Wandstärke des Teils, in das eingepresst wird, größer ausgestaltet werden. Dies ist allerdings aus Sicht der Kosten und des Herstellungsverfahrens nachteilig.
Des Weiteren ist es vielfach notwendig eine gasdichte Verbindung herzustellen. Dies ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen vielfach nur durch Verwendung einer Dichtung zu erzielen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung bzw. eine solche elektrische Verbindung zu schaffen, die eine kostengünstige und einfache Herstellung ermöglicht und dennoch hohe Ausziehkräfte bei vergleichsweise kleinem Verbindungsbereich realisiert.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 7 sowie eine elektrische Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 bzw. des Anspruchs 18.
Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung der Erfindung und aus den Zeichnungen.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin zum elektrischen Verbinden eines ersten und eines zweiten Leiters, bei dem ein Zapfen des zweiten Leiters in ein Loch des ersten Leiters eingeführt wird, den ersten und/oder den zweiten Leiter im Bereich des Lochs bzw. Zapfens in Radialrichtung derart zu verformen, dass neben einer bevorzugten kraftschlüssigen Verbindung entlang der Mittelachse des Lochs (Einpressen) auch eine formschlüssige Verbindung zumindest in einer Richtung entgegen der Einführrichtung des Zapfens in das Loch realisiert wird, das heißt ein Hinterschnitt erzielt wird. Letzterer wird bevorzugt entweder durch eine Vertiefung realisiert, die in dem Zapfen ausgebildet ist und vor einer Stirnseite des Zapfens endet und so einen Steg bzw. Bund bildet oder aber durch Aufspreizen des Zapfens.
Bei dem ersten Leiter kann es sich um einen zumindest bereichsweise flachen Leiter mit einem Loch handeln. Zumindest in dem flachen Bereich weist der Leiter eine erste Seite und eine der ersten Seite entgegengesetzte zweite Seite auf. Das Loch kann ein Durchgangsloch sein und sich von der ersten bis zur zweiten Seite vollständig durch den Leiter erstrecken. Das Loch kann andererseits auch ein Sackloch sein. Das Loch kann eine kreisrunde Form haben oder als Vielzahl oder Vielkant ausgeführt werden. Bei dem ersten Leiter kann es sich zum Beispiel um eine Stromschiene, eine Strombrücke, ein Stanzgitter, ein Kontaktblech oder eine Platine handeln.
Bei dem zweiten Leiter kann es sich beispielsweise um eine Kontakthülse, einen Kontaktstift oder eine Kontaktbuchse handeln.
Der zweite Leiter weist an einem seiner Enden einen Zapfen mit einer Stirnseite auf. Der Zapfen kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, ein Vielzahn oder ein Vielkant sein. Er kann die gleiche Querschnittsform wie das Loch oder eine andere Querschnittsform aufweisen.
In der Regel kommen für die Leiter Kupfer oder Aluminium bzw. Legierungen davon als Material zum Einsatz. Die Kontakthülse und die Stromschiene können aus dem gleichen Grundwerkstoff oder unterschiedlichen Grundwerkstoffen gebildet sein. Sie können einen unterschiedlichen Gefügezustand oder eine unterschiedliche Festigkeit aufweisen (siehe auch später).
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektrische Verbindung in einem Steckverbinder zum Einsatz kommen, insbesondere zur Verwendung im Bordnetz von Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen. Ein solcher erfindungsgemäßer Steckverbinder wird im Folgenden als Stecker erläutert, kann aber auch als Steckeraufnahme (Buchse) ausgestaltet sein oder eine beliebige andere Komponente einer Steckverbindung bilden. In der Regel weist ein solcher Steckverbinder ein elektrisch isolierendes Gehäuse auf.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Zapfen in seinem Umfang wenigstens eine Vertiefung auf, die vor der Stirnseite endet, so dass am stirnseitigen Ende der Vertiefung ein Bund oder Steg (Hinterschnitt) entsteht. Bei der Vertiefung kann es sich beispielsweise um eine in Axialrichtung des Zapfens bzw. des Lochs verlaufende Nut handeln. Alternativ ist auch eine radial umlaufende Nut denkbar.
Nach dem Einführen des Zapfens in das Loch erfolgt ein plastisches Verformen des ersten Leiters in einem Verformungsbereich um das Loch. Dabei kann bevorzugt eine axial aufgebrachte Fügekraft in eine radiale Presskraft umgewandelt werden, so dass Material des ersten Leiters in die Vertiefung eindringt bzw. fließt. Durch den von der Vertiefung gebildeten Bund bzw. Steg (Hinterschnitt) kann der Zapfen und damit der zweite Leiter entgegen der Einführrichtung nicht mehr aus dem Loch gezogen werden. Er wird formschlüssig entgegengesetzt der Einführrichtung gehalten und der Zapfen ist entlang der Mittelachse des Lochs formschlüssig mit dem ersten Leiter verbunden.
Vorteilhafterweise kann das Einführen des Zapfens in das Loch durch Einpressen des Zapfens in das Loch erfolgen. Folglich kann selbst bei geringer Stärke (Dicke) des flächigen Bereichs des ersten Leiters (das heißt niedriger Einpresshöhe) eine hohe Auszugskraft bei einfacher und kostengünstiger Herstellung realisiert werden. Zusätzlich wird eine gasdichte Verbindung realisiert. Ferner können aufgrund der Pressverbindung geringe Übergangswiderstände erzielt werden, es sind keine zusätzlichen Teile wie Kontaktlamellen oder Dichtungen erforderlich, die Herstellung kann automatisiert ablaufen und es wird eine gasdichte Verbindung erzielt.
Darüber hinaus wird vorteilhafterweise durch die Umwandlung einer axialen Fügekraft in eine radiale Presskraft eine große Anpresskraft in Radialrichtung erzielt, so dass der Zapfen in Radialrichtung geklemmt und auch im Bereich der Vertiefungen entlang der Mittelachse kraftschlüssig mit dem ersten Leiter verbunden wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform und wie bereits eingangs erwähnt, werden der erste und der zweite Leiter in einem Gehäuse montiert und dabei gleichzeitig elektrisch verbunden. Dabei kann das Gehäuse zugleich als Verarbeitungswerkzeug dienen und die Fügekräfte abfangen, wodurch die elektrische Verbindung und damit der Steckverbinder kompakt gestaltet werden können. Bevorzugterweise wird das Gehäuse einstückig aus einem geeigneten Kunststoff hergestellt sein.
Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus einem Material, dass sowohl für die bei der Verwendung des Steckverbinders in Kraftfahrzeugen auftretenden Temperaturen von –40°C bis zu 200°C geeignet ist, als auch Kräfte ohne signifikante Verformung oder Bruchneigung aufnehmen und weiterleiten kann.
Ein derartiges Gehäuse kann kostengünstig in einem gängigen Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Das Gehäuse weist dabei zumindest einen Hohlraum auf in dem weitere Komponenten des Steckers angeordnet werden können. Wenn das Gehäuse zur Herstellung einer Mehrfach-, beispielsweise einer Zwei- oder Dreifach-, Steckverbindung genutzt werden soll, können mehrere nebeneinander angeordnete, elektrisch voneinander isolierte Hohlräume im Gehäuse vorgesehen werden. Alternativ kann auch ein einzelner ausreichend großer Hohlraum in dem Gehäuse angeordnet werden und die einzelnen Stecker einer Mehrfachsteckverbindung werden über zwischen diese anzuordnende Isolierung (Isolierstücke oder Isolierstrecke) elektrisch voneinander getrennt.
Zur Anordnung weiterer Komponenten des Steckers ist der Hohlraum über zwei Öffnungen zugänglich, wobei die Öffnungen so gestaltet sind, dass die Komponenten zur Verbindung mit einer Leitung des Bordnetzes und die Komponenten zur Verbindung mit einem korrespondierenden Element, wie einer Steckeraufnahme, in einem Winkel, vorzugsweise 90°, zueinander angeordnet sind.
In dem Hohlraum des Gehäuses sind zumindest ein Innenleiter und ein Außenleiter angeordnet. Der Innenleiter setzt sich aus einem ersten leitungsseitigen Innenleiterteil, zum Beispiel dem ersten Leiter, und einem zweiten steckseitigen Innenleiterteil, zum Beispiel dem zweiten Leiter, zusammen.
Das erste Innenleiterteil dient dabei zum Beispiel der Kontaktierung eines Lastleiters einer Leitung des Bordnetzes und das zweite Innenleiterteil kontaktiert einen Lastleiter einer korrespondierend gestalteten Steckeraufnahme.
Dabei sind das erste und zweite Innenleiterteil vorzugsweise als Bauteile ausgeführt, die eine äußere Kontur aufweisen, durch welche ein lineares Einschieben bzw. Einpressen des ersten und zweiten Innenleiterteils in die jeweils dafür vorgesehenen, und entsprechend der Kontur der Innenleiterteile mit Öffnungen versehenen, im Gehäuse zum Zeitpunkt der Montage des Innenleiters vorhandenen Komponenten des Steckers vorgenommen werden kann. Das erste Innenleiterteil weist zusätzlich eine Öffnung auf, die zur seitlichen Aufnahme des zweiten Innenleiterteils dient und entsprechend geometrisch mit der Außenkontur des zweiten Innenleiterteils korrespondiert.
Das erste Innenleiterteil kann von einem Isolator umgeben sein und der Isolator ist formschlüssig und lagefixiert, vorzugsweise kraftschlüssig, im ersten Außenleiterteil angeordnet. Der Isolator weist bevorzugt eine seitliche Öffnung auf, die vom zweiten Innenleiterteil durchdrungen ist.
Dabei sollte es möglich sein, die elektrische Verbindung der vorliegenden Erfindung in dem Gehäuse selbst herzustellen, wozu vorzugsweise zunächst der erste Leiter (zum Beispiel des ersten Innenleiterteils) in das Gehäuse eingeführt wird und durch Einführen des zweiten Leiters (zum Beispiel des zweiten Innenleiterteils) die elektrische Verbindung realisiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind in dem Zapfen mehrere der Vertiefungen vorgesehen, die sich über den Umfang des Zapfens verteilen. Zum Beispiel können mehrere parallel verlaufende Nuten vorgesehen sein. Zum Beispiel können sich diese Nuten parallel entlang der Axialrichtung erstrecken oder aber auch ringförmig verlaufen und in axialer Richtung parallel zueinander angeordnet sein. Darüber hinaus entsteht auch ein Formschluss durch die Vertiefung in Radialrichtung. Dieser kann bei mehreren Vertiefungen, die in Axialrichtung verlaufen, noch verstärkt werden.
Um diese Vertiefungen möglichst einfach und kosteneffektiv herstellen zu können, werden die Vertiefungen bevorzugt durch eine Rändelung gebildet bzw. durch Rändeln eingebracht. Die Rändelung kann vorzugsweise vertieft eingebracht werden, kann aber auch erhaben vorgesehen werden. Dabei wird das Rändelwerkzeug vorzugsweise etwas kürzer als der Zapfen oder zweiteilig ausgeführt, um den Bund bzw. Steg zu erzeugen bzw. zu realisieren, dass die Vertiefungen vor der Stirnseite des Zapfens enden. Zum Beispiel kann die Rändelung um 0,3 mm bis 0,8 mm kürzer ausgeführt werden als der Zapfen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Verformungsbereich des ersten Leiters durch eine Schulter bzw. ein Einpresselement des zweiten Leiters, die bzw. das sich an den Zapfen anschließt verformt, während der Zapfen in das Loch eingeführt bzw. eingepresst wird. Dadurch kann realisiert werden, dass kein zusätzliches Werkzeug notwendig wird. Darüber hinaus kann die elektrische Verbindung bzw. der Steckverbinder kompakt ausgestaltet bleiben, da kein zusätzlicher Platz für ein separat einzuführendes Werkzeug geschaffen werden muss.
Um den ersten Leiter im Verformungsbereich im Querschnitt nicht zu verringern und damit den Übergangswiderstand zu erhöhen, ist es vorteilhaft den Verformungsbereich des ersten Leiters durch einen das Loch umgebenden erhabenen Rand zu bilden. Ein solcher Rand wird auch als Durchzug bezeichnet. Er kann beim Ausbilden des Lochs mit ausgebildet werden, indem Material von der zweiten Seite des ersten Leiters zur ersten Seite des Leiters beim Einbringen des Lochs verdrängt wird. Dadurch erlangt der Durchzug eine Hülsenform oder eine kegelige Hülsenform gegenüber einer flachen bzw. geraden Bohrung. Es wird somit eine Materialanhäufung auf der ersten Seite des ersten Leiters gebildet. Beim plastischen Verformen, insbesondere beim Fügen des ersten und des zweiten Leiters (Einführen des Zapfens in das Loch) kann diese Materialanhäufung in axialer Richtung und radialer Richtung gedrückt und gestaucht werden und führt dazu, dass das Material des ersten Leiters in die Vertiefung eindringt und bevorzugt den Zapfen klemmt.
Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in dem Zapfen ein weiteres Loch vorgesehen. Das Loch kann sich vollständig durch den Zapfen erstrecken, das heißt ein Durchgangsloch sein. Es ist vorteilhafterweise auf der Seite der Stirnseite sowie der der Stirnseite entgegengesetzten Seite offen. Anders als bei der ersten Ausführungsform, bei der das Material des ersten Leiters verformt wird und in eine Vertiefung in dem Zapfen eindringt, wird bei der zweiten Ausführungsform der Zapfen durch Einbringen eines Spreizelements in das Loch des Zapfens aufgespreizt und verdrängt dabei Material des ersten Leiters in Radialrichtung. Durch das Aufspreizen des Zapfens zum Kegel bzw. Kegelstumpf ergibt sich ein Hinterschnitt, der den Zapfen entlang der Mittelachse des Lochs formschlüssig mit dem ersten Leiter verbindet. Mit anderen Worten ergibt sich in einem Abschnitt des Zapfens durch das Aufspreizen ein kegeliger Bereich, der den Hinterschnitt bildet und den Formschluss realisiert.
Das Spreizelement kann beispielsweise durch eine Madenschraube oder durch einen Stift, der in das Loch des zweiten Leiters eingepresst wird, gebildet sein. Die Madenschraube kann ein selbstschneidendes oder selbstfurchendes Gewinde aufweisen, wodurch die Madenschraube und der zweite Leiter ebenfalls formschlüssig und hinterschnittig miteinander verbunden werden. Beim Verwenden eines Stifts, der eingepresst wird, entsteht lediglich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Spreizelement und dem Loch des zweiten Leiters.
Um die elektrische Verbindung in dem besagten Gehäuse ausbilden zu können, ist es bevorzugt, das Spreizelement von der der Stirnseite entgegengesetzten Seite angeordneten Öffnung des Lochs in das Loch des Zapfens einzubringen, insbesondere einzuschrauben oder einzupressen. Diese Öffnung ist über die Gehäuseöffnung zugänglich und daher für diesen Zweck am besten geeignet. Alternativ ist es auch denkbar das Spreizelement in dem Gehäuse mit auszubilden, wobei das Spreizelement beim Fügen des Zapfens des zweiten Leiters in das Loch des ersten Leiters in das Loch in dem Zapfen eingebracht wird, welches dann zumindest auf Seite der Stirnseite des Zapfens offen ist.
Um die erforderlichen Stauchkräfte des Einpresselements zu reduzieren, kann es vorteilhaft sein in den Zapfen mehrere durchgängige Schlitze einzubringen, die sich über den aufzuspreizenden Bereich des Zapfens vorteilhafterweise in axialer Richtung erstrecken.
Um ein Aufspreizen zu realisieren, ist entweder das Spreizelement konisch ausgebildet, insbesondere dann, wenn es von der Stirnseite her in den Zapfen eingebracht wird oder gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Loch in dem Zapfen, wobei es sich vorteilhafterweise zur Stirnseite hin verjüngt. Insofern kann in diesem Fall das Spreizelement zylindrisch gestaltet sein. Es können aber auch Loch und Spreizelement konisch sein.
Neben der Ausbildung eines Hinterschnitts durch das Aufspreizen des Zapfens wird der Zapfen auch in Radialrichtung von dem Material des ersten Leiters geklemmt und entlang der Mittelachse kraftschlüssig mit dem ersten Leiter verbunden. Dadurch kann zusätzlich zu dem Formschluss auch eine Presspassung mit gutem Übergangswiderstand realisiert werden.
Es versteht sich, dass diese Ausführungsform auch mit der ersten Ausführungsform, bei der wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Vertiefungen, in dem Zapfen vorgesehen sind, die vor der Stirnseite enden und in die Material des ersten Leiters eindringt, kombiniert werden kann.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wie es eingangs erwähnt wurde, den Verformungswiderstand des ersten Leiters anders zu gestalten als den des zweiten Leiters. Insbesondere ist der Verformungswiderstand des zweiten Leiters größer. Zum Beispiel kann der zweite Leiter eine größere Festigkeit als der erste Leiter aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei der Verformung ein zuverlässiger Formschluss realisiert wird, das heißt bei der ersten Ausführungsform Material des ersten Leiters zuverlässig in die Vertiefung bzw. Vertiefungen des Zapfens eindringt und bei der zweiten Ausführungsform das Aufspreizen des Zapfens zu einer Verformung bzw. Verdrängung von Material des ersten Leiters führt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung, die alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale umgesetzt werden können, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Es versteht sich, dass daraus auch Einzelmerkmale entnommen und mit Einzelmerkmalen, wie sie oben erläutert wurden, kombiniert werden können, insofern sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen.
Kurze Figurenbeschreibung
Im Folgenden zeigen:
1 perspektivisch einen ersten Leiter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form einer Kontakthülse;
2 den zweiten Leiter aus 1 während dem Einführen des Zapfens in das Loch des geschnitten dargestellten ersten Leiters, wobei in 2a und 2b unterschiedliche Ausgestaltungen eines das Loch umgebenden erhabenen Rands darstellen;
3 die Ausgestaltung aus 2 im vollständig verbundenen Zustand;
4a eine elektrische Verbindung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung a) bevor das Spreizelement eingeführt wurde und b) nachdem das Spreizelement eingeführt wurde;
5 eine elektrische Verbindung gemäß der Ausführungsform in 4, wobei im Zapfen zusätzlich Schlitze ausgebildet sind; und
6a, 6b Vertiefungen am Zapfen in Form von Rillen und Rippen.
In den einzelnen Darstellungen werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder vergleichbare Elemente verwendet. Auf eine erneute Beschreibung dieser gleichen Elemente wird in den unterschiedlichen Ausführungsformen verzichtet.
1 zeigt einen zweiten Leiter, zum Beispiel einen steckseitigen Innenleiter 10, der in der Ausführungsform in 1 in Form einer Kontakthülse ausgestaltet ist, wie sie im Schnitt auch aus den 4 und 5 zu ersehen ist. Die Kontakthülse besteht aus einem im Wesentlichen zylindrischen Aufnahmeabschnitt 11, der zur Aufnahme eines Steckers ausgestaltet ist. An einem Ende dieses zylindrischen Aufnahmeabschnitts 11 ist einstückig ein Zapfen 12 vorgesehen. Dieser ist ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch gestaltet und weist eine Rändelung 13 über seinen gesamten Umfang auf. Der Zapfen weist hier ausgehend von dem Ende des Aufnahmeabschnitts 11 eine Gesamthöhe H auf. Die Rändelung weist eine Höhe H_R auf, die kleiner ist als die Höhe H. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die Rändelung 0,5 mm kleiner als die Gesamthöhe H des Zapfens. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das Rändelwerkzeug entsprechend der Höhe H_R gestaltet, das heißt etwas kürzer als der Zapfen 12 ausgebildet ist.
Durch die Rändelungen ergeben sich mehrere Vertiefungen 14, die jeweils in Axialrichtung A verlaufen und jeweils parallel zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Vertiefungen 14 sind durch parallel verlaufende Rippen 15 voneinander getrennt. Diese können je nach Rändelwerkzeug im Schnitt eine dreieckige, das heißt spitze Form oder eine trapezförmige, das heißt stumpfe Gestalt aufweisen. Die Vertiefungen 14 enden in einem Abstand, der der Differenz der Höhe H und der Höhe R entspricht, vor der Stirnseite 16 des Zapfens. Dadurch wird an dem stirnseitigen Ende der Vertiefungen 14 ein Steg bzw. Bund 17 gebildet, der einen Außenumfang bzw. Durchmesser aufweisen kann, der beispielsweise der Oberseite der Rippen 15, zum Beispiel der Spitzen bzw. deren Durchmesser entspricht.
Aus 2 ist ein erster Leiter 1 in Form einer Stromschiene zu erkennen. Dieser weist eine erste Seite 3 und eine der ersten Seite entgegengesetzte zweite Seite 4 auf. Ferner ist ein Durchgangsloch 2, zum Beispiel in Form einer Bohrung, vorgesehen, die sich von der Seite 4 bis zur Seite 3 hindurch erstreckt. Dieses Loch 2 ist als sogenannter Durchzug ausgestaltet, so dass auf der ersten Seite 3 des ersten Leiters 1 ein erhabener Rand (Durchzug) 18 ausgebildet ist, der von der ersten Seite 3 des ersten Leiters 1 vorragt. Dieser kann eine kegelige Hülsenform, wie in 2a, oder eine zylindrische Hülsenform, wie in 2b, aufweisen.
Derartige Durchzüge werden vorteilhafterweise beim Einbringen des Lochs 2 in den ersten Leiter 1 mit eingebracht, indem das Material beim Einbringen des Lochs in der gewünschten Form des Durchzugs 18 bzw. des erhabenen Rands plastisch verformt wird.
In 2 ist der Zapfen 12 des zweiten Leiters 10 bereits in das Loch 2 des ersten Leiters eingeführt. Vorteilhafterweise geschieht dies derart, dass in ein vorteilhafterweise einstückig gespritztes Kunststoffgehäuse zunächst der erste Leiter 1 eingeschoben wird und in einem zweiten Schritt durch eine andere Öffnung des Gehäuses der zweite Leiter 10 eingebracht und dabei der Zapfen 12 in das Loch 2 eingefügt wird.
Dabei kann der Durchmesser des Lochs 2 auf der ersten Seite 3 des ersten Leiters 1 einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Außendurchmesser, welche durch den Steg bzw. Bund 17 bzw. die Oberseiten der Rippen 15 gebildet wird. Zum Einführen des Zapfens 12 in das Loch muss dieser daher eingepresst bzw. eingefügt werden. Bei einer weiteren Variante sollte der Durchmesser des Lochs 2 geringfügig größer sein als der Außendurchmesser des Zapfens 12, damit der Zapfen 12 vor dem Fügeprozess in der Bohrung zentriert ist.
Des Weiteren ist der Außendurchmesser des Zapfens 12 geringer gestaltet als der Durchmesser des Aufnahmebereichs 11. Dadurch wird am Übergang zwischen dem Aufnahmebereich 11 und dem Zapfen 12 eine Schulter 19 gebildet.
Im weiteren Fügeprozess gelangt die Schulter 19 mit dem erhabenen Rand 18 in Kontakt. Schreitet der Fügeprozess, der entlang der Axialrichtung A durch eine Bewegung des zweiten Leiters 10 in Richtung der ersten Seite 3 des Leiters 1 stattfindet, voran, wird der erhabene Rand 18 in Axialrichtung und Radialrichtung verformt. Dadurch dringt Material des ersten Leiters 1 in die Vertiefungen 14 zwischen den Rippen 15 ein und klemmt gleichzeitig gegen sowohl die Rippen 15 als auch den Grund der Vertiefungen 14 in Radialrichtung. Dadurch wird der Zapfen 12 nach Art einer Presspassung entlang der Axialrichtung A kraftschlüssig mit dem ersten Leiter 1 verbunden.
Des Weiteren liegen Materialanteile des ersten Leiters 1 in den Vertiefungen 14 vor, so dass der Bund 17 einen Hinterschnitt bildet und damit einen Formschluss entgegen der Fügerichtung F bildet. Gleichzeitig bilden die Rippen 15 einen Formschluss in Umfangsrichtung und die Schulter 19 einen Formschluss in Fügerichtung.
Dadurch können selbst bei vergleichsweise geringen Einpresskräften bzw. Fügekräften gute bis sehr gute Auszugskräfte realisiert werden. Des Weiteren wird eine gasdichte Verbindung mit geringem Übergangswiderstand realisiert, ohne dass zusätzliche Teile, wie beispielsweise Dichtungen oder Kontaktlamellen zum Einsatz kommen müssen.
4 stellt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform ist hier kein erhabener Rand 18 im ersten Leiter 1 vorgesehen, dafür aber im Zapfen 12 ein Loch 20, welches eine Öffnung 21 aufweist, die in den Aufnahmebereich 11 mündet sowie eine Öffnung 22 an der Stirnseite 16 des Zapfens.
Ansonsten ist der Zapfen ebenfalls mit einer Rändelung, wie sie in Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert wurde, versehen. Diese kann bei dieser Ausführungsform jedoch auch entfallen.
Das Loch 20 in dem zweiten Leiter 10 ist in einem Bereich 23 konisch ausgestaltet. Dabei verläuft dieser Bereich 23 derart, dass er sich zur Stirnseite 16 des Zapfens hin verjüngt.
Des Weiteren ist ein Aufspreizelement 30 vorgesehen. Dieses kann in Form einer Madenschraube mit selbstschneidendem Gewinde oder herkömmlichem Außengewinde oder als Stift zum Einpressen in Fügerichtung F gestaltet sein.
Auch bei dieser Ausgestaltung kann der Außendurchmesser des Zapfens 12 größer als der Innendurchmesser des Lochs 2 in dem ersten Leiter 1 ausgestaltet sein, so dass der Zapfen 12 beim Einführen eingepresst werden muss.
Das Aufspreizelement 30 ist dabei im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet und in den 4 und 5 nur zur Hälfte dargestellt.
Die Ausführungsform in 5 unterscheidet sich lediglich dadurch, dass in dem konischen Abschnitt 23 des Zapfens 12 Schlitze 24 vorgesehen sind, die diesen Abschnitt leichter aufspreizbar gestalten.
Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ist es bevorzugt auch hier zunächst den ersten Leiter 1 in einem Gehäuse zu platzieren und die elektrische Verbindung durch Einführen des zweiten Leiters elektrisch wie auch mechanisch zu verbinden. Hierfür wird zunächst der Zapfen 12 in Fügerichtung F in den ersten Leiter 1 gefügt, wodurch bereits eine kraftschlüssige Verbindung realisiert wird. Nachdem der Zapfen 12 vollständig in das Loch 2 eingefügt ist, wird das Aufspreizelement 30 in Fügerichtung F eingepresst oder eingeschraubt. Durch den konisch gestalteten Bereich 23 und das zylindrische Aufspreizelement 30 wird der Bereich 23 aufgespreizt, wie es in 4b durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, dadurch wird Material des ersten Leiters 1 in Radialrichtung verdrängt und durch das Aufspreizen ein Formschluss entgegen der Fügerichtung F realisiert. Insofern die Rändelung 13 vorgesehen ist, entsteht zusätzlich ein Formschluss in Umfangsrichtung, sowie ein Formschluss durch den Steg 17. Es versteht sich jedoch, dass auf die Rändelung 13 und/oder den Steg 17 bei dieser Ausführungsform verzichtet werden kann.
Zusätzlich wird durch die Materialverdrängung Material des ersten Leiters 1 radial gegen den Zapfen 12 gedrückt, um auch hier eine kraftschlüssige Verbindung entlang der Axialrichtung A zu realisieren oder zu unterstützen.
Desweiteren kann die Auszugkraft durch radial angebrachte Vertiefungen 14 in Form von Rillen oder Rippen erhöht werden, siehe 6a und 6b.
Auch bei dieser Ausführungsform können durch relativ geringe Fügekräfte hohe Auszugskräfte realisiert werden und eine gasdichte Verbindung ohne zusätzliche Teile gewährleistet werden.
Es versteht sich, dass verschiedenartige Abwandlungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung im Rahmen der Gesamtlehre möglich sind. Beispielsweise kann in der zweiten Ausführungsform auf die Rändelung 13 und/oder den Steg 17 verzichtet werden. Ebenso kann auch in der zweiten Ausführungsform ein erhabener Rand 18 vorgesehen sein. Darüber hinaus müssen der erste und zweite Leiter nicht als Stromschiene und Kontakthülse ausgestaltet sein. Auch ist es denkbar die vorliegende Erfindung bei gewinkelten Steckverbindern einzusetzen, die Erfindung ist aber keinesfalls auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Dementsprechend definiert sich der Schutzumfang durch die folgenden Patentansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012201123 A1 [0011]
DE 102007057443 A1 [0011]
DE 19851790 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten zumindest bereichsweise flachen Leiters (1) mit einem Loch (2), Bereitstellen eines zweiten Leiters (1), der einen Zapfen (12) mit einer Stirnseite (16) aufweist, wobei der Zapfen (12) in seinem Umfang wenigstens eine Vertiefung (14) aufweist, die vor der Stirnseite (16) endet, Einführen des Zapfens (12) in das Loch (2), plastisches Verformen des ersten Leiters (1) in einem Verformungsbereich um das Loch (2), so dass Material des ersten Leiters (1) in die Vertiefung (14) eindringt und den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verformungsbereich des ersten Leiters (1) derart plastisch verformt wird, dass der Zapfen (12) in Radialrichtung geklemmt und entlang der Mittelachse kraftschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Zapfen (12) mehrere der Vertiefungen (14) umfasst, die über den Umfang des Zapfens (12) verteilt angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Vertiefungen (14) durch Rändeln eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Verformungsbereich des ersten Leiters (1) durch eine Schulter (19) des zweiten Leiters (1), die sich an den Zapfen (12) anschließt, verformt wird während der Zapfen (12) in das Loch (2) eingeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Verformungsbereich des ersten Leiters (1) durch einen das Loch (2) umgebenden erhabenen Rand (18) gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines ersten zumindest bereichsweise flachen Leiters (1) mit einem Loch (2), Bereitstellen eines zweiten Leiters (1), der einen Zapfen (12) mit einer Stirnseite (16) aufweist, wobei der Zapfen (12) ein Loch (20) aufweist, Einführen des Zapfens (12) in das Loch (2) des ersten Leiters (1), Aufspreizen des Zapfens (12) des zweiten Leiters (1) durch Einbringen eines Spreizelements (30) in das Loch (20) des Zapfens (12), um den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Loch (20) des Zapfens (12) zum Einbringen des Spreizelements (30) auf der der Stirnseite (16) entgegengesetzten Seite offen ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Spreizelement (30) eingeschraubt oder eingepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der Zapfen (12) einen oder mehrere Schlitze (24) aufweist, die an der Stirnseite (16) offen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Loch (20) in dem Zapfen (12) zumindest abschnittsweise konisch, insbesondere sich zur Stirnseite (16) hin verjüngend, ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Zapfen (12) derart aufgespreizt wird, dass der Zapfen (12) in Radialrichtung geklemmt und entlang der Mittelachse kraftschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem der Zapfen (12) in seinem Umfang eine, vorzugsweise mehrere Vertiefungen (14) umfasst, die vor der Stirnseite (16) endet/-n, wobei Material des ersten Leiters (1) beim Aufspreizen des Zapfens (12) in die Vertiefung/-en (14) eindringt und den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Vertiefungen (14) durch Rändeln eingebracht werden.
Elektrische Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders, umfassend einen ersten zumindest bereichsweise flachen Leiter (1) mit einem Loch (2), einen zweiten Leiter (1), der einen in das Loch (2) des ersten Leiters (1) eingeführten Zapfen (12) mit einer Stirnseite (16) aufweist, wobei der Zapfen (12) in seinem Umfang wenigstens eine Vertiefung (14) aufweist, die vor der Stirnseite (16) endet, wobei Material des ersten Leiters (1) in die Vertiefung (14) eingreift und den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig, insbesondere form- und kraftschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbindet.
Elektrische Verbindung nach Anspruch 15, bei der der Zapfen (12) mehrere der Vertiefungen (14) umfasst, die über den Umfang des Zapfens (12) verteilt angeordnet sind.
Elektrische Verbindung nach Anspruch 16, bei der die Vertiefungen (14) durch eine Rändelung (13) gebildet sind, die in einem Abstand vor der Stirnseite (16) des Zapfens (12) endet.
Elektrische Verbindung, insbesondere eines Steckverbinders, umfassend: einen ersten zumindest bereichsweise flachen Leiter (1) mit einem Loch (2), einen zweiten Leiter (1), der einen in das Loch (2) des ersten Leiters (1) eingeführten Zapfen (12) mit einer Stirnseite (16) aufweist, wobei der Zapfen (12) ein Loch (20) aufweist, ein in das Loch (20) des Zapfens (12) eingebrachtes Spreizelement (30), um den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig, insbesondere kraft- und formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) zu verbinden.
Elektrische Verbindung nach Anspruch 18, bei der das Loch (20) des Zapfens (12) zumindest auf der der Stirnseite (16) entgegengesetzten Seite offen ist.
Elektrische Verbindung nach Anspruch 18 oder 19, bei der das Spreizelement kraft- und/oder formschlüssig mit dem zweiten Leiter (1) verbunden ist.
Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei der der Zapfen (12) einen oder mehrere Schlitze (24) aufweist, die an der Stirnseite (16) offen sind.
Elektrische Verbindung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei der der Zapfen (12) eine, vorzugsweise mehrere Vertiefungen (14) umfasst, die vor der Stirnseite (16) endet/-n, wobei Material des ersten Leiters (1) in die Vertiefung/-en (14) eingreift und den Zapfen (12) entlang der Mittelachse des Lochs (2) formschlüssig mit dem ersten Leiter (1) verbindet.
Gegenstand nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verformungswiderstand des ersten Leiters (1) anders, insbesondere geringer ist als der des zweiten Leiters (1).