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Die Erfindung betrifft eine lötfreie elektrische Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Stand der Technik:
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Elektrische Bauteile welche mit hohen Strömen betrieben werden, werden üblicherweise durch Löten mit Stanzgittern verbunden. Ein Stanzgitter ist ein durch Stanzen hergestellter elektrischer Leiter aus dünnen Metallbändern. In der Regel werden Stanzgitter aus Kupferlegierungen hergestellt und in weiteren Verarbeitungsschritten mit Kunststoff umspritzt oder galvanisch veredelt. Anwendungen für Stanzgitter finden sich in Bereichen, bei denen hohe elektrisch Ströme auf kleinem Raum übertragen werden müssen. Diese Verbindungen zeigen jedoch eine gewisse Ausfallrate.
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Bei der lötfreien Einpresstechnik wird hierbei eine elektrische Verbindung durch Einpressen eines Einpressstiftes in ein Stanzgitterloch hergestellt.
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Im Vergleich zu gelöteten Verbindungstechniken besitzt die Einpresstechnik eine flexiblere mechanische Belastbarkeit sowie Zuverlässigkeit. Darüber hinaus haben Einpressverbindungen gegenüber Lötverbindungen wirtschaftliche Vorteile bei der Herstellung. Der Fügeprozess erfolgt im Vergleich zum thermischen Löten schneller und kostengünstiger.
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Derartige Einpressverbindungen kommen häufig in sicherheitsrelevanten Bereichen in Kraftfahrzeugen zur Anwendung bei denen eine hohe Zuverlässigkeit gefordert ist. Es sind aber auch andere Einsatzbereiche, wie beispielsweise in Flugzeugen, Militär- oder Wasserfahrzeugen bekannt. An die eingesetzten Kontaktsysteme werden daher hohe Anforderungen an Ausfallsicherheit hinsichtlich klimatischer und mechanischer Belastungen gestellt.
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Eine gute Einpressverbindung zeichnet sich durch eine niederohmige, gasdichte Verbindung in den Kontaktflächen mit guten mechanischen Eigenschaften aus. Das bedeutet, die Verbindungen müssen so gestaltet sein, dass beispielsweise Vibrationen oder extreme Temperatur- und Umgebungsbedingungen die Zuverlässigkeit der Verbindung mittel- und langfristig nicht negativ beeinflussen.
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Der Einpressstift kann eine massive oder elastische Einpresszone besitzen, deren Geometrie im Allgemeinen herstellerspezifisch gestaltet ist. Eine elastische Einpresszone verformt sich beim Einpressen plastisch und elastisch und passt sich an den Lochdurchmesser an, ohne das Loch in unzulässiger Weise zu verformen. Bei einer massiven Einpressverbindung verformt sich ausschließlich das Loch.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 008 118 A1 ist bekannt, dass bei der Einpresstechnik der elektrische Kontakt größtenteils durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Einpresszone und dem Loch erzeugt wird. Die eingepresste elastische Einpresszone übt auf die Lochwandung eine Kraft aus, so dass es zu einer Kaltverschweißung zwischen der Oberfläche der Einpresszone und der Oberfläche der Lochwandung kommen kann. Durch diese stoffschlüssige Verbindung im Kontaktbereich kann auf Lötvorgänge verzichtet werden.
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Der Einpressstift besteht üblicherweise aus einer Kupferlegierung und ist galvanisch metallisiert. Aus der
DE 10 2009 047 043 A1 ist bekannt, dass als Schutz vor Oxidation eine OSP-Beschichtung (Organic Surface Protection) oder eine galvanische Beschichtung auf das Stanzgitter und/oder den Einpressstift aufgetragen wird.
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Gewöhnlich sind die Einpresszonen der Einpressstifte galvanisch vernickelt und verzinnt. Diese Oberflächenbeschichtung dient als Oxidationsschutz und Diffusionssperre.
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In der
DE 10 2013 111 963 ist offenbart, das Bauteil, in dem die den Einpressstift aufnehmende Ausnehmung (Loch) ausgebildet ist, im Bereich dieses Loches mit einem axial vorstehenden Kragenabschnitt auszuführen, so dass eine hinreichende Abstützung des Einpressstiftes gewährleistet ist und der Materialaufwand für das Bauteil, beispielsweise eine Leiterplatte oder ein Stanzgitter, minimal ist.
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Aus der
DE 10 2007 018 762 A1 ist eine lötfreie elektrische Verbindung bekannt, bei der ein Einpressstift in einer Ausnehmung in einem Bauteil aufgenommen ist, wobei eine Spanbildung bei einem Einpressen des Einpressstiftes in die Ausnehmung reduziert ist.
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Die
DE 10 2015 100 149 A1 offenbart eine Leiterbahn, die von einem Leiterblech, insbesondere von einem Stanzgitter gebildet wird, und eine Öffnung hat, in die ein Kontaktstift eingesetzt werden kann, wobei die Öffnung an einem oberen Ende, in Einführrichtung, eine konusförmige Fase aufweist.
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In der
DE 690 18 116 T2 ist eine lötfreie Steckverbindung mit einem Einpressstift, der in Aussparungen einer Leiterplatte eingepresst werden kann, offenbart. Die Aussparung weist eine konische Struktur auf.
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In der
EP 2 579 393 A1 ist eine Steckverbindung offenbart, die eine abgerundete Fase ausbilden kann.
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Die
DE 10 2013 013 368 A1 zeigt eine elektrische Verbindung, die in einem Bereich einer Ausnehmung eine konische Kontur aufweist.
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Nachteilig bei den vorbeschriebenen Lösungen ist, dass es beim Einpressen von elastischen Einpresszonen zu einer Beschädigung der Einpresszone kommen kann und infolgedessen eine unzureichende mechanische Stabilität in den Kontaktflächen entsteht. Zudem können die Kontaktflächen zwischen Einpresszone und der zylindrischen Fläche des Lochs zum Übertragen von höheren Strömen zu klein ausgebildet sein. Nur die optimale Abstimmung zwischen Stanzgitter und Einpresszone gewährleistet eine hochzuverlässige, niederohmige Verbindung. Es muss sichergestellt sein, dass sich eine gasdichte Verbindung zwischen Stanzgitterloch und Einpresszone ausbildet. Dabei gilt es zu beachten, dass der Einpressstift beim Einpressen keine zu große Deformation erfahren darf und vor Beschädigung geschützt wird.
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Der Einpressstift muss über eine ausreichend hohe Haltekraft im Stanzgitter verfügen und darf einen maximalen Durchgangswiderstand nicht überschreiten, damit die Einpressverbindung ausreichend mechanischen Belastungen standhält und eine zuverlässige niederohmige elektrische Verbindung darstellt.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine lötfreie elektrische Verbindung mit zuverlässiger Kontaktierung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine lötfreie elektrische Verbindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist die lötfreie elektrische Verbindung mit einem Einpressstift und einem Bauteil, vorzugsweise einem Stanzgitter, ausgeführt, das eine Ausnehmung hat, in die der Einpressstift einsetzbar ist. Erfindungsgemäß ist ein in Einsetzrichtung vorne liegender Abschnitt der Ausnehmung mit einer etwa konischen Kontur ausgeführt, deren Axiallänge mehr als 5%, vorzugsweise mehr als 20% der Axiallänge der Ausnehmung beträgt.
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Bei dieser konischen Kontur handelt es sich im Unterschied zu der beispielsweise in der
DE 10 2009 008 118 dargestellten Einpresszone nicht um eine kleine Fase, über die die Umfangskante der Ausnehmung gebrochen ist sondern um ein konstruktives Element, durch das das Einsetzen und elastische, plastische Deformieren des Einpressstiftes gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verbessert ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Ausnehmung im Anschluss an die konische Kontur einen Abschnitt mit parallelen Lochwandungen. Dabei kann das Verhältnis der Axiallängen der konischen Kontur und dem Abschnitt mit parallelen Lochwandungen größer als 0.3 gewählt werden. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Axiallängen zwischen 0.6 und 1.2.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Umfangskante der Ausmündung mit einer Art Anfasung versehen, deren Axiallänge deutlich kleiner ist als diejenige der konischen Kontur. Diese Anfasung dient somit - ähnlich wie beim Stand der Technik - lediglich zum „Brechen“ der Umfangskante.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, die Fase selbst oder den Übergangsbereich zwischen der Fase und der konischen Kontur und/oder den Übergangsbereich zwischen der konischen Kontur und dem Abschnitt mit im Wesentlichen parallelen Lochwandungen zu verrunden, so dass die Gefahr einer Beschädigung des Einpressstiftes im Bereich der Einpresszone noch weiter verringert ist.
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Die Ausnehmung des Bauteils, beispielsweise des Stanzgitters, kann im Querschnitt etwa kreisförmig, rundlich, oval, rechteckig, etwa als Vieleck oder in sonstiger Weise ausgeführt sein. Prinzipiell ist es auch möglich, die Ausnehmung an zwei gegenüber liegenden Endabschnitten im weitesten Sinn pilzförmig zu erweitern und zu verrunden, so dass die Außenkontur durch zwei parallele Flächen und zwei einander gegenüber liegende gekrümmte Flächen begrenzt ist.
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Die Umfangswandungen der Ausnehmung, insbesondere des Abschnittes mit parallelen Lochwandungen, werden vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Oberfläche eine hohe Oberflächengüte aufweist, so dass sich eine gasdichte Kontaktzone ausbilden kann.
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Die Ausnehmung kann beispielsweise durch Stanzen und Umformen, beispielsweise Prägen oder Tiefziehen hergestellt sein.
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Bei einer alternativen Lösung ist die Ausnehmung durch Bohren, Senken und/oder Fräsen hergestellt. Es ist auch möglich, die Ausnehmung durch ein thermisches Verfahren, beispielsweise Lasern oder ein chemisches Verfahren, beispielsweise Ätzen auszubilden. Selbstverständlich können die Verfahren (Umformen, spanabhebend, thermisch oder chemisch abtragen) kombiniert werden, um eine komplexere Kontur auszubilden.
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Sowohl der Einpressstift als auch zumindest die Umfangswandungen der Ausnehmung können in geeigneter Weise mit einer Beschichtung versehen sein, die je nach Umgebung gewählt ist, in der die lötfreie elektrische Verbindung genutzt wird.
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Bei den vorstehenden Ausführungen wird unter Stanzgitter im weitesten Sinn ein Bauteil verstanden, in dem eine oder mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Einpressstiften ausgebildet sind.
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Dieses Bauteil kann eine Leiterplatte, eine Stromschiene, eine Busbar, ein Stanzgitter oder dergleichen sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen lötfreien elektrischen Verbindung im noch nicht verpressten Zustand;
- 2 ein Detail E der Verbindung gemäß 1 ;
- 3 die Verbindung gemäß 1 im verpressten Zustand;
- 4 ein Detail C der Verbindung gemäß 3;
- 5 Varianten von erfindungsgemäßen Elementen und
- 6 Details M, K und L der in 5 dargestellten Verbindungen.
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1 zeigt eine lötfreie Verbindung 1 mit einem Einpressstift 2, der mit einem elektrisch leitenden Bauteil, im vorliegenden Fall einem Stanzgitter 4 durch Einpressen kontaktiert werden soll.
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Gemäß der Darstellung in 1 hat der Einpressstift 2 in an sich bekannter Weise eine Einpresszone 6, durch die ein elastisch und plastisch deformierbarer Abschnitt des Einpressstiftes 2 ausgebildet ist.
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Wie insbesondere den Darstellungen in 5 entnehmbar ist, sind diese Einpressstifte 2 vorzugsweise als Stanzteile mit parallel zur Zeichenebene in 1 verlaufenden Großflächen 30, 32 (siehe 5) ausgeführt, wobei die senkrecht zur Zeichenebene in 1 verlaufenden Kanten unter anderem die Einpresszone 6 begrenzen. Diese hat beidseitige Sicken 8, durch die zwei plastisch deformierbare Schenkel 10 ausgebildet werden. Im Übergangsbereich zu einem sich verjüngenden Endabschnitt 14 des Einpressstiftes 2 ist eine Einlaufschräge 16 ausgebildet, die zum Endabschnitt 14 hin konisch zuläuft.
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Oberhalb der Einpresszone 6 ist der eigentliche Kontaktbereich 18 des Einpressstiftes 2 vorgesehen.
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Dieser Einpressstift 2 wird in eine Ausnehmung (Loch) 20 des Stanzgitters 4 eingesetzt. Diese Ausnehmung 20 muss jedoch nicht als Durchgangsloch ausgeführt sein sondern kann prinzipiell auch als Sackloch gestaltet werden. Die Lochkontur dieser Ausnehmung 20 wird anhand 2 erläutert, die ein Detail E in 1 zeigt.
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Die Ausnehmung 20 hat gemäß 2 einen Abschnitt 22 mit parallelen Lochwandungen. Dieser Abschnitt 22 kann beispielsweise zylindrisch, mit rechteckförmigem, ovalem, quadratischem oder „pilzförmigem“ Querschnitt oder in sonstiger Weise ausgeführt sein. Weitere Erläuterungen hierzu erfolgen später anhand 5.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt 22 durch einen zylinderförmigen Teil der Ausnehmung 20 ausgebildet. Der zum Einpressstift 2 weisende Endabschnitt der Ausnehmung 20 ist als konische Kontur 24 ausgeführt und erweitert sich dementsprechend zum Einpressstift 2 (Darstellung nach 1) hin.
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Der Übergangsbereich zwischen dem Abschnitt 22 und der konischen Kontur 24 ist mit einer Verrundung 26 versehen. In entsprechender Weise ist auch die einpressstiftseitige Umfangskante der Ausnehmung 20 mit einer Verrundung 28 ausgeführt. Durch diese Verrundungen 26, 28 ist gewährleistet, dass beim Einpressen des Einpressstiftes 2 keine Beschädigung durch Abschaben oder Spanbildung erfolgt. Des Weiteren ist durch die konische Ausgestaltung der Kontur 24 in Zusammenwirken der mit auf diese auflaufenden Einlaufschräge 16 des Einpressstiftes 2 ein nahezu kontinuierliches Aufbringen der Umformkräfte während der Axialverschiebung des Einpressstiftes 2 gewährleistet.
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Die 3 und 4 zeigen die elektrische Verbindung 1 mit eingepresstem Einpressstift 2. Dieser wird zum Einpressen aus der Position in 1 in Axialrichtung in die Ausnehmung 20 hinein verschoben, wobei die Einpresszone 6 dann mit ihrer Einlaufschräge 16 auf die konische Kontur 24 aufläuft, so dass durch die damit einhergehende Keilwirkung die beiden Schenkel 10, 12 elastisch/plastisch in Radialrichtung nach innen verformt werden und sich elektrisch leitend und kraft-/formschlüssig an die Umfangswandung der Ausnehmung 20 anlegen. Dabei ist die elastische/plastische Verformung des Stanzgitters 4 im Vergleich zu derjenigen des Einpressstiftes 2 gering. Im vollständig eingepressten Zustand (3, 4) liegt die Einpresszone 6 im wesentlichen flächig an der Umfangswandung der Ausnehmung 20, insbesondere an dem Abschnitt 22 mit parallel verlaufenden Seitenwandungen an.
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Die oben liegende Verrundung 28 erleichtert dabei das Einführen des Endabschnittes 14 des Einpressstiftes 2 in die Ausnehmung 20.
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In den dreidimensionalen Darstellungen gemäß der 5 und 6 ist die Ausgestaltung des Einpressstiftes 2 und der Ausnehmung 20 in unterschiedlichen Varianten dargestellt.
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In diesen Abbildungen erkennt man deutlich die Kontur des Einpressstiftes 2, der aus einem Bandmaterial ausgestanzt ist, so dass jeder Einpressstift 2 die beiden Großflächen 30, 32 aufweist. Der eigentliche Kontaktbereich 18 dient zur Kontaktierung eines elektronischen/elektrischen Bauelementes. Im Anschluss an einen erweiterten Abschnitt des Kontaktbereiches 18 ist die beschriebene Einpresszone 6 mit den beiden die Sicken 8 begrenzenden Schenkeln 10, 12 ausgeführt. Die Einpresszone 6 ist dann über die konische Kontur 24 zum Endabschnitt 14 des Einpressstiftes 2 hin verjüngt. Diese Verjüngung erfolgt durch eine entsprechende Anschrägung der senkrecht zu den Großflächen 30, 32 verlaufenden Seitenkanten.
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Der Keilwinkel α (siehe 2) der konischen Kontur 24 und der Anstellwinkel β der konischen Einlaufschräge (siehe 1) sind auf einander abgestimmt. Dabei ist vorzugsweise der Winkel α etwas größer als der Winkel β ausgeführt.
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Die Axiallänge a der konischen Kontur 24 ist deutlich größer als die Axiallänge der Verrundung 28 ausgebildet. Je nach Dicke d (siehe 2) des Stanzgitters 4 kann das Verhältnis der Axiallängen der konischen Kontur 24 a und des Abschnittes 22 mit parallelen Seitenwandungen b (Verhältnis a:b) größer als 0.3, vorzugsweise zwischen 0.6 und 1.2 liegen, wobei das Verhältnis a:b bei relativ dünnwandigen Stanzgittern 4 kleiner sein kann als bei dickwandigeren Stanzgittern 4. Die Axiallänge a der konischen Kontur 24 ist beträgt dabei mehr als 10% der Dicke d.
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Gemäß den 5 und 6 kann die Ausnehmung 20 zur Aufnahme des Einpressstiftes 2 auf unterschiedliche Weise ausgestaltet werden, um eine hinreichend zuverlässige Kontaktierung zu ermöglichen.
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Bei der einfachsten mit M gekennzeichneten Variante ist die Ausnehmung 20 kreisförmig ausgebildet, so dass entsprechend der Abschnitt 22 zylinderförmig und die konische Kontur 24 kegel- oder trichterförmig umlaufend ausgebildet ist. Die Übergänge sind entsprechend den vorstehenden Ausführungen mit den Verrundungen 26, 28 versehen.
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Beim Einpressen des Einpressstiftes 2 in die Ausnehmung 20 gemäß Detail M erfolgt die Verpressung, Kontaktierung lediglich entlang von Zylindersegmenten des Abschnittes 22. In den außerhalb der Großflächen 30, 32 liegenden Bereiche sind die Umfangswandungen des Abschnittes 22 etwas zur Einpresszone 6 beabstandet.
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Bei den Varianten gemäß den Details K und L in 6 sind diese lichten Bereiche verkleinert.
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Das mit K gekennzeichnete Ausführungsbeispiel zeigt dabei eine Ausnehmung 20, die im weitesten Sinn rechteckförmig mit zwei parallel verlaufenden Seitenwandungen 34, 36 und zwei gekrümmten, diese beiden Seitenwandungen 34, 36 verbindenden Stirnwandungen 38, 40 ausgebildet ist, so dass sozusagen ein stirnseitig verrundetes Rechteck gebildet ist. Dabei sind wiederum eine konische Kontur 24 und ein Abschnitt 22 mit parallel verlaufenden Lochwandungen ausgebildet. Bei dieser Variante ist somit die Kontur des Loches weitgehend an die Außenkontur der Einpresszone 6 angepasst.
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6 zeigt eine Variante, bei der die Stirnwandungen 38, 40 im weitesten Sinn „pilzförmig“ über die beiden Seitenwandungen 34, 36 hinaus verlängert sind, so dass sich in jedem Verbindungsbereich zwischen einer Seitenwandung 34, 36 und einer Stirnwandung 38, 40 jeweils ein Zwickel 42 ausbildet. Bei einer derartigen Kontur ist die Verpressung und damit Kontaktierung gegenüber den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen gemäß den Details M und K nochmals verbessert.
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Wie eingangs erläutert, können auch andere Konturen gewählt werden, die eine hinreichende Verpressung und Kontaktierung gewährleisten.
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Während des Einpressvorgangs wird weder die Einpresszone 6 beschädigt, noch kommt es zu einer Spanbildung, Versuche zeigen einen sanften und konstanten Einpresskraftverlauf, welcher auf einen schonenden Einpressvorgang und ein gutes Verformungsverhalten der Einpresszonen 6 hindeutet. Die Einpressverbindungen zeigen hohe Haltekräfte mit guten elektrischen Eigenschaften. Die elektrische Verbindung hat nur geringe Leitungs- und Übergangswiderstände, sodass hohe Ströme übertragen werden können.
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Je nach vorgesehener elektrischer Belastung können die Einpressstifte 2 auch mehrere Einpresszonen 6 aufweisen, Dadurch wird die mechanische und elektrische Verbindung zum Stanzgitter 4 weiter verbessert.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Stanzgitter 4 aus einer Kupferlegierung ausgebildet ist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Lochkontur oder der Einpressstift 2 mit Zinn beschichtet ist. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass weder das Stanzgitter 4 noch der Einpressstift 2 eine Beschichtung aufweist.
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Die Lochkontur im Querschnitt kann je nach Einpressstiftausführung kreisförmig, rundlich oder oval ausgeführt sein. Es sind beispielsweise auch rechteckige oder vieleckige Geometrien denkbar. Die Lochkontur im Längsschnitt hat je nach Einpressstiftausführung im Einlauf die konische Kontur 24, die an die Einlaufschräge 16 des Einpressstiftes 2 angepasst ist. Die konische Form hat zudem den Vorteil, dass der Einpressstift 2 vor dem Einpressen zentriert wird, Dadurch können Ungenauigkeiten beim Einpressen (verdrehter oder schiefer Einpressstift) sehr gut ausgeglichen und der Einpressstift 2 vor Knickung geschützt werden.
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Nach dem die konische Kontur 24 ausbildenden konischen Einlauf 5 wirkt eine parallele Lochwandung 7 mit ausreichend hoher Oberflächengüte. Die hohe Oberflächengüte ist notwendig, damit sich die gasdichte Zone im Kontaktbereich gut ausbilden kann, Wichtig dabei ist, dass in der Kontaktfläche keine Korrosion mehr auftreten kann, die eine Beschädigung der Verbindung hervorrufen könnte.
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Alle Übergänge in der Lochkontur sind zum Verhindern von Spanbildungen und Abschabungen mit Verrundungen 26, 28 versehen.
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Je nach Stückzahl kann die Lochkontur im Stanzgitter 4 beispielsweise spanabhebend durch Bohren, Senken, Fräsen, Stanzen oder durch Umformen oder durch thermische oder chemische Verfahren, wie beispielsweise Lasern oder Ätzen hergestellt werden-., Zu beachten gilt dabei, dass das jeweilige Herstellungsverfahren die notwendigen Toleranzen einhalten und eine ausreichend hohe Oberflächengüte in der Lochkontur erzielen kann.
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Offenbart ist eine lötfreie elektrische Verbindung, bei der ein Einpressstift in eine Ausnehmung eines Bauteils, insbesondere eines Stanzgitters eingepresst wird. Die Ausnehmung hat eine konische Einlaufzone.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindung
- 2
- Einpressstift
- 4
- Stanzgitter
- 6
- Einpresszone
- 8
- Sicke
- 10
- Schenkel
- 12
- Schenkel
- 14
- Endabschnitt
- 16
- Einlaufschräge
- 18
- Kontaktbereich
- 20
- Ausnehmung
- 22
- Abschnitt
- 24
- konische Kontur
- 26
- Verrundung
- 28
- Verrundung
- 30, 32
- Großfläche
- 34, 36
- Seitenwandung
- 38, 40
- Stirnwandung
- 42
- Zwickel
- a
- Axiallänge (von 24)
- b
- Axiallänge (von 22)
- d
- Axiallänge (von 20)
