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Die Erfindung betrifft einen mehrpoligen elektrischen Verbinder, aufweisend ein erstes und ein zweites Verbinderteil, die beide als Flachkontakte ausgeführte Kontaktelemente aufweisen.
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Elektrische Verbinder beruhen zumeist auf dem Steckverbinderprinzip, bei dem ein stiftartiges Steckerteil von einem hülsenartigen Buchsenteil aufgenommen wird. Hierbei ist es erforderlich, dass zumindest eines der Verbinderteile elastische Eigenschaften, also Federelemente aufweist oder ausbildet. Da die Federelemente die mechanische Kopplung zwischen den Verbinderteilen vermitteln, bestimmen sie auch wesentlich die elektrischen Eigenschaften der elektrischen Verbindung mit. Dieses ist für Steckverbinder, die relativ kleine elektrische Ströme und Spannungen führen im Allgemeinen unproblematisch.
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Kritischer ist dies bei Steckverbinder die größere elektrische Leistungen führen, wie sie beispielsweise in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zu übertragen sind. Ein Problem hierbei ist, dass stromdurchflossene elektrische Federelemente, unter hohen Temperatur-Belastungen zu Spannungsrelaxationen neigen und dadurch auch ihre elektrischen Eigenschaften verändern können.
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Seltener als elektrische Verbinder nach dem Steckerstift-/Steckhülsen-Prinzip werden elektrische Verbinder verwendet, bei denen beide Verbinderteile Flachkontakte als Kontaktelemente aufweisen. Die deutsche Patentschrift
DE 25 58 739 C2 zeigt eine derartige Verbinderanordnung, bei der ein Verbinderteil eine bügelförmige Klemmfeder aufweist, die einen in das Verbinderteil einfügbaren Flachstecker gegen einen flachen elektrischen Leiter presst.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2014 003 113 B3 ist ein elektrischer Verbinder bekannt, der zwei Steckverbindungsteile mit Flachsteckern („Kontaktmesser”) aufweist, welche nach dem Zusammenfügen durch Klammerelemente, die durch gestapelte Lamellenkontakte ausgebildet sind, zusammengepresst werden. Der in diesem Dokument beschriebene elektrische Verbinder ist einpolig dargestellt. Bei einer mehrpoligen Ausführung eines solchen Steckverbinders dürften die zum Verbinden und Trennen der Steckverbinderteile erforderlichen Steckkräfte relativ groß sein.
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Elektrische Verbinder mit Flachkontakten werden alternativ auch mittels Schraubverbindungen, wie beispielsweise Kabelschuhverschraubungen ausgeführt. Ein Vorteil von Schraubverbindungen besteht darin, dass die Kontaktflächen von Kontaktelementen direkt und ohne Vermittlung von Federelementen in Kontakt gebracht werden können.
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Allerdings entstehen bei Kabelschuhverschraubungen aufgrund der zumeist hohen Vorspannkraft einer Schraubverbindung starke Flächenpressungen in den Kontaktzonen. Die Kontakt- und Kontaktbeschichtungsmaterialien neigen unter dem hohen Druck zum Kriechen. Somit besteht die Gefahr, dass bei einer nicht ausreichenden verbleibenden Restspannkraft sich die Verbindung lockert und auch elektrisch instabil wird. Nachteilig ist weiterhin, dass unter thermischen Belastungen aufgrund von unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der an der Verbindung beteiligten Kontaktpartner, die Vorspannkraft der Schraubverbindung sich stark erniedrigen oder sogar komplett verloren gehen kann.
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Ebenfalls nachteilig bei Schraubverbindungen ist die Einstellung der Vorspannkraft über das Anzugsdrehmoment. Das Drehmoment ist stark von Reibungseinflüssen abhängig, die eine exakte Einstellung der Vorspannkraft erschweren. Zudem ist bei mehrpoligen elektrischen Schraubverbindern das Herstellen und Lösen von mehreren Schraubverbindungen relativ aufwendig.
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Es stellte sich die Aufgabe, einen mehrpoligen elektrischen Verbinder, besonders für elektrischen Hochstromverbindungen, zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile möglichst weitgehend vermeidet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 genannte Merkmalskombination gelöst.
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Der erfindungsgemäß ausgeführte elektrische Verbinder geht von einem Verbindertyp aus, bei dem beide zu verbindenden Verbinderteile als Flachkontakte ausgeführte Kontaktelemente aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind an den Kontaktelementen profilierte Oberflächenbereiche vorgesehen, die als Kontaktflächen durch Federelemente gegeneinander gedrückt werden. Die Kontaktflächenprofile sind dabei so geformt, dass sie nach dem Zusammenfügen der Verbinderteile formschlüssige mechanische Verbindungen zwischen ersten und zweiten Kontaktelementen herstellen.
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Hierdurch ergeben sich sehr sichere elektrische Verbindungen, die gute elektrische Eigenschaften sowohl unter thermischen wie auch mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Vibrationen in einem Kraftfahrzeug, beibehalten. Hierdurch ist der elektrische Verbinder insbesondere als qualitativ hochwertiger Hochstromverbinder in Elektrofahrzeugen verwendbar.
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Besonders vorteilhaft ist, dass die Federelemente jeweils auf die den Kontaktflächen der Flachstecker gegenüberliegenden Flächen einwirken und somit selber keine stromleitenden Elemente darstellen. Daher sind sie auch keiner besonderen, durch den Stromfluss direkt verursachten thermischen Belastung ausgesetzt und verändern dadurch auch kaum ihre mechanischen Eigenschaften. Zudem beeinflussen bei dieser mechanischen Anordnung die elastischen Eigenschaften der Federelemente nur wenig die Eigenschaften der elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktelementen.
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Besonders vorteilhaft ist es, vorzusehen, dass die durch die Federelemente erzeugten Anpresskräfte im Wesentlichen erst nach dem mechanischen Zusammenfügen der Verbinderteile aufgebaut werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass Federelemente am zweiten Verbinderteil fix am Verbindergehäuse angeordnet sind und durch relativ zu diesem Verbindergehäuse verschiebbare Spannelemente an die Kontaktelemente angepresst werden können.
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Vorteilhaft ist, dass über die Spannelemente die für elektrisch hochwertige und sichere Kontaktierungen erforderlichen hohen Spann- bzw. Klemmkräfte aufgebracht werden können. Besonders vorteilhaft ist, dass die Verschiebung der Spannelemente über ein Fixiermittel erfolgen kann, durch dessen Betätigung zugleich die Verbinderteile mechanisch aneinander fixiert werden können. Das Fixiermittel kann vorteilhaft durch eine Fixierschraube oder alternativ auch durch einen Mechanismus mit einem Keil oder einem Hebel realisiert sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der Zeichnung hervor. Es zeigen
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1 einen elektrischen Verbinder,
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2 ein zweites Verbinderteil in einer Schnittansicht,
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3 ein erstes Verbinderteil in einer Schnittansicht,
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4 zwei zusammengefügte Verbinderteile im Schnitt,
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5 zwei vollständig verbundene Verbinderteile im Schnitt,
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6 eine Seitenansicht des zweiten Verbinderteils,
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7 eine Seitenansicht des ersten Verbinderteils,
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8 eine Seitenansicht der zusammengefügten Verbinderteile,
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9 mehrere Ansichten von profilierten Kontaktelementen.
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Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen, aus zwei Verbinderteilen 100, 200 zusammengefügten zweipoligen elektrischen Verbinder in einer Schnittansicht. Einzelne Details sind deutlicher in den 2 und 3 erkennbar, welche die beiden Verbinderteile 100, 200 in Einzelansichten darstellen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher zunächst gemeinsam auf die 1 bis 3. Der dargestellte zweipolige Verbinder kann vorzugsweise zum Verbinden von Hochstromleitungen in einem Elektrofahrzeug vorgesehen sein.
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In der 1 dargestellt ist eines von zwei vorgesehenen Paaren von Kontaktelementen 103, 203, die als Flachkontakte ausgebildet sind. Oberflächenabschnitte der Kontaktelemente 103, 203 bilden jeweils Kontaktflächen 104, 204 aus, die bei miteinander verbundenen Verbinderteilen 100, 200 aneinander liegen und durch ein beide Kontaktelemente 103, 203 übergreifendes Federelement 206 aneinandergepresst werden.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht des ersten Verbinderteils 100. Das Verbinderteil 100 bildet hier beispielhaft einen sogenannten Aggregateanschluss aus, der Steckanschlüsse an der Außenseite eines massiven Gehäuse- oder Karosseriekörpers aufweist, welcher dadurch zugleich ein erstes Verbindergehäuse 101 ausbildet. Als Anschlussmittel ist eine zweipolige Kontaktleiste 102 zugänglich, die zwei als Flachkontakte ausgeführte erste Kontaktelemente 103 trägt. Die ersten Kontaktelemente 103 sind, bis auf jeweils eine freiliegende Kontaktfläche 104 von einem Isolierkörper 106 umgeben. Der Isolierkörper 106 bildet zudem parallel zu den Kontaktflächen 104 jeweils einen Berührschutzsteg 107 aus. Zwischen den Kontaktelementen 103 und den Berührschutzstegen 107 gibt es jeweils einen Zwischenraum 111, dessen Breite passend zur Dicke eines anzufügenden zweiten Kontaktelements 203 des zweiten Verbinderteils 200 ausgebildet ist. An den obenliegenden Öffnungen der Zwischenräume 111 bildet der Isolierkörper 106 angeformte Anschrägungen 108 aus, die das Einfügen von zweiten Kontaktelementen 203 in die Zwischenräume 111 unterstützen, dabei aber eng genug sind, um Fingerberührungen der ersten Kontaktelemente 103 zu verhindern. Zwischen den ersten Kontaktelementen 103 weist der Isolierkörper 106 eine Schraubbuchse 109 mit einem eingeformten Schraubgewinde 110 auf.
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Das zweite Verbinderteil 200, dargestellt in der 2, weist ein zweites Verbindergehäuse 201 und einen darin fest angeordneten Kontaktträger 202 auf. Der Kontaktträger 202 befestigt, vorzugsweise durch abschnittsweise Umspritzungen, zwei als Flachkontakte ausgebildete zweite Kontaktelemente 203, von denen eines in der 2 bildlich dargestellt ist.
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Die Längserstreckungsrichtung der zweiten Kontaktelemente 203 verläuft hier senkrecht zur Zeichenebene; im Gegensatz zur Längserstreckungsrichtung der ersten Kontaktelemente 103 am ersten Steckverbindungsteil 100, die parallel zur Zeichenebene ausgerichtet ist. Die Kontaktelemente 103, 203 der beiden Verbinderteile 100, 200 weisen dadurch senkrecht zueinander ausgerichtete Anschlussabgangsrichtungen auf, so dass der hier dargestellte Verbinder einen Winkelverbinder ausbildet. Diese Ausführung ist allerdings rein beispielhaft; als eine alternative, hier nicht dargestellte, Ausführung ist auch ein Verbinder mit Verbinderteilen, deren Kontaktelemente parallel zueinander fluchtend miteinander verbunden werden, ohne weiteres realisierbar.
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In der 2 ist an der oberen Außenseite des zweiten Verbindergehäuses 201 der Schraubenkopf 211 einer Fixierschraube 209 erkennbar. Die Fixierschraube 209 erstreckt sich in das Innere des Verbindergehäuses 201 und weist am freien Ende des Schraubenschafts einen Gewindeabschnitt 210 auf. Vor dem Gewindeabschnitt 210 ist eine Ringnut 213 in den Schraubenschaft eingeformt, über die eine Niederhaltevorrichtung 207 drehbeweglich mit der Fixierschraube 209 gekoppelt ist. Die Niederhaltevorrichtung 207 ist in Richtung der Längsachse der Fixierschraube 209 beweglich im zweiten Verbindergehäuse 201 angeordnet und weist an ihren Seitenabschnitten federnde Spannelemente 208 auf.
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Um die zweiten Kontaktelemente 203 herum ist jeweils ein mit dem Kontaktträger 202 verbundenes Federelement 206 angeordnet, von denen in der 2 nur eines bildlich dargestellt ist. Jedes Federelement 206 weist in einer symmetrischen Anordnung zwei über einen Verbindungssteg 261 miteinander verbundene Federarme 262 auf, die sich in ihren Mittelabschnitten 263 abgerundet nach innen aufeinander zu wölben und an ihren Endabschnitten jeweils eine Abrundung 264 nach außen aufweisen. Jeweils einer der Mittelabschnitte 263 jedes Federelements 206 liegt an einer Seitenfläche eines zweiten Kontaktelements 203 an. Die Federelemente 206 öffnen sich zur Unterseite des zweiten Verbinderteils 200, so dass sie beim Zusammenfügen des ersten und des zweiten Verbinderteils 100, 200 über die die Kontaktelemente 103, 203 abdeckenden Teile des Isolierkörpers 106 und die Außenseiten der Berührschutzstege 107 geschoben werden können.
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Die 6 und 7 zeigen die Verbinderteile 100, 200 in jeweils einer Seitenansicht. Gemäß der 7 weisen die Seitenwände 161 des Isolierkörpers 106 – wie übrigens auch die in diesen Figuren nicht erkennbaren Berührschutzstege – jeweils zwei eingeformte Ausnehmungen 162 auf. Nach dem Zusammenfügen der Verbinderteile 100, 200, greifen, wie die 8 zeigt, die Mittelabschnitte 263 der Federarme 262 in die Ausnehmungen 162 ein.
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Die Federarme 262 liegen so direkt an den äußeren Flächen der Kontaktelemente 103, 203 an und drücken die einander zugewandten Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203 federbelastet gegeneinander. Der sich so ergebende Verbindungszustand ist besonders deutlich in den 1 und 4 erkennbar.
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Durch das Zusammenfügen der Verbinderteile 100, 200 werden bereits mechanische und elektrische Verbindungen zwischen den Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203 hergestellt. Um diese Verbindungen besonders hochwertig und zudem unempfindlich gegen mechanische Belastungen auszubilden, sind auf den Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203 Kontaktflächenprofile vorgesehen. Des Weiteren kommen Spannelemente 208 zur Anwendung, welche die Federelemente 206 verstärkt gegen die Kontaktelemente 103, 203 pressen.
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9 zeigt beispielhaft mögliche Ausführungen von jeweils zwei miteinander verbundenen Kontaktelementen 103, 203. Erkennbar ist, dass die einander berührenden Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203 Kontaktflächenprofile 105a, 105b, 105c, 205a, 205b, 205c aufweisen, welche nach dem Aneinanderfügen formschlüssig ineinandergreifen. Zur Verdeutlichung zeigt die 9 drei beispielhafte Ausführungen a), b) und c) in jeweils einer Draufsicht und einer Schnittansicht.
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In der Ausführung a) ist in die Kontaktfläche 104 des ersten Kontaktelements 103 eine Abfolge von rinnenartigen Erhebungen und Vertiefungen eingeformt. Entsprechend geformt, allerdings um 90° gedreht, ist auch das Kontaktflächenprofil 205a der Kontaktfläche 204 des zweiten Kontaktelements 203, so dass bei rechtwinklig aneinander gefügten ersten und zweiten Kontaktelementen 103, 203 die so gebildeten rinnenförmigen Kontaktflächenprofile 105a, 205a der Kontaktflächen 104, 204 passgenau ineinandergreifen. Hierdurch ergibt sich zwischen den Kontaktelementen 103, 203 eine formschlüssige Verbindung. Dieses erfordert allerdings ein präzise Zusammenführen der Kontaktelemente 103, 203 beim Zusammenfügen der Verbinderteile 100, 200. Vorteilhaft ist, dass die hierdurch geschaffene Verbindung sowohl mechanisch als auch elektrisch sehr stabil ist, da die relative Lage der Kontaktelemente 103, 203 nur noch senkrecht zu den Kontaktflächen 103, 203, sowie entlang der Verbindungsrichtung der Verbinderteile 100, 200 verändert werden kann, was aber auf einfache Weise durch mechanische Mittel blockierbar ist.
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Die beiden weiteren Ausführungsbeispiele b) und c) zeigen, dass auch alternative Kontaktflächenprofile 105b, 105c, 205b, 205c vorgesehen werden können um passende Formschlüsse zu erzeugen. In der Ausführung b) sind in die zusammengefügten Kontaktelemente jeweils kalottenförmige Kontaktflächenprofile 105b, 205b eingeprägt sind; die Ausführung c) zeigt aneinandergefügte Kontaktelemente, bei denen Kontaktflächenprofile 105c, 205c mit angeformten Noppenstrukturen aneinanderliegen. Diese Kontaktflächenprofile 105b, 205b 105c, 205c sorgen, je nach eingebrachter Profiltiefe und Formgebung, für eine formschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203.
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Solche formschlüssige Verbindungen sind äußerst stabil, insbesondere dann, wenn die Kontaktverbindung durch eine senkrecht zu den Kontaktflächen 104, 204 wirkende Kraft belastet, welche die Kontaktflächenprofile 105a, 105b, 105c, 205a, 205b, 205c eng aneinanderfügt und deren Oberflächenstrukturen miteinander verschränkt. Eine solche Krafteinleitung ist bei dem hier beschriebenen Verbinder beim Zusammenfügen der Verbinderteile 100, 200 durch das Anfügen der Federelemente 206 vorgesehen.
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Durch das Aufsetzen des zweiten Verbindergehäuses 201 des in der 2 dargestellten zweiten Verbinderteils 200 auf das Verbindergehäuses 101 des in der 3 dargestellten erste Verbinderteils 101 entsteht der in der 4 dargestellte Verbindungszustand, in dem die Verbinderteile 100, 200 zwar bereits zusammengefügt, aber noch nicht vollständig aneinander fixiert sind.
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Ein positionsgenaues Zusammenfügen kann auf bekannte Weise durch eine bereichsweise komplementäre Formgebung der Verbindergehäuse 101, 201 unterstützt werden. Beim Zusammenfügen werden insbesondere die Kontaktelemente 203 des zweiten Verbinderteils 200 in die Zwischenräume 111 zwischen die Kontaktelemente 103 und den dazu parallelen Berührschutzstegen 107 am ersten Verbinderteil 100 eingeschoben. Hierdurch liegen nun die Kontaktflächen 104, 204 der Kontaktelemente 103, 203 berührend aneinander an. Beim Zusammenfügen der Verbinderteile 100, 200 schieben sich zudem die Federelemente 206 mit ihren offenen Seiten über den Isolierkörper 106 und die Berührschutzstege 107 des ersten Verbinderteils 100.
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Wie die 4 zeigt, liegt nach dem Aneinanderfügen des ersten und des zweiten Verbindergehäuses 101, 201 das Ende des Schaftes der Fixierschraube 209 an der Schrauböffnung der Schraubbuchse 109 an. Der Schraubenkopf 211 ist dadurch ein Stück weit von der Außenseite des zweiten Verbindergehäuses 201 abgehoben. Die mit der Fixierschraube 209 verbundene Niederhaltevorrichtung 207 befindet sich dadurch in einer Position relativ nah unter der oberen Innenseite des zweiten Verbindergehäuses 201 und relativ weit von der Schraubbuchse 109 am ersten Verbindergehäuse 101 entfernt.
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Durch Drehen des Schraubenkopfes 211 wird der Gewindeabschnitt 210 der Fixierschraube 209 in das Schraubgewinde der Schraubbuchse 109 eingeschraubt, bis der Schraubenkopf 211 dicht an der Außenseite des zweiten Verbindergehäuses 201 anliegt. Hierdurch entsteht der in der 5 abgebildete Verbindungszustand, in dem das erste und das zweite Verbinderteil 100, 200 aneinander durch die Schraubverbindung fixiert sind. Vorteilhaft ist, dass unabhängig von der Polzahl des elektrischen Verbinders immer nur eine einzige Schraubverbindung zu befestigen oder zu lösen ist, um die Verbinderteile 100, 200 aneinander zu fixieren oder voneinander zu trennen.
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Beim Festziehen der Fixierschraube 209 verschiebt sich zugleich die mit der Fixierschraube 209 verbundene Niederhaltevorrichtung 207 innerhalb der Verbindergehäuse 101, 201. Hat die Fixierschraube 209 schließlich ihre Endposition erreicht, so befinden sich die an der Niederhaltevorrichtung 207 angeordneten Spannelemente 208 auf Höhe der nach außen gerundeten Abschnitte 264 der Federelemente 206, wodurch deren Federarme 262 jeweils von beiden Seiten gegeneinander verschoben und an die Kontaktelemente 103, 203 angepresst werden. Dabei können ohne großen Kraftaufwand relativ starke Anpresskräfte auf die Kontaktelemente 103, 203 ausgeübt werden, da die Anpresskräfte mit einer relativen hohen Kraftübersetzung beim Herstellen der Schraubverbindung erzeugt werden.
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Vorteilhaft ist, dass das Zusammenfügen der Verbindergehäuse 101, 201 und der Kontaktelemente 103, 203 nahezu kraftfrei erfolgen kann, während die Anpresskräfte der Federelemente 206 erst mit dem Fixieren der Verbindergehäuse 101, 201 erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die Anpresskräfte wegen der erwähnten Kraftübersetzung durch die Fixierschraube 209 ohne großen Kraftaufwand und damit relativ komfortabel erzeugt werden können. Dabei sind die Anpresskräfte vorteilhafterweise ausschließlich von der Position der Niederhaltevorrichtung 207 und nicht vom Anzugsdrehmoment der Fixierschraube 209 abhängig.
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Die starken Anpresskräfte stabilisieren das Ineinandergreifen der Kontaktflächenprofile 105a, 105b, 105c, 205a, 205b, 205c der Kontaktflächen 104, 204 und schaffen damit elektrische Verbindungen, die auch unter mechanischen Belastungen sehr stabil und sicher sind.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- erstes Verbinderteil
- 101
- erstes Verbindergehäuse
- 102
- Kontaktleiste
- 103
- (erstes) Kontaktelement
- 104
- (erste) Kontaktflächen
- 105a, 105b, 105c
- Kontaktflächenprofile
- 106
- Isolierkörper
- 107
- Berührschutzsteg
- 108
- Anschrägungen
- 109
- Schraubbuchse
- 110
- Schraubgewinde
- 111
- Zwischenräume
- 161
- Seitenwände
- 162
- Ausnehmungen
- 200
- zweites Verbinderteil
- 201
- zweites Verbindergehäuse
- 202
- Kontaktträger
- 203
- (zweites) Kontaktelement
- 204
- (zweite) Kontaktflächen
- 205a, 205b, 205c
- (zweite) Kontaktflächenprofile
- 206
- Federelement
- 207
- Niederhaltevorrichtung
- 208
- Spannelemente
- 209
- Fixierschraube (Fixierelement)
- 210
- Gewindeabschnitt
- 211
- Schraubenkopf
- 213
- Ringnut
- 261
- Verbindungsteg
- 262
- Federarme
- 263
- Mittelabschnitte
- 264
- Abrundungen (abgerundete Abschnitte)
- 105a, 205a
- rinnenförmige Kontaktflächenprofile
- 105b, 205b
- kalottenförmige Kontaktflächenprofile
- 105c, 205c
- noppenförmige Kontaktflächenprofile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2558739 C2 [0004]
- DE 102014003113 B3 [0005]
