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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem blechförmigen, elektrischen Hauptleiter und einem davon abzweigenden, elektrischen Kontaktteil. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Leitungsanordnung, die sich insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug eignet.
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Stand der Technik
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Beispielsweise aus der
DE 10 2014 004 432 A1 oder der
DE 10 2014 004 433 A1 ist bekannt, dass in der Fahrzeugtechnik insbesondere zur Gewichtseinsparung versucht wird, in fahrzeugtechnischen Elektrik- und Elektroniksystemen Kupfer durch das leichtgewichtigere Aluminium zu ersetzen. Dies kann zum Beispiel durch aus Aluminium gefertigte Stromschienen, die sich im Fahrzeug beispielsweise in Stromverteilern, Sicherungskästen oder ähnlichem finden, oder durch aus Aluminium gefertigte Energie-Backbones in Form von schienenförmigen Flachleitern in die Praxis umsetzen.
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Ein im Stand der Technik bekanntes Problem ist das für den Produktlebenszyklus eines Fahrzeugs ungünstige Setz-, Kriech- und Korrosionsverhalten des Aluminiums. Durch das Setzen sinkt die Presskraft innerhalb eines verschraubten Bereichs ab, was dann zu Korrosion, zum Lösen der Verschraubung und/oder höheren Übergangswiderständen führen kann. Allein aus diesem Grund wird versucht, zwar den Flachleiter als Hauptleiter aus Aluminium zu fertigen, die Kontaktierung mit elektrischen Verbrauchern oder ähnlichem jedoch über Kontaktteile aus einem Kupferwerkstoff zu fertigen.
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Die oben genannte
DE 10 2014 004 433 A1 schlägt deshalb vor, das Kontaktteil als Verbundkörper bereitzustellen, bei dem ein erster Teil zum Beispiel aus Aluminium und ein zweiter Teil zum Beispiel aus Kupfer beseht, wobei die beiden Teile durch Walzplattieren verbunden sind. Das Kontaktteil wird dann stoffschlüssig mit dem Hauptleiter verbunden. Nachteilig daran sind die vergleichsweise hohen Kosten des walzplattierten Kontaktteils.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Möglichkeit zum möglichst dauerhaltbaren, idealerweise auch kostengünstigen, Verbinden eines Kontaktteils mit einem Hauptleiter zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, geometrisch und fertigungstechnisch einfache Kontaktpartner möglichst fluiddicht durch bloßes Umformen miteinander zu verbinden. Insbesondere gibt es keine direkte stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktpartnern, die über ein dazwischen angeordnetes Zwischenelement kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem blechförmigen, elektrischen Hauptleiter und einem davon abzweigenden, elektrischen Kontaktteil, sieht die folgenden Schritte vor:
- – Zunächst wird der aus einem ersten Werkstoff gefertigte Hauptleiter mit einem aus einem zu dem ersten Werkstoff unterschiedlichen, zweiten Werkstoff gefertigten, blechförmigen Zwischenelement stoffschlüssig verbunden. Dadurch lässt sich zum Beispiel eine auf dem Hauptleiter vorhandene Oxidschicht entfernen oder auch aufbrechen, die zum Beispiel den elektrischen Übergangswiderstand erhöhen würde. Eine solche Oxidschicht bildet sich auf der Aluminiumoberfläche unter Einwirkung von Luftsauerstoff. Die stoffschlüssige Verbindung ist zumindest weitestgehend fluiddicht.
- – Danach wird das Kontaktteil auf das Zwischenelement aufgesetzt bzw. an diesem angeordnet. Das Aufsetzen bzw. Anordnen des Kontaktteils erfolgt derart, dass das Kontaktteil von dem Hauptleiter durch das dazwischen angeordnete Zwischenelement räumlich vollständig getrennt ist. Hierzu kann das Zwischenelement eine größere Breiten- und/oder Längenerstreckung haben als das Kontaktteil, so dass eine vollständige Überlappung ohne Überstand erreicht wird.
- – Dann wird das Kontaktteil an dem Hauptleiter über das Zwischenelement durch abschnittsweises Umformen des Zwischenelements und des Hauptleiters befestigt. Dadurch wird eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung geschaffen, durch die das Kontaktteil über das dazwischen angeordnete Zwischenelement mit dem Hauptleiter verbunden ist. Die Umformung kann insbesondere auch eine fluiddichte Verbindung erzeugen.
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Dieses Verfahren ermöglicht es also auf kostenintensive, zum Beispiel walzplattierte Bimetall-Kontaktteile zu verzichten. Zudem werden durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Hauptleiter und Zwischenelement, also an einem Materialübergang, Oxidschichten entfernt, wodurch die Dauerhaltbarkeit erhöht wird. Wenn auch im Umformbereich eine fluiddichte Verbindung erzeugt wird, bildet sich weder im Bereich der stoffschlüssigen Verbindung noch im Umformbereich eine neue Oxidschicht. Insgesamt entsteht eine dauerhaft elektrisch hochleitende und mechanisch hochfeste (indirekte bzw. mittelbare) Verbindung zwischen dem Kontaktteil und dem Hauptleiter aus.
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Um eine möglichst fluiddichte Verbindung zu schaffen, ist es vorteilhaft, wenn die räumliche Trennung zwischen dem Kontaktteil und Hauptleiter auch noch während und nach dem Befestigen erhalten bleibt. Das Zwischenelement soll also nicht durchstoßen werden, wie es zum Beispiel beim Nieten oder ähnlichem der Fall wäre.
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Als ideales Verbindungsverfahren hat sich das Befestigen mittels Durchsetzfügen erwiesen. Beim Durchsetzfügen, das auch als Clinchen oder Toxen® bezeichnet wird, werden die zu verbindenden Kontaktpartner in einem Werkzeug durch einen Stempel unter plastischer Verformung in eine Matrize gedrückt. Dabei entsteht eine pilzkopfähnliche Form, wodurch die Kontaktpartner form- und kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Beachtenswert ist, dass hier drei lagig zueinander angeordnete Kontaktpartner miteinander verformt werden.
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Um die Oxidschicht insbesondere des Hauptleiters besonders einfach und gründlich zu entfernen, ist es von Vorteil, wenn das Zwischenelement durch Ultraschallschweißen mit dem Hauptleiter verbunden wird. Ultraschallschweißen von zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Dementsprechend kann in einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante der Hauptleiter aus einem Aluminiumwerkstoff, zum Beispiel einem reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gefertigt werden. Dabei hat sich Ultraschallschweißen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Für den Kontakt zum Kontaktteil und die dadurch entstehende Materialpaarung ist es vorteilhaft, wenn das Zwischenelement aus einem Kupferwerkstoff, zum Beispiel aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt wird.
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Wenn das Kontaktteil über eine das Setzen oder Kriechen begünstigende Verbindung, wie etwa eine Schraubverbindung, eine Nietverbindung oder ähnliches, mit einem elektrischen Verbraucher verbunden werden soll, ist es von Vorteil, wenn das Kontaktteil aus einem Kupferwerkstoff, zum Beispiel aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung, gefertigt wird. Denn Kupfer neigt zum Beispiel im Vergleich zu Aluminium weniger zum Setzen oder Kriechen und ist zu dem kaum korrosionsanfällig. Das Kontaktteil kann auch aus dem zweiten Werkstoff, also demselben Werkstoff wie das Zwischenelement gefertigt sein.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine elektrische Leitungsanordnung, mit wenigstens einem blechförmigen, elektrischen Hauptleiter, der aus einem ersten Werkstoff gefertigt ist, und wenigstens einem davon abzweigenden, elektrischen Kontaktteil. Die elektrische Leitungsanordnung wird vorzugsweise durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt. Der Hauptleiter ist beispielsweise eine Stromschiene eines Fahrzeug-Stromverteilers oder eine Flachleiterschiene eines Energie-Backbones oder ähnlichem. Es ist auch möglich, dass mehrere schienenförmige Hauptleiter lagig zueinander angeordnet sind, wobei sich von einem oder mehreren wenigstens ein Kontaktteil abzweigt.
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Erfindungsgemäß ist ein elektrisch leitendes Zwischenelement aus einem zu dem ersten Werkstoff unterschiedlichen, zweiten Werkstoff stoffschlüssig mit dem Hauptleiter verbunden. Zudem ist das Kontaktteil auf das Zwischenelement derart aufgesetzt oder daran angeordnet, dass das Kontaktteil durch das dazwischen angeordnete Zwischenelement räumlich vollständig von dem Hauptleiter getrennt. Zum Befestigen des Kontaktteils sind das Kontaktteil, das Zwischenelement und der Hauptleiter abschnittsweise umgeformt. Dadurch ist eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung ausgebildet.
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Idealerweise ist das Zwischenelement durch Ultraschallschweißen mit dem Hauptleiter verbunden. Auf diese Weise wird eine auf dem Hauptleiter durch dessen Material bedingt vorhandene Oxidschicht vor oder mit dem Schweißvorgang entfernt, die sonst die Verbindung zwischen den Kontaktpartnern schwächen oder deren Dauerhaltbarkeit negativ beeinflussen könnte.
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Es hat sich für eine Verbindung mit elektrischen Verbrauchern aufgrund eines gegenüber dem ersten Werkstoff besseren Setzverhaltens als vorteilhaft erwiesen, wenn das Kontaktteil aus dem zweiten Werkstoff gefertigt ist oder zumindest den gleichen Grundwerkstoff aufweist. Der zweite Werkstoff ist zum Beispiel ein Kupfer oder eine Kupferlegierung, wohingegen der erste Werkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
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Kurze Figurenbeschreibung
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Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße elektrische Leitungsanordnung, und
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2 einen Querschnitt durch einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Leitungsanordnung, wobei ein Hauptleiter, ein Kontaktteil und ein dazwischen angeordnetes Zwischenelement mittels Durchsetzfügen miteinander verbunden sind.
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Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine elektrische Leitungsanordnung 100, die sich insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug eignet. Im Fahrzeug kann die Leitungsanordnung 100 zum Beispiel in einem Stromverteiler, einem Sicherungskasten oder als Energie-Backbone kabelbaumähnlich eingesetzt werden.
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Die Leitungsanordnung 100 weist einen blechförmigen Hauptleiter 1 auf, der als schienenförmiger Flachleiter aus einem ersten Werkstoff, nämlich einem Aluminiumwerkstoff ausgeführt ist. Bei dem Aluminiumwerkstoff handelt es sich um Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Hauptleiter 1 hat bezogen auf die im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche zum Beispiel ein Seitenverhältnis (Höhe:Breite) von etwa 1:2 bis 1:10 und eine Stärke von etwa 0,5 bis 5,0 mm.
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Des Weiteren weist die Leitungsanordnung 100 ein blechförmiges elektrisches Kontaktteil 2 auf, das zur Kontaktierung von elektrischen Verbrauchern von dem Hauptleiter 1 abzweigt. Es dient also dazu, elektrische Verbraucher an den Hauptleiter 1 anzubinden. Die Abzweigung erfolgt hier exemplarisch rechtwinklig zu dem Hauptleiter 1. Das Kontaktteil 2 ist aus einem zweiten Werkstoff, nämlich einem Kupferwerkstoff, gefertigt. Somit unterscheidet sich das Kontaktteil 2 werkstofftechnisch vom Hauptleiter 1.
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Außerdem ist das Kontaktteil 2 hier beispielhaft mit einer elektrischen Leitung 3 in Form eines Kabels verbunden. Hierfür ist die an ein (nicht näher bezeichnetes) Gegenkontaktteil angebunden und zu Beispiel über eine (nur angedeutete) Schraubverbindung mit dem Kontaktteil 2 verbunden.
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Die Leitungsanordnung 100 verfügt auch über ein blechförmiges Zwischenelement 4, das zwischen dem Hauptleiter 1 und dem Kontaktteil 2 angeordnet ist. Das Zwischenelement 4 ist, wie das Kontaktteil 2, aus einem Kupferwerkstoff gefertigt, der entweder eine identische oder aber eine ähnliche Zusammensetzung wie der des Kontaktteils 2 hat. Es ist möglich, dass das Zwischenelement 4 eine geringere, identische oder größere Stärke als das Kontaktteil 2 aufweist. Eine Funktion des Zwischenelements 4 ist die räumliche Trennung des Kontaktteils 2 von dem Hauptleiter 1, so dass kein direkter Kontakt zwischen diesen beiden Kontaktpartner besteht. In 1 ist das Zwischenelement 4 mit einer Flachseite auf eine Flachseite des Hauptleiters 1 flächig aufgesetzt. Überlappend damit ist das Kontaktteil 2 auf das Zwischenelement 4 derart aufgesetzt, dass sich das Kontaktteil 2 innerhalb der Bauteilbegrenzung des Zwischenelements 4 befindet und somit vom Hauptleiter 1 räumlich getrennt ist. Das Zwischenelement 4 weist im Überlappungsbereich auch keine Materialaussparung oder ähnliches auf, sondern ist durchgängig blechförmig ausgebildet.
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Zwischen dem Hauptleiter 1 und dem Zwischenelement 4 ist eine stoffschlüssige Verbindung 5 durch Ultraschallschweißen ausgebildet. Bedingt durch das Ultraschallschweißen besteht in dem Aluminium-Kupfer-Übergang zwischen Hauptleiter 1 und Zwischenelement 4 keine Oxidschicht, da sich eine vorhandene Oxidschicht durch den Ultraschweißvorgang aufbrechen und somit entfernen lässt. Das aufgeschweißte, aus dem Kupferwerkstoff gefertigte Zwischenelement 4 verstärkt oder versteift den Hauptleiter 4 in mechanischer Hinsicht, so dass sich der Materialverbund für eine dauerhaltbare mechanische Verbindung eignet.
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Des Weiteren ist zwischen dem Kontaktteil 2 und dem Zwischenelement 4 eine formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung 6 ausgebildet, was in 1 exemplarisch an zwei Stellen gezeigt ist. Auf diese Weise ist das Kontaktteil 2 über das Zwischenelement 4 indirekt bzw. mittelbar an den Hauptleiter 1 angebunden. Die Verbindung 6 ist mittels eines Umformverfahrens, nämlich Durchsetzfügen, was auch als Clinchen oder Toxen® bezeichnet wird, ausgebildet. Durch den direkten Kontakt der zwei aus einem Kupferwerkstoff gefertigten Fügepartner, dem Kontaktteil 2 und dem Zwischenelement 4, ist die Verbindung 6 hinsichtlich des Setz- und Kriechverhaltens ausreichend fest. Dadurch ist die rein mechanische Verbindung 6 dauerhaltbar. Zudem entsteht beim Durchsetzfügen eine fluiddichte, insbesondere gasdichte, Verbindung, so dass weder zwischen dem Hauptleiter 1 und Zwischenelement 4 noch zwischen dem Kontaktelement 2 und dem Zwischenelement 4 eine Oxidschicht entsteht.
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In 2 ist die Verbindung 6 in einem lediglich schematisch dargestellten Querschnitt durch die Leitungsanordnung 100 gezeigt. Es ist erkennbar, dass auch nach dem Ausbilden der Verbindung 6 kein direkter Kontakt zwischen dem Kontaktteil 2 und dem Hauptleiter 1 besteht, da das Zwischenelement 4 diese räumlich trennt. Zwischen dem Hauptleiter 1 und dem Zwischenelement 4 besteht durch die stoffschlüssige Verbindung 5 ohnehin keine Gefahr, dass sich eine Oxidschicht (neu) bildet. Außerdem ist die Kupfer-Kupfer-Kombination zwischen dem Kontaktteil 2 und dem Zwischenelement 4 in dieser Hinsicht unproblematisch. Die Verbindung 6 ist auf bekannte Weise ausgebildet, nämlich unter Verwendung eines (hier nur schematisch angedeuteten) Stempels 7 und einer (ebenfalls nur schematisch angedeuteten) formgebenden Matrize 8. Aus 2 geht hervor, dass sich der Hauptleiter 1, das Zwischenelement 4 und das Kontaktteil 2 mit umformen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem blechförmigen Hauptleiter 1 und dem davon abzweigenden Kontaktteil 2, zum Beispiel in Form der Leitungsanordnung 100, kann wie nachfolgend beschrieben ablaufen.
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Zunächst werden die beiden Kontaktpartner, nämlich der Hauptleiter 1 und das Kontaktteil 2, jeweils in Blechform bereitgestellt. Zusätzlich wird das blechförmige Zwischenelement 4 bereitgestellt. Dann wird das Zwischenelement 4 durch Ultraschallschweißen mit einer (nicht dargestellten) Ultraschallschweißeinrichtung auf den Hauptleiter 1, beispielsweise in einem Randbereich, auf eine Flachseite desselben aufgeschweißt und damit stoffschlüssig verbunden. Dieser Verbund aus Hauptleiter 1 und Zwischenelement 4 und Kontaktteil 2 wird dann mittels Durchsetzfügen unter Verwendung des Stempels 7 und der Matrize 8 kraft- und/oder formschlüssig verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrische Leitungsanordnung
- 1
- Hauptleiter (z.B. Stromschiene, Flachleiterschiene etc.)
- 2
- Elektrisches Kontaktteil
- 3
- Elektrische Leitung
- 4
- Zwischenelement
- 5
- Stoffschlüssige Verbindung
- 6
- Kraft- und/oder formschlüssige Verbindung
- 7
- Stempel
- 8
- Matrize
