DE102017217332A1

DE102017217332A1 - Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung

Info

Publication number: DE102017217332A1
Application number: DE102017217332.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schautzgy; Yuriy Ivanov
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung auf einem Schwingprüfstand (5, 31, 12), wobei die Steckverbindungen zumindest einen Kontaktstift (11) und eine Kontaktbuchse (21) aufweisen, und in einem ersten Schritt (S1) ein optischer Zugang zur Kontaktzone (K) zwischen Kontaktstift (11) und Kontaktbuchse (21) hergestellt wird. In einem zweiten Schritt (S2) werden vorgegebene Vibrationsbelastungen durch den Schwingprüfstand an die elektrische Steckverbindung angelegt, und in einem dritten Schritt (S3) erfolgt eine optische Messung der durch die Vibrationsbelastungen entstandenen Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift (11) und Kontaktbuchse (21).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung.
Elektrische Steckverbindungssysteme im Fahrzeugumfeld unterliegen im Fahrbetrieb neben Temperaturbelastungen auch Vibrationsbelastungen, welche durch Motor-, Getriebe- und Fahrbahnanregungen verursacht werden. Diese können zu relativen Verschiebungen zwischen den Kontaktpartnern, also z.B. Kontaktstift und Kontaktbuchse, führen. Die Relativbewegungen verursachen lokale Verschleißbeanspruchungen in der Kontaktzone der Kontaktpartner, die in Abhängigkeit vom Schichtaufbau der Kontaktsysteme zu Reibkorrosion und somit zum elektrischen Ausfall der Verbindungen führen.
Im Rahmen von Schwingprüfungen auf elektrodynamischen Schwingprüfständen werden die Funktion und Lebensdauer derartiger vibrationsbelasteter Komponenten geprüft und nachgewiesen. Die Annahme der Proportionalität zwischen Beschleunigung und Beanspruchung ist insbesondere bei resonanzbehafteten Systemen oftmals nicht gegeben, wodurch die in der Praxis gängigen Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer nur bedingt anwendbar sind. Unter Lebensdauer werden hier die Schwingspiele bis zum Ausfall des Systems verstanden.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen auf Basis des Verschleißverhaltens bereitzustellen, durch welches die genannten Nachteile überwunden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung auf einem Schwingprüfstand, wobei die Steckverbindungen zumindest einen Kontaktstift und eine Kontaktbuchse aufweisen, und in einem ersten Schritt ein optischer Zugang zur Kontaktzone zwischen Kontaktstift und Kontaktbuchse hergestellt wird, der die Funktion der elektrischen Verbindung nicht beeinflusst. In einem zweiten Schritt werden vorgegebene Vibrationsbelastungen durch den Schwingprüfstand auf die elektrische Steckverbindung aufgebracht, und in einem dritten Schritt erfolgt eine optische Messung der durch die Vibrationsbelastungen entstandenen Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift und Kontaktbuchse durch den optischen Zugang. Zeitgleich kann der elektrische Übergangswiderstand der optisch vermessenen Kontakte über eine Vierleitermesstechnik erfasst werden, sowie zusätzlich die Antwortbeschleunigungen an der äußeren Struktur der Steckverbindung über Beschleunigungssensoren gemessen werden.
Speziell im Bereich des Getriebes ist es sicherheitsrelevant, dass elektrische Steckverbindungen eine möglichst geringe Ausfallwahrscheinlichkeit haben. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann eine einfache und robuste und rückwirkungsfreie Messung und Auswertung von relativen Kontaktbewegungen von Steckverbindungen unter Vibrationsbelastungen erfolgen.
In einer Ausführung erfolgt in einem weiteren Schritt ein Vergleich zwischen den erfassten Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift und Kontaktbuchse, der Antwortbeschleunigung an der äußeren Struktur und dem gemessenen elektrischen Übergangswiderstand der elektrischen Kontakte der Steckverbindung. Am Wert des elektrischen Übergangswiderstands kann sehr gut festgestellt werden, wann die Steckverbindung schlechter wird bzw. ein Ausfall erfolgt.
In einer Ausführung wird die optische Messung bei Erreichen eines vorgegebenen Werts des elektrischen Übergangswiderstands beendet. Wenn ein vorgegebener Grenzwert erreicht ist, ab dem ein Ausfall angenommen oder festgelegt ist, sind keine weiteren Messungen nötig. Somit kann Zeit eingespart und eine größere Anzahl an Steckverbindungen geprüft werden.
In einer Ausführung basiert die optische Messung auf digitaler Grauwertkorrelation. Dieses Messverfahren ist etabliert, wird aber vorwiegend in der Werkstoffprüfung angewendet. Durch das Freilegen der Kontaktzone der beweglichen elektrischen Kontakte kann es auch für die vorliegende Erfindung angewendet werden.
In einer Ausführung wird im dritten oder einem nachfolgenden Schritt die Beschleunigung an der äußeren Struktur der Steckverbindung gemessen. Durch Messen weiterer Parameter kann ein umfangreicheres Bild der Belastungen und des Schädigungsverhaltens der Steckverbindung bei Vibrationsbelastung erstellen. Somit können weitere Verbesserungen vorgenommen werden, um die Belastbarkeit der Steckverbindung zu erhöhen.
In einer Ausführung erfolgt die Messung des elektrischen Übergangswiderstands mittels einer Vierleitermessung. In einer Ausführung werden als Kontaktbewegungen translatorische und/oder rotatorische Bewegungen gemessen. Je mehr unterschiedliche Parameter ermittelt werden, desto besser kann die Bestimmung der Lebensdauer der Steckverbindung erfolgen.
In einer Ausführung ist die elektrische Steckverbindung eine hochpolige Steckverbindung mit Niederdruckkontaktsystem. In einer Ausführung wird die elektrische Steckverbindung in einem Fahrzeug verwendet und verfügt über eine fahrzeugseitige und/oder getriebeseitige Steckverbindung. Bei der Verwendung von Steckverbindungen im Fahrzeug, vor allem im Getriebe- und Antriebsstrang-Umfeld, ist es alleine aus Sicherheitsgründen nötig, einen genauen Überblick über die Belastbarkeit von Steckverbindungen zu haben. Ein Ausfall einer Steckverbindung, bspw. Signalabbruch, kann im schlimmsten Fall zu einem Unfall führen, so dass es wichtig ist, dass Vibrationsbelastungen möglichst wenig Einfluss auf die Steckverbindung haben. Dies kann durch das vorgeschlagene Verfahren getestet werden, so dass verbesserte Steckverbindungen bei Bedarf entwickelt und geprüft werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung, bei der das Verfahren angewendet wird, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Kern der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung und Absicherung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung auf Basis lokaler Verschleißbeanspruchungen auf Schwingprüfständen bereitzustellen. Genauer kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die lokale Beanspruchung, d.h. die Relativbewegung, dem Anstieg des elektrischen Übergangswiderstandes gegenübergestellt werden, insbesondere bis zum Erreichen eines Ausfallkriteriums.
Dieses Verfahren kann beispielsweise bei einer hochpoligen Steckverbindung mit Niederdruckkontaktsystemen angewendet werden. Hierzu wird eine Versuchs- und Auswertemethodik angewendet, die es ermöglicht, die dynamische Änderung der Relativbewegung der Kontaktelemente unter Vibrationsbelastung z.B. an einem elektrodynamischen Schwingprüfstand messtechnisch zu ermitteln.
In 1 ist eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung, bei der das Verfahren angewendet wird, schematisch dargestellt. Dargestellt ist ein Steckergehäuse 1 (gestrichelter Bereich in 1) mit einem festen Kontaktstift 11, der in eine korrespondierende Kontaktbuchse 21 eingesteckt ist. Die Kontaktbuchse 21 ist in einem Buchsengehäuse bzw. Stecker 2 (gepunkteter Bereich in 1) angeordnet und über eine Klemm- bzw. Crimpverbindung 22 mit einem Kabel 3 nach außen hin verbunden. Das Kabel 3 wiederum ist an einer Abfangstelle 31 in einem vorgegebenen Abstand D vom Ende der Kontaktbuchse 21 befestigt bzw. gehalten. Ebenso ist das Steckergehäuse 1 an einer entsprechenden Aufspannvorrichtung 12 befestigt. Die Aufspannvorrichtung 12 und die Abfangstelle 31 sind an einer Anregungsvorrichtung 5, auch Shaker genannt, befestigt. Der Abstand D wird mindestens so gewählt, dass der Stecker 2 während der Vibrationsbelastung frei beweglich ist, also auch nicht die Abfangstelle 31 berühren kann. Durch diese Anordnung wird der Aufbau in einem Fahrzeug wiedergegeben.
Die gesamte Vorrichtung, welche zum Prüfen der Steckverbindung dient, also der Verbindung zwischen Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21, wird auch als (elektrodynamischer) Schwingprüfstand bezeichnet. Die Anregungsvorrichtung 5 dient dabei dazu, die Steckverbindung mit definierten Vibrationsbelastungen, also einer vorgegebenen Amplitude a und Frequenz f, zu beaufschlagen. Dabei entstehen Bewegungen in z-Richtung z für das Gesamtsystem, welche zu rotatorischen Kontaktbewegungen φ(t) und translatorischen Kontaktbewegungen Δy(t) im Inneren der Steckverbindung führen. Diese Bewegungen können dazu führen, dass Verschiebungen zwischen den Kontaktpartnern, also Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21, entstehen. Diese Relativbewegungen können lokale Verschleißbeanspruchungen in der Kontaktzone K zwischen den Kontaktpartnern 11 und 21 verursachen. Dies kann dazu führen, dass die Kontakte beschädigt werden, z.B. durch Verschleiß und Reibkorrosion, was letztendlich zu einem Ausfall der Steckverbindung durch Widerstandsanstieg führen kann.
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand des in 2 dargestellten schematischen Ablaufdiagramms beschrieben. Um die Kontaktbewegungen im Inneren der Steckverbindung, also zwischen Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21, zu ermitteln, wird in einem ersten Schritt S1 ein optischer Zugang zur Kontaktzone K geschaffen. Das heißt, dass die elektrischen Kontakte, also Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21, freigelegt werden. Dabei wird darauf geachtet, dass die Funktionalität der Verbindung weiterhin gegeben ist. Das Freilegen kann bereits vor Einbringen der Steckverbindung in den elektrodynamischen Schwingprüfstand erfolgen, also vor Befestigen an der Anregungsvorrichtung 5. Das heißt, dass das Steckergehäuse 1 und der Stecker 2 an den entsprechenden Stellen bereits vorher bearbeitet werden können, um den Kontaktstift 11 und die Kontaktbuchse 21 separat freizulegen, so dass diese dann zusammengesteckt werden und in den elektrodynamischen Schwingprüfstand eingebracht werden. Oder Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21 werden zu der Steckverbindung zusammengefügt und die Kontaktzone K wird dann freigelegt. Dies kann erfolgen, bevor die Steckverbindung in den Schwingprüfstand eingebracht wird oder nachdem sie dort befestigt wurde.
In einem zweiten Schritt S2 werden vorgegebene Vibrationsbelastungen wie oben beschrieben an die Vorrichtung angelegt, wenn die Steckverbindung auf dem elektrodynamischen Schwingprüfstand angeordnet ist.
In einem dritten Schritt S3 erfolgt dann die Messung der Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21 verursacht durch die aufgebrachten Vibrationsbelastungen. Hierzu wird eine optische Messvorrichtung 4 verwendet, z.B. das Messgerät „High Speed ARAMIS“ von der Firma GOM GmbH. Die Messung erfolgt, indem die Kontaktbewegung zwischen Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21 an bestimmten Messpunkten, in 1 beispielhaft dargestellt und mit A bzw. B gekennzeichnet, aufgezeichnet wird. Die Auswertung kann in der Regel bereits im Messgerät oder für das Messgerät implementierten Auswertesoftware automatisiert erfolgen und ausgewertet werden. Der zweite Schritt S2 und der dritte Schritt S3 können auch zeitgleich durchgeführt werden.
Bei dem beschriebenen verwendeten Messgerät „High Speed ARAMIS“ handelt es sich um eine optische Messtechnik basierend auf digitaler Grauwertkorrelation, welche hauptsächlich in der Werkstoffprüfung Anwendung findet und für das beschriebene Verfahren sehr gut geeignet ist. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt, das beschriebene Messgerät zu verwenden. Vielmehr kann jede geeignete optische Messtechnik auf Basis der digitalen Grauwertkorrelation verwendet werden.
Weitere erfasste Messgrößen können der elektrische Übergangswiderstand sowie die Beschleunigung an der äußeren Struktur der Steckverbindung sein.
Vorteil der optischen Messung ist, dass diese rückwirkungsfrei durchgeführt werden kann und auch bei sehr kleinteiligen Aufbauten wie in dem beschriebenen Fall der hochpoligen Steckverbindung mit Niederdruckkontaktsystemen eingesetzt werden kann. Somit kann das Verhalten der relativen Kontaktbewegung, also Art, Größe und auch Frequenz zwischen Kontaktstift 11 und Kontaktbuchse 21 bei einer Dauerschwingbelastung dem Anstieg des gemessenen elektrischen Übergangswiderstands gegenübergestellt werden. Der Ablauf ist vorteilhaft über entsprechende Skripte automatisiert. Nach Erreichen eines vorgegebenen elektrischen Ausfallkriteriums, z.B. Erreichen eines vorgegebenen Widerstands, kann ein automatisches Beenden der Messung bzw. Auswertung erfolgen.
Der als weitere Messgröße ermittelte elektrische Übergangswiderstand kann bei Anwendung des Verfahrens als Vergleichsgröße verwendet werden, da er mit zunehmendem Verschleiß bzw. Degradation der Kontaktstellen ansteigt, da bei zunehmendem Verschleiß der Kontaktstellen je nach deren Material/Schichtaufbau hochohmige Schichten entstehen. Sobald der elektrische Übergangswiderstand einen bestimmten Wert angenommen hat, welcher abhängig von der Art und dem Material der Kontaktstellen ist, wird ein Ausfall der Kontaktstelle angenommen. Den Wert, ab dem ein Ausfall angenommen wird, bestimmt der Fachmann und ist von der Applikation abhängig. Die Messung des elektrischen Übergangswiderstands während der Vibrationsbelastung erfolgt beispielsweise durch dem Fachmann bekannte Vierleitermesstechnik. Es können noch weitere erfasste Messwerte wie die oben beschriebene Beschleunigung zur Auswertung herangezogen werden. Durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Messwerte kann ein gesamthafteres Bild über das Ausfallverhaltender Kontaktstellen ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Stiftgehäuse
11: Kontaktstift
12: Aufspannvorrichtung
2: Stecker bzw. Buchsengehäuse
21: Kontaktbuchse
22: Crimp- bzw. Klemmverbindung
3: Kabel
31: Abfangstelle
4: Optische Messvorrichtung
5: Anregungsvorrichtung bzw. Shaker
D: Abstand Steckerende zu Abfangstelle
A, B: Messpunkte
K: Kontaktzone
φ(t): rotatorische Kontaktbewegungen
Δy(t): translatorische Kontaktbewegungen

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer elektrischer Steckverbindungen unter Vibrationsbelastung auf einem elektrodynamischen Schwingprüfstand (5, 31, 12), wobei die Steckverbindungen zumindest einen Kontaktstift (11) und eine Kontaktbuchse (21) aufweisen, und wobei - in einem ersten Schritt (S1) ein optischer Zugang zur Kontaktzone (K) zwischen Kontaktstift (11) und Kontaktbuchse (21) hergestellt wird, und - in einem zweiten Schritt (S2) vorgegebene Vibrationsbelastungen durch den Schwingprüfstand an die elektrische Steckverbindung angelegt werden, und - in einem dritten Schritt (S3) eine optische Messung der durch die Vibrationsbelastungen entstandenen Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift (11) und Kontaktbuchse (21) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei im dritten (S3) oder einem nachfolgenden Schritt der elektrische Übergangswiderstand an der äußeren Struktur der Steckverbindung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite (S2) und der dritte Schritt (S3) zeitgleich erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei in einem weiteren Schritt ein Vergleich zwischen den erfassten Kontaktbewegungen zwischen Kontaktstift (11) und Kontaktbuchse (21) und dem gemessenen elektrischen Übergangswiderstand an der äußeren Struktur der Steckverbindung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die optische Messung bei Erreichen eines vorgegebenen Werts des elektrischen Übergangswiderstands beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optische Messung auf digitaler Grauwertkorrelation basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei im dritten (S3) oder einem nachfolgenden Schritt die Beschleunigung an der äußeren Struktur der Steckverbindung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Messung des elektrischen Übergangswiderstands mittels einer Vierleitermessung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Kontaktbewegungen translatorische (Δy(t)) und/oder rotatorische (φ(t)) Bewegungen gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die elektrische Steckverbindung eine hochpolige Steckverbindung mit Niederdruckkontaktsystem ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elektrische Steckverbindung in einem Fahrzeug verwendet wird und eine fahrzeugseitige und/oder getriebeseitige Steckverbindung ist.