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Die Erfindung betrifft eine Pressverbindung für ein Steckverbindungsbauteil aufweisend eine erste Fügefläche an einem ersten Fügepartner und wenigstens eine zweite Fügefläche an wenigstens einem zweiten Fügepartner, wobei die Verbindung an wenigstens einer bereichsweise gemeinsamen Kontaktfläche der Fügeflächen durch eine Prägung mit plastischen Verformungsanteilen gebildet ist.
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Pressverbindungen sind in vielen Ausführungen und Anwendungsgebieten Stand der Technik. Verbindungen von wenigstens zwei Einzelelementen zu einem Bauelement werden insbesondere im Bereich von Steckverbindern, Kontaktelementen, Crimpanschlüssen und anderen mehrteiligen Stromführungskomponenten verwendet, um wirtschaftliche, technisch zuverlässige und massenweise herstellbare Produkte zu unterstützen. Pressverbindungen sind dabei häufig durch einen elastisch-plastischen Verformungsprozess gekennzeichnet, der zumindest ein Einzelelement wenigstens partiell beziehungsweise lokal verformt mit dem Ziel, eine kraft- und, oder stoffschlüssige Verbindung herzustellen.
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Wesentliche Anforderung an Verbindungen dieser Art ist in der Regel die zuverlässige mechanische Verbindung, wobei die Gesamtstruktur und, oder deren Einzelelemente auch bei äußeren mechanischen Einwirkungen und Kräften Struktur-, Form- und Lagestabilität aufweisen müssen. Gleiches gilt für innere Belastungen wie beispielsweise Spannungen, die als physikalische Werkstoffreaktion aufgrund von Temperatureinflüssen, Formgedächtniseigenschaften, unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten - um nur einige Möglichkeiten zu nennen - auftreten können.
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Weitere Anforderungen können je nach Zielsetzung des Bauelementes zu erfüllen sein. Praktisch immer sind Lebensdauervorgaben zu erreichen, sodass die Verbindungen entsprechende Lastspiele äußerer mechanischer Belastungen, innerer Einwirkungen und/oder weiterer äußerer Einflüsse ertragen müssen, ohne in ihrer Funktionalität beeinflusst zu sein. Diese als Dauerfestigkeit bekannte Forderung kann durch das Kriterium ergänzt werden, dass beispielsweise eine Strom- und/oder Spannungsübertragung gewährleistet sein muss. Auch Isolationseigenschaften können gefordert sein.
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Ein häufiges Anwendungsgebiet für Pressverbindungen sind stromkontaktbildende und häufig mehrteilige Bauteile in Form von Steckverbinderbuchsen.
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Die
DE 10 2008 039 786 B3 beschreibt eine elektrische Steckverbinderbuchse ausgestattet mit einem Lamellenkontaktgitter sowie einem Crimpverbinder. Ziel ist es hier, toleranzbehaftete Crimpverbinder in ihrem Verbindungsbereich derart weiterzuentwickeln, dass eine zuverlässige Verbindungssituation erreicht sowie die ausreichend hohe Stromtragfähigkeit unterstützt ist. Dazu wird vorgeschlagen, dass die Toleranzen der Fügepartner derart aufeinander abgestimmt werden, dass ein definiertes Montagespiel vorliegt. Besonders problematisch ist der Umstand, dass man Buchsenhülsen entweder nur außen exakt oder nur innen exakt auf ein definiertes Sollmaß (im Minimaltoleranzbereich) fertigungstechnisch ziehen oder schlagen kann. Somit treten bei einem exakt gezogenen Innenmaß zur Aufnahme des Kontaktgitters im Bereich des Außenumfangs vergleichsweise große Toleranzen auf.
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Die Lehre der
DE 10 2008 039 786 B3 offenbart weiterhin, dass Crimpverbinder durch Falten eines Bleches an mindestens einer Faltkante die Zielsetzung zuverlässiger Verbindungen unterstützen kann. Durch die Blechfaltung können Crimpverbinderflansche hergestellt werden, die ausreichend dick und kompakt ausgebildet ist, so dass es zu einer vergrößerten Kontaktfläche des Verbindungspartners, hier in Form einer Steckverbinderbuchsenhülse, kommt. Infolge der vorgeschlagenen Faltung des Bleches zu einem Crimpverbinder beziehungsweise Crimpverbinderflansch wird dieser durch wenigstens zwei Lagen Blech in Dickenrichtung gebildet und nicht durch homogenes Vollmaterial. Hierbei kann es infolge eines nicht exakt symmetrischen Einpressvorgangs zu radialen Verschiebungen der Blechlagen zueinander kommen, die sich im Zeitverlauf wieder ausrichten und die Kontaktgabe verschlechtern.
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Sollen zwei oder mehrere Fügepartner mit unterschiedlichen Werkstoffen durch Einpressverbindungen zu einem Bauteil gefügt werden, können weitere Einflussfaktoren auf die Verbindung hinzutreten. Beispielsweise voneinander abweichende Materialkennlinien, Festigkeitseigenschaften, elastisch-plastisches Materialverhalten, korrosive Empfindlichkeit, chemischen oder physikalischen Wechselwirkungen, Mikrorissbildung und/oder elektrische Standardpotentiale sowie Kriechverhalten (Relaxation) unterschiedlicher Ausprägung usw. können die Pressverbindung hinsichtlich der Zielsetzungen negativ beeinflussen.
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Unterschiedliche Werkstoffe der Fügepartner und dadurch vorliegende Pressverbindungen mit ungleichen Materialpaarungen können unter anderem folgende nachteilige Konsequenzen aufweisen:
- - Verringerte Festigkeitseigenschaften der Verbindung infolge unterschiedlicher plastischer Verformungsanteile während des Fügens,
- - nachlassende Verbindungsfestigkeit durch Relaxieren unterschiedlicher oder einseitiger Ausprägung,
- - zeitabhängige elektrische Widerstandserhöhung bei Fügepartnern unterschiedlicher elektrischer Standardpotentiale durch Oxydbildung,
- - punktuelle und/oder partielle anstelle möglichst vollflächiger Kontaktflächen der Fügepartner im Fügebereich mit der Folge verringerter mechanischer und/oder elektrischer Verbindungseigenschaften,
- - verringerte Lebensdauer bei thermischen Wechselbelastungen infolge divergierender Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem damit einhergehenden Materialverhalten unterschiedlicher Werkstoffe der Fügepartner,
- - Mikrorissbildung des spröderen Fügepartnerwerkstoffes bei erheblich voneinander abweichenden Elastizitätsmodulen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die vorbesagten Nachteile wenigstens teilweise zu verringern und eine verbesserte Pressverbindung insbesondere für Verbindungspartner mit ungleichen Werkstoffen und/oder Werkstoffeigenschaften vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Fügepartner einer Pressverbindung an ihrer Verbindungsstelle in spezieller Weise auszugestalten und auf diese Weise den sich ergebenden Besonderheiten bei einer Materialpaarung unterschiedlicher Werkstoffe der Fügepartner Rechnung zu tragen.
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Die Ausgestaltungen können unter anderem die Oberflächenbeschaffenheit wenigstens einer der Kontaktflächen der Pressverbindung betreffen. Additiv oder alternativ kann wenigstens eine der Kontaktflächen zumindest bereichsweise mit einem Beschichtungsmaterial versehen sein.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in der Anpassung des Umfangs, der lokalen Ausdehnung und/oder der geometrischen Ausgestaltung der bleibenden Verformung des elastisch-plastischen Umformprozesses während und nach der Herstellung der Pressverbindung an wenigstens einem Fügepartner. Sichtbares und dauerhaftes Ergebnis dieses Umformprozesses ist die bleibende Verformung an wenigstens einem der Fügepartner infolge des plastischen Verformungsanteils, die auch Prägung genannt wird. Um die im Stand der Technik häufig auftretende Problematik der Materialbeschädigung und/oder Rissbildung im oder am Fügeflächenbereich und angrenzenden Zonen zu verringern, wird die Prägetiefe auf die mechanischen Eigenschaften des zu prägenden Materials abgestimmt und die Prägekräfte des Werkzeugs in geeigneter Weise gewählt. Die vorgeschlagene materialspezifische Prägetiefe kann sowohl einseitig als auch beidseitig erfolgen und ist vorzugsweise, aber nicht zwingend an einem streifen- oder profilförmigen Fügepartner vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die plastische Verformung dergestalt erfolgt, dass es zu einem Pressschweißen an den Grenzflächen kommt, so dass eine intermetallische Phase im Bereich der Fügeflächen zwischen den Fügepartnern ausgebildet wird. Im Ergebnis wird eine Kontaktanordnung bereit gestellt, bei der folgende Abfolge von Bereichen (von außen nach innen in Richtung der Kontakthülse betrachtet):
- Metallisches Vollmaterial des einen Fügepartners mit einer metallischen Gitterstruktur;
- Geprägter hochfester Bereich (mit einer durch die Prägung veränderter Gitteraufbau);
- Metallisches Beschichtungsmaterial des ersten Fügepartners übergehend in eine intermetallische Phase (bestehend aus Anteilen des ersten und zweiten metallischen Beschichtungsmaterials) und weiter übergehend in das zweite metallisches Beschichtungsmaterial;
- Metallisches Vollmaterial der Kontakthülse des zweiten Fügepartners.
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Die erfindungsgemäße Lehre erkennt, dass die Oberflächenbeschaffenheit vorzugsweise der Bohrungsfläche und/oder der Kontaktfläche des Fügepartners in besonders glatter Ausführung als eine mögliche spezielle Ausgestaltung der Verbindung geeignet ist, die genannten Nachteile des Standes der Technik hinsichtlich einer Materialpaarung unterschiedlicher Werkstoffe der Fügepartner wenigstens zu reduzieren.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein Beschichtungsmaterial auf wenigstens einer der Fügeflächen zumindest partiell aufzubringen. Je nach Material der Fügepartner, deren Oberflächenglattheit im Kontaktbereich und der Eigenschaften des Beschichtungsmaterials lassen sich dadurch besonders große effektive Flächenverbindungen als Resultat erhöhter Anzahl von Kontaktpunkten im Mikro- und Makrooberflächenbereich erzielen. Dieser Gewinn an effektiver Flächenverbindung ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich verbesserter Stromübertragung, gesteigerter Verbindungsfestigkeit und verringerter elektrischer Widerstandsänderung über dem Zeitverlauf.
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Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Fügestellenausgestaltung und der wenigstens bereichsweisen Beschichtung ist die Steigerung der Lebensdauer, das heißt der ertragbaren Belastungsdauer der Verbindung bis zum Versagensfall bei Fügepartner aus Werkstoffen mit erheblicher Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zueinander und thermischen Wechselbelastungen der Verbindung.
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Die erfindungsgemäße Lehre erkennt darüber hinaus die wünschenswerten Vorteile der sogenannten „innigen Verbindung“, die durch die Ausgestaltung der Pressverbindung unterstützt ist. Es ist möglich, durch die wenigstens partielle Beschichtung zumindest der Oberfläche eines Fügepartners im Verbindungsbereich eine besonders gut elektrisch leitende galvanische Verbindung zu realisieren dadurch, dass der elektrische Widerstand im Kontaktbereich der Passung reduziert ist. Im Sinn einer innigen Verbindung ist es weiterhin möglich, stoffschlüssige Pressverbindungen durch Pressschweißvorgänge zu erreichen. Hierdurch wird auch eine Korrosion im Verbindungsbereich verhindert.
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Mit der Erfindung ist es möglich, eine Vielfalt von Materialpaarungen miteinander zu verbinden, ohne auf die elektrischen Standardpotentiale oder Potentialdifferenz achten zu müssen.
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Eine erste mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Gedankens kann durch eine Einpressverbindung eines Kupferkontaktes in eine massive Aluminiumschiene aus Vollmaterial erfolgen. Bauteile dieser Gattung sind insbesondere Bestandteile von Elektroniken, stromführenden oder stromleitenden Bauelementen beispielsweise in elektrischen Maschinen, in Kabelbäumen von Kraftfahrzeugen, Steuer- und/oder Regelungseinrichtungen usw.. In dieser Realisierung liegt eine Materialpaarung der Fügepartner vor, die hinsichtlich der mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften teils erheblich unterscheiden.
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Die Materialpaarung Aluminium und Kupfer sind insbesondere hinsichtlich ihrer Ausdehnungskoeffizienten und ihrer elektrischen Spannungspotentiale zueinander divergierend. Die Erfindung sieht in diesem Fall vor, dass insbesondere bei der Vorgabe einer elektrischen Widerstandsstabilität über einer gewählten Zeitdauer sowohl der vorgeschlagene erste Erfindungsgrundgedanke hinsichtlich der speziellen Ausgestaltung wenigstens einer der Fügepartner an ihrer Verbindungsstelle als auch der zweite Erfindungsgrundgedanke hinsichtlich der Ausbildung der Prägung kombiniert wird mit dem weiteren Erfindungsgrundgedanken hinsichtlich eines Beschichtungsmaterials zumindest partiell auf wenigstens einer der Fügeflächen. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Beschichtung auf beiden Fügeflächen, so dass die Erzeugung einer intermetallischen Phase beim Pressschweißen begünstigt wird.
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Da sich Aluminium erheblich reaktiv beim Kontakt mit Sauerstoff verhält und zur Oxydbildung neigt, ist die wenigstens teilweise Kontaktflächenbeschichtung geeignet, zumindest partiell den Sauerstoffkontakt und damit die elektrolytische Korrosion zu verringern oder ganz auszuschließen.
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Ein erfindungsgemäß mögliches und geeignetes Beschichtungsmaterial ist Zinn. Vorteilhaft ist nicht nur, dass Zinn einen niedrigeren Schmelzpunkt als Aluminium oder Kupfer aufweist und daher ein Aufschmelzen der Fügepartner bei deren Beschichtung mit Zinn nicht erfolgt, sondern auch dessen plastische Verformungsfähigkeit bereits bei niedrigen mechanischen Belastungen. Die plastische Verformungseigenschaft von Zinn unterstützt dadurch die Bildung einer erhöhten Zahl von Kontaktpunkten oder von intermetallischen Phasen, die in einer größeren effektiven Kontaktfläche zwischen den Fügepartnern und einer verbesserten Stromübertragung infolge verringerten Widerstands mündet.
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Wird die Beschichtung nicht nur partiell oder flächig einer Fügeflüche, sondern partiell oder vollflächig an beiden oder den mehreren Fügeflächen realisiert, kann auf diese Weise eine innige Verbindung erzielt werden, die sowohl die Eigenschaften der Stromübertragung als auch die mechanische Festigkeit im Fügebereich sowie die Eigenschaften betreffend Korrosionsschutz verbessert.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 die perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des ersten Fügepartners einer erfindungsgemäßen Pressverbindung;
- 2 die Schnittdarstellung eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels der Pressverbindung mit einem ersten Fügepartner und wenigstens einem zweiten Fügepartner und
- 3 die räumliche Abbildung der beiden Fügepartner in einem über die Pressverbindung verbundenen Zustand.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 bis 3 näher erläutert.
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1 umfasst die perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des ersten Fügepartners 10 einer erfindungsgemäßen Pressverbindung 1. Beispielhaft ist der erste Fügepartner 10 als abgewinkeltes Flach-Vollmaterial 13 ausgeführt, in das wenigstens eine Bohrung 12 zur Aufnahme eines zweiten Fügepartners 20 eingebracht ist. Die Bohrung 12 weist eine erste Fügefläche 11 auf, die geeignet ist, wenigstens partiell als Kontaktfläche für die zweite Fügefläche 21 des zweiten Fügepartners 20 zu dienen.
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Erfindungsgemäß kann der erste Fügepartner 10 aus verschiedenen Eisen- oder Nichteisenmetallen wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Stahl usw. bestehen oder einem beliebigen, vorzugsweise elektrisch leitenden Kompositmaterial gebildet sein.
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Um die erfindungsgemäß vorgesehene Oberflächengüte vor allem hinsichtlich der Glattheit, aber auch eine evtl. erforderliche Form- und Lagegenauigkeit der Bohrung zu erreichen ist vorgesehen, diese durch eine Feinstanzung einzubringen.
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2 zeigt die Schnittdarstellung eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels der Pressverbindung 1 mit einem ersten Fügepartner 10 und wenigstens einem zweiten Fügepartner 20, welche an ihren gemeinsamen Fügeflächen 11, 21 kontaktiert und mittels wenigstens einer Prägung 14 miteinander verpresst sind. Durch die gewählte Ausführungsform des ersten Fügepartners 10 als Vollmaterial wir die Problematik der sich infolge des Prägeprozesses bei mehrschichtigem gefalteten Material auftretenden Radialverschiebung der Lagen zueinander vermieden. 2 zeigt beispielhaft zwei als konzentrische umlaufende Ringnuten ausgebildete Prägungen 14. Bei einer gewählten Materialpaarung des ersten und zweiten Fügepartners 10, 20 aus Aluminium und Kupfer kann die Ringnutentiefe ca. 1/6 bis 1/12 und bevorzugt ca. 1/8 der Aluminium-Vollmaterialstärke des ersten Fügepartners 10 betragen.
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In 3 ist die räumliche Abbildung der beiden Fügepartner 10, 20 in dem über die Pressverbindung 1 verbundenen Zustand illustriert derart, dass ein Steckverbindungsbauteil gebildet ist. Die Prägung 14 ist als konzentrische Ringnut ausgebildet und eingebracht in den durch ein abgewinkeltes Flachmaterial 13 bestehenden ersten Fügepartner 10. Um die in 3 gezeigte beispielhafte Ausführungsform in der Materialpaarung Aluminium des ersten Fügepartners 10 und Kupfer des zweiten Fügepartners 20 und der gezeigten geometrischen Ausbildung zu verwirklichen ist vorgesehen, dass zunächst eine Bohrung 12 in das Aluminiumvollmaterial des ersten Fügepartners 10 eingebracht wird. Anschließend wird eine wenigstens partielle Beschichtung der ersten Fügefläche 11 ausgebildet als Bohrungsinnenfläche realisiert. Der zylindrische zweite Fügepartner 20, der häufig auch als Hochstromkontaktbuchse mit einem hyperbolisch geformten Kontaktgitter bezeichnet ist, besteht aus Kupfermaterial und wird in die vorbereitete und beschichtete Bohrung 12 des ersten Fügepartners 10 lagerichtig eingebracht. Optional kann die zweite Fügefläche 21 des zweiten Fügepartners 20 vor der Einbringung in die Bohrung 12 ebenfalls wenigstens partiell beschichtet werden. Im vorliegenden Beispiel sind beide Fügeflächen 11, 21 mit zinnbasiertem Material vollflächig beschichtet. Die Pressverbindung 1 wird erzeugt durch den anschließenden elastisch-plastischen Verformungsvorgang wenigstens eines Teilbereiches des ersten Fügepartners 10 lokal angrenzend der Bohrung 12 durch eine Massivumformung mit einem bleibenden Verformungsanteil in Form einer Prägung 14. Die Prägung wird dabei so ausgeführt, dass im Bereich der Fügeflächen 11, 21 eine intermetallische Phase zumindest zwischen den Zinnflächen ausgebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pressverbindung
- 10
- erster Fügepartner
- 11
- erste Fügefläche
- 12
- Bohrung
- 13
- Flach-Vollmaterial / Flachmaterial
- 14
- Prägung
- 20
- zweiter Fügepartner
- 21
- zweite Fügefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008039786 B3 [0006, 0007]
