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Die Erfindung betrifft einen Steckverbinder zum Koppeln von elektrischen Leitungen in einem Kraftfahrzeug, der einen Steckkontakt mit einem ersten Kontaktteil und einem zweiten Kontaktteil, die miteinander lösbar verbindbar sind, umfasst, wobei das erste Kontaktteil und/oder das zweite Kontaktteil eine Kontaktbeschichtung aufweist, sowie ein Verfahren zum Koppeln elektrischer Leitungen in einem Kraftfahrzeug mit einem derartigen Steckverbinder.
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Eine grundlegende Anforderung an einen Steckverbinder ist, dass ein elektrischer Widerstand innerhalb eines Steckkontakts des Steckverbinders über dessen gesamte Betriebsdauer beziehungsweise die Betriebsdauer eines Kraftfahrzeugs, in dem der Steckverbinder verbaut ist, relativ stabil sein sollte. Abhängig von einem verwendeten Oberflächenwirkstoff von Kontaktoberflächen des Steckkontakts sind hierfür ausreichend große Kontaktnormalkräfte maßgeblich. Diese Kräfte werden begrenzt durch einen zur Verfügung stehenden Bauraum im Kraftfahrzeug sowie Ergonomieanforderungen an den Steckverbinder. Über eine Nutzungsdauer des Steckverbinders können jedoch verschiedene Alterungseffekte auftreten, die widerstandserhöhend wirken können, so dass ein Kontaktwiderstand des Steckverbinders erhöht wird. Beispielsweise kann mit der Zeit eine Kontaktfeder des Steckkontakts relaxieren, was zum Nachlassen der Kontaktnormalkraft führt. Außerdem führen Diffusionsvorgänge zu einer erhöhten Oxidationsneigung der Kontaktoberflächen.
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Der Relaxation der Kontaktfeder kann durch ein Verwenden ausgewählter Werkstoffe konstruktiv entgegengewirkt werden. Diffusionsvorgänge können mit diffusionsreduzierenden Schichten auf den Kontaktoberflächen, beispielsweise aus Zinn oder Nickel, reduziert werden. Auf diese Art wurden bisher zum Beispiel bereits weitgehend stabile Kontaktwiderstände für Bauteiltemperaturen von bis zu 180 Grad Celsius nachgewiesen.
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Äußere Einflüsse, wie eine Umgebungstemperatur, Emissionen von Wärmestrahlung benachbarter Bauteile oder Aggregate innerhalb des Kraftfahrzeugs und/oder eine vom Steckverbinder erfahrene hohe Stromlast müssen daher hinsichtlich ihrer Auswirkung auf den Steckverbinder begrenzt werden, damit die Kontakttemperaturen die genannte werkstoffabhängige Bauteiltemperatur, bis zu der stabile Kontaktwiderstände vorliegen, das heißt eine sogenannte Kontaktgrenztemperatur, nicht übersteigt.
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Im Fehlerfall können dennoch höhere Kontakttemperaturen als die Kontaktgrenztemperatur auftreten, die beschleunigte Alterungseffekte des Steckkontakts sowie einen Anstieg des Kontaktwiderstands im Steckverbinder bewirken. Aufgrund eines Fehlerfalls, der beispielsweise durch einen Überlastfall in einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verursacht wird, entsteht somit eine zusätzliche Kontakterwärmung im Steckverbinder. Bei einem Überschreiten der Kontaktgrenztemperatur wird nun ein sich selbst beschleunigender Prozess einer Widerstands- beziehungsweise Temperaturerhöhung initiiert. Dadurch können die Steckkontakte, ein Steckgehäuse und angrenzende Bauteile oder Baugruppen des Kraftfahrzeugs thermisch besonders stark überlastet werden.
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In der
DE 10 2015 118 779 A1 wird ein elektrischer Kontakt mit einer Kontaktbeschichtung beschrieben, mit der eine besonders langlebige und gut leitende Steckverbindung vorliegt. Die Kontaktbeschichtung besteht zumindest aus zwei Materialien, nämlich einem oxidationsstabilen Material und einem Verschleißmaterial. Das oxidationsstabile Material der Kontaktbeschichtung ist hierbei bevorzugt heterogen und über die Schichtstärke statistisch gleichmäßig in der Kontaktbeschichtung verteilt, beispielsweise in Form von Schichten, Säulen oder Partikeln. Das Leitverhalten des erfindungsgemäßen Kontaktes ist auch in einem bereits teilweise abgeriebenen Zustand des Materials relativ gut.
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In der
DE 102 45 343 A1 wird ein elektrischer Kontakt eines Steckverbinders vorgeschlagen, auf dem eine Kontaktschicht aufgebracht ist, die eine Gefügestrukturierung aufweist. Bei dieser Gefügestrukturierung handelt es sich um Mikroölkapseln, die dazu dienen, eine Optimierung von Reib- und Steckkräften, eine Verlängerung einer Schichtlebensdauer sowie eine Erhöhung eines Reibkorrosionswiderstands des Steckverbinders zu erreichen.
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Die
DE 10 2013 203 273 A1 zeigt ein Kontaktelement zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit einem Gegenkontakt. Das Kontaktelement weist eine Leitschicht und eine Kontaktschicht an der Oberfläche der Leitschicht zur Anlage am Gegenkontakt auf. Das Kontaktelement und der Gegenkontakt können mittels eines Stromimpulses, der stärker ist als ein dauerhaft zulässiger Strom über die Verbindung zwischen dem Gegenkontakt und dem Kontaktelement, metallurgisch miteinander verbunden werden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Lösung bereitzustellen, mittels der ein elektrischer Kontakt in einem gattungsgemäßen Steckverbinder in einem Kraftfahrzeug bei einer deutlichen Temperaturerhöhung von Kontaktteilen des Steckverbinders stabilisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Steckverbinder zum Koppeln von elektrischen Leitungen in einem Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Koppeln elektrischer Leitungen in einem Kraftfahrzeug mit einem Steckverbinder gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Der erfindungsgemäße Steckverbinder zum Koppeln von elektrischen Leitungen in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Steckkontakt mit einem ersten Kontaktteil und einem zweiten Kontaktteil, die miteinander verbindbar sind, wobei das erste Kontaktteil und/oder das zweite Kontaktteil eine Kontaktbeschichtung aufweisen. Der Steckverbinder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbeschichtung dazu ausgelegt ist, aufzuschmelzen, falls bei lösbar miteinander verbundenen Kontaktteilen eine Temperatur des ersten Kontaktteils und/oder des zweiten Kontaktteils über eine vorgegebene Grenztemperatur ansteigt, um dadurch das erste Kontaktteil und das zweite Kontaktteil stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Hierbei wird erreicht, dass ein Kontaktwiderstand des Steckverbinders im Zustand der stoffschlüssigen Verbindung kleiner ist, als im Zustand der lösbaren Verbindung.
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Der erfindungsgemäße Steckverbinder weist somit zwei Steckerelemente, die sogenannten Kontaktteile, auf, bei denen es sich um den sogenannten männlichen und den weiblichen Teil des Steckverbinders handeln kann. Ersteres Teil weist in der Regel ein aus einem Gehäuse des Kontaktteils herausstehendes Kontaktelement auf, das zur Aufnahme in eine entsprechende Aussparung im Gehäuse des zweiten Teils des Steckverbinders vorgesehen ist. Der sogenannte weibliche Teil des Steckverbinders weist also entsprechende Kontaktöffnungen auf. Die beiden Kontaktteile können miteinander in Verbindung gebracht werden, so dass mittels des verbundenen Steckverbinders elektrische Leitungen innerhalb des Kraftfahrzeugs elektrisch gekoppelt sind. Diese Verbindung des Steckverbinders kann wieder gelöst werden. Die Kontaktteile des Steckverbinders sind somit verbindbar und trennbar. Zumindest eines der beiden Kontaktteile weist zudem eine Oberflächenbeschichtung auf, die sogenannte Kontaktbeschichtung, bei der es sich zum Beispiel um eine zum Löten geeignete Legierung handelt.
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Sind die beiden Kontaktteile des Steckverbinders miteinander lösbar verbunden, kann es, beispielsweise aufgrund eines Fehlerfalls im Kraftfahrzeug, zu einer Temperaturerhöhung eines der und/oder beider Kontaktteile, das heißt des ersten und/oder des zweiten Kontaktteils, über eine bestimmte vorgegebene Maximaltemperatur kommen. Die Ursache für diese Temperaturerhöhung der Kontaktteile liegt beispielsweise in einer Erhöhung des Kontaktwiderstands des Steckverbinders aufgrund von Alterungseffekten. Die Maximaltemperatur, das heißt die sogenannte Grenztemperatur der beiden Kontaktteile, gibt die Temperatur an, bei der die Kontaktbeschichtung aufschmilzt beziehungsweise beginnt aufzuschmelzen. Die Grenztemperatur entspricht somit der Schmelztemperatur der Kontaktbeschichtung. Sobald die Kontaktbeschichtung aufschmilzt, kommt es zu einem stoffschlüssigen Verbinden der beiden Kontaktteile, das heißt diese werden beispielsweise miteinander verlötet aufgrund des Aufschmelzens der Kontaktbeschichtung aus einem zum Löten geeigneten Material. Die beiden Kontaktteile sind daraufhin fest und nicht mehr ohne Aufwand voneinander trennbar miteinander verbunden. Durch diese stoffschlüssige Verbindung der Kontaktteile wird der Kontaktwiderstand des Steckverbinders, das heißt der elektrische Widerstand der Kontaktfläche zwischen den beiden Kontaktteilen, reduziert, da dieser bei der erhöhten Temperatur vor Beginn des Aufschmelzens aufgrund der hohen Temperaturen in zumindest einem der Kontaktteile erhöht war. Alternativ wird der Kontaktwiderstand häufig auch als Übergangswiderstand oder Kontaktübergangswiderstand bezeichnet.
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Die Wärmeentstehung, das heißt die Temperaturerhöhung der Kontaktteile, wie sie beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten oder eines Fehlerfalls im Bordnetz des Kraftfahrzeugs auftreten kann, wird also dazu genutzt, einen Prozess zu starten, mit dem die bereits genannten widerstandserhöhenden Effekte in Steckkontakten nachhaltig kompensiert werden können. Aufgrund der Temperaturerhöhung erfahren die Kontaktteile eine Erwärmung bis zur Schmelztemperatur der Kontaktbeschichtung, sodass ein Schmelzen eines Oberflächenwerkstoffs, das heißt in diesem Fall der Kontaktbeschichtung, dazu führt, dass beide Kontaktteile irreversibel miteinander verbunden werden. Dadurch wird der Kontaktwiderstand reduziert und eingetretene Alterungseffekte der Kontaktteile werden kompensiert, was eine weitere Kontakterwärmung und insbesondere einen weiteren Temperaturanstieg verhindert. Der erfindungsgemäße Steckverbinder verliert also bei erhöhten Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur die Trennbarkeit. Die Kontakteigenschaften werden jedoch nachhaltig stabilisiert, das heißt es kommt zu einer besonders vorteilhaften Auswirkung des stoffschlüssigen Verbindens. Hierdurch kann beispielsweise verhindert werden, dass es zu einer starken thermischen Überlastung des Steckverbinders oder anderer angrenzenden Bauteile der Baugruppen des Kraftfahrzeugs oder zu einem möglichen Totalschaden des Kraftfahrzeugs kommt. Hierdurch kann zudem ein erneuter Betrieb des elektrischen Steckverbinders in einem Kontaktwiderstandsbereich hergestellt werden, für den das Bordnetz ausgelegt ist.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das erste Kontaktteil und das zweite Kontaktteil des Steckverbinders jeweils in einem Gehäuse angeordnet sind, das eine vorgegebene Schmelztemperatur aufweist, die größer als die Grenztemperatur ist. Die beiden Kontaktteile des Steckverbinders weisen somit jeweils eine feste Hülle auf, die die Umgebung vor möglichen Einflüssen der beiden Kontaktteile, durch die elektrische Energie geleitet wird, schützt. Die Gehäuse isolieren somit den Steckkontakt. Diese Gehäuse sind beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt, der eine Schmelztemperatur aufweist, die deutlich größer ist als die Schmelztemperatur der Kontaktbeschichtung, das heißt als die Grenztemperatur. Das Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung und das damit verbundene stoffschlüssige Verbinden der beiden Kontaktteile erfolgt somit deutlich vor einem möglichen Aufschmelzen der Gehäuse der Kontaktteile der Steckverbindung. Ein solches Aufschmelzen der Gehäuse der Steckverbindung könnte eine Gefahr von Schaltlichtbögen im Bereich der elektrischen Leitung des Kraftfahrzeugs hervorrufen. Dadurch, dass die Grenztemperatur kleiner als die Schmelztemperatur der Gehäuse gewählt wird, reduziert sich somit die Gefahr von Schaltlichtbögen zwischen den Kontaktteilen des Steckverbinders aufgrund von aufgeschmolzenen Gehäusen der Steckverbindung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Steckverbinder einen Soll-Wertebereich des Kontaktwiderstands aufweist und die Kontaktbeschichtung derart beschaffen ist, dass der Kontaktwiderstand des Steckverbinders, der beim Ansteigen der Temperatur des ersten Kontaktteils und/oder des zweiten Kontaktteils über die vorgegebene Grenztemperatur über einen Maximalwert des Soll-Wertebereichs ansteigt, nach dem Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung reduziert ist und innerhalb des Soll-Wertebereichs liegt. Der Kontaktwiderstand des Steckverbinders kann, beispielsweise abhängig von der Temperatur und von Werkstoffeigenschaften von im Steckverbinder verwendeten Materialien, verschiedene Werte aufweisen. Jedoch gibt es einen bestimmten Kontaktwiderstandswertebereich des Steckverbinder für den das Bordnetz ausgelegt ist, das heißt bei dem Verbraucher des Kraftfahrzeugs optimal mit elektrischer Energie versorgt werden. Durch das Ansteigen der Temperatur in einem der oder beiden Kontaktteilen über die Grenztemperatur, wird jedoch der Kontaktwiderstand des Steckverbinders erhöht. Diese Erhöhung des Kontaktwiderstands übersteigt einen vorgegebenen Maximalwert, also einen oberen Wert des Soll-Wertebereichs des Kontaktwiderstands. Durch das Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung wird der Kontaktwiderstand des Steckverbinders wieder verkleinert, sodass dieser letztendlich durch entsprechende Wahl der Kontaktbeschichtung in dem stoffschlüssig verbundenen Steckverbinders wieder innerhalb des Soll-Wertebereichs des Kontaktwiderstands liegt. Das Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung und das damit verbundene nachhaltige Stabilisieren des Kontakts zwischen den beiden Kontaktteilen führen somit zu einer besonders vorteilhaften Reduzierung des Kontaktwiderstands, wodurch im Bordnetz die Spannungen vorliegen, für die die Verbraucher des Kraftfahrzeugs ausgelegt sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kontaktbeschichtung dazu ausgelegt ist, dass die Temperatur des ersten Kontaktteils und des zweiten Kontaktteils des Steckverbinders im stoffschlüssig verbundenen Steckverbinder aufgrund des Aufschmelzens der Kontaktbeschichtung unter der Grenztemperatur liegt. Durch das stoffschlüssige Verbinden der beiden Kontaktteile bei erhöhter Temperatur oberhalb der Grenztemperatur wird somit nicht nur der Kontaktwiderstand im Steckverbinder reduziert, sondern auch die Temperatur. Hierdurch kommt es nicht nur zu keiner weiteren andauernden Erwärmung des Steckverbinders, sondern auch zu einer unterbundenen weiteren Aufwärmung angrenzender Bauteile beziehungsweise Baugruppen innerhalb des Kraftfahrzeugs. Hierdurch wird zum einen die elektrische Leitung im Kraftfahrzeug, beispielsweise innerhalb des Bordnetzes, stabilisiert und zum anderen Schäden innerhalb des Kraftfahrzeugs aufgrund von starker Wärmeentwicklung im Bereich des Steckverbinders reduziert und gegebenenfalls verhindert.
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In weiterer vorteilhafter Ausformung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das erste Kontaktteil zumindest einen Kontaktstift und das zweite Kontaktteil eine für eine Aufnahme des zumindest einen Kontaktstifts ausgelegte Buchse oder Kupplung umfasst. Bei dem Steckverbinder kann es sich somit um einen typischen Steckverbinder zum Verbinden und Trennen von Leitungen für elektrischen Strom handeln. Einzelne Steckerteile, die jeweils ein Kontaktteil und ein Gehäuse umfassen, weisen die bekannten Formen von Steckern, Buchsen, Kupplungen, Steckdosen oder anderen Normen für elektrische Signale, die über Kabel und Steckverbinder übertragen werden, auf. Hierbei beschreibt eine Buchse ein Bauteil mit einer nach innen weisenden Kontaktöffnung, die für den festen Einbau in ein Gerätegehäuse vorgesehen ist. Eine Kupplung wiederum beschreibt ein Bauteil mit zumindest einer nach innen weisenden Kontaktöffnungen zum Aufnehmen des zumindest einen Kontaktstifts, das an einem Kabelende angeordnet ist. Um die Kontaktteile eines solchen typischen Steckverbinders, das heißt um den Kontaktstift sowie um die entsprechende nach innen weisende Kontaktöffnung des zweiten Kontaktteils, kann beispielsweise besonders vorteilhaft und ohne großen Aufwand die Kontaktbeschichtung aufgetragen werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass, nachdem die Kontaktbeschichtung aufgeschmolzen wurde, das erste Kontaktteil und das zweite Kontaktteil an einer vorgegebenen Kontaktfläche stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Es kann also ein bestimmter Bereich der beiden Kontaktteile vorgesehen sein, an dem diese beim stoffschlüssigen Verbinden durch Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann die Kontaktbeschichtung an der Spitze des ersten Kontaktteils, bei dem es sich beispielsweise um einen Kontaktstift handelt, angeordnet sein. Zudem oder alternativ dazu ist eine Kontaktbeschichtung in der nach innen weisenden Kontaktöffnung einer Buchse oder Kupplung angeordnet. Diese beiden Flächen der Kontaktteile werden bei Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Fläche, an der beide Kontaktteile miteinander stoffschlüssig verbunden werden, kann also fest vorgegebenen sein, wodurch sichergestellt wird, dass an einer konstruktionstechnisch sinnvollen ausgewählten Stelle innerhalb des Steckverbinders die beiden Kontaktteile stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Bei der konstruktionstechnisch sinnvollen ausgewählten Stelle handelt es sich beispielsweise um eine Oberseite der Kontaktöffnung einer Buchse, so dass das stoffschlüssige Verbinden der Buchse mit dem entsprechenden Kontaktstift von der wirkenden Schwerkraft unterstützt wird, durch die eine Fließrichtung der aufgeschmolzenen Kontaktbeschichtung vorgegeben wird. Es kann dadurch außerdem erreicht werden, dass es nur dort zu einem stoffschlüssigen Verbinden der beiden Kontaktteile kommt, wo der Kontakt zum Leiten elektrischer Energie tatsächlich gewünscht ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Grenztemperatur des ersten Kontaktteils und/oder des zweiten Kontaktteils abhängig von der Kontaktbeschichtung ist. Je nachdem welches Material als Kontaktbeschichtung gewählt und in welcher Dicke diese aufgetragen ist, kann somit die Temperatur beeinflusst werden, ab der es zu einem Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung kommt. Typischerweise wird eine Kontaktbeschichtung mit einer Dicke von 0,5 bis 100 Mikrometern, 0,51 bis 10 Mikrometern, 0,51 bis 5 Mikrometern, 0,5 bis 3 Mikrometern und insbesondere 0,5 bis 1 Mikrometer gewählt. Die Dicke der Kontaktbeschichtung sollte materialabhängig gewählt werden und zum Reduzieren von im Steckverbinder auftretenden Steckkräften so klein wie möglich gehalten werden. Bei einer Kontaktbeschichtung aus Zinn ist beispielsweise eine Schichtdicke von 1 bis 3 Mikrometern üblich, bei Silber von maximal 5 Mikrometern und bei Gold von mindestens 0,8 Mikrometern. Als Materialwahl eignet sich ein Material mit einem Schmelzpunkt bei der vorgegebenen Grenztemperatur. Für ein Bauteil, das beispielsweise einen relativ stabilen Kontaktwiderstand im Soll-Wertebereich bis zu einer Temperatur von 180 Grad Celsius aufweist, würde sich beispielsweise eine Kontaktbeschichtung der Kontaktteile dieses Bauteils mit einer Schmelztemperatur von 183 Grad Celsius, wie beispielsweise eine Zinn-Blei-Legierung, anbieten. Zur Vermeidung von bleihaltigen Legierungen kann alternativ dazu beispielsweise eine Kontaktbeschichtung aus einer Zinn-Silber-Kupfer-Legierung oder einer Zinn-Silber-Legierung gewählt werden, wobei diese Legierungen jeweils eine höhere Schmelztemperatur von über 217 Grad Celsius aufweisen. Mithilfe der geeigneten Wahl der Kontaktbeschichtung kann somit die Temperatur des Aufschmelzens der Kontaktbeschichtung vorgegeben werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausformung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Kontaktbeschichtung eine Oberflächenbeschichtung aus einer eutektischen Legierung auf dem ersten Kontaktteil und/oder dem zweiten Kontaktteil aufgebracht ist. Die Kontaktbeschichtung wird also auf zumindest einer der Oberflächen des ersten und/oder des zweiten Kontaktteils aufgebracht. Diese Kontaktbeschichtung kann aus einer eutektischen Legierung bestehen, das heißt aus einer Legierung, die einen eindeutig bestimmbaren Schmelzpunkt, den sogenannten eutektischen Punkt, aufweist. Eine eutektische Legierung, wie beispielsweise eine Legierung aus Zinn und Blei, Zinn und Silber oder aus Zinn, Silber und Kupfer, weist keinen Schmelzbereich auf, in dem außer der Schmelze auch eine feste Phase vorliegt. Mit einer derartigen Wahl der Kontaktbeschichtung kann somit erreicht werden, dass bei einer fest vorgegebenen Temperatur, das heißt bei einer gewählten Grenztemperatur, das Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung vollständig erfolgt. Für das Aufschmelzen wird Energie benötigt, wodurch die Wärmeenergie des Steckverbinders reduziert wird. Dadurch kommt es zu einem Abkühlen und einem Erstarren der Kontaktbeschichtung, das heißt dem stoffschlüssigen Verbinden der beiden Kontaktteile. Aufgrund der in relativ klein gewählten Dicke der Kontaktbeschichtung kommt es hierbei zudem zu keiner Bildung und Fließbewegung von Materialtropfen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen einer Oberfläche des ersten Kontaktteils und/oder des zweiten Kontaktteils und der Oberfläche der Kontaktbeschichtung ein Flussmittel aufgebracht ist. Als Flussmittel eignet sich beispielsweise ein Flussmittel, wie es auch zum Löten verwendet wird. Ein derartiges Flussmittel ist ein beim Löten zugegebener Stoff, der eine bessere Benetzung eines Werkstücks durch ein Lot bewirkt. Ein Flussmittel entfernt die an den Oberflächen aufliegenden Oxide durch chemische Reaktionen. Gleiches gilt für Oxide, die während des Lötvorgangs durch Reaktionen mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft entstehen. Flussmittel setzen außerdem die Grenzflächenspannung herab. Durch das Aufbringen eines Flussmittels entweder auf dem einen oder den beiden Kontaktteilen mit Kontaktbeschichtung kann somit die Benetzung der Kontaktteile mit der Kontaktbeschichtung verbessert werden, wodurch das stoffschlüssige Verbinden der beiden Kontaktteile durch das Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung besonders zuverlässig und nachhaltig stabil erfolgt.
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Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steckverbinder vorgestellten bevorzugten Ausgestaltungen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Koppeln elektrischer Leitungen an einem Kraftfahrzeug mit einem Steckverbinder. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch ein Ansteigen einer Temperatur des ersten Kontaktteils und/oder des zweiten Kontaktteils des Steckverbinders über eine vorgegebene Grenztemperatur bei lösbar miteinander verbundenen Steckverbindern, Ansteigen eines Kontaktwiderstands des Steckverbinders über einen Soll-Wertebereich des Kontaktwiderstands bei lösbar miteinander verbundenem Steckverbinder und ein Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung, sodass das erste Kontaktteil und das zweite Kontaktteil stoffschlüssig verbunden werden und der Kontaktwiderstand des Steckverbinders auf einen Wert im Soll-Wertebereich des Kontaktwiderstands reduziert wird. Die vorgegebene Grenztemperatur ist kleiner als eine vorgegebene Schmelztemperatur eines Gehäuses, wobei das erste Kontaktteil und das zweite Kontaktteil des Steckverbinders in dem jeweiligen Gehäuse angeordnet sind. Als Ursache für das Ansteigen der Temperatur können beispielsweise Alterungseffekte im Steckverbinder vorliegen. Es kann jedoch auch aufgrund von Alterungsprozessen in den elektrischen Leitungen des Kraftfahrzeugs zu einer schleichenden Erhöhung des Kontaktwiderstands kommen, was letztendlich zu immer höheren Temperaturen des ersten und/oder zweiten Kontaktteils des Steckverbinders führt. Ausschlaggebend für den Beginn des Verfahrens ist jedoch der Temperaturanstieg über die vorgegebene Grenztemperatur, wodurch letztendlich der Kontaktwiderstand des Steckverbinders reduziert wird.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Steckverbinder zum Koppeln von elektrischen Leitungen in dem Kraftfahrzeug;
- 2 eine schematische Darstellung von zwei Kontaktteilen zum Herstellen eines Steckkontakts eines Steckverbinders;
- 3 eine schematische Darstellung eines Steckkontakts von zwei Kontaktteilen; und
- 4 in schematischer Darstellung einen Signalflussgraphen für ein Verfahren zum Koppeln elektrischer Leitungen in einem Kraftfahrzeug mit einem Steckverbinder.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die im Ausführungsbeispiel dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 skizziert, das einen Steckverbinder 2 umfasst. Dieser Steckverbinder 2 ist dazu ausgelegt, elektrische Leitungen 3 in dem Kraftfahrzeug 1 zu koppeln. Der Steckverbinder 2 koppelt hierbei beispielsweise die elektrischen Leitungen 3 zwischen einer Batterie 4 und einem Verbraucher 5 des Kraftfahrzeugs 1. Der Steckverbinder 2 umfasst einen Steckkontakt mit einem ersten Kontaktteil 6 und einem zweiten Kontaktteil 7. Die beiden Kontaktteile 6, 7 sind miteinander lösbar verbindbar.
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In 2 sind das erste Kontaktteil 6 sowie das zweite Kontaktteil 7 des Steckkontakts des Steckverbinders 2 detaillierter skizziert. Beide Kontaktteile 6, 7 weisen jeweils ein Gehäuse 8 auf. Das erste Kontaktteil 6 weist zudem einen Kontaktstift 9 auf. Das zweite Kontaktteil 7 weist wiederum eine Kontaktöffnung 10 zur Aufnahme des Kontaktstifts 9 des ersten Kontaktteils 6 auf. Bei dem zweiten Kontaktteil 7 handelt es sich somit um eine sogenannte Kupplung. Beide Kontaktteile 6, 7 weisen zudem jeweils einen Anschluss an die elektrischen Leitungen 3, beispielweise zum Verbinden des jeweiligen Kontaktteils 6, 7 mit der Batterie 4 beziehungsweise einem der Verbraucher 5 des Kraftfahrzeugs 1, auf. Die beiden Kontaktteile 6, 7 weisen außerdem im Bereich des Kontaktstifts 9 beziehungsweise im Bereich der Aufnahmeaussparung 10 jeweils Kontaktbeschichtungen 12 auf. Diese Kontaktbeschichtungen 12 sind typischerweise ein bis drei Mikrometer dünn und in Form einer Oberflächenbeschichtung auf einer Kontaktfläche auf dem Kontaktstift 9 beziehungsweise in dem Bereich der Aufnahmeaussparung 10 aufgebracht (hier nicht maßstabsgetreu dargestellt). Bei diesen Kontaktbeschichtungen 12 handelt es sich um eine eutektische Legierung, beispielsweise um eine Zinn-Silber-Kupfer- oder eine Zinn-Blei-Legierung.
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In 3 ist der Steckverbinder 2 mit lösbar verbundenen Steckkontakten, das heißt mit lösbar verbundenem erstem und zweitem Kontaktteil 6, 7 skizziert. Die Kontaktbeschichtungen 12 liegen hierbei übereinander, wodurch eine vorgegebene Kontaktfläche 14 gegeben ist. Kommt es nun zu einer Temperaturerhöhung des ersten Kontaktteils 6 und/oder des zweiten Kontaktteils 7 über eine vorgegebene materialabhängige Grenztemperatur, beispielsweise durch eine Erhöhung der Temperatur der Kontaktflächen in dem Kontaktstift 9 beziehungsweise in dem Bereich der Kontaktöffnung 10, schmelzen die entsprechenden Kontaktbeschichtungen 12 auf. Ist dies der Fall, werden das erste Kontaktteile 6 und das zweite Kontaktteil 7 stoffschlüssig miteinander verbunden. Durch dieses stoffschlüssige Verbinden wird ein Kontaktwiderstand des Steckverbinders 2 reduziert. Der Kontaktwiderstand des Steckverbinders 2 weist nämlich einen Soll-Wertebereich auf und die Kontaktbeschichtung 12 ist derart beschaffen, dass der Kontaktwiderstand des Steckverbinders 2, der beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten über einen Maximalwert dieses Soll-Wertebereichs angestiegen ist, wodurch die Temperatur des ersten Kontaktteils 6 und/oder des zweiten Kontaktteils 7 über die vorgegebene Grenztemperatur angestiegen ist, nach dem Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung 12 reduziert ist und wieder innerhalb des Soll-Wertebereichs liegt. Aufgrund der Reduzierung des Kontaktwiderstands kommt es zudem zu einer Reduzierung der Temperatur des ersten Kontaktteils 6 und des zweiten Kontaktteils 7 des Steckverbinders 2, sodass deren Temperaturen letztendlich unterhalb der Grenztemperatur liegen. Die Schmelztemperatur der Gehäuse 8 liegt hierbei deutlich oberhalb der Grenztemperatur der Kontaktbeschichtung 12, sodass es zu keinem Aufschmelzen der Gehäuse 8 bei Temperaturen im Bereich der Grenztemperatur kommt.
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Das stoffschlüssige Verbinden der beiden Kontaktteile 6, 7 erfolgt im Bereich der vorgegebenen Kontaktfläche 14 der Kontaktbeschichtungen 12 des Kontaktstifts 9 sowie der Kontaktöffnung 10, das heißt in einem fest definierten Bereich des Steckverbinders 2. Die Grenztemperatur der Kontaktbeschichtung 12 ist hierbei abhängig von der Materialwahl sowie von der Dicke der Kontaktbeschichtung 12. Die Parameter der Kontaktbeschichtung 12 bestimmen somit die Grenztemperatur des ersten Kontaktteils 6 und/oder des zweiten Kontaktteils 7, bei der es zu einem Aufschmelzen der jeweiligen Kontaktbeschichtungen 12 kommt.
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Zusätzlich kann zwischen einer Oberfläche des ersten Kontaktteils 6 im Bereich der Kontaktfläche des Kontaktstifts 9 und einer Oberfläche der Kontaktbeschichtung 12 ein Flussmittel aufgebracht sein. Dieses Flussmittel kann zudem oder alternativ zwischen der Oberfläche der Kontaktöffnung10 und der Kontaktbeschichtung 12 des zweiten Kontaktteils 7 aufgebracht sein. Das Flussmittel dient zur besseren Benetzung des Kontaktstifts 9 und der Kontaktöffnung 10 mit der Kontaktbeschichtung 12, das hier als Lot zum stoffschlüssigen Verbinden der beiden Kontaktteile 6, 7 bei Übersteigen der Grenztemperatur der Kontaktbeschichtung 12 dient.
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In 4 sind die einzelnen Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Koppeln elektrischer Leitungen 3 in einem Kraftfahrzeug 1 mit dem Steckverbinder 2 skizziert. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Ansteigen einer Temperatur des ersten Kontaktteils 6 und/oder des zweiten Kontaktteils 7 des Steckverbinders 2 über eine vorgegebene Grenztemperatur bei lösbar miteinander verbundenem Steckverbinder 2, beispielweise aufgrund einer Erhöhung des Kontaktwiderstands im Steckverbinder 2 aufgrund von Alterungseffekten. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Ansteigen des Kontaktwiderstands des Steckverbinders 2 über einen Soll-Wertebereich des Kontaktwiderstands bei lösbar miteinander verbundenem Steckverbinder 2 und in einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Aufschmelzen der Kontaktbeschichtung 12, sodass das erste Kontaktteil 6 und das zweite Kontaktteil 7 stoffschlüssig verbunden werden und der Kontaktwiderstand des Steckverbinders 2 auf einen Wert im Soll-Wertebereich des Kontaktwiderstands reduziert wird. Die drei Schritte S1, S2 und S3 können hierbei nacheinander oder auch gleichzeitig erfolgen.
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Insgesamt ist der Steckverbinder 2 zum Koppeln der elektrischen Leitungen 3 im Kraftfahrzeug 1 durch die Kontaktbeschichtungen 12 zumindest eines der beiden Kontaktteile 6, 7 dazu ausgelegt, dass durch ein Aufschmelzen der Kontaktbeschichtungen 12, falls die beiden Kontaktteile 6, 7 lösbar miteinander verbunden sind und eine Temperatur des ersten Kontaktteils 6 und/oder des zweiten Kontaktteils 7 über eine vorgegebene Grenztemperatur ansteigt, das erste Kontaktteil 6 und das zweite Kontaktteil 7 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei diesem stoffschlüssigen Verbinden wird der Kontaktwiderstand des Steckverbinders 2 derart verändert, dass dieser im Zustand der stoffschlüssigen Verbindung kleiner ist als im Zustand der lösbaren Verbindung des Steckverbinders 2. Die Kopplung der elektrischen Leitungen 3 durch den Steckverbinder 2 wird somit stabilisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Steckverbinder
- 3
- elektrische Leitung
- 4
- Batterie
- 5
- Verbraucher
- 6
- erstes Kontaktteil
- 7
- zweites Kontaktteil
- 8
- Gehäuse
- 9
- Kontaktstift
- 10
- Kontaktöffnung
- 12
- Kontaktbeschichtung
- 14
- Kontaktfläche
- S1, S2, S3
- Schritte
