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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spleißkörper zur elektrisch leitfähigen Verbindung der freien Enden von mindestens zwei Kabeln, wobei der Spleißkörper einen Kern aus elektrisch leitfähigem Polymer aufweist, der zur Aufnahme der freien Enden der Kabel hergerichtet ist und der von einer Hülle aus einem elektrischen Isolator ummantelt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung zwei Verfahren zur Herstellung elektrisch leitfähiger Spleiße zwischen freien Enden von mindestens zwei Kabeln mit einem Spleißkörper.
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Zur Versorgung fahrzeugeigener Peripheriegeräte besitzen Kraftfahrzeuge ein Bordnetz aus mehreren Leitungsbündeln, die innerhalb der Karosserie verlegt sind. Die Leitungsbündel bestehen aus einer Vielzahl von Einzelleitungen, die zur Reduzierung der Anzahl von Einzelleitungen und zur Verringerung von Kontaktstellen zumindest abschnittsweise zu einer Leitung zusammengefasst werden können. Die Verbindung von zwei oder mehreren Leitungen bilden einen Spleiß, wobei nach dem Stand der Technik unterschiedliche Spleißkörper bekannt sind, die eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kabeln schaffen.
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Als Spleißkörper sind nach dem Stand der Technik beispielsweise Crimphülsen oder Klemmverbinder bekannt. Für die Anwendung in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs werden robuste und erschütterungsstabile Spleiße benötigt. In Bauräumen mit einem potenziellen Wassereintrag sind die Spleiße zudem wasserdicht auszuführen, um etwaige Kurzschlüsse zu vermeiden. Sowohl Klemmverbinder als auch Crimphülsen werden den Anforderungen nicht uneingeschränkt gerecht und benötigen einen erhöhten Bauraumbedarf, weshalb die Verwendung dieser Spleißkörper nachteilbehaftet ist.
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Es ist nach dem Stand der Technik auch bekannt, Spleiße durch Ultraschallverschweißen der freien Enden der Kabel herzustellen. 1a zeigt beispielhaft einen solchen Spleiß 1, bei dem ein linksseitiges Leitungsbündel 2a mit drei Kabeln 3a, 3b, 3c mit einem rechtsseitigen Leitungsbündel 2b mit nur einem einzigen Kabel 3d verbunden ist. Die Kabelenden 4a-d sind jeweils abisoliert und durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden. Zum Abdichten eines solchen Spleißes 1 wird ein Teil der Kabel 3a,b,c,d mit den Kabelenden 4a,b,c,d vor der Verbindung durch das Ultraschallschweißen durch einen Schrumpfschlauch 5 gefädelt, der nach der Verbindung auf den Spleiß 1 aufgeschrumpft wird.
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1b zeigt die Querschnittsansicht A-A des linksseitigen Leitungsbündels 2a, bei dem die beiden Kabel 3a,b von dem aufgeschrumpften Schrumpfschlauch 5 umgriffen sind. Hierbei entstehen als Inter-Wire-Gaps 6 bezeichnete Hohlräume, die sich beim Aufschrumpfen des Schrumpfschlauches 5 nicht vollständig schließen, weshalb eine Abdichtung gegen einen unerwünschten Wassereintrag üblicher Weise durch den Einsatz eines (nicht gezeigten) Innenklebers im Schrumpfschlauch 5 erfolgt. Beim Spleißen einer Vielzahl von Einzelleitungen wird der Innenkleber als Schutzring auf die einzelnen Kabel vormontiert, was zu einem erheblichen Montageaufwand führt. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Schrumpfschlauch nur bei Spleißen einsetzbar ist, bei denen die linksseitigen und rechtsseitigen Leitungsbündel eine ausgeglichene Anzahl von Einzelleitungen / Kabeln aufweisen. Es ist zwar durch die in 1a gezeigte Kabelführung möglich, die Anzahl der linksseitigen und rechtsseitigen Kabel 31-d bedarfsgerecht anzupassen, indem das Kabel 3c des Leitungsbündels 2a am Spleiß 1 vorbei und von der anderen Richtung in den Schrumpfschlauch 5 geführt wird, allerdings ergibt sich hierdurch ein erhöhter Bauraumbedarf, ein Mehrbedarf an Material und ein höherer Montageaufwand. Ferner reduziert eine solche Kabelführung die Flexibilität des Leitungsbündels, so dass dessen Verlegung mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden ist, der auch einer etwaigen Automatisierung der Bordnetzfertigung entgegensteht.
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Aus
US 5 006 286 A ist ein gattungsgemäßer Spleißkörper bekannt, der einen Kern aus einem viskosen, elektrisch leitfähigem Material besitzt.
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DE 2 309 156 A beschreibt ein Verfahren zum zugfesten Verbinden zweier Stahlseile. Hierzu ist eine Muffe vorgesehen, in die die Stahlseile eingreifen, und in die ein härtbares Füllmaterial eingepresst wird.
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DE 20 2004 015 769 U1 offenbart ein Bauteil aus elektrisch leitfähigem Kunststoff in das zur besseren elektrischen Kontaktierung Metallteile eingebettet sind.
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Schließlich ist aus
DE 11 2020 000 424 T5 ein abschirmgesichertes elektrisches Steckverbindersystem mit innenliegendem Federelement bekannt.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu beheben und hierfür einen Spleißkörper und zwei Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Spleißes zu schaffen. Insbesondere soll der elektrisch leitfähige Spleiß mit einem geringen Montageaufwand herstellbar, robust und wasserdicht ausgestaltet sein.
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Diese Aufgabe wird zunächst durch den Spleißkörper nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kern zur Aufnahme der freien Enden der Kabel Perforationen aufweist, in die die freien Enden der Kabel derart einführbar sind, dass die Kabel kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Spleißkörper verbindbar sind. Im montierten Zustand nimmt der Kern des Spleißkörpers aus dem elektrisch leitfähigen Polymer die freien Enden der Kabel auf, so dass der Spleißkörper eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Kabeln bildet. Ein solcher Spleißkörper ist mit einem vergleichsweise geringen Aufwand herstell- und montierbar und liefert einen kompakten, robusten und wasserdichten Spleiß. Der Spleißprozess, also das Verbinden der freien Enden der Kabel mit einem solchen Spleißkörper, ist wenig komplex und kann vorteilhafterweise daher auch automatisiert ausgeführt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spleißkörpers werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrisch leitfähige Polymer als Verbundwerkstoff mit einer Matrix ausgebildet ist, die elektrisch leitfähige Partikel enthält. Vorzugsweise besteht die Matrix aus Epoxidharz, Silikonelastomer oder aus Kunststoff auf Acrylatbasis. Die elektrisch leitfähigen Partikel bestehen vorzugsweise aus Silber, Aluminium, Gold, Graphit, Graphen, Kohlenstoff, Edelstahl und/oder Carbon-Nanotubes. Dabei können die elektrisch leitfähigen Partikel sortenrein oder aus einer im Wesentlichen beliebigen Mischung der aufgezählten Partikel bestehen. Der Einsatz von Silber, Aluminium, Gold, Graphit, Graphen oder Kohlenstoff als elektrisch leitfähige Partikel führt zu einer im Wesentlichen isotropen Leitfähigkeit des Polymers. Demgegenüber kann der Einsatz von Fasern aus Edelstahl oder von Carbon-Nanotubes zu einer anisotropen Leitfähigkeit des Polymers führen. Die Verwendung von Silber als elektrisch leitfähige Partikel ist bevorzugt, weil Silberpartikel gute elektrische Eigenschaften aufweisen und Korrosionsbeständig sind.
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Ein derartiger Verbundwerkstoff lässt sich mit einem geringen Aufwand herstellen und zu einem Spleißkörper verarbeiten. Hierbei kann der Spleißkörper in unterschiedlicher Weise gefertigt und mit den freien Enden der Kabel verbunden werden.
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Der Spleißkörper ist als zusätzliches Bauteil ausgebildet. Dabei ist vorgesehen, dass der Kern zur Aufnahme der freien Enden der Kabel Perforationen aufweist, in die die freien Enden der Kabel derart einführbar sind, dass die Kabel kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Spleißkörper verbindbar sind. Der Spleißkörper bildet hiernach ein zusätzliches Bauteil, in das die freien Enden der Kabel zur Bildung einer stromleitenden Verbindung eingeführt werden. Dabei durchgreifen die Perforationen den Spleißkörper nicht vollständig, sondern sind als sacklochartige Ausnehmungen ausgebildet, die innerhalb des Kerns des Spleißkörpers ein geschlossenes Ende besitzen. Vorzugsweise werden die Kabel dabei soweit in die Perforationen eingeführt, dass der Spleißkörper auch die Isolationen der Kabel sauber umschließt, so dass der Spleißkörper vollständig wasserdicht ausgebildet ist bzw. einen vollständig wasserdichten Spleiß bildet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus durch eines der Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Spleißes nach einem der Ansprüche 4 oder 5 gelöst.
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Im Rahmen des ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Spleißes zwischen den freien Enden von mindestens zwei Kabeln mit einem Spleißkörper sind erfindungsgemäß zunächst folgende Schritte vorgesehen:
- a) Vorpositionieren der freien Enden der Kabel,
- b) Umspritzen der freien Enden der Kabel mit einem viskosen, elektrisch leitfähigen Polymer,
- c) Aushärten des elektrisch leitfähigen Polymers zu einem Kern und
- d) Ummanteln des Kerns mit einer Hülle aus einem elektrischen Isolator.
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Das Umspritzen der freien Enden der Kabel mit dem viskosen, elektrisch leitfähigen Polymer erfolgt vorzugsweise mittels einer ersten Applikationseinrichtung. In vorteilhafter Weise wird hierbei ein hochviskoses Epoxidharz verwendet, wobei die isotrope elektrische Leitfähigkeit des Epoxidharzes vorzugsweise durch das Einbringen von Silberpartikeln als Füllstoff erzeugt wird. Das Aushärten des Epoxidharzes durch eine Polymerisation wird vorzugsweise mittels einer UV-Bestrahlung beschleunigt. Damit der Spleißkörper vollständig wasserdicht ausgestaltet ist, erfolgt der Auftrag des elektrisch leitenden Polymers, insbesondere der Auftrag des hochviskosen Epoxidharzes über den Ansatz der jeweiligen Leitungsisolation hinaus, so dass sich eine vollständige Ummantelung des Spleißkörpers mit einem elektrischen Isolator ergibt. Vorzugsweise wird als Isolator ein nichtleitendes Epoxidharz, d.h. ein Epoxidharz ohne elektrisch leitfähige Partikel, verwendet, was sich nach der erfolgten Aushärtung positiv auf die Stabilität des Spleißkörpers auswirkt. Die Herstellung eines solchen Spleißkörpers kann im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch automatisiert erfolgen. Die Verwendung von UV-härtendem Epoxidharz mit Silberpartikeln als elektrisch leitfähigem Polymer ist im Rahmen des zuvor beschriebenen Verfahrens auch vorteilhaft, weil sich ein derartiges Material gut verarbeiten lässt, denn das vorzugsweise einkomponentige, hochviskose Epoxidharz bleibt lange verformbar und lässt sich somit gut und prozesssicher verarbeiten. Das Aushärten des Polymers erfolgt durch die aktive Bestrahlung mit UV-Licht und mithin zu einem vorgebbaren Zeitpunkt.
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Im Rahmen eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Spleißes zwischen den freien Enden von mindestens zwei Kabeln mit einem Spleißkörper sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:
- a) Spritzgießen eines Kerns aus elektrisch leitfähigem Polymer,
- b) Ummanteln des Kerns mit einem Isolator,
- c) Einbringen von Perforationen in den Spleißkörper und
- d) Einführen der freien Enden der Kabel in die Perforationen.
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Ein solcher Spleißkörper ist zweiteilig ausgebildet und wird vorzugsweise im Spritzgussverfahren hergestellt, bei dem der Kern des Spleißkörpers zuerst gefertigt wird. Vorzugsweise wird hierzu ein Silikonelastomer verwendet, wobei das Silikonelastomer durch das Einbringen von Silberpartikeln als Füllstoff eine gute isotrope elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es ist allerdings bedarfsabhängig auch vorgesehen, durch die Verwendung von Edelstahlfasern und/oder Carbon-Nanotubes eine anisotrope Leitfähigkeit zu erzeugen, die vorzugsweise eine erhöhte Leitfähigkeit quer zur Perforationsrichtung, d.h. von Kabelende zu Kabelende aufweist, wodurch sich die Leitfähigkeit des Spleißes in vorteilhafter Weise verbessern lässt. Der Kern des Spleißkörpers wird anschließend vorzugsweise von einem Elastomer umspritzt, das nicht elektrisch leitfähig ausgebildet ist und mithin die Hülle aus einem elektrischen Isolator bildet. Alternativ kann der Kern des Spleißkörpers auch durch einen Isolator beispielsweise in Form eines Klebebandes umwickelt werden. Anschließend werden Perforationen in der gewünschten Anzahl und an den gewünschten Positionen in den Spleißkörper eingebracht, in die die freien Enden der Kabel zur Herstellung des elektrisch leitenden Spleißes einführbar sind, so dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Kabeln entsteht. Der Einsatz von Silikonelastomer für den Spleißkörper begünstigt im Rahmen dieses Verfahrens den wasserdichten Formschluss zwischen dem Spleißkörper und den Kabeln. Zusätzlich führt die geometrische Flexibilität des Materials zu einer möglichst großen wirksamen Kontaktfläche zwischen den freien Kabelenden und dem Spleißkörper und somit zur Reduzierung des Eigenwiderstandes.
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Durch beide Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Spleißes ergibt sich eine Reduzierung der erforderlichen Bauteile für einen Spleiß. Insbesondere kann auf die teils umständliche Verwendung von Schrumpfschläuchen und Innenklebern verzichtet werden. Die Flexibilität des Spleißes wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Verbaubarkeit des Spleißes im Bordnetz aus. Insbesondere eine flache Anordnung der einzelnen Kabelenden nebeneinander lässt sich gut in das Bordnetz integrieren und an die Form des Leitungsbündels anpassen. Eine bevorzugte versetzte Anordnung der Kabelenden innerhalb des Spleißkörpers führt zu einer kurzen Bauform des Spleißkörpers. Es ist besonders vorteilhaft gegenüber dem Stand der Technik, dass die Anzahl der linksseitigen und rechtsseitigen Kabel nicht ausgeglichen sein muss, um eine wasserdichte Verbindung zu schaffen, sondern dass eine wasserdichte Ausgestaltung des Spleißkörpers auch mit einer unterschiedlichen Anzahl von links- und rechtsseitigen Kabeln möglich ist. Auch die Flexibilität des Leitungsstrangs wird dadurch im Vergleich zu gängigen Spleißkörpern erhöht und der Bauraumbedarf verringert. Insgesamt ergibt sich hierdurch auch eine bessere Automatisierbarkeit der gesamten Bordnetzfertigung
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Konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a, b Querschnittsansichten eines Spleißes nach dem Stand der Technik,
- 2a, b, c Verfahrensschritte des Fertigungsprozesses eines Spleißes und
- 3a, b einen Spleiß mit einem Spleißkörper.
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Die 2a, b und c zeigen einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines Spleißes mit einem Spleißkörper. 2a zeigt hierzu mehrere Kabel 10a,b,c mit jeweils freien und abschnittsweise abisolierten Enden 11a,b,c, die durch einen Spleißkörper elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden sollen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel soll dabei das linksseitig angeordnete Kabel 10a mit den zwei rechtsseitig angeordneten Kabeln 10b,c elektrisch leitfähig verbunden werden. Hierzu werden sie - wie in 2a dargestellt - durch geeignete Mittel vorpositioniert, wobei die Kabelenden 11a,b,c im dargestellten Ausführungsbeispiel beabstandet und parallel zueinander angeordnet sind.
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Bei einem zweiten Verfahrensschritt gemäß 2b werden die Kabelenden 11a,b,c sowohl im abisolierten als auch im isolierten Bereich mittels einer ersten Applikationseinrichtung 12a mit einem elektrisch leitfähigen Polymer 13 umspritzt, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als Epoxidharz mit elektrisch leitfähigen Silberpartikeln 14 ausgeführt ist, die in dem Detailausschnitt schematisch gezeigt sind. Nachdem die freien Enden 11a,b,c der Kabel 10a,b,c vollständig mit dem elektrisch leitfähigen Polymer 13 umspritzt wurden, erfolgt eine Bestrahlung des elektrisch leitfähigen Polymers 13 durch eine UV-Lichtquelle 15, wodurch das elektrisch leitfähige Polymer 13 aushärtet und einen Kern 16 bildet, der die freien Enden 11a,b,c der Kabel 10a,b,c aufnimmt und fixiert.
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Abschließend erfolgt nach 2c das Ummanteln des Kerns 16 mittels einer zweiten Applikationseinrichtung 12b mit einem elektrischen Isolator 17, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Epoxidharz (ohne elektrisch leitfähige Partikel) ausgebildet ist. Nachdem der Kern 16 vollständig durch das Epoxidharz ummantelt wurde, erfolgt im Rahmen eines letzten Verfahrensschritts das Aushärten des Epoxidharzes zu einer Hülle 18, indem das Epoxidharz mit Licht der UV-Lichtquelle 15 beaufschlagt wird. Der somit erzeugte Spleißkörper 19a besteht aus einem Kern 16 aus elektrisch leitfähigem Polymer 13 und einer Hülle 18 aus einem Isolator 17 und nimmt die Enden 11a,b,c der Kabel 10a,b,c derart auf, dass sie elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Die 3a, b zeigen eine weitere Ausgestaltung eines Spleißkörpers 19b, der als zusätzliches Bauteil ausgebildet ist und durch ein mehrstufiges Spitzgussverfahren herstellbar ist. 3a zeigt den Spleißkörper 19b in Form eines Kerns 16 aus einem elektrisch leitfähigen Polymer 13, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Silikonelastomer mit Silberpartikeln 14 ausgebildet ist. Der Kern 16 wird vollständig von einem elektrischen Isolator 17 ummantelt, der mithin eine Hülle 18 bildet. Rechts- und linksseitig sind in den Spleißkörper 19b (im dargestellten Ausführungsbeispiel drei) Perforationen 20a,b,c eingebracht, nämlich eine linksseitige Perforation 20a und zwei rechtsseitige Perforationen 20b,c. Die zu verbindenden freien Enden 11a,b,c der Kabel 10a,b,c können in Pfeilrichtung 21 in die Perforationen 20a,b,c soweit eingeführt werden, bis auch die Isolationen in den Spleißkörper 19b eingreifen, so dass sich anschließend eine vollständig wasserdichte Ausgestaltung des Spleißkörpers 19b ergibt (vgl. 3b).
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Die in den 2a, b, c und 3a, b dargestellten Spleißkörper 19a,b sind insbesondere in ihrer Geometrie frei wählbar, so dass Leitungsbündel mit derartigen Spleißkörpern 19a,b einfach und an den zur Verfügung stehenden Bauraum angepasst und verlegt werden können, was auch die Automatisierung der Bordnetzfertigung begünstigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spleiß
- 2a,b
- Leitungsbündel
- 3a,b,c,d
- Kabel
- 4a,b,c,d
- Kabelende
- 5
- Schrumpfschlauch
- 6
- Inter-Wire-Gap
- 10a,b,c
- Kabel
- 11a,b,c
- Kabelende
- 12a,b
- Applikationseinrichtung
- 13
- elektrisch leitfähiges Polymer
- 14
- Silberpartikel
- 15
- UV-Lichtquelle
- 16
- Kern
- 17
- Isolator
- 18
- Hülle
- 19a,b
- Spleißkörper
- 20a,b,c
- Perforation
- 21
- Pfeilrichtung
