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Die Erfindung betrifft eine Kontaktsteckerkombination zur Übertragung elektrischer Energie durch lösbare Kontaktierung mit einer Kontaktbuchse.
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Zur Kontaktierung oder Herstellung lösbarer elektrisch leitender Verbindungen werden Steckverbindungen, Kontaktierungselemente, Polverbinder, Steckhülsen usw. in unterschiedlichsten Ausbildungen und Varianten eingesetzt. Insbesondere, aber nicht ausschließlich bei elektrischen Kontaktierungsaufgaben im höheren Leistungsbereich sind Kontaktsysteme entwickelt worden, die auf Rundkontaktgeometrien zur Aufnahme eines Kontaktpins basieren und deren Ausgangsmaterial aus einem flächigen Kontaktgitter besteht, dass mit hyperbolischem Drall in die Rundkontaktgeometrie gebracht wird. Diese als RADSOK bekannt gewordenen Kontaktsysteme zeichnen sich durch robuste und hochdichte Kontaktherstellung infolge der erheblichen Kontaktfläche zum jeweiligen Kontaktpin aus. Alternativ sind anstelle der hyperbolischen Verdrehsituation nach innen gerichtete Lamellengeometrien bekannt, dessen Lamellenkontaktgitter radialsymmetrisch ausgerichtet ist.
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Diese vorzugsweise als Hochstromkontaktbuchsen verwendeten Kontaktgeometrien sind folglich als Radialkontaktbuchsen oder hyperbolische Kontaktbuchsen bekannt.
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RADSOK-Kontaktsysteme der vorgenannten Art werden über ihre in der Regel zylindrischen Außenkonturen in Steckverbinderbuchsenhülsen aufgenommen und realisieren die Kontaktierung außenseitig über die Zylinderflächen. Die
DE 10 2007 051 266 B4 basiert auf der Grundidee, eine einzige Steckverbinderbuchsenhülse bereitzustellen, die so ausgebildet ist, dass unterschiedliche Lamellenkontaktkäfige in Form von RADSOK-Kontaktbuchsen aufgenommen werden können, welche flächig an der Innenseite der Kontaktbuchse zur Anlage kommt.
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Einen vergleichbaren Grundaufbau zeigt die
DE 20 2016 100 095 U1 . Erfindungsgegenstand hier ist die Kopplung, Verbindung, Kontaktierung des zylinderförmigen Lamellenkäfigs „fliegend“ innerhalb der aufnehmenden Steckverbinderbuchsenhülse, dadurch, dass nur eine der die jeweils endseitigen Bunde beispielsweise durch Presspassung in der Buchse festgelegt wird. Es ist eine elektrische Steckverbinderbuchse umfassend eine zylindrische Buchsenhülse vorgesehen, welche mit einem Aufnahmeraum ausgebildet ist, in dem ein zylinderförmiger Lamellenkäfig mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden Kontaktlamellen eingeschoben ist, wobei der Lamellenkäfig über einen ersten und zweiten endseitig umlaufenden Bundsteg verfügt, zwischen denen die Kontaktlamellen verlaufen. Der Lamellenkäfig wird an dem einen Ende zumindest axial und bevorzugt auch drehfest in der Buchsenhülse festgelegt und dadurch eingespannt bzw. befestigt und an dem anderen gegenüberliegenden Ende eine axiale und zumindest um einen gewissen Drehwinkel drehbare Gleitlagerung gegenüber der Buchsenhülse vorgesehen ist. Vorzugsweise wird der Lamellenkäfig mit seinem einen Bundsteg mittels hülsenseitigem Befestigungsmittel an der Innenwand der Buchsenhülse befestigt.
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Insbesondere bei Kontaktierungsaufgaben im Hochstrombereich - beispielsweise zur Aufladung von Batterien in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder die elektrische Kontaktierung der Fahrzeugbatterie mit den Verbrauchern im Fahrzeug - ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die elektrische Kontaktierung der Steckverbindungspartner sehr zuverlässig ist. Auf derartige Steckverbindungen und deren Kontaktierungselemente, die häufig aus einer oder mehrerer Paarungen, bestehend aus Steckkontaktpin und Steckkontaktbuchse aufgebaut sind, können unterschiedliche Einflüsse einwirken, beispielsweise mechanische Belastungen, Vibrationen, Stöße, Alterungseinflüsse. Auch möglich sind erhebliche Temperatureinflüsse verursacht durch Umweltbedingungen oder infolge der Eigenerwärmung verursacht durch die fließende elektrische Leistung und den Eigenwiderstand der stromführenden Teile. Besonders relevant kann die Eigenerwärmung sein an den Kontaktstellen, da kontaktkraftbedingt die Kontaktflächen klein und somit ein quasi geometrisch verursachter hoher Widerstand vorliegen kann. Aus diesem Grund ist es von besonderer Wichtigkeit, dass die Kontaktkraft - genauer: die Kontaktnormalkraft - möglichst hoch und dauerhaft gleichbleibend ist, um die Kontaktpartner, meist gebildet durch Kontaktpin und Kontaktbuchse für deren elektrisch Kontaktierung an dessen Kontaktflächen aneinanderzupressen.
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Die im Stand der Technik verfügbaren Kontaktbuchsen wie beispielsweise die erwähnten RADSOK-Buchsen oder auch deren Steckkontaktpartner, die Steckkontaktpins werden sowohl bildsame Formgebungsverfahren wie beispielsweise Stanzen, Rollen und geeignete Werkstoffe mit federnden Eigenschaften eingesetzt, um die erwünschten Federwirkungen durch Rückstellkräfte zu erzeugen die genutzt werden, um vorzugsweise elastische Anpresskräfte der Kontaktpartner an ihren Kontaktflächen zu erzeugen. Dabei wird die Leistungsfähigkeit der Steckkontaktverbindung durch auftretenden Temperatureinwirkungen begrenzt, dadurch, dass höheren Temperaturen ein Federkraftverlust infolge von Relaxierungsvorgängen, Materialkriechen und Eigenspannungsabbau bewirken. Dies gilt insbesondere für Kupfer und Kupferlegierungen, da Kupfer neben seiner generell niedrigen Elastizitätseigenschaft vor allen bereits bei niedrigen Temperaturen „weich“ wird.
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Werden die Steckkontaktpartner derart konstruiert und aus Werkstoffen wie beispielsweise Federstahl gebildet, ist es zwar möglich, auch sehr hohe Kontaktnormalkräfte zu erzeugen, welche die Kontaktflächen der Steckkontaktpartner zuverlässig aneinanderdrücken, aber es ergeben sich häufig Montageprobleme, dadurch, dass das Zusammenstecken der Kontaktpartner hohe Steckkräfte erfordert, welche die Montage erschweren oder den Einsatz von Werkzeugen erfordern.
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Um die Problematik der sich unter Temperatureinwirkungen verringernden Kontaktnormalkräfte zu reduzieren sind Kontaktierungslösungen entwickelt worden, bei denen sich die Kontaktierungselemente oder Zusatzbauteile infolge der Temperaturerhöhung derart verformen, dass die Steigerung der Kontaktkraft erreicht wird und gleichzeitig die Montagekraft beim Zusammenstecken der Steckverbindung bei niedrigerer Temperatur geringer ist. Die
EP 2 461 427 B1 offenbart einen sich selbsttätig verformenden Hochstromkontakt basierend auf dem Ansatz, durch einerseits konstruktive Auslegung des Hochstromkontakts und andererseits Vorsehen eines sich bei steigender Temperatur selbsttätig verformenden Elementes der Steckverbindung mit niedrigen Steckkräften bei Raumtemperatur für die Montage und hoher Kontaktkraft beziehungsweise Kontaktnormalkraft während des Betriebs, insbesondere stärkerer Eigenerwärmung und bei erhöhten Umgebungstemperaturen zu erreichen.
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Die Kontaktnormalkraft wird quasi selbstregelnd erhöht, sobald eine Temperaturerhöhung stattfindet. Der vorgeschlagene Hochstromkontakt dient zur Übertragung von Strom von einer Stromquelle zu einem elektrischen Leiter eines Stromabnehmers, so dass der Hochstromkontakt zusammen mit dem korrespondierenden Kontaktstift einerseits zur mechanischen Verbindung und andererseits zur elektrischen Kontaktierung des Stromabnehmers mit der Stromquelle über eine elektrische Kontaktfläche des Hochstromkontakts mit dem Kontaktstift dient. Indem die mechanische Verbindung bei durch Stromfluss steigender Temperatur des Hochstromkontakts durch den Hochstromkontakt bzw. die selbsttätig verformend ausgebildeten Bauteile, insbesondere einem ringförmigen Element durch die temperaturinitiierte Verformung gesteigert wird, wird die dem werkstoffbedingten Kontaktnormalkraftverlust entgegengewirkt und Kontaktkraft zumindest aufrechterhalten, teils sogar gesteigert. Gleichzeitig ist das Zusammenstecken bei niedrigen Temperaturen mit verringerter Steckkraft möglich.
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Einen ähnlichen Ansatz verfolgt die
DE 10 2005 032 462 A1 . Gelehrt wird hier die Kontaktbuchse derart auszugestalten, dass zumindest der Bereich der Kontaktkuppen aus einem Bimetall besteht. Der mit dem Bimetall ausgestaltete Bereich verändert seine Form aufgrund eines Wärmeeinflusses. Diese Formänderung wird genutzt, die Kontaktnormalkraft zumindest konstant zu halten oder ansteigen zu lassen.
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Die im Stand der Technik verfügbaren Kontaktierungslösungen mit der temperaturabhängigen Veränderung der Kontaktnormalkraft und aufgebaut durch die Kombination von Kontaktbuchse und Kontaktpin weisen teils erhebliche Nachteile auf. Häufig findet man Lösungen, welche ein oder mehrere Bauteile wie beispielsweise Ringe oder rohrförmige Bauteile aufweisen, welche die Kontaktnormalkraft infolge einer Temperaturveränderung beeinflussen. Diese Lösungen stellen häufig nur geringe oder zumindest nicht ausreichend hohe Kontaktnormalkraftsteigerungen durch die Temperaturänderungen, verursacht durch die Temperaturdifferenz zwischen Temperatur vor und nach der Bestromung bereit.
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Andere Kontaktierungausgestaltungen integrieren die sich unter Temperatureinwirkung verformenden Komponenten der Kontaktierung bzw. Steckverbindung in das Kontaktbuchsenbauteil. Mit derart geometrischen Ausgestaltungen können durch die temperaturabhängige Verformung nur in vergleichsweise geringem Umfang die Kontaktnormalkräfte beeinflusst und insbesondere erhöht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Kontaktierungslösungen mit sich durch Temperatureinwirkung veränderbaren Kontaktnormalkräften weiterzuentwickeln und die bestehenden Nachteile wenigstens teilweise zu reduzieren.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe schlägt eine Kontaktsteckerkombination bestehend aus einem Kontaktstecker (hier auch als Krallenpin bezeichnet) mit wenigstens einer Ausdehnungshülse vor, welche zur elektrisch leitenden Kontaktierung in eine Kontaktbuchse einsteckbar ist. Die Ausdehnungshülse als zusätzliche Komponente innerhalb der Steckverbindungspartner-Kombination bewerkstelligt allein oder zusammenwirkend mit einem Kontaktstecker in Form eines Kontaktsteckers und einer Kontaktbuchse die Kontaktnormalkraftveränderung infolge Verformung ausgelöst durch Temperaturänderungen. Die temperaturabhängige Verformung der Ausdehnungshülse und ggf. des Kontaktsteckers wird erzeugt durch die Verwendung von Mehrschichtmetallen mit unterschiedlichen TemperaturAusdehnungskoeffizienten und/oder durch Formgedächtnislegierungen. Die Temperaturänderung kann basieren auf der Änderung der Umgebungstemperatur und/oder einer herbeigeführten Temperaturänderung und/oder der Erwärmung durch den ohmschen Widerstand der elektrisch leitenden Werkstoffe bei der Durchleitung elektrischer Energie.
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Die Kontaktbuchse als female-Komponente der Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung ist aus einem gut elektrisch leitenden Material wie beispielsweise kupferbasierte Legierungen, bestehend und nimmt im gesteckten Zustand der Steckverbindung den Kontaktstecker und die Ausdehnungshülse in ihrem Innern auf.
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Der Kontaktstecker als male-Komponente zur Kontaktbuchse und als female-Komponente zur Ausdehnungshülse weist eine krallenartige Form auf, welche gebildet wird durch wenigstens ein krallenartiges, annähernd kreisbogenförmig geformtes und sich bereichsweise in Umfangsrichtung des Steckkontaktpins teilweise erstreckendes Elemente, vorzugsweise quer zur Steckrichtung des Steckkontaktpins in die Kontaktbuchse. Das wenigstens eine krallenartige Element erstreckt sich ausgehend von einem Basiselement, welches in Steckrichtung eine durchgängig stetige und weitgehend lineare Form mit flachem oder leicht gebogenem Querschnitt aufweist, bereichsweise aus, sodass der Kontaktpin keine geschlossene zylinderähnliche Gesamtkontur aufweist und das wenigstens eine krallenähnliche Element endseitig verformbar ist. Vorzugsweise sieht die Erfindung zwei oder mehrere krallenförmige Elemente vor. Der Kontaktstecker mit seinem wenigstens einen krallenartigen Element dient entweder als federelastische Komponente, deren Kontaktflächen durch die Verformung der Ausdehnungshülse an die Innenwandung der Kontaktbuchse durch die Kontaktnormalkraft gepresst wird und/oder realisiert zusätzlich zu der Ausdehnungshülse eine temperaturänderungsinduzierte Verformung, welche zusätzlich und damit additiv zur temperaturinduzierten Verformung der Ausdehnungshülse einen Kontaktnormalkraftanteil bereitstellt.
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Die Ausdehnungshülse wird innerhalb des Kontaktsteckers positioniert und bildet als dritter Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung quasi die innerste Komponente. Damit ist die Ausdehnungshülse ein reines male-Bauteil innerhalb der Kontaktpartner-Anordnung. Die Ausdehnungshülse realisiert eine temperaturänderungsinduzierte Verformung, welche wenigstens bereichsweise auf die inneren Kontaktsteckerflächen einwirkt, sodass sich zumindest das wenigstens eine krallenartige Element des Kontaktsteckers verformt und mit seinen äußeren Kontaktflächen an die inneren Kontaktflächen der Kontaktbuchse presst.
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Der Erfindungsgedanke basiert auf der Überlegung, die Funktionen der temperaturdifferenzinduzierten Verformung zur Kontaktnormalkraftänderung und die Funktion der Übertragung elektrischer Leistung zumindest teilweise zu separieren. Die Ausdehnungshülse übernimmt wenigstens teilweise die Funktion der Kontaktnormalkraftänderung infolge der der temperaturdifferenzinduzierten Verformung, wobei dessen Temperaturänderung durch den Festkörperkontakt und die Konvektion des sich bei Stromfluss erwärmenden Kontaktsteckers erfolgt. Der Kontaktpin ist verformungsfähig gestaltet und übernimmt zumindest die Funktion der Leitung elektrischer Energie durch dessen Werkstoff, der sowohl elektrisch (gut) leitend als auch elastisch ist. Infolge der temperaturdifferenzinduzierten Verformung der Ausdehnungshülse wird das wenigstens eine krallenförmige Element des Kontaktsteckers ausgelenkt und an die Kontaktfläche des Kontaktpartners, hier die Kontaktbuchse, angepresst.
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Additiv und zusätzlich zur Ausdehnungshülse kann der Kontaktpin optional auch durch eine temperaturdifferenzinduzierte Verformung zur Kontaktnormalkraftänderung beitragen, wenn der Werkstoff zusätzlich zur elektrisch leitenden Eigenschaft und Verformungsfähigkeit entsprechend ausgelegt ist.
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Um die Ausdehnungshülse in ihrer Funktion der temperaturdifferenzinduzierten Verformung zur Kontaktnormalkraftänderung (d. h. Verformung in radialer Richtung) zu optimieren sieht die Erfindung vor, die Ausdehnungshülse vorzugsweise in Längsrichtung zu schlitzen, d. h. eine sich wenigstens bereichsweise erstreckenden Schlitz, Öffnung vorzusehen. Auf diese Weise wird die temperaturdifferenzinduzierte Verformung in radialer Richtung der Ausdehnungshülse zur Kontaktnormalkraftänderung erheblich gesteigert. Gleichzeitig kann der Schlitz als Verdrehsicherung der Ausdehnungshülse innerhalb des Kontaktsteckers verwendet werden, dadurch, dass eine Erhebung in der Innenseite des Kontaktsteckers in den Schlitz eingreift.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens die Ausdehnungshülse aus einem Werkstoff mit hohem Temperaturausdehnungskoeffizienten oder aus einem Mehrschichtmetallwerkstoff bestehen, der beispielsweise als Bimetall aus zwei Werkstofftypen aufgebaut ist. Bei einem Mehrschichtaufbau ist es vorteilhaft, den äußeren Bereich der Ausdehnungshülse mit seinen Berührflächen hin zum Kontaktstecker aus einem Werkstoff mit einem ersten, kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten zu bilden und den inneren Bereich, d. h. die dem Kontaktstecker abgewandten Bereiche basierend auf einem Werkstoff mit einem größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als dem inneren Werkstoff aufzubauen. Ebenfalls können Schichtaufbauten mit drei oder mehreren Werkstoffen realisiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zur Veränderung der Kontaktnormalkraft erforderliche temperaturabhängige Verformung durch die Verwendung einer Formgedächtnislegierung (auch Memorymetalle genannt) für die Ausdehnungshülse erfolgt.
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Soll der Kontaktpin optional auch durch eine temperaturdifferenzinduzierte Verformung zur Kontaktnormalkraftänderung beitragen, sind die zuvor beschrieben Werkstoffe und/oder deren Kombination für den Kontaktstecker verwendbar, sofern die Verformungsfähigkeit unterstützt ist.
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Die Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen, vor allem sind beim Zusammenstecken der Kontaktpartner bestehend aus Kontaktstecker und Kontaktbuchse und Ausdehnungshülse bei Raumtemperatur nur geringe Steckkräfte erforderlich, da die Steigerung der Kontaktnormalkraft erst durch die Erwärmung der Ausdehnungshülse und optional auch des Kontaktsteckers und/oder der Kontaktbuchse erfolgt und nicht durch federelastische Vorspannung generiert werden muss. Auch erreicht die Erfindung eine erhöhte Kontaktnormalkraft bei Temperaturänderung in Form steigender Temperatur und sinkendem elektrischen Widerstand durch das stärkere Aneinanderpressen der Kontaktflächen. Infolge der erhöhten Kontaktnormalkraft stellen sich hohe Auszugskräfte, d. h. Kräfte zum Auseinanderziehen der Steckverbindung, bei Betriebstemperatur ein mit der Folge, dass derartige Steckverbindungen weniger vibrationsanfällig sind und sehr hohe Steck- und Kontaktierungssicherheit bei Betriebstemperatur aufweisen.
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Die wirtschaftliche Massenfertigung wird unterstützt dadurch, dass sich die erfindungsgemäß geometrisch einfache Kontur des Ausgangsmaterials, Halbzeugs sehr gut geeignet ist zur Herstellung mittels eines Stanzprozesses. Im Stand der Technik verfügbare Lösungen, insbesondere die sogenannten Radsok-Buchsen, sind sehr feine und eine Vielzahl von Lamellen vorhanden, die eine lange Stanzkante aufweisen und hohe Stanzkraft benötigen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 die perspektivische Ansicht auf die Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung;
- 2 die dreidimensionale Seitenansicht auf die Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung;
- 3 die perspektivische Seitenansicht auf die Kontaktsteckerkombination bestehend aus Kontaktstecker mit Ausdehnungshülse;
- 4 die räumliche Draufsicht auf die Kontaktsteckerkombination bestehend aus Kontaktstecker mit Ausdehnungshülse.
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1 zeigt die perspektivische Ansicht auf die Kontaktpartner 1 für eine elektrisch leitende Steckverbindung. Die Kontaktpartner 1 sind gebildet durch eine Kontaktbuchse 10, in welche in gesteckten und damit kontaktierten Zustand der Kontaktpartner 1 ein Kontaktstecker in Form des Kontaktsteckers 21 eingebracht ist. Innerhalb des Kontaktsteckers 21 ist eine Ausdehnungshülse 60 angeordnet.
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2 umfasst die dreidimensionale Seitenansicht entgegen der Steckrichtung auf die Kontaktpartner 1 für eine elektrisch leitende Steckverbindung. Die Ausdehnungshülse 60 ist innerhalb des Kontaktsteckers 21 angeordnet. Wenn, wie in 2 gezeigt, die krallenförmigen Elemente einen ungleichen Krümmungsradius aufweisen und zum Elementende hin praktisch eingerollt sind, ist die Ausdehnungshülse zumindest außerhalb der Betriebstemperatur, d. h. in dem Zustand vor der temperaturdifferenzinduzierten Verformung von einer zentrischen Lage abweichend außermittig positioniert.
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Die Ausdehnungshülse 60 verfügt über einen sich wenigstens bereichsweise erstreckenden Schlitz S zur Unterstützung der Verformungseigenschaften. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schlitz S exemplarisch axparallel und über die ganze Länge der Ausdehnungshülse 60 realisiert. Damit hat die Ausdehnungshülse 60 im Axialschnitt eine c-förmige Querschnittgeometrie, welche in besonders geeigneter Weise eine Hohe temperaturdifferenzinduzierten Verformung in radialer Richtung ermöglicht.
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Um ein Verdrehen der Ausdehnungshülse 60 innerhalb des Kontaktsteckers 21 zu verhindern, ist innenseitig des Kontaktsteckers 21 und gegenüber den Endbereichen der krallenförmigen Elemente 50 eine Erhebung E vorgesehen, welche mit dem Schlitz S derart korrespondiert, dass die Erhebung E in den Schlitz S wenigstens bereichsweise eingreift. Diese Verdrehsicherung ist wichtig, um zu verhindern, dass sich Schlitz S und die Endbereiche der krallenförmigen Elemente 50 in gleicher Umfangsposition befinden und dadurch verhaken oder verkanten können.
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3 zeigt die perspektivische Seitenansicht in Steckrichtung auf die Kontaktsteckerkombination 20, aufweisend den Kontaktstecker 21 mit Ausdehnungshülse 60. Um die Ausdehnungshülse 60 axial zu positionieren und entgegen der Steckrichtung zu fixieren, ist ein Anschlag A vorgesehen, der ein Durchschieben der Ausdehnungshülse 60 hinaus aus dem Kontaktstecker 21 verhindert.
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4 illustriert die räumliche Draufsicht auf die Kontaktsteckerkombination 20 umfassend den Kontaktstecker 21 mit Ausdehnungshülse 60. Wenn - wie von der Erfindung optional vorgesehen - die krallenförmigen Elemente 50 des Kontaktsteckers 21 ebenfalls durch eine temperaturdifferenzinduzierte Verformung additiv zur Kontaktnormalkraftänderung, -erhöhung beitragen, kann die Breite b der krallenförmigen Elemente 50 variieren und damit ungleich konstant sein. Die Ausdehnungshülse 60 korrespondiert auch mit dieser geometrischen Ausgestaltung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktpartner für eine elektrisch leitende Steckverbindung
- 10
- Kontaktbuchse
- 20
- Kontaktsteckerkombination
- 21
- Kontaktstecker
- 50
- krallenförmiges Element
- 60
- Ausdehnungshülse
- A
- Anschlag
- b
- Krallenbreite, Breite des krallenförmigen Elementes
- E
- Erhebung
- S
- Schlitz
