DE19654374A1 - Automobilsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Automobilsicherung, genauer gesagt eine Automobilschmelzsiche­ rung, mit wenigstens einem Schmelzleiter zwischen Verbindungselementen zum Anschluß der Sicherung in einem Stromkreis.

Die Verwendung von Schmelzleitern zur Absicherung von Stromkreisen in Fahrzeugen, Maschinen, Fertigungsanlagen oder im Haushalt ist seit langem bekannt. Überschreitet die Stärke des in dem entsprechenden Leitersystem fließenden Stromes einen bestimmten Nennwert, so bewirkt die durch den Stromfluß in dem Schmelzleiter erzeugte Wärme, daß der Schmelzleiter schmilzt und der Stromfluß unterbrochen wird. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, Schmelzsicherungen zu verwenden, die selbst bei Überschreitung des Nennstromes um ein Vielfaches nicht schmelzen und den Stromfluß nicht unterbrechen, solange diese Überschreitung des Nennstromes innerhalb eines bestimmten Zeitraumes liegt. Solche Sicherungen sind dann zweckmäßig, wenn es beispielsweise in den entsprechenden Stromkreisen zu kurzzeitigen, starken Stromimpulsen aufgrund von Schaltvorgängen oder ähnlichem kommen kann, die den Nennstrom der Schmelzsicherung für kurze Zeiträume um ein Mehrfaches überschreiten. Der Schmelzleiter der Sicherung muß dann trotz der starken Erwärmung unbeschädigt bleiben. Eine ungewollte Beschädigung des Schmelzleiters bei kurzzeitiger Überschreitung des Nennstromes kann beispielsweise eine Verformung aufgrund eines beginnenden Schmelzvorgangs, d. h. einer beginnenden Erweichung des Schmelzleiterma­ terials sein. In diesem Fall ändern sich Form und Querschnitt des Schmelzleiters, so daß sich der Widerstand und andere Nennwerte der Sicherung verändern können. Ein weiteres Problem, das bei Schmelzleitersicherungen häufig auftritt, ist, daß die Schmelzleiter aufgrund der thermischen Ausdehnung des Materials während der Belastungsphase mechanische Ermüdungserscheinungen des Schmelzleitermaterials erleiden. Ist ein Schmelzleiter beispiels­ weise fest zwischen zwei Verbindungselementen angeordnet, so wird die thermische Ausdehnung in Längsrichtung aufgrund der äußeren Begrenzung durch die Verbindungs­ elemente behindert, und im Material des Schmelzleiters entsteht eine hohe innere Druck­ spannung. Diese Druckspannung führt schließlich dazu, daß der Schmelzleiter seitlich wegknickt und am Übergang zwischen dem Schmelzleiter und den Verbindungselementen hohe Biegebeanspruchungen auftreten. Die Beanspruchungen sind umso höher, je dicker der Schmelzleiter im Verhältnis zu seiner Länge ist. Bei wiederholter impulsförmiger Belastung der Schmelzleitersicherung besteht daher die Gefahr eines Biegewechselfestigkeitsbruches des Schmelzleiters an den Einspannstellen zu den Verbindungselementen oder auch innerhalb des Schmelzleitermaterials selbst. Um die Gefahr eines Bruches an den Übergängen zu den Verbindungselementen zu verringern, ist bekannt, Schmelzleiter nicht geradlinig zwischen den Verbindungselementen einzubringen, sondern S-förmig oder V-förmig gebogen anzuordnen. Bei dieser Anordnung kann der Schmelzleiter sich unter thermischer Beanspruchung ausdehnen, ohne daß übermäßige mechanische Belastungen auftreten. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die gegenüber einer geradlinigen Verbindung wesentlich größere Länge des Schmelzleiters einen höheren elektrischen Widerstand und eine dadurch bedingte erhöhte elektrische Verlustleistung in der Sicherung verursacht. In kompakten Sicherungskästen mit behinderter Wärmeabfuhr kann es dadurch zu sehr hohen Temperaturen und als Folge davon zur Beschädigung der ange­ schlossenen Kabel, der Isolierung des Sicherungsgehäuses und anderer Bauteile kommen.

Als Materialien für Schmelzleiter in Sicherungen kommen verschiedene Metalle und Metallegierungen in Frage. Die Auswahl des entsprechenden Materials richtet sich nach dem gewünschten Nennstrom, d. h. der Stromstärke, die die Sicherung unabhängig von der Dauer der Belastung unbeschadet überstehen soll, dem Nennwiderstand und der gewünschten Trägheit der Sicherung. Je höher die Trägheit einer Sicherung ist, desto länger ist der Zeitraum, für den ein Strom größer als der Nennstrom fließen kann, ohne daß der Schmelzleiter schmilzt und den Stromfluß unterbricht.

Es ist bekannt, als Material für relativ träge Schmelzsicherungen Schmelzleiter aus Zink zu verwenden. Reines Zink weist jedoch relativ schlechte mechanische Eigenschaften auf, so daß Schmelzsicherungen, bei denen der Schmelzleiter auf kurzer Länge zwischen zwei Verbindungs­ elementen fest angeordnet ist, aus vorgenannten Gründen häufig von kurzer Lebensdauer sind. Es ist weiterhin bekannt, die mechanischen Eigenschaften von reinem Zink durch Zulegieren von Aluminium, Kupfer, Blei, Eisen oder Titan zu verbessern. Nicht immer besitzen diese Legierungen jedoch die gewünschten Eigenschaften. So bringen sie häufig keine wesentliche Verbesserung des Alterungsverhaltens der Schmelzleiter unter impulsartiger Belastung. Bei Zusatz von Aluminium kann es unter bestimmten Bedingungen sogar zu interkristalliner Korrosion des Schmelzleitermaterials kommen, insbesondere wenn Zinn als Verunreinigung oder Legierungsbestandteil vorhanden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Automobilschmelzsicherung mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften und erhöhter Lebensdauer bei impulsförmiger Belastung zu liefern.

Diese Aufgabe wird durch eine Automobilschmelzsicherung gelöst, bei der der Schmelzleiter einen Zinkkern mit einer Zulegierung von 0,001 bis 0,1 Gew.-% Mangan und eine vor Korrosion schützende, äußere Zinnschicht aufweist und als geradlinige Verbindung zwischen den Verbindungselementen ausgebildet ist.

Überraschenderweise und entgegen den Aussagen in der Literatur (siehe "Technologie der Zinklegierungen" von Dr. Ing. Arthur Burkhardt, Julius Springer Verlag, Berlin 1937) zeigten Zinkschmelzleiter mit bereits geringen Manganzusätzen von 0,001 bis 0,1 Gew.-% bei impulsförmiger Belastung erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften und eine verlängerte Lebensdauer gegenüber bekannten Schmelzleitern aus reinem Zink oder anderen Zinklegierungen. Gleichzeitig blieben bei der Zulegierung von Mangan die guten elektrischen Eigenschaften des reinen Zinkmetalls erhalten. Der Auftrag einer äußeren Zinnschicht über dem Zinkkern schützt den Schmelzleiter vor Korrosion, was eine luft- und feuchtigkeitsdichte Versiegelung der Automobilschmelzsicherung überflüssig macht. Der Zinnüberzug beeinträchtigt auch nicht die Materialeigenschaften der Zink-Mangan-Legierung, im Gegensatz zu einer Zink- Aluminium-Legierung, bei der die Verzinnung zu interkristalliner Korrosion führt.

Es hat sich gezeigt, daß die Zugfestigkeit und die Biegewechselstabilität des erfindungs­ gemäßen Schmelzleiters besonders hoch sind, wenn die Zulegierung zu dem Zinkkern 0,06 Gew.-% Mangan nicht überschreitet. Noch bessere Ergebnisse wurden mit Zulegierungen von höchstens 0,06 Gew.-% Mangan erzielt. Bis zu einer Untergrenze von 0,01 Gew.-% Mangan liegen die Zugfestigkeit und die Biegewechselstabilität des erfindungsgemäßen Schmelzleiters ebenfalls noch im optimalen Bereich. Bei geringeren Mangananteilen bis 0,001 Gew.-% ändern sich diese mechanischen Eigenschaften nicht merklich, jedoch sind solche Legierungen derzeit nur unter relativ hohem technischen Aufwand in einer homogenen Präparation herstellbar.

Aufgrund der hohen Biegewechselstabilität des Legierungsmaterials kann der Schmelzleiter erfindungsgemäß als geradlinige Verbindung zwischen den Verbindungselementen ausgebildet werden, ohne daß die bekannten mechanischen Verschleißerscheinungen bekannter Schmelzleitermaterialien in dieser Anordnung auftreten. Durch die geradlinige, direkte Verbindung sind der elektrische Widerstand des Schmelzleiters und die dadurch bedingte elektrische Verlustleistung sehr gering. Im Gegensatz hierzu müssen Schmelzleiter mit schlechteren mechanischen Eigenschaften zur Kompensation der mechanischen Belastung aufgrund thermischer Ausdehnung gebogen oder gewendelt angeordnet sein.

Der Schmelzleiter der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung kann als Runddraht mit einem Durchmesser von 0,1 bis 3 mm oder als Flachband mit einer Dicke von 0,1 bis 3 mm und einer Breite von 0,5 bis 5 mm ausgebildet sein. In beiden Fällen kann der Schmelzleiter mit einem großen Querschnitt und kurzer Länge hergestellt werden, wodurch geringe Widerstände sowie Belastungen mit großen Stromstärken möglich sind.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Schmelzleiter nach der Formung in einem Walz- oder Ziehprozeß bei Temperaturen über 200°C wärmebehandelt wird. Die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schmelzleiters unterscheiden sich im Neuzustand unmittelbar nach der Herstellung noch nicht signifikant von Schmelzleitern aus reinem Zink. Während bei Reinzinkschmelzleitern die Reißdehnung und die Reißfestigkeit nach einer Wärmebehandlung bei Temperaturen über 200°C, die ja auch bei der Strombelastung, besonders bei impulsförmiger Belastung auftreten, stark abnehmen, verändern sich die mechanischen Eigenschaften des Schmelzleiters der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung nach der Wärmebehandlung nicht negativ. Die Reißdehnung bleibt praktisch unverändert, und die Reißfestigkeit bewegt sich ebenfalls noch im Bereich des ursprünglichen Wertes. Die besseren mechanischen Werte nach Wärmebelastung äußern sich äußerst positiv in einer verlängerten Lebensdauer der Schmelzleiter bei impulsförmiger Belastung. Die Lebensdauer der Schmelzsicherung kann so um mehr als eine Größenordnung verlängert werden. Die Wärmebehandlung muß nicht zwangsläufig vor der Inbetriebnahme der Schmelzsicherung durchgeführt werden, da eine Erwärmung während des Betriebes aufgrund der Strombelastung ebenfalls zu dem erwünschten Effekt führen kann, jedoch ist die vorherige Wärmebehandlung häufig vorteilhafter. Dies kann z. B. im Zuge der Oberflächenbeschichtung beim Feuerverzinnen erfolgen. Besonders geeignete Temperaturen für die Wärmebehandlung liegen im Bereich zwischen 200 und 250°C. Für die Behandlung ist eine Zeit zwischen 5 und 30 Minuten vorteilhaft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente mit dem Schmelzleiter aus einem Stück gefertigt. Dies hat zum einen den Vorteil, daß die gesamte Automobilschmelzsicherung oder zumindest wesentliche Teile aus einem Stück bzw. einem Material und damit kostengünstig hergestellt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Verbindungselemente Flachsteckverbinder oder flache Schraubverbinder sind. Der Schmelzleiter kann dann beispielsweise zusammen mit den Verbindungselementen aus einem Blech oder Band aus dem entsprechenden Schmelzleitermaterial ausgestanzt oder ausge­ schnitten werden. Falls erforderlich, kann dieses Blech oder Band vor oder nach dem Ausstanzen durch Abtrag von Metall im Bereich der Schmelzleiter nachbearbeitet werden, um dem Schmelzleiter die für die gewünschten elektrischen Eigenschaften erforderliche Dicke zu verleihen. Umgekehrt können auch die Bereiche der Verbindungselemente vor oder nach dem Ausschneiden durch Materialabtrag oder Pressen verdünnt werden, um deren Dicke an genormte Flachsteckverbindungen oder andere Erfordernisse anzupassen, wenn die Schmelzleiter mit einer größeren Dicke gefertigt werden sollen.

Bei Fahrzeugen aber auch bei anderen Sicherungseinheiten sind in der Regel mehrere Stromverbraucher mit einer einzigen Stromquelle verbunden. Häufig sind auch mehrere Sicherungsstufen verzweigt hintereinander geschaltet, wobei eine einzelne Sicherung einem Bündel von Verbrauchern vorgeschaltet sein kann und die Verbraucher durch jeweils eigene, schwächere Sicherungen noch einmal abgesichert sind. Für eine solche Anordnung hat sich eine erfindungsgemäße Automobilschmelzsicherung als besonders zweckmäßig erwiesen, bei der mehrere Schmelzleiter vorgesehen sind, wobei jeder Schmelzleiter an seinem einen Ende jeweils mit einem separaten Verbindungselement verbunden ist und alle Schmelzleiter an ihrem jeweils anderen Ende mit einem gemeinsamen Verbindungselement verbunden sind. Hierdurch können Materialkosten, Arbeitsaufwand und Platz eingespart werden. Das gemeinsame Verbindungselement ist zweckmäßigerweise mit der Stromquelle und die einzelnen Ver­ bindungselemente mit den einzelnen oder Bündeln von Stromverbrauchern verbunden.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Automobilschmelzsicherung hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die äußere Zinnschicht durch Feuerverzinnen oder galvanisch auf dem Zinkkern aufgebracht ist. Hierdurch wird eine besonders feste Verbindung des Zinkkerns mit der vor Korrosion schützenden Zinnschicht bewirkt. Beim Feuerverzinnen kann die Verweildauer des Schmelzleiters im Zinnbad so gewählt werden, daß die vorgenannte Wärmebehandlung im selben Prozeßschritt erfolgt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Automobilschmelzsi­ cherung formschlüssig in einem Kunststoffgehäuse gelagert. Dadurch wird eine besonders hohe mechanische Stabilität erreicht, und die Schmelzleiter können sich beim Einsetzen oder anderen äußeren mechanischen Belastungen der Sicherung nicht verformen. Hierdurch ergibt sich ein geringes Bewegungsspiel für die Schmelzleiter zwischen den Verbindungselementen.

Beispiele

Die folgenden Beispiele geben grafisch und tabellarisch dargestellte Zugfestigkeitsunter­ suchungen wieder, die die verbesserten mechanischen Eigenschaften von erfindungsgemäßen Schmelzleitern gegenüber solchen aus handelsüblichen Zinklegierungen zeigen. In jedem der Beispiele 1 bis 6 sind übereinander jeweils die Materialeigenschaften der gleichen Legierungen ohne eine bzw. nach einer 15-minütigen Temperaturbehandlung bei über 200°C angegeben. In den dargestellten Bruchdehnungsdiagrammen ist auf der Abszisse jeweils die Bruchdehnung in Prozent und auf der Ordinate die aufgewandte Dehnungskraft in N/mm² aufgetragen.

Folgende Zinklegierungen wurden in Zugfestigkeitsuntersuchungen der Beispiele 1 bis 6 untersucht:
Beispiel 1: Zink ohne Zulegierung
Beispiel 2: Zink + 0,01 Gew.-% Mangan
Beispiel 3: Zink + 0,03 Gew.-% Mangan
Beispiel 4: Zink + 0,06 Gew.-% Mangan
Beispiel 5: Zink + 2,00 Gew.-% Aluminium
Beispiel 6: Zink + 0,15 Gew.-% Titan, 0,6 Gew.-% Kupfer

Beispiel 1 zeigt, wie in der Beschreibung bereits erwähnt, daß die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung von reinem Zink nach der Wärmebehandlung drastisch abnimmt. Ein solches Material ist als Schmelzleiter für Sicherungen, die impulsartig höheren Belastungen ausgesetzt sind, ungeeignet.

Beispiele 2 bis 4 verdeutlichen die mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Schmelzlei­ ter. Bei allen drei Legierungen bleibt die Zugfestigkeit nach der Wärmebehandlung nahezu gleich bzw. nimmt nur unwesentlich ab, und die Bruchdehnung nimmt sogar etwas zu.

Die Zink-Aluminium-Legierung aus Beispiel 5 zeigt eine starke Abnahme der Bruchdehnung und eine auffallend große Streuung dieser Werte nach der Wärmebehandlung. Außerdem ist die Aluminiumzulegierung aus bereits vorher beschriebenen Gründen für die Verwendung als Schmelzleiter ungeeignet, wenn dieser zum Schutz vor Korrosion erfindungsgemäß verzinnt ist.

In Beispiel 6 wurde eine handelsübliche Zinklegierung mit mehreren Zulegierungskomponenten untersucht. Mit dieser Legierung wurde ein drastischer Rückgang der Bruchdehnung in einer Größenordnung beobachtet, wie sie in etwa auch bei reinem Zink festgestellt wurde.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren.

Fig. 1 zeigt eine teilweise weggebrochene Darstellung einer erfindungsgemäßen Automobilschmelzsicherung,

Fig. 2 zeigt eine teilweise weggebrochene Darstellung der Automobilschmelzsicherung aus Fig. 1 von der Seite.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Automobilschmelzsicherung mit einem Kunststoffgehäuse 4, zwei sich vom Innenraum des Kunststoffgehäuses 4 nach außen erstreckenden Steckver­ bindern 5, im Inneren des Kunststoffgehäuses angeordneten Verbindungselementen 3, sowie einem Schmelzleiter 2. Der Schmelzleiter 2 besteht aus einer erfindungsgemäßen Zink-Mangan-Le­ gierung mit einer vor Korrosion schützenden, äußeren Zinnschicht und ist als geradlinige Verbindung zwischen den Verbindungselementen 3 fest mit diesen verbunden. Der Schmelzleiter 3 ist, wie aus Fig. 2 deutlich wird, als Runddraht ausgebildet, und die Verbindungselemente 3 sind an den beiden Enden des Schmelzleiters 2 zur form- und kraftschlüssigen Verbindung um diesen herumgebogen. Jedes der beiden Verbindungselemente 3 ist mit einem der beiden Steckverbinder 5 leitend verbunden. Sie können mit diesen aus einem Stück gefertigt sein und aus dem gleichen Metall bestehen, sie können aber auch an die Steckverbinder angelötet und aus einem anderen Metall hergestellt sein. Die Steckverbinder 5 sind in dem Kunststoffgehäuse 4 formschlüssig angeordnet, so daß die Sicherung aufgrund der festen Verbindung zwischen Schmelzleiter 2, den Verbindungselementen 3 und den Steckverbindern 5 innerhalb des Kunststoffgehäuses 4 keinen Bewegungsspielraum hat. Zur Absicherung eines elektrischen Stromkreises können die Steckverbinder 5 in eine dafür vorgesehene Klemmbuchse, die beispielsweise in einem Sicherungskasten angeordnet sein kann, eingeschoben werden. Das Kunststoffgehäuse 4 ist so ausgebildet, daß es einerseits das Ergreifen und die Handhabung der Automobilschmelzsicherung 1 leicht und komfortabel macht und andererseits den Innenraum des Gehäuses und damit den Schmelzleiter vor Beschädigung und dem Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit schützt.

Claims (13)

1. Automobilschmelzsicherung (1) mit wenigstens einem Schmelzleiter (2) zwischen Verbindungselementen (3) zum Anschluß der Sicherung in einem Stromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) einen Zinkkern mit einer Zulegierung von 0,001 bis 0,1 Gew.-% Mangan und eine vor Korrosion schützende, äußere Zinnschicht aufweist und als geradlinige Verbindung zwischen den Verbindungselementen (3) ausgebildet ist.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) einen Zinkkern mit einer Zulegierung von höchstens 0,06 Gew.-% Mangan aufweist.

3. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) einen Zinkkern mit einer Zulegierung von höchstens 0,03 Gew.-% Mangan aufweist.

4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) einen Zinkkern mit einer Zulegierung von mindestens 0,01 Gew.-% Mangan aufweist.

5. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) als Runddraht mit einem Durchmesser von 0,1 bis 3 mm ausgebildet ist.

6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) als Flachband mit einer Dicke von 0,1 bis 3 mm und einer Breite von 0,5 bis 5 mm ausgebildet ist.

7. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) bei Temperaturen über 200°C, vorzugsweise zwischen 200 und 250°C, besonders bevorzugt für einen Zeitraum von 5 bis 30 Minuten wärmebehandelt ist.

8. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente mit dem Schmelzleiter aus einem Stück gefertigt sind.

9. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schmelzleiter vorgesehen sind, wobei jeder Schmelzleiter an seinem einen Ende mit jeweils einem separaten Verbindungselement verbunden ist und alle Schmelzleiter an ihrem jeweils anderen Ende mit einem gemeinsamen Verbindungselement verbunden sind.

10. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zinnschicht durch Feuerverzinnen aufgebracht ist.

11. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zinnschicht galvanisch aufgebracht ist.

12. Sicherung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzleiter (2) während des Verzinnens bei Temperaturen über 200°C wärmebehandelt wurde.

13. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie formschlüssig in einem Kunststoffgehäuse (4) angeordnet ist.