EP1158541A1 - Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat - Google Patents

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EP1158541A1
EP1158541A1 EP01440140A EP01440140A EP1158541A1 EP 1158541 A1 EP1158541 A1 EP 1158541A1 EP 01440140 A EP01440140 A EP 01440140A EP 01440140 A EP01440140 A EP 01440140A EP 1158541 A1 EP1158541 A1 EP 1158541A1
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EP
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cable
overmolding
envelope
walls
transverse
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Delphi Technologies Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/18—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring
    • H01B7/24—Devices affording localised protection against mechanical force or pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/08—Flat or ribbon cables
    • H01B7/0823—Parallel wires, incorporated in a flat insulating profile

Definitions

  • the present invention relates to an overmolding envelope for a ribbon element of the flat electric cable type.
  • Cables connection plates are for example used for the transmission of electrical signals in rotary contact systems such as those located in automobile steering columns.
  • the signals are transmitted between a rotating part, the steering wheel, and a fixed part, the steering column.
  • the configuration of the molding of the invention can be used in many applications, the example of the steering column constitutes a good approach to the problems that a such overmolding.
  • the signals transmitted via the flat cable are intended by example to order the airbags contained in the steering wheel, and the correct transmission of information, which conditions the security of users, is therefore an absolute necessity. Cable integrity must therefore be preserved at all costs.
  • the cable During assembly of the product, and throughout its life, the cable must be able to undergo deformations without impairment of its functions, that is to say in particular without this producing cuts or short circuits.
  • the overmolding of an external envelope is a good means of protection.
  • the stresses must be optimally distributed, hence the constancy - as far as possible - of the thickness of the walls, at least in a map.
  • the homogeneous distribution of constraints naturally aims to prevent the creation of areas of concentration of constraints, which harm the sustainability of the product.
  • the recesses have a rectangular shape with rounded edges at all four corners.
  • the external shape of the side walls looks parallel to the lateral side of the recess, the portion reflecting the inner rounding ends at the central axis of each transverse wall.
  • This particular shape respects the condition of almost constant thickness walls in a plane parallel to that of the cable.
  • the central recess gives flexibility to the overmolding maximum, especially for bending movements along a transverse axis.
  • the rectangular shape can however tend towards ellipses (rectangles rounded to the extreme), squares (special rectangles) or circles (extreme rounded squares).
  • the constraint thickness may be difficult to implement, however since the side edges of the cable must always be protected.
  • the recesses have a length along the axis of the cable at least equal to their width transversely to said axis.
  • the deformations being deformations along a transverse axis, the opposite would cause a poor distribution of the stresses: in particular, a shape rectangular large side formed by the transverse wall is to be avoided.
  • the side walls have, in a plane perpendicular to the flat cable and parallel to its axis, a wavy line symmetrical with respect to the plane of said cable, the minima of the curves being located at the level of the transverse walls.
  • the shape must reflect an acceptable compromise between the increase the height of the walls to increase their section without changing their width, knowing that the increase in height is negative in terms of constraints.
  • the width of the walls, in the plane of the flat cable represents between 20% and 25% of the transverse width of the envelope.
  • the material used for the production of the envelope is polypropylene.
  • the flat cable (1) is shown protruding at each end of the envelope (2), which therefore only equips a portion.
  • the recesses (3) made in the sides parallel to the cable (1) of the envelope are substantially square, with rounded corners which reflect rounding of forms systematically sought to avoid stress concentrations.
  • the outside outline of the first mentioned, in the plane of the figure, includes successive recesses (6) reflecting the interior rounded edges of the squares.
  • Figure 2 shows an overview of the appearance of the side walls (4, 4 ') in height. They are symmetrical with respect to the cable (1) and have undulations (7) successive parts whose culminating parts (8) correspond to the lateral sides of the square recesses (3) while the proximal portions (9) of the cable (1) are arranged at the level of the transverse walls (5).
  • the undulations (7) are also intended to facilitate rotation along an axis transverse, and the chosen profile reacts like a hinge, which accepts a limit angle folding, and protects the envelope against any attempt to impose an angle upper which would lead to the rupture of said envelope.
  • the following example is applied to a rotating contact arranged between the column steering wheel and automobile steering wheel. It concerns a flat electric cable of width slightly less than 4 mm.
  • n the number of elements which compose it (one or two) and h its height.

Landscapes

  • Steering Controls (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)

Abstract

Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat, constituée d'un motif à périodicité spatiale comportant des maillons successifs se développant sur au moins une portion dudit câble, caractérisée en ce que :
  • chaque maillon présente un évidement central entouré de parois transversales traversées par le câble et de parois latérales enfermant les bordures de ce dernier ;
  • la largeur desdites parois est sensiblement constante dans un plan parallèle à celui du câble, et leur tracé ne comporte pas d'angles vifs ;
  • le tracé des parois dans des plans perpendiculaires au précédent est tel que la section transversale totale de l'enveloppe, de même que le facteur défini par le produit de la dimension transversale par le cube de la hauteur de ladite section transversale, facteur auxquelles les contraintes nées lors d'une flexion autour d'un axe transversal sont proportionnelles, varient d'une valeur inférieure à 2 sur l'ensemble de la longueur axiale du maillon.

Description

La présente invention concerne une enveloppe de surmoulage pour un élément en ruban de type câble électrique plat. Des câbles de connexion plats sont par exemple utilisés pour la transmission de signaux électriques dans des systèmes à contacts tournants tels que ceux qui sont implantés dans les colonnes de direction d'automobiles.
Dans ce cas, les signaux sont transmis entre une partie tournante, le volant, et une partie fixe, la colonne de direction. Bien que la configuration du surmoulage de l'invention puisse être utilisée dans de nombreuses applications, l'exemple de la colonne de direction constitue une bonne approche des problèmes que se propose de résoudre un tel surmoulage.
Ainsi, les signaux transmis via le câble plat sont destinés par exemple à commander les airbags contenus dans le volant, et la transmission correcte des informations, qui conditionne la sécurité des usagers, est par conséquent une nécessité absolue. L'intégrité du câble doit donc à tout prix être préservée.
Lors du montage du produit, et durant toute sa vie, le câble doit pouvoir subir des déformations sans altération de ses fonctions, c'est-à-dire en particulier sans que cela ne produise de coupures ou de courts-circuits. Pour un câble plat, le surmoulage d'une enveloppe externe constitue un bon moyen de protection.
La conception du surmoulage, ainsi que la matière choisie pour le réaliser, doivent cependant être soigneusement étudiées, tant les critères à satisfaire sont parfois antagonistes. Ces câbles doivent en effet accepter d'importantes contraintes mécaniques lesquelles sont de plus parfois répétitives. Ainsi, le câble muni de son surmoulage doit pouvoir subir un rayon de courbure de 5 mm sans dommage, et cela plusieurs fois de suite.
Cependant, l'étude du problème uniquement en terme de contraintes mécaniques est insuffisant, car les aspects liés à la fabricabilité ne sont alors pas pris en compte. De plus, dans les deux cas, la forme joue certes un rôle, mais également la matière. Il s'agit de parvenir à un équilibre entre tous ces facteurs, a priori pas forcément compatibles, et qui interagissent.
C'est l'objectif principal de l'invention.
À titre d'exemple, une forme respectant parfaitement les exigences classiques de la résistance des matériaux peut s'avérer totalement impropre à l'injection du plastique. Celle-ci se faisant dans la plupart des cas sur une longueur non négligeable, il importe que la section de passage du fluide soit compatible avec des conditions normales d'injection. Or, un accroissement de la section peut conduire, s'il n'est pas correctement étudié, à des zones de concentrations de contraintes néfastes en termes de résistance, et donc abaisser la flexibilité du câble.
Pour répondre aux enjeux proposés, l'invention constituée d'un motif à périodicité spatiale comportant des maillons successifs se développant sur au moins une portion dudit câble, se caractérise à titre principal en ce que :
  • chaque maillon présente un évidement central entouré de parois transversales traversées par le câble et de parois latérales enfermant les bordures de ce dernier ;
  • la largeur desdites parois est sensiblement constante dans un plan parallèle à celui du câble, et leur tracé ne comporte pas d'angles vifs ;
  • le tracé des parois dans des plans perpendiculaires au précédent est tel que la section transversale totale de l'enveloppe, de même que le facteur défini par le produit de la dimension transversale par le cube de la hauteur de ladite section transversale, facteur auxquelles les contraintes nées lors d'une flexion autour d'un axe transversal sont proportionnelles, varient d'une valeur inférieure à 2 sur l'ensemble de la longueur axiale du maillon.
Ce facteur est primordial car, pour le produit concerné (câble électrique plat), dans de nombreuses applications dont les systèmes à contact tournant, le surmoulage n'est pas prévu pour faire face à des déformations de type torsion autour de l'axe du câble, mais essentiellement à des flexions, c'est-à-dire des rotations autour d'un axe transversal perpendiculaire au précédent.
Un compromis est à trouver entre les paramètres définissant le comportement mécanique et ceux de la production : plus la section de plastique est faible, plus le produit final est flexible et accepte la déformation suivant des faibles rayons de courbure. Cependant la matière injectée a alors des difficultés à atteindre les extrémités du moule avant solidification.
De plus, les contraintes doivent être réparties de manière optimale d'où la constance - dans la mesure du possible - de l'épaisseur des parois, au moins dans un plan. La répartition homogène des contraintes vise bien entendu à empêcher la création de zones de concentration de contraintes, qui nuisent à la pérennité du produit.
L'homogénéité est notamment matérialisée par le fait que chaque maillon présente une symétrie simultanément par rapport :
  • au plan du câble,
  • à un plan perpendiculaire au précédent passant par l'axe du câble ; et,
  • à un plan perpendiculaire aux deux précédents passant par le centre géométrique du maillon.
L'optimisation de la conception, en terme de gestion des contraintes, implique également un arrondissement des formes, et à l'inverse le rejet d'angles vifs, coins, etc., selon une configuration préférentielle respectant cet objectif, les évidements ont une forme rectangulaire présentant un arrondi aux quatre coins.
De même, la forme extérieure des parois latérales, dans un plan perpendiculaire au câble, est d'allure parallèle au côté latéral de l'évidement, la portion reflétant l'arrondi intérieur s'achevant au niveau de l'axe central de chaque paroi transversale.
Cette forme particulière respecte la condition de quasi-constance de l'épaisseur des parois dans un plan parallèle à celui du câble.
L'évidement central permet de conférer au surmoulage une souplesse maximale, notamment pour les mouvements de flexion selon un axe transversal. La forme rectangulaire peut cependant tendre vers des ellipses (rectangles arrondis à l'extrême), des carrés (rectangles particuliers) ou encore des ronds (carrés arrondis à l'extrême). Dans le cas de l'ellipse ou du rond, la contrainte d'égalité de l'épaisseur peut toutefois s'avérer difficile à mettre en oeuvre, compte tenu que les bords latéraux du câble doivent toujours être protégés.
Il est à noter que les évidements ont une longueur selon l'axe du câble au moins égale à leur largeur transversalement audit axe.
Les déformations étant des déformations selon un axe transversal, le contraire engendrerait une mauvaise répartition des contraintes : en particulier, une forme rectangulaire de grand côté formée par la paroi transversale est à proscrire.
Selon une configuration préférentielle, les parois latérales présentent, dans un plan perpendiculaire au câble plat et parallèlement à son axe, un tracé ondulé symétrique par rapport au plan dudit câble, les minima des courbes étant localisées au niveau des parois transversales.
Cette forme résulte de la nécessité mentionnée d'accroítre au maximum la section du surmoulage dans des zones à géométrie "longitudinale", c'est-à-dire dans les parois latérales. À ce niveau, le flux de fluide se sépare en deux sous-flux, et si la section est trop petite, ce qui est plus favorable en terme de résistance des matériaux, l'injection du plastique ne se fera pas correctement jusqu'aux extrémités du moule.
Compte tenu de l'importance du facteur défini par la dimension transversale du surmoulage, multiplié par le cube de la hauteur, il est toutefois important de ne pas trop accroítre la hauteur.
Enfin, dans un plan perpendiculaire, on a indiqué précédemment que la largeur des parois doit rester sensiblement constante.
En somme, la forme doit refléter un compromis acceptable entre l'augmentation de la hauteur des parois pour augmenter leur section sans modifier leur largeur, sachant que l'augmentation de la hauteur est négative en terme de contraintes.
Cette forme à ondulations successives représente, selon l'invention, un compromis qui permet le maintien de la variation de la section et du facteur de contrainte précité dans un intervalle acceptable.
Selon un choix préférentiel, la largeur des parois, dans le plan du câble plat, représente entre 20% et 25% de la largeur transversale de l'enveloppe.
Cette valeur confère à l'ensemble parois/évidement un bon équilibre, assurant une flexibilité adéquate sans concentrations de contraintes suite aux déformations que le surmoulage doit subir.
De préférence, le matériau utilisé pour la réalisation de l'enveloppe est du polypropylène.
À nouveau, le choix du matériau dépend des paramètres mécaniques et de fabrication. Ainsi, par exemple :
  • Le domaine de température doit être plus large que celui du produit en fonctionnement.
  • La matière doit présenter une bonne adhérence sur le film du câble, en PET dans le cas étudié.
  • D'un point de vue mécanique, la contrainte correspondant à la transition élastique - plastique (seuil d'écoulement) doit être la plus élevée possible pour que le surmoulage puisse accepter des déformations importantes sans être endommagé. Lorsque cette constante est atteinte, le plastique se blanchit. Le blanchiment local est encore admissible, mas pas la rupture. Il faut donc également que la contrainte et la déformation à la rupture soient les plus élevées possibles, afin qu'elles ne soient jamais atteintes. D'autre part, dans l'exemple préférentiel précité, les extrémités du câble surmoulé côté volant sont soudées dans des connecteurs. Une butée dans les connecteurs permet au surmoulage de rester en place. Lorsque le surmoulage est fixe et que l'on exerce une force de traction sur le connecteur, parallèlement au câble, le surmoulage doit rester en butée dans le connecteur, c'est-à-dire qu'il ne doit pas se déformer de façon trop importante, ce qui pourrait entraíner son glissement hors du connecteur. Ainsi la matière ne doit pas être trop "caoutchouteuse" (hyper élastique).
  • Le facteur "injectabilité" du moule reste primordiale. La matière doit être suffisamment fluide lors de l'injection pour remplir le moule sur toute sa longueur et assurer une production viable en série.
L'invention va à présent être décrite plus en détail, notamment en référence aux figures annexées, pour lesquelles :
  • la figure 1 représente une vue de dessus de l'enveloppe de l'invention surmoulée sur le câble plat ;
  • la figure 2 en est une vue de côté ; et,
  • la figure 3 montre une vue en perspective de ladite enveloppe.
En référence à la figure 1, le câble plat (1) est représenté dépassant à chaque extrémité de l'enveloppe (2), laquelle n'en équipe par conséquent qu'une portion. Les évidements (3) pratiqués dans les côtés d'allure parallèle au câble (1) de l'enveloppe sont sensiblement carrés, avec des coins arrondis qui traduisent l'arrondissement des formes systématiquement recherché pour éviter les concentrations de contraintes.
Pour préserver une uniformité dans la largeur des parois longitudinales (4, 4') et transversales (5), le tracé extérieur des premières citées, dans le plan de la figure, comporte des renfoncements successifs (6) reflétant les arrondis intérieurs des carrés.
La figure 2 montre un aperçu de l'aspect des parois latérales (4, 4') en hauteur. Elles sont symétriques par rapport au câble (1) et présentent des ondulations (7) successives dont les parties culminantes (8) correspondent aux côtés latéraux des évidements carrés (3) alors que les portions proximales (9) du câble (1) sont disposées au niveau des parois transversales (5).
La configuration résultante, en trois dimensions, apparaít en figure 3. Les portions culminantes (8) et les portions (9) reliées aux parois transversales (5) sont en réalité légèrement décalées latéralement, en correspondance avec la représentation de la figure 1.
L'obtention de cette forme complexe, compromis entre deux nécessités opposées, une nécessité purement mécanique d'abaissement des contraintes et une nécessité fabricationnelle liée à la technologie de production choisie (elle-même fonction du matériau sélectionné), s'est notamment appuyée sur une étude et une simulation par éléments finis du comportement de quelques centimètres de surmoulage.
Les ondulations (7) ont également pour but de faciliter la rotation selon un axe transversal, et le profil choisi réagit comme une charnière, qui accepte un angle limite de pliage, et protège l'enveloppe contre toute tentative d'imposer un angle supérieur qui aboutirait à la rupture de ladite enveloppe.
Ce profil aboutit à conférer un angle d'ouverture d'environ 135° entre deux maillons, qui garantit que l'on peut tangenter un cercle à l'aide d'un tronçon de huit maillons successifs. Selon le rayon de courbure r demandé, on peut alors calculer la longueur L de la maille à l'aide de la formule : L= r 1, 2
Si l'évidement est de forme carrée, ses dimensions dans le plan du câble (1) sont par conséquent égales à I = L - 2e, si e est l'épaisseur des parois du maillage.
La forme externe des parois latérales (4, 4'), dans ce même plan, donne une largeur variant également entre approximativement I et L.
Exemple :
L'exemple qui suit est appliqué à un contact tournant disposé entre la colonne de direction et un volant d'automobile. Il concerne un câble électrique plat de largeur un peu inférieure à 4 mm.
La configuration de l'enveloppe est celle qui a été décrite précédemment. Dans ce cas, on mesure la section transversale en trois endroits :
  • S1 : au milieu de la paroi transversale (5)
  • S2 : au milieu des parois latérales (4, 4') et,
  • S3 : en un point intermédiaire.
On note d la dimension transversale totale de la section, n le nombre d'éléments qui la compose (un ou deux) et h sa hauteur.
Le tableau ci-après détaille les mesures intéressantes à connaítre :
S1 S2 S3
d (mm) 3,9 0,8 0,85
h (mm) 1,2 2 1,7
n 1 2 2
surface ndh (mm2) 4,7 3,2 2,9
ndh3 6,7 12,8 8,4
Les valeurs des deux dernières lignes montrent la difficulté qu'il y a à garder constante la surface de la section et le coefficient ndh3, car le seul moyen de tendre vers une constance de la section est d'augmenter h, ce qui provoque évidemment une augmentation en cube dudit coefficient.
Il est donc nécessaire de réaliser un compromis acceptable, que l'on structure dans la mesure indiquée auparavant : on reste dans une échelle de 1 à 2 simultanément pour les valeurs de la surface de la section et pour le coefficient ndh3.
La présente description ne donne qu'un exemple de forme respectant ces critères, exemple qui ne peut cependant être considéré comme exhaustif de l'invention. Celle-ci englobe au contraire les variantes à la portée de l'homme de l'art.

Claims (8)

  1. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat, constituée d'un motif à périodicité spatiale comportant des maillons successifs se développant sur au moins une portion dudit câble, caractérisée en ce que :
    chaque maillon présente un évidement central entouré de parois transversales traversées par le câble et de parois latérales enfermant les bordures de ce dernier ;
    la largeur desdites parois est sensiblement constante dans un plan parallèle à celui du câble, et leur tracé ne comporte pas d'angles vifs ;
    le tracé des parois dans des plans perpendiculaires au précédent est tel que la section transversale totale de l'enveloppe, de même que le facteur défini par le produit de la dimension transversale par le cube de la hauteur de ladite section transversale, facteur auxquelles les contraintes nées lors d'une flexion autour d'un axe transversal sont proportionnelles, varient d'une valeur inférieure à 2 sur l'ensemble de la longueur axiale du maillon.
  2. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque maillon présente une symétrie simultanément par rapport
    au plan du câble,
    à un plan perpendiculaire au précédent passant par l'axe du câble ; et,
    à un plan perpendiculaire aux deux précédents passant par le centre géométrique du maillon.
  3. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les évidements ont une forme rectangulaire présentant un arrondi aux quatre coins.
  4. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la forme extérieure des parois latérales, dans un plan perpendiculaire au câble, est d'allure parallèle au côté latéral de l'évidement, la portion reflétant l'arrondi intérieur s'achevant au niveau de l'axe central des parois transversales.
  5. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les évidements ont une longueur selon l'axe du câble au moins égale à leur largeur transversalement audit axe.
  6. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parois latérales présentent, dans un plan perpendiculaire au câble plat et parallèlement à son axe, un tracé ondulé symétrique par rapport au plan dudit câble, les minima des courbes étant localisées au niveau des parois transversales.
  7. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur des parois, dans le plan du câble plat, représente entre 20% et 25% de la largeur transversale de l'enveloppe.
  8. Enveloppe de surmoulage pour câble électrique plat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau utilisé pour la réalisation de l'enveloppe est du polypropylène.
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