EP3379651B1

EP3379651B1 - Kabelschuh

Info

Publication number: EP3379651B1
Application number: EP17305337.2A
Authority: EP
Inventors: Marina Hoch; Michael Siller
Original assignee: Nexans SA
Current assignee: Nexans SA
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2024-05-01
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: EP3379651A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem stromführenden Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der US 2013/0203303 A1 beschrieben.
Insbesondere in der Automobilelektronik kommt eine Vielzahl von elektrischen Leitern, beispielsweise Litzenleitern, und mit diesen verbundenen Kontaktelementen aus elektrisch leitendem Material zum Einsatz. Elektrische Verbindungen müssen zwischen der Spannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, und Aktuatoren, Sensoren, Steuerelementen usw. hergestellt werden. Die erwähnten stromführenden Elemente sind beispielsweise die Anschlüsse einer Batterie oder Bolzen im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, an welche elektrische Leiter mittels Kabelschuhen angeschlossen werden müssen. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um flexible isolierte Litzenleiter. Die Kabelschuhe sind Elemente aus Metall, welche so beschaffen sind, dass sie an ein abisoliertes Leiterende gecrimpt und/oder mit diesem verschweißt werden können. Der Leiter und der Kabelschuhe werden dabei kraft- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden.
Ein Beispiel eines bekannten Kabelschuhs ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kabelschuh 1 weist ein Kontaktende 2 zur Verbindung mit dem stromführenden Element auf, an welches der Kabelschuh 1 beispielsweise angeschraubt wird. An seinem anderen Ende hat der Kabelschuh 1 eine Aufnahme 3 für ein abisoliertes Ende eines elektrischen Leiters. Im dargestellten Beispiel hat die Aufnahme 3 zwei Paar Crimpflügel 4 und 5, die um das Leiterende gecrimpt werden. Das Leiterende kann auch mit dem Kabelschuh 1 verschweißt werden.
Elektrische Leiter aus Kupfer werden heute, insbesondere in der Automobilindustrie, zunehmend durch Leiter aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung ersetzt. Aluminium ist gegenüber Kupfer ein leichteres und preiswerteres Material mit guten elektrischen Eigenschaften. Die Kabelschuhe bestehen zumeist aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Um eine einwandfreie elektrisch leitende Verbindung zwischen einem Kabelschuh aus Kupfer und einem Aluminiumleiter herzustellen, muß der abisolierte Aluminiumleiter vor dem elektrischen Verbinden von der nichtleitenden Oxidschicht befreit werden, die sich beim Kontakt von Aluminium mit Sauerstoff bildet. Dies kann beispielsweise durch Verschweißen des Aluminiumleiters mit dem Kabelschuh bewirkt werden. Das Verschweißen hat weiterhin den Vorteil, dass der Leiter und der Kabelschuh stofflich miteinander verbunden werden, sodass ein eventuelles Kaltfließen des Aluminiums keinen Einfluß auf die Qualität der Verbindung hat. Die Schweißstelle befindet sich zumeist direkt an der Anschlußstelle des Kabelschuhs am stromführenden Element.
Insbesondere für Litzenleiter oder Batterieleitungen mit großen Querschnitten ist die mechanische Stabilität der Verbindung mit dem Kabelschuh von Bedeutung. Die Verbindung muß widerstandsfähig gegenüber Schwingungen und einem eventuellen Kaltfließen des Aluminiums sein.
Aus der eingangs erwähnten US 2013/0203303 A1 geht ein Verfahren zum Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem stromführenden Element hervor, bei dem ein Verbindungselement eingesetzt wird, das an seinem der Verbindung mit einem Leiter dienenden Ende ein dreidimensionales Kontaktteil aufweist, das in Montageposition mit einer gebogen verlaufenden Endfläche an der Stirnseite eines elektrischen Leiters anliegt. Auf das Ende des von seiner Isolierung befreiten Leiters ist dazu eine Hülse aufgepreßt, die über das Ende des Leiters hinausragt, und in welche das Kontaktelement so weit eingesteckt wird, bis seine Endfläche an der Stirnseite des Leiters anliegt. Das Verbindungselement hat einen Flansch, der in Montageposition an der Hülse anliegt. Der Flansch kann mit der Hülse verschweißt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem stromführenden Element ist auch im Dokument US 6 538 203 B1 zu sehen. Auch das Dokument US 2017/033473 A1 ist der dem Gegenstand des Anspruchs 1 am nächsten kommende Stand der Technik und beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Kabelschuh und einem Kabel, bei dem ebenfalls Rührreibschweißen zum Einsatz kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung für einen elektrischen Leiter bereitzustellen, welches die genannten Anforderungen erfüllt.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem für dieses Verfahren verwendeten Kabelschuh handelt es sich um ein formstabiles, leitfähiges Kontaktelement für die Übertragung von Strom durch die Verbindung von einem elektrischen Leiter mit einem stromführenden Element. Der Kabelschuh besteht aus zwei voneinander getrennten Befestigungselementen, nämlich dem Behälter und dem Kontaktende. Der Behälter dient zur Aufnahme des Leiters, welcher flexibel und beweglich ist. Das Kontaktende, im Folgenden auch Anschlußgeometrie genannt, dient zur Befestigung des Kabelschuhs an dem stromführenden Element, welches feststeht. Der Kabelschuh ist so gestaltet, dass der Leiter wie gewünscht durch Crimpen und Schweißen daran festgelegt werden kann. Diese beiden Befestigungsmethoden stellen sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung des Leiters mit dem Kabelschuh sicher. Die Anschlußgeometrie nimmt bei der mittels des Kabelschuhs montierten Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter und dem stromführenden Element sämtliche mechanischen Belastungen auf, beispielsweise Schwingungen oder Stöße in einem Kraftfahrzeug. Das Übergangselement zwischen dem Kontaktende und dem Behälter stellt eine räumliche und funktionelle Trennung dieser beiden Befestigungselemente dar. Durch diese räumliche und funktionelle Trennung hat das Befestigungsverfahren des Leiters keinerlei Einfluß auf die Geometrie oder das mechanische Gefüge der Anschlußgeometrie, da die Kraft- und Wärmeeinwirkung beim Befestigen des Leiterendes nicht in dem Bereich des Kontaktendes stattfinden.
Die Anschlußgeometrie kann somit nicht beschädigt werden. Daher ist sichergestellt, dass die Anschlußgeometrie auftretenden mechanischen Belastungen, wie Schwingungen und Stöße, dauerhaft standhält. Der erfindungsgemäße Kabelschuh ist daher äußerst robust, und die Verbindung zwischen dem Leitungsende und dem Kabelschuh ist vor mechanischen Belastungen, welche im Einsatz derselben auftreten können, geschützt und besonders haltbar.
Der erfindungsgemäße Kabelschuh kann so gestaltet werden, dass die Kontaktierungsgeometrie, d.h. die Form des Behälters, für den Leiter stets gleich bleibt und die Anschlußgeometrie der Anwendung entsprechend verschiedenartig ausgeführt ist.
Das Übergangselement kann verschiedene Formen annehmen, durch welche die räumliche und funktionelle Trennung sichergestellt ist.
Der Kabelschuh kann mit Vorteil für Leiter mit großen Querschnitten eingesetzt werden, welche sicher und beständig kontaktiert werden müssen, beispielsweise in Elektro- und Hybridfahrzeugen und im Maschinen- und Anlagenbau.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verbindung aus einem elektrischen Leiter und einem Kabelschuh mit den genannten Eigenschaften.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 wie bereits beschrieben einen Kabelschuh nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 eine erste Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist.
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Kabelschuhs nach der Erfindung, und
Fig. 4 den Kabelschuh nach dem zweiten Ausführungsbeispiel in montiertem Zustand.

In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche technische Merkmale.
Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Kabelschuh 10, 20 nach einer ersten (die nicht Teil der Erfindung ist) bzw. zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Der Kabelschuh 10, 20 weist einen rohr- oder topfartigen Behälter 11 auf, welcher an seinem Boden 11a geschlossen ist. In den dargestellten Beispielen ist der Behälter im Wesentlichen zylindrisch. Der Behälter 11 kann auch eine konische, sich zum Boden 11a hin verengende Form, oder andere, zur Leiteraufnahme geeignete Formen haben. Der Behälter 11 ist nach einer Seite, dem Boden 11a gegenüberliegend, offen.
Um die Öffnung des Behälters 11 umlaufend befindet sich ein Rand 11b. Von dem Rand 11b fortlaufend ist mittels eines Übergangselements 14 ein flaches Kontaktende 12 angebracht. Mittels des Kontaktendes 12 kann der Kabelschuh 10, 20 mit einem elektrischen Element, beispielsweise einer Batterieklemme oder der Karosserie eines Kraftfahrzeugs, verbunden werden. Beispielsweise kann der Kabelschuh 10, 20 an das elektrische Element geschraubt werden, wozu eine Schraube durch eine Bohrung bzw. ein Loch 13 in dem Kontaktende 12 gesteckt werden kann.
Das Ubergangselement 14 hat nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 2, die nicht Teil der Erfindung ist, eine in zwei Richtungen gebogene Form, an die sich fortlaufend das Kontaktende 12 anschließt. Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 hat das Übergangselement 14 die Form eines Stegs. Der Steg besteht aus zwei flachen Teilen 15, 16, die mittels einer Rampe 17 miteinander verbunden sind. Das Kontaktende 12 ist in einem etwa rechten Winkel zu den flachen Teilen 15, 16 dem Behälter 11 gegenüberliegend angeordnet. Die Form des Übergangselements 14 kann den jeweiligen Anwendungsanforderungen angepaßt werden.
Das Übergangselement 14 sorgt dafür, daß die Anschlußgeometrie, d.h. das Kontaktende 12, räumlich und funktionell von der Kontaktierungsgeometrie, d.h. dem Behälter 11, getrennt ist. Eine Hauptachse des Behälters 11 und das Kontaktende liegen so in verschiedenen Ebenen. Durch das Übergangselement 14 schließt das Kontaktende 12 nicht direkt fortlaufend an den Behälter 11 für das Leiterende an.
Insbesondere die Wärmeeinwirkung beim Schweißen ist räumlich unabhängig vom Kontaktende 12 des Kabelschuhs entfernt. Die Schweißstelle, welche sich am Boden 11a des Behälters 11 befindet, ist deshalb von der Anschlußgeometrie kraftentkoppelt.
Der Behälter 11 stellt eine Aufnahme für einen mit dem Kabelschuh 10, 20 zu verbindenden elektrischen Leiter dar. Ein an einem abisolierten Ende 30a eines Leiters 30 montierter Kabelschuh 20 nach der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Der elektrische Leiter 30 ist beispielsweise ein Litzenleiter aus Aluminium. Der Litzenleiter 30 besteht aus einer Vielzahl von elektrischen Einzelleitern und ist von einer Isolierung umgeben. Die Isolierung besteht beispielsweise aus Silikon oder Polyvinylchlorid. Der Kabelschuh 10, 20 kann allerdings auch andere Arten von elektrischen Leitern, beispielsweise Einzelleiter, aufnehmen.
Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das abisolierte Ende 30a des Litzenleiters 30 in den Behälter 11 des Kabelschuhs 20 eingesteckt. In dem gezeigten Beispiel ragt der abisolierte Teil 30a des Leiters 30 etwas aus dem Behälter 11 heraus. Der Behälter 11 kann das abisolierte Ende 30a allerdings auch vollständig bedecken. Der Behälter 11 ist an das abisolierte Ende 30a des Leiters 30 gecrimpt. Die Stirnseite des Leiters 30 ist am Boden 11a des Behälters 11 des Kabelschuhs 20 angeschweißt.
Das Ende der Isolierung des Leiters 30 kann auch, je nach Anwendung der Verbindung, ein Stück weit in den Behälter 11 hineinreichen. Der Behälter 11 kann dafür entsprechend ausgeführt sein, beispielsweise mit einer konischen Form.
In dem eventuell vorhandenen Zwischenraum zwischen der Wandung des Behälters 11 und des Leiterendes 30a kann ein rotationssymmetrisches Dichtelement angeordnet sein (nicht dargestellt), welches das abisolierte Leiterende gegenüber der Umgebung abdichtet. Der Behälter 11 hat dafür mit Vorzug einen sich vom Boden 11a zum Rand 11b hin stetig oder stufenartig erweiternden Durchmesser.
Der Kabelschuh 10, 20 besteht beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. Er kann weiterhin eine Oberflächenbeschichtung, beispielsweise aus Nickel oder Zinn, aufweisen.
Der Kabelschuh nach der Erfindung kann in weinigen einfachen Arbeitsschritten gefertigt werden. Der Behälter kann beispielsweise in einem Tiefziehprozeß hergestellt werden. Dieser Prozeß ist von der Anschlußgeometrie unabhängig.
Die erfindungsgemäße Verbindung des elektrischen Leiters 30 mit dem Kabelschuh 10, 20 kann folgendermaßen hergestellt werden:
Zunächst wird das Ende 30a des Leiters 30 abisoliert und in den Behälter 11 des Kabelschuhs 10, 20 eingeführt. Die Stirnseite des Leiters 30, welcher aus einer Vielzahl von Litzen bestehen kann, wird bis an den Boden 11a des Behälters 11 geführt. Der Kabelschuh 10, 20 wird anschließend kraftschlüssig durch Crimpen der Wandung des Behälters 11 mit dem abisolierten Leiterende 30a verbunden. Beispielsweise kann der Behälter 11 zumindest bereichsweise zu einem Sechskant verpreßt werden. Anschließend wird die Stirnseite des Leiters 30 mit dem Boden 11a des Behälters 11 verschweißt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunächst thermisch eine Schweißlinse auf der Leiterstirnseite erzeugt und danach wird der Leiter 30 stoffschlüssig durch Rührreibschweißen mit dem Boden 11a des Behälters 11 verbunden. Der Leiter 30 ist nun stoff- und kraftschlüssig mit dem Kabelschuh 10 bzw. 20 verbunden.
Abschließend kann ein Dichtelement in den oberen Bereich des Behälters 11 eingepreßt werden. Dieses Verfahren zur Herstellung der Verbindung kann mit Vorteil in einem automatisierten Fertigungsablauf erfolgen oder darin integriert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter (30) und einem stromführenden Element, bei welchem ein einteiliger Kabelschuh (20) aus Metall eingesetzt wird, der ein Übergangselement (14) in Form eines Steges aufweist, der aus zwei flachen, mittels einer Rampe (17) miteinander verbundenen Teilen (15, 16) besteht, das an einem Ende ein dreidimensionales Kontaktteil zur Verbindung mit dem Ende des elektrischen Leiters (30) und an seinem anderen Ende ein Kontaktende zum Anschluß des stromführenden Elements hat, wobei der Kabelschuh (20) mit dem als topfartiger, einen Boden (11a) aufweisender Behälter (11) ausgeführten Kontaktteil verwendet wird, der an seinem Boden (11a) geschlossen ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- das Ende (30a) des Leiters (30) wird zunächst abisoliert und in den Behälter (11) des Kabelschuhs (20) eingeführt, wird, wobei seine Stirnseite bis an den Boden (11a) des Behälters (11) geführt wird,

- der Kabelschuh (20) wird danach durch Crimpen der Wandung des Behälters (11) mit dem abisolierten Leiterende (30a) verbunden und

- abschließend wird die Stirnseite des Leiters (30) mit dem Boden (11a) des Behälters (11) durch Rührreibschweißen verschweißt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter (11) mit kegelstumpfartiger Form oder zylinderartiger Form verwendet wird.