EP4738615A1

EP4738615A1 - Verbindungsanordnung und verfahren zur herstellung einer verbindungsanordnung

Info

Publication number: EP4738615A1
Application number: EP25209907.2A
Authority: EP
Inventors: Thomas Lorenz; Martens Sebastian; Bogdan Preda
Original assignee: One Mobility Autokabel GmbH
Current assignee: One Mobility Autokabel GmbH
Priority date: 2024-10-31
Filing date: 2025-10-20
Publication date: 2026-05-06
Also published as: DE102024131783A1

Abstract

Verbindungsanordnung (100) mindestens umfassend:
- einen metallischen Flachleiter (1) mit einer ersten Durchgangsöffnung (2),
- ein im Bereich der ersten Durchgangsöffnung (2) am Flachleiter (1) stoffschlüssig angebundenes metallisches Kontaktelement (3) mit einer Durchgangsöffnung (5),
- einen die Durchgangsöffnung (5) des metallischen Kontaktelementes (3) zumindest teilweise durchgreifenden Anschlussbolzen (4),
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Durchgangsöffnung (5) des metallisches Kontaktelementes (3) ein Übermaß zum Anschlussbolzen (4) aufweist.

Description

Der Gegenstand betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem metallischen Flachteil und einem metallischen Kontaktelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung.
In elektrischen Anwendungen, insbesondere in automotiven Anwendungen, kommen vermehrt Flachleiter (sogenannte Busbars) zum Einsatz. Flachleiter kommen dabei nicht nur als Energieleitungen zum Einsatz, sondern auch als Batteriezellenverbinder, Modulverbinder oder dergleichen. Die Flachleiter sind dabei in der Regel aus einem metallischen Flachteil gebildet. Zur Kontaktierung von Kontaktelementen ist es bekannt, die Kontaktelemente auf die Oberfläche des metallischen Flachteils aufzubringen und dort bevorzugt stoffschlüssig zu fügen, insbesondere zu verschweißen.
Beim Verschweißen des metallischen Flachteils aus einem ersten metallischen Werkstoff mit einem metallischen Kontaktelement aus einem zweiten metallischen Werkstoff kann es an der Schweißnaht jedoch, abhängig von der Werkstoffkombination, zu erhöhter Kontaktkorrosion kommen. Darüber hinaus kann bei der Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere für das Flachteil, die Kontaktstelle bei hoher mechanischer Belastung beschädigt werden. Bei der Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen kommt es zu einem Fließen des metallischen Werkstoffs an der Kontaktstelle.
Neben dem Verschweißen des Flachteils mit dem Kontaktelement ist auch eine mechanische Fixierung des Kontaktelements an dem Flachteil bekannt. Hierbei wird beispielsweise ein Anschlussbolzen durch eine Durchgangsöffnung des Flachteils geschoben und das Kontaktelement mit dem Anschlussbolzen verbunden. Der Anschlussbolzen und/oder das Kontaktelement werden dabei mechanisch an dem Flachteil fixiert. Dies geschieht in der Regel über ein Verschrauben. Mit der Zeit und insbesondere bei mechanischer Belastung kann eine solche Schraubverbindung jedoch mechanisch instabil werden, insbesondere bei der Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Durch den Anpressdruck der Verschraubung und durch mechanische Belastung kann es im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachteils zu einem Fließen des Werkstoffs und mithin einem plastischen Verformen des Flachteils kommen, was dazu führt, dass die mechanische Verbindung gelöst wird. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Versagen der Verbindung und das Kontaktelement löst sich von dem Flachteil. Im schlimmsten Fall kommt es zu einer verschlechterten elektrischen Kontaktierung, welche zu einem Widerstandsanstieg und damit einhergehend steigenden Komponententemperaturen bis hin zu einem Fahrzeugbrand führt.
Um dies zu verhindern wurde bereits vorgeschlagen, in der Durchgangsöffnung ein metallisches Kontaktelement anzuordnen. Das metallische Kontaktelement dient als mechanische und elektrische Kontaktstelle für weitere Verbindungselemente, die mit dem metallischen Flachteil verbunden werden sollen. So kann z.B. ein hülsenförmiges Kontaktelement in der Durchgangsöffnung angeordnet werden. Ein Anschlussbolzen kann durch diese Durchgangsöffnung geschoben werden. Das Kontaktelement stabilisiert somit die mechanische Verbindung zwischen dem Flachteil und dem Anschlussbolzen.
Die Abmessungen und die dreidimensionale Biegung des Flachteils sind so an die Einbausituation des Flachteils im Kraftfahrzeug anzupassen, dass die elektrischen Kontaktierungspunkte im Fahrzeug miteinander verbunden werden. Beim dreidimensionalen Biegen von Flachleitungen kommt es jedoch zu fertigungsbedingten Toleranzen, zum einen in Bezug auf den Abstand der Biegungen zueinander aber auch in den Biegewinkeln und Biegeradien. Dies führt zu Toleranzen zwischen den Kontaktierungspunkten der Flachleitungen und der Fahrzeugperipherie. Ebenso treten auch bei der Fahrzeugmontage, sowohl im Rohbau wie auch in der Positionierung der Anschlusskomponenten, Toleranzen auf. Bei Flachleitungen mit geringen Querschnitten weisen diese eine gewisse Verformbarkeit auf, die es erlaubt den Flachleiter in der Einbausituation im Fahrzeug einzupassen. Mit der steigenden Bedeutung von Hochvolt-Anwendungen gewinnen auch Flachleiter mit höheren Querschnitten von 200 mm² und darüber hinaus an Bedeutung. Diese Flachleitungen sind deutlich steifer und lassen sich nicht ohne weiteres im Bauraum nachbiegen. Somit wird eine Kontaktierung erforderlich, welche es ermöglicht sowohl die Toleranzen des Fahrzeugs, aber auch die der Biegungen der Flachleitungen auszugleichen.
Demnach besteht die Aufgabe, eine Verbindungsanordnung bereitzustellen, die bei Montage der Verbindungsanordnung in einem Kraftfahrzeug den Ausgleich von Fertigungstoleranzen verbessert.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 gelöst.
Gegenständlich wird ein metallischer Flachleiter mit mindestens einem Kontaktelement vorgeschlagen. Ein metallischer Flachleiter kann ein mehreckiges, insbesondere viereckiges Querschnittsprofil haben. Ein metallischer Flachleiter kann dabei insbesondere ein quadratisches oder rechteckiges Querschnittsprofil haben, wobei die Kanten des Flachleiters abgerundet sein können. Im Querschnittsprofil kann der Flachleiter aus zwei parallel zueinander liegenden breiten Seiten und zwei parallel zueinander liegenden schmalen Seiten gebildet sein, die gegebenenfalls auch Rundungen aufweisen können. Entlang der breiten Seiten erstreckt sich in Längsrichtung eine breite Oberfläche des Flachleiters und entlang der kurzen Seiten erstreckt sich in Längsrichtung eine schmale Oberfläche. Der Flachleiter weist eine Durchgangsöffnung auf, die bevorzugt vollständig durch den metallischen Flachleiter verläuft. Die Durchgangsöffnung erstreckt sich bevorzugt entlang einer Flächennormalen auf einer breiten Oberfläche. Die Durchgangsöffnung kann eine gestanzte oder gebohrte Öffnung sein.
Ein metallischer Flachleiter kann ein Energieleiter, ein Batteriezellenverbinder, ein Modulverbinder, eine Anschlussfahne, ein Crimpterminal oder dergleichen sein. Ein metallischer Flachleiter kann als Flachleiter in automotiven Anwendungen zum Einsatz kommen, beispielsweise als Energieleiter, Batterieleiter oder dergleichen. Ein metallischer Flachleiter kann in einem Kraftfahrzeug eine Batterie mit einem Antriebsstrang, einem Starter und/oder Generator, einer Leistungselektronik oder einem Antriebsmotor verbinden oder elektrische Komponenten untereinander verbinden.
An den metallischen Flachleiter wird bevorzugt eine elektrische Komponente angeschlossen. Dies kann ein elektrisches Bauteil, eine Leitung, insbesondere eine Rundleitung, eine flexible Leitung, insbesondere eine flexible Rundleitung oder dergleichen sein. Zum Anschluss derartiger elektrischer Komponenten verfügt die Verbindungsanordnung über mindestens ein Kontaktelement. In einer Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ist ein Anschlussbolzen angeordnet, über den die Kontaktelemente mit weiteren Komponenten verbunden werden. Beispielsweise sind zwei Kontaktelemente an entgegengesetzten Enden des Flachleiters angeordnet, wobei über den Flachleiter eine elektrische Verbindung zweier an den Kontaktelementen kontaktierter Anschlussstellen eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst die Verbindungsanordnung einen metallischen Flachleiter mit zumindest einer Durchgangsöffnung. Im Bereich der Durchgangsöffnung ist ein metallisches Kontaktelement stoffschlüssig am Flachleiter angebunden. In der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ist ein Anschlussbolzen angeordnet, der die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes zumindest teilweise, bevorzugt vollständig durchgreift. Die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes weist ein Übermaß auf, ist also im Verhältnis zu dem in der Durchgangsöffnung angeordneten Bolzen überdimensioniert. Das heißt die lichte Weite der Durchgangsöffnung geht wesentlich über den Durchmesser des Anschlussbolzens hinaus. Wesentlich hinausgehen bedeutet dabei, dass das Übermaß der Durchgangsöffnung im Verhältnis zum Durchmesser des Anschlussbolzens in einem Maße abweicht, das über übliche Fertigungstoleranzen hinausgeht.
Der Anschlussbolzen kann, aufgrund des Übermaßes der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes im Vergleich zum Anschlussbolzen, innerhalb der Durchgangsöffnung verschoben werden. Dadurch kann mittels der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung bei Montage der Verbindungsanordnung in einem Kraftfahrzeug ein verbesserter Ausgleich von Toleranzen erfolgen, der insbesondere bei komplex gebogenen Flachleitungen die Montage erheblich erleichtert. Dadurch entfällt ein bei großen Leiterquerschnitten erschwertes manuelles Nachbiegen des Flachleiters in die Einbaulage.
Im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachleiters ist ein metallisches Kontaktelement angeordnet. Im Bereich der Durchgangsöffnung bedeutet in diesem Sinne, dass das Kontaktelement angrenzend zu der Durchgangsöffnung des Flachleiters angeordnet ist. Das metallische Kontaktelement weist eine Durchgangsöffnung auf, die bevorzugt zumindest teilweise mit der Durchgangsöffnung des Flachleiters überlappt. In der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ist ein Anschlussbolzen eingesteckt, der diese Durchgangsöffnung zumindest teilweise durchgreift. Bevorzugt durchgreift das Kontaktelement die Durchgangsöffnung des Flachleiters teilweise, besonders bevorzugt vollständig.
Die Durchgangsöffnung des metallischen Kontaktelementes weist ein Übermaß von zumindest 1,0 mm, bevorzugt mindestens 1,5 mm, mindestens 2,0 mm, mindestens 2,5, mindestens 3,0 mm, mindestens 3,5 mm, mindestens 4,0 mm oder mindestens 4,5 mm, insbesondere 1,5 mm bis 5,0 mm, beispielsweise 2,5 mm, auf. Die genannten Werte beziehen sich auf Gesamtwerte, so dass beispielsweise ein mittig in einer Durchgangsöffnung mit 2,0 mm Übermaß platzierter Anschlussbozen an zwei einander gegenüberliegenden Punkten seiner Mantelfläche einen Abstand von jeweils 1,0 mm zur Durchgangsöffnung des Kontaktelementes aufweist. In den genannten Bereichen findet ein besonders vorteilhafter Toleranzausgleich statt. Die Durchgangsöffnung des metallischen Kontaktelementes stellt eine Durchgangsöffnung dar, deren Projektion auf die Ebene des Flachleiters mit der Durchgangsöffnung des Flachleiters zumindest teilweise überlappt. Bevorzugt liegt die Projektion der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes in die Ebene des Flachleiters vollständig innerhalb der Durchgangsöffnung des Flachleiters. Die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes kann symmetrisch oder unsymmetrisch ausgeführt sein. Bei unsymmetrischer Ausgestaltung der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes liegt das Übermaß in mindestens zwei Dimensionen vor.
Bevorzugt ist das Kontaktelement als Bolzen ausgeführt, der im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachleiters stoffschlüssig angebunden ist. Der Bolzen kann als sich in Längsrichtung erstreckender Bolzen verstanden werden, der zwei distale Stirnflächen aufweist. Eine der Stirnflächen schließt den Bolzenschaft ab und eine zweite der Stirnflächen schließt einen Bolzenkopf ab. Bolzenschaft und Bolzenkopf bilden zusammen das Kontaktelement. Der Bolzenschaft hat bevorzugt einen kleineren Durchmesser als der Bolzenkopf, jedoch können Bolzenkopf und Bolzenschaft auch den gleichen Durchmesser aufweisen. Weist der Bolzenkopf einen größeren Durchmesser auf als der Bolzenschaft, so kragt der Bolzenkopf gegenüber dem Bolzenschaft radial nach außen aus. Dabei ergibt sich eine dritte Stirnfläche des Bolzens, die an der dem Bolzenschaft benachbarten Oberfläche des Bolzenkopfes angeordnet ist. Der Bolzenschaft des Kontaktelementes ist bevorzugt in die Durchgangsöffnung des Flachleiters eingesteckt und im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachleiters stoffschlüssig angebunden, während die dem Flachleiter zugewandte Oberfläche des Bolzenkopfes an der benachbarten Oberfläche des Flachleiters stoffschlüssig angebunden ist. Der radial auskragende Bolzenkopf führt dazu, dass die Einstecktiefe des Kontaktelementes in der Durchgangsöffnung des Flachleiters begrenzt ist, da der Bolzenkopf einen Anschlag bildet. Bei einem Reibschweißvorgang wird das Kontaktelement vorzugsweise im Bereich der Berührfläche zwischen dem Flachleiter und dem Bolzenkopf des Kontaktelementes mittels Reibschweißen verschweißt.
Der Bolzenkopf des Kontaktelementes ist vorzugsweise als Flansch gebildet und dient einerseits als Anlagefläche an den Flachleiter und andererseits als vergrößerte Auflagefläche der Verbindungsanordnung. Die Anlagefläche ist die dem Flachleiter zugewandte Fläche. Die Auflagefläche ist die dieser gegenüberliegende Fläche. Die Auflagefläche ist bevorzugt als ebene Fläche ausgeformt. Ein Kopf des Anschlussbolzens oder eine an den Anschlussbolzen verschraubte Mutter oder eine Unterlegscheibe kann an der dem Flachleiter abgewandten Oberfläche des Flansches aufliegen. Bevorzugt ist der Anschlussbolzen an einer schaftseitigen Stirnfläche des Kontaktelementes in die Durchgangsöffnung des Flachleiters eingesteckt, so dass der Schaft des Anschlussbolzens teilweise am Bolzenkopf des Kontaktelementes aus diesem herausragt. Die Auflagefläche des Kontaktelementes dient bevorzugt der elektrischen Kontaktierung, wobei an dieser weitere elektrische Komponenten des Fahrzeugs kontaktiert werden können, beispielsweise ein weiterer Flachleiter. Die Auflagefläche kann rund, rechteckig, quadratisch, polygonal oder dergleichen sein. Entlang des Umfangs kann die Anlagefläche radial weiter nach außen ragende Bereiche und radial weniger weit nach außen ragende Bereiche aufweisen.
Das Übermaß der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ist in einer bevorzugten Ausgestaltung im Bereich des Bolzenkopfes des Kontaktelementes umlaufend um den Flächenmittelpunkt der Durchgangsöffnung konstant. Ein im Flächenmittelpunkt der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes eingesetzter Anschlussbolzen weist demnach zunächst umlaufend das gleiche Übermaß zur Durchgangsöffnung auf und kann bei Montage der Verbindungsanordnung im Kraftfahrzeug in alle Richtungen gleichermaßen verschoben werden und in dieser Position fixiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Übermaß im Bereich des Bolzenkopfes umlaufend entlang des Umfangs des eingesetzten Anschlussbolzens variabel. Das heißt umlaufend um den Flächenmittelpunkt der Durchgangsöffnung des Bolzenkopfes ist der Abstand zwischen Flächenmitte der Durchgangsöffnung und nächstgelegenem Wandabschnitt des Kontaktelementes nicht konstant. Dabei ist die umlaufende Kante der Durchgangsöffnung besonders bevorzugt in mindestens einem Abschnitt ausgehend von der Einhüllenden der umlaufenden Kante in Richtung der Flächenmitte der Durchgangsöffnung versetzt. Dies hat den Vorteil, dass die mögliche Kontaktfläche zwischen einer über den Anschlussbolzen an der Auflagefläche des Bolzenkopfs des Kontaktelementes fixierten elektrischen Komponente und dem Bolzenkopf des Kontaktelementes vergrößert und damit einhergehend die elektrische Kontaktierung verbessert wird. Auch in Ausführungsformen, in denen die elektrische Kontaktierung nicht über die Auflagefläche des Bolzenkopfes des Kontaktelementes erfolgt, bietet die vergrößerte Auflagefläche den Vorteil einer verbesserten mechanischen Kontaktierung.
Bevorzugte Ausführungsformen, um die elektrische Kontaktfläche des Kontaktelements zu vergrößern, sind Bolzenköpfe, deren Durchgangsöffnungen eine polygonale Geometrie ihrer Mantelfläche aufweisen. Beispielsweise haben sich sternförmige Durchgangsöffnungen und Durchgangsöffnungen mit Außenkonturen in Form mehrerer überlappender Kreise als vorteilhaft erwiesen. Bei diesen ragen Flächenanteile des Bolzenkopfes weit in Richtung der Flächenmitte der Durchgangsöffnung, so dass die Kontaktfläche vorteilhaft maximiert wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung als Dreieck, Viereck oder Sechseck, insbesondere als Sechseck ausgeführt. Diese Geometrien ermöglichen einerseits eine vergrößerte elektrische Kontaktfläche im Vergleich zu einer kreisförmigen Einhüllenden und sind andererseits in ihrer Herstellung einfacher zugänglich als komplexere polygonale Geometrien.
Der Durchmesser der Durchgangsöffnung kann entlang des Kontaktelementes, also im Verlauf zwischen den beiden distalen Stirnflächen des Kontaktelementes, wahlweise konstant oder variabel ausgestaltet sein. Damit ist auch das Übermaß entlang des Kontaktelementes entsprechend konstant oder variabel ausgestaltet.
Als bevorzugt haben sich im Sinne einer einfachen Herstellbarkeit Kontaktelemente mit konstanter Durchgangsöffnung erwiesen. Insbesondere bei Kontaktelementen mit einer polygonalen Durchgangsöffnung, beispielsweise in Form eines Sechsecks, ist diese bevorzugt zwischen den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen des Kontaktelementes durchgehend mit konstantem Durchmesser ausgestaltet. Dadurch kann ein das Kontaktelement vollständig durchgreifender Anschlussbolzen im gesamten Querschnitt verschoben werden. Darüber hinaus kann eine polygonale Durchgangsöffnung auch als Innenantrieb für ein Reibschweißwerkzeug verwendet werden. Auch in diesem Sinne ist eine durchgehende polygonale Öffnung vorteilhaft, um eine möglichst große Angriffsfläche für das Reibschweißwerkzeug zur Verfügung zu stellen.
Das Kontaktelement ist wahlweise einteilig oder mehrteilig ausgestaltet. Eine einteilige Ausgestaltung ist insbesondere bei Kontaktelementen vorteilhaft, die eine einfache Geometrie aufweisen, beispielsweise bei einem Kontaktelement mit einer zylinderförmigen Durchgangsöffnung mit konstantem Durchmesser. Mehrteilige Ausgestaltungen haben sich bei einem variablen Durchmesser der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes als vorteilhaft erwiesen. Dabei kann beispielsweise der Bolzenkopf des Kontaktelementes als erstes Bauelement und der Bolzenschaft als zweites Bauelement ausgestaltet sein und insbesondere im Bereich des ersten Bauelementes der Querschnitt der Durchgangsöffnung vom Querschnitt der Durchgangsöffnung im zweiten Bereich abweichen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung umfasst das Kontaktelement ein erstes scheibenförmiges Bauelement und ein zweites hülsenförmiges Bauelement. Das zweite hülsenförmige Bauelement ist rohrförmig mit der in Längsrichtung des zweiten Bauelements verlaufenden Durchgangsöffnung. Das erste scheibenförmige Bauelement weist ebenfalls eine Durchgangsöffnung auf. Das erste scheibenförmige Bauelement kann beispielsweise auf das Flachteil aufgelegt und optional bereits mit dem Flachteil verschweißt werden, wobei das zweite Bauelement auf der dem ersten Bauelement gegenüberliegenden Seite des Flachteils in die Durchgangsöffnung eingeschoben wird. Eine stoffschlüssige Verbindung der Bauelemente untereinander und mit dem Flachleiter kann anschließend mittels Reibschweißen erfolgen, indem das zweite Bauelement mittels eines Reibschweißwerkzeugs in Rotation versetzt wird. Durch diese Rotation kann zum Einen ein Stoffschluss zwischen einer Stirnfläche des zweiten Bauelements und einer Oberfläche des ersten Bauelements, und zum Anderen zwischen der äußeren Mantelfläche des zweiten Bauelements und der inneren Mantelfläche der Durchgangsöffnung des Flachleiters gebildet werden.
Das erste Bauelement ist bevorzugt so zu dem zweiten Bauelement ausgerichtet, dass ein Mittelpunkt des ersten Bauelements mit dem Mittelpunkt des zweiten Bauelements fluchtet. Die Durchgangsöffnung des ersten Bauelementes und die Durchgangsöffnung des zweiten Bauelementes sind zumindest teilweise deckungsgleich zueinander angeordnet, wobei besonders bevorzugt ein Mittelpunkt der Durchgangsöffnung des ersten Bauelements mit einem Mittelpunkt der Durchgangsöffnung des zweiten Bauteils fluchtet. Die Durchgangsöffnung des ersten Bauelementes und die Durchgangsöffnung des zweiten Bauelementes ergeben gemeinsam die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes. Wird ein Anschlussbolzen durch die zumindest teilweise deckungsgleichen Durchgangsöffnungen des ersten und zweiten Bauelementes gesteckt, so liegt das Übermaß im Bereich beider Durchgangsöffnungen vor, wobei das Maß des Übermaßes innerhalb der Durchgangsöffnung des ersten Bauelementes und/oder im Bereich der Durchgangsöffnung des zweiten Bauelementes variieren kann. Beispielsweise weist die Durchgangsöffnung des ersten Bauelementes einen von der Durchgangsöffnung des zweiten Bauelementes verschiedenen Querschnitt auf. Beispielsweise liegt eine Projektion des Querschnitts der Durchgangsöffnung des ersten Bauelementes in die Ebene des zweiten Bauelementes innerhalb des Querschnitts der Durchgangsöffnung des zweiten Bauelementes. Das hülsenförmige zweite Bauelement weist vorzugsweise eine zylindrische Durchgangsöffnung auf, die auf einfache Art und Weise herstellbar ist. Das scheibenförmige erste Bauelement ist auch im Falle nicht zylindrischer komplexerer Geometrien der Durchgangsöffnung beispielsweise mittels Stanzen bereitzustellen.
Bevorzugt weist der Anschlussbolzen der Verbindungsanordnung einen Bolzenschaft und einen Bolzenkopf auf, wobei der Bolzenkopf des Anschlussbolzens an der schaftseitigen Stirnseite des Kontaktelementes anliegt.
Der Anschlussbolzen weist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Außengewinde auf, wodurch eine verbesserte mechanische Fixierung, beispielsweise durch Kontern des Anschlussbolzens mit einer Mutter ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verbindungsanordnung mindestens ein zweites metallisches Kontaktelement auf. Das mindestens eine zweite metallische Kontaktelement kann abweichend vom ersten Kontaktelement ausgeführt sein, zum Beispiel als Bolzen dessen schaftabgewandte Stirnfläche mit dem Flachleiter verschweißt ist. Das mindestens eine zweite Kontaktelement kann auch analog zum ersten Kontaktelement ausgeformt sein. Bevorzugt ist mindestens eines der zweiten Kontaktelemente im Bereich einer zweiten Durchgangsöffnung des Flachleiters stoffschlüssig angebunden, wobei das zweite Kontaktelement eine Durchgangsöffnung aufweist und in die Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes ein die Durchgangsöffnung zumindest teilweise durchgreifender Anschlussbolzen eingesetzt ist. Insbesondere ist der die Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes durchgreifende Anschlussbolzen so gewählt, dass die Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes ein Übermaß zum Anschlussbolzen aufweist. Auf diese Weise ist an mehreren Anbindungspunkten der Verbindungsanordnung ein Toleranzausgleich möglich. Dies ist insbesondere bei Flachleitern mit großem Querschnitt und damit einhergehender geringer Flexibilität vorteilhaft.
Besonders bevorzugt umfasst die Verbindungsanordnung ein erstes und ein zweites Kontaktelement, deren Durchgangsöffnungen beide ein Übermaß zum jeweiligen Anschlussbolzen aufweisen, wobei das zweite Kontaktelement nicht an einem distalen Ende des Flachleiters angeordnet ist, sondern einen zusätzlichen elektrischen und mechanischen Kontaktpunkt im Mittelbereich des Flachleiters bildet. An einem distalen Ende des Flachleiters kann ein drittes Kontaktelement angeordnet sein, das gemäß dem ersten Kontaktelement oder auch abweichend davon ausgestaltet sein kann. Das zweite Kontaktelement liegt dabei entlang einer der Hauptflächen des Flachleiters zwischen erstem und drittem Kontaktelement.
Bevorzugt sind das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement in einem Abstand von maximal 1000 mm, bevorzugt maximal 700 mm, insbesondere maximal 500 mm, beispielsweise 100 mm bis 400 mm, zueinander angeordnet sind, wobei die Gesamtlänge des Flachleiters den Abstand zwischen erstem Kontaktelement und zweitem Kontaktelement um mindestens den Faktor 1,1 übersteigt.
Das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement sind bevorzugt innerhalb der genannten Maße mit geringem Abstand zueinander angeordnet, wobei das zweite Kontaktelement einen Mittenabgriff bildet, also nicht endständig angeordnet ist, und der Flachleiter besonders bevorzugt eine Länge von mindestens 1500 mm aufweist. Mit steigender Länge des Flachleiters steigt auch das Bedürfnis eines Toleranzausgleichs, insbesondere bei mehr als zwei Kontaktierungspunkten. Im Stand der Technik erfolgt dies in der Regel durch Kombination eines Flachleiters mit einem an diesen endständig angebundenen flexiblen Leiter. Sind mehr als zwei Kontaktierungspunkte vorgesehen, so wird der Flachleiter gemäß Stand der Technik in der Regel zwischen einem endständigen und einem mittleren Kontaktierungspunkt vorgesehen und der mittlere Kontaktierungspunkt über einen flexiblen Leiter mit dem verbleibenden endständigen Kontaktierungspunkt verbunden. Diese bekannte Art des Toleranzausgleichs bringt einen erhöhten Produktions- und Montageaufwand mit sich. Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem ein Toleranzausgleich an einem oder bevorzugt mehreren Kontaktelementen erfolgt.
Bevorzugt weist der Flachleiter zwischen dem ersten Kontaktelement und dem zweiten in einem mittleren Bereich angeordneten Kontaktelement mindestens eine Biegung auf. Insbesondere liegen das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement in verschiedenen Ebenen, die zueinander parallel oder nicht parallel sein können. Zum Ausgleich der mit den Biegungen des Flachleiters einhergehenden Fertigungstoleranzen hat sich die Verwendung der Kontaktelemente mit Übermaß zu den Anschlussbolzen als vorteilhaft erwiesen.
Das zweite Kontaktelement und ggf. weitere Kontaktelemente sind bevorzugt innerhalb der für das Kontaktelement beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet, wobei sich das Maß des Übermaßes zwischen Kontaktelement und zweitem sowie weiteren Kontaktelementen unterscheiden können.
Ist ein Kontaktelement an einem distalen Ende eines Flachleiters angeordnet, so befindet sich dieses in einem Abstand von maximal 100 mm, bevorzugt maximal 50 mm, zu diesem Ende, wobei kein weiteres Kontaktelement zwischen diesem und dem distalen Ende liegt. Ein Kontaktelement in einem mittleren Bereich des Flachleiters liegt nicht an einem distalen Ende des Flachleiters.
Der Flachleiter der Verbindungsanordnung weist bevorzugt eine Biegung, insbesondere eine komplexe Biegegeometrie auf. Dabei ist der Flachleiter an mindestens einer Stelle, bevorzugt an mindestens zwei Stellen, insbesondere mindestens drei Stellen, beispielsweise mindestens vier, mindestens fünf oder mindestens sechs Stellen, gebogen. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Flachleiter mindestens eine Biegung mit einem Biegewinkel von mindestens 30°, bevorzugt mindestens 40°, insbesondere mindestens 90°, mindestens 120°oder mindestens 150°, auf. Beispielsweise weist der Flachleiter mindestens zwei Biegungen auf, wobei mindestens eine der Biegungen einen Biegewinkel von mindestens 90° und mindestens eine der Biegungen einen Biegewinkel von mindestens 120°, bevorzugt mindestens 150°, aufweist. Insbesondere weist der Flachleiter mindestens zwei Biegungen in mindestens zwei verschiedenen Dimensionen (x und y, x und z oder y und z), bevorzugt mindestens drei verschiedenen Dimensionen (x, y und z) auf. Der Einbau von Verbindungsanordnungen mit solch komplex gebogenen Flachleitern wird durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung vereinfacht.
Der Flachleiter hat vorzugsweise eine Länge von mindestens 700 mm, bevorzugt mindestens 1000 mm, besonders bevorzugt mindestens 1500 mm, insbesondere mindestens 2000 mm gemessen im nicht gebogenen Zustand oder bei Messung im gebogenen Zustand entlang einer der Hauptflächen zwischen den distalen Stirnseiten des Flachleiters. Beispielsweise liegt die Länge des Flachleiters zwischen 1500 mm und 3000 mm. Mit steigender Länge des Flachleiters nehmen die in Summe zwischen zwei distalen Kontaktelementen des Flachleiters auftretenden Fertigungstoleranzen zu. Ferner sind auch in Kraftfahrzeugen die Toleranzen zwischen zwei elektrischen Kontaktierungspunkten umso größer je weiter diese voneinander entfernt sind. Somit ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung insbesondere geeignet zur Verwendung mit Flachleitern großer Länge.
Der Querschnitt des Flachleiters beträgt bevorzugt mindestens 50 mm² oder mindestens 75 mm², besonders bevorzugt mindestens 100 mm², insbesondere mindestens 120 mm², beispielsweise 100 mm² bis 400 mm². Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ist insbesondere bei Verwendung von Flachleitern mit großen Querschnitten vorteilhaft. Mit steigendem Querschnitt und damit einhergehender Biegesteifigkeit des Flachleiters können Toleranzen nicht mehr durch manuelles Nachbiegen ausgeglichen werden, wobei die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung diesen notwendigen Toleranzausgleich bewirken kann.
Der Flachleiter umfasst bevorzugt Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer und/oder eine Kupferlegierung.
Das Kontaktelement und/oder der Anschlussbolzen sind bevorzugt aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Eisen, einer Eisenlegierung und/oder Stahl gebildet.
Bevorzugt werden die Materialien des ersten Kontaktelementes und/oder des Anschlussbolzens so ausgewählt, dass sie eine größere Festigkeit aufweisen als das Material des Flachleiters. Die Materialien des ersten und des zweiten Kontaktelementes weisen dabei eine Elastizitätsgrenze R_p0,2 auf, die größer ist als die Elastizitätsgrenze des Materials des Flachleiters.
Das Kontaktelement und optional das zweite Kontaktelement ist stoffschlüssig am Flachleiter angebunden, bevorzugt verlötet oder verschweißt, besonders bevorzugt mittels Reibschweißen, Rotationsreibschweißen, Ultraschallschweißen, Pressschweißen, Widerstandsschweißen oder Laserschweißen, insbesondere Rotationsreibschweißen, verbunden. Die Verschweißung zwischen Flachleiter und Kontaktelement bewirkt, dass ein elektrischer Übergangswiderstand gering ist, so dass das Kontaktelement als elektrische Anschlusskomponente dienen kann.
Ein Rotationsreibschweißen hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt. Das Reibschweißen kann dabei auch ein Ultraschallschweißen sein. Beim Rotationsreibschweißen wird der Bolzen gegenüber dem Flachteil in Oszillation oder Rotation versetzt. Durch einen Anpressdruck des Kontaktelementes auf den Flachleiter, bei dem eine Kontaktfläche des Kontaktelementes, bei gleichzeitiger Relativbewegung um die Längsachse des Kontaktelementes, gegen eine Oberfläche des Flachleiters gedrückt wird. Dadurch wird Reibungswärme in die Grenzfläche zwischen dem Kontaktelement und dem Flachleiter im Bereich der Kontaktfläche des Kontaktelementes eingebracht. Die Reibungswärme führt dazu, dass mindestens ein Werkstoff an der Grenzfläche zwischen Flachleiter und Kontaktelement plastifiziert. Die plastifizierten Werkstoffe verbinden sich miteinander und gehen eine stoffschlüssige Verbindung ein.
Beim Reibschweißvorgang werden Kontaktelemente vorzugsweise im Bereich der Berührfläche mit dem Flachleiter verschweißt. Durch einen Anpressdruck auf die Kontaktelemente wird die Verschweißungsfläche des Kontaktelementes gegen die Oberfläche des Leiters gepresst. An den zum Verscheißen vorgesehenen Verschweißungsflächen der Kontaktelemente sind bevorzugt Rücksprünge und/oder Vorsprünge und/oder reliefförmige Strukturierungen vorgesehen. Diese bewirken zum Beginn des Schweißvorgangs nur eine geringe Auflagefläche auf dem Flachleiter, wodurch höhere Temperaturen bei gleichem Anpressdruck erreicht werden.
Für ein Rotationsreibverschweißen bietet es sich an, wenn das Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement achssymmetrisch zu seiner Längsachse ist. Das Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement kann rotationssymmetrisch, achssymmetrisch oder elliptisch oder dergleichen zur Längsachse sein. Bei einer nicht rotationssymmetrischen Form kann das Kontaktelement und/oder das zweite Kontaktelement im Sinne eines Außenantriebs genutzt werden. Das heißt, dass ein Rotationsreibschweißwerkzeug an dem Außenumfang des Kontaktelements außen anliegen kann und eine Rotation in das Kontaktelement einbringen kann. Durch diese Rotation kann eine Verschweißung des Kontaktelementes mit dem Flachteil bewirkt werden. Besonders bevorzugt weist das Kontaktelement einen Abschnitt umfassend eine polygonale Einhüllende auf, der dem Ansetzen eines Reibschweißwerkzeugs dient. Bevorzugte Formgebungen sind dabei an die Kreisform angenäherte Vielecke, beispielsweise Sechsecke, Achtecke, Zehnecke oder Zwölfecke.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das Kontaktelement und/oder dass das zweite Kontaktelement metallisch beschichtet ist. Auf dem Werkstoff des Kontaktelementes kann eine metallische Beschichtung aufgebracht werden. Dies kann in einem nasschemischen Prozess erfolgen. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall und insbesondere abhängig von dem Werkstoff des Flachleiters und/oder dem Werkstoff der an dem Kontaktelement anzubringenden elektrischen Komponente kann es sinnvoll sein, das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement mit einem oder abschnittsweise mit voneinander verschiedenen metallischen Werkstoffen zu beschichten. Insbesondere kann das erste und/oder das zweite Kontaktelement jeweils nur in Teilbereichen beschichtet sein, während andere Teilbereiche des Kontaktelementes unbeschichtet bleiben.
Es wird vorgeschlagen, dass ein Werkstoff für die Beschichtung Zinn, Gold, Nickel, Silber, Kupfer oder eine Legierung davon ist. Insbesondere hat sich galvanisches Nickel als vorteilhaft für die Beschichtung des ersten und/oder zweiten Kontaktelementes herausgestellt, insbesondere aufgrund seiner Duktilität. Als galvanisches Nickel wird bevorzugt eine Beschichtung aus Reinnickel aufgebracht. Besonders bevorzugt wird Nickelsulfamat zur galvanischen Vernickelung genutzt.
Eine mehrlagige, insbesondere zweilagige Beschichtung wird ebenfalls vorgeschlagen. Hierbei kann in einem ersten Schritt zumindest ein Kontaktelement mit einem ersten metallischen Werkstoff beschichtet werden und in einem zweiten Schritt kann das beschichtete Kontaktelement mit einem metallischen Werkstoff, der von dem ersten metallischen Werkstoff verschieden ist, beschichtet werden. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere eine Unternickelung sinnvoll ist. Hierbei wird zumindest ein Kontaktelement zunächst mit einer Nickelschicht und/oder einer Nickellegierung, insbesondere einer Nickel-Phosphor Legierung, beschichtet. Die nickelhaltige Schicht führt dazu, dass das Kontaktelement mechanisch gut geschützt ist. Auf die nickelhaltige Schicht kann eine Zinn-, Gold-, Kupfer-, Silber- oder Legierungsschicht aufgebracht werden. Eine Unternickelung und Verzinnung kann vorteilhaft sein, beispielsweise wenn das Kontaktelement anschließend mit einer elektrischen Komponente verlötet oder verschweißt wird. Auch kann eine Zinnschicht sinnvoll sein, um eine elektrisch gute Kontaktschicht zur Verfügung zu stellen und die Zinnschicht im Schweißbereich nicht entfernt werden muss. Insbesondere eine Beschichtung mit Nickel, Gold, Kupfer oder Silber, wobei Nickel, Kupfer und Silber aus Kostengründen bevorzugt werden, hat sich im Schweißbereich als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass eine Beschichtung eine maximale Stärke von 10 µm hat. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Schichtdicke und guter Kompromiss zwischen elektrischer Leitfähigkeit am elektrischen Übergang zwischen dem Kontaktelement und dem Flachleiter einerseits und mechanischer Stabilität und Schutz vor Umwelteinflüssen andererseits ist. Insbesondere weist eine einlagige Beschichtung, d. h. eine Beschichtung umfassend eine homogene Schicht eines Materials, eine Dicke von 1 µm bis 10 µm, bevorzugt von 3 µm bis 10 µm auf.
Bei einer mehrlagigen Beschichtung wird eine maximale Beschichtungsstärke von 20 µm vorgeschlagen. Eine mehrlagige Beschichtung umfasst mehrere übereinander angebrachte Schichten verschiedener Zusammensetzung. Vorzugsweise weist jede der Schichten eine maximale Dicke von 10 µm auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass das erste und/oder das zweite Kontaktelement mit einer Eindringtiefe von zumindest 0,2 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 mm und 1,5 mm mit dem Flachleiter verschweißt ist. Beim Verschweißen wird das Kontaktelement mit seiner dem Flachleiter zugewandten Seite gegen den Flachleiter gepresst. Anschließend wird die Grenzfläche von Flachleiter und Kontaktelement durch Einbringen von Schweißenergie plastifiziert. Dies kann durch Reibungsenergie, elektrische Energie oder dergleichen erfolgen. Beim Plastifizieren entsteht eine Fügezone, in die das Kontaktelement eindringen kann. Insbesondere kann der Werkstoff des Flachleiters einen geringeren Schmelzpunkt aufweisen als der Werkstoff des ersten Kontaktelements und/oder die Beschichtung des Kontaktelements, so dass zunächst der Werkstoff des Flachleiters plastifiziert. Durch einen Anpressdruck kann das Kontaktelement in den Flachleiter eindringen. Es hat sich herausgestellt, dass eine Eindringtiefe von 0,2 mm bis 2 mm sowohl mechanisch als auch elektrisch vorteilhaft ist. Ist die Eindringtiefe zu klein, so verschlechtern sich die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Verbindung. Sehr große Eindringtiefen erfordern hingegen eine sehr hohe Schweißenergie und können ferner in Kombination mit geringen Flachleiterdicken zu mechanisch unvorteilhaften Verbindungen führen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass eine dem Flachleiter abgewandte Oberfläche des Kontaktelementes, auch als erste Stirnfläche bezeichnet, im gefügten Zustand aus der Fläche des Flachleiters hervorsteht. Bevorzugt weist der Flachleiter eine Isolation auf und das erste und/oder zweite Kontaktelement steht aus der dem Flachleiter abgewandten Oberfläche der Isolation hervor. Das Kontaktelement wird bevorzugt nur mit einer derartigen Eindringtiefe mit dem Flachleiter verschweißt, dass zumindest ein Teil des Kontaktelements aus der Fläche des Flachleiters, insbesondere der breiten Oberfläche des Flachleiters, hervorsteht. Somit kann vermieden werden, dass ein mechanisches oder elektrisches Anbauteil, welches auf das betreffende Kontaktelement aufgelegt wird, in unmittelbaren Kontakt mit den Flachleiter gelangt.
Es wird vorgeschlagen, dass das Kontaktelement eine Durchgangsöffnung des Flachleiters durchgreift. Eine der ersten Stirnfläche des Kontaktelementes gegenüberliegende zweite Stirnfläche ragt dabei auf der der ersten Stirnfläche abgewandten Seite des Flachleiters aus der Fläche des Flachleiters hervor. Ein Hervorstehen der ersten und/oder zweiten Stirnfläche des Kontaktelements aus der breiten Oberfläche des Flachleiters ist bevorzugt zwischen 0,1 mm und 1 mm. Ein Mindestmaß von 0,1 mm stellt sicher, dass im Bereich der Durchgangsöffnung und des elektrischen Kontaktelements ein elektrisches und/oder mechanisches Anbauteil, welches an dem Kontaktelement anliegt, nicht in unmittelbaren Kontakt mit dem Flachleiter gerät. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Flachleiter eine Isolierung auf und die zweite Stirnfläche steht an der breiten Oberfläche des Flachleiters mindestens 0,1 mm aus der Isolierung hervor.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung einen zweiten Flachleiter mit einer Durchgangsöffnung, wobei optional im Bereich dieser Durchgangsöffnung ein zweites Kontaktelement mit Durchgangsöffnung stoffschlüssig angebunden ist. Der zweite Flachleiter kann je nach Material dieses Flachleiters auch unmittelbar, ohne Verwendung eines Kontaktelementes, mit dem Anschlussbolzen verschraubt sein, z. B. über ein im zweiten Flachleiter befindliches Innengewinde. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Durchgangsöffnung des zweiten Flachleiters bevorzugt ebenfalls ein Übermaß zum Anschlussbolzen auf, wie für das erste Kontaktelement beschrieben. Der Anschlussbolzen ist ausgehend von der Stirnseite des Bolzenschaftes des Kontaktelementes in das Kontaktelement eingesteckt, so dass der Bolzenschaft des Anschlussbolzens über den Bolzenkopf des Kontaktelementes hinausragt. Der zweite Flachleiter ist so auf dem Flachleiter angeordnet, dass die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes und die Durchgangsöffnung des zweiten Flachleiters zumindest teilweise deckungsgleich angeordnet sind und der Anschlussbolzen beide Durchgangsöffnungen durchtritt. Bevorzugt ist der Anschlussbolzen an einer dem Flachleiter abgewandten Oberfläche des zweiten Flachleiters mittels einer Mutter oder einem Halteelement gekontert. Die schaftabgewandte Stirnseite des Bolzenkopfes des Kontaktelementes ist dabei mit dem zweiten Flachleiter kontaktiert. Das Übermaß der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ermöglicht dabei einen vorteilhaften Toleranzausgleich. Insbesondere wenn die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes und die Durchgangsöffnung des zweiten Flachleiters beide ein Übermaß zum Anschlussbolzen aufweisen, kann dieser Toleranzausgleich weiter vergrößert werden. Das Übermaß der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes und das Übermaß der Durchgangsöffnung des zweiten Flachleiters können jeweils in Bezug auf den Anschlussbolzen gleich oder verschieden sein. Der zweite Flachleiter kann direkt oder auch indirekt über ein Kontaktelement mit dem Flachleiter kontaktiert sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung einen zweiten Flachleiter mit einem zweiten Kontaktelement mit Durchgangsöffnung, wobei die Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes bevorzugt ebenfalls ein Übermaß zum Anschlussbolzen aufweist. Bevorzugt sind der zweite Flachleiter und das zweite Kontaktelement ausgestaltet wie für den ersten Flachleiter und das erste Kontaktelement beschrieben, wobei zweiter Flachleiter und zweites Kontaktelement andere Ausführungsformen annehmen können als erster Flachleiter und erstes Kontaktelement. Der Anschlussbolzen ist ausgehend von der Stirnseite des Bolzenschaftes des Kontaktelementes in das Kontaktelement eingesteckt, so dass der Bolzenschaft des Anschlussbolzens über den Bolzenkopf des Kontaktelementes hinausragt. Der zweite Flachleiter ist so auf dem Flachleiter angeordnet, dass die Durchgangsöffnungen des Kontaktelementes und des zweiten Kontaktelementes zumindest teilweise deckungsgleich angeordnet sind und der Anschlussbolzen beide Durchgangsöffnungen durchtritt. Bevorzugt ist der Anschlussbolzen an einer dem Flachleiter abgewandten Oberfläche des zweiten Flachleiters mittels einer Mutter oder einem Halteelement gekontert. Die schaftabgewandten Stirnseiten des Bolzenkopfes des Kontaktelementes und des zweiten Kontaktelementes sind dabei miteinander kontaktiert. Das Übermaß der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ermöglicht dabei einen vorteilhaften Toleranzausgleich. Insbesondere wenn die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes und die Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes beide ein Übermaß zum Anschlussbolzen aufweisen, kann dieser Toleranzausgleich weiter vergrößert werden. Das Übermaß der Durchgangsöffnung des Kontaktelementes und das Übermaß der Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelementes jeweils in Bezug auf den Anschlussbolzen kann dabei gleich oder verschieden sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die schaftabgewandte Stirnseite des Bolzenkopfes des Kontaktelementes eine elektrische Kontaktfläche für einen Batterieanschluss dar.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 13 mindestens umfassend die Schritte:

Bereitstellen eines Flachleiters,
Einbringen mindestens einer Durchgangsöffnung in den Flachleiter,
Bereitstellen eines metallischen Kontaktelementes umfassend eine Durchgangsöffnung,
stoffschlüssiges Fügen des Kontaktelementes im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachleiters und
Einstecken eines Anschlussbolzens in der Durchgangsöffnung des Flachleiters,

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement zweiteilig ausgeführt und umfasst zumindest ein erstes Bauelement und ein zweites Bauelement, wobei das erste Bauelement und das zweite Bauelement in beliebiger Reihenfolge miteinander und mit dem Flachleiter stoffschlüssig gefügt werden. Bevorzugt wird unabhängig voneinander das erste Bauelement mit dem Flachleiter stoffschlüssig gefügt und das zweite Bauelement stoffschlüssig mit dem Flachleiter gefügt.
Bevorzugt wird der Flachleiter vor oder nach Bereitstellung, insbesondere vor Bereitstellung, gebogen. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Flachleiter an mindestens einem, bevorzugt mindestens zwei, insbesondere mindestens drei Längsabschnitten gebogen. Bevorzugt wird der Flachleiter an mindestens einer Stelle um jeweils mindestens 30°, bevorzugt mindestens 40°, insbesondere mindestens 90°, beispielsweise mindestens 120°, gebogen.
Das Kontaktelement wird bevorzugt mit dem Flachleiter pressverschweißt, reibverschweißt, ultraschallverschweißt, laserverschweißt oder widerstandsverschweißt, besonders bevorzugt rotationsreibverschweißt oder laserverschweißt.
Beim Reibverschweißen des Kontaktelementes wird bevorzugt ein Reibschweißwerkzeug als Außenantrieb an der Außenkontur des Kontaktelementes angelegt. Dabei eignen sich insbesondere Kontaktelemente mit polygonalen Außenkonturen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Innenantrieb eines Reibschweißwerkzeugs in der Durchgangsöffnung des ersten Kontaktelements und optional in eine Durchgangsöffnung des zweiten Kontaktelements eingeschoben. Mittels der langlochförmigen Durchgangsöffnung, kann ebenfalls besonders gut ein Drehmoment auf das Kontaktelement ausgeübt werden und so eine Verschweißung bewirkt werden.
Die Ausführungen zur erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Nachfolgend wird der Gegenstand anhand einer Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und schränken die Erfindung in keiner Weise ein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a,b: Draufsichten auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung,
Fig. 2a,b: Querschnittsansichten einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung,
Fig. 3a,b: Querschnittsansichten einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung,
Fig. 4a-i: schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der Durchgangsöffnung des Bolzenkopfes des Kontaktelementes in Draufsicht,
Fig. 5: eine schematische Explosionszeichnung einer gegenständlichen Verbindungsanordnung im Bereich des Kontaktelementes,
Fig. 6: ein Ausführungsbeispiel eines Kontaktelements im Längsschnitt und
Fig. 7: eine Verbindungsanordnung umfassend zwei Kontaktelemente.

Figuren 1a und 1b zeigen Draufsichten auf eine bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 100. Die Verbindungsanordnung 100 umfasst einen gebogenen Flachleiter 1 aus Aluminium mit einer Isolierung 20, die an den beiden endständigen Bereichen des Flachleiters 1 entfernt ist. Im abisolierten Bereich ist ein Kontaktelement 3 stoffschlüssig an den Flachleiter 1 angebunden. Das Kontaktelement 3 umfasst Kupfer und ist mittels Reibschweißen an einer der breiten Oberflächen des Flachleiters 1 an diesen angefügt. Das Kontaktelement 3 ist in einer Durchgangsöffnung 2 des Flachleiters 1 angeordnet und als Bolzen mit Durchgangsöffnung 5 ausgeführt. Figur 1a zeigt die Durchgangsöffnung 5 des Kontaktelementes 3, in die ein Anschlussbolzen 4 eingesetzt ist. Das Kontaktelement 3 ist dabei als Bolzen mit Bolzenkopf 8 und Bolzenschaft 7 ausgeführt, wobei Figur 1a eine Draufsicht auf den Bolzenkopf 8 zeigt. Der Anschlussbolzen 4 ist von der dem Bolzenkopf 8 gegenüberliegenden schaftseitigen Stirnfläche des Bolzenschaftes 7 ausgehend in das Kontaktelement 3 eingesteckt, so dass in Figur 1a lediglich die Stirnseite des Bolzenschaftes des Anschlussbolzens 4 sichtbar ist. Figur 1b zeigt eine Draufsicht auf die gegenüberliegende Hauptfläche des Flachleiters 1, an der der im Kontaktelement 3 eingesteckte Bolzenkopf des Anschlussbolzens 4 sichtbar ist. Die Stirnfläche des Bolzenschaftes 7 des Kontaktelementes 3 ist dabei nicht sichtbar, da vom Anschlussbolzen 4 verdeckt.
Der Anschlussbolzen 4 ist in der Durchgangsöffnung 5 des Kontaktelementes 3 verschiebbar angeordnet, so dass ein Verschieben entlang x-Richtung und y-Richtung und somit einen Toleranzausgleich in zwei Dimensionen ermöglicht und die Montage der Verbindungsanordnung 100 in einem Kraftfahrzeug erleichtert wird. Die Durchgangsöffnung 5 ist beispielsweise zylindrisch.
Figuren 2a und 2b zeigen Querschnittsansichten einer bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung 100 im Querschnitt. Das erste Kontaktelement 3 ist wie in Figur 2a gezeigt als Bolzen mit Durchgangsöffnung 5 ausgeführt und in einer Durchgansöffnung 2 des Flachleiters 1 angebracht, wobei in der Durchgangsöffnung 5 des Kontaktelementes 3 der Anschlussbolzen 4 eingesteckt ist. Die Durchgangsöffnung 5 des Kontaktelementes 3 weist ein Übermaß von 2,5 mm zu dem in dieser eingesetzten Anschlussbolzen 4 auf, wobei die Durchgangsöffnung 5 einen Durchmesser von 6,5 mm und der Anschlussbolzen einen Durchmesser von 4,0 mm aufweist. Der Anschlussbolzen 4 durchgreift die Durchgangsöffnung 5 und kann auf der dem Bolzenkopf des Anschlussbolzens 4 abgewandten Oberfläche des Flachleiters 1 mit einer nicht gezeigten Mutter oder einem Halteelement gekontert sein, die auf dem Bolzenkopf 8 des Kontaktelementes 3 aufliegen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf der schaftabgewandten Stirnseite des Bolzenkopfes 8 des Kontaktelementes 3 ein zweiter Flachleiter mit Kontaktelement 3 aufgelegt und über diese Stirnseite des Bolzenkopfes 8 elektrisch kontaktiert. Der Anschlussbolzen 4 durchgreift dabei bevorzugt auch eine Durchgangsöffnung des zweiten Flachleiters und ist an der dem Bolzenkopf 8 abgewandten Oberfläche des zweiten Flachleiters gekontert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Stirnseite des Bolzenkopfes des Kontaktelements eine Anschlussfläche für eine Batterie dar. Bevorzugt weist die Durchgangsöffnung 5 eine kreisförmige, sechseckige, oder achteckige Form auf. Polygonale Geometrien, wie beispielsweise achteckige oder sechseckige Formen, sind vorteilhaft um beim Verschweißen des Kontaktelementes 3 am Flachleiter 1 einen Innenantrieb des Rotationsreibschweißwerkzeugs anzuwenden.
Figuren 3a und 3b zeigen Querschnittsansichten einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Verbindungsanordnung 100 im Querschnitt. Das Kontaktelement 3 ist wie in Figur 2a gezeigt als Bolzen mit Durchgangsöffnung 5 ausgeführt und in einer Durchgansöffnung 2 des Flachleiters 1 angebracht, wobei gemäß Figur 3b in der Durchgangsöffnung 5 des Kontaktelementes 3 der Anschlussbolzen 4 eingesteckt ist. Im Unterschied zur Ausführungsform der Figuren 2a und 2b ist in den Figuren 3a und 3b das Kontaktelement 3 zweiteilig ausgeführt. Gemäß der Figuren 3a und 3b umfasst das Kontaktelement 3 ein erstes scheibenförmiges Bauelement 14 und zweites hülsenförmiges Bauelement 15, deren zueinander fluchtende Öffnungen die Durchgangsöffnung 5 bilden. Eine zweiteilige Ausführungsform des Kontaktelementes 3 ist vorteilhaft um unterschiedliche Geometrien der Durchgangsöffnung 5 im Bereich des den Bolzenkopf bildenden scheibenförmigen ersten Bauelementes 14 und des den Bolzenschaft bildenden hülsenförmige zweite Bauelementes 15 zu realisieren. Bevorzugt ist der durch das scheibenförmige erste Bauelement ausgeformte Bolzenkopf 8 des Kontaktelementes 3 wie in Figuren 4a-i beschrieben ausgestaltet, während das hülsenförmige zweite Bauelement 15 eine zylindrische Durchgangsöffnung aufweist, die bevorzugt in ihrem Durchmesser der Einhüllenden der Durchgangsöffnung des Bolzenkopfes entspricht und kongruent zur Durchgangsöffnung des Bolzenkopfes angeordnet ist.
Figuren 4a bis 4i zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des Kontaktelementes 3 in Draufsicht auf den Bolzenkopf 8. Gemäß der Figuren 4a-i sind die jeweiligen Kanten, welche die Mantelfläche 6 und die Durchgangsöffnung 5 begrenzen, gezeigt. Die Mantelfläche 6 ist als Sechseck gezeigt, kann aber auch beliebige andere Geometrien annehmen, wobei kreisförmige und polygonale an die Kreisform angenäherte Geometrien, wie Sechsecke, Achtecke oder Zehnecke, bevorzugt werden. Die Kanten 5a der Durchgangsöffnung 5 können gerade oder gebogen sein. Die Durchgangsöffnung 5 ist polygonal ausgeführt, wobei ausgehend von einer kreisförmigen Einhüllenden der Durchgangsöffnung 5 mehrere Kantenabschnitte 5a in Richtung der Flächenmitte der Durchgangsöffnung 5 versetzt sind. Dadurch wird die Kontaktfläche einer auf dem Bolzenkopf 8 aufliegenden Komponente, wie beispielsweise eines Batterieanschlusses oder eines weiteren Flachleiters mit oder ohne Kontaktelement, mit dem Kontaktelement 3 vergrößert.
Figur 5 zeigt eine schematische Explosionszeichnung einer gegenständlichen Verbindungsanordnung im Bereich des Kontaktelementes 3 und des darin eingesteckten Anschlussbolzens 4. Figur 5 zeigt ein Flachteil 1 und das als Bolzen mit Durchgangsöffnung 5 ausgestaltete Kontaktelement 3. Das Kontaktelement 3 ist vorliegend einteilig gezeigt, kann aber auch mehrteilig gemäß Figuren 3a,b ausgeformt sein. Das Flachteil 1 hat eine Durchgangsöffnung 2. Das Kontaktelement 3 ist als Bolzen umfassend einen Bolzenkopf 8 und einen Bolzenschaft 7 ausgestaltet. Der Bolzenkopf 8 weist eine dem Bolzenschaft 7 abgewandte schaftabgewandte Stirnseite 9c und eine dem Bolzenkopf 7 zugewandte schaftzugewandte Stirnseite 9b auf, während der Bolzenschaft 7 über eine Stirnseite 9a verfügt. Das Kontaktelement 3 ist mit seinem Bolzenschaft 7 durch die Durchgangsöffnung 2 gesteckt. Die schaftzugewandte Stirnseite 9b des Bolzenkopfes 8 ist auf dem Flachteil 1 stoffschlüssig gefügt. Die Länge des Bolzenschaftes 7 kann zumindest der Höhe des Flachteils 1 entsprechen. Somit kann der Bolzenschaft 7 vollständig in die Durchgangsöffnung 2 eingesteckt werden. Bevorzugt ragt der Bolzenschlaft 7 auf der dem Bolzenkopf 8 gegenüberliegenden Seite aus der breiten Oberfläche des Flachleiters 1 heraus. Das Kontaktelement 3 weist eine Durchgangsöffnung 5 auf, die sich von der schaftabgewandten Stirnseite 9c des Bolzenkopfes bis zur Stirnseite 9a des Bolzenschaftes erstreckt. Die Durchgangsöffnung 5 weist einen Durchmesser von 6,5 mm auf und wird in ihrer Längsrichtung von einem Anschlussbolzen 4 mit einem Durchmesser von 4,0 mm durchgriffen, so dass die Durchgangsöffnung 5 ein Übermaß im Vergleich zum Anschlussbolzen 4 aufweist. Der Anschlussbolzen 4 umfasst einen Bolzenkopf 10 und einen Bolzenschaft 11, wobei der Bolzenschaft 11 in der Durchgangsöffnung 5 eingeführt ist und der Bolzenkopf 10 mit seiner schaftseitigen Stirnseite an der Stirnseite 9a des Bolzenschaftes 7 des Kontaktelementes 3 anliegt.
Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Kontaktelementes 3 im Längsschnitt. Das Kontaktelement 3 ist in Form eines Bolzens mit Bolzenkopf 8 und Bolzenschaft 7 ausgeformt. Der Bolzenkopf 8 weist eine dem Bolzenschaft 7 abgewandte schaftabgewandte Stirnseite 9c und eine dem Bolzenkopf 7 zugewandte schaftzugewandte Stirnseite 9b auf, während der Bolzenschaft über eine Stirnseite 9a verfügt. Der Bolzenkopf 8 hat einen entlang der Längsachse sich verjüngenden Durchmesser. Die Stirnfläche 9b des Bolzenkopfes 8 ist kegelstumpfförmig gebildet. Die Stirnfläche 12 hat einen Neigungswinkel 12 zu einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Kontaktelementes 3 zwischen 1° und 10°, vorzugsweise 5°. Beim Verschweißen liegt die Stirnfläche 9b zunächst im Bereich der des Bolzenschaftes 7 an dem Flachteil 1 an. Während des Verschweißens dringt der Kegelstumpf der Stirnfläche 9b nach und nach in das Flachteil 1 ein. Das plastifizierte Material wird radial nach außen verdrängt. Am Übergang zwischen dem Bolzenschaft 7 und dem Bolzenkopf 8 kann ein Freistich 13 vorgesehen sein. Der Freistich 13 dient dazu, dass die Stirnfläche 9b vollflächig auf dem Flachleiter 1 aufliegen kann. Durch den Freistich 13 werden etwaiger Verunreinigungen am Übergang zwischen Bolzenschaft 7 und Bolzenkopf 8 entfernt, so dass, wenn die Stirnfläche 9b auf den Flachleiter 1 aufgelegt wird, diese unmittelbar vollflächig darauf aufliegen kann, ohne dass störendes Material an diesem Übergang vorhanden sein könnte.
Figur 7 zeigt eine Verbindungsanordnung 100 umfassend ein Kontaktelement 3 mit Durchgangsöffnung 5, das an einem distalen Ende 17a des Flachleiters 1 stoffschlüssig mit diesem verbunden ist. Ein zweites Kontaktelement 3 mit Durchgangsöffnung 5 ist in einem mittleren Bereich 17b des Flachleiters 1 angeordnet. Zwischen den beiden Kontaktelementen 3 befinden sich zwei Biegungen 16 des Flachleiters 1, so dass die Kontaktelemente 3 in verschiedenen zueinander parallelen Ebenen liegen. Die Kontaktelemente 3 sind ausgeführt wie in Figuren 1 bis 6 beschrieben, wobei die Durchgangsöffnungen 5 ein Übermaß zu einem durch diese geführten Anschlussbolzen (nicht gezeigt) aufweisen. Die Kontaktelemente 3 weisen beispielsweise einen Abstand von 150 mm zueinander auf, gemessen entlang einer Hauptfläche des Flachleiters 1. Ein weiteres distales Ende des Flachleiters 1 ist nicht gezeigt. An diesem nicht gezeigten Ende des Flachleiters ist bevorzugt ebenfalls ein Kontaktelement 3 angebracht.

Bezugszeichen

100: Verbindungsanordnung

1: Flachleiter
2: Durchgangsöffnung des Flachleiters 1
3: metallisches Kontaktelement
4: metallischer Anschlussbolzen
5: Durchgangsöffnung des metallischen Kontaktelementes
5a: umlaufende Kante der Durchgangsöffnung 5
6: Mantelfläche des Kontaktelementes
7: Bolzenschaft des Kontaktelementes 3
8: Bolzenkopf des Kontaktelementes 3
9: Stirnseiten
9a: Stirnseite des Bolzenschafts
9b: schaftzugewandte Stirnseite des Bolzenkopfes
9c: schaftabgewandte Stirnseite des Bolzenkopfes
10: Bolzenkopf des Anschlussbolzens 4
11: Bolzenschaft des Anschlussbolzens 4
12: Fase
13: Fillet, Hohlkehle
14: scheibenförmiges Bauelement des metallischen Kontaktelementes 3
15: hülsenförmiges Bauelement des metallischen Kontaktelementes 3
16: Biegungen
17a: distales Ende des Flachleiters 1
17b: mittlerer Bereich des Flachleiters 1

Claims

Verbindungsanordnung (100) mindestens umfassend:
- einen metallischen Flachleiter (1) mit einer Durchgangsöffnung (2),

- ein im Bereich der Durchgangsöffnung (2) am Flachleiter (1) stoffschlüssig angebundenes metallisches Kontaktelement (3) mit einer Durchgangsöffnung (5),

- einen die Durchgangsöffnung (5) des metallischen Kontaktelementes (3) zumindest teilweise durchgreifenden Anschlussbolzen (4),
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Durchgangsöffnung (5) des metallisches Kontaktelementes (3) ein Übermaß zum Anschlussbolzen (4) aufweist.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das die Durchgangsöffnung (5) des metallischen Kontaktelementes (3) ein Übermaß von zumindest 1,0 mm, bevorzugt mindestens 2,0 mm, insbesondere 1,5 mm bis 5,0 mm, aufweist.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das metallische Kontaktelement (3) als Bolzen umfassend einen Bolzenkopf (8) und einen Bolzenschaft (7) ausgeformt ist und der Bolzenschaft (7) in die Durchgangsöffnung (2) des Flachleiters (1) eingreift.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Übermaß der Durchgangsöffnung (5) des Kontaktelementes (3) im Bereich des Bolzenkopfes (7) umlaufend entlang des Umfangs des Anschlussbolzens (4) variabel ist, bevorzugt dass die umlaufende Kante (5a) der Durchgangsöffnung (5) in mindestens einem Abschnitt ausgehend von der Einhüllenden der umlaufenden Kante (5a) in Richtung der Flächenmitte der Durchgangsöffnung (5) versetzt ist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Übermaß entlang der Durchgangsöffnung (5) variabel ist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das metallische Kontaktelement (3) an einem distalen Ende des Flachleiters (1) angeordnet ist und die Verbindungsanordnung (100) ein zweites Kontaktelement (3) umfasst, das in einem mittleren Abschnitt des Flachleiters (1) angeordnet ist.
Verbindungsanordnung (100) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Kontaktelement (3) und das zweite Kontaktelement (3) in zueinander verschiedenen Ebenen des Flachleiters (1) liegen und bevorzugt einen Abstand von maximal 400 mm aufweisen.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Flachleiter (1) mindestens eine Biegung, bevorzugt mindestens zwei Biegungen aufweist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Flachleiter (1) Aluminium oder Kupfer umfasst.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das metallische Kontaktelement (3) und/oder der Anschlussbolzen (4) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist oder aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist oder aus Eisen oder einer Eisenlegierung, insbesondere Stahl gebildet ist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Kontaktelement (3) mit dem Flachleiter (1) verschweißt, bevorzugt pressverschweißt, reibverschweißt, ultraschallverschweißt, laserverschweißt oder widerstandsverschweißt ist.
Verbindungsanordnung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Kontaktelement (3) metallisch beschichtet ist, bevorzugt mit Zinn, Gold, Nickel, Silber, Kupfer oder einer Legierung davon beschichtet ist, insbesondere mit einer Nickel-Phosphor Legierung beschichtet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem
- ein Flachleiter bereitgestellt wird,

- zumindest eine Durchgangsöffnung in dem Flachleiter eingebracht wird,

- ein metallisches Kontaktelement umfassend eine Durchgangsöffnung bereitgestellt wird,

- das erste Kontaktelement stoffschlüssig im Bereich der Durchgangsöffnung des Flachleiters gefügt wird und

- ein Anschlussbolzen durch die Durchgangsöffnung des ersten Kontaktelementes geführt wird,
wobei die Durchgangsöffnung des Kontaktelementes ein Übermaß zum Anschlussbolzen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13,
wobei der Flachleiter vor oder nach Bereitstellung nach Bereitstellung gebogen wird, bevorzugt an mindestens einer Stelle um mindestens 90° gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
wobei das Kontaktelement mit dem Flachleiter pressverschweißt, reibverschweißt, ultraschallverschweißt, laserverschweißt oder widerstandsverschweißt, bevorzugt rotationsreibverschweißt oder laserverschweißt wird.