Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung und deren Verwendung. Die Dichtungsanordnung umfasst eine Stromsammelschiene mit zumindest einem elektrischen Leiter und ein Zwei-Komponenten-Bauteil, das ein Trägerteil aus einem zähharten Werkstoff und einen Dichtkörper aus einem gummielastischen Dichtungswerkstoff umfasst, der mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Dichtkörper den elektrischen Leiter ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend umschließt, wobei der Tragkörper, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist, mit einem Axialflansch und einem Radialflansch, wobei sich der Axialflansch parallel zum elektrischen Leiter erstreckt und diesen mit radialem Abstand umschließt, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt zumindest eine Innendichtlippe des Dichtkörpers angeordnet ist, die den Außenumfang des elektrischen Leiters ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend umschließt.
Stand der Technik
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In immer mehr Elektrofahrzeugen werden ölgekühlte Elektromotoren verwendet. Diese ölgekühlten Elektromotoren stellen erhöhte Anforderungen bezüglich ihrer Abdichtung, insbesondere zur Leistungselektronik weiterer elektrischer Bauteile, beispielsweise zur Leistungselektronik eines Inverters.
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Außerdem gelangen in Elektrofahrzeugen Stromsammelschienen, sogenannte Busbars, zur Anwendung, die elektrische Leiter aus Kupfer- oder Aluminiumblechen umfassen, die ausgestanzt und anschließend in die gewünschte Dimension gebogen werden. Diese Kupfer- oder Aluminiumbleche haben herstellungsbedingt einen rechteckigen Leiterquerschnitt, der für eine Standardabdichtung wenig zufriedenstellend ist, weil die Ecken der ausgestanzten Bleche keine robuste Kompression des Dichtungswerkstoffs von Standarddichtungen zulassen.
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Aus diesem Grund ist ebenfalls Stand der Technik, dass die rechteckigen Leiter von einem thermo- oder duroplastischen Werkstoff mediumsdicht umspritzt sind. Bedarfsweise werden die Leiter mit einem Klebstoff zusätzlich verklebt. Ein dauerhaftes gutes Abdichtungsergebnis wird dadurch in der Regel jedoch nicht erzielt. Das Abdichtungsergebnis ist nur initial zufriedenstellend und zeigt bereits nach kurzer Gebrauchsdauer, insbesondere dann, wenn die Dichtstellen Temperaturwechseln ausgesetzt sind, häufig Undichtigkeiten. Grund dafür sind unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der elektrischen Leiter und der Dichtungswerkstoffe, die den Leiter umschließen. Diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Materialien führen zu erhöhten mechanischen Spannungen an den Grenzschichten und damit zu den zuvor beschriebenen Undichtigkeiten.
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Außerdem ist von Nachteil, dass die elektrischen Leiter und die diese umschließenden Dichtungen nicht zerstörungsfrei voneinander lösbar sind. In einem Reparaturfall muss die Einheit, bestehend aus den elektrischen Leitern und den Dichtungen, als Ganzes ausgetauscht werden, was hinsichtlich eines guten Umweltschutzes, hinsichtlich eines verantwortungsvollen Umgangs mit Ressourcen und in wirtschaftlicher Hinsicht wenig zufriedenstellend ist.
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Die Dichtungsanordnung umfasst eine Stromsammelschiene mit zumindest einem elektrischen Leiter und ein Zwei-Komponenten-Bauteil, das ein Trägerteil aus einem zähharten Werkstoff und einen Dichtkörper aus einem gummielastischen Dichtungswerkstoff umfasst, der mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden ist. Der Dichtkörper umschließt den elektrischen Leiter ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend. Das Problem der Abdichtung elektrischer Leiter mit rechteckigem Leiterquerschnitt wurde erkannt. Die vorbekannte Dichtungsanordnung versucht das genannte Problem der Abdichtung durch eine gute Entlastung des Dichtkörpers zu lösen. Entscheidend ist demnach eine Funktionstrennung hinsichtlich der Aufnahme von Kräften und der eigentlichen Abdichtwirkung der Mehr-Komponenten-Dichtung.
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Die Mehr-Komponenten-Dichtung kann ein Spritzgussteil und aus verschiedenen Kunststoffen hergestellt sein oder einstückig bzw. einteilig, so dass in einem solchen Fall ein Montageaufwand für das Montieren bzw. Zusammensetzen der Mehr-Komponenten-Dichtung entfällt.
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Verwendet wird die Dichtungsanordnung zur Abdichtung einer Stromschiene für ein Boardnetz eines Kraftfahrzeugs gegenüber einem Gehäuse.
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Eine Stromschiene und eine Anordnung, die eine solche Stromschiene umfasst, sind aus der
US 2022278518 A1 bekannt.
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Zur Abdichtung eines elektrischen Leiters ist dieser mit einem Tragkörper verbunden, wobei der Tragkörper eine Dichtung aus einem gummielastischen Werkstoff umfasst, die den Leiter außenumfangsseitig mit einem ringförmigen Dichtbereich dichtend umschließt. Die vorbekannte Stromschiene gelangt im Bereich e-Mobility und insbesondere auch im Bereich der Abdichtung flüssiger Medien zur Anwendung und soll gute Gebrauchseigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer auch dann aufweisen, wenn die Stromschiene Temperaturwechseln ausgesetzt ist.
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Der Tragkörper und der elektrische Leiter berühren einander nicht unmittelbar. Zwischen dem Tragkörper und dem Leiter ist die Dichtung mit dauerelastischen Eigenschaften angeordnet. Unterschiedliche Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von Tragkörper und Leiter werden durch die Dichtung stets funktional ausgeglichen. Die Gefahr einer Leckage im Übergangsbereich zwischen dem Tragkörper und dem Leiter besteht durch deren nur mittelbare Verbindung, nämlich die Verbindung mittels der Dichtung aus gummielastischem Werkstoff, nicht.
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Eine Möglichkeit, den Tragkörper und die Dichtung miteinander zu verbinden besteht darin, dass diese kraft- und/ oder formschlüssig verbunden sind.
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Eine weitere Dichtungsanordnung ist aus der
WO 2022/033776 A1 bekannt. Die Dichtungsanordnung umfasst eine Dichtung für ein elektrisches Kabel und kann in Automobilen zur Anwendung gelangen. Die Dichtung ist als Tülle mit einem Durchgangskanal gestaltet, wobei die Tülle zur Abdichtung des elektrischen Kabels nach innen weisende Dichtlippen umfasst.
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Die Tülle schmiegt sich nicht nur an elektrische Leiter mit rechteckigem Leiterquerschnitt an, sondern auch an elektrische Leiter, die einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile vermieden werden.
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Insbesondere soll die Dichtungsanordnung gleichbleibend gute Gebrauchseigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer aufweisen. Außerdem sollen die Dichtlippen jeweils funktionstechnisch individualisiert werden können, wobei deren Werkstoffeigenschaften gut an ihre jeweilige Funktion angepasst werden sollen.
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Elektrische Leiter und Dichtungen sollen bedarfsweise getrennt voneinander austauschbar und sortenrein recyclebar sein.
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Außerdem soll eine Verwendung der Dichtungsanordnung aufgezeigt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 9 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Dichtungsanordnung nehmen die auf Anspruch 1 direkt oder indirekt rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist eine Dichtungsanordnung vorgesehen, umfassend eine Stromsammelschiene mit zumindest einem elektrischen Leiter und ein Zwei-Komponenten-Bauteil, das ein Trägerteil aus einem zähharten Werkstoff und einen Dichtkörper aus einem gummielastischen Dichtungswerkstoff umfasst, der mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden ist, wobei der Dichtkörper den elektrischen Leiter ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend umschließt, wobei der Tragkörper, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist, mit einem Axialflansch und einem Radialflansch, wobei sich der Axialflansch parallel zum elektrischen Leiter erstreckt und diesen mit radialem Abstand umschließt, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt zumindest eine Innendichtlippe des Dichtkörpers angeordnet ist, die den Außenumfang des elektrischen Leiters ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend umschließt, wobei die Innendichtlippe und die Außendichtlippe jeweils separat voneinander erzeugt und einander nicht-berührend zugeordnet sind und wobei zumindest die Innendichtlippe aus einem elektrisch isolierenden Dichtungswerkstoff besteht. Der Dichtkörper des Zwei-Komponenten-Bauteils kann aus einem üblichen gummielastischen Dichtungswerkstoff bestehen. Gummielastische Dichtungswerkstoffe sind in vielen Spezifikationen kostengünstig verfügbar, so dass die Dichtungsanordnung insgesamt einfach und kostengünstig herstellbar ist. Der Dichtkörper umschließt den elektrischen Leiter ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend. Bedarfsweise können Dichtkörper und elektrischer Leiter deshalb getrennt voneinander ausgewechselt werden. Insbesondere die praktisch beliebig lange Wiederverwendbarkeit des elektrischen Leiters, der aus einem teuren Werkstoffen besteht und während seiner Gebrauchsdauer praktisch keinem Verschleiß unterliegt, ist von hervorzuhebendem Vorteil.
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Der Tragkörper ist, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen L-förmig ausgebildet, mit einem Axialflansch und einem Radialflansch, wobei sich der Axialflansch parallel zum elektrischen Leiter erstreckt und diesen mit radialem Abstand umschließt, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt zumindest eine Innendichtlippe des Dichtkörpers angeordnet ist, die den Außenumfang des elektrischen Leiters ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend umschließt.
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Bevorzugt können zwei in einer funktionstechnischen Reihenschaltung angeordnete Innendichtlippen zur Anwendung gelangen, um die Dichtsicherheit weiter zu erhöhen.
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Die Innendichtlippe und die Außendichtlippe sind jeweils separat voneinander erzeugt und einander nicht-berührend zugeordnet sind. Hierbei ist von Vorteil, dass die Innendichtlippe und die Außendichtlippe jeweils funktionstechnisch individualisiert sein können. Die Werkstoffeigenschaften der Dichtlippen können gut an ihre jeweilige Funktion angepasst werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der Tragkörper aus einem zähharten Kunststoff besteht, der bevorzugt elektrisch isolierend ist. Hierbei ist von Vorteil, dass das Zwei-Komponenten-Bauteil einfach und kostengünstig herstellbar ist und nur ein geringes Gewicht aufweist. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften des Trägerteils haben den Vorteil, dass es einer separat herzustellenden und zu montierenden elektrischen Isolation gegenüber einem Gehäuse, an dem das Zwei-Komponenten-Bauteil üblicherweise festgelegt ist, nicht bedarf.
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Auf der der Innendichtlippe radial abgewandten Seite des Axialflanschs kann zumindest eine Außendichtlippe angeordnet sein. Diese Außendichtlippe dichtet gegenüber einem Gehäuse ab, an dem das Zwei-Komponenten-Bauteil festgelegt ist.
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Die Innendichtlippe und die Außendichtlippe bestehen bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden Dichtungswerkstoff. Insbesondere dann, wenn auch das Trägerteil aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, sind die elektrischen Leiter der Stromsammelschiene und ein Gehäuse, an dem das Zwei-Komponenten-Bauteil festgelegt ist, wirkungsvoll elektrisch voneinander isoliert.
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Zumindest die Innendichtlippe kann aus einem elektrisch isolierenden Dichtungswerkstoff bestehen. Wird der elektrische Leiter von der Innendichtlippe abgedichtet und durch die Innendichtlippe wird die Berührung des Trägerteils verhindert, ist es nicht zwingend erforderlich, dass auch die Außendichtlippe aus einem elektrisch isolierenden Dichtungswerkstoff bestehen muss. Auch können dann Dichtungswerkstoffe zur Anwendung gelangen, die keinen besonders hohen elektrischen Widerstand aufweisen, dafür jedoch eine besonders dauerhaltbare und zuverlässige Abdichtung ermöglichen, zum Beispiel weil sie besonders ölbeständig sind.
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Eine zusätzliche Abdichtung des Zwei-Komponenten-Bauteils gegenüber einem Gehäuse an dem es festgelegt ist, kann dadurch erreicht werden, dass der Radialflansch zumindest eine Axialdichtlippe aufweist, die sich axial in Richtung der Außendichtlippe und im Wesentlichen entlang des Außenumfangs des Trägerteils erstreckt. In einem solchen Fall erfolgt die Abdichtung des Zwei-Komponenten-Bauteils durch das Zusammenwirken der Axialdichtlippe und der Außendichtlippe. Axialdichtlippe und Außendichtlippe dichten eine Öffnung eines Gehäuses, in der das Zwei-Komponenten-Bauteil angeordnet ist, gegenüber der Umgebung ab.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der elektrische Leiter einen runden oder ovalen Querschnitt aufweist. Hierbei ist von Vorteil, dass er, im Gegensatz zu einem elektrischen Leiter aus ausgestanztem Blech, keine Ecken oder prozessbedingte Stanzgrate aufweist und dadurch eine robuste Kompression des Dichtungswerkstoffs möglich ist. Der runde oder ovale Querschnitt des elektrischen Leiters beschädigt die Innendichtlippe auch bei größeren elastischen Vorspannungen nicht.
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Das Trägerteil kann zumindest eine Befestigungsbohrung aufweisen, in der ein Kraftbegrenzungselement angeordnet ist. Das Trägerteil kann zum Beispiel an ein Gehäuse angeschraubt werden. Dazu durchdringt eine Schraube zunächst die Befestigungsbohrung und wird in das Gehäuse eingeschraubt. Um eine Beschädigung des Trägerteils beim Anschrauben an das Gehäuse durch ein zu hohes Anzugs-Drehmoment der Schraube zu verhindern, sind die Kraftbegrenzungselemente, die zum Beispiel durch Kraftbegrenzungsringe gebildet sein können, vorgesehen. Eine unerwünscht hohe Kraft, die ohne die Kraftbegrenzungselemente zu einer Zerstörung des Trägerteils führen könnte, wird dadurch verhindert.
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Außerdem kann die Dichtungsanordnung ein flüssigkeitsgekühltes Elektrobauteil mit einem Gehäuse umfassen, wobei das Gehäuse eine Einbauöffnung aufweist, in der das Zwei-Komponenten-Bauteil dichtend angeordnet ist.
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Das Elektrobauteil kann durch einen Elektromotor gebildet sein.
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Wie eingangs bereits beschrieben, ist es insbesondere bei ölgekühlten Elektromotoren in E-Fahrzeugen notwendig, empfindliche Leistungselektronik, zum Beispiel die Leistungselektronik eines Inverters, sicher abzudichten.
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Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer Dichtungsanordnung, wie zuvor beschrieben, zur Abdichtung einer Stromsammelschiene eines flüssigkeitsgekühlten Elektrobauteils.
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Die zuvor beschriebene Dichtungsanordnung ist einfach und kostengünstig herstellbar. In einem möglichen Reparaturfall kann durch die ungehaftete Zuordnung von elektrischen Leiter und Innendichtung der elektrische Leiter stets wiederverwendet werden. Dazu wird der elektrische Leiter aus der Innendichtung einfach herausgezogen, das bisherige Trägerteil mit dem bisherigen Dichtkörper, also das Zwei-Komponenten-Bauteil, gegen eine entsprechende neue vormontierte Einheit ausgetauscht und der elektrische Leiter wird wieder in dem Dichtkörper montiert.
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Die Dichtungsanordnung weist außerdem einen teilearmen Aufbau auf. Die Montage ist prozesssicher durchführbar, weil eine Montage von separat hergestellten Dichtringen nicht erforderlich ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.
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Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- Figur 1
- einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel einer Dichtungsanordnung in einer perspektivischen Ansicht,
- Figur 2
- einen Schnitt durch die Dichtungsanordnung aus Figur 1.
Ausführung der Erfindung
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In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gezeigt.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Stromsammelschiene 1 drei elektrische Leiter 2.1, 2.2, 2.3 die jeweils einen runden Querschnitt aufweisen. Die elektrischen Leiter 2.1, 2.2, 2.3 sind von dem Zwei-Komponenten-Bauteil 3 umschlossen, das das Trägerteil 4 und den Dichtkörper 5 umfasst. Das Trägerteil 4 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem zähharten und elektrisch isolierenden Kunststoff, der Dichtkörper 5 aus einem gummielastischen Dichtungswerkstoff. Das Trägerteil 4 und der Dichtkörper 5 bilden eine vormontierte Einheit und sind stoffschlüssig miteinander verbunden. Das schematisch angedeutete flüssigkeitsgekühlte Elektrobauteil 14 ist durch einen ölgekühlten Elektromotor für ein E-Fahrzeug gebildet und umfasst das Gehäuse 15, das eine Einbauöffnung 16 für das Zwei-Komponenten-Bauteil 3 aufweist. Das Zwei-Komponenten-Bauteil 3 ist dichtend in der Einbauöffnung 16 des Gehäuses 15 angeordnet. Das Zwei-Komponenten-Bauteil 3 ist mit dem Gehäuse 15 verschraubt. Im Trägerteil 4 sind die beiden Befestigungsbohrungen 12.1, 12.2 angeordnet, in denen jeweils ein ringförmiges Kraftbegrenzungselement 13.1, 13.2 angeordnet ist, das zum Beispiel aus einem metallischen Werkstoff besteht. Der vergleichsweise empfindlichere Werkstoff des Trägerteils 4 wird dadurch vor zu hohen Anzugs-Drehmomenten geschützt, die das Trägerteil 4 während seiner Montage am Gehäuse 15 zerstören könnten.
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In Figur 2 ist die Dichtungsanordnung aus Figur 1 im Schnitt gezeigt. Hier ist zu erkennen, dass der Tragkörper 4, im Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen L-förmig ausgebildet ist und einen Axialflansch 6 und einen Radialflansch 7 aufweist. Der Axialflansch 6 erstreckt sich parallel zu den elektrischen Leitern 2.1, 2.2, 2.3, der Radialflansch 7 senkrecht dazu. Der Axialflansch 6 ist im Wesentlichen vollständig vom Dichtungswerkstoff des Dichtkörpers 5 umschlossen, innenseitig von den Innendichtlippen 9.1, 9.2 und außenseitig von der Außendichtlippe 10.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel gehen die Innendichtlippen 9.1, 9.2 und die Außendichtlippe 10 einstückig ineinander über und bestehen aus demselben, elektrisch isolierenden Dichtungswerkstoff. Für die meisten Anwendungsfälle ist eine derartig einstückig ineinander übergehende und materialeinheitliche Ausbildung gut geeignet und einfach und kostengünstig herstellbar.
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Die Axialdichtlippe 11, die ebenfalls einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich mit der Außendichtlippe 10 und mit den Innendichtlippen 9.1, 9.2 ausgebildet ist, ist am Radialflansch 7 des Trägerteils 4 angeordnet und ist wulstförmig axial in Richtung der Außendichtlippe 10 vorgewölbt. Die Axialdichtlippe 11 dichtet die Stirnseite des Gehäuses 15 ab, die Außendichtlippe 10 demgegenüber die umfangsseitige Begrenzung der Einbauöffnung 16.
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Der Dichtkörper 5 umschließt die elektrischen Leiter 2.1, 2.2, 2.3 jeweils ungehaftet und unter elastischer Vorspannung dichtend. Bedarfsweise können die elektrischen Leiter 2.1, 2.2, 2.3 deshalb einfach und zerstörungsfrei aus dem Dichtkörper 5 gelöst werden.