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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Verbindungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des ersten Anspruchs.
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Es
ist bei Fahrzeugen und insbesondere bei Personenfahrzeugen ganz
allgemein bekannt, darin eine elektrische Stromquelle zur Versorgung
von Verbrauchern mit elektrischer Energie vorzusehen. Zur elektrischen
Verbindung von zwei Geräten
kommen dabei in der Regel Kabel und Schraubverbindungen zum Einsatz,
wenn hohe elektrische Ströme
von mehreren hundert Ampere auftreten. Derartige Maßnahmen
an lösbaren
elektrischen Verbindungen dürfen
nach den einschlägigen
Vorschriften nur von Fachpersonal durchgeführt werden. Dazu muß Spezialwerkzeug
notwendig sein und es darf kein Eingriff in das jeweilige Gerät erforderlich
sein. Das Lösen und
Wiederherstellen solcher Schraubverbindungen ist demnach aufwendig.
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Die
DE 19 87 766 U offenbart
eine Verbindungsvorrichtung mit einer Kontaktbuchse und einem Kontaktstecker,
die jeweils an einem Trägerelement
befestigt sind und über
einen flexiblen Leiter elektrisch mit zwei relativ zueinander bewegbaren Geräten verbunden
werden können.
Um eine ausreichende Winkelbewegbarkeit sowie eine axiale Ausrichtung
der Kontaktbuchse und des Kontaktsteckers zu gewährleisten, ist je eine Kegelfeder
vorgesehen, die sich mit ihrem einen Ende am Grund einer in den Trägerelementen
ausgebildeten Ausnehmung und mit ihrem anderen Ende an einem an
der Kontaktbuchse bzw. dem Kontaktstecker festgelegten, scheibenförmigen Halteelement
abstützt.
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Die
DE 196 34 434 A1 beschreibt
eine Steckverbindung mit einem in einem Steckverbindungsgehäuse gleitend
beweglichen Kontaktelement. Ein Verbindungskabel erstreckt sich
radial zu dem Kontaktelement und wird mittels eines LA-Anschlusses an
einem Verbindungsanschluss befestigt, der elektrisch leitend mit
dem Kontaktelement verbunden ist.
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Die
DE 692 17 582 T2 betrifft
einen elektrischen Verbinder mit einem in einem Gehäuse angeordneten
elektrischen Kontaktelement. Das Kontaktelement weist einen mittleren,
federnd nachgiebigen Federbereich auf, der S-förmig ausgebildet ist, um eine
Bewegung zwischen den mittleren Federbereich umgebenden Randbereichen
des Kontaktelements zu ermöglichen.
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Die
EP 0 159 116 A2 offenbart
einen elektrischen Verbinder der ein elektrisch mit einem Leiterkabel
verbundenes Verbindungselement aufweist, das sich durch eine in
einem Verbindergehäuse
ausgebildete Öffnung
erstreckt. Eine Druckfeder stützt sich
mit ihrem einen Ende an einem die Öffnung umgebenden Randbereich
und mit ihrem anderen Ende an einem an dem Verbindungselement ausgebildeten
Flansch ab.
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Die
DE 198 39 423 A1 beschreibt
einen flexiblen Hochstromverbinder mit einem flexiblen Teil, der
zwei oder drei Leiterstreifen umfasst, wobei jeder Leiterstreifen
aus einer Vielzahl von aufeinanderliegenden Blechen gebildet ist.
Die Leiterstreifen sind an jedem Ende mit plattenförmigen Anschlussflächen verschweißt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsvorrichtung bereitzustellen,
die ohne Werkzeuge gelöst
und zusammengefügt
werden kann und dabei mechanische Toleranzen ausgleichen und Vibrationen
zwischen den zu verbindenden Geräten
besonders zuverlässig
abfangen und dämpfen
kann.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung
durch die Merkmale des ersten Anspruchs. Weitere vorteilhafte Maßnahmen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Bei
einem Aufbau einer Verbindungsvorrichtung gemäß der Erfindung wird besonders
im Sevicefall nicht nur der Austausch bzw. das Trennen und Verbinden
eines lösbar
im Fahrzeug angebrachten Gerätes
wesentlich vereinfacht, sondern dabei auch sichergestellt, daß die zur
Anwendung gelangte Steckvorrichtung z.B. von im Betrieb des Fahrzeugs auftretenden
Vibrationen oder auch thermischen Lageveränderungen zumindest weitgehend
entkoppelt wird und somit praktisch keiner Reib- und Kontaktkorrosion
unterliegt. Dabei kann die jeweilige Steckverbindung auch hohe Anforderungen
hinsichtlich der vorgeschriebenen Schutzart besonders in Bezug auf elektrische
und mechanische Sicherheit sowie staub- und feuchtigkeitsdichten
Abschluß erfüllen.
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Zur
Entkopplung trägt
auch bei, dass der Hochstromleiter wegen seiner nicht zu vermeidenden mechanischen
Steifigkeit zunächst
radial vom schwimmend angeordneten Stiftkontakt weggeführt und
anschließend
in Achsrichtung des Stiftkontakts weitergeführt wird. Durch die Abwinkelung
wird ein Biegegelenk geschaffen, durch das bei Vibrationen oder
dergleichen auftretende Kräfte
in Verformungsenergie umgewandelt und damit jedenfalls teilweise vernichtet
bzw aufgefangen werden. Sie wirken dann nicht in voller Größe auf die
Steckverbindung ein. Für die
schwimmende Halterung des Stiftkontakt gegenüber dem zugeordneten Gerät weist
der Stiftkontakt an seinem der Steckerbuchse abgewandten Ende vorzugsweise
einen axial gerichteten Führungsbolzen
auf, der eine Führungsbohrung
in der Kontaktführung
mit radialem Spiel durchgreift. Dadurch kann der Stiftkontakt eine
taumelnde Pendelbewegung an seinem freien, der Steckerbuchse zugewandten Ende
ausführen,
so daß beim
Zusammenführen
der Steckverbinderteile auftretende axiale Fluchtfehler zwischen
dem Stiftkontakt und der zugehörigen
Steckerbuchse selbsttätig
ausgeglichen werden können. Zudem
kann der Führungsbolzen
die Führungsbohrung
auch axial begrenzt frei verschiebbar durchsetzen, wobei das freie
axiale Spiel größer als
die zwischen den Geräten
aufzufangenden Toleranzen und Vibrationsschwingungsamplituden ist.
Eine Relativbewegung zwischen den beiden zu verbindenden Geräten wird
somit in diesem Spielraum aufgefangen, ohne auf die Kontakte der
Steckverbindung einzuwirken. Der Stiftkontakt bzw. sein Führungsbolzen ist
an seinem freien Ende mit dem Hochstomleiter fest verbunden.
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Zur
mechanischen Axialführung
des Stiftkontakts kann noch an seinem der Steckerbuchse abgewandten
Ende ein vorzugsweise umlaufender Führungsbund vorgesehen werden,
der mir begrenztem radialen Spiel in eine im Durchmesser angepasste Vertiefung
der Kontaktführung
eintaucht und damit in Verbindung mit der Führungsbohrung zwar die geforderte
Pendelbewegung ermöglicht,
gegen darüber hinausgehende
Schrägstellungen
jedoch eine kippsichere Zweipunktabstützung des Stiftkontakts bildet.
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Damit
der Hochstomleiter bei möglichst
geringem Abstand zwischen dem Stiftkontakt und dem zugehörigen Gerät eine niedrige
Biegesteifigkeit bzw. größere Freiheitsgrade
erhält,
ist er insbesondere zwei- oder mehrfach abgewinkelt. Auch ist es
zweckmäßig, zwischen
das der Steckerbuchse abgewandte Ende des Stiftkontakts und die
Kontaktführung
ein vorzugsweise konzentrisch zum Führungsbolzen angeordnetes Druckfederelement
zu setzen, so daß der Stiftkontakt
stets axial ausgerichtet wird und sicher positioniert der Steckerbuchse
beim Verbindungsvorgang gegenübersteht.
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Für eine Hochstromverbindung
zur Übertragung
von mehreren hundert Ampere eignet sich besonders ein Hochstomleiter
aus geschichteten Blechlamellen, die eine lamellierte Schiene bilden. Das
Blechlamellenpaket ist dabei zumindest an seinen Enden durch Anwendung
thermischer Energie oder durch Druck verschweißt und bildet dort Anschlußstücke für eine stromleitende
Verbindung mit dem Stiftkontakt bzw. dem zugeodneten Gerät. Ist der
Hochstomleiter mehrfach abgewinkelt, dann sind die Lamellen bevorzugt
auch noch zwischen den Abwinkelungen begrenzt flächenartig verschweißt, um Geräuschbildung
durch Abstoßungskräfte bei
Stomduchfluß zu
vermeiden. Kommt ein Kabelschuh zur Verbindung des Hochstomleiter
mit dem Stiftkontakt zur Anwendung, dann ist der Kabelschuh zweckmäßigerweise
abgewinkelt, so daß die
den Hochstomleiter bildende Litze parallel zum Stiftkontakt läuft. Schließlich ist
die Gesamtsteifigkeit der Anordnung aus Stiftkontakt, Federelement,
Kontaktführung
und Hochstomleiter in der Weise bemessen, daß die zwischen Steckerbuchse
und Stiftkontakt in Kuppelrichtung wirksame Kontaktreibkraft ggf.
unter Berücksichtigung
der von dem Federelement erzeugten Kraft größer als die in gleicher Richtung
in Folge der Biegesteifigkeit des Hochstromleiters sich ergebende Kraft
bei Relativbewegungen zwischen den Geräten ist.
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Die
Erfindung ist in den beiliegenden Prinzipskizzen eines Ausführungsbeispiels
dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht von zwei mittels einer Verbindungsvorrichtung elektrisch
gekoppelten Geräten,
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2 einen
axial verstellbar gehaltenen Stiftkontakt der Verbindungsvorrichtung
mit einem Kabelschuh und
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3 einen
axial verstellbar gehaltenen Stiftkontakt der Verbindungsvorrichtung
mit einem mehrfach abgewinkelten Hochstromleiter
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Ein
nicht näher
dargestelltes Fahrzeug, insbesondere ein Personen-Kraftfahrzeug
oder auch ein Schienenfahrzeug trägt auf einem Bodenabschnitt 1 als
ein erstes Gerät 2 eine
Leistungsverteileinheit, mittels welcher die Verteilung von elektrischer
Energie an Verbraucher im Fahrzeug erfolgt bzw. gesteuert wird.
Das Gerät 2 kann
aber auch ein Stromabnehmer, ein Verbraucher oder eine sonstige
elektrische Einrichtung sein. Das Gerät 2 besitzt einen Hochstromanschluß 3,
der über
einen Hochstromleiter 4 mit dem freien Ende 5 eines
Führungsbolzens 6 z.B.
mittels Flachmuttern 16 elektrisch und mechanisch fest
verbunden ist. Der Führungsbolzen 6 ist Teil
eines Stiftkontakts 7 und durchgreift eine Führungsbohrung
im Boden 8 einer topfförmig
gestalteten Kontaktführung 9.
Die Kontaktführung 9 ist
mechanisch fest mit dem Gerät 2 bzw.
mit dessen Gehäuse
verbunden und elektrisch gegenüber
dem Stiftkontakt 7 oder dem Gerät 2 isoliert. Der
Stiftkontakt 7 steckt reibschlüssig in einer Steckerbuchse 10, welche
an einem zweiten Gerät 11,
vorzugsweise einer Brennstoffzelle festsitzt. Die Brennstoffzelle 11 ist ortsveränderlich
und insbesondere in Achsrichtung des Stiftkontakts 7 auf
dem Bodenabschnitt 1 verschiebbar und arretierbar geführt, um
sie z.B im. Sevicefall handhaben zu können.
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Da
bei einem Fahrzeug bauliche Maßtoleranzen
und im Betrieb auch Strukturschwingungen, Vibrationen und auch thermische
Maßtoleranzen
auftreten, ist zur Vermeidung von daraus resultierenden Bewegungen
zwischen der Steckerbuchse 10 und dem Stiftkontakt 7 der
Stiftkontakt 7 mittels seines Führungsbolzens 6 axial
verschiebbar in der Kontaktführung 9 geführt und
der Hochstomleiter 4 flexibel ausgebildet. Es ist also
immer bei zusammengefügten
Geräten 2 und 11 ein
kleiner Spalt 17 zwischen dem Boden 8 und der
benachbarten Flachmutter 16 vorhanden, der z.B. noch betriebsbedingte
Vibrationsschwingungen zuläßt, ohne
daß der
Stiftkontakt 7 bewegt wird. Wenn bei diesem Aufbau Relativbewegungen
zwischen den beiden Geräten 2 und 11 auftreten,
bleibt der reibschlüssige
Sitz des Stiftkontakt 7 in der Steckerbuchse 10 demnach
davon unberührt,
weil die dabei auftretenden Wege vom flexiblen Hochstromleiter 4 durch
entsprechende Verformung oder Biegung aufgenommen werden. Zudem üben auch
Bewegungen des Gehäuses
des zugehörigen Gerätes 2 wegen
der Entkopplung des Stiftkontakts 7 infolge seiner axialen
Bewegungsfreiheit gegenüber diesem
Gehäuse 2 keine
relevante Krafteinwirkung auf die Steckverbindung 7 und 10 aus.
Dabei gilt, daß die
zwischen Steckerbuchse 10 und Stiftkontakt 7 in Kuppelrichtung
wirksame, axiale Kontaktreibkraft ggf. unter Berücksichtigung der von dem noch
zu erläuternden
Federelement 12 erzeugten Kraft größer als die in gleicher Richtung
in Folge der Biegesteifigkeit des Hochstromleiters 4 sich
ergebende Kraft bei Relativbewegungen zwischen den Geräten 2 und 11 ist.
Zum Ausgleich von axialen Fluchtfehlern ist der Stiftkontakt auch
pendelbeweglich in seiner Führungsbohrung
gehalten und kann gegen die Rückstellkraft
des Federelements 12 eine begrenzte Schrägstellung
gegenüber
der Steckerbuchsen-Längsachse
einnehmen. Dadurch kann sich der Stiftkontakt 7 bei leichtem
seitlichen Versatz der beiden Geräte 2 und 11 bzw.
der Steckverbinderteile (Stiftkontakt 7 und Steckerbuchse 10)
unter entsprechendem Neigen selbsttätig gegenüber der Steckerbuchse 10 ausrichten,
wobei das Neigen durch Anlaufschrägen 23 am freien Ende
des Stiftkontakts 7 bzw. der Kappe 20 und/oder
am freien Öffnungsrand der
Steckerbuchse 10 bewerkstelligt wird.
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Das
vorerwähnte
Federelement 12 ist vorzugsweise als Wendelfeder ausgebildet
und umschließt
den Führungsbolzen 6 konzentrisch.
Dabei befindet sich das Federelement 12 innerhalb der topfförmigen Vertiefung
der Kontaktführung 9 zwischen dessen
Boden 8 und einem am zugewandten Ende des Stiftkontakts 7 angeordneten
Führungsbund 13. Das
Federelement 12 bewirkt eine stabile, senkrecht zum Boden 8 gerichtete
Ausrichtung des Stiftkontakt 7, so daß ein sicheres Zusammentreffen
von Steckerbuchse 10 und Stiftkontakt 7 bei einem
Zusammenkuppeln der Gerät 2 und 11 gewährleistet
ist. Wird das Federelement 12 nicht verwendet, muß zur Erreichung
des entsprechenden Effekts z.B. die Führungsbohrung im Boden 8 die
relativ präzise
Geradführung
des Stiftkontakts 7 übernehmen.
Dann entfällt
jedoch weitgehend die Möglichkeit
zur selbsttätigen
Korrektur von axialen Fluchtfehlern.
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Der
Hochstromleiter aus elektrisch gut leitendem Material kann eine
metallische Litze oder Gewebeband sein. Vorzugsweise ist er jedoch
als lamellierte Schiene ausgebildet und besteht aus mehreren parallel
zueinander verlaufenden Metallbändern
aus Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen. Damit können sehr
hohe elektrische Ströme
bei geringen Verlusten übertragen
werden . Zudem ist ein so ausgebildeter Hochstromleiter flexibel
insbesondere dann, wenn er abgewinkelt ist. Die Knickstelle wirkt hier
wie ein Gelenk und bewirkt die erforderliche Flexibilität. Um eine
sichere und dauerhafte elektrische Kontaktierung zwischen den Bändern des
Hochstromleiters 4 zu erzielen, sind die Bänder an
ihren Endabschnitten 14 z. B. durch Widerstandsschweißen, Punktschweißen, Preßschweißen, Hartlöten oder
dergl. fest miteinander verbunden und bilden Anschlußstücke zur
Verklemmung mit dem Hochstromanschluß 3 und dem Kontaktstift 7.
Kommt ein Hochstromleiter mit mehreren Abwinkelungen zum Einsatz,
dann werden die Bänder
zweckmäßig auch zwischen
benachbarten Knickstellen an Verbindungspunkten 15 begrenzt
flächenförmig über ihre Breite
miteinander fest verbunden. Ein Beispiel dafür ist in 3 gezeigt,
wobei der Hochstromleiter 4 hier 3-fach, teils in unterschiedlichen
Richtungen, abgewinkelt ist und dementsprechend zwei Verbindungspunkte 15 aufweist.
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Entsprechend 2 ist
die elektrische Verbindung zwischen dem Führungsbolzen 6 und
dem Hochstromkontakt 3 mittels einer Litzen- oder Gewebeband-Leitung 18 hergestellt,
wobei die Leitung 18 endseitig einen abgewinkelten Kabelschuh 19 trägt. Der
Kabelschuh 19 ist hier zwischen den Flachmuttern 16 festgeklemmt.
Die erforderliche Flexibilität dieses
Hochstromleiters 4 wird allein durch die Leitung 18 bereitgestellt.
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Nach 3 ist
kein Federelement 12 vorgesehen. Hier übernimmt die im Boden 8 der
Kontaktführung 9 vorgesehene
Führungsbohrung
die notwendige axiale Geradführung
des Stiftkontakts 7. Es ist daher nur der Spalt 17 für die Bereitstellung
des notwendigen axialen Spiels zur Entlastung der Steckverbindung 7 und 10 von
z.B. schwingungsbedingten Krafteinflüssen erforderlich.
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Im übrigen weist
der Stiftkontakt 7 an seiner freien Stirnfläche eine
Kappe 20 aus elektrischem Isolierstoff auf, die einen Berührschutz
bildet. Damit wird vermieden, daß z.B. beim Zusammenführen der Gerät 2 und 11 ungewollte
elektrische Verbindungen mit dem Gehäuse des Gerätes 11 auftreten oder
bei unachtsamem Umgang eine manuelle Berührung des Stiftkontakts 7 trotz
einer den Stiftkontakt 7 umgebenden Schutzhülse 21 möglich wird.
Da der Stiftkontakt 7 und die Schutzhülse 21 die Frontseite
des Gerätes 2 überragen,
ist in der gegenüberliegenden
, zugehörigen
Frontseite des Gerätes 11 eine
angepaßte
Einformung 22 vorgesehen, welche die Steckerbuchse 10 und
die Schutzhülse 21 aufnimmt. Ferner
ist es besonders bei fehlendem Federelement 12 zweckmäßig, zur
Erhöhung
der Federwirkung des Hochstromleiters 4 Kupfer mit erhöhter Zugfestigkeit oder
dispersionsgehärtetes
Kupfer bzw. Kupfer-Legierungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
(> 29 MS/m) zu verwenden.
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Insgesamt
wird bei dem Aufbau gemäß der Erfindung
eine elektrische Steckverbindung mechanisch so entkoppelt, daß sie mechanische
Toleranzen zwischen den sie tragenden Geräten 2 und 11 ausgleichen
und Vibrationen abfangen und dämpfen und
somit Reib- und Kontaktkorrosion mindern oder sogar verhindern kann.