DE102021200241A1

DE102021200241A1 - Spielfreie Befestigung einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE102021200241A1
Application number: DE102021200241.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schober
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Vorgeschlagen wird eine spielfreie Befestigung einer Leiterplatte, aufweisend mindestens eine Leiterplatte, mindestens ein auf einer Unterseite der Leiterplatte vorgesehenes, flächiges Trägerbauteil, und mindestens ein auf einer Oberseite der Leiterplatte vorgesehenes Anpressblech, sowie mindestens eine Metallhülse. Die Metallhülse reicht nach Montage durch Leiterplatte, Trägerbauteil und Anpressblech derart hindurch, dass eine Unterseite davon mit der Unterseite des Trägerbauteils bündig ist und ein oberer Dom davon in einem vorgegebenen Abstand über die Oberseite des Anpressblechs hinausragt und eine definierte, ebene Auflagefläche bildet. Das Trägerbauteil weist ferner mindestens einen vorstehenden Kragen auf und die Metallhülse weist mindestens eine korrespondierende Aufnahme zur Aufnahme des Kragens derart auf, dass das Trägerbauteil mindestens in z-Richtung darin spielfrei fixiert ist. Die Metallhülse weist eine an die Aufnahme anschließende, der Leiterplatte zugewandte zweite Auflage, auf der Leiterplatte und Anpressblech nach Montage aufliegen, und einen Nietkragen auf, der nach Aufbringen von Leiterplatte und Anpressblech derart vernietet wird, dass Leiterplatte und Anpressblech zwischen dem Nietkragen und der zweiten Auflage mindestens in z-Richtung spielfrei fixiert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine spielfreie Befestigung einer Leiterplatte.
Leiterplatten bei Automobilanwendungen werden häufig in Modulbauweise verbaut. Die Leiterplatten werden z.B. durch Schnapper, Schrauben oder Nieten mit den Montagebauteilen verbunden. Für diese Modulbauweisen besteht die Forderung, die Leiterplatte möglichst spielfrei und ohne Vorbeschädigungen zu befestigen. Nachteilig bei bestehenden Lösungen wie der Schnapperlösung ist, dass die geforderte Spielfreiheit nur bedingt herstellbar ist, und dass diese Verbindung nur eine begrenzte Festigkeit aufweist. Nachteilig bei der bekannten Schraubenlösung ist, dass eine Vorbeschädigung der Leiterplatte aufgrund des benötigten Anzugmomentes möglich ist.
Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine spielfreie Befestigung einer Leiterplatte bereitzustellen, durch welche eine spielfreie Verbindung der Leiterplatte mit anderen Komponenten des Moduls ohne Vorbeschädigungen möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgeschlagen wird eine spielfreie Befestigung einer Leiterplatte, aufweisend mindestens eine Leiterplatte, mindestens ein auf einer Unterseite der Leiterplatte vorgesehenes, flächiges Trägerbauteil, und mindestens ein auf einer Oberseite der Leiterplatte vorgesehenes Anpressblech, sowie mindestens eine Metallhülse. Die Metallhülse reicht nach Montage durch Leiterplatte, Trägerbauteil und Anpressblech derart hindurch, dass eine Unterseite davon mit der Unterseite des Trägerbauteils bündig ist und ein oberer Dom davon in einem vorgegebenen Abstand über die Oberseite des Anpressblechs hinausragt und eine definierte, ebene Auflagefläche bildet. Das Trägerbauteil weist ferner mindestens einen vorstehenden Kragen auf und die Metallhülse weist mindestens eine korrespondierende Aufnahme zur Aufnahme des Kragens derart auf, dass das Trägerbauteil mindestens in z-Richtung darin spielfrei fixiert ist. Die Metallhülse weist eine an die Aufnahme anschließende, der Leiterplatte zugewandte zweite Auflage, auf der Leiterplatte und Anpressblech nach Montage aufliegen, und einen Nietkragen auf, der nach Aufbringen von Leiterplatte und Anpressblech derart vernietet wird, dass Leiterplatte und Anpressblech zwischen dem Nietkragen und der zweiten Auflage mindestens in z-Richtung spielfrei fixiert sind.
Durch das Bereitstellen einer vordefinierten Klemmkraft zwischen Bauteilen einer Elektronikbaugruppe und Verwenden einer durchgängigen Metallhülse, die zwei Aufgaben erfüllt, kann eine spielfreie Verbindung der Bauteile ohne Beschädigung der Leiterplatte bereitgestellt werden.
In einer Ausführung ist die Metallhülse in das Trägerbauteil eingespritzt, eingeschnappt oder eingepresst. In einer Ausführung steht der Dom nach Vernieten über den Nietkragen in einem Abstand heraus.
In einer Ausführung ist die Aufnahme zur Aufnahme des Kragens aus einem ersten, aus der Metallhülse ragenden Anschlag und einer ersten, aus der Metallhülse ragenden Auflage gebildet, die den Kragen zwischen sich einklemmen.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der spielfreien Befestigung einer Leiterplatte bereitgestellt, wobei in einem ersten Schritt entweder in einem Vorschritt die Metallhülse und das Trägerbauteil derart miteinander verbunden werden, dass der Kragen in der Aufnahme eingeklemmt ist, und danach in das Montagewerkzeug eingelegt werden, oder die Metallhülse in das Werkzeug eingelegt wird, und danach das Trägerbauteil derart in die Metallhülse eingelegt wird, dass der Kragen in der Aufnahme eingeklemmt ist. In einem zweiten Schritt werden die Leiterplatte und das Anpressblech in dieser Reihenfolge auf die zweite Auflage der Metallhülse eingelegt, und in einem dritten Schritt wird der Nietkragen derart vernietet, dass Leiterplatte und Anpressblech zwischen Nietkragen und Auflage eingeklemmt sind, und der Nietkragen in einem Abstand von der Oberkante des Doms endet.
Ferner wird ein Getriebesteuergerät mit einer Leiterplatte bereitgestellt, die mittels dem Verfahren zur Herstellung der spielfreien Befestigung einer Leiterplatte hergestellt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt eine 3-D-Schnittansicht der spielfreien Befestigung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Ausführung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Kern der Erfindung ist es, eine spielfreie und belastbare Verbindung einzelner Komponenten eines aus Einzelteilen modular aufgebauten Elektronikmoduls bereitzustellen. Dieses Elektronikmodul wird vorteilhaft im Automobilbereich z.B. als Getriebesteuergerät eingesetzt. Die spielfreie und belastbare Verbindung wird durch ein entsprechend konstruktiv gestaltetes Verbindungselement, hier eine Metallhülse 1, erreicht, durch das eine vordefinierte Klemmkraft zwischen den diversen Komponenten erzeugt wird. Die so spielfrei gefügten Hauptkomponenten des Moduls, also Trägerbauteil 3 und darauf angeordnete Leiterplatte 2, werden durch diese durch alle Lagen gehende Metallhülse 1 fixiert. Auf der dem Trägerbauteil 3 gegenüberliegenden Seite erfolgt eine Vernietung mit einem ebenfalls aus Metall bestehenden Gegenpart, dem Anpressblech 4.
Bei der Verschraubung von Leiterplatten 2 zur Anwendung im Automobilbereich ist es wichtig, Vorgaben bezüglich Abständen von Bauteilen zu anderen Bauteilen, insbesondere zu Sensoren, einzuhalten, um die Funktionalität dieser Bauteile zu gewährleisten. Außerdem wird häufig eine modulare Bauweise eingesetzt, bei der einzelne Komponenten miteinander verbunden werden müssen. Hierbei ist häufig Spielfreiheit zwischen Komponenten als eine Vorgabe zu beachten. Um dies zu erreichen werden Schraubverbindungen verwendet, da Schnappverbindungen zu große Toleranzen aufweisen. Allerdings haben Schraubverbindungen das Problem, dass durch das starke Anzugsmoment, das zur Befestigung der Leiterplatte 2 an anderen Komponenten des Moduls verwendet werden muss, die Leiterplatte 2 und damit auch dort angeordneten Elektronikbauteile, beschädigt werden können. Eine Alternative wäre es, Nietverbindungen zu verwenden. Allerdings entsteht bei normalen Niethülsen nach dem Vernieten eine gerundete Nietwulst. Diese weist eine undefinierte, abgerundete Oberfläche auf, die nicht als Auflagefläche zum späteren Verschrauben der Leiterplatte 2 z.B. im Getriebesteuergerät TCU dienen kann, da keine definierte Anpresskraft erzeugt werden kann.
Um eine bessere Lösung bereitzustellen wird nachfolgend eine Metallhülse 1 mit definierter Höhe X1 vorgeschlagen, die eine Kombination aus einer Niethülse und einer Buchse ist. Die Niethülse dient zur spielfreien Befestigung der Leiterplatte 2 und anderen flächigen Komponenten 3, 4. Die Buchse stellt eine definierte Auflagefläche zur Verschraubung der fertigen Elektronikbaugruppe, bestehend mindestens aus Leiterplatte 2, Trägerbauteil 3 für die Leiterplatte 2 und Anpressblech 4, bereit. Die Unterseite 10 der Metallhülse 1 ist dann zum untersten zu verbindenden Bauteil, hier dem Trägerbauteil 3, bündig. Die Höhe der Buchse entspricht der Höhe X1 der Metallhülse 1.
Bei der vorgeschlagenen Lösung wird also eine Metallhülse 1 verwendet, die so (einstückig) konstruiert ist, dass der als Niethülse dienende Teil außen an der als Grundstruktur bzw. Basishülse dienenden Buchse vorgesehen ist bzw. aus dieser heraus gebildet ist.
Der als Buchse dienende Teil dient zum späteren Einführen der Befestigungsschraube zum Befestigen der Leiterplatte im Steuergerät. Um das geforderte gleichmäßige Anschraubmoment bereitzustellen, weist die Buchse einen oberen Dom 11 auf, der die zur Verschraubung benötigte definierte, ebene Auflagefläche bereitstellt. Die Höhe X1 der Metallhülse 1 ist damit unabhängig vom Nietkragen 12 der Niethülse.
Der als Niethülse dienende Teil weist eine Ausnehmung auf, in welche ein vorstehender Kragen 30 des Trägerbauteils 3 eingebracht werden kann. Diese Ausnehmung ist durch die einander gegenüberliegenden Flächen 13 und 14 definiert, welche als erster Anschlag 13 nach oben und als untere bzw. erste Auflage 13 dienen. Die Ausnehmung und der vorstehende Kragen 30 sind so gebildet, dass der vorstehende Kragen 30 in die Ausnehmung so eingebracht werden kann, dass er darin in z-Richtung spielfrei geklemmt ist. Dies kann durch Einpressen oder Einschlagen erfolgen. Alternativ kann das Trägerbauteil 3, welches in der Regel aus Kunststoff gebildet ist, in die Ausnehmung mit einem geeigneten Verfahren eingespritzt werden. Nach Einbringen des Kragens 30 des Trägerbauteils 3 in die Aufnahme ist die Unterseite des Trägerbauteils 3 mit der Unterseite 10 der Metallhülse bündig.
Ferner weist der als Niethülse dienende Teil eine zweite Auflage 15 auf, welche vorteilhaft die Oberseite des Bereichs mit dem ersten Anschlag 13 ist. Auf dieser Auflage 15 liegen die Leiterplatte 2 und das Anpressblech 4 in dieser Reihenfolge auf. Der Nietkragen 12 ragt in nicht vernietetem Zustand senkrecht nach oben, ist also im Wesentlichen parallel zum Dom 11. Um eine in z-Richtung spielfreie Verbindung herzustellen, erfolgt eine Vernietung, bei welcher der Nietkragen 12 auf das Anpressblech 4 gedrückt wird und damit einen Anschlag 16 bildet. Das Anpressblech 4 stellt hierfür eine Pressfläche zur Verfügung, die sicherstellt, dass die Leiterplatte 2 beim Vernieten nicht beschädigt wird. Somit sind Leiterplatte 2 und Anpressblech 4 zwischen Auflagefläche 15 und Anschlag 16 verklemmt, d.h. in z-Richtung spielfrei befestigt.
Wichtig bei der konstruktiven Ausgestaltung der Metallhülse 1 ist, dass der Nietkragen 12 nach dem Vernieten nicht über die Oberkante des Doms 11 hinausragt. Der Nietkragen 12 ist nach dem Vernieten unterhalb der Oberkante des Doms 11, d.h. die jeweiligen Oberkanten von Nietkragen 12 und Dom 11 weisen einen Abstand X2 zueinander auf.
Durch die aufgrund der definierten Höhe X1 der Metallhülse 1 wird sichergestellt, dass ein für die Montage festgelegter Abstand zwischen vorgegebenen Bereichen der Metallhülse 1 und Einzelteilen des Moduls wie z.B. Sensoren konstant ist. Außerdem wird sichergestellt, dass die für die definierte Flächenpressung bei einem definierten Schraubenanzugsmoment benötigte Kreisfläche der Buchse, also die von der Oberkante des Doms 11 gebildete Auflagefläche 101, vorhanden ist. Die Breite der Auflagefläche 101 kann entsprechend der Anwendung gewählt werden und ist die Differenz zwischen Außendurchmesser D2 der Metallhülse 1 und Innendurchmesser D1 der Metallhülse 1.
Diese ebene Auflagefläche 101 könnte durch Verwenden der Oberkante des Nietkragens 12 nach dem Vernieten nicht bereitgestellt werden, da sich dieser je nach Material, verwendetem Werkzeug und Druck etc. unterschiedlich verhält und damit keine definierte Flächenpressung ermöglicht.
Die mit der Metallhülse 1 gebildete und dadurch in z-Richtung spielfrei fixierte Elektronikbaugruppe kann durch ihre kompakte Bauweise mit einer oder mehreren durchgehenden Metallhülsen 1, die sowohl als Buchse als auch als Nietbuchse dienen, optimal im Bauraum eingesetzt bzw. verschraubt werden. Ferner kann die Metallhülse 1 auch mehr als nur die drei genannten Komponenten 2, 3 und 4 spielfrei fixieren, solange die vorgegebenen Höhe X1 nicht überschritten wird, d.h. der Nietwulst 12 immer in einem Abstand X2 unterhalb des Doms 11 angeordnet ist.
Aufgrund der durchgängigen Metallhülsen 1 erfolgt keine Belastung der Leiterplatte 2 im Verbau, wie dies bei bekannten Verschraubungen der Fall wäre.
Die Metallhülse 1 kann z.B. in einem Kunststoffteil eingespritzt, eingeschnappt oder eingepresst sein und als Komplettteil zugeführt werden. Alternativ können die Buchsen für die Verarbeitung im Werkzeugträger einzeln eingelegt und dann in Sandwichbauweise die einzelnen Lagen aufgelegt und vernietet werden. Der Gegenpart für die Vernietung ist das Anpressblech 4. Dieses kann als Versteifungsblech oder als Einzelscheibe pro Loch zum Verschrauben von Komponenten eines Moduls ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

1: Metallhülse
10: Unterseite
11: oberer Dom
101: Auflagefläche
12: Nietkragen
13: erster Anschlag
14: erste Auflage
15: zweite Auflage
16: Anschlag
2: Leiterplatte
3: Trägerbauteil
30: vorstehender Kragen
4: Anpressblech
X1: Höhe Metallhülse
X2: Abstand Oberkante 12 zu Oberkante von Dom 11
D1: Innendurchmesser Metallhülse
D2: Außendurchmesser Metallhülse

Claims

Spielfreie Befestigung einer Leiterplatte (2), aufweisend - mindestens eine Leiterplatte (2) und - mindestens ein auf einer Unterseite der Leiterplatte (2) vorgesehenes, flächiges Trägerbauteil (3), und - mindestens ein auf einer Oberseite der Leiterplatte (2) vorgesehenes Anpressblech (4), sowie - eine mindestens Metallhülse (1), - die nach Montage durch Leiterplatte (2), Trägerbauteil (3) und Anpressblech (4) derart hindurchreicht, dass eine Unterseite (10) davon mit der Unterseite des Trägerbauteils (3) bündig ist und ein oberer Dom (11) davon in einem vorgegebenen Abstand über die Oberseite des Anpressblechs (4) hinausragt und eine definierte, ebene Auflagefläche (101) bildet, und wobei - das Trägerbauteil (3) mindestens einen vorstehenden Kragen (30) aufweist und die Metallhülse (1) mindestens eine korrespondierende Aufnahme (13, 14) zur Aufnahme des Kragens (30) derart aufweist, dass das Trägerbauteil (3) mindestens in z-Richtung darin spielfrei fixiert ist, und - die Metallhülse (1) eine an die Aufnahme (13, 14) anschließende, der Leiterplatte (2) zugewandte zweite Auflage (15), auf der Leiterplatte (2) und Anpressblech (4) nach Montage aufliegen, und einen Nietkragen (12) aufweist, der nach Aufbringen von Leiterplatte (2) und Anpressblech (4) derart vernietet wird, dass Leiterplatte (2) und Anpressblech (4) zwischen dem Nietkragen (12) und der zweiten Auflage (15) mindestens in z-Richtung spielfrei fixiert sind.
Spielfreie Befestigung einer Leiterplatte (2) nach Anspruch 1, wobei die Metallhülse (1) in das Trägerbauteil (3) eingespritzt, eingeschnappt oder eingepresst ist.
Spielfreie Befestigung einer Leiterplatte (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Dom (11) nach Vernieten über den Nietkragen (12) in einem Abstand (X2) heraussteht.
Spielfreie Befestigung einer Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme (13, 14) zur Aufnahme des Kragens (30) aus einem ersten, aus der Metallhülse (1) ragenden Anschlag (13) und einer ersten, aus der Metallhülse (1) ragenden Auflage (14) gebildet ist, die den Kragen (30) zwischen sich einklemmen.
Verfahren zur Herstellung der spielfreien Befestigung einer Leiterplatte (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - in einem ersten Schritt entweder - in einem Vorschritt die Metallhülse (1) und das Trägerbauteil (3) derart miteinander verbunden werden, dass der Kragen (30) in der Aufnahme (13, 14) eingeklemmt ist, und danach in das Montagewerkzeug eingelegt werden, oder - die Metallhülse (1) in das Werkzeug eingelegt wird, und danach das Trägerbauteil (3) derart in die Metallhülse (1) eingelegt wird, dass der Kragen (30) in der Aufnahme (13, 14) eingeklemmt ist, und - in einem zweiten Schritt die Leiterplatte (2) und das Anpressblech (4) in dieser Reihenfolge auf die zweite Auflage (15) der Metallhülse (1) eingelegt werden, und - in einem dritten Schritt der Nietkragen (12) derart vernietet wird, dass Leiterplatte (2) und Anpressblech (4) zwischen Nietkragen (12) und Auflage (15) eingeklemmt sind, und der Nietkragen (12) in einem Abstand von der Oberkante des Doms (11) endet.
Getriebesteuergerät mit einer Leiterplatte (2), die mittels dem Verfahren zur Herstellung der spielfreien Befestigung einer Leiterplatte (2) nach Anspruch 5 hergestellt ist.