Elektrischer Steckverbinder zur elektrischen

Verbindung mittels Ultraschallschweißen

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Steckverbinder nach dem Oberbegriff des

Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere einen elektrischen Steckverbinder ausgebildet als

Kontaktstift zur elektrischen Verbindung mit einem Kabel mittels Ultraschallschweißverfahren.

Stand der Technik Elektrische Steckverbinder sind dafür vorgesehen, über ihre Steckverbinderpaare, somit über ihre Buchsenteile und Steckerteile z. B. zwischen einer elektrischen Leitung und einer weiteren elektrischen Leitung bzw. einem elektrischen Aggregat eine wieder lösbare elektrische Verbindung herzustellen. Dabei sind im Stand der Technik unterschiedliche Verbindungsmethoden zum

Anschließen eines Kabels bzw. einer elektrischen Leitung an den Steckverbinder

bekannt.

Neben Schraubverbindungen sind Crimpverbindungen, Lötverbindungen, Einpress- bzw. Piercingverbindungen und andere Verbindungstechniken bekannt, wie formschlüssige Verbindungen, insbesondere Schweißverbindungen.

In den meisten Applikationen ist es regelmäßig erwünscht, eine besonders dauerhafte Verbindung zwischen dem Kontakt eines elektrischen Steckverbinders und dem

anzuschließenden Kabel herzustellen.

Insbesondere in der Automobilindustrie werden hohe Anforderungen an die

Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit einer elektrischen Verbindung gestellt.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Insbesondere ist es erforderlich, dass die mit dem Kontakt zu verbindende Leitung sicher und dauerhaft auch unter Temperaturschwankungen und mechanischen Schwingungen und Beeinträchtigungen im Fahrbetrieb nicht zu einem Lösen der Verbindung führen.

Auch die aktuellen und zukünftigen Entwicklungen der Elektromotoren und Hybridtechnik im Automobilsektor erfordern Kontaktanordnungen mit hoher Stromtragfähigkeit, die auch bei erhöhten Temperaturen, insbesondere durch Eigenerwärmung, eine sichere Verbindung darstellen.

Im Temperaturwechselbetrieb eignen sich insbesondere solche Kontaktmaterialien nicht, die in folge von Relaxationsprozessen bei der wechselnden Temperaturerhöhung und Abkühlung auf Dauer versagen und sich möglicherweise vom Kabel lösen.

Als besonders geeignetes Schweißverfahren zur Herstellung hochfester Verbindungen bestimmter Werkstoffe hat sich das Ultraschallschweißverfahren erwiesen, das wiederum erhebliche Probleme bereitet bei der Verbindung gewisser Kontaktmaterialien.

So gibt es diverse Versuche dazu, welche Materialschädigungen auftreten beim Eintrag von ausreichender Schweißenergie durch Ultraschallschweißen.

Bei Materialprüfungen wurde festgestellt, dass die Anschlussabschnitte von Kontaktstiften teilweise erhebliche Schäden davontragen und zur Rissbildung neigen, wenn ein Kupferkabel mit einem Kupferkontakt mittels Ultraschallschweißen verbunden wird.

Darüber hinaus bestehen grundsätzliche Fragen zur korrekten Ausbildung von

Kontaktgeometrien zur zuverlässigen Ausbildung einer Ultraschallschweißung mit

einem Kabel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen elektrischen Steckverbinder bzw.

einen Kontaktstift zur elektrischen Verbindung mittels eines Ultraschallschweißverfahrens bereitzustellen, der vorbesagte Probleme überwindet und insbesondere in Bezug auf den Bauraum eine optimierte Geometrie aufweist. Darüber hinaus besteht die Aufgabe darin, einen solche Kontaktstift bereitzustellen, der universell und kostengünstig einsetzbar ist und bei vielen Anwendungen Verwendung finden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass ein Steckverbinder, insbesondere in Ausgestaltung eines massiven Kontaktstiftes folgendes aufweist und zwar einen

Kontaktabschnitt, der vorzugsweise über einen Übergangsabschnitt mit einem

Anschlussabschnitt verbunden ist, wobei der Anschlussabschnitt ausgebildet ist zur elektrischen Verbindung mit einer elektrischen Leitung mittels Ultraschallschweißens und daher in diesem Bereich, vorzugsweise im Übergangsbereich zwischen dem

Anschlussabschnitt und dem sich daran anschließenden Übergangs- bzw. Kontaktabschnitt eine Wellenbrechereinheit bzw. ein geometrisches Wellenbrecherelement angeordnet ist zur Brechung der Ultraschallwellen.

Die technische Wirkungsweise des Wellenbrecherelementes ist darin zu sehen, dass beim Eintrag von Energie mittels Ultraschallschweißens, insbesondere durch die auftretenden Wellen, Risse und Schäden im Bereich des Anschlussabschnittes, insbesondere an dessen Übergangsbereich, zum Kotaktabschnitt bzw. dem dazwischen liegenden Übergangsabschnitt auftreten. Solche Übergangsabschnitte sind Zonen, die beim Ultraschallschweißen besonders belastet werden.

Zur Verhinderung von Schäden ist es daher notwendig, ein geeignet ausgebildetes

Wellenbrecherelement, vorzugsweise eine entsprechend ausgebildete Wulst, am

Anschlussabschnitt vorzusehen.

Erfindungsgemäß wird daher ein elektrischer Steckverbinder vorgeschlagen, der einen Kontaktabschnitt, einen sich an den Kontaktabschnitt anschließenden Übergangsabschnitt und einen sich an den Übergangsabschnitt anschließenden Anschlussabschnitt aufweist, wobei der Anschlussabschnitt zur elektrischen Verbindung mit einer elektrischen Leitung mittels Ultraschallschweißens ausgebildet ist und wobei der Anschlussabschnitt über mindestens ein geometrisches Wellenbrecherelement, vorzugsweise eine hervorstehende Wulst zur Wellenbrechung beim Ultraschallschweißen ausgebildet ist.

Der Anschlussabschnitt weist eine Auflagefläche, vorzugsweise eine flache Auflagefläche für eine anzuschließende Leitung bzw. das Kontaktende einer anzuschließenden Leitung auf. In einer besonders vorteilhaften Weise ist der Anschlussabschnitt als ein L-förmiger

Anschlussabschnitt ausgebildet und zwar aus einem ersten Schenkel und einem dazu im wesentlichen orthogonal orientierten zweiten Schenkel, wobei jeder Schenkel Teil des Anschlussabschnittes ist. Die beiden Schenkel stehen folglich im wesentlichen senkrecht zueinander orientiert in Verbindung und bilden die L-förmige

Anschlussabschnittform.

Hierdurch ist gewährleistet, dass ein idealer Bauraum für den elektrischen Steckverbinder zur Verfügung steht, da bei ausreichend dünner Ausbildung des zweiten Schenkels der mit Vorteil auch die Auflagefläche für die Leitung ausbildet, nur so dick gewählt wird, dass die Gesamtdicke der Leitung und des Schenkels in etwa der Dicke bzw. unwesentlich größer als die Dicke des gesamten Kontaktes ist.

Eine solche Geometrie ist daher bauraumoptimiert und bietet gleichzeitig einen Anschlag für das Kabel, welches durch den ersten Schenkel bereitgestellt wird und eine Auflagefläche für das Kabel, welches durch den zweiten Schenkel bereitgestellt wird.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist der erste Schenkel am Übergangsabschnitt angeordnet.

Ferner ist mit Vorteil der zweite Schenkel im wesentlichen in einer zum ersten Schenkel orthogonalen Orientierung mit diesem Schenkel unter Bildung eines L-förmigen

Anschlussabschnittes verbunden, der entweder in seiner Gesamtorientierung in

Steckrichtung mit dem Übergangsabschnitt oder senkrecht zur Steckrichtung am

Übergangsabschnitt angeformt ist. Um im wesentlichen die Schädigungen durch die Longitudinalwellen beim Ultraschallschweißen zu unterbinden, ist eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausbildung in Form eines längsgestreckten Steckverbinders gegeben, bei dem der erste Schenkel am Übergangsabschnitt in Steckrichtung so angeordnet ist, dass der zweite Schenkel im wesentlichen in Erstreckungsrichtung und damit in Steckrichtung des Kontaktstiftes angeordnet ist. Mit Vorteil verfügt die Auflagefläche des zweiten Schenkels über eine Übergangsfläche, die mit der vom ersten Schenkel ausgebildeten Schenkelinnenfläche verbunden ist bzw. sich unmittelbar in diese hinein erstreckt.

Bildlich ausgedrückt wird in etwa die Form einer halben "Halfpipe" gebildet, bei der die Auflagefläche des zweiten Schenkels den Boden bildet und die gekrümmte

Übergangsfläche mit der Schenkelinnenfläche seitlich die Rundung der "Halfpipe" darstellt.

Anders ausgedrückt sind die Innenflächen, d. h. die dem jeweils anderen Schenkel zugewandten Flächen über eine gekrümmte Übergangsfläche miteinander verbunden. Die gekrümmte Übergangsfläche entspricht im wesentlichen in etwa einem Segment des Innenumfangs eines Hohlzylinders von etwa 70° bis 90° Bogenmaß.

Der Krümmungsradius der gekrümmten Übergangsfläche ist mit Vorteil über die gesamte Übergangsfläche konstant, wobei aus der Übergangsfläche das geometrische

Wellenbrecherelement hervorsteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das geometrische Element als eine aus der Übergangsfläche nach außen hervorstehende entlang der Krümmung ebenfalls

gekrümmte Wulst ausgebildet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Wulst in ihrem

Verlauf über die gesamte gekrümmte Fläche und zwar über die gesamte Höhe des ersten Schenkels und verläuft mit ihrem anderen Ende bis in die Flanken bzw. in die Fläche des zweiten Schenkels hinein. Mit Vorteil befindet sich die Wulst in etwa der Mitte der Übergangsfläche in Bezug auf die durch das L gebildete Seitenkanten des Anschlussabschnittes.

Anders ausgedrückt ist in einer Aufsicht die Projektion der Wulst parallel zur Steckrichtung des Kontaktstiftes orientiert.

Die sich im Kontaktstift ausbildenden longitudinalen Ultraschallwellen werden folglich durch das in longitudinaler Orientierung ausgebildete Wellenbrecherelement gebrochen und in ihrer Wirkung gehemmt, so dass der Kontaktstift schadfrei mittels Ultraschallschweißens mit einer Leitung verbunden werden kann.

Vergleichende Versuche zwischen Kontaktelementen, die lediglich an einer

Anschlusszunge mit einer Leitung mittels Ultraschallschweißens verbunden wurden und denen, die mittels einer entsprechenden Wellenbrecherkontur ausgebildet waren haben gezeigt, dass bei der ersten Gruppe von Kontaktelementen in nahezu allen Fällen Schädigungen und/oder Risse am Übergangsbereich nachzuweisen waren, während dies bei den erfindungsgemäßen Kontaktelementen nicht der Fall war.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Anschlussabschnitt und das geometrische Wellenbrecherelement, sprich vorzugsweise die Wulst, materialschlüssig aus einem Material und zwar vorzugsweise aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet.

Die Verwendung von Kupfer oder einer Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil wird bevorzugt wegen der besonders guten elektrischen Leitfähigkeit verwendet.

Entscheidend für die technische Wirkung des erfindungsgemäßen Kontaktes ist jedenfalls die geeignete Ausbildung eines Wellenbrecherelementes zwischen oder an dem

Anschlussabschnitt zum Übergang des Übergangs- bzw. Kontaktabschnittes.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform ist ein elektrischer Steckverbinder gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmalen, wobei der Kontaktstift aus einem metallischen Material besteht und wobei der Kontaktstift eine galvanische Oberflächenbeschichtung aufweist und der Übergangsabschnitt über eine Auflagefläche verfügt, die keine Oberflächenbeschichtung und keine anderweitig aufgebrachte

Beschichtung aufweist.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform ist ein elektrischer Steckverbinder gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmalen, wobei dass der Anschlussabschnitt über eine vorzugsweise ebene Auflagefläche für eine anzuschließende elektrische Leitung verfügt.

Eine weiter bevorzugte Ausführungsform ist ein elektrischer Steckverbinder gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Merkmalen wobei das metallische Material des

Kontaktstiftes aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht mit hohem Kupferanteil und/oder die galvanische Beschichtung des Kontaktstiftes aus Silber oder Gold oder Zinn besteht.

Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale sollen erfindungsgemäß als

offenbart gelten.

Weitere Vorteile und zweckmäßiger Ausführungen sind aus den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrischen Steckverbinder zur elektrischen Verbindung mittels

Ultraschallschweißens;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Kontaktes,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Kontaktstiftes ähnlich der Ausführung aus Fig. 1 und Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 ist der elektrische Steckverbinder 1 in Form eines Kontaktstiftes 2 ausgebildet. Der Kontaktstift 2 untergliedert sich in die Abschnitte A, B und C. Der Abschnitt C stellt den Kontaktabschnitt 3 des Kontaktstiftes 2 dar. Der Kontaktabschnitt 3 dient der Kontaktierung mit einem korrespondierenden Gegenstecker. Unmittelbar daran gliedert sich in Abschnitt B ein Übergangsabschnitt 4 an. Zwischen dem Übergangsabschnitt 4 und dem Kontaktabschnitt 3 ist eine Rastkontur 8 angeordnet zur Verrastung mit einem Rastelement am Gegenstecker. Am Übergangsabschnitt 4 schließt sich im Teil A des Kontaktstiftes 2 der Anschlussabschnitt 5 an. Der Anschlussabschnitt 5 des Kontaktstiftes 2 dient der elektrischen und mechanischen

Verbindung mit einem anzuschließenden Kabel bzw. einer anzuschließenden Leitung 100. Der Anschlussabschnitt 5 ist als L-förmiger Anschlussabschnitt ausgebildet, wobei ein Teil der L-Form Teil des Übergangsabschnittes ist. Die L-Form des Anschlussabschnittes 5 ergibt sich durch einen ersten Schenkel 50 und einen zweiten dazu orthogonal angeordneten Schenkel 51. Der Schenkel 50 ist unmittelbar am Übergangsabschnitt 4 mit diesem verbunden. Auf der der Verbindung gegenüberliegenden Seite verfügt der Schenkel 50 über eine Schenkelfläche 40, die im wesentlichen horizontal und in ihrem weiteren Verlauf gekrümmt mit einem

Krümmungsradius R ausgebildet ist und in einer Auflagefläche 10 des zweiten Schenkels 51 mündet bzw. in diese übergeht. Der zweite Schenkel 51 ist als ein im wesentlichen flacher Schenkel ausgebildet, der in Axialrichtung des Kontaktstiftes 2 und zwar an dessen Ende angeordnet ist. Die Unterseite und damit die der Auflagefläche 10 gegenüberliegende Seite des zweiten Schenkels 51 ist mit Vorteil ebenfalls flach ausgebildet, um einen minimalen Bauraum zu erzielen.

Der Kontaktabschnitt 3 und der Übergangsabschnitt 4 sind mit einem ersten Durchmesser D1 , im wesentlichen als zylindrische Abschnitte ausgebildet. Der Anschlussabschnitt 5 ragt mit einer Auskragung 1 1 über die Außenkontur und damit über die Hüllform des von dem

Kontaktabschnitt 3 und dem Übergangsabschnitt 4 gebildeten zylindrischen Außenhülle des Kontaktstiftes 2.

Durch die Auskragung 11 hält der Steckverbinder eine mechanische Anlage gegen

beispielsweise ein Gehäuse, um sicherzustellen, dass der Kontaktstift 2 mit seinem

Kontaktschnitt 3 in die richtige Steckposition gebracht werden kann.

Wie in Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, ist der Verlauf der Auflagefläche 10 vom zweiten

Schenkel 51 zur Schenkelfläche 40 des ersten Schenkels 50 als eine gekrümmte Fläche ausgebildet. Die Krümmung folgt im wesentlichen in etwa der Form einer Hälfte einer

"Halfpipe". D. h. die Bodenfläche wird gebildet durch die Auflagefläche 10, während die

Halfpipeseitenflächen von der gekrümmten Schenkelfläche 40 ausgebildet werden.

Aus der Schenkelfläche 40 ragt, wie in Fig. 2 ersichtlich, der Wellenbrecher 41 hervor. Der Wellenbrecher 41 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als eine Wulst bzw. Buckel und zwar eine gekrümmte Wulst ausgebildet, deren Projektion, wie in Fig. 2 ersichtlich ist, sich in axialer Richtung S bzw. Steckrichtung S des Kontaktstiftes 2 erstreckt.

Anders ausgedrückt verläuft die Wulst 41 von der Auflagefläche 10 entlang der axialen Richtung über die Krümmung der gekrümmten Schenkelfläche 40 hoch bis an dessen Ende 53 und zwar in etwa bis zum oberen Ende der Auskragung 11.

Der so ausgebildete Buckel dient als Wellenbrecher 41 im Anschlussabschnitt 5, um insbesondere Longitudinalwellen zu brechen.

Wie in Fig. 1 angedeutet, soll ein abisolierte Ende eines Kabels 100 auf die Auflagefläche 10 aufgebracht werden und mittels Ultraschallwellen, d. h. mittels Ultraschallschweißens eine Ultraschallschweißverbindung zwischen dem Kabel 100 und dem Kontaktstift 2 bzw. dessen Anschlussabschnitt 5 ausgebildet werden.

Die dabei auftretenden Longitudinalwellen und Ultraschallwellen werden vom Wellenbrecher 41 an dem "kritischen" Übergang zum Übergangsabschnitt 5 gebrochen, so dass die Energie der Ultraschallwellen, insbesondere im Bereich des Übergangs vom Anschlussabschnitt 5 zum Übergangsabschnitt 4, zu keinerlei funktionsbeeinträchtigenden Störungen oder Materialschäden führt. In Fig. 2 ersichtlich ist, dass der Buckel bzw. die Wulst 41 im wesentlichen in der Mitte zwischen den Seitenkanten 42 der Schenkel 50, 51 angeordnet sind.

Alternativ könnten auch zwei parallele Wellenbrecher 41 , d. h. zwei Buckel bzw. zwei Wülsten 41 nebeneinander im Übergangsbereich angeordnet sein, deren geometrische Ausbildung die Brechung von Ultraschallwellen bewirkt.

Besonders effizient hat sich die Bildung einer einzelnen mittigen und gekrümmten Wulst 41 gezeigt. Da auf diese Weise eine optimale Wellenbrechung von Ultraschallwellen stattfindet. Der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellte Anschlussabschnitt 5 weist an seiner Auflagefläche 10 keine Oberflächenbeschichtung auf, so dass ein Kontakt unmittelbar mit dem Material des Kontaktstiftes 2 stattfindet.

Mit Vorteil ist das Material des Kontaktstiftes 2 als ein Kupfermaterial ausgebildet bzw. eine Kupferlegierung mit hohem Kupferanteil. Der Kontaktabschnitt 3 kann mit Vorteil mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein, so dass der erfindungsgemäße elektrische Steckverbinder kostengünstig über

Partiellbeschichtungen versehen werden kann und in einer günstigen Weise geeignet ist zum Ultraschallschweißen. Im Hinblick auf die Wärmeeintragung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Länge des zweiten Schenkels 51 mit seiner Länge von etwa 25 % bis 40 % der Gesamtlänge des Kontaktstiftes 2 zu versehen.

Folglich befindet sich der erste Schenkel 50 in etwa in einem Drittel der Gesamtlänge des Kontaktstiftes 2 beabstandet vom Ende des Anschlussabschnittes 5 entfernt. Zwei Drittel der Länge des Kontaktstiftes 2 werden gebildet durch den Übergangsabschnitt 4 und den Kontaktabschnitt 3.

Mit Vorteil ist wie in Fig. 2 ersichtlich, die Auflagefläche 10 in ihrer Breite größer als der Durchmesser D1 des Kontaktabschnittes 3 und Übergangsabschnittes 4. Dies verbessert den Wellenbrechereffekt des Wellenbrechers 41 im Bereich des ersten Schenkels 50.

In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Kontaktstiftes 2 ähnlich der Ausführung aus Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.

In der perspektivischen Ansicht ist deutlich ersichtlich, wie in dem vorliegenden

Ausführungsbeispiel das mechanische Wellenbrecherelement bzw. der Wellenbrecher 41 ausgebildet ist. Bezugszeichenliste

Elektrischer Steckverbinder zur elektrischen Verbindung mittels Ultraschallschweißen

1 Elektrischer Steckverbinder

2 Kontaktstift

3 Kontaktabschnitt

4 Übergangsabschnitt

5 Anschlussabschnitt

8 Rastkontur 10 Auflagefläche

1 1 Auskragung

40 Schenkelfläche

41 Wellenbrecher

42 Seitenkanten der Schenkel 50, 51

50 erster Schenkel

51 zweiter Schenkel

52 gekrümmter Übergangsabschnitt

53 Ende der Wulst

60 galvanische Oberflächenbeschichtung

100 Kabel/Leitung

S Axialrichtung/Steckrichtung