Zuverlässigkeit der Steckverbinder

Die Verbindung zwischen Ladekabel und Stromkontakt ist Teil des Strompfads. Erhöht die Verbindung den Widerstand, kann sie lokale Wärme erzeugen. Fehlt es ihr an mechanischer Festigkeit, kann sie im Betrieb instabil werden. Crimpen und Ultraschallschweißen werden beide für Kabel-Kontakt-Verbindungen eingesetzt. Die geeignete Methode hängt von der Kontaktkonstruktion, dem Leiteraufbau, dem verfügbaren Platz und der Kontrollierbarkeit und Verifizierung des Prozesses ab. Dieser Artikel behandelt die Verbindung zwischen dem Kabelleiter und der Rückseite des Kontakts. Die Steckverbindung zwischen Ladestecker und Fahrzeuganschluss wird nicht behandelt.  Crimpen: Kompression um den LeiterBei einer Crimpverbindung wird der Crimpanschluss mit einem Werkzeug um den Leiter gepresst. Die Verbindung muss die elektrische Leitfähigkeit gewährleisten und gleichzeitig den Leiter sicher fixieren. Kontakt und Leiter müssen aufeinander abgestimmt sein, und der Crimpvorgang muss kontrolliert werden. Relevante Faktoren sind Leiterquerschnitt und Litzenaufbau, Hülsenabmessungen, Auswahl der Crimpzange, Crimphöhe, Drahtposition und Litzenzustand. Eine unzureichend komprimierte oder schlecht angepasste Crimpverbindung hält den Leiter möglicherweise nicht sicher. Zu starke Kompression kann die Litzen beschädigen oder den Kontakt verformen. Das Aussehen einer Crimpverbindung allein gibt keinen Aufschluss darüber, ob sie die elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt.  Ultraschallschweißen: Eine FestkörperverbindungBeim Ultraschallschweißen wird der Leiter mittels Druck und hochfrequenter mechanischer Vibration mit einer kompatiblen Kontaktfläche verbunden. Das Verfahren kommt ohne Löt- oder Zusatzwerkstoffe aus. Es erfordert einen geeigneten Schweißbereich und eine Vorrichtung, die die Teile fixiert. Leitermaterial und Litzenanordnung, Kontaktgeometrie, Schweißbereich, Vorrichtungsdesign und Prozesseinstellungen beeinflussen das Ergebnis. Der Schweißprozess erfordert einen definierten Betriebsbereich mit auf die Verbindungskonstruktion abgestimmten Kontrollen.  Was die beiden Methoden erfordernRücksichtnahmeCrimpenUltraschallschweißenGelenkbildungDie Kontakthülse wird um den Leiter herum zusammengepresst.Druck und Vibration bilden eine feste MetallverbindungKontaktgeometrieEin Zylinder, der sich um den Leiter herum verformen kannEine geeignete Schweißfläche und Zugang für Werkzeug und VorrichtungProzesssteuerungenMatrize, Crimphöhe, Kraft, Leiterposition, LitzenzustandEnergie, Druck, Vibration, Zeit, Positionierung, Zustand der VorrichtungMögliche PrüfungenAbmessungen, Sichtprüfung, Querschnitt, ZugkraftProzessaufzeichnungen, Sichtprüfung, Querschnitt, Zugkraft Betrachten wir zwei Kontaktkonstruktionen. Die eine verfügt über eine geschlossene Crimphülse, die für einen definierten Leiterquerschnitt ausgelegt ist; ihre Prozesskontrolle kann die Abstimmung von Draht und Crimpbacke sowie die Überprüfung der Crimphöhe umfassen. Die andere besitzt eine ebene Anschlussfläche, die für das Ultraschallschweißen ausgelegt ist, wobei die Schweißfläche, die Leiterposition und die Schweißparameter entscheidende Faktoren darstellen. Diese Konstruktionen verdeutlichen, warum die Geometrie der Verbindung die Wahl des Verfahrens bestimmt. Beide Verfahren können eine akzeptable Verbindung erzeugen, sofern Kontakt, Leiter und Verfahren aufeinander abgestimmt sind. Die fertige Baugruppe muss jedoch weiterhin die elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllen.   Widerstand und Wärme am AnschlussDer Widerstand an der Leiter-Kontakt-Verbindung trägt zur Wärmeentwicklung bei, wenn Strom durch sie fließt. Unregelmäßiger Kontakt innerhalb der Verbindung, beschädigte Litzen oder eine ungeeignete Geometrie können den Widerstand beeinflussen. Zum Beispiel ein gemeinsamer Widerstand von 0,1 mΩ bei 300 A würde sich auflösen 9 WBasierend auf P=I²RP=I²R. Dies ist eine beispielhafte Berechnung und kein Produkttestergebnis. Sie beschreibt die elektrische Verlustleistung am angenommenen Widerstand; sie sagt keinen Temperaturanstieg voraus. Die tatsächliche Temperatur hängt von der gesamten Baugruppe und deren Wärmetransport ab. Ein niedriger Anfangswiderstandswert lässt keine Rückschlüsse auf die Langzeitleistung zu. Der montierte Stecker sollte unter Bedingungen geprüft werden, die seinem vorgesehenen Einsatz entsprechen, und zwar mit einheitlichen Messmethoden und definierten Prüfpunkten.  Auswahl einer Methode für die KontaktgestaltungBeginnen Sie mit der Geometrie der Kontaktrückseite und dem Kabelleiter. Das gewählte Verfahren muss zur Größe und zum Litzenaufbau des Leiters passen, in den verfügbaren Montageraum passen und mit der Montageart des Steckverbinders kompatibel sein. Produktionsvolumen und Prozesskontrolle spielen ebenfalls eine Rolle. Crimpen und Ultraschallschweißen erfordern unterschiedliche Werkzeuge und Prozesskontrollen. Das Verfahren muss für den vorgesehenen Produktionsprozess reproduzierbar sein. Der Bemessungsstrom ist zwar ein Aspekt der Anwendung, bestimmt aber nicht allein die Anschlussmethode. Kontakt-, Leiter-, Montage- und thermische Anforderungen müssen gemeinsam betrachtet werden.  Überprüfung der fertigen VerbindungMögliche Prüfverfahren umfassen Sicht- und Maßprüfungen, Beurteilung der Crimp-Höhe bzw. der Schweißnahtfläche, Querschnittsprüfungen, Zugkraftprüfungen, Widerstandsmessungen und Temperaturanstiegsprüfungen. Die geeignete Kombination hängt von der Konstruktion der Verbindung und dem Validierungsplan ab. Diese Prüfungen beantworten unterschiedliche Fragestellungen. Eine Verbindung kann die Anforderungen an die Zugfestigkeit erfüllen, obwohl dennoch separate Widerstands- und Temperaturanstiegsprüfungen erforderlich sind. Die mechanische Haltekraft allein gibt keine Auskunft über die elektrische Leistungsfähigkeit. Zur Validierung in der Produktion können die Prüfungen nach entsprechender Alterung oder Umwelteinwirkung wiederholt werden. Akzeptanzgrenzen und Prüfbedingungen sollten für die jeweilige Kontakt- und Kabelbaugruppe definiert werden; Ergebnisse einer Konstruktion lassen sich nicht automatisch auf eine andere übertragen.  Zuordnung der Kündigung zum KontaktCrimpen und Ultraschallschweißen eignen sich beide für die Konfektionierung von Ladekabeln für Elektrofahrzeuge. Die Kontaktgeometrie und der Leiteraufbau bestimmen, welches Verfahren angewendet werden kann; Prüfungen zeigen, ob die fertige Verbindung den Anforderungen entspricht. Workersbee unterstützt kundenspezifische Ladekontakte für Elektrofahrzeuge auf Basis von Zeichnungen, Mustern oder vorhandenen Steckverbindern. Kontaktgeometrie und Anforderungen an die Leiteranschlüsse können im Rahmen des Projekts geprüft werden. Siehe Kontakte des Ladeanschlusses für Elektrofahrzeuge.

Bei vielen elektrischen Steckverbindern fällt die Versilberung in den Bereich 4–10 μm ReferenzbereichDas ist ein nützlicher Ausgangspunkt, aber keine universelle Spezifikation für Ladekontakte von Elektrofahrzeugen. Eine 5 μm dicke Silberschicht kann für einen Kontakt ausreichend, für einen anderen jedoch unzureichend sein. Das Ergebnis hängt davon ab, wo die Schichtdicke gemessen wird, wie groß die Kontaktkraft ist, wie oft der Stecker gesteckt wird und welchen Vibrationen, Temperaturen und Verunreinigungen er ausgesetzt ist. Der Stromfluss ist wichtig, da der Kontaktwiderstand Wärme erzeugt. Er lässt sich jedoch nicht direkt in eine erforderliche Dicke in Mikrometern umrechnen. Die Beschichtung muss während der gesamten erwarteten Lebensdauer mit der Kontaktstruktur zusammenarbeiten.  Was bedeutet die Angabe zur Dicke wirklich?Eine Zeichnung, die lediglich „versilbert, 5 μm“ angibt, lässt mehrere Fragen offen. Sind 5 μm der Produktionszielwert, der Durchschnittswert über das gesamte Bauteil oder der minimal zulässige Wert an der Fügefläche? Bezieht sich die Angabe nur auf die Silberschicht oder auf Silber plus eine Unterschicht? Diese Unterscheidungen sind wichtig:Nenndicke ist das Ziel, das zur Steuerung des Beschichtungsprozesses verwendet wird.Durchschnittliche Dicke wird aus ausgewählten Messungen berechnet und kann lokale dünne Stellen verdecken.Mindestdicke vor Ort ist der niedrigste zulässige Wert an einem festgelegten Messpunkt.Gesamtbeschichtungsdicke kann Kupfer, Nickel oder eine andere Unterschicht unter dem Silber enthalten. Für eine zuverlässige Kontaktierung ist die minimale lokale Silberdicke in der Kontaktzone in der Regel der nützlichste Wert. Die Galvanisierung verläuft nicht auf allen Oberflächen gleichmäßig. Kanten, exponierte Bereiche, Vertiefungen, Bohrungen und Nuten können unterschiedliche Metallmengen aufnehmen. Ein Bauteil kann die durchschnittlichen Anforderungen erfüllen, obwohl die tatsächliche Kontaktzone unter dem angestrebten Mindestwert bleibt. Auch der Schichtaufbau ist wichtig. Zwei Kontakte können zwar beide 6 μm Silber aufweisen, aber unterschiedliche Substrate oder Unterschichten verwenden. Ihre Haftung, ihr Verschleißverhalten und ihre Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen können daher unterschiedlich sein. Eine aussagekräftige Spezifikation muss daher die Beschichtungsstruktur, den Funktionsbereich, die minimale lokale Dicke und den Messort angeben.   Was passiert, wenn das Silber zu dünn oder zu dick ist?Die Silberdicke dient hauptsächlich der Abdeckung und der Verschleißfestigkeit. Eine zu geringe Dicke verringert die Zuverlässigkeit. Eine Erhöhung kann die Haltbarkeit verbessern, jedoch nur bis zu dem Punkt, an dem andere Aspekte der Kontaktkonstruktion zu limitierenden Faktoren werden. ZustandWahrscheinliche Auswirkungzu dünnSchnellerer Verschleiß, höhere Empfindlichkeit gegenüber Poren und lokalen dünnen Stellen sowie geringerer Spielraum für ProduktionsabweichungenFür den Anwendungsbereich geeignetAusreichende Abdeckung und Lebensdauer ohne unnötige Kosten oder Beeinträchtigung der AbmessungenDicker als nötigHöhere Kosten und schwierigere Maßkontrolle ohne proportionale Verlängerung der Lebensdauer   Wenn das Silber zu dünn istEine dünne Beschichtung kann die erste Kontaktwiderstandsprüfung dennoch bestehen. Die Schwäche kann sich erst nach wiederholtem Stecken oder Einwirkung von Vibrationen und Temperaturwechseln zeigen. Beim Stecken entstehen Gleitbewegungen und Materialverschiebungen an den Kontaktstellen. Selbst wenn der Stecker eingesteckt bleibt, können Vibrationen und Wärmeausdehnung mikroskopische Bewegungen zwischen den Kontaktflächen verursachen. Mit der Zeit kann diese Bewegung die Silberschicht abnutzen und die darunterliegende Schicht oder das Substrat freilegen. Lokale Dünnstellen und Poren gewinnen mit abnehmender Beschichtungsdicke an Bedeutung. Sobald das darunterliegende Material freiliegt, können Feuchtigkeit oder Verunreinigungen zur Bildung von Korrosionsprodukten in der Nähe der elektrischen Schnittstelle beitragen. Das praktische Risiko besteht nicht unbedingt in einer mangelhaften Leitfähigkeit am ersten Tag. Es besteht vielmehr darin, dass die elektrische Stabilität nachlässt, bevor der Stecker seine erforderliche Lebensdauer erreicht hat.  Wenn das Silber dicker istEine zusätzliche Materialstärke kann den Verschleiß verzögern und einen größeren Sicherheitsabstand gegenüber lokalen Schwankungen bieten. Sie ist oft von Vorteil, wenn der Kontakt häufigen Steckzyklen oder anspruchsvollen mechanischen Bedingungen standhalten muss. Der Nutzen ist nicht unbegrenzt.Eine dickere Schicht erhöht den Edelmetallverbrauch und die Verarbeitungskosten. Sie kann sich auch auf Kontaktabmessungen, Spaltmaße und Passung auswirken. Komplexe Geometrien lassen sich schwieriger gleichmäßig beschichten. Auch mehr Silber kann eine unzureichende Kontaktkraftverteilung, eine instabile Geometrie, starke Mikrobewegungen oder eine ungeeignete Beschichtungsart nicht korrigieren. Sobald einer dieser Faktoren den Versagensmechanismus bestimmt, bringt eine weitere Erhöhung der Schichtdicke kaum noch zusätzlichen Nutzen.  Warum dieselben 6 μm unterschiedliche Ergebnisse liefern könnenBetrachten Sie zwei Kontakte, die beide eine minimale Silberdicke von 6 μm vorschreiben. Der erste Kontakt zeichnet sich durch eine stabile Normalkraft, eine kontrollierte Wischwirkung, begrenzte Steckzyklen und eine relativ saubere Betriebsumgebung aus. Das zweite Bauteil wird häufig gekoppelt und ist Fahrzeugvibrationen, Temperaturschwankungen und schwefelhaltigen Verunreinigungen ausgesetzt. Seine Geometrie konzentriert die Kräfte zudem auf eine kleinere Fläche. Der zweite Kontakt weist trotz gleicher Silberdicke eine geringere Zuverlässigkeitsreserve auf. Eine Verbesserung könnte eine dickere Funktionsschicht, härteres Silber, eine bessere Kraftverteilung, eine kontrollierte Schmierung oder eine andere Unterschicht erfordern. Tests könnten zeigen, dass eine Änderung der Kontaktgeometrie effektiver ist als die zusätzliche Silberschicht. Deshalb lässt sich die Dicke nicht von der mechanischen Schnittstelle trennen.   Wovon hängt die erforderliche Dicke ab?Sechs Faktoren haben den größten Einfluss auf die endgültige Anforderung.1. Kontaktkraft und GeometrieDie Kontaktkraft bestimmt, wie sich die Kontaktflächen berühren und wo Strom durch die Grenzfläche fließt. Eine höhere Kraft kann dazu beitragen, Oberflächenfilme aufzubrechen und stabile leitfähige Bereiche zu erzeugen, kann aber auch Reibung und Verschleiß erhöhen. Die Geometrie beeinflusst die Kraftverteilung, die Wischwirkung, die Kontaktfläche und die Lage der Verschleißspur. Eine Beschichtung, die auf einer breiten, gleichmäßig belasteten Oberfläche wirksam ist, kann auf einem kleinen, hochbelasteten Kontaktpunkt ein anderes Verhalten zeigen. 2. PaarungszyklenJeder Verbindungs- und Trennvorgang verbraucht einen Teil der verfügbaren Beschichtungslebensdauer. Kontakte, die für häufigen Gebrauch vorgesehen sind, benötigen eine höhere Verschleißreserve als Kontakte, die über längere Zeiträume verbunden bleiben sollen. Die Anforderungen an den Passungszyklus sollten definiert werden, bevor die Beschichtungsdicke endgültig festgelegt wird. 3. Vibration und MikrobewegungEin vollständig gesteckter Stecker ist nicht zwangsläufig eine statische Schnittstelle. Fahrzeugvibrationen und Wärmeausdehnung können sehr kleine relative Bewegungen zwischen den Kontakten verursachen. Durch diese Reibung kann die Silberschicht allmählich beschädigt werden und der Kontaktwiderstand steigen, selbst wenn der Stecker nur selten abgezogen wird. 4. Temperatur und UmgebungDie Betriebstemperatur beeinflusst Kontaktmaterialien, Kraftrelaxation, Diffusion und Schmierstoffverhalten. Feuchtigkeit, Salz, Staub und schwefelhaltige Gase können ebenfalls die Oberflächenbeschaffenheit verändern. Ein Kontakt, der in einer geschützten Innenraumumgebung verwendet wird, unterliegt nicht den gleichen Anforderungen an die Beschichtung wie ein Kontakt, der äußeren Ladebedingungen oder industrieller Verschmutzung ausgesetzt ist. 5. Silberart und OberflächenbeschaffenheitFeinsilber, gehärtetes Silber und Silberlegierungen weisen keine identischen Eigenschaften in Bezug auf Leitfähigkeit, Härte, Reibung oder Verschleißverhalten auf. Eine härtere Beschichtung kann die Verschleißfestigkeit verbessern, aber die Schichtdicke allein erklärt diesen Vorteil nicht. Oberflächenrauheit und Schmierung können ebenfalls die Einpresskraft, den Materialtransfer und die Lebensdauer der Beschichtung beeinflussen. 6. Produktionsstreuung und ZiellebensdauerEine Spezifikation muss normale Prozessschwankungen berücksichtigen und gleichzeitig den funktionalen Kontaktbereich schützen. Wenn das Produktionsziel zu nahe an der minimal zulässigen Dicke liegt, können einzelne Bereiche die Anforderungen unterschreiten, selbst wenn der Chargendurchschnitt akzeptabel erscheint. Die Dicke sollte auch der vorgesehenen Lebensdauer entsprechen. Ein Kontakt, der für begrenzte Steckzyklen und kontrollierte Bedingungen ausgelegt ist, benötigt möglicherweise nicht dieselbe Sicherheitsreserve wie ein Kontakt, der jahrelanger häufiger Nutzung und Vibrationen standhalten soll.  Benötigen Wechsel- und Gleichstromkontakte unterschiedliche Dicken?Wechsel- und Gleichstrom bestimmen allein nicht die Silberdicke.Gleichstrom-Schnellladekontakte führen oft höhere Ströme und arbeiten unter anspruchsvolleren thermischen Bedingungen. Sie können größere Leiter, eine andere Kontaktgeometrie, Temperatursensoren oder Flüssigkeitskühlung verwenden. Diese Konstruktionsunterschiede können unterschiedliche Beschichtungsanforderungen nach sich ziehen. Der aktuelle Typ ist noch nicht der entscheidende Faktor.Ein Wechselstromkontakt, der häufigem Stecken, starken Vibrationen, geringer Kontaktkraft oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, benötigt möglicherweise eine höhere Beschichtungsbeständigkeit als ein Gleichstromkontakt, der unter stabilen Bedingungen arbeitet. Ebenso wenig muss die Beschichtungsdicke eines Hochstrom-Gleichstromkontakts automatisch proportional zur Stromstärke ansteigen.Ein hilfreicher Vergleich betrachtet Folgendes:Gleichstrom und Tastverhältnis;Zulässiger Temperaturanstieg;Kontaktkraft und Geometrie;Paarungshäufigkeit;Vibration;Betriebsumgebung;Erwartete Nutzungsdauer. Die Stromstärke definiert die thermischen Anforderungen. Mechanischer Verschleiß und Umwelteinflüsse bestimmen, wie hoch die erforderliche Beständigkeit der Beschichtung sein muss, um diese aufrechtzuerhalten.  Wie sollte die Dicke angegeben und überprüft werden?Eine praxisorientierte Anforderung an die Beschichtung sollte fünf Fragen beantworten.ErfordernisWas es kontrolliertWie ist das Substrat und der Schichtaufbau beschaffen?Es wird klargestellt, ob der Kontakt eine Unterschicht verwendet und welche Schicht gemessen wird.Wo wird Silber benötigt?Identifiziert die funktionelle Passzone und vermeidet unnötige BeschichtungenWas ist die minimale lokale Dicke?Legt die tatsächliche untere Grenze an der Kontaktfläche fest.Wo und wie wird es gemessen?Ermöglicht den Vergleich von Produktionsergebnissen zwischen Teilen und Chargen.Was muss auch nach dem Altern noch akzeptabel sein?Verknüpft die Beschichtungsspezifikation mit der Leistung des fertigen Kontakts Die Schichtdicke kann mit Methoden wie Röntgenfluoreszenzanalyse oder Querschnittsanalyse bestimmt werden. Die gewählte Methode muss die Bauteilgeometrie, die Krümmung, das Substrat und die Lage der einzelnen Beschichtungsschichten berücksichtigen. Der fertige Kontakt sollte anschließend unter Bedingungen bewertet werden, die seiner beabsichtigten Verwendung entsprechen. Zu den relevantesten Prüfungen gehören im Allgemeinen:Anfangs- und Alterungskontaktwiderstand;Temperaturanstieg bei Nennstrom;Einführ- und Rückzugskraft;Paarungsbeständigkeit;Einwirkung von Vibrationen oder Reibkorrosion;Umweltbedingte Alterung, wo erforderlich. Eine Dickenmessung bestätigt den Silbergehalt an der Messstelle. Sie beweist jedoch nicht, dass der Steckverbinder über seine gesamte Lebensdauer einen niedrigen Widerstand und eine akzeptable Temperatur beibehält. Dieser Nachweis wird durch die Prüfung des gesamten Kontaktsystems vor und nach der Alterung erbracht.   Es gibt keine universell beste DickeDer Bereich von 4–10 μm bietet einen praktischen Bezugspunkt für viele Anwendungen elektrischer Steckverbinder, sollte aber nicht zu einer festen Regel für jeden Ladekontakt von Elektrofahrzeugen gemacht werden. Zu wenig Silber verringert die Deckkraft und die Verschleißfestigkeit. Eine größere Schichtdicke kann die Haltbarkeit verlängern, ersetzt aber nicht die korrekte Kontaktkraft, Geometrie, Materialauswahl und Prozesskontrolle. Die nützlichste Spezifikation definiert die minimale lokale Dicke in der funktionalen Kontaktzone, gibt an, wo diese gemessen wird, und überprüft die elektrische Leistungsfähigkeit nach mechanischer und umweltbedingter Alterung. Workbee unterstützt kundenspezifische Anpassungen Kontakte des Ladeanschlusses für Elektrofahrzeuge für AC- und DC-Ladeanwendungen, einschließlich Kontaktgeometrie, Materialauswahl und Anschlussgestaltung.