Fahrzeugsteckverbindungen
Im Folgenden haben wir einige Informationen über Fahrzeugsteckverbinder zusammengetragen, um Interessenten einen Einstieg in diese Welt zu ermöglichen und zu helfen die Begrifflichkeiten dieses Themas zu ordnen und mit Inhalt zu füllen. Man mag es zunächst nicht glauben, aber das Thema Steckverbinder ist sehr umfangreich und im Sinne des Wortes eine Wissenschaft für sich. Die Grundsätzlichen Elemente, deren Namen, Funktion und Zusammenhänge wollen wir hier jedoch verständlich darstellen. Tipps zur Erweiterung oder Verbesserung dieser Zusammenstellung sind herzlich willkommen!
Grundlagen
Steckverbinder dienen zum Trennen und Verbinden von Leitungen. Sie werden eingesetzt, um Bauteile oder Baugruppen elektrisch und mechanisch zu Funktionseinheiten zusammenzufügen beziehungsweise diese voneinander zu trennen. Eine Steckverbindung besteht prinzipiell aus zwei Steckverbinderhälften, die beim Steckvorgang zusammengefügt werden. Eine Steckverbinderhälfte enthält die weiblichen Kontakte, auch Buchsenelemente genannt, die andere Steckverbinderhälfte die männlichen Kontakte, auch Messer- oder Stiftelemente genannt. Über vorwiegend metallische Kontakte wird die elektrisch leitende Verbindung hergestellt. Der Kontaktträger bzw. das Steckerverbindergehäuse wirkt dabei als Isolierkörper [1].
Soviel zu den Gemeinsamkeiten der Steckverbinder. Was unterscheidet nun ein Fahrzeugsteckverbinder von Steckverbindern, die Beispielsweise in der Industrieautomatisierung, in der Unterhaltungselektronik oder in der Telekomunikation eingesetzt werden?
Besonderheiten der Fahrzeugsteckverbinder
Fahrzeugsteckverbinder unterscheiden sich von anderen Steckverbindern im Wesentlichen durch die Erfüllung hoher Zuverläßigkeitsanforderungen. Neben den widrigen Umwelteinflüssen im Betrieb des Fahrzeugs (hohe Temperaturen, Vibrationen, Benetzung oder Überflutung mit Wasser, Öl, Bremsflüssigkeiten, Reinigungsmitteln bzw. Dampfstrahlreinigung) sind sie rauer Behandlung in der Montage ausgesetzt und müssen auch in schwierigen Einbauverhältnissen steck- und lösbar sein. Eine wesentliche Herausforderung der Hersteller ist damit die Steckverbinder so zu gestalten, dass trotz steigender Zahl von eingesetzten Kontakten pro Fahrzeug, praktisch keine Störungen von diesen Ausgehen. Diese Anforderungen haben sowohl im Bereich der Kontakte als auch im Bereich der Gehäuse zu sehr spezifischen und damit vielfältigen Lösungen geführt [2].
Wire-to-wire Steckverbinder
Bei dieser Art der Steckverbindung werden sowohl die männlichen als auch die weiblichen Kontakte mit einem Kabelsatz verbunden. Sie werden beispielsweise eingesetzt, um Teilkabelbsätze vom Hauptkabelsatz zu trennen bzw. zu verbinden und werden deshalb auch als "Inline" Steckverbinder bezeichnet. Teilkabelsätze sind zum Beispiel Leitungen zum Anschluss von Fensterhebermotoren die in Fahrzeugtüren verbaut werden. Die Serie Metri-Pack 150 ist ein typischer Vertreter dieses Stecker-Typs. (Bild links Delphi 12052641).
Synonyme: Wire-to-wire Steckverbinder, Inline Steckverbinder
Board-to-wire Steckverbinder
Diese Art der Steckverbindung dient dem Anschluss von Leiterplatten. In der Regel wird die männliche Steckerseite, auch PCB Header genannt, auf die Leiterplatte montiert. Die weibliche Steckverbinderhälfte wird mit dem Kabelsatz verbunden. Eine typische Anwendung dieser Steckverbinder ist z.B. der Anschluss von Motorsteuergeräten. Die Delphi Serie Micro-Pack 100W Header Unsealed entspricht diesem Steckverbindertyp. (Bild links Delphi 12110323).
Synonyme: Board-to-wire Steckverbinder, PCB-Header
Gerätestecker
Bei diesem Steckverbindungstyp ist eine Steckerseite integraler Bestandteil eines „Gerätes“. In der Regel ist die männliche Steckerseite integriert, die weibliche Seite wird mit dem Kabelsatz verbunden. Oft werden die integrierten männlichen Seiten nicht als Wire-to-Wire Steckergehäuse von den Herstellern angeboten, zum Ärgernis vieler Entwickler, die diese Stecker für Testaufbauten benötigen. Beispiele für die genannten „Geräte“ in Fahrzeugen sind Sensoren. Die Metri-Pack 150.2 Pull-To-Seat Serie von Delphi sind Gerätestecker. (Bild links Delphi 12162852).
Synonyme: Gerätestecker, Device Connectors
Komponenten von Fahrzeugsteckverbindern und deren Funktionen
Im Folgendem Abschnitt stellen wir die grundsätzlichen Elemente von Fahrzeugsteckverbindern, deren Synonyme, Funktionen und Zusammenhänge dar. Auch sind Tipps zur Erweiterung oder Verbesserung dieser Zusammenstellung sind herzlich willkommen!
Kontaktgehäuse / Gehäuse
Das Kontaktgehäuse, kurz Gehäuse, dient der Aufnahme der Einzelkontakte. Es ist aus isolierendem Kunststoff hergestellt und sichert durch seine äußere Form die Passfähigkeit mit entsprechenden Gegenstücken. Man unterscheidet weibliche Gehäuse, auch Buchsengehäuse genannt, und männliche Gehäuse, auch Stiftgehäuse genannt. Weiter unterscheidet man zwischen gedichtet und ungedichteten Gehäusen. In gedichteten Gehäusen ist in der Regel eine Radialdichtung verbaut, welche ein Eindringen von Flüssigkeiten in den Kontaktraum verhindert. Sie wirkt zwischen dem Stift- und Buchsengehäuse [2].
Sollen Fehlsteckungen ausgeschlossen werden, kann auf Kontaktgehäuse mit verschiedenen Codierungen zurückgegriffen werden. Codierungen werden durch Formelemente an den Gehäusen, wie Nasen oder Rasthaken, erreicht. Die Form der zusammenzuführenden Flächen eines Gehäuses wird auch als Steckgesicht bezeichnet. Bei Gehäusen des Herstellers Delphi Connection Systems unterscheidet man Gehäuse mit unterschiedlicher Codierung leicht an der unterschiedlichen Färbung. Die Gehäuse auf den nebenstehenden Bildern sind Beispiele für Gehäuse mit unterschiedlichen Codierungen. (Links Delphi 12059181, rechts Delphi 12059183)
Synonyme: Gehäuse, Kontaktgehäuse, Steckerverbindergehäuse, Kontaktträger, Buchsen-/Stiftgehäuse
Sekundärverriegelungen / TPA (Terminal Position Assurance)
Die Kontakte werden in der Regel von Hand in die Gehäuse montiert. Dabei muss jeder an eine Leitung gecrimpte Kontakte ganz in die Kammer des Gehäuses eingeschoben werden, damit er richtig verrastet. Die Einschiebekraft variiert toleranz- und konstruktionsabhängig. Bei flüchtiger Arbeitsweise könnte schon mal ein nicht verrasteter Kontakt ausgeliefert werden. Wenn man bedenkt, dass eine im Akkord arbeitende Person maximal einen Fehler in drei Monaten machen darf, um die Fehlerquote 10 ppm nicht zu überschreiten, erkennt man, dass hier eine potentielle Fehlerquelle liegt [2].
Um sicherzustellen, dass die Kontakte richtig in die Gehäuse eingerastet sind, werden sogenannte Sekundärverriegelungen eingesetzt. Bei den Sekundärverriegelungen gibt es, je nach Gehäuse und Kontaktform, verschiedene Prinzipien die zum Einsatz kommen. Alle Prinzipien detektieren, ob ein Kontakte in Endstellung ist oder nicht. Einige Prinzipien erhöhen außerdem die Kontaktausreißkraft, sodass Sie gleichzeitig als Zugentlastung dienen [2]. Die nebenstehenden Bilder zeigen zwei Sekundärverriegelungen unterschiedlichen Prinzips.
(Bild Links Delphi 12059185, rechts Delphi 12010582)
Synonyme: Sekundärverriegelung, Sekundärsicherung, TPA, Zugentlastung
Gehäuseverriegelung / CPA (Connector Position Assurance)
Die Steckverbinderhälften werden von Hand zu einer Steckverbindung gefügt. Die dazu benötigte Steckkraft variiert nach Polzahl, Kontakt- und Gehäuseausführung. Sind die Steckergehäuse nicht vollständig zusammengefügt, kann zwar der elektrische Kontakt hergestellt, die Dichtheit und Vibrationsfestigkeit der Steckverbindung jedoch beeinträchtigt sein und zu Ausfällen im Betrieb führen. Um sicherzustellen, dass die Steckergehäuse richtig verrastet sind, werden Gehäuseverriegelungen eingesetzt. Auch hier kommen unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz, die jedoch alle die korrekt geschlossene Steckverbindung quittieren und ungewolltes Lösen der Steckverbindung verhindern.
(Bild links Delphi 12020833)
Synonyme: Gehäuseverriegelung / CPA
Einzeladerdichtungen
Einzeladerdichtungen umschließen den Einzelleiter und dichten die Polkammer leitungsseitig gegen äußere Einflüsse ab. Sie werden mit dem Kontakt an die Einzelleitung gecrimpt und in die Polkammer geführt. Je nach Hersteller und Serie weisen die Einzeladerdichtungen zwei oder drei Dichtlamellen auf, die von innen gegen die Kammerwand wirken. Je nach Hersteller und Serie sind die Dichtungen unterschiedlich stark mit einem Silikonöl benetzt. Das Öl wirkt unterstützend bei der Montage der Dichtungen und macht wenige Prozent des Eigengewichtes der Dichtungen aus.
(Bild links Delphi 12015899)
Synonyme: ELA, Einzelleiterdichtung
Blockdichtungen
Blockdichtungen erfüllen die gleiche Funktion wie Einzeladerdichtungen. Sie dichten die Polkammer leitungsseitig gegen äußere Einflüsse ab. Im Unterschied zu Einzeladerdichtungen weisen Blockdichtungen mehr als eine Öffnung auf, durch die jeweils eine Leitung durchgeführt wird. Blockdichtungen dichten somit mehrere Kammer leitungsseitig ab. Blockdichtungen werden nicht mit den Kontakten vercrimpt sondern sind bei Auslieferung bereits im Gehäuse montiert oder werden bei Montage des Gehäuses verbaut.
(Bild links Delphi 12110489)
Synonyme: Blockdichtung, Sammeldichtung, Familiendichtung, Multiple Cable Seal
Blindstopfen
Blindstopfen werden zum Schließen nicht benutzter Polkammern verwendet, um diese zu schützen und abzudichten. Das Einsetzen der Blindstopfen kann von Hand erfolgen. Die Oberkante des Blindstopfen sollte sich nach Einsetzten mindestens 2 mm tief in der Kammer befinden. Zur Demontage kann der Stopfen mit einem schmalen Schraubendreher, welcher durch die Kontaktkammer passt, wieder herausgedrückt werden.
Das Bild links zeigt exemplarisch einen Blindstopfen.
(Bild links Delphi 12010300)
Synonyme: Blindstopfen, Stopfen, Cavity Plug
Aufbau von Steckverbinderkontakten
Die Kontakte haben je nach „Geschlecht“ einen Kontaktstift oder eine Kontaktbuchse. Die Kontaktbuchse besitzt ein oder mehrere Federelemente, die steckseitig eine trichterförmige Öffnung bilden. Die trichterförmige Öffnung erleichtert das Finden und Einführen des Kontaktstiftes. Der Kontaktstift, dessen Spitze zur Verbesserung des Steckverhaltens im einfachsten Falle angeschrägt ist, wird zwischen die Federelemente gesteckt. Ineinander gesteckte Stifte und Buchsen werden als Kontaktzone bezeichnet. Während des Steckvorgangs gleitet die Feder über die Schräge der Stiftspitze und wird dabei elastisch verformt, so dass die für die elektrische Kontaktierung erforderliche Andruckkraft entsteht. Vielfach wird diese in der Kontaktzone wirkende Andruckkraft als Kontaktnormalkraft bezeichnet. Diese ist eine grundlegende Einflussgröße für die elektrische Verbindung der Steckpartner. Die Kontaktbuchse und der Stift werden von einem Kontaktkörper getragen, der im Anschlussbereich mündet [1]. Im Anschlussbereich wird die Leitung angecrimpt. (Bild links 12103881, rechts 12045773)
Synonyme: Kontakt, Einzelkontakt, Pin, Stift / Buchse, Stiftkontakt / Buchsenkontakt, Buchsenelement / Messer- oder Stiftelemente
Funktionelle Kenngrößen von Steckverbinderkontakten
Kontaktdurchgangswiderstand:Der Kontaktdurchgangswiderstand ergibt sich aus der Summe folgender Einzelwiderstände:
- Stift- und buchsenseitiger Anschlußwiderstand: Ist abhängig von der Verbindungsart (z.B. Crimpen, Löten etc.) und dessen Verarbeitungsqualität. Um möglichst niedrige Anschlußwiderstände bei Crimpverbindungen zu erreichen, sollte unbedingt die jeweils vorgeschriebene Leitungsart und –querschnitt angeschlagen und die korrekte Verwendung der vorgeschriebenen intakten Crimpzange eingehalten werden. Zu jedem Crimpkontakt bieten die Hersteller in der Regel eine Crimpspezifikation an, in denen die korrekten Verarbeitungsparameter hinterlegt sind. Diese können gerne auch bei uns angefragt werden.
- Stift – und buchsenseitiger Widerstand des Kontaktkörpers: Eine kurze Baulänge, große Querschnitte sowie die Verwendung von Werkstoffen mit hoher Leitfähigkeit für Buchse und Stift sichern einen niedrigen Widerstandswert des Kontaktkörpers.
- Kontaktwiderstand der Kontaktierungszone: Der Kontaktwiderstand der Kontaktierungszone setzt sich zusammen aus dem Enge- und Fremdschichtwiderstand. Der Engewiderstand sinkt mit steigender Kontaktfläche zwischen Stift- und Buchsenkontakt, steigender Kontaktnormalkraft und steigender elektrischer Leitfähigkeit der Oberflächenbeschichtung des Kontaktpaares. Zwischen dem Kontaktpaar bildet sich je nach Oberflächenbeschichtung korrosionsbedingt eine Deckschicht ab, die auch als Fremdschicht bezeichnet wird. Diese weißt ebenfalls einen Widerstand auf, der vom Oberflächenmaterial des Kontaktes abhängt. Beim Stecken und Lösen der Kontakte kann diese Deckschicht durch die Wirkung der Kontaktnormalkraft wieder zerstört werden [1].
Strombelastbarkeit: Die Strombelastbarkeit ist neben dem Kontaktdurchgangswiderstand eine der wesentlichen elektrischen Kenngrößen von Steckverbinderkontakten. Die Strombelastbarkeit wird in Ampere [A] angegeben und ist durch die Erwärmung begrenzt, die sich infolge des Stromflusses ergibt. Verantwortlich für die Erwärmung des Kontaktes ist der Kontaktdurchgangswiderstand. Aus physikalischer Sicht sind für die Strombelastbarkeit die Prozesse der Wärmeerzeugung und der Wärmeabfuhr dominierend, die in der Kontaktzone, im Kontaktkörper, im Anschlussbereich und im Gehäuse ablaufen und von diesem beeinflusst werden [1].
Steck- und Ziehkraft: Die benötigte Steck- und Ziehkraft zum Fügen bzw. Trennen der Steckverbinderhälften wird im Wesentlichen bestimmt aus der Summer der Steckkräfte der Einzelkontakte. Die Gehäusereibung spielt meist eine untergeordnete Rolle. Insbesondere bei hochpoligen Steckverbindern werden möglichst geringe Steck- und Ziehkräften angestrebt, um die manuelle Bedienbarkeit zu gewährleisten und das Risiko einer Beschädigung der Baugruppe bei zu hoher Krafteinwirkung während des Steckens bzw. Ziehens einzuschränken. Die Steckkräfte der Einzelkontakte werden beeinflusst durch die Form der Einführungskontur sowie der Oberflächenrauheit, Schichtdicke und Härte der Kontakte [1].
Werkstoffe für Steckverbinderkontakte
Basiswerkstoffe: Vom Werkstoff für Steckverbinderkontakte wird eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit gefordert, um die Stromerwärmung, welche die maximale Strombelastbarkeit begrenzt, möglichst klein zu halten. Aus diesem Grund werden für den Basiswerkstoff Kupfer und seine Legierungen favorisiert. Die Anforderungen an die Kupferwerkstoffe resultierend aus den Einsatzbedingungen der Kontakte und dem Trend zur Miniaturisierung führten zu einem Generationswechsel bei den Werkstoffen vom Kupfer-Zink (z.B. CuZn30) und der Zinbronze (z.B. CuSn4) zu den Kupfer-Nickel-Silzium-Legierungen.
Die CuNiSi-Legierungen zeigen gegenüber den traditionellen Werkstoffen hinsichtlich Festigkeit, Relaxationsverhalten und Leitfähigkeit ein deutlich verbessertes Verhalten. Sie ermöglichen somit Kontaktsysteme mit erhöhter Stromtragfähigkeit und Grenztemperatur [1].
Beschichtungen: Zur Vermeidung von Korrosion und Deckschichtbildung werden die Basismaterialien der Kontakte galvanisch beschichtet. Als Beschichtungswerkstoffe kommen Edelmetalle wie Gold und Silber sowie Nicht-Edelmetalle wie Zinn zum Einsatz.
Goldbeschichtungenkommen zum Einsatz bei:
- extremen elektrischen Bedingungen: kleiner Bereich zulässiger Kontaktwiderstandsänderungen, Übertragung von Signalen mit kleinem Strom- und Spannungspegel, dynamischem Betrieb mit hohen Datenübertragungsraten.
- extremen Umgebungsbedingungen: hohe Schadstoffkonzentration und Feuchte, hohe Temperatur über 150°C, hohe Steckhäufigkeit, hohe Vibrationsbeanspruchung.
- extreme Zuverlässigkeitsanforderungen: Lange Lebensdauer, niedrige Fehlerrate.
- Kontaktsystem mit niedrigen Kontaktnormalkräften
Silberbeschichtungenkommen zum Einsatz
- bei Hochstromkontakten,
- bei einer Steckhäufigkeit von 20 bis 50,
- wenn Reiboxidation unterbunden werden soll,
- wenn die maximale Einsatztemperatur zwischen 140°C – 160°C liegt.
Zinnbeschichtungenwerden am häufigsten eingesetzt und zwar wenn:
- die Steckhäufigkeit zwischen 10 und 20 liegt
- und die maximale Einsatztemperatur 130°C – 150°C nicht überschreitet [1].
Literaturverzeichnis
[1] Volker Behrens: Elektrische Kontakte – Werkstoffe, Gestaltungen und Anwendungen in der Nachrichten-, Automobil- und Energietechnik. expert Verlag, Renningen 2010, S.106 f.
[2] Günter Knoblauch: Steckverbinder – Systemkonzepte und Technologien. expert Verlag, Renningen 2002, S.211