Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von Mikrobewegungen auf Steckverbinder und deren robuste Auslegung

Die Anzahl elektrischer Steckverbindungen in Anwendungen unterschiedlicher Wirtschaftszweige nimmt stetig zu, z.B. mit steigender Anzahl an Sicherheits- und Komfortfunktionen im Automobil. Auftretende Mikrobewegungen in Steckverbindern führen jedoch oft zum Ausfall durch Oberflächenverschleiß und die nachfolgende Reibkorrosion. Die Lebensdauer hängt dabei ab von:

• Bewegungsmechanismen

• Konstruktiven Merkmalen

• Leitungseinflüssen

• Gehäusekonstruktion

Forschungsziele des Vorhabens sind Aussagen über die Relevanz einzelner mechanischer Belastungsarten (translatorisch und rotatorisch) für die Lebensdauer von Steckverbindern, die Einflüsse von konstruktiven Merkmalen und die Zuordnung der auftretenden Alterungsmechanismen.

Vorgesehen sind 4 Arbeitspakete:

1. Systemdefinition: Auswahl Steckverbinder, Analyse Schadensbilder, Versuchsplanung

2. Versuchsdurchführung: Vibrations-, Reibverschleiß- und Reibkorrosions-Untersuchungen,

Simulationen, Schadensanalyse, elektrische Charakterisierung

3. Ableitung der Schadensmodelle und Schädigungsfolgematrizen

4. Ausarbeitung von Leitfäden für Steckverbinder: konstruktive Auslegung, Auswahl und Prüfung

Angestrebte Ergebnisse:

• Leitfaden Konstruktionsanforderung (aus Anwendersicht)

• Leitfaden Auswahl und Qualifikationsprüfung

Die Neuentwicklung von Steckverbindern, aber auch die richtige Auswahl vorhandener Systeme ist sehr kostenintensiv und vor allem für KMU mit erheblichen Risiken verbunden. Eine fundierte Schadensanalyse mit Ableitung von Mechanismen ist von KMU zeitlich und finanziell kaum zu leisten. Die zu entwickelnden Leitfäden helfen, das Risiko von Fehlentwicklungen und falscher Auswahlentscheidungen zu minimieren und bereits in der Konstruktionsphase die Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen zu optimieren. Dies erhöht die Wettbewerbsfähigkeit und das Innovationspotential von Unternehmen und speziell von KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Mikrobewegungen an Steckverbindern verursachen Reibverschleiß bzw. Reibkorrosion, welches zum Ausfall des Systems führen kann. Ursächlich hierfür sind vorwiegend Vibrationen und die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Materialien. Es wurde ein Leitfaden zur robusten Auslegung von Steckverbindern in Bezug auf Mikrobewegungen und der Auswahl und Prüfung von Steckverbindern entwickelt, der es Entwicklungsingenieuren erleichtert, durch Einbaulagen und andere konstruktive Maßnahmen eine Minimierung der Auswirkung von Mikrobewegungen bereits beim Design zu berücksichtigen und durch gezielte Prüfungen die Widerstandsfähigkeit von Steckverbindern genauer zu quantifizieren.

Es stellte sich heraus, dass die Einbaulage einen entscheidenden Einfluss auf den Reibverschleiß hat. Vibrationen in Steckrichtung sind unkritischer, als Vibrationen orthogonal zur Steckrichtung. Rundkontakte sind so beschaffen, dass Bewegungen in Richtungen orthogonal zu der Steckrichtung stark eingeschränkt werden und daher bei Vibrationsbelastungen Vorteile gegenüber Flachkontakte zeigen, die die relativen Bewegungen lediglich in einer Richtung einschränken.

Bei Relativbewegungen in der Kontaktstelle durch thermische Ausdehnungen zeigt sich, dass es am ungünstigsten ist, wenn diese Relativbewegung vorwiegend in Steckrichtung auftritt. Besser ist es, wenn diese orthogonal auf die Steckverbinder wirkt. Daraus resultiert ein Gieren und Nicken der Kontakte, welches bei Versuchen den Verschleiß im Vergleich zur Bewegung in Steckrichtung (Gleiten) deutlich reduziert. Bei der Auswahl des Materials für den Kontaktträger bzw. das Gehäuse sollten Materialpaarungen möglichst vermieden werden, bei denen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr unterschiedlich ausfallen.