DE102009038062A1

DE102009038062A1 - Verbindungsbauteil für elektrische Leiter sowie Verfahren zur Ummantelung eines solchen Verbindungsbauteiles

Info

Publication number: DE102009038062A1
Application number: DE102009038062A
Authority: DE
Inventors: Andreas Nass; Klaus Dr. Franken; Gerd Viertel
Original assignee: Harting Electric GmbH and Co KG
Current assignee: Harting Electric Stiftung and Co KG
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP2013502670A; US20120149241A1; EP2467903B1; WO2011020465A1; ES2581569T3; CA2771748C; CN102474035B; JP5602857B2; US8702450B2; DK2467903T3; DE102009038062B4; DE102009038062A8; EP2467903A1; PL2467903T3; HUE029407T2; CA2771748A1; CN102474035A

Abstract

Es wird vorgeschlagen, ein von einem ersten Gehäuse (1) gebildetes Verbindungsbauteil, in dem elektrische Bauteile angeordnet sind, die mit nach außen wirkenden Kupplungselementen (10) verbunden sind, mit einer isolierenden Hülle zu ummanteln. Dazu wird das erste Gehäuse (1) von einem zweiten Gehäuse (16) umgeben, wobei die Kupplungselemente (10) auch durch entsprechende Öffnungen des zweiten Gehäuses (16) hindurchgeführt sind, und der Raum zwischen den beiden Gehäusen mit einer Polyurethan-Kunststoffmasse umgossen wird. Nach dem Aushärten weist der so gebildete Gehäusemantel (20) bei nur einem Arbeitsgang bereits eine identisch nachgebildete Form des zweiten, äußeren Gehäuses (16) auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungsbauteil zur Kontaktierung von mit Kontaktelementen versehenen elektrischen Leitern, die in komplementären Kupplungselementen in einem das Verbindungsbauteil bildende Gehäuse sowie in einem zu kontaktierenden Steckverbinder gehalten sind.
Ein derartiges Verbindungsbauteil wird benötigt, um eine Kupplung von mindestens zwei elektrischen Kabeln oder Leitungen mit deren Steckerverbinder zu ermöglichen. Auch ist ein solches Verbindungsbauteil nötig, um eine oder mehrere Verzweigungen in einem Verbindungspunkt zweier Kabel oder Leitungen einzubringen. Dabei ist die volle elektrische und mechanische Funktionsfähigkeit der sich im Verbindungsbauteil befindlichen Kupplungen zu gewährleisten. Zudem sollen die Verbindungen vor Umwelteinflüssen wie zum Beispiel Feuchtigkeit und Verschmutzung geschützt werden.
Stand der Technik
Eine aus der Praxis bekannte Vorgehensweise ist es, die gesamte Baugruppe mit Anschlüssen, Verbindungen und inneren Bauteilen mit einem aushärtenden Vergussmaterial zu einem Block zu vergießen oder zu umspritzen.
Die US 6,428,357 beschreibt einen elektrischen Steckverbinder mit einem Grundgehäuse, das in einem ersten Arbeitsgang mit einem thermoplastisch, elastischem Material umspritzt wird.
Erst mit einem zweiten Arbeitsgang wird eine endgültige und formgetreue Umspritzung inklusive einer Zugentlastung für ein angeschlossenes elektrisches Kabel vorgenommen.
Aus der DE 10 2006 056 258 A1 ist eine Baugruppe aus elektrischen und elektronischen Bauteilen bekannt, die mit einem aushärtenden, elektrisch isolierenden Vergussmaterial in einem Gehäuse vergossen ist und sich dadurch auszeichnet, dass an dem Gehäuse mindestens ein von außerhalb des Gehäuses zugänglicher, sich zumindest geringfügig in das Gehäuse erstreckender Anschluss vorgesehen ist, der elektrisch mit der Baugruppe verbunden und von innen gemeinsam mit der Baugruppe Vakuumvergossen ist.
Aus der DE 32 48 715 A1 ist ein elektrisches Schaltgerät bekannt, mit einem Gehäuse, in dem mindestens ein Verbindungsmittel und elektrische Schaltelemente tragender Aufnahmekörper angeordnet ist, aus dem mit zugehörigen Verbindungsmitteln verbundene Stecker abgedichtet herausragen, und dass der den Aufnahmekörper mit sämtlichen Schaltelementen und Steckeranschlüssen aufnehmende Gehäuseteil zumindest teilweise mit einer Gießmasse gefüllt ist.
Das Umspritzen von Steckverbindern ist durchaus Stand der Technik, dabei werden kontaktierende Elemente mit elektrischen Leitern bzw. elektrischen Kabeln, in eine entsprechende Form eingefügt und mit einem elektrisch nichtleitenden, isolierenden Kunststoff umspritzt. Zu diesem Spritzvorgang sind Kunststoffe erforderlich, die je nach Kunststoff bei etwa 180–400°C mit einem Druck von 15–400 bar in eine entsprechende Form mit den darin gehaltenen Elementen eingespritzt werden.
Nachteilig wirkt sich bei diesen Verfahren aus, dass beim Vergießen und Füllen oder Umspritzen von gesamten Baugruppen ein großes Volumen an Vergussmaterial verwendet werden muss. Dies kann zu Entlüftungsproblemen im Niederdruckspritzverfahren führen, wenn eine ausreichende Entlüftung des Werkzeuges aufgrund einer komplexen Kontur des Bauteiles nicht möglich ist.
Das große Luftvolumen, das durch die eingespritzte Vergussmasse verdrängt wird, kann unter Umständen nicht entweichen und es entstehen unvermeidbare Lufteinschlüsse die zu funktionalen und/oder optischen Einschränkungen führen können.
Ebenso ist eine Verformung solch großer Materialvolumina durch Schwindungsvorgänge während des Abkühlprozesses nicht auszuschließen.
Ein weiterer Nachteil bei einem massiven Verguss solcher Baugruppen kann sein, dass die Funktionsfähigkeit einzelner, mechanischer Bauteile durch ein Eindringung von Vergussmasse eingeschränkt oder nicht mehr gegeben ist.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungsbauteil zu beschreiben, bei dem in einem mit Kupplungselementen ausgestatteten Gehäuse elektrische und/oder elektronische Bauteile und deren Verbindungen angeordnet sind, die vor Umwelteinflüssen zu schützen sind, in dem eine Ummantelung aus einem Kunststoff in einem einzigen Arbeitsgang zu einer endgültigen, gebrauchsfertigen Formgebung aufbringbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verbindungsbauteil ein erstes Gehäuse aufweist, das einen Hohlraum bildet, in dem elektrische Bauteile sowie elektrische Verbindungselemente angeordnet sind, dass aus dem ersten Gehäuse elektrische Kontakte aufnehmende Kupplungselemente herausragen, dass das erste Gehäuse von einem dieses umhüllenden äußeren Gehäusemantel umgeben ist, und dass der äußere Gehäusemantel mittels eines einzigen Verguss-Arbeitsganges die endgültige äußere Form des Verbindungsbauteiles bildet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2–8 angegeben.
Die Aufgabe wird weiterhin verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass in einem ersten, inneren Gehäuse miteinander verbundene, elektrische Bauelemente und Kontaktelemente, in nach außen wirkenden elektrischen Kupplungselementen gehalten sind, dass das erste Gehäuse in ein dieses umgebendes, zweites Gehäuse eingefügt wird, wobei das erste Gehäuse beabstandet von dem zweiten Gehäuse gehalten ist, und dass das erste Gehäuse mit einer den Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuse auffüllenden Kunststoffmasse umgossen wird, wobei nach dem Auffüllen und Aushärten der Kunststoffmasse das zweite umgebende Gehäuse entfernt wird, wobei das erste Gehäuse mit dem umgebenden Gehäusemantel der aufgefüllten Kunststoffmasse eine Einheit bilden, und die endgültige Form des Verbindungsbauteiles aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung für das Verfahren ist im Anspruch 10 und 11 beschrieben.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verbindungsbauteil, welches benötigt wird, um zwei oder mehr elektrische Leiter oder Kabel miteinander zu verbinden. Das Verbindungsbauteil weist mindestens zwei Kupplungselemente mit darin gehaltenen Kontaktelementen auf, eine Vorrichtung zur Kontaktierung der Kontaktelemente untereinander und ein Gehäuse, welches die Kupplungselemente aufnimmt.
Die anzuschließenden elektrischen Leiter verfügen an ihren Verbindungsenden über Steckergehäuse mit darin gehaltenen Kontaktelementen, die komplementär zu den Kontaktelementen im Verbindungsbauteil sind. Die Kontaktierung der Kontaktelemente geschieht durch eine Verbindung des jeweiligen, komplementären Steckers mit den Kupplungselementen im Verbindungsbauteil.
Das Gehäuse, welches den Körper des Verbindungsbauteiles bildet, besteht aus mehreren Teilen, vorzugsweise aus zwei Einzelteilen. Das erste Gehäuse stellt einen Grundkörper dar, und wird von einem äußerer Gehäusemantel umhüllt, wobei der äußere Gehäusemantel die endgültige Form des Verbindungsbauteiles darstellt.
Das Gehäuse wird vorzugsweise aus zwei vorgefertigten Gehäuseteilen zusammengesetzt. In Aussparungen der vorgefertigten Gehäuseteile werden die Kupplungselemente zum Anschluss der anzuschließenden Leiter eingesetzt. Die sich in den Kupplungselementen befindlichen Kontaktelemente werden in dem Hohlraum, den die zwei vorgefertigten Gehäuseteile bilden, miteinander verbunden und elektrisch kontaktiert.
In einer bevorzugten Ausbildungsform sind die vorgefertigten Gehäuseteile mit Rastmitteln versehen, die verhindern, dass nach dem Zusammenfügen der einzelnen Gehäuseteile, diese wieder auseinander fallen.
Der äußere Gehäusemantel, welcher einen Schutz vor Umwelteinflüssen für das Verbindungsbauteil bildet, wird nach dem Zusammenfügen der inneren Gehäuseteile direkt auf das erste Gehäuse aufgebracht.
Hierzu wird zweckmäßig die gesamte Struktur des ersten, inneren Gehäuses von außen mit dem Gehäusemantel aus einem niedrig viskosen Kunststoff umgossen. Lediglich die aus dem ersten Gehäuse herausragenden Kupplungselemente werden ausgespart um eine Kontaktierung dieser zu gewährleisten.
Der Gehäusemantel besteht vorzugsweise aus einem niederviskosen, reaktiven Kunststoff, der um das erste, innere Gehäuse gegossen wird – also den Hohlraum zwischen dem äußeren und dem inneren Gehäuse.
Hier hat sich Polyurethan als besonders geeignet erwiesen, da durch die niedrige Viskosität und das gute Fliessvermögen dünne Wandstärken sowie Unterschiede der Wanddicken und eine gute Abformbarkeit von Gehäusebesonderheiten, wie z. B. für ein Logo erzielen lässt.
Ein weiterer Vorteil von Polyurethan ist die schnelle Reaktionszeit, die benötigt wird um das Verfahren wirtschaftlich durchführen zu können.
Die Reaktionszeit kann nochmals erheblich verkürzt werden, wenn das sogenannte RIM-Verfahren (Reaction Injection Moulding) zum Einsatz kommt, da mittels dieses Verfahrens die Abbindezeit nur wenige Sekunden beträgt.
Im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Verfahren wird bei der hier vorgestellten Verfahrensweise für das Umgießen eines Gehäuses vorteilhaft mit Polyurethan lediglich ein Temperaturbereich von 60°C–90°C, bevorzugt 80°C und ein geringer Überdruck von 1–5 bar, bevorzugt 3 bar benötigt. Dieser Temperatur- und Druckbereich erweist sich vor Allem im Hinblick auf zu verbauende elektronische Bauteile als besonders vorteilhaft.
In einer zweckmäßigen Ausbildungsform verfügen die vorgefertigten Gehäuseteile an ihrer Verbindungsebene über eine Labyrinthstruktur. Diese verhindert normalerweise das Einringen von Vergussmasse beim Vergießen des ersten Gehäuses mit dem äußeren Gehäusemantel.
Dabei kann die Labyrinthstruktur eine vorteilhafte Konstruktion mit Öffnungen umfassen, die ein kontrolliertes Eindringen der Vergussmasse ins Gehäuseinnere bewirken, so dass beim Gießvorgang Lufteinschlüsse innerhalb des Gehäusemantels vermieden werden.
Bei den zu verbindenden Kontaktstrukturen kann es sich neben elektrischen Verbindungen auch um Lichtwellenleiter oder auch um pneumatische oder sonstige Verbindungen handeln, die zur Übertragung jeglicher Signale vorzusehen sind.
Dementsprechend sind die im Verbindungsbauteil verwendeten Kontakt- und Kupplungselemente entsprechend der Art des zu übertragenden Mediums zu wählen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, eine direkte Kabelanbindung an das Verbindungsbauteil anzufügen.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines montierten, ersten Gehäuses mit Kupplungselementen;
2 eine perspektivische Ansicht eines geöffneten, aus zwei Halbschalen gebildeten ersten Gehäuses;
3 eine Detailansicht einer Labyrinth-Verbindung;
4 eine Detailansicht eines Kupplungselementes und des ersten Gehäuses;
5 ein erstes und zweites Gehäuse, teilweise geschnitten mit eingelagerter Vergussmasse;
6 ein mit einem Gehäusemantel umgossenes Verbindungsbauteil,
7a ein Verbindungsbauteil mit einem angefügten elektrischen Kabel in einer Schnittdarstellung, und
7b das Verbindungsbauteil aus 7a in einer perspektivischen Darstellung.
In der 1 ist ein Verbindungsbauteil zur Kontaktierung von mit Kontaktelementen versehenen elektrischen Leitern dargestellt.
Das Verbindungsbauteil zeigt ein erstes Gehäuse 1, das hier aus zwei Schalenelementen 3, 5 gebildet ist und in deren Innenraum lediglich eine Verbindung der hier gezeigten drei Kupplungselementen 10 enthalten ist oder auch eine elektrische/elektronische Schaltung, mit einer Verbindung an die nach außen wirkenden Kupplungselemente 10, in denen wiederum Kontaktelemente 12 angeordnet sind. Außerdem sind hier noch Befestigungsöffnungen 18 an einigen Eckbereichen des Gehäuses erkennbar.
Die 2 zeigt das Verbindungsbauteil, wobei die beiden Schalenelemente 3, 5 des ersten Gehäuses 1 geöffnet sind, so dass ein Blick auf die hier an drei Seiten des Gehäuses eingefügten Kupplungselemente 10 und auf eventuelle hier nicht gezeigte innere Verbindungen möglich ist.
Daraus ist zunächst ableitbar, dass auch in Zusammenhang mit den eingefügten Kupplungselementen 10 das erste Gehäuse 1 keine absolute Dichtheit gegenüber der Außenwelt aufweist.
Das erste Gehäuse 1 hat die Aufgabe eine grobe Form zu halten, auf die ein endgültiger Gehäusemantel 20 aufgegossen wird.
Eine detaillierte Darstellung aus dem Verbindungsbereich der beiden Schalenelemene des Gehäuses ist in der 3 gezeigt.
Dabei sind die beiden Schalenelemente 3, 5 mittels einer so genannter Labyrinthdichtung 7 an ihren Berührungskanten miteinander verbunden, so dass zum einen eine gewisse Stabilität und zum anderen zunächst ein einfaches Eindringen der später zu umgießenden Masse verhindert wird.
Jedoch kann diese Labyrinthdichtung so konzipiert sein, auch gezielt Vergussmasse ins Gehäuseinnere gelangen zu lassen.
Nahezu unvermeidbar sind jedoch Öffnungen zwischen dem Gehäuse 1 und den Kupplungselementen 10, wie dies in einer Detailansicht der 4 gezeigt ist. Ein derartiger Spalt 14 zwischen dem Kragen 9 und dem Kupplungselement 12 kann gezielt für eine Entlüftung der Vergussmasse 20 eingesetzt werden, um Lufteinschlüsse im Bereich des Gehäusemantels beim Vergießen zu vermeiden.
In der 5 ist ein erstes Gehäuse 1 und ein zweites Gehäuse 16 in gestaffelten Schnitten dargestellt, so dass das innere erste Gehäuse 1 ersichtlich ist, der umgossene Gehäusemantel 20 sowie das zum Umgießen erforderliche äußere, zweite Gehäuse 16. Das äußere Gehäuse 16 ist als Werkzeugteil ausgebildet, mit hier nicht gezeigten entsprechenden Verbindungen zu der zu umgießenden Masse.
Ein mit der Vergussmasse 20 fertig umgossenes Verbindungsbauteil, das keinerlei Nacharbeitung mehr erfordert, ist in der 6 gezeigt, wobei das Gehäuse 1 Kupplungselemente 10 mit Verriegelungsbügeln 13 aufweist, sowie ebenfalls ummantelte Halteösen 18.
In einer weiteren Ausbildung kann vorgesehen sein, das Verbindungsbauteil beim Umgießen des ersten Gehäuses 1 direkt mit einer Kabelanbindung 24 auszugestalten, also eine konfektionierte Stecker-Kabel-Verbindung in einem Arbeitsgang zu erstellen.
Dazu ist in der 7a und 7b ein derartiges Beispiel gezeigt. Hierbei ist zusätzlich an dem ersten als Steckverbinder geformten Gehäuse 1, ein Teil des angefügten Kabels 22 mit einem Knickschutz 24 umgeben, der ebenfalls zusammen in einem Verguss-Arbeitsgang angefertigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6428357 [0004]
DE 102006056258 A1 [0006]
DE 3248715 A1 [0007]

Claims

Verbindungsbauteil zur Kontaktierung von mit Kontaktelementen versehenen elektrischen Leitern, die in komplementären Kupplungselementen (10) in einem das Verbindungsbauteil bildenden ersten Gehäuse (1) sowie in einem zu kontaktierenden Steckverbinder gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsbauteil ein erstes Gehäuse (1) aufweist, das einen Hohlraum bildet, in dem elektrische Bauteile sowie elektrische Verbindungselemente angeordnet sind, dass aus dem ersten Gehäuse (1) elektrische Kontakte aufnehmende Kupplungselemente (10) herausragen, dass das erste Gehäuse (1) von einem dieses umhüllenden äußeren Gehäusemantel (20) umgeben ist, und dass der äußere Gehäusemantel (20) mittels eines einzigen Verguss-Arbeitsganges die endgültige äußere Form des Verbindungsbauteiles bildet.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Gehäusemantel (20) innerhalb eines dazu vorgesehenen zweiten Gehäuses (16) um das erste, innere Gehäuse (1) herum gegossen wird.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäusemantel (20) aus einem Polyurethan-Kunststoff besteht.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuse (1) aus mindestens zwei Schalenelementen (3, 5) zusammengesetzt ist.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennebene der Schalenelemente (3, 5) des ersten Gehäuses (1) mit einer Labyrinthstruktur (7) versehen sind.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalenelementen (3, 5) des ersten Gehäuses miteinander verrastet oder verschraubt sind.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Gehäuse (1) die Anbindung eines elektrischen Kabels (22) vorgesehen ist.
Verbindungsbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthstruktur (7) im ersten Gehäuse (1) derartig geformt ist, dass Öffnungen zum gezielten Eindringen der Vergussmasse (20) vorgesehen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsbauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten, inneren Gehäuse (1) miteinander verbundene, elektrische Bauelemente und Kontaktelemente, in nach außen wirkenden elektrischen Kupplungselementen (10) gehalten sind, dass das erste, innere Gehäuse (1) in ein dieses umgebendes, zweites Gehäuse (16) eingefügt wird, wobei das erste, innere Gehäuse (1) beabstandet von dem zweiten Gehäuse (16) gehalten ist, und dass das erste Gehäuse (1) mit einer den Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuse (16) auffüllenden Vergussmasse umgossen wird, wobei nach dem Auffüllen und Aushärten das zweite umgebende Gehäuse (16) entfernt wird, und dass das erste Gehäuse (1) mit dem umgebenden Gehäusemantel (20) der aufgefüllten Kunststoffmasse eine Einheit bilden, und nach dem Umgießen eine bearbeitungsfreie, endgültige Form des Verbindungsbauteiles aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsbauteiles, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gießvorgang geringe Massenanteile der Vergussmasse gezielt in dazu vorgesehene Öffnungen des ersten Gehäuses (16) eindringen können, um eine ausreichende Entlüftung der eingespritzten Vergussmasse zu erzielen, so dass Lufteinschlüsse in dem umgebenden Gehäusemantel (20) vermieden werden.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsbauteiles, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Labyrinthstruktur (7) mit Öffnungen derartig ausgeformt ist, dass ein gezieltes Eindringen der Vergussmasse in das erste Gehäuse (16) ermöglicht wird.