Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen mit Stromschienen kleiner Dicke bei wechselnden Umgebungsbedingungen

Stromführende Schraubenverbindungen werden als Verbindung zwischen Leitern in elektrischen Komponenten im Automotiv-Bereich sowie im Bereich der Elektroenergietechnik aufgrund der Austauschbarkeit und der Reparaturmöglichkeit bevorzugt eingesetzt. Dabei werden diese Verbindungen insbesondere im Automotiv-Bereich permanent mit statischen bzw. wechselnden Umweltbelastungen beaufschlagt. Abhängig von der geometrischen Gestalt der Komponente, der elektrischen sowie der elektrothermischen und der mechanischen Anforderungen an diese kommen verschiedene Leiterquerschnitte sowie Verbindungsgeometrien zum Einsatz. Die Leiter, die in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden, haben meistens eine Dicke im Bereich (1…5) mm, da die zu übertragenden Ströme im Vergleich zu den Anwendungen in der Elektroenergietechnik kleiner sind. Insbesondere bei diesen niedrigeren Dicken der Leiter können wechselnde Umweltbelastungen zu einer beschleunigten Alterung der stromführenden Schraubenverbindungen und damit zu einer unzulässigen Erhöhung des Verbindungswiderstands führen. Für die Auslegung von langzeitstabilen stromführenden Schraubenverbindungen müssen daher die Konstruktions- und Montageparameter sowie die Leiter- und Beschichtungswerkstoffe abhängig von den erwarteten Umweltbelastungen aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wurde basierend auf dem Ersatzquerschnitt das Kontaktverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Leiter- und Schraubengeometrie, vom Bohrloch sowie vom Leiter- und Beschichtungswerkstoff untersucht. Die Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen aus früheren Arbeiten für Schraubenverbindungen mit deutlich größeren Dicke des Leiters verglichen und daraus allgemeingültige Mindestflächen-pressungen für ein gutes Kontaktverhalten hergeleitet. Dabei wurden Leiter aus Cu-ETP, AlMgSi und AlMgSi0,5 T7 und die Beschichtungswerkstoffe Zinn, Silber und Nickel-Phosphor betrachtet. Unterkopfreibwerte und Setzbeträge wurden abhängig vom Leiter- und Beschichtungswerkstoff, der Schraubenunterkopfform, der Drehzahl und dem Anzugsverfahren bestimmt und mit den Werten aus dem VDI 2230-1 verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der Temperatur auf das Setzen in Schraubenverbindungen untersucht. Der Einfluss der Temperatur auf das Werkstoffverhalten von Cu-ETP R240, Cu-OFE R240, Cu-HCP R240, CuFe0,1P und CuFe2P sowie Al99,5 O, Al99,5 H14, AlMgSi und AlMgSi0,5 T7 wurde mittels der Grenzflächenpressung und der Härte bewertet. Für ausgewählte Schraubenverbindungen mit Leitern aus Aluminium- bzw. Kupferleiterwerkstoffen wurde der Einfluss der Temperatur (bis 180 °C) auf das Vorspannkraft- und Langzeitverhalten untersucht. Damit wurden die Grenztemperaturen für diese Leiterwerkstoffe bestimmt. Abhängig von der Montagevorspannkraft sowie der Leiter- und Schraubengeometrie wurde der Einfluss des Temperaturschocks und von Vibrationen auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen untersucht. Darauf aufbauend wurden die oberflächenspezifischen Mindestflächenpressungen für ein gutes Langzeitverhalten hergeleitet. Bei einigen Werkstoffpaarungen wurde die Eignung auf Wiederholmontage untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden Anhaltspunkte für die konstruktive Auslegung, die Montage und das Prüfen von langzeitstabilen stromführenden Schraubenverbindungen, insbesondere im Automotiven-Bereich.:1 Einleitung 2 Stand der Erkenntnisse 2.1 Kontakttheorie bei Schraubenverbindungen 2.2 Ersatzquerschnitt und Mindestflächenpressung 2.3 Kontaktoberfläche und Beschichtungswerkstoffe 2.4 Thermomechanisches Verhalten der Leiterwerkstoffe 2.4.1 Grenzflächenpressung 2.4.2 Entfestigen und Kriechen von Aluminium- und Kupferleiterwerkstoffen 2.5 Grundlagen der Schraubenmontage 2.6 Alterung Stromführender Schraubenverbindungen 2.7 Vorspannkraftabbau bei Schraubenverbindungen bei statischen und wechselnden Belastungen 3 Aufgabenstellung 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen mit kleinen Leiterquerschnitten 4.1 Geometrische Parameter der Verbindungen und Werkstoffe 4.2 Bestimmen des temperaturäquivalenten Gütefaktors 4.3 Analytische, numerische und experimentelle Modelle zur Bestimmung der mechanisch tragenden Kontaktfläche 4.3.1 Modellbildung und Versuchsdurchführung 4.3.2 Einfluss der Klemmlänge und der Schraubengröße auf den Ersatzquerschnitt und auf die maximale mechanische Spannung 4.3.3 Einfluss der Schraubenunterkopfauflage und des Bohrlochs auf die mechanische Spannung 4.4 Experimentelles Ermitteln der Mindestflächenpressung für verschiedene Werkstoffpaarungen 4.4.1 Versuchsplan, Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik 4.4.2 Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse verschiedener Messmethoden 4.4.3 Einfluss des Beschichtungs- und Leiterwerkstoffes auf das Kontaktverhalten 4.4.4 Einfluss der Verbindungsgeometrie 4.5 Übertragbarkeit der Parameter auf große Dicke des Leiters 4.6 Montage-Parameter 4.6.1 Reibwertuntersuchung verschiedener Leiter- und Beschichtungswerkstoffe 4.6.2 Einfluss der Reibung auf die Montagevorspannkraft 4.6.3 Ermitteln des zeitunabhängigen Setzverhaltens beschichteter Aluminium- und Kupferleiter 4.6.4 Einfluss der Temperatur auf das Setzverhalten beschichteter Leiter 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechselbelastung sowie unter Schwingungsbelastung 5.1 Temperatur- und zeitabhängiges Verhalten der Leiterwerkstoff-Kennwerte 5.1.1 Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik zum Bestimmen der Grenzflächenpressung 5.1.2 Versuchsergebnisse 5.2 Temperatur- und zeitabhängiges Vorspannkraftverhalten 5.2.1 Versuchsaufbauten und Beschreiben der Messprinzipien 5.2.2 Versuchsergebnisse zum Einfluss der Temperatur und der Montagevorspannkraft auf das Vorspannkraftverhalten und den Verbindungswiderstand 5.2.3 Abschätzen der Restvorspannkraft während der Belastungsdauer im Fahrzeug 5.3 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechsellast 5.3.1 Einfluss der additiven Belastung und der Belastungsreihenfolge auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.2 Einfluss des Schraubenunterkopfs und des Bohrlochs auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.3 Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Auslagerungstemperatur 5.4 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter Schwingungsbelastung 5.4.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.4.2 Einfluss der Anregungsart und der Belastungsrichtung auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit nicht beschichteten Leitern 5.4.3 Einfluss der Vibration auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit beschichteten Leitern 5.5 Kontakt- und Langzeitverhalten bei Wiederholmontage 6 Zusammenfassung 7 Ausblick 8 Literatur 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 11 AnhangElectrical bolted joints are preferred for connecting conductors and electrical components in the automotive sector as well as in the field of electrical energy technology due to their interchangeability and the possibility of repair. In the automotive sector in particular, these joints are permanently exposed to static or changing environmental loads. Different conductor cross-sections and connection geometries are used depending on the geometric shape of the component, the electrical as well as the electrothermal and mechanical requirements. The conductors that are used in electric vehicles usually have a thickness in the range (1…5) mm, since the currents to be transmitted are smaller in comparison to the applications in electrical power engineering. Particularly with these lower thicknesses, changing environmental loads can lead to accelerated aging of the Electrical bolted joints and thus to an impermissible increase in the connection resistance. For the design of long-term stable Electrical bolted joints, the construction and assembly parameters as well as the conductor and coating materials must therefore be coordinated with one another depending on the expected environmental loads. In this work, based on the equivalent cross-section, the contact behavior of electrical bolted joints depending on the conductor and screw geometry, the hole diameter and the conductor and coating material was investigated. The results were compared with the results from earlier work for bolted joints with a significantly larger conductor thickness and generally applicable minimum surface pressures for good contact behavior were derived from them. Conductors made of Cu-ETP, AlMgSi and AlMgSi0.5 T7 and with the coating materials tin, silver and nickel-phosphorus were examined. Under-head friction values and settling amounts were determined depending on the conductor and coating material, the screw under-head shape, the speed and the tightening method and compared with the values in VDI 2230-1. In addition, the influence of temperature on the setting in bolted joints was investigated. The influence of temperature on the material behavior of Cu-ETP R240, Cu-OFE R240, Cu HCP R240, CuFe0.1P and CuFe2P as well as Al99.5 O, Al99.5 H14, AlMgSi and AlMgSi0.5 T7 was determined by means of the compressive yield point and rated by hardness. For selected bolted joints with aluminum or copper conductor materials, the influence of temperature (up to 180 °C) on the preload force and long-term behavior was investigated. The limit temperatures of these conductor materials were thus determined. The influence of temperature shock and vibration on the long-term behavior of electrical bolted joints was investigated depending on the assembly preload, the conductor and screw geometry. Based on this, the conductor surface-specific minimum surface pressures for good long-term behavior were derived. With some contact pairings, the suitability for repeat assembly was examined. The knowledge gained forms reference points for the structural design, assembly and testing of long-term stable electrical bolted joints, especially in the automotive sector.:1 Einleitung 2 Stand der Erkenntnisse 2.1 Kontakttheorie bei Schraubenverbindungen 2.2 Ersatzquerschnitt und Mindestflächenpressung 2.3 Kontaktoberfläche und Beschichtungswerkstoffe 2.4 Thermomechanisches Verhalten der Leiterwerkstoffe 2.4.1 Grenzflächenpressung 2.4.2 Entfestigen und Kriechen von Aluminium- und Kupferleiterwerkstoffen 2.5 Grundlagen der Schraubenmontage 2.6 Alterung Stromführender Schraubenverbindungen 2.7 Vorspannkraftabbau bei Schraubenverbindungen bei statischen und wechselnden Belastungen 3 Aufgabenstellung 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen mit kleinen Leiterquerschnitten 4.1 Geometrische Parameter der Verbindungen und Werkstoffe 4.2 Bestimmen des temperaturäquivalenten Gütefaktors 4.3 Analytische, numerische und experimentelle Modelle zur Bestimmung der mechanisch tragenden Kontaktfläche 4.3.1 Modellbildung und Versuchsdurchführung 4.3.2 Einfluss der Klemmlänge und der Schraubengröße auf den Ersatzquerschnitt und auf die maximale mechanische Spannung 4.3.3 Einfluss der Schraubenunterkopfauflage und des Bohrlochs auf die mechanische Spannung 4.4 Experimentelles Ermitteln der Mindestflächenpressung für verschiedene Werkstoffpaarungen 4.4.1 Versuchsplan, Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik 4.4.2 Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse verschiedener Messmethoden 4.4.3 Einfluss des Beschichtungs- und Leiterwerkstoffes auf das Kontaktverhalten 4.4.4 Einfluss der Verbindungsgeometrie 4.5 Übertragbarkeit der Parameter auf große Dicke des Leiters 4.6 Montage-Parameter 4.6.1 Reibwertuntersuchung verschiedener Leiter- und Beschichtungswerkstoffe 4.6.2 Einfluss der Reibung auf die Montagevorspannkraft 4.6.3 Ermitteln des zeitunabhängigen Setzverhaltens beschichteter Aluminium- und Kupferleiter 4.6.4 Einfluss der Temperatur auf das Setzverhalten beschichteter Leiter 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechselbelastung sowie unter Schwingungsbelastung 5.1 Temperatur- und zeitabhängiges Verhalten der Leiterwerkstoff-Kennwerte 5.1.1 Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik zum Bestimmen der Grenzflächenpressung 5.1.2 Versuchsergebnisse 5.2 Temperatur- und zeitabhängiges Vorspannkraftverhalten 5.2.1 Versuchsaufbauten und Beschreiben der Messprinzipien 5.2.2 Versuchsergebnisse zum Einfluss der Temperatur und der Montagevorspannkraft auf das Vorspannkraftverhalten und den Verbindungswiderstand 5.2.3 Abschätzen der Restvorspannkraft während der Belastungsdauer im Fahrzeug 5.3 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechsellast 5.3.1 Einfluss der additiven Belastung und der Belastungsreihenfolge auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.2 Einfluss des Schraubenunterkopfs und des Bohrlochs auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.3 Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Auslagerungstemperatur 5.4 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter Schwingungsbelastung 5.4.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.4.2 Einfluss der Anregungsart und der Belastungsrichtung auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit nicht beschichteten Leitern 5.4.3 Einfluss der Vibration auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit beschichteten Leitern 5.5 Kontakt- und Langzeitverhalten bei Wiederholmontage 6 Zusammenfassung 7 Ausblick 8 Literatur 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 11 Anhan