-
Die
Erfindung betrifft eine Niederspannungsleitung für die elektrische Verbindung
elektrischer und elektronischer Bauteile, in Kraftfahrzeugen, bestehend
aus einem Leiter mit einer ihn umschließenden Isolierhülle.
-
Leiter
derartiger Niederspannungsleitungen bestehen üblicherweise aus Kupfer. Im
Bereich der Kraftfahrzeugtechnik sind bisher nur in Einzelfällen Aluminiumleitungen
im Querschnittsbereich > 16 mm2 bekanntgeworden. Obwohl in der Kraftfahrzeugtechnik
allgemein eine leichtere Bauweise zur Treibstoffeinsparung angestrebt
wird, gelang es bisher nicht, bei den Niederspannungsleitungen für Kraftfahrzeuge
den Werkstoff Kupfer durch einen spezifisch leichteren Werkstoff
zu ersetzen. Mit den Austauschwerkstoffen ließen sich die kraftfahrzeugspezifischen
Anforderungen hinsichtlich einer hohen Festigkeit bei möglichst
hoher elektrischer Leitfähigkeit, einer
hohen Kriech- und Korrosionsbeständigkeit,
einer hohen Biege- und Wärmebeständigkeit
sowie gleichbleibend geringer Übergangswiderstände der Kontaktierung
bei thermo-mechanischer und chemischer Belastung nicht erzielen.
-
Es
ist zwar bekannt, das Al 99,5-E und verschiedene Legierungssysteme
wie AlFeCo (Southwire-Legierung.
USA), AlFe (Southwire-Legierung, USA) oder AlCuMgBe (Elektrokoppar,
Schweden) sowie AlSi für
Mikrodrähte.
AlMgSi (Aldrey), AlFeSi, AlCuMg. AlFeCu, AlFeMg und AlFeMgCu für die verschiedensten
Einsatzgebiete, angefangen von Stromschienen über Kabel und elektrische Leitungen (z.B
Schweißleitungen,
Wickeldrähte.
Telefonleitungen, Freileitungen und Spezialleitungen für den Luftfahrtbereich)
zu verwenden, dennoch ist keine der bisher bekannten Zusammensetzung
als Basiswerkstoff für
entsprechende Leiterausbildungen in Niederspannungsleitungen für Kraftfahrzeuge
geeignet.
-
Die
Festigkeit von Al 99,5-E läßt sich
im Prinzip nur durch Kaltverformung erhöhen. Dabei stehen die erreichbaren
Dehnungswerte aber im Widerspruch zum Anwendungsfall. Nimmt man
eine geringere elektrische Leitfähigkeit
in Kauf, so läßt sich
der verfügbare
Festigkeitsbereich nach oben durch Leitlegierungen beträchtlich
erweitem. Jedoch sind diese Materialien zum Teil durch Beimengungen
von Kupfer hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit unzureichend, andere
sind in nicht ausreichendem Maße
bis 105''C dauerhaft wärmebeständig oder
lassen sich nur in aufwendiger Verfahrenstechnik fertigen bzw. verfügen aufgrund
der Auswahl und Menge der eingesetzten Elemente nicht über eine
ausreichende elektrische Leitfähigkeit
und Kontaktsicherheit.
-
Dabei
ist festzustellen, dass Legierungszusammensetzung und Mikrostruktur
entscheidend die mechanischen Eigenschaften und somit die Eigenschaftskombinationen
Festigkeit/Dehnung, Kriechbeständigkeit, Übergangswiderstand
im Kontaktbereich und Biegefestigkeit/Festigkeit beeinflussen.
-
In
der Patentschrift
DD
205 699 B wird eine AlFeMgCu-Legierung vorgeschlagen, die
zum Ziel der Erhöhung
der elektrischen Leitfähigkeit
einen qualitätsbestimmenden
Anteil Kupfer aufweist. Diese Legierung wird hinsichtlich ihrer
elektrischen Leitfähigkeit
und mechanischen Kennwerte einer AlFeMg-Legierung nach
DD 140 759 B gegenübergestellt.
-
Die
Legierung nach
DD 140
759 B enthält
0,5 bis 0,9 Masse-% Fe und/oder gleich/kleiner 2,5 Masse-% Ni und/oder
gleich/kleiner 2,5 Masse-% Co und/oder gleich/kleiner 2,5 Masse-Cu und/oder gleich/kleiner
2,5 Masse-% Cer-Mischmetall und/oder gleich/keiner 1,0 Masse-% Mg.
Sie wird einer speziellen thermischen Behandlung unterzogen und
erreicht bei einer Zugfestigkeit von 172 N/mm
2 eine
Bruchdehnung von 6 % bzw. bei einer Zugfestigkeit von 165 N/mm
2 eine Bruchdehnung von 7 %. Mit diesen Bruchdehnungswerten
ist die Herstellung feindrähtiger
Litzenleiter mit einem Nennquerschnitt bis 6 mm
2,
die einer Biegewechselzahl > 10000
gerecht werden müssen,
nicht möglich.
Aus diesem Grunde haben sich derartig hergestellte Drähte in der Praxis
für die
Fertigung von Fahrzeugleitungen nicht eingeführt.
-
Die
in der
DD 205 699 B vorgeschlagene
AlFeCu-Legierung zeigt demgegenüber
verbesserte mechanische und elektrische Kennwerte, die einem Einsatz
in Fahrzeugleitungen entgegenkommen, jedoch enthält die Legierung mehr als 0,03
Masse-% Cu, wodurch eine bedeutende Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit
bewirkt wird.
-
In
einer weiteren bekannten Legierung für Leiterdrähte nach
DE 27 01 314 A1 werden als
Verfestigungselemente unter Zielsetzung eines hohen elektrischen
Leitwertes die Elemente Fe, Si und Cu eingesetzt. Auch in diesem
Fall erweist sich der relativ hohe Cu-Gehalt und die damit einhergehende
Korrosionsanfälligkeit
als Hindernis für
den Einsatz unter Kfz-spezifischen
Bedingungen.
-
Das
Streben nach erhöhter
Festigkeit und Bruchdehnung für
die Herstellung von Al-Freileitungsseilen
wird gemäß
DD 20 02 318 B durch
hohe Beimengungen von Fe bei geringem Si- und Mg-Gehalt deutlich.
Die dabei erreichte Leitfähigkeit
ca. 33,9 m/Ω mm
2 wird den Erfordernissen nach geringen Spannungsabfällen in
der Kfz-Elektrik nicht gerecht.
-
In
der
DD 150 965 B mit
0,4 bis 1,2 Masse-% Fe und 0,6 bis 1,5 Masse-% Kobalt sowie einem
Siliziumanteil von kleiner 0,05 Masse-% vorgeschlagene Legierung
handelt es sich um das Streben nach einem rekristallisationsträgen Gefüge, d. h.
um eine Verschiebung des Festigkeitsabfalles zu höheren Temperaturen
hin. Im voraussetzungsgemäßen Zustand
liegt die Bruchdehnung dieser Legierung wieder deutlich unter den
erforderlichen Werten von mindestens 12%.
-
Unabhängig von
den mechanischen Voraussetzungen bestimmen jedoch ganz wesentlich
die Oxidschichten der Leitermaterialien die Größe der Kontaktwiderstände und
damit den Spannungsabfall in elektrischen Verbindungen.
-
Während auf
Kupfer dickere (einige μm)
und relativ fest haftende Oxid- und Sulfidschichten die Stromleitung
nicht oder nur geringfügig
behindern, wird der Stromfluß bei
Leitern aus Al-Materialien durch
die Isolierungseigenschaften der Al2O3-Schicht wesentlich beeinträchtigt.
Da das Wachstum der Al-Oxidschichten bei hohen Temperaturen, hoher Feuchte
und korrosiven Einwirkungen ansteigt, ist auch eine wesentliche
Erhöhung
der Übergangswiderstände an elektrischen
Kontakten bei Kfz-spezifischen Belastungen zu verzeichnen.
-
Bekannt
ist weiterhin, Leitdrähte
nach an sich bekannter Weise im Ein- oder Mehrschichtverfahren oberflächenzubehandeln,
z. B. in Form von Verkupfern, Vernickeln, Verzinnen oder Versilbern.
-
Aus
der
DE 24 38 177 A1 ist
ein Niederspannungskabel mit Leitern aus Aluminiumleitlegierungen und
einer äußeren Isolierung
bekannt, bei dem die Aluminiumlegierung aus einem Aluminiumanteil
zwischen 98 und 99,5 Gewichts-% besteht und einen Eisenanteil zwischen
0,3 und 1,0 Gewichts-%, einen Kupferanteil zwischen 0,08 und 1,0
Gewichts-%, einen maximalen Siliziumanteil zwischen 0,15 Gewichts-%
sowie Spurenmengen der üblichen
Verunreinigungen enthält.
-
Die
DD 155 435 B beschreibt
ein Verfahren zur Wärmebehandlung
von Aluminiumlegierungen zur Erzeugung von Drahteigenschaften für die Verwendung
eines Leiterstoff für
flexible Leitungen auf Aluminiumbasis mit Zusätzen von Eisen oder Eisen und
Magnesium im Bereich von 0,5 bis 1,5 % Eisen und ≥ 1 % Magnesium
sowie ≥ 0,2%
Silizium.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewichtsreduzierende
Niederspannungsleitung für
Kraftfahrzeuge zu entwickeln, die eine zuverlässige elektrische Verbindung
der elektrischen und elektronischen Bauteile in Bordnetzverdrahtungssystemen
gewährleistet.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
dass der mindestens eine Leiter einen Nenndurchmesser von 0,12 bis
0,70 mm, eine Zugfestigkeit Rm von 120 bis
200 N/mm2, eine 0,2 Streckgrenze von mindestens
80 N/mm2, eine Dehnung AL=100 von
mindestens 12% hat und eine elektrische Leitfähigkeit γ20 von > 34,5 m/Ohm mm2 aufweisen, wobei die Legierung aus
0,4
bis 1,3 Masse-% Eisen Fe,
0,02 bis 0,20 Masse-% Magnesium Mg,
0,10
bis 0,25 Masse-% Silizium Si,
0,007 bis 0,04 Masse-% Zink Zn,
0,005
bis 0,012 Masse-% Bor B,
max. 0,01 Masse-% Kupfer Cu,
max.
0,01 Masse-% Vanadium V,
max. 0,005 Masse-% Mangan Mn und
max.
0,02 Masse% Titan Ti,
Rest Aluminium, einschl. höchstens
0,1 Masse-% sonstige Verunreinigungen besteht und deren ungelöster Eisen-Anteil
in Form kleinster Teilchen von < 5 μm vorliegt.
-
Überraschenderweise
wird hierbei durch die definierte Zulegierung von Mg, B, Si und
Zn in o. g. Konzentrationsbereichen eine mikrodisperse Verteilung
des Eisens im Aluminium bewirkt, wodurch die geforderten mechanischen
Eigenschaften des Drahtes bei hoher elektrischer Leitfähigkeit
erreicht werden.
-
Dabei
ist es zweckmäßig, wenn
der Außenbereich
der Legierungsdrähte
mit einer geschlossenen metallischen, ein- oder mehrschichtigen
Oberflächenbeschichtung
versehen ist, die aus Zinn, Kupfer, Nickel, Silber oder deren Legierungen
besteht und homogen und duktil ausgebildet ist.
-
Die
Leiterkonstruktion ermöglicht
im Zusammenwirken mit dem Leiterwerkstoff eine langzeitliche stabile
elektrische und mechanische Verbindung mit konventionellen Kraft-
und formschlüssigen
Anschlussmitteln unter Kfz-spezifischen Bedingungen. Dabei gewährleistet
die erfindungsgemäße Leitung in
Verbindung mit den kraftfahrzeugspezifischen Anschlussmitteln nach
korrosiver Belastung mit Schadgas, feuchter Wärme und intermittierendem Salznebel
(96 h) und thermischer Dauerbelastung von 105°C über 3000 h eine Erhöhung der
Kontaktübergangswiderstände von
maximal 20% und im Biege-Wechsel-Test > 10.000 Biegewechselzyklen bei –40°C.
-
Die
erfindungsgemäß aufgebaute
Niederspannungsleitung weist ein im Vergleich zu Leitungen mit leitwertgleichem
Kupferquerschnitt ein um 30 bis 55% geringeres Gewicht auf.
-
Weiterhin
wird die Aufgabe durch die Verwendung der Niederspannungsleitung
mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird das
Magnesium in der beschrieben Konzentration als Mischkristall mit Aluminium
und anderen definierten Beimengungen im Gefüge eingesetzt, um damit eine
dem Anwendungsfall entsprechende Kombination zwischen elektrischer
Leitfähig keit,
Zugfestigkeit und Dehnung sowie Korrosions- und Kontaktsicherheit
zu erhalten.
-
Der
Fe-Anteil bewirkt im Rahmen eines definierten Ausscheidungszustandes
die Behinderung der Versetzungswanderung. Damit führt die
Stabilisierung der Subkornstruktur zu einer verbesserten Wärmebeständigkeit
der mechanischen Eigenschaften und zu einer hohen Kriechbeständigkeit,
was wiederum ausschlaggebend ist für ein gutes Langzeitverhalten
der Kontaktierung.
-
Die
Oberflächenbeschichtung
dient zur Eliminierung der Aluminium-Oxidschicht und zum Schutz
vor korrosiven Einflüssen.
Von entscheidender Bedeutung für
die Qualität
des Kfz-spezifischen Gebrauchswertverhaltens hinsichtlich dieser
Oberflächenbeschichtung
sind folgende Faktoren:
- – Beständigkeit gegen Kfz-spezifische
Beeinflussungen;
- – Gewährleistung
der Duktilität
der Oberfläche nach
den Zieh- und Glühprozessen
der Drahtherstellung aus dem beschichteten Vormaterial auf Drähte bis
zu einem Durchmesser von 0,10 mm;
- – Unverletzlichkeit
der Beschichtung bei Kontaktierung der Leitung mit Kfz-typischen
Verbindungselementen (z. B. Crimpen);
- – chemische
und physikalische Langzeitbeständigkeit
des Materialsystems AlFeMg-Legierung/Oberflächenmaterial.
-
Zur
weiteren Stabilisierung des Zuverlässigkeitsverhaltens gegenüber klimatischen
Einflüssen sowie
auch zur weiteren Verbesserung der Biegbarkeit des Litzenleiters
ist es vorteilhaft, wenn die den Leiter bildenden Legierungsdrähte mit
einem hydrophoben, einen Gleiteffekt aufweisenden Film benetzt sind.
Hierfür
wird ein dem Fachmann an sich bekanntes spezielles Öl verwendet.
-
Zur
weiteren Optimierung der Leiterkonstruktion ist es zweckmäßig, wenn
der Leiter im Leiternennquerschnittsbereich bis etwa 6 mm2 als Litzenleiter mit einer Schlaglänge von
(13 ± 2) × Litzenleiterdurchmesser
D aufgebaut ist. Dabei ist der Litzenleiter vorzugsweise konzentrisch
aufgebaut. Die so hergestellte Leiterkonstruktion wird in üblicher
Weise mit für
die Kraftfahrzeugtechnik geeigneten Isoliermaterialien isoliert
und kann sowohl als Einzelleitung als auch in Bandform oder mehradrig
verseilt und ummantelt eingesetzt werden.
-
Die
erfindungsgemäße Niederspannungsleitung
läßt sich
effektiv herstellen und verarbeiten und weist unter Zugrundelegung
eines leitwertgleichen Kupferquerschnitts ein ca. 50 % niedrigeres
Leitergewicht auf. Dabei ist zugleich eine um 10 % höhere Strombelastbarkeit
gegeben, da die für
die Abführung
der Stromwärme
maßgebende
Leiteroberfläche des
Aluminiumleiters etwa 28 % größer ist
als die Oberfläche
des Kupferleiters kleineren Durchmessers. Der Litzenleiter kann
mit den auch für
Kupferleitungen üblichen
Anschlußelementen
kontaktiert werden und gewährleistet
in den gebräuchlichen
Preßverbindungen
einen dauerhaft guten Kontaktdruck und damit geringe Übergangswiderstände, da
die Legierungsdrähte
eine bis zu 10-fach höhere
Kriechbeständigkeit
aufweisen als Al 99,5-E (w). Diese Feststellungen gelten auch nach
thermischer Alterung, feuchter Wärme,
Hydrolyse- und Schadgasbeanspruchung sowie unter Beachtung der auch
für Kupferleiter üblichen
Schutzmaßnahmen
gegen eine direkte Beaufschlagung durch Salznebel. Infolge des günstigen
Festigkeits-Dehnungs-Verhältnisses
der Legierungsdrähte
und der auf den Leiterwerkstoff abgestimmten Verlitztechnik wird
eine gute Beständigkeit
der Leitung gegenüber
Brüchen
bei richtungswechselnder Biegebeanspru chung sowie Stoß- und Schwingungsfestigkeit
auch bei niedrigen Temperaturen erreicht.
-
In
der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungsformen
der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen
-
1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Niederspannungsleitung für Straßenfahrzeuge
und
-
2 eine
abgewandelte Ausführungsform in
einer Darstellung gemäß 1.
-
Dargestellt
in 1 ist ein einen Nennquerschnitt von 1,5 mm2 aufweisender Leiter mit einem Durchmesser
D, der aus 19 Al-Legierungsdrähten 1 zu
einem unilaykonzentrischen Verband mit einer Schlaglänge von
16 mm verseilt ist. Über
die 19-drähtige Leiterkonstruktion
ist eine Isolierhülle 2 aus
abriebfestem, flammwidrigem, Kfz-medienbeständigem, weichem Polyvinylchlorid
extrudiert.
-
Unter
unilay wird eine konzentrische Verseilung von aufeinander folgenden
Lage in einheitlicher Schlagrichtung und gleicher Schlaglänge verstanden.
Unter Schlaglänge
versteht man die Strecke, gemessen in Richtung der Verseilachse,
auf der ein Verseilelement 360° um
die Verseilachse herumgelegt ist.
-
Jeder
Al-Legierungsdraht 1 mit einem Nenndurchmesser von 0,31
mm ist mit einer aus Nickel bestehenden Deckschicht 3 von
0,1 bis 1,5 μm
Wanddicke versehen.
-
Der
Legierungsdraht 1 weist vor dem Verlitzprozeß eine Zugfestigkeit
Rm von 166 bis 176 N/mm2, eine
Dehnung AL=100 von 12-15% sowie eine spezifische
elektrische Leitfähigkeit
von ca. 35,7 m/Ω mm2 auf.
-
Der
mit einer Wanddicke von ca. 0,3 mm isolierte unilaykonzentrische
und verdichtete Leiterverbund mit einem Außendurchmesser von 1,48 mm
ermöglicht
einen Leitungsdurchmesser von ca. 2,1 mm und befindet sich damit
im Größtmaßbereich
einer vergleichbaren Kupferleitung mit einem Nennquerschnitt von
1 mm2.
-
Eine
so hergestellte Leitung ermöglicht
im Biege-Wechsel-Test bei –40°C mindestens
20.000 Biegezyklen. Nach Schadgas-/Feuchte-Wärme-Belastung liegt die Erhöhung des Übergangswiderstandes
zwischen Leiter und verzinntem Kontaktelement bei nur 18 % des zulässigen Wertes.
Nach 96-h-Belastung mit intermittierendem Salznebel wird ebenfalls
nur eine Erhöhung
des Übergangswiderstandes von
max. 15 % gegenüber
dem zulässigen
Höchstwert
einer Verdoppelung erreicht.
-
Spannungsabfall
und Leiterfestsitz über
eine Beanspruchungsdauer von 3000 h bei 105°C verhalten sich analog den
Werten leitwertgleicher Kupferleiter.
-
Im
Ergebnis ist eine derartige Leitung gegenüber einer leitwertgleichen
Kupferleitung mit dünnwandiger
Isolierhülle
um ca. 36 % gewichtsreduziert, besitzt eine ca. 1,1-fache Strombelastbarkeit
und kann sehr komplex zur Verdrahtung fahrzeugelektrischer und elektronischer
Geräte
unter Nutzung bekannter Konfektionierungs- und Kontaktierungstechnik eingesetzt
werden.
-
2 zeigt
eine vergleichbare Niederspannungsleitung mit einem einen Nennquerschnitt
von 2,5 mm2 aufweisenden Leiter mit dem
Durchmesser D, der ebenfalls aus 19 AlFeMg-Legierungsdrähten 1 zu
einem unilay-konzentrischen Verband mit einer Schlaglänge von
24 mm verseilt ist. Über
diese Leiterkonstruktion ist ebenfalls eine Isolierhülle 2 extrudiert.
Jeder AlFeMg-Legierungsdraht 1 mit einem Nenndurchmesser
0,40 mm ist mit einer aus Nickel bestehenden Oberflächenbeschichtung 3 versehen und
weist eine Zugfestigkeit Rm von 120 MPa,
eine Dehnung AL=100 von 14,5 % und einen
Leiterwiderstand von 12,2 mΩ/m
auf.
-
Eine
derartige Leitung ist gegenüber
einer leitwertgleichen Kupferleitung mit dünnwandiger Isolierhülle um ca.
32 % gewichtsreduziert, besitzt eine 1,13-fache Strombelastbarkeit
und kann sehr komplex zur Verdrahtung fahrzeugelektrischer und elektronischer
Geräte
unter Nutzung bekannter Konfektionierungs- und Kontaktierungstechnik
eingesetzt werden.