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Dokumentenidentifikation DE102005024383B3 22.02.2007
Titel Anordnung zur elektrischen Anbindung einer Magnesiumtragstruktur an ein Massepotential eines Kraftfahrzeugs
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Möll, Winfried, 35321 Laubach, DE;
Vorberg, Thomas, 63773 Goldbach, DE
DE-Anmeldedatum 27.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005024383
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse F16B 25/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16B 25/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01R 4/66(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B60R 16/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Anordnung in einem Kraftfahrzeug weist auf eine Tragstruktur (1) aus Magnesium und/oder aus einer Magnesiumlegierung, eine von der Tragstruktur (1) abgestützte oder aufgenommene elektronische Komponente (25), welche vor elektromagnetischen Störungen geschützt werden soll, mindestens eine Schraube (14) und ein Anschlusselement (10), welches ein vorgegebenes elektrisches Potential, insbesondere ein Masse-Potential (12), aufweist. Die Tragstruktur (1) ist mittels der Schraube (14) nicht nur mechanisch mit dem Anschlusselement (10) verbunden, sondern sie stellt auch eine dauerhafte elektrische Verbindung her, indem sie als eine in das Vollmaterial der Tragstruktur (1) eingebrachte selbstschneidende Schraube (14) ausgeführt ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer Tragstruktur aus Magnesium und/oder aus einer Magnesiumlegierung, einer von der Tragstruktur abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente, mindestens einer Schraube und einem Anschlusselement, welches ein vorgegebenes elektrisches Potential, insbesondere ein Masse-Potential, aufweist, wobei die Tragstruktur mittels der Schraube mit dem Anschlusselement mechanisch verbunden ist.

Eine Tragstruktur aus Magnesium für ein Kraftfahrzeug wird beispielsweise in der DE 103 17 900 A1 offenbart, wobei die Tragstruktur zur mechanischen Abstützung einer Instrumententafeleinheit im Cockpit des Kraftfahrzeuges dient. Die Tragstruktur ist als ein einziges Strukturelement skelettartig ausgebildet und sorgt für eine zusätzliche Versteifung der Fahrzeugkarosserie.

Aus der DE 103 42 961 A1 ist ebenfalls eine Fahrzeugquerträgerstruktur aus Magnesium zur Abstützung einer Instrumententafelbaugruppe im Cockpitbereich eines Kraftfahrzeuges bekannt. Die Fahrzeugquerträgerstruktur ist mit der Karosserie des Fahrzeugs über Schweißteile oder Schrauben starr verbunden. In die Fahrzeugquerträgerstruktur sind Vertiefungen eingebracht, die doppelseitig mit Elektronikkomponenten bestückte Substrate aufnehmen. Die Substrate sind über Flachdraht miteinander bzw. mit anderen Teilen des Fahrzeugs elektrisch verbunden. Neben der Funktion der mechanischen Aufnahme der bestückten Substrate dient die Vertiefung auch als eine elektromagnetische Abschirmung der in ihr befindlichen Elektronik.

Um die Abschirmwirkung einer elektrisch leitfähigen Abdeckung zu verbessern, ist es allgemein bekannt, die Abdeckung mit einem Massepotential zu verbinden. Eine derartige Verbesserung der Abschirmwirkung der Tragstruktur wird in der DE 103 42 961 A1 jedoch nicht vorgeschlagen, weshalb die Schrift auch zur genaueren Ausgestaltung einer solchen Masseanbindung schweigt.

Die DE 102 53 853 A1 offenbart eine Armaturentafel mit einem Querbauteil aus einem Magnesiummetall oder einer Magnesiumlegierung. Das Querbauteil wird zur Erdung eines in der Armaturentafel angeordneten elektrischen Kreises verwendet. Hierzu ist an das Querbauteil ein aus einem Metall bestehendes Anschlussteil angeschweißt, und der auf einem Substrat aufgebrachte elektrische Kreis wird mittels einer durch Öffnungen in dem Substrat und dem Anschlussteil geführten Schraube an dem Anschlussteil befestigt.

Nicht behandelt wird in der DE 102 53 853 A1 die Problematik der Kontaktkorrosion. Die Problematik liegt darin begründet, dass Magnesium gegenüber den meisten anderen Metallen, wie Aluminium, Zinn, Eisen oder Kupfer, in der elektrochemischen Spannungsreihe einen höheren negativen Potentialwert aufweist. Magnesium ist demnach unedler als diese Metalle und neigt dementsprechend stärker zu Korrosion. Kommt eine Kontaktstelle zwischen Magnesium und einem anderen Metall mit einem Elektrolyten, beispielsweise schwefelhaltiger Luft, wie sie in Stadt- und Industriegebieten zu finden ist, oder ionenhaltiger Flüssigkeit, in Kontakt, so tritt die so genannte Kontaktkorrosion auf, die dazu führt, dass die Kontaktstelle nach einer gewissen Zeit nicht mehr ausreichend elektrisch leitfähig ist.

Die DE 198 23 008 A1 schlägt zur Vermeidung der Kontaktkorrosion zwischen einem Bauteil aus Magnesium und einem elektrischen Masseverbindungselement aus Stahl bzw. aus einem Edelmetall eine Beschichtung des Verbindungselementes mit Zinn oder einer Zinn-Legierung vor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Problem der Kontaktkorrosion behoben wird.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der eine Tragstruktur mittels einer Schraube mit einem Anschlusselement, das ein elektrisches Potential, insbesondere ein Masse-Potential, aufweist, mechanisch verbunden ist, dient im ersten Moment nach dem Herstellen der mechanischen Verbindung auch zur elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen der Tragstruktur und dem Anschlusselement. Infolge der einsetzenden Kontaktkorrosion wird die elektrische Verbindung jedoch nach und nach verschlechtert und am Ende ganz unterbunden.

Zur Vermeidung der Kontaktkorrosion schlägt die Erfindung deshalb vor, die mechanische Verbindung zwischen der Tragstruktur und dem Anschlusselement mittels einer selbstschneidenden Schraube herzustellen, wobei die Schraube direkt in das Vollmaterial der Tragstruktur hineingedreht wird. Die Schraube wird also nicht in eine vorgebohrte Öffnung oder in ein vorab geschnittenes Gewinde eingeführt, wie es allgemein üblich ist, sondern sie schneidet sich selbst direkt in das Magnesiummaterial hinein und stellt mit diesem eine luft- bzw. gasdichte Verbindung her. Da die als Elektrolyt fungierende Umgebungsluft den Kontaktbereich zwischen Schraube und Magnesiummaterial insbesondere im Inneren der Tragstruktur nicht mehr erreicht, kann die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Tragstruktur und dem Anschlusselement über die Schraube voll gewährleistet werden. Die elektromagnetische Abschirmung der von der Tragstruktur abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente wird somit dauerhaft verbessert. Neben der selbstschneidenden Schraube sind keine weiteren Bauteile, wie Unterlegscheiben, erforderlich und die Schraube muss auch keine spezielle Beschichtung aufweisen, d. h., der Materialaufwand wird so gering wie möglich gehalten. Aufgrund des nicht mehr erforderlichen Arbeitsschrittes des Herstellens eines Gewindes bzw. einer Öffnung für die Schraube sinkt außerdem der Produktionsaufwand.

In einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schraube aus einem Metall oder einer Metalllegierung, dessen elektrochemisches Potential nur eine geringe Potentialdifferenz zum elektrochemischen Potential der Tragstruktur aufweist. Die Korrosionsneigung kann somit weiter reduziert werden, da eine geringe Potentialdifferenz zwischen zwei Materialien zu einem geringen Elektronenaustausch an der Kontaktstelle dieser Materialien führt, welcher die Ursache für die Kontaktkorrosion darstellt.

Bevorzugt ist das Anschlusselement Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeuges, d. h., das Anschlusselement wird damit direkt auf das elektrische Masse-Potential der Karosserie gelegt. Als Karosseriebestandteile kommen beispielsweise die A-Säulen, der Wellentunnel oder der Windlauf in Frage, mit denen die Tragstruktur mechanisch und gleichzeitig elektrisch verbunden werden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragstruktur mittels der selbstschneidenden Schraube mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement verbunden ist und dass das Verbindungselement mit dem Anschlusselement in elektrischem Kontakt steht. Auf diese Weise kann die Tragstruktur an besonders geeigneten Stellen elektrisch angebunden werden. So sind unter Umständen die mechanisch interessanten Verbindungsstellen an dem Anschlusselement nicht gleichzeitig für eine gute elektrische Verbindung geeignet, da beispielsweise eine die elektrische Leitfähigkeit herabsetzende Beschichtung bzw. Lackierung vorhanden sein kann. Ein Verbindungselement erlaubt eine freiere räumliche Gestaltung der elektrischen Anbindung der Tragstruktur, indem das Verbindungselement bis an die Stellen des Anschlusselementes heranreicht, die einen besonders niedrigen Übergangswiderstand zur Tragstruktur gewährleisten.

Die mit der Erfindung mögliche Anbindung einer Magnesium-Tragstruktur an ein vorgegebenes Potential, insbesondere ein Masse-Potential, erhöht also die elektromagnetische Abschirmwirkung gegenüber der von der Tragstruktur abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente. Zur Versorgung der elektronischen Komponente mit elektrischer Energie und mit elektronischen Daten werden in der DE 103 42 961 A1 Flachbandkabel verwendet, welche auf der Tragstruktur befestigt sind. Jedoch wird auch über die Kabel ein nicht unerheblicher Teil an elektromagnetischer Energie abgestrahlt. Die Flachbandkabel werden in der DE 103 42 961 A1 nicht gezielt abgeschirmt, das heißt eine gegenseitige Störung der auf den Substraten angeordneten Elektronik ist trotz allem nicht ausgeschlossen.

Aus diesem Grund wird in einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass in der Tragstruktur eine Längsführung zur Aufnahme von mindestens einem elektrischen Kabel ausgeführt ist, wobei das elektrische Kabel zur elektrischen Kontaktierung der von der Tragstruktur abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente dient. Als Kabel werden hierbei die allgemein üblichen Einzeldrahtleitungen gegenüber den Flachbandkabeln bevorzugt. Das mindestens eine elektrische Kabel ist infolge der Längsführung, die die Funktion eines Kabelkanals hat, zu einem großen Teil von der Tragstruktur umgeben, was die Abstrahlung elektromagnetischer Energie reduziert. Ebenso wird die mögliche Einstrahlung elektromagnetischer Wellen in das Kabel reduziert.

Bevorzugt weist die Längsführung einen U-förmigen Querschnitt auf, d.h. sie ist an drei Seiten geschlossen und an der vierten Seite offen. Die offene Seite sollte dabei von der bzw. den von der Tragstruktur abgestützten elektronischen Komponenten wegweisen, um den Schutz vor elektromagnetischer Ab- und Einstrahlung noch wirksamer zu gestalten. Über die offene Seite kann an das mindestens eine Kabel einfach gelangt werden, so dass ein einfacher Zugriff für Verlegungs- bzw. Reparaturarbeiten möglich ist.

Werden in der Längsführung mehrere Kabel geführt, so ist in einer Unterausführung vorgesehen, dass mindestens eines der Kabel ein Massekabel ist. Auf diese Weise kann ein Übersprechen, d. h. eine Störbeeinflussung zwischen den gemeinsam in der Längsführung verlegten Kabeln, reduziert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 eine Tragstruktur und ein in der Tragstruktur zu verlegender Kabelbaum;

2 eine Anbindung der Tragstruktur an ein Anschlusselement;

3 eine an der Tragstruktur ausgebildete Längsführung für den Kabelbaum;

4 ein Querschnitt der Längsführung.

In 1 ist eine Tragstruktur 1 aus einer Magnesiumlegierung zu sehen, die mit ihren Querenden 2 an den A-Säulen eines Kraftfahrzeuges befestigt ist. Die Tragstruktur 1 dient der Aufnahme und mechanischen Abstützung der in dem Cockpitbereich des Kraftfahrzeuges untergebrachten elektronischen Module. So wird beispielsweise im linken Bereich 3 der Tragstruktur ein Kombiinstrument angeordnet und im mittleren Bereich 4 ein Multimediainstrument. Die Tragstruktur weist in ihrem mittleren Bereich 4 eine einstückig mit der Tragstrukur 1 ausgeführte Ablage 5 auf, an die eine ebenfalls zur Tragstruktur 1 gehörende hintere Rückwand 6 angeformt ist. Auf der Ablage 5 wird eine zum Multimediainstrument gehörende elektronische Komponente 25, die beispielsweise eine bestückte Leiterplatte ist, befestigt und mittels der Stecker 7 mit elektrischer Energie sowie elektronischen Informationssignalen versorgt. Die Stecker 7 befinden sich an den Enden mehrerer Kabel 8, welche eine Art Teilkabelbaum bilden, der wiederum Bestandteil eines Kabelbaums 9 ist. Der Kabelbaum 9 ist im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug entlang der Tragstruktur 1 verlegt und besteht aus einer Vielzahl von Einzeldrahtleitungen.

Die Ablage 5 sowie die Rückwand 6 gewährleisten eine Abschirmung der auf der Ablage befestigten elektronischen Komponente 25 gegen elektromagnetische Einstrahlung und verhindern in diesen Richtungen eine Abstrahlung elektromagnetischer Energie. Um diese Abschirmwirkung zu verstärken, ist die Tragstruktur 1 mit einem Masse-Potential verbunden.

Diese Masse-Verbindung wird mittels der Anordnung in 2 realisiert. Ein Anschlusselement 10 ist direkt an der aus Stahl ausgeführten Karosserie 11 des Kraftfahrzeuges angeformt und die Karosserie 11 ist auf die Fahrzeugmasse 12 gelegt. An einer Anformung 13 an der Tragstruktur 1 (siehe 1) ist mittels einer selbstschneidenden Schraube 14, die aus Metall bzw. einer Metalllegierung besteht, ein als Blech ausgeführtes Verbindungselement 15 befestigt, welches aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Stahl, gefertigt ist. Das Verbindungselement 15 ist wiederum mit einer Schraube 16 an dem Anschlusselement 10 befestigt. Wesentlich bei dieser Anordnung ist, dass in die Tragstruktur 1 vorab keine Öffnung bzw. kein Gewinde zur Aufnahme der selbstschneidenden Schraube 14 eingebracht ist, sondern dass die Schraube 14 direkt in das Vollmaterial der Tragstruktur 1 hineingedreht wird. Die Schraube besteht beispielsweise aus einem Hartmetall, wie Stahl. Sofern es die mechanischen Randbedingungen erlauben, wäre jedoch auch ein weicheres Metall geeignet, welches mit seinem Potential in der elektrochemischen Spannungsreihe näher zum Magnesium liegt, also beispielsweise Aluminium und seine Legierungen. Die Schraube 16 zur Befestigung des Verbindungselementes 15 an dem Anschlusselement 10 muss im Gegensatz zur Schraube 14 nicht selbstschneidend ausgeführt sein, da die Elemente 15 und 10 beide aus Stahl bestehen und deshalb keine Kontaktkorrosion zu befürchten ist.

Der Kabelbaum 9 aus 1 wird im eingebauten Zustand entlang der Tragstruktur 1 geführt und an ihr befestigt. Die Ausgestaltung der Führung ist in den 3 und 4 genauer dargestellt. 3 zeigt dabei eine Vergrößerung des Ausschnittes 17 des Kabelbaums 9 im eingebauten Zustand. An der Tragstruktur 1 ist eine Längsführung 18 ausgebildet, die den in Querrichtung parallel zur Tragstruktur 1 verlaufenden Abschnitt 19 des Kabelbaums 9 aufnimmt. In dem in 4 dargestellten Querschnitt der Tragstruktur 1 mit angeformter Längsführung 18 ist zu erkennen, dass der Querschnitt der Längsführung 18 eine U-Form aufweist. Die Seitenwände 20 und die Rückwand 21 der Längsführung 18 umschließen den Abschnitt 19 des Kabelbaums 9 entlang seines Außenumfangs von drei Seiten. Die vierte Seite blickt in Richtung einer Öffnung 22.

In 3 ist die Längsführung 18 in Richtung ihrer Längsausdehnung leicht geschwungen bzw. wellenförmig ausgeführt und die Seitenwände 20 werden in gleichmäßigen Abständen von ebenfalls an der Tragstruktur 1 ausgeformten Rippen 23 gestützt. In 3 sind die Seitenwände 20 außerdem in einem spitzen Winkel zur Senkrechten S der Tragstruktur 1 angeformt, so dass die Öffnung 22 schräg nach oben zeigt. Der Abschnitt 19 des Kabelbaums 9 wird somit bereits aufgrund der Erdanziehung in der Längsführung 18 gehalten. Bei einem rechten Winkel zwischen den Seitenwänden 20 und der Senkrechten S der Tragstruktur 1, wie in 4, ist dagegen die Anbringung eines elastischen Befestigungselementes 24 vorteilhaft.


Anspruch[de]
Anordnung in einem Kraftfahrzeug mit einer Tragstruktur (1) aus Magnesium und/oder aus einer Magnesiumlegierung, einer von der Tragstruktur (1) abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente (25), mindestens einer Schraube (14) und einem Anschlusselement (10), welches ein vorgegebenes elektrisches Potential, insbesondere ein Masse-Potential (12), aufweist, wobei die Tragstruktur (1) mittels der Schraube (14) mit dem Anschlusselement (10) mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (14) eine in das Vollmaterial der Tragstruktur (1) eingebrachte selbstschneidende Schraube (14) ist, die mit der Tragstruktur (1) eine luftdichte Verbindung herstellt. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (14) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, dessen elektrochemisches Potential nur eine geringe Potentialdifferenz zum elektrochemischen Potential der Tragstruktur (1) aufweist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (10) Bestandteil einer Karosserie (11) des Kraftfahrzeuges ist. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (1) mittels der selbstschneidenden Schraube (14) mit einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (15) verbunden ist und dass das Verbindungselement (15) mit dem Anschlusselement (10) in elektrischem Kontakt steht. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tragstruktur (1) eine Längsführung (18) zur Aufnahme von mindestens einem elektrischen Kabel (19) ausgeführt ist, wobei das elektrische Kabel (19) zur elektrischen Kontaktierung der von der Tragstruktur (1) abgestützten oder aufgenommenen elektronischen Komponente (25) dient. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsführung (18) einen U-förmigen Querschnitt aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsführung (18) mehrere Kabel, insbesondere in Form eines Kabelbaums (9) geführt werden, wobei mindestens eines der Kabel ein Massekabel ist.






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