Simulierte Elektromechanik

Simulation – Mechanische und gekoppelte elektrisch-thermische Simulationen unterstützen den Entwicklungsprozess entscheidend. Ziel ist, das optimale Produkt in kürzester Zeit zu entwickeln.

10. April 2008

Marktanforderungen für Steckverbinder ändern sich schnell. Im Vorteil ist, wer sie antizipiert und optimale Anwendungen mit hohem Kundennutzen entwickelt. Wer wie Harting neue Entwicklungen schneller als andere am Markt platzieren möchte, begnügt sich nicht mit dem traditionellen Musterbau und dem Rapid Prototyping. Simulation spielt in Sachen Schnelligkeit eine immer größere Rolle. Ziel der Simulation ist es, das Produkt vollständig im Rechner abzubilden.

Eine leichte Steckbarkeit, guter Kontakt über die gesamte Lebensdauer und die Fähigkeit, hohe Ströme übertragen zu können – dies sind die Basisanforderungen an ein gutes Steckverbinderdesign.

Federdesign 1 – die Grobauslegung

Eine hohe Kontaktnormalkraft führt durch die Reibung zu hohen Steckkräften. Diese möchte man aber vermeiden, da sich bei hochpoligen Steckverbindern die moderaten Steckkräfte eines Einzelkontakts schnell zu einer kaum handhabbaren Gesamtkraft aufaddieren, die nicht nur unhandlich im Service ist, sondern auch die Leiterplatten mechanisch stark belasten kann. Ziel war es, die maximale Steckkraft auf Werte unter 100 N zu begrenzen. Nach der mechanischen Auslegung sollte die Stromtragfähigkeit einer Power-Variante überprüft werden.

Auch wenn man mit den heutigen CAE-Werkzeugen geometrisch nichtlineare Probleme unter Berücksichtigung der elastisch-plastischen Materialeigenschaften leicht lösen kann – am Anfang steht nahezu immer eine grobe analytische Abschätzung der Federeigenschaften, die zwar keine nichtlinearen Effekte berücksichtigt, aber im Allgemeinen doch schon recht nahe an der Realität ist.

Die Feder besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Um plastische Verformungen der realen Feder zu verhindern, sollte die maximale Randfaserspannung auch bei maximaler Auslenkung möglichst weit unter der Dehngrenze Rp0,2 liegen.

Gibt man das Elastizitätsmodul E, die Normalkraft F, die Federlänge l, die Federbreite w und die Federhöhenfunktion h(x) vor, so kann man über das Biegemoment M(x) und das Flächenträgheitsmoment I(x) die Biegelinie y(x) und den Verlauf der Randfaserspannung ?(x) berechnen.

Durch eine Optimierung der Federhöhenfunktion kann eine nahezu konstante Randfaserspannung erreicht werden. Am Federende fällt die Randfaserspannung ab, da eine minimale Federhöhe hmin=0,25 mm nicht unterschritten werden sollte.

Die Kontaktfedermaterialien verhalten sich leider nicht rein elastisch. Geringe plastische Verformungen treten schon bei niedrigen Spannungen auf. Genaue Spannungs-Dehnungsdaten aus dem Zugversuch sind die Voraussetzung dafür, dass man eventuell bleibende Verformungen einer Feder bestimmen kann.

Federdesign 2 – FEM-Feinschliff

Auch Effekte, die durch die Wanderung des Kontaktpunkts hervorgerufen werden, und die Federsteifigkeitsänderung durch die Beschichtungsmaterialien (bei 200 µm Materialdicke sind 10 µm Nickelbeschichtung nicht vernachlässigbar) können berücksichtigt werden. Dabei wurden mittels 2D-Rechnungen letzte Geometrieoptimierungen vorgenommen. Die genauesten Ergebnisse lieferten die abschließenden 3D-Simulationen des Steckvorganges. Die Auswertung der Stecksimulation mit Spannungsverteilung zeigt, dass man auch bei maximaler Auslenkung ausreichend unterhalb der Dehngrenze des Materials bleibt.

Federdesign 3 – Theorie trifft auf Praxis

Grau ist zwar alle Theorie ? dies sollte für moderne CAE-Werkzeuge natürlich nicht gelten. Deshalb wird nach der Designphase überprüft, wie es um die Vorhersagen bestellt ist. Denn jedes Modell ist eben nur ein Modell der Wirklichkeit, und falls man feststellt, dass die Vorhersagegenauigkeit nicht ausreicht, muss man unter Umständen weitere Effekte in die Simulation einbeziehen. Die Messung der Normalkraft zeigte jedoch, dass die Abweichungen gering sind – das Kontaktdesign ist zumindest für den mechanischen Teil abgeschlossen.

Zu vielen modernen Steckverbindern werden auch Varianten angeboten, die für die Übertragung hoher Ströme optimiert sind. Wie verhält sich der Steckverbinder thermisch, wenn alle Kontakte mit sogenannten Power-Kontakten bestückt und diese gleichzeitig bestromt werden?

Die Berechnung der Bauteiltemperatur bei vorgegebener Bestromung ist dabei nicht trivial. Bei vorgegebenem Strom wird die Stromdichte in den Kontakten berechnet. Diese Stromdichte bestimmt zusammen mit der Leitfähigkeit die entstehende Stromwärme. Diese wird über Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben. Da viele Materialdaten temperaturabhängig sind, muss man das elektrische, thermische und das Strömungsproblem (Konvektion) möglichst simultan lösen. Man spricht hier von gekoppelten Rechnungen beziehungsweise von Multiphysik.

Ein großer Vorteil der Simulation ist, dass sich das Simulationsmodell auch ausschnittsweise betrachten: Man kann Bereiche des Produkts darstellen, die sonst mit der Messtechnik nur schwer erreichbar sind. Bestromt wurde in diesem Fall mit 12 A ? man sieht dabei deutlich, dass hier die Leiterplatte der begrenzende Faktor ist. Durch die Simulation konnte nachgewiesen werden, dass der Steckverbinder die Vorgaben zur Stromtragfähigkeit einhält.

Achim Brenner, Harting /ps

Erschienen in Ausgabe: 02/2008