Industriesteckverbinder Dichtheitsprüfung von elektrischen Steckverbindern

Abgedichtete Steckverbinder werden in vielen Bereichen eingesetzt. Doch wann ist dicht wirklich dicht?

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Aufgrund der vielfältigen industriellen Einsatzbereiche von elektrischen Steckverbindern wer-den an diese Komponente eine Vielzahl von Anforderungen gestellt. Hierzu gehört auch die Dichtheit gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit, deren Anforderungen in der Definition der IP-Schutzarten beschrieben sind. Das Eindringen von Flüssigkeiten kann zu schweren Störungen in der elektrischen Verbindung und in der angeschlossenen Elektronik führen. Damit kommt der Dichtheitsprüfung der Steckverbinder in der Produktionslinie eine besondere Bedeutung zu. Die Grundlagen der Dichtheitsprüfung und wichtige Aspekte bei der Prüfung von elektrischen Steckverbindern werden praxisnah behandelt.

Einsatzbereiche und extreme Anforderungen an Steckverbinder

Zuverlässige elektronische Kontaktierungen sind für einfache elektrische und auch für komplexe elektronische oder mechatronische Funktionen unabdingbar. Der Einsatzbereich für Steckverbinder stellt sich als sehr vielfältig dar. Sie werden im Motorraum, für Hochstromverbindungen in Elektro- und Hybridfahrzeugen (bis 250 A und mehr), für mittlere Strombereiche (Verteilerbox, Leistungselektronik, Klima / Heizung), Maschinenbau, Verkehrstechnik, Mess- und Regeltechnik, Robotik, Kommunikation, Nachrichtentechnik Medizintechnik und Lebensmittelindustrie eingesetzt, um nur einige Branchen zu nennen.

Unterwassersteckverbindungen können bis in 6000 m Tiefe gesteckt werden. Beim Steckvorgang wird das Wasser vollständig aus den Buchsenhohlräumen gedrängt. Die Verbindung wird mit Öl gegen Seewasser geschützt. Unterwasser-Steckverbinder sind für eine Lebensdauer von 25 Jahren ausgelegt.

Der Einsatz selbstreinigender Stirnflächen mit federnden Kontakten und sicheren Verriegelungen (Push-Pull, Bajonettverschlüsse) unterstützen den Feldeinsatz. Bisweilen ist ein zuverlässiger Betrieb in weiten Temperaturbereichen (–55 bis 150°C) und / oder bei extremen mechanischen Belastungen (Beschleunigungen, Stöße, Vibrationen) gefordert.

Kritisch ist das – in der Regel nicht zulässige - Trennen der Steckverbinder unter Last. Dieses kann zu Überspannungen führen. Hierdurch kann das Material, das den elektrischen Kontakt umgibt, abgetragen werden bis hin zur Funkenerosion des elektrischen Kontaktes selbst. Dies verschlechtert die elektrischen Übertragungseigenschaften.

Bei Standard M12 Steckverbindern ist die Dichtheit des abdichtenden O-Rings nur dann gegeben, wenn die Steckverbindung mit einem vordefinierten Drehmoment angezogen wird. In der Praxis wird aber häufig hierauf verzichtet, so dass der O-Ring nicht ausreichend komprimiert wird oder umgekehrt bei zu hoher Belastung sogar zerstört wird. In beiden Fällen ist die Verbindung undicht. Abhilfe schafft hier eine neue Lösung durch Steckverbinder, bei denen der Überwurf frei dreht, sobald das vorgegebene Drehmoment erreicht wird (integrierte Drehmomentsicherung). Damit ergibt sich ein hohes Maß an Montage- und Funktionssicherheit.

Materialien und Auswahlkriterien

Es wird zwischen selten gelösten und häufig gelösten Steckverbindern unterschieden. Je nach Beanspruchung werden unterschiedliche Gehäusematerialien (Kunststoff, Edelstahl) verwendet. Hochleistungskunststoffe sind interessant aufgrund guter mechanischer und thermischer Eigenschaften. Diese sind auch bei Hochtemperaturanwendungen noch hinreichend steif. Edelstähle sind rostfrei, glatt, korrosionsbeständig, resistent gegen aggressive Medien, bedürfen keines besonderen Oberflächenschutzes und lassen sich leicht reinigen. Edelstahlsteckverbinder werden insbesondere in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Bei Chromlegierungen bildet sich durch Oxidation auf der Oberfläche eine sehr dünne Passivschicht. Wird diese mechanisch beschädigt, so regeneriert sich diese spontan (Selbstheilungseffekt).

Zu den relevanten Auswahlkriterien von Steckverbindern gehören: Anzahl der Kontakte (evtl. Berücksichtigung von Reservekontakten), elektrische Anforderungen (Strom, Spannung, Übergangswiderstände, Beeinflussung durch Verschmutzungsgrad), Betriebsbedingungen (hier insbesondere Betriebstemperatur), Bauart und Baugröße (Leitungsdurchmesser, Litzenquerschnitt, Toleranzen, Positionsgenauigkeit der Kontakte), Anschlussart (z.B. Schrau-ben, Crimpen, Stecken usw.), Verriegelung, EMV-Schutz, Beständigkeit (z.B. gegen Umwelt-einflüsse, Vibration, Korrosion, Temperatur usw.) und Schutz gegen Staub und Wasser.

IP-Schutzarten – Theorie und Praxis

Die IP-Schutzarten klassifizieren den Schutz gegen Eindringen bei unterschiedlichen Bedin-gungen. Der ursprünglich bei Gehäusen geforderte Anspruch wurde auf verschiedene Pro-dukte wie beispielsweise Geräte, Anschlussleitungen, Sensoren und Schalter erweitert. Die IP-Schutzarten werden in der Form IP xy („International Protection“, im englischen Sprach-raum auch als „Ingress Protection“ bezeichnet) angegeben. Die erste Kennziffer x beschreibt den Schutz gegen feste Partikel, die zweite Kennziffer y definiert den Schutz gegen Wasser. Der weitere Buchstabe K kennzeichnet die Ausrüstung von Straßenfahrzeugen.

Die IP-Schutzarten sind in der DIN EN 60529 (VDE 0470) definiert. Allerdings beschreibt diese Norm bisweilen nicht eindeutig, wie zu prüfen ist. So fordert die IP 68 „geschützt gegen die Wirkung bei dauerndem Untertauchen“. Die Details der Umsetzung sind nicht definiert. Diese müssen Hersteller und Anwender gemeinsam abstimmen und die Prüfbedingungen für den Produktionsprozess des Produktes festlegen. Hierbei sind die Normenforderungen und die Praxisbelastungen zu berücksichtigen.

Die Norm schreibt lediglich eine Laborprüfung vor, wobei beim Nachweis des Schutzes gegen Wasser Leitungswasser zu verwenden ist. Diese Prüfungen entsprechen bisweilen nicht den in der Praxis auftretenden Belastungen, sodass hier bei der Konstruktion und der Materialauswahl besondere Maßnahmen getroffen werden müssen.

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