Schalengehäuse Flexible Gehäuselösungen für die Tragschiene

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In vielen Anwendungen müssen Betriebsmittel auf Tragschienen befestigt werden. Die Wahl des richtigen Gehäuses spielt hierbei eine wichtige Rolle. Aluminium-Schalengehäuse bieten eine anpassbare, robuste und thermisch optimierte Lösung für Elektroniksysteme.

Die Montage elektrischer Betriebsmittel auf Tragschienen hat sich in vielen Bereichen wie der Automatisierung, der Gebäudetechnik sowie in industriellen Anlagen als etablierter Standard bewährt. Zum Schutz dieser Komponenten sind widerstandsfähige Gehäuse von entscheidender Bedeutung.

Die Gestaltung dieser Gehäuse umfasst jedoch weit mehr als nur mechanische Stabilität: Thermisches Management, eine einfache Integration der Elektronik sowie eine unkomplizierte Gehäusemontage sind ebenso wesentliche Faktoren. Zudem ist ein zuverlässiges Befestigungssystem zur Installation der Gehäuse auf die Tragschienen unabdingbar. Blech- und Profilschalengehäuse aus Aluminium erfüllen aufgrund ihrer Architektur sowie der Eigenschaften des Aluminiums diese Anforderungen in besonderem Maße und sind optimale Lösungen für viele Einsatzbereiche.

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Werkstoffe und Design bei Tragschienengehäusen

Tragschienengehäuse müssen verschiedene technische und funktionale Anforderungen erfüllen, um zuverlässig eingesetzt werden zu können. Je nach Umgebungseinflüssen und Schutzbedarf ist die Verwendung robuster Werkstoffe zu deren Herstellung erforderlich. Aluminium hat sich hier etabliert, da das Metall zahlreiche Vorteile gegenüber Stahl und Kunststoff bietet.

Besonders relevant ist das gute Verhältnis von Gewicht zu Stabilität: Aluminium zählt mit einer Dichte von 2,7 g/cm³ zu den Leichtmetallen und ist damit deutlich leichter als Stahl, was die Montage und die Handhabung erleichtert und die Belastung der Tragstrukturen reduziert.

Trotz seines geringen Gewichts hat Aluminium eine hohe Festigkeit und übertrifft damit Kunststoffe deutlich. Einen weiteren Vorteil bietet die gute Wärmeleitfähigkeit. Aluminium unterstützt die passive Entwärmung, was nicht nur die Leistungsfähigkeit der Elektronikkomponente verbessert, sondern auch deren Lebensdauer verlängert.

Die hohe Korrosionsbeständigkeit von Aluminium, insbesondere bei eloxierter Oberfläche, macht das Metall zudem widerstandsfähig gegenüber harschen Umwelteinflüssen. Nicht zuletzt punktet Aluminium durch seine gute Verarbeitbarkeit. Es lässt sich präzise fräsen, stanzen und formen, wodurch hochwertige und maßgeschneiderte Designs möglich sind.

Konstruktive Auslegung von Tragschienengehäusen

Die konstruktive Auslegung von Tragschienengehäusen erfordert eine dimensionsoptimierte Gestaltung, die eine raumsparende Integration auf Tragschienen gemäß der Norm DIN EN 60715 ermöglicht. Um den vielfältigen funktionalen und mechanischen Anforderungen verschiedener Einsatzbereiche gerecht zu werden, offerieren Gehäusehersteller ein breit gefächertes Sortiment modular aufgebauter Schalengehäuse aus Aluminium.

Diese Gehäusesysteme sind gezielt auf eine hohe Montageeffizienz sowie auf anwendungsspezifische Funktionalität ausgelegt. Durch die modulare Bauweise lassen sich elektronische Komponenten einfach implementieren und die Instandhaltung und Anpassung der Systeme ist relativ unkompliziert, da einzelne Gehäusemodule bei Bedarf schnell demontiert, ersetzt oder modifiziert werden können.

Aluminium-Blechschalengehäuse für modulare Elektronik

Anwender benötigen oftmals Gehäuse mit individuellen Gehäusemaßen – passend zur Modulgröße und Anzahl der Anschlüsse. Aluminium-Blechschalengehäuse bieten den Vorteil frei definierbarer Abmessungen. Dies ermöglicht die Fertigung von Gehäusen mit maßgeschneiderten Parametern, um sowohl gängigen Formfaktoren als auch ungenormte Leiterplatten eine passende Umhausung zu bieten.

Variable Schalengehäuse bestehen aus zwei Halbschalen, die mithilfe von innenseitigen Laschen und dort fest integrierten Einpressmuttern verschraubt werden. Zur Befestigung der Leiterplatten befinden sich in der Unterschale eingepresste Gewindebuchsen, deren Position und Höhe ebenfalls frei wählbar sind.

Für Steuerungs- oder Bedienungseinheiten, bei denen eine ergonomische Benutzerfreundlichkeit wichtig ist, eignen sich Schalengehäuse mit einer schrägen, geneigten Oberschale. Diese Neigung erleichtert die Bedienung und den Blickwinkel auf die darin befindlichen Bedienelemente oder Anzeigen.

Oberschalen mit zwei unterschiedlich geneigten Flächen bieten die Möglichkeit, Schalter oder Schriftzüge getrennt von einer Folientastatur oder einem Display zu platzieren. Die Größe und Neigung der Bedienfelder kann nach Kundenwunsch dimensioniert werden, um eine komfortable und individuelle Handhabung zu ermöglichen. Um eine Überhitzung der Elektronik zu vermeiden, lassen sich Ober- und Unterschale mit Lüftungsschlitzen zu versehen.

In Bereichen, in denen die Entwärmung der Elektronik aufgrund hoher Verlustleistungen oder hohen Bestückungsdichten besonders schwierig wird, ist der Einsatz von Schalengehäusen mit integrierten Kühlkörpern (EN AW 6060) zu empfehlen.

Montage der Gehäuse auf Standard-Tragschiene

Die Montage der Gehäuse auf der Standard-Tragschiene TS 35 nach EN 60715 erfolgt über Befestigungsklammern. Diese bestehen aus stranggepressten Aluminiumprofilen (EN AW 6060) mit einer speziell entwickelten Querschnittsgeometrie und einer dort eingepressten Drahtformfeder aus rostfreiem Stahl. Dieser Aufrast-Mechanismus bewirkt nicht nur eine schnelle und werkzeuglose Befestigung auf die Tragschiene, sondern gewährleistet auch bei mechanischer Belastung eine stabile und sichere Fixierung.

Die Gehäuse können somit leicht von vorne auf Tragschienen mit unterschiedlichen Dicken (1 bis 2,3 mm) aufgesteckt und arretiert werden. Die stabilen Befestigungsklammern sind in verschiedenen Längen und mit bereits eingebrachten Bohrungen für Senkkopfschrauben oder mit Langlöchern für eine flexible Positionierung erhältlich und können mithilfe von Schraubverbindungen an beliebigen Positionen der Blechgehäusen montiert werden. Für den festen Sitz größerer Gewichte oder längerer Hebelarme gibt es die Befestigungen auch mit zwei eingepressten Haltefedern.

Halteklammern aus Kunststoff stellen eine Alternative zu Tragschienenbefestigungen aus Aluminium dar, insbesondere in Anwendungen, die eine zuverlässige elektrische Isolierung erfordern. Da Kunststoff nichtleitend ist, minimiert er das Risiko von elektrischen Kurzschlüssen oder unerwünschten Stromflüssen.

Das Kunststoffstrangprofil mit integrierter Federwirkung wird auf die Tragschiene aufgeschnappt, wodurch die Installation ebenso unkompliziert ist wie bei den Befestigungen aus Aluminium. Das verwendete Hart-PVC ist nach UL94V0 zertifiziert und hält Temperaturen bis 90°C stand, sodass es höchste Sicherheits- und Brennbarkeitsanforderungen erfüllt (Bild 1).

Flexible Konfiguration bei Kombinationsgehäusen für Europakarten

Neben frei definierbaren Blechschalengehäusen offerieren Gehäusehersteller Kombinationsgehäuse, welche speziell zur Integration von Europakarten (100 mm oder 160 mm) ausgelegt sind. Diese Gehäuse bestehen aus zwei stranggepressten Aluminium-Halbschalenprofilen (EN AW 6060), die über eine formschlüssige Nut-und-Feder-Verbindung gegeneinander gesteckt und anschließend mittels front- und rückseitig anschraubbaren Deckelplatten fixiert werden.

Diese Gehäuse lassen sich flexibel konfigurieren. Aus einem umfangreichen Portfolio von Halbschalenprofilen lassen sich zwei identische oder zwei verschiedenartige Halbschalenprofile miteinander „kombinieren“. Die Halbschalenprofile gibt es nicht nur in variierenden Höhenmaßen, sondern auch mit variierenden Konturelementen.

Damit tragen die Konturelemente zur Optimierung der Gehäusefunktionalität bei, indem sie beispielsweise die Aufnahme der Elektronikkomponenten erleichtern. So beinhalten alle Profile innen liegende Führungsnuten, welche ein einfaches Einschieben der Leiterkarten ermöglichen. Die Anzahl der Führungsnuten hängt dabei von der Höhe der Halbschale ab.

Eine alternative Möglichkeit zur Integration elektronischer Bauteile bieten Gehäusehalbschalen, die zusätzlich mit T-Nuten ausgestattet sind. Die T-Nuten dienen der Aufnahme von Gewindestreifen oder schiebbaren Muttern, über die sich Leiterkarten oder Montageplatten mittels Befestigungselemente wie Abstandsbolzen befestigen lassen (Bild 3).

Leistungstransistoren einfach und sicher befestigen

Für Anwendungen, bei denen Leistungstransistoren einfach und sicher befestigt werden sollen, eignen sich Halbschalen mit einer dazu speziell entwickelten Innenkontur. Diese Kontur ist für die Aufnahme universeller Einrast-Haltefedern konzipiert, die ein Einclipsen der Transistoren ermöglichen. Die durch die Haltefeder erzeugte Klemmkraft gewährleistet einen stabilen und zuverlässigen Sitz der Halbleiterkomponenten.

Halbschalenprofile mit einer gerippten Außengeometrie übernehmen eine doppelte Funktion. Sie dienen nicht nur als schützende Umhausung für die Elektronik, sondern fungieren – aufgrund der exzellenten Wärmeleiteigenschaft der Aluminium-Knetlegierung En AW 6060 – zugleich als passive Kühlkörper.

Durch die thermische Kontaktierung der Leistungskomponenten mit der gerippten Halbschale wird die beim Betrieb entstehende Leistung (Wärme) zunächst in die Halbschale übertragen, innerhalb der Halbschalenstruktur verteilt und anschließend über die Schalenoberfläche an die Umgebung abgeführt. Die Vergrößerung der Oberfläche durch Kühlrippen verbessert die Wärmeableitung erheblich und trägt entscheidend zur thermischen Stabilität sowie zur Betriebssicherheit der elektronischen Baugruppe bei (Bild 4).

Die Installation von Kombinationsgehäusen erfolgt entweder über ein Halbschalenprofil mit einer integrierten Tragschienenbefestigung (Adapterprofil) oder über dazu eigens konzipierte Adapterrückwände. Sowohl das Halbschalenprofil als auch die Adapterrückwände nutzen dasselbe Befestigungssystem aus Kontur und Drahtformfeder, wie das der Aluminium-Befestigungsklammer.

Während sich bei Verwendung des Halbschalenprofils die Längsrichtung des Gehäuses parallel zur Tragschiene erstreckt, ist die Gehäuselänge bei Nutzung der Adapterrückwände senkrecht zur Tragschiene ausgerichtet, sodass die Frontplatte des Gehäuses direkt zugänglich bleibt.

Die Tragschienenmontage ist ebenfalls mit der bereits erwähnten Befestigungsklammer aus Aluminium oder Kunststoff möglich. Der Vorteil hierbei liegt in der individuellen Positionierung und Ausrichtung der Befestigung. Die Klammern können mithilfe von Schraubverbindungen an beliebigen Positionen sowohl an Deckelplatten als auch an den Profilhalbschalen montiert werden (Bild  5). (kr)

* Bettina Lochen ist als staatlich geprüfte Technikerin im Bereich Gehäuseentwicklung bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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