DE102005059584A1

DE102005059584A1 - Schaltungsanordnung mit einem mechanischen Dämpfungselement

Info

Publication number: DE102005059584A1
Application number: DE102005059584A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mueller-Hirsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-21
Also published as: WO2007068663A1

Abstract

Bei einer Schaltungsanordnung mit einem Bauelement (1, 2), das mittels wenigstens eines leitenden Anschlussdrahtes (7) mit einer Schaltplatine (3) verbunden ist, ist zur Stabilisierung gegenüber mechanischen Schwingungen gemäß der Erfindung vorgesehen, dass zwischen dem Bauelement (1, 2) und der Leiterplatte (3) ein mechanisches Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen, die insbesondere in mechanisch stark beanspruchten Umgebungen eingesetzt werden, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder anderen motorbetriebenen Fahrzeugen, wo im Motorbetrieb in Frequenzen zwischen wenigen Hz und wenigen 1000 Hz verteilt dauerhaft und intensiv mechanische Schwingungsanregungen vorliegen.
STAND DER TECHNIK
Der Elektronikanteil in Systemen der Automobiltechnik nimmt laufend zu, so dass vielfältige Schaltungsanordnungen auf Platinen, beispielsweise für die Einspritzsteuerung, aber auch andere Systeme in einem Kraftfahrzeug verteilt sind. Die Schwingungsanregungen, denen ein solches System ausgesetzt sind, sind einerseits breitbandig, andererseits durch wechselnde Drehzahlen des Motors typischerweise auch veränderlich.
Dies ist verbunden mit einem außerordentlich hohen Anspruch an die Zuverlässigkeit der Kraftfahrzeugelektronik, da der Ausfall eines Aggregats im besten Falle die Immobilität des Kraftfahrzeugs und somit des Fahrers, im schlimmsten Fall jedoch größere Gefahren im Straßenverkehr zur Folge hat.
Außerdem wird von den genannten Systemen eine hohe Standfestigkeit auch über viele Jahre des Gebrauchs und unter widrigen Bedingungen, wie beispielsweise stark wechselnden Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten verlangt.
Auf der anderen Seite steht ein ständig wachsender Kostendruck, der zur Senkung der Herstellungs- und Konstruktionskosten zwingt.
In derartigen Schaltungsanordnungen sind üblicherweise elektronische Bauelemente mittels Drähten mit einer Platine verbunden, wobei die Drähte üblicherweise durch Lotverfahren mit Leiterbahnen der Platine verbunden werden. Eine derartige Lotverbindung ist relativ steif, wobei der elektrische Verbindungsdraht und die Anschlussstelle im elektronischen Bauelement die steiferen Elemente der Verbindung darstellen. Bauelemente, die einem längeren Einsatz unter den geschilderten Bedingungen ausgesetzt sind, zeigen gelegentlich Drahtbrüche oder Brüche an den Anschlüssen, die zum Ausfall der Schaltungsanordnung führen. Ein derartiger Effekt kann besonders bei größeren Bauteilen wie beispielsweise Elektrolytkondensatoren, wie sie insbesondere zur Ansteuerung moderner Einspritzventile eingesetzt werden, auftreten. Zur Lösung derartiger Probleme sind verschiedene Maßnahmen bekannt.

Aus Patent Abstract of Japan, Veröffentlichungsnummer: 2002185872 A ist beispielsweise bekannt, ein Ende eines Kondensators in eine Substanz einzubetten, die auf der Leiterplatte haftet, um somit eine feste Verbindung zwischen dem kapazitiven Element und der Leiterplatte herzustellen.

Aus der DE 199 29 598 A1 ist ein Elektrolytkondensator bekannt, dessen Schwingbelastbarkeit einerseits durch die Gestaltung seiner inneren Verdrahtung verbessert wird, andererseits durch die Verbindung mit äußeren Verbindungsblechen, die an den Stirnseiten des Kondensators angeordnet und mit der Schaltplatine verlötet sind.

Als weitere Maßnahmen zur Lösung des Problems werden dort ein Verkleben von Elektrolytkondensatoren mit einer Schaltplatine sowie die Befestigung mittels Schellen erwähnt.

Aus Patent Abstract of Japan, Veröffentlichungsnummer: 2000049473 A ist eine Schelle für die Befestigung von Kondensatoren auf einer Platine bekannt, wobei die Schelle in Bohrungen der Platine durch eine Schnappverbindung befestigt ist. Es ist nicht ersichtlich, wie die Kondensatoren dort kontaktiert werden.

Aus dem Japanischen Patent, Nr.: 06204668 A ist eine Schelle zur Verbindung einer Leitung mit einem Teil eines Kraftfahrzeuges bekannt, wobei die Schelle in einer Bohrung eines blechartigen Teils verklemmt wird und die Vibration der Anordnung vermindern soll.

Die beschriebenen Lösungen haben gemeinsam, dass sie bei der Verbindung eines elektronischen Bauelementes mit einer Schaltplatine parallel zu der elektrischen Drahtverbindung eine zusätzliche feste mechanische Verbindung erfordern, um den mechanischen Beanspruchungen bei Schwingungsanregungen gerecht zu werden.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Verbindung eines Bauelementes mit einer Schaltplatine zu schaffen, die auf der Schaltplatine wenig Platz beansprucht, leicht zu montieren ist und dennoch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Schwingungsanregungen gewährleistet.

Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass die Handhabung der bekannten Schwingungsanregungen nicht, wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, durch eine steifere Anbindung des Bauelementes an die Platine, sondern durch eine effektive Dämpfung gewährleistet wird. Beispielsweise kann die 1. Harmonische der Eigenfrequenz eines Elektrolytkondensators in der Schwingungsmode senkrecht zu seiner Zylinderachse (vorausgesetzt, die Drahtverbindungen sind stirnseitig angeordnet und radial nach unten zur Schaltplatine geführt) je nach Masse des Kondensators und Stärke der Lötdrahtverbindungen zwischen 180 und 250 Hz liegen. Eine zusätzliche Versteifung mit Lötblechen kann eine Verschiebung der Eigenfrequenz beispielsweise in den Bereich von 600 Hz bewirken. Die Lötbleche verbrauchen jedoch einerseits auf der Platine Platz, und verursachen andererseits Materialkosten und Prozesskosten durch die notwendige Verlötung.

Durch ein statt der Lötbleche vorgesehenes Dämpfungselement wird zwar die Eigenfrequenz in der genannten Mode kaum verändert, jedoch verhindert eine effektive Dämpfung die Anregung der entsprechenden Eigenschwingung. Die Schwingungsenergie wird dissipativ abgeführt. Ein derartiges Dämpfungselement lässt sich einfach und kostengünstig herstellen und mit sehr geringem Fertigungsaufwand zwischen dem Bauelement und der Platine einfügen.

Das Dämpfungselement kann entweder mit dem Bauelement selbst oder einem an diesem befestigten Teil verbunden sein und an der Schaltplatine oder einem auf dieser abgestützten Halteelement anliegen oder mit der Schaltplatine oder einem auf dieser abgestützten Halteelement verbunden sein und an dem Bauelement anliegen.

Es kann auch einfach zwischen dem Bauelement und der Platine eingeklemmt sein und durch die Anschlussdrahtverbindung des Bauelementes mit der Platine kraftschlüssig festgehalten werden. Es ist beispielsweise denkbar, zwischen einem Elektrolytkondensator und der Schaltplatine ein Elastomer-Pad beispielsweise in Form eines Schaumstoffs wie Neopren festzuklemmen.

Der Fertigungsaufwand wird beispielsweise dadurch besonders reduziert, dass ein Dämpfungselement auf das Bauelement aufklemmbar ist und sich mittels wenigstens eines Abstützelementes an der Leiterplatine abstützt.

Im Fertigungsprozess kann nach der elektrischen Verbindung des Bauelementes mit der Platine das Dämpfungselement aufgeklemmt werden und sich elastisch gegen die Platine abstützen. Zu diesem Zweck ist das Abstützelement vorteilhaft aus einem elastisch verformbaren Material gefertigt oder weist ein Element auf, das aus einem elastisch verformbaren Material besteht. Ein derartiges Element kann auch beispielsweise als Hohlkörper oder Hohlprofil ausgebildet sein.

Konkret kann das Dämpfungselement als eine u-förmige Kunststoffklammer ausgebildet sein, die auf das Bauelement aufklemmbar ist und die an ihren freien Schenkeln verformbare Körper aufweist, die an der Leiterplatine anliegen.

Die verformbaren Körper können zum Beispiel als Hohlprofile ausgebildet sein und aus einem Silikongummi bestehen. Sie können an den Schenkeln der u-förmigen Klammer mittels einer Klebeverbindung, beispielsweise eines doppelseitigen Klebebandes befestigt sein.

Eine derartige Klammer gleicht Fertigungstoleranzen sowohl beim Durchmesser des Bauelementes, auf das es aufgeklemmt wird als auch bezüglich des Abstandes zwischen dem Bauelement und der Platine durch seine Verformbarkeit aus.

Die u-förmige Klammer kann auch an ihrer Innenseite elastisch dämpfende Zwischenlageelemente in Form on einem oder mehreren Streifen aufweisen, die an dem Bauelement anliegen. Diese können zwischen der Klammer und dem Bauelement eingeklemmt, jedoch auch mittels doppelseitigen Klebebandes verklebt sein. Mittels der Streifen wird einerseits sichergestellt, dass die Klammer auf dem Bauelement durch Reibschluß haftet. Andererseits werden Schwingungen schon zwischen dem Bauelement und der Klammer gedämpft und es findet ein Toleranzausgleich sowohl zwischen der Klammer und dem Bauelement als auch bezüglich der Positionierung der Klammer in bezug auf die Leiterplatte statt.

Zur Montage wird die Klammer nach der Befestigung des Bauteils auf der Leiterplatte auf das Bauteil, beispielsweise einen Elektrolytkondensator aufgeschoben und weitet sich dabei elastisch auf. Die inneren Kanten der Klammer gleiten dabei über die Oberfläche des Bauteils. Das Bauteil stützt sich über die oben genannten Hohlprofile an der Leiterplatte ab. Der Toleranzausgleich wird sowohl durch die Zwischenlageelemente als auch durch die Hohlprofile geleistet und führt zu einem Reibschluß der Klammer am Bauteil einerseits und an der Leiterplatte andererseits.

ZEICHNUNGEN

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.

Dabei zeigt
1 die typische Anordnung von zylindrischen Elektrolytkondensatoren in einer Schaltungsanordnung;
2 schematisch einen zylindrischen Elektrolytkondensator und die Richtung der Hauptschwingungsmode;
3 einen zylindrischen Elektrolytkondensator auf einer Schaltplatine mit einem Dämpfungselement;
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt zwei zylindrische Elektrolytkondensatoren 1, 2 in perspektivischer Ansicht, die auf eine Schaltplatine 3 aufgelötet sind. Die Längsachsen der Elektrolytkondensatoren 1, 2 stehen senkrecht aufeinander. Die Schwingungsanregung innerhalb eines Kraftfahrzeugs kann durchaus anisotrop sein, so dass einer der beiden Kondensatoren in anderen Schwingungsmoden angeregt wird als der andere. Grundsätzlich sind die Anregungen jedoch vielfältig und auf mehrere Richtungen verteilt, so dass für die Dämpfung aller Schwingungsmoden Sorge getragen werden sollte.
Schematisch sind in der 1 außerdem Leiterbahnen auf der Platine 3 angedeutet, mit denen die gezeigten Kondensatoren über die Anschlussdrähte 4, 5 mittels Lötung verbunden sind.
2 zeigt schematisch in einer dreidimensionalen Ansicht einen zylindrischen Elektrolytkondensator 1, der an seinen beiden Stirnseiten, von denen nur eine 6 dargestellt ist, mittels Anschlussdrähten 7 mit einer Schaltplatine 3 durch Löten verbunden ist. Die am stärksten angeregte Schwingungsmode ist die Kippschwingung des Kondensators, um die Befestigungspunkte 8 beziehungsweise die diese verbindende Achse herum, die durch die Pfeile 9, 10 angedeutet ist. Die Frequenz dieser Mode kann beispielsweise in der Größenordnung 200 Hz liegen.
Eine derartige Schwingung beansprucht das Material des Verbindungsdrahtes 7, so dass früher oder später ein Bruch eintreten kann, der dann vorzugsweise an der Lötstelle 8 auftreten oder an der Austrittstelle 11 des Anschlussdrahtes aus dem Kondensator kann.
3 zeigt einen zylindrischen Elektrolytkondensator 1, der, wie schon in den oben beschriebenen Figuren mittels eines Anschlussdrahtes 7 mit einer Schaltplatine 3 kontaktiert ist. Der auf der gegenüberliegenden Stirnseite liegende Anschlussdraht ist nicht dargestellt.
Auf die zylindrische Mantelfläche 12 des Kondensators 1 ist eine u-förmige Klammer 13 aufgeschoben und dort durch Klemmung befestigt. Sie besteht aus einem elastischen Kunststoffmaterial beispielsweise einem Gießharz.
Bei der Auswahl der verwendeten Materialien muss grundsätzlich dafür gesorgt werden, dass diese eine Temperaturstabiliät bis über 125° C aufweisen, um den typischen Umgebungsbedingungen beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeuges gerecht zu werden.
Um Gewicht zu sparen und eine höhere Elastizität zu erreichen können in der u-förmigen Klammer 13 Fenster 14 ausgenommen sein. An der Innenseite der Klammer 13 können mehrere elastische, dämpfende Streifen aus einem Elastomer oder eine durchgehende Schicht 20, 21 aus einem entsprechenden Material vorgesehen sein zum Toleranzausgleich und um einen guten Reibschluß zwischen der Klammer und dem Bauteil zu erreichen.
Die freien Schenkel 15 der Klammer enden in Anschlusskanten 16, 17, die jeweils einen Flansch zur Befestigung elastischer Hohlkörper 18, 19 aufweisen. Diese elastischen Hohlkörper sind in dem gezeigteil Beispiel als Hohlprofile aus einem Silikonelastomer ausgebildet, das mittels eines doppelseitigen Klebestreifens an den Kanten 16, 17 befestigt. ist.
Eine Befestigung der Hohlprofile 18, 19 zu der Leiterplatine 3 braucht nicht vorgesehen zu sein, da die Form und Größe der Klammer 13 und die Länge der Schenkel 15 im Vergleich zu der Länge der Anschlussdrähte 7 so gestaltet ist, dass beim Aufschieben der Klammer 13 auf den Elektrolytkondensator 1 die Hohlkörper 18, 19 unter elastischer Verformung und Reibschluss gegen die Schaltplatine 3 gedrückt werden.
Hierdurch findet keine besondere Versteifung der Verbindung zwischen dem Elektrolytkondensator 1 und der Schaltplatine statt, jedoch eine effektive Dämpfung der Kippschwingung, wie sie in der 2 gezeigt ist, und anderer Moden.
Die Klammer 13 kann entweder vor oder nach dem Auflöten des Kondensators 1 auf die Schaltplatine 3 auf den Kondensator aufgesetzt werden.
Auf der Schaltplatine 3 muss kein Platz für Versteifungselemente freigehalten werden. Zwar können im Bereich der Abstützung der Hohlprofile 18, 19 keine Bauelemente vorgesehen werden, jedoch können dort Leiterbahnen verlaufen und auf der Unterseite der Platine können auch Bauelemente angeordnet werden.
Das Material, aus dem die Klammer 13 besteht, kann ebenfalls stark dämpfende Eigenschaften haben, so dass eine Abstützung auf der Schaltplatine 3 auch ohne die Hohlprofile 18, 19 schon eine ausreichende Dämpfung bewirken kann.
Durch die erfindungsgemäße Dämpfungsrichtung wird bei geringem konstruktiven und Kostenaufwand sowie geringem Prozessaufwand eine effektive Dämpfung und damit eine Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit und Verlängerung der Lebensdauer erreicht werden.
Es versteht sich, dass die Realisierung der Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt ist und auch durch andere Kombinationen der genannten Merkmale verwirklicht werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Schaltungsanordnung mit einem Bauelement (1, 2), das mittels wenigstens eines leitenden Anschlussdrahtes (4, 7) mit einer Leiterplatte (3) verbunden ist, gekennzeichnet durch ein mechanisches Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19), das auf seiner einen Seite mit dem Bauelement oder einem mit diesem fest verbundenen Teil und auf der anderen Seite mit der Leiterplatte (3) oder einem mit dieser fest verbundenen Teil gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) an dem Bauelement (1, 2) befestigt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) an der Leiterplatte (3) oder an einem mit dieser verbundenen oder auf dieser abgestützten Halteelement befestigt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) zwischen dem Bauelement (1, 2) einerseits und der Leiterplatte (3) oder auf dieser abgestützten Halteelement andererseits eingeklemmt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) ein elastisch verformbares Material aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) einen elastisch verformbaren Hohlkörper (18, 19) aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) auf das Bauelement (1, 2) aufklemmbar ist und sich mittels wenigstens eines Abstützelementes (15, 18, 19) an der Leiterplatte abstützt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (18, 19) aus einem elastisch verformbaren Material besteht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (18, 19) ein elastisches Hohlprofil aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2, 4 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Dämpfungselement (13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) eine u-förmige Klammer aufweist, die elastisch auf das Bauelement (1, 2) aufklemmbar ist und an den freien Schenkeln elastisch verformbare Körper (18, 19) aufweist, die an der Leiterplatte anliegen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Schenkel der Klammer aufeinander zulaufen und an ihren Enden je einen elastisch verformbaren Körper (18, 19) tragen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbaren Körper (18, 19) Hohlprofile aus einem Silikonwerkstoff sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbaren Hohlprofile (18, 19) mittels doppelseitigen Klebebandes an den freien Schenkeln der Klammer befestigt sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass, zwischen der u-förmigen Klammer und dem Bauelement (1, 2) wenigstens ein Streifen (20, 21) eines Dämpfungsmaterials angeordnet ist.