Qualifikationsverfahren und Analysemethoden zur Untersuchung der Zuverlässigkeit elektrischer Steckkontakte für das Fahrzeugbordnetz
Die Ermittlung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektrischer Steckkontakte im automobilen Bordnetz gewinnt insbesondere vor dem Hintergrund der Elektrifizierung sowie der Entwicklung autonomer Fahrfunktionen an Bedeutung. Kontaktsysteme stellen die elektrischen Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten im Fahrzeug sicher. Durch den Betrieb des Fahrzeugs werden diese Systeme unterschiedlichsten Umgebungseinflüssen ausgesetzt, sodass eine Alterung stattfinden kann.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine tribologische Prüfkette entwickelt, welche es erlaubt die Alterung elektrischer Kontaktsysteme aus verschiedenen Qualifikationstests miteinander zu vergleichen. Somit wurden Versuchskonzepte mit unterschiedlichen Abstraktionsgraden im Vergleich zum Fahrzeugbetrieb erarbeitet. Dazu zählen Fahrversuche, multivariable Lebensdauerprüfungen, Reibkorrosionsversuche mit elektrischen Kontakten sowie Modellversuche mit vereinfachten Prüfkörpern. Anschließend wurden die Versuchskonzepte umgesetzt, um somit beanspruchte Kontaktsysteme analysieren zu können. Die beanspruchten Kontakte wurden mit Methoden aus dem Bereich der Werkstoff- und Oberflächenanalytik untersucht. Eine anschließende Bewertung der Alterungsmechanismen ermöglicht den Vergleich und die Erarbeitung von Beanspruchungsäquivalenzen. Somit konnte gezeigt werden, dass insbesondere multivariable Lebensdauerprüfungen mit Vibrations- und Temperaturwechselbelastungen eine hohe Beanspruchungsäquivalenz zu elektrischen Kontakten aufweisen können, welche in einem Fahrversuch belastet worden sind. Es wurden vergleichbare Degradationen aber auch Grenzen der verschiedenen Prüfkonzepte erarbeitet. Dies erfolgt durch eine systematische Analyse der Alterungsmechanismen aus dem jeweiligen Versuchskonzept der tribologischen Prüfkette.
Darüber hinaus wurden die verwendeten Prüfkonzepte hinsichtlich deren Eignung für die Ermittlung von Zuverlässigkeitskenngrößen bewertet. Gleichermaßen erfolgt eine Validierung der verschiedenen Methoden der Werkstoff- und Oberflächenanalytik für die Analyse gestresster Kontaktsysteme. Daraus wurden Analyseabläufe abgeleitet, welche dem Anwender eine zielgerichtete und schnelle Analyse beanspruchter Kontaktsysteme ermöglicht.
The determination of the reliability and lifetime in the electrical on board system of a car is important. Especially, the electrification of cars and the development of autonomous driving vehicles reinforce this development. Electrical connectors have to guarantee safe signal transmission over the lifetime of the vehicle. These components are exposed to a wide variety of influences from the environment and operation. Therefore, electrical connectors are influenced by an aging process. The aging process and the resulting failure modes can influence the reliability and lifetime.
This study deals with the development of a holistic approach to validate the aging of electrical connectors stressed by different types of lifetime tests. The holistic approach includes analyses of electrical connectors from car tests, vibration and temperature cycle tests, fretting corrosion tests with electrical connectors and lab tests with sphere-plane contact combination. After the completion of tests, different types of analytical methods are used to examine and compare the failure modes of different test procedures. An evaluation of the aging mechanisms enables the comparison of the different test procedures. The lifetime tests with vibration and thermal cycles have a good comparability to electrical contacts stressed by car tests. Alongside comparable degradations mechanisms, the limits of the different test concepts are also validated.
In addition, the test concepts are evaluated with regards to their suitability for the determination of reliability parameters. The various methods of material and surface analyses applicable to the stressed contact systems are validated. Based on the investigations of this study, recommendations for an efficient workflow for analyzing failure modes for electrical connectors are presented.