Modellierung und Berechnung der Kontaktnormalkraft sowie Steckkraft einer Kontaktfeder
Aufgabenstellung
Baumann Kontaktfedern (Abb. 1) werden in elektrischen Systemen eingesetzt, in welchen hohe Ströme übertragen werden müssen, gleichzeitig die Verbindung aber immer noch beweglich, flexibel oder steckbar sein muss. Ein wichtiges Kriterium ist der Übergangswiderstand, der so klein wie möglich sein muss. Der Übergangswiderstand hängt stark von der Kontaktnormalkraft ab. Für die Auslegung einer neuen Feder ist ein grundlegendes Verständnis des Verhaltens der Kontaktfeder sowie eine einfache und zuverlässige Abschätzung der Kontaktnormalkraft sowie Steckkraft wichtig.
Abb. 1: Beispiel einer Kontaktfeder mit dem verwendetem Koordinatensystem
Um die Kontaktkraft und Steckkraft bestimmen zu können, wurden Simulationen mit dem Programm ADINA aufgebaut (Abb. 2 & 3). Folgende Schritte wurden dazu durchgeführt:
Elastisch-plastische Materialdaten aufbereiten
Mathematische Herleitung der Konturdaten
Parametrisierter Aufbau des FE-Modells
Optimierung des Konvergenzverhaltens
Die Simulation wurde so aufgebaut, dass durch Eingabe weniger Parameter die Kontaktfedergrösse elegant angepasst werden kann.
Abb. 2: Aufbau der Simulation der Kontaktkraftsimulation. Es wurde eine Windung aufgebaut und diese um die Anzahl Windungen vervielfältigt. Der äussere Kontakt drückt die Kontaktfeder zusammen.
Der Kunde wünschte sich eine Lösung, mit welcher die Kontaktkraft und Steckkraft einfach und schnell bestimmt werden kann. Nach der Auswertung verschiedener Ansätze entschied man sich für eine vereinfachte Simulation mit Beam-Elementen in einem Open-Source Programm. INFO: Beam-Elemente sind Linien, welchen die Eigenschaften von Balken zugewiesen werden. In diesem Falle wurde eine Windung der Kontaktfeder in 18 Linien unterteilt und den Linien ein runder Querschnitt sowie elastisch-plastische Materialeigenschaften zugewiesen.
Die vereinfachte Simulation konnte soweit automatisiert werden, dass für die Bedienung keine speziellen FE-Kenntnisse mehr nötig sind. Nach Eingabe weniger Parameter wird das Modell automatisch aufgebaut, die Berechnung durchgeführt und die Ergebnisse ausgewertet sowie grafisch dargestellt. Die Simulation inklusive Auswertung der Ergebnisse dauert ca. 1-1.5 Minuten.
Abweichung Kontaktkräfte ±5%.
Abweichung Steckkräfte ±15%.
Es werden folgende Ergebnisse ausgegeben:
Kontaktkräfte am Bolzen und Gehäuse
Abschätzung der Steckkräfte
Maximale Spannungen
Gleitreibungskraft bei eingefahrenem Bolzen
Aussage, ob plastische Dehnung auftritt
Abb. 3: Aufbau der Simulation der Steckkraftsimulation. Es wurde eine Windung aufgebaut und diese um die Anzahl Windungen vervielfältigt. Durch Einfahren des modellierten Bolzens wird die Kontaktfeder zusammengedrückt und die Kräfte aufgebaut.
