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Bild 1: Grundausführung des Heipac Vario Heavy, bestehend aus Seitenwänden, Profilschienen und Befestigungsflanschen. (Bild: Heitec)

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Bild 1: Grundausführung des Heipac Vario Heavy, bestehend aus Seitenwänden, Profilschienen und Befestigungsflanschen. Heitec

Eckdaten

Insbesondere für den mobilen Einsatz, wie beispielsweise im Bahnverkehr oder für Schwerlastanwendungen in rauen Umgebungsbedingungen gibt es strenge Auflagen. Oft sind solche Applikationen sicherheitsrelevant, woraus sich elementare Anforderungen an die Gehäusetechnik ergeben. Nicht zuletzt hängt die Zuverlässigkeit der Gesamtanwendung erheblich von dem verwendeten Gehäuse ab. Deshalb muss eine hohe Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Fremdkörper und Hitze und hohe mechanische Belastbarkeit zwingend gegeben sein.

Für den mobilen Einsatz und Schwerlastanwendungen hat Heitec sein multifunktionales Baugruppenträgersystem Heipac Vario um die neue, besonders robuste Variante, den Heipac Vario Heavy, erweitert. Durch seine spezielle Konstruktion hält er auch hohen Belastungen durch Stoß und Vibration stand. Außerdem ist er in der Lage, Einbaulasten bis über 60 kg zu tragen.

Die Komponenten des Baugruppenträgers werden aus der hochwertigen Aluminiumlegierung AW-6060T66 gefertigt, die einer speziell an die hohen Anforderungen angepassten Nachbehandlung unterzogen wird. Im Zustand T66 wird die Legierung lösungsgeglüht und warmausgelagert, wodurch die Festigkeitswerte des Werkstoffs nahezu verdoppelt werden können.

Aufgrund ihrer guten Verarbeitbarkeit und Wärmeleitfähigkeit kommen Aluminiumlegierungen in der Elektronikindustrie häufig nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen zum Einsatz. Wegen ihrer vergleichsweise geringen Dichte weisen sie eine hohe spezifische Festigkeit auf. Deshalb haben Bauteile aus Aluminiumlegierungen, je nach verwendeter Legierung, ähnliche Festigkeitswerte wie Bauteile aus Stahl bei gleicher Masse. Durch ihre große Vielfalt eignen sich Aluminiumlegierungen auch sehr gut zur Bearbeitung im Strang- oder Spritzguss. Zudem bietet die passivierende Oxidschicht eine äußerst hohe Korrosionsbeständigkeit. Allerdings ist diese Oxidschicht bei der elektrischen Kontaktierung hinderlich. Um die geforderten EMV-Vorgaben zu erreichen, muss die Oberfläche nachträglich mit einer RoHS-konformen (Vorgaben zur vollständigen Vermeidung gefährlicher Stoffe zum Schutz der menschlichen Gesundheit) Chromschicht passiviert werden.

Ein Baugruppenträger besteht in seiner einfachsten Ausführung aus Seitenwänden, Profilschienen und Befestigungsflanschen (Bild 1). Primär sind die Seitenwände ein Teil der Elektronik-Einhausung. Als ebene Fläche haben sie aber auch eine wichtige mechanische Funktion. Sie leiten Schub- und Scherkräfte, die im Inneren des Baugruppenträgers angreifen, zur Seite und nach vorne zur Flanschbefestigung ab. Damit erhöhen sie die Steifigkeit des Gehäuses. Auch Befestigungsflansche und Profilschienen tragen wesentlich zur Versteifung des Baugruppenträgers bei. Zum einen stabilisiert der Befestigungsflansch das Baugruppenträgersystem. Weiterhin ermöglicht er die Befestigung des Baugruppenträgers im Schaltschrank beziehungsweise im Einbaurahmen, was seine eigentliche Hauptaufgabe darstellt.

Da der Baugruppenträger typischerweise einzig durch die Flansche am Schaltschrank/Einbaurahmen befestigt wird, tragen die Flansche die gesamte Last des Baugruppenträgersystems. Für hohe Einbaulasten sind somit besonders robuste Befestigungsflansche nötig. Damit sie diese hohe Stabilität erreichen konnten, optimierten die Ingenieure bei Heitec die Bauteile mithilfe einer FEM-Analyse, um so den bestmöglichen Kompromiss zwischen Materialverbrauch und benötigter Bauteilfestigkeit zu erzielen.

 

Details zur Gestaltung des Flansches für den Heipac Vario Heavy erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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Bild 2: Befestigungsflansch mit doppelter Verschraubung (1), größerer Materialstärke und abgerundetem Innenwinkel (2). Heitec

Heitec entschied sich bei der Gestaltung des Flansches für den Heipac Vario Heavy für zwei wesentliche Aspekte. Zum einen wurde die an der Baugruppenträgerseitenwand befestigte Seite des Flansches verlängert. Dadurch ergibt sich eine größere Auflagefläche des Flansches auf der Seitenwand, die durch eine doppelte Verschraubung und den entsprechenden Anpressdruck für eine höhere Stabilität des Gesamtsystems sorgt. Weiterhin ließ sich durch eine größere Materialstärke das Flächenträgheitsmoment des Flansches deutlich erhöhen und die Steifigkeit des Bauteils beträchtlich steigern.

Erhöhter Auslaufradius

Eine weitere konstruktive Besonderheit in der Ausgestaltung des Befestigungsflansches befindet sich auf der Seite des Innenwinkels. Es ist bekannt, dass sich hier die schwächste Stelle des Bauteils befindet, die bei hoher Einbaulast im Baugruppenträger zuerst zu Schädigungen neigt. Aus diesem Grund wurde der Flansch so gestaltet, dass anstatt zweier stumpf aufeinandertreffender Flächen das Material an dieser Stelle in einem Radius ausläuft. Kerben erhöhen in jedem Bauteil die Spannungen, weshalb sie in der Bauteilgestaltung möglichst vermieden werden sollen. Auch bei hochfesten Werkstoffen können Kerben die Gesamtbauteilfestigkeit erheblich verringern. Ein erhöhter Auslaufradius verringert die Kerbwirkung am Flansch deutlich.

Auch die Querverbindungen zwischen den Seitenwänden, die sogenannten Profilschienen, beeinflussen die Stabilität des Gesamtsystems entscheidend. Im Wesentlichen werden die Profilschienen auf Durchbiegung beansprucht, sekundär jedoch auch auf Torsion. Daher ist eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit der Profilschiene ein wesentlicher Punkt, der bei der Entwicklung einer Schwerlastbaugruppenträgerlösung beachtet werden muss. Um eine höhere Steifigkeit der Profilschiene zu erreichen, wurde der Querschnitt der Schiene vergrößert. Außerdem bietet sich hierdurch die Möglichkeit, die Profilschiene doppelt mit den Seitenwänden zu verschrauben, was die Gesamtstabilität, insbesondere auch die Ableitung von Torsionskräften zusätzlich erhöht.

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Bild 3: Verlauf des Biegemoments Mb und der Durchbiegung w der unteren Profilschiene des Heipac Vario Heavy bei gleichverteilter Strecken- beziehungsweise Einbaulast. Heitec

Wie das vereinfachte Modell in Bild 3 zeigt, handelt es sich bei der Durchbiegung der Profilschiene prinzipiell um nichts anderes als um einen beidseitig eingespannten Balken, der mit einer gleichverteilten Streckenlast belastet wird. In dem Fall ist das Biegemoment Mb und damit auch die Durchbiegung w in der Mitte der Profilschiene am größten. Um die volle Funktionsfähigkeit des Systems selbst bei hohen Einbaulasten zu gewährleisten und eine Beschädigung der Elektronikkomponenten zum Beispiel durch Angriff von Kräften auf die eingeschobenen Platinen zu verhindern, ist eine Erhöhung der Biegesteifigkeit zwingend erforderlich.

Hohe Biegesteifigkeit

Für die Gewährleistung eines stabilen Gesamtsystems darf auch das Befestigungsmaterial nicht vernachlässigt werden. Deshalb werden für den Heipac Vario Heavy Schrauben mit einer hohen Festigkeitsklasse verwendet. Die 8.8er-Schrauben weisen Zugfestigkeitswerte von 800 N/mm2 auf. Um ein selbstständiges Lösen der Schrauben zu verhindern, fiel die Wahl sowohl bei „Heavy“ als auch bei der gesamten Heipac-Vario-Familie auf eine Schraube mit Unterkopfverzahnung.

 

Heipac Vario Heavy wurde auf alle zu erwartenden Belastungen geprüft und gemäß Norm zertifiziert. Mehr dazu auf der nächsten Seite.

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Bild 4: Praxisnahe Ausführung des Heipac Vario Heavy für den Test nach EN 50155 mit Deck-und Bodenblechen, Rückwand, Frontblenden, Busplatine, Kartenführungen und Lastboards. Heitec

Als Anbieter umfassender Gehäusetechnik lässt Heitec seine Baugruppenträgersysteme durch unabhängige Institute auf alle zu erwartenden Belastungen prüfen und gemäß Norm zertifizieren. Für den Heipac Vario Heavy ergaben sich daraus Prüfungen entsprechend der Norm EN 50155, die wichtige Standards für Bahnanwendungen zusammenfasst und nach DIN EN 61587-1, welche die Prüfung gegenüber mechanischen und klimatischen Belastungen festlegt. Prüfungen gemäß Norm fordern meist einen praxisnahen Aufbau (Bild 4) des Gesamtsystems. Das bedeutet, dass alle üblicherweise in einem Baugruppenträger verwendeten Komponenten für den Test auch in dem Gesamtsystem verbaut werden. Um den realen Einsatz zu simulieren, ist ein Aufbau des Baugruppenträgers mit Deck- und Bodenblechen, Busplatine, Kartenführungen, rückseitigem Abschluss, Frontblenden und entsprechenden Lastboards typisch. Gleichmäßig im Baugruppenträger verteilte Lastboards sorgen für eine homogene Gewichtsverteilung.

Dynamischer Belastungstest

Für den dynamischen Belastungstest wird der Baugruppenträger mit einer stabilen Aufspannvorrichtung auf einem Stoß-/Schwingtisch, dem sogenannten „Shaker“, montiert und verschiedenen Vibrations- und Stoßbelastungen ausgesetzt. Auf diese Weise können auf das System mehrere hundert kN einwirken, wodurch der Prüfling extremen Beschleunigungskräften standhalten muss, die weit über das hinausgehen können, was unter realen Bedingungen benötigt wird. Besteht ein Baugruppenträger diesen Test ohne Beschädigungen, ist er für den Einsatz selbst unter rauesten Umgebungsbedingungen bestens geeignet. Der Heipac Vario Heavy wurde gemäß der Anforderungsstufen DL2V beziehungsweise DL2S geprüft, was den typischen Forderungen im Bahn- und Transportwesen entspricht. Heipac Vario Heavy hat die Normanforderungen weit übertroffen, denn die Einbaulast entsprach dem Dreifachen der Normvorgabe.

Aber auch statischen Belastungen muss ein solches System standhalten. Um dies zu gewährleisten prüft man die Durchbiegung der Profilschiene gemäß DIN EN 61587-1. Die Norm gibt vor, dass die Durchbiegung der Profilschiene bei entsprechender Einbaulast nicht mehr als 0,4 mm betragen darf. Das stellt sicher, dass die Steckbaugruppen im Zusammenwirken mit den eingebauten Kartenführungen auch bei hoher Belastung noch voll funktionsfähig gesteckt werden können. Wie in Bild 3 dargestellt, ist die Durchbiegung bei gleichverteilter Streckenlast in der Mitte der Profilschiene am größten. Hier sollte sie 0,4 mm nicht überschreiten. Der Heipac Vario Heavy in der Ausführung mit 3 HE erfüllte die Norm bis zu einer Einbaulast von 10 kg. Aber dank der vorgespannten Kartenführungen, die mit einer speziellen Biegung ausgestattet sind, war das Gesamtsystem auch bei einer Einbaulast von 15 kg noch voll funktionsfähig. Diese Ausgestaltung der Kartenführungen ist einzigartig auf dem Markt und Heitec hat hierfür ein eigenes Schutzrecht.

Durch diese robuste Ausgestaltung ergeben sich für den Heipac Vario Heavy die verschiedensten Einsatzmöglichkeiten. Dazu gehört typischerweise der Einsatz im Bahnverkehr, an stark vibrierenden Maschinen, in der Verteidigungstechnik oder bei Offshore-Einsätzen. Durch seine Fähigkeit, sehr hohe Einbaulasten zu tragen, eignet er sich auch für den Energie- und Kraftwerksbereich und für den Einsatz in Laborgeräten. Denn gerade in diesen Bereichen kann es durch individuelle Ausbauten, die nicht zwingend Leiterplatten beinhalten müssen, zu hohen Einbaulasten kommen.

Nicole Jeroschewski

640_Heitec_Jeroschewski Nicole
Produktmanager Heitec Elektronik

(ah)

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