Kompetenz

Signalleitungen aus Kupferlegierungen für
den Einsatz im Automotive-Bereich

Umweltschutz und Schonung von Ressourcen rücken in der Fahrzeugentwicklung immer stärker in den Vordergrund. Der Fokus liegt hier auf der Minimierung von Gewicht und Verbrauchswerten bei einer gleichzeitigen Erhöhung von Sicherheit und Komfort. Ein Baustein in dieser Entwicklung ist der verstärkte Einsatz von Assistenzsystemen, der einen erhöhten Bedarf an Signalkabeln nach sich zieht. Parallel dazu bleibt durch die Optimierung der Sicherheitssysteme oft weniger Bauraum für Kabelbäume. Einen wichtigen Beitrag zur Lösung dieses Problems leistet der Einsatz von Alternativmaterialien für Signalleitungen.


Signalleitungen bisher

Hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit werden an Signalleitungen in Fahrzeugen keine allzu hohen Anforderungen gestellt. Viel wichtiger ist die Berücksichtigung von mechanischen Gesichtspunkten. Die Reißlast dieser Leitungen muss mindestens 70 N betragen. Um diesen Wert zu erreichen müssen Litzen aus reinem Kupfer mindestens einen Querschnitt von 0,35 mm² haben. Diese Dimension darf nicht unterschritten werden, da sonst die Gefahr bestünde, dass z. B. bei Reparaturen der Stecker von der Leitung abreißen würde.

Ein möglicher Ansatz zur Optimierung wäre die Verwendung von Kupferlitzen in hartem Zustand. Bisher wurde immer Kupfer in weichem Zustand verwendet, obwohl hartes Kupfer eine deutlich höhere Reißlast aufweist. Die Schwierigkeit ist aber, dass hartes Kupfer bereits bei Raumtemperatur rekristallisiert – also wieder weich wird, so dass der harte Zustand auf Dauer nicht zu erhalten ist.

Abbildung: Entfestigung von Cu-ETP ziehhart über die Zeit bei einer Lagertemperatur von θ = 60 °C (1)

Durch die Beimischung geringer Zusätze ist es möglich, die Rekristallisierungstemperatur von Kupfer so deutlich zu erhöhen, dass auch die Temperaturen in einem Fahrzeug nicht zu einem Erweichen des Materials führen. Besonders geeignet sind Silber, Zinn oder Magnesium.


Alternativmaterialien

3 Legierungen sind auf Grund ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften für den Einsatz als Signalleitung in Fahrzeugen besonders geeignet:

Diese Materialien sind gemäß der OEM-Liefervorschriften. Die betreffenden Leitungen haben mittlerweile die entsprechenden OEM-Freigaben. Danach kann eine Litze aus Kupfer mit dem Querschnitt 0,35 mm2 ersetzt werden durch

  • eine Litze aus LEONI Histral® H79 (CuAg) im Querschnitt 0,17 mm2
  • eine Litze aus LEONI Histral® H72 (CuSn) und LEONI Histral® H77 (CuMg) im Querschnitt 0,13 mm2

Diese Legierungen haben zwar einen höheren Widerstand als Kupfer, dies ist jedoch nicht relevant für Signalkabel in Fahrzeugen.


Vorteile der Signalleitungen aus LEONI-Histral®-Legierungen

Platzeinsparung

Die deutliche Reduzierung der Leiterquerschnitte von 0,35 mm² auf 0,17 mm² bzw. 0,13 mm² bringt automatisch eine erhebliche Einsparung an benötigtem Platz mit sich. Dadurch können entweder dieselbe Anzahl Kabel auf weniger Raum verbaut werden, oder aber eine höhere Anzahl Kabel auf demselben Raum.

Gewichtseinsparung

Verbunden mit der Platzeinsparung ist natürlich auch die erhebliche Einsparung an Gewicht. In einem mittelgroßen PKW sind im Schnitt rund 800 Signalkabel mit einem Metallgewicht von rund 6 – 7 kg verbaut. Das Ausgangsgewicht bei einer vollständigen Substitution könnte eine Reduzierung von ca. 35 – 75 % erreichen.

Höhere mechanische Belastbarkeit

Die Alternativmaterialien können im harten Zustand verwendet werden und erreichen so eine Reißlast von rund 90 N. Dieser Wert bringt automatisch eine deutlich höhere Biegewechselfestigkeit mit sich. Besonders auf dem japanischen Markt ist dies von großer Bedeutung. Dort werden weitaus höhere mechanische Anforderungen an die Sensorleitungen für fahrerunterstützende Systeme gestellt als in Europa.

ABS-Leitungen sind über die gesamte Lebenszeit des Fahrzeuges starken Vibrationen und den Lenkbewegungen ausgesetzt. Bisher wurden feindrähtige Litzen im Querschnitt 0,75 mm² eingesetzt. Mit Legierungen wären somit feindrähtige Litzen mit einem Querschnitt von 0,25 mm² möglich.

Stabilere Preise

Mit der Verringerung der Querschnitte sinkt die Menge des eingesetzten Kupfers pro km Kabel. Damit einhergehend werden die von der volatilen Metall-Notierung abhängigen, eher spekulativen Metall-Preise durch berechenbarere Umarbeitungspreise ersetzt. So wird der Kabel-km-Preis stabiler und langfristig besser kalkulierbar.

Sicherer Fertigungsprozess

LEONI Histral® H72 (CuSn), H77 (CuMg) und H79 (CuAg) sind in Quellen und Fertigungsprozess gesichert. Die Histral®-Werkstoffe liegen innerhalb der Toleranzgrenzen der jeweiligen Normen, jedoch sind die Toleranzgrenzen für die Analyse speziell auf die Anwendungen eingegrenzt und abgestimmt.

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Für weitere Informationen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

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Weitere Informationen

Kabel aus alternativen Materialien bei LEONI

Die wichtigsten Bordnetz-Trends
Publiziert im Sept. 2014 in „Elektronik automotive Sonderheft Bordnetz"

Quellen

Zeitschrift METALL, Trends von Leiterwerkstoffen bei Signalleitungen im Automobil, Nov 2009

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