Lochbilder an Stromschienen und was DIN 43673-1 tatsächlich festlegt

Suchen Sie nach DIN 43673, und jedes Ergebnis auf der ersten Seite will Ihnen das Dokument verkaufen. Erklärt wird es nirgends. Die Norm umfasst vier Seiten Deutsch vom Februar 1982, und die Nummer taucht auf Kundenzeichnungen ständig auf, meist als bloßer Verweis ohne beigefügte Maße.

Was die Norm erfasst

DIN 43673-1

, Stromschienen-Bohrungen und -Verschraubungen; Stromschienen mit Rechteck-Querschnitt. Vier Seiten. Sie legt Lage und Größe der Bohrungen fest und gibt Grunddaten für die Gestaltung und Ausführung der Schraubverbindungen. Sie gilt für Gleichstrom und für Wechselstrom bis 60 Hz.

Ihr Anwendungsbereich ist an zwei weitere DIN-Dokumente gebunden: Sie gilt für die Rechteckschienen, deren Dauerstrombelastbarkeit in DIN 43670 (Aluminium, 1975-12, zehn Seiten) und DIN 43671 (Kupfer, 1975-12, neun Seiten) angegeben ist. Die Aufteilung der Reihe ist sauber. DIN 43671 sagt Ihnen, wie viel Strom ein bestimmter Querschnitt einer Sammelschiene führt; DIN 43673-1 sagt Ihnen, wo die Löcher hineingehören. Beide werden von DIN Media weiterhin als gültig geführt, was für Dokumente dieses Alters ungewöhnlich ist.

Aus dem Wortlaut des Anwendungsbereichs folgen zwei Dinge. Die Norm handelt von der Verbindung und nicht nur von der Bohrung, und die „Grunddaten für die Gestaltung der Schraubverbindungen“ sind die Hälfte, die vergessen wird. Und die Obergrenze von 60 Hz ist real: Darüber verteilen Skin- und Proximity-Effekt im Verbindungsbereich den Strom um die Löcher herum so weit um, dass das Lochbild nicht mehr das richtige ist.

DIN 46433 ist keine Norm für Lochbilder an Stromschienen

Diese Richtigstellung bekommt eine eigene Überschrift, weil die Falschzitierung überall vorkommt, auch in Ausschreibungsunterlagen und in Lieferantenzeichnungen, die über Jahre fortgeschrieben werden.

DIN 46433

trägt den Titel Flachdrähte und Flachstangen, gezogen, mit gerundeten Kanten — Maße. Acht Seiten. Sie ist eine Maßnorm für gezogenen Flachdraht und gezogene Flachstangen: Breite, Dicke, Kantenradius, Toleranzen. Sie sagt nichts über Lochlagen, Lochdurchmesser oder Schraubverbindungen. Sie ist zudem zurückgezogen und wird durch DIN EN 13601 ersetzt.

Wenn auf einer Zeichnung, die Sie erhalten, „Bohrungen nach DIN 46433“ steht, ist die Zeichnung falsch. Gemeint waren DIN 43673-1 für das Lochbild und DIN 43671 für die Strombelastbarkeit; und wenn nach der Werkstoffangabe gegriffen wurde, ist das EN 13601, dasselbe Dokument, das DIN 46433 ersetzt hat. Sprechen Sie es an, bevor Sie Metall schneiden, denn eine Zeichnung, die eine Norm falsch zitiert, gibt üblicherweise auch den Werkstoffzustand falsch an.

Wo das Lochbild auf den Nachweis der Kombination trifft

Lochbilder sehen nach einem Fertigungsdetail aus. Sie sind es nicht, denn die Verbindung, die daraus entsteht, liegt im Anwendungsbereich der Norm, gegen die die fertige Anlage nachgewiesen wird.

IEC 61439-1 ist dabei ausdrücklich. In der Erwärmungsprüfung verlangt Abschnitt 10.10.2.3.3, dass „Verbindungen in Leitern und Anschlussstellen innerhalb der Hauptstromkreise besondere Aufmerksamkeit zu widmen“ ist. Verbindungen sind benannte Messstellen. Abschnitt 10.10.2.3.7 a) verlangt, dass bei getrennter Prüfung der Hauptsammelschienen die geprüfte Länge mindestens 2 m beträgt und eine Verbindung einschließt, sofern die Schienen verlängerbar sind, und der Kurzschlussabschnitt 10.11.5.3.3 legt diese Länge unter derselben Bedingung auf (2 ± 0,4) m fest.

Dann das Abnahmekriterium. Nach der Kurzschlussprüfung hält Abschnitt 10.11.5.5 fest, dass „sich keine Teile lockern dürfen, die zum Anschluss von Leitern dienen“. Eine Verbindung, die thermisch besteht, sich aber unter elektromagnetischer Kraft löst, lässt die Kombination durchfallen, und darüber entscheiden Randabstand und Schraubenauslegung.

Randabstand

Die Norm legt die Lochmitten gegenüber der Schienenkante fest. Dabei werden zwei voneinander unabhängige Dinge gegeneinander abgewogen.

Mechanisch trägt der Steg zwischen Loch und Schienenkante im Fehlerfall die Lochleibungskraft aus der Schraube. Der Stoßkurzschlussstrom treibt benachbarte Schienen mit Kräften auseinander oder zusammen, die am Ende über die Schraubengruppe abgestützt werden. Ist zu wenig Werkstoff zum Rand hin vorhanden, fließt der Steg, das Loch längt sich, die Vorspannung fällt ab, und die Verbindung lockert sich. Ein glattes Ausreißen ist bei Kupfer vernünftiger Dicke selten; das eigentliche Versagen ist eine fortschreitende Längung mit anschließendem Verlust der Kontaktpressung, und das ist schlimmer, weil es unsichtbar bleibt, bis die Thermografie es aufnimmt.

Elektrisch ist der Steg eine Engstelle. Der Strom muss das Loch umlaufen, sodass der Werkstoff zwischen Loch und Kante eine höhere Stromdichte führt als der übrige Schienenquerschnitt. Setzen Sie das Loch zu nah an die Kante, haben Sie eine örtliche Wärmestelle genau in den am stärksten beanspruchten Teil der Verbindung eingebaut.

Die Fertigung fügt eine dritte Einschränkung hinzu. Wenn Sie stanzen statt bohren, braucht die Matrize Werkstoff ringsum, gegen den sie sich abstützt. Stanzen Sie mit zu geringem Randabstand in hartes Kupfer, wölbt sich die Kante nach außen, der Steg verfestigt sich, und die Schiene liegt nicht mehr eben auf ihrem Gegenstück. Als betriebliche Praxis und nicht als normativer Wert: Halten Sie den lichten Abstand von der Lochkante zur Schienenkante mindestens so groß wie die Schienendicke und im harten Zustand auf dem 1,5-Fachen. Unsere Seite zum Stanzen behandelt die Werkzeugseite derselben Einschränkung.

Teilung und Stromverdrängung um die Löcher

Copper for Busbars (Publication 22) der Copper Development Association behandelt klar und ausführlich, was Löcher mit einer Verbindung machen. Der Übergangswiderstand einer Verbindung hat zwei Anteile: den Ausbreitungswiderstand, der daher rührt, dass der Strom durch die Überlappung umgeleitet werden muss, und den Kontaktwiderstand an der Trennfläche selbst. Schraubenlöcher verschlechtern den ersten Anteil, und die von der CDA angegebene Abschätzung hängt vom Lochdurchmesser ab und von n, der Anzahl der Löcher quer über die Breite der Schiene.

Diese eine Größe entscheidet eine Frage, über die Fertiger streiten. Die Löcher gehören in einer Linie in Längsrichtung der Verbindung. Sie versetzt über die Breite anzuordnen erhöht den Widerstand, denn jedes weitere Loch über die Breite ist ein weiteres Hindernis im selben Strompfad. Zwei Löcher in einer Linie auf einer 60-mm-Schiene ergeben die bessere Verbindung als zwei diagonal versetzte Löcher, auch wenn die zweite Anordnung so aussieht, als verteile sie die Klemmkraft gleichmäßiger.

Die Überlappungslänge unterliegt derselben Wirkung. Der Zuschlag aus dem Ausbreitungswiderstand fällt sehr steil ab, während das Verhältnis von Überlappung zu Dicke auf etwa 2 steigt, und verbessert sich danach bis zu einem Verhältnis von 10 nur noch langsam. Darüber hinaus ist nichts mehr zu gewinnen. Der Schluss der CDA: Die Überlappung muss nur so lang sein, dass genügend Schrauben Platz finden, um die erforderliche Kontaktpressung zu erreichen. Lange Überlappungen verschwenden Kupfer und bringen Gewicht, ohne Leitfähigkeit zu kaufen.

Zwei Verfeinerungen aus derselben Quelle sind günstig umzusetzen und werden selten genutzt. Ein Längsschlitz durch beide Schienen im Überlappungsbereich senkt den Kontaktwiderstand um 30 bis 40 %, weil er die Kontaktpressung in jedem Schenkel der Verbindung vergleichmäßigt. Die Schienenenden unter weniger als 45° anzuschrägen senkt den anfänglichen Übergangswiderstand um etwa 15 % und verlangsamt den Anstieg des Übergangswiderstands unter Lastwechseln um den Faktor 1,3 bis 1,5.

Lochdurchmesser

Beim Lochdurchmesser wird das Spiel für die Schraube gegen die Summierung der Toleranzen und gegen die Kontaktfläche abgewogen, die Sie herausnehmen.

Das Spiel ist großzügiger, als man erwartet. Die seit Langem geltende Empfehlung der CDA paart eine M10-Schraube mit einem Loch von 11,5 mm und eine M12 mit 14 mm, an breiteren Schienen steigend auf 15 mm. Das sind 1,5 bis 3 mm Spiel, und es ist gewollt: Es nimmt den aufsummierten Teilungsfehler über ein Bild mit fünf oder sechs Schrauben in zwei Schienen auf, die an verschiedenen Tagen und womöglich auf verschiedenen Maschinen entstanden sind. Verengen Sie das Spiel, handeln Sie sich Verbindungen ein, die sich nicht montieren lassen.

Der Preis ist Kontaktfläche. Jedes Loch nimmt Kupfer aus der Überlappung, und zwar gerade aus dem Bereich, in dem die Klemmkraft am größten ist. Ein Loch von 14 mm in einer 100-mm-Schiene nimmt an dieser Stelle 14 % der Breite aus dem Querschnitt. Deshalb ist die Antwort auf eine knappe Verbindung mehr Schrauben mittlerer Größe und nicht weniger große. Die Schraubenzahl kauft Gleichmäßigkeit der Pressung; der Schraubendurchmesser kauft Querschnittsverlust.

Der Lochdurchmesser wirkt auch auf das Werkzeug. Ein Loch zu stanzen, das kleiner ist als die Werkstoffdicke, belastet das Werkzeug in Kupfer stark, und die Lochqualität leidet. Bei M10 und darüber in 5 bis 12 mm Schiene greift das selten, an dünner Steuerschiene mit kleinen Befestigungslöchern jedoch schon. Der Rechner für die Stanzkraft sagt Ihnen, was ein bestimmter Durchmesser an Presskraft kostet, bevor Sie sich auf das Lochbild festlegen.

Schraubengröße, Drehmoment und der Scheibenaufbau

Die Tabelle 22 der CDA ist seit Jahrzehnten die Arbeitsreferenz. Das Muster verläuft etwa so: Eine Schiene von 25 bis 30 mm nimmt zwei M8 mit 17 N·m; 40 mm nimmt zwei M10 mit 28 N·m; 50 bis 80 mm geht auf M12 mit 45 N·m über, zwei Schrauben bei 50 mm und vier bei 80 mm; Schienen von 100 und 120 mm nehmen fünf M12; Schienen von 160 und 200 mm nehmen sechs bis acht M16 mit 91 N·m. Im Einsatz reichen die Größen von M6 bis M20, wobei vier oder sechs Schrauben der übliche Fall sind.

Das Drehmoment ist ein Ersatzmaß, und ein schlechtes. Die Kontaktpressung lässt sich im Feld nicht messen, sie wird daher über T = K·F·D erschlossen, wobei K der Reibungsbeiwert ist. Die CDA gibt K mit 0,20 bis 0,22 trocken an, mit 0,19 bis 0,21 bei einer Kontaktpaste und mit 0,15 bis 0,16 bei einem Grenzschichtschmierstoff auf Molybdändisulfid-Basis. Lesen Sie das so: Dieselbe Schlüsseleinstellung erzeugt an einem geschmierten Gewinde rund 30 % mehr Vorspannung als an einem trockenen. Wenn Ihr Drehmomentwert aus einer Tabelle stammt und Ihre Montageanweisung das Fetten der Gewinde vorschreibt, gehören die beiden nicht zusammen.

Worauf Sie zielen, ist die Kontaktpressung über die Überlappung. Die Zahlen der CDA: unter etwa 7 N/mm² nicht ratsam, über 10 N/mm² vorzuziehen, und über rund 30 N/mm² ist wenig weiterer Gewinn zu holen. Nur etwa 1 % der scheinbaren Überlappungsfläche leitet tatsächlich, die Last läuft über einzelne Rauheitsspitzen; deshalb wiegt der Oberflächenzustand ebenso schwer wie die Schraubenzahl, und deshalb sollten die Schienen beim Zusammenbau eben und frisch aufgeraut sein.

Der Scheibenaufbau leistet echte Arbeit. Große, dicke Scheiben verteilen die Schraubenkraft vom Loch weg und verbreitern den Bereich nutzbarer Pressung; die CDA paart M10 mit einer Scheibe von 24 mm Durchmesser und 2,2 mm Dicke und M12 mit einer Scheibe von 28 mm und 2,7 mm. Werden hochfeste Stahlschrauben verwendet, wird die unterschiedliche Wärmedehnung zum Problem. Stahl dehnt sich mit etwa 11,1 × 10⁻⁶/°C gegenüber 16,5 × 10⁻⁶/°C bei Kupfer, sodass die Schraubenkraft mit der Erwärmung der Verbindung steigt und über die 95 % der Dehngrenze hinausgetrieben werden kann, die die CDA als Obergrenze setzt. Tellerfedern nehmen diesen Anstieg auf; Schrauben aus Aluminiumbronze CW307G mit 16,2 × 10⁻⁶/°C vermeiden ihn, weil sie dem Kupfer nahezu entsprechen.

Ein Punkt, der der Intuition zuwiderläuft. Die CDA empfiehlt es nicht, Verbindungsflächen Kupfer auf Kupfer zu beschichten, sofern die Umgebung es nicht verlangt, weil eine weiche Beschichtung bei erhöhter Temperatur fließen und die mühsam aufgebaute Kontaktpressung abbauen kann.

Wenn auf der Zeichnung nur „nach DIN 43673“ steht

Das ist der Regelfall, und es ist zuerst ein kaufmännisches und dann ein technisches Problem.

Fragen Sie, zu welcher Schiene das Lochbild gehört. Die Norm ordnet Lage und Größe der Löcher den Rechteckquerschnitten zu, deren Belastbarkeit in DIN 43670 und DIN 43671 angegeben ist. Sind die angegebene Breite und Dicke keiner dieser Querschnitte, löst sich der Verweis nicht auf, und der Kunde muss Ihnen Maße geben.

Fragen Sie, ob das Lochbild oder die Verbindung gemeint ist. Viele Zeichnungen, die DIN 43673-1 zitieren, wollen nur das genormte Schraubenbild, damit es mit vorhandenen Anlagen austauschbar ist. Manche wollen auch die Daten der Schraubverbindung, und das zieht Schraubenfestigkeitsklasse, Scheibenanordnung und Drehmoment in Ihren Lieferumfang. Das sind unterschiedliche Angebote.

Beschaffen Sie sich eine körperliche Referenz. Eine Musterschiene, eine bemaßte Handskizze oder ein Foto des Gegenstücks klärt in fünf Minuten mehr Unklarheiten als eine Woche Schriftverkehr. Die Anschlusslöcher an der Anlage des Kunden sind die wirkliche Spezifikation, was auch immer auf der Zeichnung steht.

Schreiben Sie Ihre Auslegung auf die Zeichnung, die Sie zurückgeben, und lassen Sie sie freigeben. Nennen Sie Lochdurchmesser, Teilung und Randabstand, die Sie fertigen wollen. Wenn der Kunde die Norm besitzt und Sie nicht, kann er es in einer Minute gegen die Quelle prüfen.

Kaufen Sie die vier Seiten, wenn das Lochbild wiederkehrt. Das Dokument kostet weniger als eine verschrottete Charge 200-mm-Schiene. Bestellen Sie es bei DIN Media oder Ihrem nationalen Normungsinstitut und nicht bei einem Wiederverkäufer-Portal.

Das Lochbild auf die Maschine bringen

Ist es geklärt, wird das Lochbild zur Werkzeugfrage. Ein wiederkehrendes DIN-Lochbild über mehrere Schienenbreiten bedeutet mehrere Lochdurchmesser, und die Einschränkung liegt darin, wie viele davon gleichzeitig im Magazin stehen. Eine Stanz- und Schneidlinie wie die EMAC-BP-60 kommt mit einem festen Werkzeugsatz gut zurecht. Ist die Variantenvielfalt groß, nimmt ein Bearbeitungszentrum wie das IMAC-CENTER 60 mit 24 Werkzeugstationen, erweiterbar auf 36, das Rüsten aus der Rechnung und hält ±0,05 mm Positioniergenauigkeit — und genau das hält die Summierung der Teilungsfehler innerhalb des Spiels, das Sie vorgesehen haben.

Die Belastbarkeitsseite derselben Aufgabe gehört zu DIN 43671, deren Tabellen sich auf 35 °C Umgebungstemperatur und 65 °C Schienentemperatur beziehen, mit Korrekturfaktoren für andere Bedingungen. Eine Verbindung, die thermisch knapp ausfällt, weil die Schiene ohne diese Korrekturen ausgelegt wurde, wird durch ein gutes Lochbild nicht gerettet. Unser Rechner für die Strombelastbarkeit wendet sie an, statt sie zu verbergen, und der Beitrag zu Schraubverbindungen geht weiter auf die Oberflächenvorbereitung ein, als hier Platz ist.