Industrielle elektrische Steckverbinder auswählen: die dreistufige Methode, die weit vor dem Katalog beginnt

Die Bestellung, die wenig aussagt

Bei einem Steckverbinder, der nur mit „IP68, 4-polig“ spezifiziert ist, bleibt die Hälfte seiner Ausfallarten offen. Die Bedarfsanforderung sagt nicht, ob das Kabel 7 oder 11 Millimeter Durchmesser hat, ob die Stelle mit heißem Wasser gereinigt wird, ob der Motor zweimal im Jahr vom Fundament genommen wird oder ob es auf der Strecke eine Verbindungsmuffe gibt, die niemand gezeichnet hat. Genau diese Variablen entscheiden darüber, ob die Dichtung so arbeitet wie in der Prüfung. Wenn der Ausfall Monate später auftritt, ist er weit weg von dem, der eingekauft hat, und kostet bereits viel mehr, als er in der Planung gekostet hätte.

Die als 1-10-100-Regel bekannte Faustregel fasst das Problem zusammen: Was in der Spezifikation 1 kostet, um es zu verhindern, kostet in der Größenordnung von 10, um es bei der Installation zu korrigieren, und 100, wenn es im Betrieb ausfällt. Das ist keine Messung, sondern eine Größenordnung, beschreibt aber das Leben einer elektrischen Verbindung gut.

In der Methode, die Techno do Brasil im Mundo SENAI vorgestellt hat (ausführlich im Leitfaden der Serie), kommt das Produkt zuletzt. Davor stehen drei Schritte einer korrekten und dauerhaften Installation: die äußere Umgebung analysieren, die Kabel auswählen und abstimmen und alle Schwachstellen beseitigen. Auf einer der Folien hieß es unmissverständlich, dies „darf in der Detailplanung Ihres Elektroprojekts nicht fehlen“. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist das die richtige Reihenfolge: Umgebung, Kabel, Stromkreis und erst dann der Steckverbinder. Es ist Qualität an der Quelle, angewendet auf ein Bauteil, das meist als Lagerartikel behandelt wird.

Schritt 1: die Umgebung lesen, bevor Sie das Produkt ansehen

Der erste Schritt der Techno-Methode nennt sieben Einflussgrößen, die am Einbauort zu beobachten sind: Feuchtigkeit, Wasser, Chemikalien, Druck, Hitze, Temperaturwechsel und Kondensation. Jede Einflussgröße greift einen anderen Mechanismus an: Wasser und Druck prüfen die Dichtung, Hitze lässt das Elastomer altern, Chemikalien greifen das Polymer an, und der Temperaturzyklus lässt die Baugruppe „atmen“.

• Wasser und Druck. Spritzwasser, Regen, Schlauch, Hochdruckreiniger oder Untertauchen sind unterschiedliche Situationen, und jeder entspricht eine andere Schutzart. Der Unterschied zwischen IP66, IP68 und IP69K wird in Was die Schutzarten IP66, IP68 und IP69K bedeuten erklärt.
• Feuchtigkeit und Kondensation. Ein abgedichtetes Gehäuse, das sich erwärmt und abkühlt, erfährt Schwankungen des Innendrucks; beim Abkühlen saugt es über jeden Mikroweg feuchte Luft an, und die IP-Prüfung bildet diesen Zyklus nicht nach. Das ist ein eigener Mechanismus, behandelt in Kondensation und Wassereintritt in Verbindungen.
• Hitze und Temperaturwechsel. Motoren, Öfen und Beleuchtung erwärmen sich und kühlen in Zyklen ab. Hohe Temperatur beschleunigt die bleibende Verformung des Gummis, und der Temperaturzyklus erzeugt Mikrobewegungen an den Kontakten. Deshalb wird die Betriebstemperatur im Datenblatt der Baureihe (T-Kennzeichnung) geprüft und nicht nur im allgemeinen Bereich des Werkstoffs.
• Chemikalien. Kühlschmierstoff, Reinigungsmittel für die Hygienereinigung, Ammoniak in Kühlhäusern, Dünger, Meerwasser. In der Präsentation zeigte Techno eine Tabelle zur chemischen Beständigkeit seiner Werkstoffe; das Thema wird im Artikel über Schutzarten ausführlicher behandelt.

Das Kriterium, das ich für entscheidend halte: Beschreiben Sie die schlimmste reale Bedingung der Stelle und nicht die mittlere. Eine Maschine, die 23 Stunden am Tag trocken läuft und in der letzten Stunde heiß gereinigt wird, erlebt aus Sicht des Steckverbinders die Bedingung der Reinigung.

Schritt 2: Das Kabel bestimmt den Steckverbinder, nicht umgekehrt

Der zweite Schritt verlangt vier Kabeldaten: Außendurchmesser, Polzahl, Querschnitt jedes Leiters und technische Spezifikation des Kabels. Das wirkt wie Bürokratie, ist aber Dichtungsmechanik. Die Kabelverschraubung dichtet, indem sie ein Elastomer auf den Kabelmantel presst. Liegt der Durchmesser unter dem Klemmbereich, ist die Pressung unzureichend und das Wasser findet seinen Weg; liegt er darüber, schließt die Dichtung nicht oder der Mantel wird beschädigt. Hinzu kommt der Faktor Zeit: Unter Pressung und Temperatur erleidet der Gummi einen Druckverformungsrest (compression set), verliert die Fähigkeit, in seine Form zurückzukehren, und lässt nach. Eine Dichtung, die bereits an der unteren Grenze der Pressung beginnt, erreicht früher den Punkt, an dem sie undicht wird. Die auf der Verpackung angegebene Schutzart gilt nur für die innerhalb dieser Bereiche montierte Baugruppe.

Deshalb lautet das Schlüsselwort der Methode abstimmen: Kabel und Steckverbinder müssen gemeinsam ausgewählt werden. Der Leiterquerschnitt muss in die Klemme passen; die Polzahl muss Leistung und Signal abdecken; der Mantel muss derselben Umgebung standhalten wie der Steckverbinder.

EPR oder PU: Auch der Mantelwerkstoff ist Teil der Spezifikation

Die Präsentation widmete den Kabelwerkstoffen eine Folie. Der Vergleich zeigt, dass der Mantel für dieselbe Umgebung qualifiziert sein muss wie der Steckverbinder:

Die Unterlagen zeigten auch die im Markt übliche Farbkonvention für Wellrohr-Elektroinstallationsrohre: gelbes PVC in Wänden, oranges PVC in Decken und Böden und schwarzes PEHD mit UV-Schutz in Außenbereichen. Ein in der Präsentation zitiertes Video veranschaulicht das unterschiedliche Verhalten der Kabelwerkstoffe.

Schritt 3: Schwachstellen in der Zeichnung des Stromkreises aufspüren

Dies ist der Schritt mit dem stärksten Bezug zur Instandhaltung. Techno schlägt vor, einen Grundrissplan des Stromkreises zu zeichnen und darauf Folgendes zu erfassen:

1. die Abstände in Metern zwischen den Komponenten;
2. alle Unterbrechungen des Kabels, gekennzeichnet und gezählt;
3. die Art jeder Unterbrechung: gerade Verbindungsmuffe, Abzweig in T-, Y- oder H-Form oder Mehrfachabzweig;
4. die Querschnittswechsel, die an diesen Unterbrechungen auftreten;
5. die Abstände zwischen den einzelnen Unterbrechungen.

Der Grund für das Zählen liegt in der Zuverlässigkeit. In einem Stromkreis wirken die Kabelunterbrechungen wie Elemente einer Reihenschaltung: Fällt eine aus, steht der Stromkreis. Die Zuverlässigkeit des Ganzen ist das Produkt der Einzelzuverlässigkeiten, R_System = R₁ × R₂ × … × R_n. Bei 20 Verbindungen mit je 99 % Jahreszuverlässigkeit liegt der Stromkreis bei 0,99²⁰ ≈ 0,82: rund 18 % Wahrscheinlichkeit für mindestens einen Ausfall im Jahr, obwohl die Komponenten einzeln „gut“ sind.

Die Rechnung zeigt die beiden Hebel: die Zahl der Unterbrechungen senken und die Zuverlässigkeit jeder einzelnen erhöhen. Genau das meint die Methode, in Ingenieursprache ausgedrückt, mit „alle Schwachstellen beseitigen“. In der Praxis hat die Frage „Wie viele Verbindungsmuffen gibt es im Stromkreis der Außenbeleuchtung, und an welcher Stelle ändert sich der Querschnitt?“ selten eine fertige Antwort, und ohne diese Zahl lässt sich das Risiko nicht steuern. Unterbrechungen ohne Wertbeitrag zu streichen ist auch das, was Lean mit der Verschwendung bei der Komponentenauswahl macht.

Die Zeichnung fließt direkt in eine Konstruktions-FMEA (DFMEA) ein: Mit nummerierten Unterbrechungen erhält jede eine Bewertung für Bedeutung, Auftreten und Entdeckung, und es wird klar, welche den leistungsfähigsten Steckverbinder verdienen. Es lohnt sich auch, jede Schnittstelle des Steckverbinders selbst als Fehlerart zu behandeln: separater Dichtring, loses Einzelteil und Montageschritt vor Ort haben jeweils ihre eigene Auftretenswahrscheinlichkeit. Die mitgespritzte (co-moulded) Dichtung, die Techno vorstellte, bei der Kunststoff und Gummi gemeinsam gespritzt werden und chemisch-mechanisch aneinander haften, beseitigt eine dieser Schnittstellen und einen Montageschritt. Das ist Senkung des Auftretens durch Konstruktion, ein Poka-Yoke an der Quelle.

Praxisfall: die Maschinenschalttafel mit neuem Steckverbinder

Unter den Praxisfällen der Präsentation veranschaulicht der Fall der Maschinenschalttafeln mit kundenspezifischer Lösung die Methode am besten. Die Ausgangslage: Schalttafeln mit rechteckigen Mehrfachsteckverbindern wie dem auf dem Foto. Der Bedarf: Kabel mit unterschiedlichen Aderzahlen zur Schalttafel führen, abgedichtet und trennbar. Die gezeigte Lösung bestand darin, die rechteckigen durch Rund-Einbausteckverbinder für die Schalttafel zu ersetzen, ausgewählt nach dem Kabel jeder Verbindung:

Der technische Kern des Falls ist die Reihenfolge der Überlegung. Ausgangspunkt war die Aderzahl jedes Kabels, und daraus ergab sich die Kombination aus Steckverbinder und Zubehör: Das ist Schritt 2 der Methode in der Anwendung. Hinzu kommt ein Gewinn an Instandhaltbarkeit. Mit der trennbaren Verbindung an der Schalttafel erfordert der Tausch eines Moduls nicht mehr das Öffnen des Geräts und das erneute Auflegen an den Klemmen, was die mittlere Reparaturzeit (MTTR) durch Konstruktion senkt und nicht durch Anstrengung des Teams. Außerdem erhält jede Verbindung einen festgelegten Code, was die Standardisierung von Lagerbestand und Ersatzteilversorgung erleichtert. Weitere Beispiele sind in den Praxisfällen elektrischer Verbindungen in rauer Umgebung zusammengestellt.

Checkliste für die Spezifikation industrieller Steckverbinder

Tragen Sie diese Informationen zusammen, bevor Sie den Katalog aufschlagen. Die rechte Spalte zeigt, wo die Angabe in den Produkttabellen des Techno-Gesamtkatalogs zu finden ist.

Verbindungsmuffe, Stecker, Schalttafel oder Dose: welche Bauform Sie wählen

Der Katalog gliedert das Angebot nach Funktion. Die Frage, die die Auswahl entscheidet, ist einfach: Was geschieht an dieser Stelle mit dem Kabel?

• Dauerhafte Verbindungsmuffe oder dauerhafter Abzweig (Linie TEETUBE®): verbindet Kabel in Linie, in T-, Y- oder H-Form. Der Katalog beschreibt diese Steckverbinder als harz- und gelfrei, wieder inspizierbar und wieder zugänglich, was den Alltag der Instandhaltung verändert: Man kann öffnen, nachsehen und wieder schließen.
• Trennbare Verbindung (Linie TEEPLUG®): Stecker und Buchse für Geräte, die ausgebaut werden müssen, etwa Motoren, Sensoren und Module. Es gibt Ausführungen mit 2 bis 8 Polen.
• Verbindung an der Schalttafel: Ausführungen zur Montage in der Schalttafel, die das Anschließen ohne Öffnen des Geräts ermöglichen, wie im obigen Praxisfall.
• Abzweigdosen (Linie TEEBOX®): um mehrere Punkte von einem einzigen aus zu versorgen. In der Präsentation wurden TEEPLUG und TEEBOX gemeinsam als System für Niederspannung gezeigt, für Wechsel- und Gleichstrom.
• Mitgespritzte (co-moulded) Kabelverschraubungen (Linie TEEGLAND®): fixieren und dichten die Kabeldurchführung durch das Gehäuse.

Außerdem gibt es die Option vorkonfektionierter Produkte, bei denen das Kabel bereits werkseitig angespritzt und geprüft ist; der Katalog nennt Längen von 0,5 bis 5 m und kundenspezifische Konfektionierung der Leiterenden. Bei sich wiederholenden Maschinenserien ist es ein direkter Weg, Streuung aus dem Prozess zu nehmen, wenn man die Montage aus dem Feld herausholt.

Wie Sie den Produktcode lesen

Der Katalog enthält einen Identifikationsleitfaden, mit dem sich Merkmale des Artikels allein am Code erkennen lassen. Laut diesem Leitfaden gilt:

• das Präfix gibt die Kontaktart an: THS (Feder), THB (Schraube), THP (durchdringend, Piercing) und THF (Steckkontakt);
• THR.xxx.xxx oder THB.xxx.xxx.R kennzeichnen ein vorkonfiguriertes Produkt oder einen Bausatz;
• THB.xxx.Rxx, THB.Dxxx.xxx und THB.xxx.xxx.XD kennzeichnen Produkte mit Antikondensationsbarriere xDRY®;
• THC.xxx.xxx.xxx kennzeichnet ein umspritztes Produkt;
• IoTH.xxx.xxx kennzeichnet Produkte der Plattform IoTH®.

Die in Brasilien erhältlichen Produkte sind auf der Website von Techno do Brasil in die Kategorien Verbindungsmuffen, trennbare Verbindungen, Schalttafeln und Kabelverschraubungen gegliedert. Um das Unternehmen und die Technik insgesamt kennenzulernen, lesen Sie den Leitfaden zu Techno do Brasil und industriellen elektrischen Verbindungen.

Von der Auswahl zum Instandhaltungsstandard

Eine gut gemachte Spezifikation zahlt sich nur aus, wenn sie zum Standard wird. Drei einfache Gewohnheiten schließen den Kreis:

• Den Code erfassen, und zwar für jede kritische Verbindung im CMMS, zusammen mit dem verwendeten Kabel.
• Die Ersatzteilversorgung standardisieren im Lager für Ersatzteile und MRO, damit der richtige Artikel im Regal liegt, wenn der Tausch nötig wird.
• Die Verbindung in den Inspektionsplan aufnehmen, als Teil der Beziehung zwischen industriellen Verbindungen und TPM.

Und bevor Sie eine Verbindung öffnen oder tauschen, wenden Sie Lockout/Tagout (Energiesperrung und Kennzeichnung) an. Wenn Sie die Kosten einer sorgfältigeren Spezifikation mit den Kosten eines Ausfalls vergleichen möchten, finden Sie die Rechnung unter Gesamtbetriebskosten industrieller Verbindungen, und die Wirkung der Verbindungen auf die Verfügbarkeit erscheint unter industrielle elektrische Verbindungen und Produktivität.

Nach meiner Einschätzung liegt das Besondere am Ansatz von Techno nicht in einem Katalogartikel, sondern darin, die Verbindung als System zu behandeln: Umgebung, Kabel, Unterbrechungen, Verbindung und Validierung, in dieser Reihenfolge. Das ist ein Unterschied, weil es beide Variablen der Rechnung für die Reihenzuverlässigkeit (wie viele Schnittstellen es gibt und wie robust jede einzelne ist) bereits in der Planungsphase angeht, also dort, wo der Eingriff laut 1-10-100-Regel am günstigsten ist. Es ist dasselbe Prinzip wie das Anlaufmanagement (Early Equipment Management) im TPM: die Instandhaltung schon in der Konstruktion vermeiden. Kein Steckverbinder, so gut er auch sein mag, korrigiert einen Stromkreis, der nie gezeichnet wurde.

Häufige Fragen

Kann ich den Steckverbinder nur nach der IP-Schutzart auswählen?

Nein. Die IP-Schutzart sagt, wie sich die Baugruppe gegenüber Staub und Wasser verhält, aber Strom, Spannung, Polzahl, Leiterquerschnitt und Kabeldurchmesser müssen zur Baureihe passen. Liegt das Kabel außerhalb des Bereichs, funktioniert die Dichtung nicht mehr wie in der Prüfung.

Was ist der Unterschied zwischen Verbindungsmuffe und trennbarem Steckverbinder?

Die Verbindungsmuffe verbindet Kabel dauerhaft; bei einigen Linien kann sie zur Inspektion wieder geöffnet werden. Die trennbare Verbindung nutzt Stecker und Buchse und erlaubt es, das Gerät auszubauen, ohne die Verbindung neu herzustellen.

Warum ist der Außendurchmesser des Kabels so wichtig?

Weil die Dichtung der Kabelverschraubung durch Pressung auf den Mantel arbeitet. Ein kleinerer Durchmesser lässt dem Wasser Spiel; ein größerer verhindert das korrekte Schließen oder beschädigt den Mantel. Mit der Zeit verringert die bleibende Verformung des Gummis die Pressung, und wer an der Grenze beginnt, wird zuerst undicht.

Welches sind die drei Schritte zur Spezifikation eines industriellen Steckverbinders?

Nach der von Techno do Brasil vorgestellten Methode: die äußere Umgebung analysieren, die Kabel auswählen und abstimmen und die Schwachstellen des Stromkreises beseitigen, mit Grundrissplan, Abständen und allen gekennzeichneten Unterbrechungen.

Was ist ein vorkonfektioniertes Produkt?

Ein Steckverbinder, bei dem das Kabel bereits im Werk angespritzt und geprüft ist. Der Techno-Katalog nennt Längen von 0,5 bis 5 m und kundenspezifisch konfektionierte Leiterenden, wodurch die Montage vor Ort entfällt.

Über den Autor

Vagner Soares

Experte für Lean Manufacturing und Verhaltensmanagement

Mehr als 20 Jahre in der Automobil- und Metallindustrie (GM und Dana), Lean-Manufacturing-Experte seit 2006. Trainer und Mentor des SENAI im Programm Brasil Mais Produtivo, mit Beratungen, Schulungen und Audits in mehr als 50 Unternehmen, die Qualität, Produktivität und Personalentwicklung verbinden.

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