Herausforderungen im Transportdesign: Elektronikintegration im Fahrzeug

Fahrzeugelektronik: Komplexität meistern

Fahrzeugelektronik ist ein zentraler Aspekt des Transportdesigns. Busse, Lkw, Motorräder und Pkw verfügen über zahlreiche Komponenten, die gleichzeitig Daten und Energie im gesamten Fahrzeug verteilen. Moderne Fahrzeuge nutzen Echtzeitdaten für ordnungsgemäßen Betrieb und Leistung. Systeme umfassen Lenkung, Bremsen, HVAC, Motorsteuerung und vieles mehr. Das Design dieser Systeme erfordert höchste Präzision, da Entwickler oft mit parallelen Engineering-Disziplinen arbeiten, die separate Entwicklung und Fertigung der Komponenten erfordern. Betrachten wir die Aufgaben eines Automobilingenieurs bei der elektronischen Platzierung und wie diese verbessert werden können.

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Überblick: Innen- und Außenelektronik

Externe automobile elektrische Systeme lassen sich allgemein in zwei Typen unterteilen: Funktionssysteme und Sicherheitssysteme. Funktionssysteme ermöglichen den ordnungsgemäßen Fahrzeugbetrieb während der Fahrt.

• Zündsystem (Zündspule, Spulenpakete, Zündkerzen und -kabel)
• Motorsteuerung (Kraftstoffeinspritzung, Kühlsystem, Drosselklappensteuerung, etc.)
• Getriebeelektronik (Automatisches Schalten)
• Fahrwerkelektronik (ABS, ASR, EBD, ESP)
• Fahrerassistenz (Scheibenwischer, verstellbare Spiegel, Anzeigen)

Moderne Fahrzeuge verfügen über Sensoren für alles – vom Reifendruck bis zur Batteriespannung. Interne Elektronik dient 주로 Komfort, Fahrerassistenz und Entertainment: Radio, HVAC-Bedienung, Armaturenbrett, Fahrersteuerung. Wer schon ein Fahrzeug gefahren ist, kennt diese Komponenten. Das Zeitalter rein mechanischer Systeme weicht einer Ära, in der moderne Fahrzeuge enormen Aufwand erfordern, um diese elektronischen Systeme zuverlässig zu betreiben. Betrachten wir die Probleme, denen Ingenieure und Hersteller bei der Vernetzung dieser Geräte begegnen.

Begrenzter Platz und Freiräume

Mit dem Trend zu sparsamen Fahrzeugen steigt die Nachfrage nach leichten, verbrauchsarmen Autos. Hersteller konkurrieren mit immer kompakteren Komponenten und Strukturen, was den internen Bauraum für Komponenten stark limitiert.

Elektronische Systeme werden entweder an Standardpositionen (Lichter, Wischer) oder dort platziert, wo Platz ist (Batterien, Relaiskästen). Diese Systeme müssen parallel oder unabhängig arbeiten und sind über eine gemeinsame Stromquelle miteinander verbunden. Kabel, die durch das gesamte Fahrzeug führen, sind alltäglich und stellen Elektroingenieure vor Herausforderungen.

In der Praxis gibt es vier häufige Arten von Freiraumproblemen bei der Verkabelung:

• Einbauraum (Clearance for Installation)
• Verdrahtungsraum (Clearance for Wiring)
• Betriebsraum (Clearance for Operation)
• Wartungsraum (Clearance for Service)

Gehen wir tiefer auf die Freiräume in modernen Fahrzeugen und die Fragen ein, die sich beim Design stellen.

Einbauraum

Es geht um Platz: Ist genügend Raum für das Bauteil an der gewünschten Position? Gibt es Hindernisse? Können Türen, Haube und andere bewegliche Teile ihren vollen Bewegungsradius ohne Interferenz durchlaufen? Müssen Komponenten in einer bestimmten Reihenfolge eingebaut werden, um Kollisionen während der Montage zu vermeiden?

Verdrahtungsraum

Nach dem Einbau: Lässt sich die zugehörige Verkabelung erreichen? Ist Platz für Steckverbinder? Für Wartung? Für den Kabelbaum nach Steckermontage? Für Biegeradien des Kabelbaums?

Betriebsraum

Bei Schaltern oder Knöpfen: Sind sie aus normaler Fahrposition erreichbar? Verursachen benachbarte Komponenten Interferenzen bei der Bedienung? Bedienbar mit Handschuhen? Beeinträchtigen Bedienvorgänge andere Komponenten?

Wartungsraum

Fällt eine Komponente aus: Ist ein Austausch möglich? Gibt es Raum für Justierungen? Platz zum Abstecken der Steckverbinder für Tests?

Freiräume bedürfen sorgfältiger Planung

Die Festlegung von Steckverbinder- und Kabelbaumpositionen erfordert viel Überlegung. Sicherzustellen, dass die Platzierung nicht mit anderen Designs kollidiert und die Gerätefunktion gewährleistet ist, ist ebenso wichtig wie Wartbarkeit, Instandhaltung und Personenschnittstelle.

Umwelteinflüsse

Fahrzeuge erzeugen enorme Hitze, die Kabel und Komponenten beschädigen kann, wenn bei der Designplatzierung keine Vorsorge getroffen wird. Dass der Motorsteuerung unter der Haube funktionieren muss, ist bekannt. Sensoren für Bremsen, Aufhängung und Getriebe erfahren enorme Bewegungen, die Kabel und Bauteile bei minimaler Belastung brechen können. Designs, die diese Szenarien berücksichtigen, sind entscheidend für die Systemintegrität.

Thermische Belastung durch Motor

Motorhitze kann Isolierung und Kunststoffsteckverbinder bei direktem Kontakt in Sekunden schmelzen. Die Motortemperatur übersteigt leicht die Schmelztemperatur von Kunststoffsteckverbindern. Eine sichere Platzierung der Komponenten mit ausreichendem Abstand zum Motor ist entscheidungskritisch, zumal der Verdrahtungsraum unter der Haube begrenzt ist. Montageorte für Steckverbinder sollten quasi in einem halb-statischen Zustand existieren, wo Kabelbewegung durch Kabelbinder an Komponenten oder Orten mit minimaler Motorwärmeübertragung begrenzt wird.

Bauteilausfall durch mechanische Bewegung

„Die Räder am Bus drehen sich rundherum“ – dieser Kinderreim spiegelt die Realität der Rotationsbewegung der Fahrzeugräder wider. Sensoren nahe oder im Felgenbereich erfassen die Drehzahl für die Geschwindigkeitsanzeige. Diese empfindlichen Geräte müssen so positioniert werden, dass Kollisionen und Beschädigungen vermieden werden.

Dämpfungssysteme waren früher rein mechanisch. Heute nutzen Feder-Dämpfer-Systeme dynamisches Feedback aus Straßenbedingungen, das Fahrzeugsensoren überwachen und die Dämpfung basierend auf persönlichen Einstellungen und Fahrbedingungen anpassen. Das Dämpfungssystem erfordert einen großen Bewegungsbereich für Komponenten und Verkabelung. Angemessene Kabellängen, Vermeidung von Bauteilinterferenzen und Qualitätsdesign sind notwendig, um Systemintegrität zu wahren und Schäden zu vermeiden.

Wie Ingenieure unterstützt werden können

Zuken ist marktführend in der Automobilbranche bei Entwicklung und Integration vehikulärer Komponenten – von der Elektrik bis zum Maschinenbau. E3.series ist eine Engineering-Plattform, die beide Disziplinen in einem gemeinsamen Programm vereint. Die Integration von Fahrzeugmechanikdesign mit elektrischen Systemen erzeugt ein Modell, das das Beste aus beiden Welten bietet. Der automatisierte Designprozess unterstützt die Entwicklung besserer Fahrzeuge. Designprojekte enthalten Daten vom Schaltplan über Kabelbaum-Erstellung bis hin zu Stücklisten und Produktionsformaten. Die instantaneous objektorientierte Architektur stellt sicher, dass alle Designelemente, Attribute und Änderungen sofort bis zur Produktion durchgereicht werden.

E3.Cable Design und Dokumentation

E3.cable dient dem Design und der Dokumentation von Kabelplänen und Kabelbaum-Layouts. Einzelleiter werden im Design zu neuen Kabeln und Kabelbäumen kombiniert. Abschirmungen und Verseilstrukturen (Twisted Pairs) können hinzugefügt und automatisch im Schaltplan ausgewiesen werden.

E3.3D Routing Bridge

Für erstklassiges Design hat Zuken Links zwischen E3.series und allen großen MCAD-Anbietern (Mechanical CAD) geschaffen, um vollständig integrierte Designmodelle zu ermöglichen. Über die E3.3D Routing Bridge können Schaltplan- und Verbindungsinformationen aus E3.series an alle gängigen MCAD-Systeme übergeben werden. Funktionen:

• Übertragung von Komponenteninformationen an MCAD (Steckverbinder, Pins, Spleiße)
• Datenaustausch zu und von MCAD
• Kollisions-/Clash-Erkennung im MCAD
• Prüfung des Kabelbiegeradius
• Automatische Berechnung von Draht- und Segmentlängen im MCAD
• Automatische Erstellung von Fertigungsdokumentation in E3.Formboard

Ein Wechsel der aktuellen Solid-Modeling-Plattform ist nicht nötig; Integration ist möglich mit:

• CATIA V5
• SolidWorks
• PTC Creo (Pro/Engineering)
• Autodesk Inventor
• Siemens NX
• Solid Edge
• NX I-deas

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Fahrzeugelektrische Systeme erfordern tiefe Überlegung bei Design und Entwicklung für die Fertigung. Die richtigen Schritte zum Verständnis von Vor- und Nachteilen der Geräte- und Verdrahtungsplatzierung bestimmen den künftigen Projekterfolg. Die besten Tools für Ingenieure bereitzustellen, ist stets ein Gewinn – und die Entwicklung höchster Qualität für den Verbraucher das oberste Ziel.

Bereitete das Routing der Verkabelung in Ihrem Design Schwierigkeiten? Schildern Sie Ihre Probleme in den Kommentaren.

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