Aufkommende Anwendungen für Schalter im Automobilbereich

Einleitung:

Die Entwicklung künstlicher Intelligenz (KI) für autonome Fahrzeuge verändert das Fahrerlebnis. Vollautonome Fahrzeuge werden zu einer kompletten Überarbeitung des Fahrzeugcockpits führen. Schon jetzt gibt es große Veränderungen bei den Cockpits, die bereits teilautonome Fähigkeiten aufweisen. Funktionalität und Komfort sind die wichtigsten Faktoren, die die Transformation des Automobilinnenraums vorantreiben. Angesichts der steigenden Anzahl an Funktionen in den Fahrzeugen müssen Konstrukteure und Ingenieure Zeit darauf verwenden, die Benutzerschnittstellen zwischen dem Fahrer und dessen neuem Umfeld zu optimieren.

Als Zuganspunkt zum Bedienelement muss eine Schaltvorrichtung optisch, haptisch und akustisch ansprechend sein. Das Aussehen, die Haptik und die Art und Weise der Interaktion mit dem Bedienelement ist eine Möglichkeit, wie sich Fahrzeughersteller von ihren Mitbewerbern abheben. Schalterhersteller arbeiten daher eng mit Automobilherstellern zusammen, um Ästhetik, Ergonomie und Leistung zu optimieren.

Die Haptik steht in direktem Zusammenhang mit den mechanischen Eigenschaften der Schalter und ist eine Kombination folgender Elemente:

• Betätigungskraft (Fa)
• Rückstellkraft der Betätigung (Fra)
• Taktile Wirkung (Fa-Fra = ΔF) oft als % (ΔF/Fa = Δ %) ausgedrückt
• Mechanischer Verstellweg (Tm)
• Rückstellkraft (Frr)

                         

Schalterhersteller wie C&K können die Bauteile und Parameter anpassen oder modifizieren, um ein einzigartiges haptisches Erlebnis zu schaffen, das ein OEM-Produkt definiert. Von Produkten mit kurzem Schaltweg, markantem Klick und kräftigem Klang bis hin zu solchen mit langem Schaltweg und leiser Betätigung – Individualisierung ist das Merkmal moderner Fahrzeuge.

Automobilhersteller konzentrieren sich zunehmend auf das akustische Ansprechverhalten und betrachten es als Teil ihres Markenauftritts.  Das akustische Ansprechverhalten ist in hohem Maße von der Schalterkonstruktion abhängig, und Fahrzeughersteller müssen unabhängig von der Schalterkonfiguration bei allen Einheiten die gleiche akustische Reaktion erzielen. Das Betätigungssignal, das im Allgemeinen als unhörbar, weich, leise, „metallisch“ oder laut kategorisiert wird, kann durch die interne Konstruktion, die mechanischen Eigenschaften und die verwendeten Materialien gesteuert werden.

Um Lösungen mit wiederholbarem akustischen Ansprechverhalten anbieten zu können, haben Schalterhersteller Plattformen etabliert, die es ermöglichen, Bauformen auf verschiedene Anwendungen zu übertragen. Dieses einzigartige Angebot bietet eine hohe Zuverlässigkeit und konsistente Haptik einer fahrzeugerprobten Serie bei gleichzeitig drastisch reduzierten Entwicklungskosten und -zeiten.

OEMs wenden sich nicht nur wegen der Schalter an Hersteller elektromechanischer Bauteile. Die Einbindung eines Schalterherstellers in Konstruktionen, die über den eigentlichen Schalter hinausgehen, ermöglicht eine höhere Konstruktionsflexibilität. Die Abmessungen von Schaltern werden immer wichtiger, was eine enge Zusammenarbeit mit dem Kunden erfordert, um alle Details zu berücksichtigen. Heute geht es weniger um die Montage des Schalters auf einer Leiterplatte oder das Hinzufügen von Drähten oder eines Steckers zum Schalter, sondern vielmehr um die Definition der hinzuzufügenden Funktionalitäten oder um die Lösung der konstruktiven Herausforderungen. Da sich Schalterhersteller heute mit dem gesamten Modul befassen, arbeiten sie zunehmend mit Kunden zusammen, um festzustellen, wie das Modul in der Anwendung beeinflusst wird, und so potenzielle Herausforderungen zu bewerten, die zuvor nicht berücksichtigt wurden.

Beispiele für aufkommende Anwendungen

Sicherheit und Schutz

Der Automobilmarkt durchläuft eine bedeutende technologische Renaissance. Die Einführung von KI und fahrerlosen Fahrzeugen wird die Art und Weise verändern, wie Fahrer und Fahrgäste im Fahrzeug interagieren. Fahrerlose Fahrzeuge werden zu einer kompletten Überarbeitung des Fahrzeugcockpits führen. Schon jetzt gibt es große Veränderungen bei den Cockpits, die bereits teilautonome Fähigkeiten aufweisen. Funktionalität und Komfort sind die wichtigsten Faktoren, die die Transformation des Automobilinnenraums vorantreiben.

Unter anderem werden Sitze im Cockpit zu mehr als nur einem Platz, auf dem man sitzt, um zu fahren oder eben nicht zu fahren. Das Streben nach leichtgewichtigen Lösungen im automobilen Innenraum wirkt sich auf die Sitze aus, geht aber nicht zulasten der dort eingebauten Funktionen:

• Einstellung von Position und Lendenwirbelstütze: herkömmliche Benutzereinstellungen der Sitze und Steuerung der Sitzmotoren, einschließlich Sitzverstellung/-bewegung, Speicherung, Steuerung der Lendenwirbelstütze, Heizung, Lüftung und Massage
• Komforterkennung: Erkennung der Sitzelementposition

Zwei wichtige Trends im Kielwasser von KI sind die Zunahme von Miniatur-Erkennungs-/Schnappschaltern in den Sitzen. Wo früher eine Anwendung auf die Verfügbarkeit von taktiler Miniaturtechnik angewiesen war, kann dieselbe Anwendung jetzt besser durch kleinere, flexiblere Kontaktschalterausführungen bedient werden. Bei Kurzstrecken-Elektrofahrzeugen (NEVs) ist man bei der Konstruktion zu einem komplett ebenen Boden übergegangen. Dies ermöglicht eine Neuanordnung des Innenraums mit Konfigurationen wie Businessclass-Sitzen für Passagiere. In diesen Konfigurationen müssen die Systeme wissen, ob sich der Sitz in aufrechter Position, im Relax- oder Cargo-Modus befindet, um Sicherheitssysteme wie Airbags zu aktivieren/deaktivieren.

Gaming

Infotainmentsysteme werden in autonomen Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen. Genauer gesagt: das Gaming. Große Fahrzeughersteller arbeiten bereits daran, Gaming-Funktionen direkt in die Funktionalität von Fahrzeugen zu integrieren. Ein Beispiel ist die Verwendung von Schaltwippen der Gangschaltung und des Lenkrads als Spielsteuerung, wenn sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet. Für die Bestätigung, dass sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet, und die Spielfunktionalität genutzt werden kann, sind Erkennungsschalter erforderlich. Auch in den Schaltwippen sind Mehrfach-Erkennungsschalter erforderlich, da für das Schalten von Gängen im realen und virtuellen Leben eine Doppelfunktionalität implementiert ist. 

Im Gegensatz zu alternativen Schaltertechniken wie Drucktastern, Schnappschaltern und Schiebeschaltern sind diese Schalter kleiner und flexibler. Die Flexibilität von Erkennungsschaltern ist entscheidend, um die vielen Anforderungen von Automobilanwendungen zu erfüllen. Ein Beispiel hierfür sind die Winkel, in denen ein Schalter arbeiten und folglich Erkennungen durchführen kann. Da viele kundenspezifische Kontaktschalter mit speziell angefertigten Kontakten ausgestattet sind, können diese Bauteile so angepasst werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Erkennungsanforderungen in Fahrzeugen erfüllen. Neben Miniaturisierung und Vielseitigkeit bieten Erkennungsschalter auch eine höhere Zuverlässigkeit. In der Tat wurden Erkennungsschalter bereits auf dem Verbrauchermarkt mit hoher Schaltfrequenz eingeführt. Beispielsweise in herkömmlichen Gaming-Geräten, die mit solchen Schaltern das Vorhandensein einer Game Card erkennen.

In vielen Fahrzeugen kommen Drehschalter zum Einsatz, die zur Navigation durch die Infotainment-Auswahl dienen. Mehrzweck-Drehschalter werden durch Drehen des Schalters betätigt und können in verschiedenen Positionen stoppen und so mit einem einzigen Schalter verschiedene Schaltkreise steuern. Drehschalter können auch so ausgelegt werden, dass auf einer Schalterstellung mehrere Kontakte gleichzeitig angesprochen werden. Drehschalter verfügen über eine Drehspindel, die individuell angepasst werden kann, um präzise taktile und hörbare Rückmeldungen während der Drehung zu liefern. Abhängig von der Anzahl der Rotoren kann der Schalter Dutzende von verschiedenen Positionen einnehmen, die jeweils mit einem bestimmten Schaltkreis verbunden sind.

Joysticks

Multifunktionssteuerungen gehört die Zukunft. Adaptive Joysticks werden in Fahrzeuge integriert, um eine komplexere Fahrzeugsteuerung zu ermöglichen. Schon heute bieten Fahrzeuge eine Kombination aus automatischer und manueller Gangschaltung über den Schieberegler des Joysticks. Gaming-Funktionen können zu einem Multifunktionsgriff hinzugefügt werden, der bidirektionale Schnappschaltermodelle mit jeweils einer einzelnen Schaltfunktion oder mit einer Doppelfunktion in beide Richtungen kombiniert. Diese robusten, bereits für Geländefahrzeuge erhältlichen Modelle, bieten ein hervorragendes taktiles Feedback und eine Einrastkontakt-Rückmeldung.

Joystick-Steuerungen erfordern ein elektromechanisches Gerät mit einem äußerst zuverlässigen und wiederholbaren Schaltmechanismus.  Dieser ist entscheidend, damit die Betriebsposition des Schalters im Laufe der Zeit konsistent bleibt, und die Hersteller von Schaltern erreichen dies mit kalibrierten Schnappschaltern, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Ein Schnappschalter zeichnet sich durch eine präzise Knopfposition während der gesamten Lebensdauer des Geräts aus, eine Eigenschaft, die bei anderen Mechanismen nicht unbedingt gegeben ist. Dies gewährleistet ein redundantes und konsistentes Einkuppeln eines Joysticks oder eines Navigationssteuerungsmechanismus, wodurch der Bediener, unabhängig von der Geschwindigkeit der Betätigung, eine reibungslose und genaue Steuerung erhält.  Darüber hinaus verbessern Schnappschalter wie die TFS-Serie von C&K die Zuverlässigkeit. Schnappschalter zeichnen sich durch ein robustes Design und eine lange Lebensdauer aus, wie sie in Geländeanwendungen erforderlich ist, da sie eine Schutzart von bis zu IP67 und eine Lebensdauer von bis zu 300.000 Zyklen aufweisen können.

Mit Variationsmöglichkeiten, die von Oberflächenmontage und Durchsteckmontage bis hin zu Einrast- und Schnappfunktion, Hebelbetätigung und Nachlauferkennung reichen, werden Schalter kundenspezifisch angepasst, um alle Kriterien zu erfüllen, sodass sie für Joysticks im Automobilbereich geeignet sind.

Fazit

Die Schnittstellengestaltung der Automobilindustrie zielt darauf ab, die Benutzererfahrung zu vereinfachen und zu verbessern. Elektromechanische Schalter sind ein wesentlicher Bestandteil bei der Definition der Berührung, des Gefühls und des Klangs der Betätigung eines Bedienelements. Mit der Weiterentwicklung der autonomen Automobiltechnik verfügt die moderne Fahrgastzelle über speziell angepasste elektromechanische Schalter, mit denen Funktionalitäten maximiert und Komfort, Sicherheit, Infotainment und vieles mehr optimiert werden. Speziell auf bestimmte Fahrzeuge und Hersteller zugeschnitten, werden fortschrittliche Schalteinrichtungen für diese aufkommenden Anwendungen im Fahrgastraum oft durch ausgeklügelte Schalterkonfigurationen erreicht. Autonome Fahrzeuge werden mehr Extras als je zuvor bieten, und elektromechanische Schalter müssen Multifunktionalität ermöglichen, um Konstruktion und Integration zu vereinfachen und gleichzeitig die Benutzung angenehmer zu machen.