Die Bedeutung des haptischen Feedback bei Schaltern

Einleitung

Bedienelemente waren schon immer ein wichtiger Aspekt des Fahrerlebnisses. Das Aussehen, die Haptik und die Art und Weise der Interaktion mit dem Bedienelement ist für Fahrzeughersteller eine Möglichkeit, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben. Elektromechanische Schalter, auch bekannt als haptische Schalter, spielen eine wichtige Rolle für die Definition von Berührung, Haptik und Klang bei der Betätigung eines Bedienelements. Haptische Funktionen sind auf bestimmte Fahrzeuge und Hersteller zugeschnitten und werden häufig durch modernste Schalterkonfigurationen erreicht. Mit der Weiterentwicklung der Automobiltechnik verfügt die moderne Fahrgastzelle über speziell angepasste elektromechanische Schalter, die Funktionalitäten maximieren und den Komfort, die Sicherheit und vieles mehr optimieren.

Übersicht Haptik

Als Schnittstelle zum Bedienelement muss eine Schaltvorrichtung optisch, haptisch und akustisch ansprechend sein. 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 sowie die durchgängige 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 potenzielle Herausforderungen zu bewerten, die zuvor nicht berücksichtigt wurden.

Beispiel für herkömmliche Anwendung
Für typische Schaltfunktionen in Automobilanwendungen wie Frontblenden und Armaturenbretter werden in der Regel robuste Druckpunkttaster eingesetzt. Die Druckpunkttaster sind bis IP68 geschützt und können so konzipiert werden, dass sie über das Druckgefühl eine ausgezeichnete Rückmeldung mit spezifischen Wegen und Betätigungskräften geben. Druckpunkttaster haben zudem eine lange Lebensdauer von mehr als einer Million Zyklen, wodurch sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind.

Miniatur-Druckpunkttaster sind ideal für Schlüsselanhänger, da sie eine hohe Lebensdauer mit langfristiger Zuverlässigkeit und Schwachstromkompatibilität kombinieren, während ein Schnappschalter am ehesten im Lesegerät für den Schlüsselanhänger eines Fahrzeugs verwendet wird. Beide Schalter können individuell angepasst werden, um ein präzises und erwünschtes Feedback zu liefern. Darüber hinaus werden Druckpunkttaster häufig für Überkopfkonsolen, Fenstersteuerungen, elektronische Bedienungselemente und Tasten zum Öffnen und Schließen des Kofferraums verwendet.

Beispiel für moderne Anwendung
Angesichts der steigenden Anzahl an Funktionen in den Fahrzeugen müssen Konstrukteure und Ingenieure Zeit aufwenden, um die Schnittstelle zwischen Fahrer und Umgebung zu optimieren. Da die Fahrzeugsicherheit einen hohen Stellenwert hat, wurden die Fahrgastzellen so gestaltet, dass der Fahrer auf Infotainment- und andere Systeme zugreifen kann, ohne den Blick von der Straße nehmen zu müssen. Haptische Verfahren ermöglichen es, das Sehen durch den Tastsinn zu ersetzen, um auf elektronische Informationen zuzugreifen. Dies zeigt sich in modernen Lenkrädern, die ein breites Spektrum an Funktionen bieten, von Gangwechseln über Tempomat bis hin zu Audio-Steuerung (Lautstärke/Quelle) und mehr.

Miniaturisierung ist der Schlüssel zur Implementierung weiterer Schalterfunktionen im Lenkrad und in der Lenksäule. Die Position und die Integration in das Lenkrad oder die Lenksäule bestimmen die Gehäusegröße und den Verstellweg, die umgesetzt werden können. Nicht nur der Schaltmechanismus muss miniaturisiert werden, sondern auch das Kunststoffgehäuse und der Tastschalter – und dies bei garantiertem Langzeitbetrieb von mehr als einer Million Zyklen von individuellem haptischem Feedback. Im Fahrzeuginnenraum werden häufig in Kfz-Lenkrädern und -säulen kompakte Druckpunkttaster mit kurzen Wegen und engen Toleranzen eingesetzt, da diese den Auf- und Einbau vereinfachen. Strenge Toleranzanforderungen erschweren jedoch die Entwicklung von Schaltern mit präzisem haptischem Feedback.

Der Einsatz neuer Stanz- und Umspritzungstechniken in Kombination mit den neuesten automatisierten Montagesteuerungen führt zu verbesserten Dimensionen und Leistung.

Beispiele für aufkommende Anwendungen

Infotainment
Infotainmentsysteme werden in autonomen Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen. Genauer gesagt: das Gaming. Die großen Fahrzeughersteller arbeiten bereits an der direkten Integration von Gaming-Funktionen in die Funktionalität der Fahrzeuge. Ein Beispiel ist die Verwendung von Schaltwippen der Gangschaltung und des Lenkrads als Spielsteuerung, wenn sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet. Zur Bestätigung, dass sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet, und die Spielfunktionalität genutzt werden kann, sind Kontaktschalter erforderlich. Auch in den Schaltwippen sind Mehrfachkontaktschalter erforderlich, da für das Schalten von Gängen im realen und virtuellen Leben eine Doppelfunktionalität implementiert ist.

Im Gegensatz zu alternativen Schaltertechniken Schnappschaltern und Schiebeschaltern sind diese Schalter kleiner und flexibler. Die Flexibilität von Kontaktschaltern ist entscheidend, wenn es darum geht, die vielen Anforderungen von Automobilanwendungen zu erfüllen. Ein Beispiel hierfür sind die Winkel, in denen ein Schalter funktioniert und entsprechend Kontakterkennungen 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 Kontaktschalter bereits auf dem Verbrauchermarkt mit hoher Schaltfrequenz eingeführt, auch in herkömmlichen Spielekonsolen. 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, damit sie präzise spürbare und hörbare Rückmeldungen während der Drehung liefern. Abhängig von der Anzahl der Rotoren kann der Schalter Dutzende von verschiedenen Positionen einnehmen, die jeweils mit einem bestimmten Schaltkreis verbunden sind.

Joysticks
Die Multifunktionssteuerung ist 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 Multifunktionsgriffen zusammengefasst werden, in denen bidirektionale Schnappschaltermodelle mit jeweils einer einzelnen Schaltfunktion oder mit einer Doppelfunktion in beide Richtungen kombiniert werden. Diese robusten, bereits für Geländefahrzeuge erhältlichen Schalter, bieten ein hervorragendes taktiles Feedback und eine eindeutige Einrastung.

Joystick-Steuerungen erfordern ein elektromechanisches Gerät mit einem äußerst zuverlässigen und wiederholbaren Schaltmechanismus. Es ist unerlässlich, dass die Betriebsposition des Schalters im Laufe der Zeit konsistent bleibt, und die Hersteller von Schaltern erreichen dies mit kalibrierten Schnappschaltern, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleisten. Das Ausführung eines Schnappschalters zeichnet sich durch eine während der gesamten Lebensdauer des Geräts präzise bleibende Knopfposition 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 eine robuste Bauweise 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 Rückmeldung von Schaltern, ob haptisch oder akustisch, ist ein wichtiger Bestandteil der Ausführung der Fahrzeugschnittstelle und macht die Benutzung angenehmer. Sie können sehr unterschiedlich sein, da sie Teil der Signatur der Herstellermarke sind. Der Automobilmarkt ist facettenreich und anspruchsvoll. Jeder Hersteller hat seinen eigenen Standard für die Haptik, Akustik und Integration von Schaltern. Dies erfordert zuverlässige und spezifische Produkte, die zu den Schnittstellen passen. In Fahrzeuganwendungen integrierte Schalter sind das Herzstück der automobilen Erfahrung. Merkmale wie enge Toleranzen, Haptik-on-Demand, akustische Anpassung, Umwelt- und Prozessdichtung sowie mechanische oder elektrische Schnittstellenintegration sind die Kerneigenschaften von Schaltern im Automobil. Da in der Automobiltechnik kontinuierlich weitere autonome Systeme integriert werden, ist zu erwarten, dass die Funktionen in der Fahrgastzelle ausgeweitet werden. Hersteller von Schaltern passen traditionelle elektrotechnische Produkte kontinuierlich an und kombinieren sie mit neuen Techniken, damit die Anforderungen an die Funktionalität in der Fahrgastzelle einfacher werden und sich leichter erfüllen lassen.