Trend
Widerstandsfähig gegenüber extremen Temperaturen
Steckverbindersysteme ermöglichen überragende Gewichteinsparungen für Anwendungen im Motorsport. Von: Paul Webb, Sales and Marketing Manager, Autosport
Bei Formel 1-Rennen und anderen Motorsportarten schafft Gewichtreduzierung einen wichtigen Wettbewerbsvorteil. Wenn hier und da ein paar Gramm eingespart werden, kann dies in der Summe zu einer deutlichen Gewichtreduzierung führen. Außerdem ist ein Trend zu einem Packaging mit hoher Dichte bei elektronischen Bauteilen zu beobachten. Angesichts der Tatsache, dass immer mehr Elektronik in Rennwagen untergebracht wird, muss im Gegenzug das Packaging miniaturisiert werden, um maximale Effizienz auf begrenztem Raum zu erzielen. Bei Kabelbäumen und Steckverbindersystemen besteht die Möglichkeit zur Reduzierung von Gewicht und Größe. Die oberste Anforderung an Steckverbinder und Kabel ist ein robustes Design, das extremen Temperaturen, Vibrationen sowie der Einwirkung von Flüssigkeiten im Allgemeinen und Bremsenreiniger im Besonderen standhält.
Die Entwicklung der Steckverbinder
Anhand der Entwicklung von Steckverbindern der DEUTSCH AS-Serie von TE Connectivity (TE) wird die Miniaturisierung von Steckverbindern deutlich. Kleinere Steckverbinder sind normalerweise leichter. Daher wurde die Aufmerksamkeit darauf gerichtet, Steckverbinder mit höherer Dichte zu entwickeln. Außengehäuse aus Edelstahl sind dem leichteren Aluminium gewichen, und mittlerweile gibt es sogar noch leichtere Verbundstoffe. Bauteile wie Kupplungsringe sind kleiner geworden. Angesichts schrumpfender Steckverbinder müssen Probleme bei der Benutzerfreundlichkeit beachtet werden. So müssen beispielsweise die Rändelungen neu entworfen werden, damit Techniker die Steckverbinder auch mit Handschuhen schnell und präzise anschließen bzw. abziehen können. Steckverbinder mit Verbundaußengehäuse bieten eine komfortable Methode zur Gewichtreduzierung. Die ersten Verbundsteckverbinder konnten die Erwartungen der Branche in puncto robuste Leistung im Motorsportbereich nicht erfüllt werden. Dies galt insbesondere für die Verbundstoffe, die dem Bremsenreiniger nicht standhielten. Aus diesem Grund nahmen Entwickler von deren Verwendung wieder Abstand. Verbundstoffe entwickeln sich weiter. Sie wurden inzwischen deutlich verbessert, und die nächste Generation kann mit den Anforderungen im Motorsport bald vollständig mithalten. Verbundstoffe verdienen eine Neubewertung bezüglich ihrer Fähigkeiten, das Gewicht zu reduzieren sowie die mechanischen Anforderungen und Umgebungsbedingungen beim Motorsport zu erfüllen.
Zuvor konnte das Gewicht von Steckverbindern durch Verbundstoffe um ca. 40 Prozent reduziert werden. Durch Optimierung des Verstärkungsmaterials und Zugeben von Schaummittel in die Polymermatrix kann eine zusätzliche Reduzierung um 10 bis 20 Prozent erzielt werden. Nicht nur das Fasermaterial, sondern auch die Länge der Verstärkungsfasern spielen bei der Stärke des Endprodukts eine wichtige Rolle. Materialien mit höherer Stärke ermöglichen eine Reduzierung der Wandstärke und somit auch des Gewichts. Inzwischen können Schaummittel oder Mikrokügelchen in einen Polymerverbundstoff zugegeben werden, auch wenn dies mit zunehmendem Volumen der Verstärkungsfaser aufwändiger wird. Dünnwandige Hochleistungskabel sind im Motorsport bereits Standard. Ein typisches Kabel wie das SPEC 55-Kabel von TE verwendet eine vernetzte ETFE-Isolierung und -Ummantelung, die Temperaturen von 150 °C oder 200 °C standhalten und sehr widerstandsfähig gegenüber Flüssigkeiten sind. Durch die dünnwandige Bauweise kann das Gewicht ohne Leistungseinbußen reduziert werden. Während in der Automobilindustrie und beim Militär immer öfter Aluminiumdrähte und -kabel verwendet werden, um Gewicht einzusparen, finden diese im Motorsport noch keine breite Verwendung.
Die Verarbeitung von Aluminiumdraht gilt als schwierig. Der Biegeradius ist nicht so eng wie bei Kupfer, und aufgrund des Kaltflusses gibt es Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit von Endverschlüssen. Es stehen jedoch Kontakte zur Verfügung, die dem Kaltfluss entgegenwirken, um eine zuverlässige gasdichte Verbindung herzustellen. Aluminium weist nur 60 Prozent der Leitfähigkeit von Kupfer auf. Daher sind größere Leiter erforderlich, um die gleiche Stromtragfähigkeit zu erzielen. Trotzdem beträgt das Gewicht von Aluminium am Ende nur ungefähr die Hälfte.
Elektrische Störungen
Bekämpfung von EMI: drei Ansätze
Früher wurde Abschirmtechnik in Rennwagen nur sparsam eingesetzt. Da die neuere Technologie jedoch neue Arten von elektrischen Störungen erzeugt, müssen diese nun berücksichtigt werden. Beispielsweise sind Hochstrom-Energierückgewinnungssysteme eine Quelle für elektromagnetische Interferenz (EMI).
1
Trennung
Stärkere Trennung zwischen der EMI-Quelle sowie anfälligen Drähten und Elektronikbauteilen. Angesichts des eingeschränkten Platzes im Wagen ist dieser Ansatz in den meisten Fällen nicht praktikabel.
2
Abschirmung
Da Abschirmung das Gewicht erhöht, werden abgeschirmte Kabel nicht standardmäßig, sondern nur bedarfsweise eingesetzt. Dies kann mithilfe eines Kupfergeflechts erfolgen, das über das Kabel geschoben und am Steckerendgehäuse eines Steckverbinders abgeschlossen wird. Das Geflecht bildet einen niederohmigen Pfad zur Erdung der EMI. TE hat vor Kurzem ein leichtes Geflechtsystem vorgestellt, das gegenüber herkömmlicher Schirmung für Gewichteinsparungen von bis zu 50 Prozent sorgt.
3
Glasfasertechnik
Diese ist grundsätzlich immun gegenüber EMI. Darüber hinaus sind Glasfaserkabel deutlich leichter als Kupferkabel. Sowohl optische Glas- als auch Polymerfasern sind Kandidaten für Motorsportanwendungen. Glasfasern bieten den Vorteil einer höheren Bandbreite und eines höheren Betriebstemperaturbereichs, der bei einigen speziellen Fasern sogar bis 700 °C reicht. Ein Nachteil ist die kompliziertere Verarbeitung. Glasfaserkabel sind zwar robust und in widerstandsfähigeren Versionen erhältlich, die Verlegung muss jedoch mit Vorsicht und unter Einhaltung des Biegeradius erfolgen. Die Kabelkonstruktion kann viele dieser Nachteile ausgleichen, sodass das Glasfaserkabel den extremen Bedingungen beim Bauen, Warten und Fahren eines Wagens standhält. Optische Polymerfasern sind sowohl in Bezug auf das Kabel selbst als auch auf die zugehörigen elektronischen Transceiver preiswerter. Sie werden heutzutage breitflächig in Fahrzeugbordnetzen eingesetzt und sind gegenüber mechanischen Belastungen und engen Biegungen weniger empfindlich. Ein wesentlicher Nachteil ist der Temperaturbereich. Ein POF-Standardkabel (Polymer Optical Fibre) ist auf 85 °C begrenzt, bei anderen Versionen sind Temperaturen von bis zu 125 °C möglich.
Integrierte Lösungen
Wenn Verbundsteckverbinder eine Neubewertung verdienen, sollten auch Verbundgehäuse als mögliche Alternative zu Aluminium in Betracht gezogen werden, um elektronische Steuergeräte und andere Systeme unterzubringen. Der Hauptvorteil von Verbundgehäusen ist die Gewichteinsparung – ein Verbundgehäuse aus kohlenstoffgefülltem Polyphenylensulfid kann im Vergleich zu einem Aluminiumgehäuse 40 Prozent leichter sein. Verbundmaterialien sind robust und können speziell angepasst werden, um eine außerordentliche Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit usw. zu erzielen. Sie sind u. U. stabiler als ihre Aluminiumgegenstücke, da sie sich nicht leicht eindrücken oder deformieren lassen. Wenn Gehäuse statt aus Metall aus Verbundstoff gefertigt werden, erhalten Sie die mechanischen und elektrischen Vorteile von Metall sowie zusätzliche Vorteile durch weniger Gewicht, Korrosionswiderstand und geringere Kosten.
Dank neuer Eigenschaften und neuer Materialrezepturen erhalten Sie mehr Optionen. Füllmaterial von herkömmlicher Kohlefaser über Mikrokügelchen bis hin zu Kohlenstoff-Nanoröhren ermöglichen Spezialanfertigungen von Gehäusen, um das optimale Gleichgewichtigkeit zwischen Gewicht sowie elektrischer, mechanischer und umgebungsbedingter Leistung zu erzielen. Dank fortschrittlicher Formverfahren lassen sich Abstände, integrierte Steckverbinderaußengehäuse, Unterteilungen und weitere dreidimensionale Funktionen herstellen. Dank selektiver Metallisierung können Leiterbahnen, Abschirmungen und sogar eingebettete Antennen kosteneffektiv in das Gehäuse integriert werden. Dreidimensionale Formverfahren und selektive Metallisierung ermöglichen zusätzliche Gewichteinsparungen, die über die grundlegenden Vorteile von Verbundstoffen hinausgehen.
Schlussfolgerung
Verbindungssysteme schreiten weiter voran und ermöglichen überragende Gewichteinsparungen für Anwendungen im Motorsport. Noch wichtiger: Scheinbar Veraltetes kommt wieder in Mode. Technologien, die in der einen oder anderen Hinsicht als unzulänglich galten, haben sich weiterentwickelt. Verlassen Sie sich nicht auf die gängige Meinung von gestern. Verbundsteckverbinder und -gehäuse, Glasfaser, Geflechtschirmung und Aluminiumdraht verdienen allesamt eine Neubewertung. Ein Vorteil bei der Arbeit mit TE ist, dass wir bei Verbindungssystemen einen Ansatz auf Systemebene verfolgen. Durch ein paar zusätzliche Gramm an einer Stelle können mehrere Kilogramm an einer anderen Stelle eingespart werden. Das Rennen wird mit dem Endprodukt gewonnen, nicht mit einzelnen Komponenten.
