Fahrzeuge haben sich in den letzten vier Jahrzehnten enorm verändert. Die Unterhaltung im Auto hat sich vom einfachen MW-Radio hin zum Streaming von Musik über Ihr Smartphone entwickelt. Und schmutzige Diesel- oder Benzinmotoren haben Platz für emissionsfreie Elektromotoren gemacht. In dieser Zeit wurde sehr viel immer komplexerer Elektronik in Fahrzeuge integriert, die stets zuverlässige elektrische Verbindungen benötigt.

Der Kabelbaum mit seinen zahlreichen Steckern ist eines der drei schwersten Teilsysteme eines modernen Fahrzeugs und wiegt in einem Oberklassemodell bis zu 70 kg. Und es gibt immer mehr Herausforderungen zu bewältigen. Durch die Neuorientierung weg von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Motoren wurden auch viele herkömmliche Sensoren und ihre Kabel entfernt. An ihre Stelle ist eine wachsende Zahl von Sensoren für fortschrittliche Fahrassistenzsysteme (ADAS) und künftige Technologien für autonomes Fahren (AD) getreten. Hinzu kommt, dass die Datenraten und Bandbreitenanforderungen dieser Sensoren steigen. Hochfrequenzsignale für DAB-, 4G/5G-, V2X- und GPS/GNSS-Navigationsantennen halten selbst in Fahrzeugen der Einstiegsklasse Einzug (Abbildung 1).

Wie Fahrzeugsteckverbinder spezifiziert werden

Fahrzeuge müssen auch bei extremen Umweltbedingungen und hoher Luftfeuchtigkeit zuverlässig funktionieren. Außerdem ist auf die voraussichtliche Betriebsdauer zu achten. Europäische Autos haben eine Lebensdauer von fast 15 Jahren, und etwa jedes siebte ist nach 25 Jahren noch auf der Straße.

Aber viele andere Faktoren wirken sich darauf aus, für welche Steckverbinder sich die technischen Entscheidungsträger des Fahrzeugkonstrukteurs entscheiden:

• Robustheit und Langlebigkeit – Neben unterschiedlichen Umweltbedingungen muss der Steckverbinder auch Vibrationen, Stößen und Belastungen durch Wärmeausdehnung und -kontraktion standhalten.
• Schutzart – Staub, Schmutz und Feuchtigkeit müssen von den metallischen, signalführenden Kontakten des Steckverbinders ferngehalten werden. Andernfalls büßen Metall- und Kabelmaterialien an Qualität ein, was zu einer Verringerung oder einem Verlust des Signals führt.
• EMI-Kompatibilität – Konstrukteure müssen sicher sein, dass die Steckverbinder zur Minimierung elektromagnetischer Störungen beitragen.
• Einfache Fertigung – In der Regel sind nur wenige Steckzyklen erforderlich. Schließlich wird ein Fahrzeug nur einmal gebaut. Das Konstruktionsteam muss jedoch sicherstellen, dass der Steckverbinder beim Stecken nicht beschädigt werden kann und dass er nur mit dem zugewiesenen Steckverbinder zusammenpasst.

Um zu gewährleisten, dass die Steckverbinder während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs zuverlässig bleiben, werden eine Reihe von Maßnahmen ergriffen. Für die Form der Metallleiter werden häufig Lamellenkontakte verwendet, die auch als Tulpenkontakte bezeichnet werden. Diese sind typischerweise an 4-mm-Bananensteckern zu finden und bieten viele mechanisch gefederte Kontaktpunkte zwischen Stecker und Buchse (Abbildung 2).

Ein weiteres mechanisches Merkmal ist die Anti-Stoß-Funktion. Die meisten Ingenieure haben schon einmal in einer dunklen Vertiefung herumgestochert, um einen Steckverbinder anzuschließen. Dabei besteht die Gefahr, dass die empfindlichen Steckverbinder-Pins beschädigt werden, wenn die beiden Teile beim Zusammenstecken nicht perfekt aufeinander ausgerichtet sind. Die Anti-Stoß-Funktion sorgt dafür, dass dies nicht passiert.

Ein weiteres Konstruktionsmerkmal betrifft einen Fall, der bei der Handhabung eines Rundsteckverbinders auftreten kann. Dabei kommt ein so genannter Kontaktschutz zum Einsatz. Ähnlich wie beim Schöpfen von Eiscreme kann sich der Stecker einiger Steckverbinder verdreht, bis die Pins mit der gegenüberliegenden Seite zusammenpassen. Dies kann wiederum dazu führen, dass sich die Pins verbiegen. Ein Kontaktschutzdesign mit Erhebung oder Bajonett sorgt dafür, dass der Stecker nur in der richtigen Ausrichtung eingesteckt werden kann.

Umgang mit immer höheren Frequenzen

In Anbetracht des Wachstums der Hochgeschwindigkeits-Daten- und HF-Verbindungen im Automobilbereich hat der „Fachkreis Automobil“ in Deutschland den weltweit anerkannten FAKRA-Steckverbinderstandard entwickelt.

Anbieter wie TE Connectivity bieten eine große Auswahl dieser modifizierten SMB-Koaxialkabel-Steckverbindersysteme (Sub-Miniaturversion B) an (Abbildung 3). Diese sind so konzipiert, dass sie Normen wie ISO 20860-1 (Funkfrequenzverbindungssystemschnittstelle mit 50 Ohm Impedanz) und einschlägige SAE/USCAR-Normen (wie -17, -18 und -2) erfüllen oder übertreffen.

Das FAKRA Automotive-Steckverbindersystem von TE Connectivity bietet eine Nennspannung von 800 V_ac, eine Impedanz von 50 Ω und einen Nennstrom von 1 A. Es ist außerdem für den Betrieb von DC bis 6 GHz über einen Temperaturbereich von -40 °C bis +100 °C spezifiziert. Die Einfügungsdämpfung liegt bei oder gleich 0,3 unter 3 GHz und bei oder gleich 0,45 bis zu 6 GHz, während die HF-Streuverluste besser als 40 dB zwischen 3 GHz und 6 GHz und besser als 45 dB unterhalb von 3 GHz sind. EMI-Federn sind ebenfalls erhältlich.

Mit Blick auf die Mechanik widerstehen die FAKRA-Steckverbinder einer Biegung der Mittelkontakte bis zu 3 N (kein Riss oder Bruch) und einem mechanischen Zug von mehr als 110 N Axialkraft. Die Verriegelung wird sowohl durch Primär- als auch Sekundärverriegelungen unterstützt, und Tulpenkontakte, Anti-Stoß- und Kontaktschutzfunktionen sorgen für langfristige Zuverlässigkeit und eine beschädigungsfreie Verbindung während der Fertigung. Es sind auch Varianten mit Positionssicherung (Connector Position Assurance, CPA) erhältlich.

FAKRA bietet einen Gegenentwurf zu den üblichen schwarzen oder dunklen Steckverbinderfarben. Dies ist jedoch Teil der technischen Daten, die Klarheit über den Anwendungsfall für den Steckverbinder schaffen und den Keyingcode definieren (Abbildung 4). In diesem Punkt unterscheiden sich die europäischen und US-amerikanischen Automobilhersteller leicht. So wird beispielsweise blaugrau für den schlüssellosen Zugang in Europa verwendet, während in den USA SDARS (Satellite Digital Audio Radio Service) üblich ist. Ein Steckverbinder für schlüssellosen Zugang (Keycode Z) in wasserblau ist ebenfalls für Stecker und Buchsen erhältlich und eignet sich hervorragend für Testkonfigurationen.

Verfügbar für jede Befestigungsoption

Das FAKRA-HF-Steckverbindersystem deckt auch alle Befestigungsoptionen ab. Bei PCBs sind ein- und zweireihige vertikale und in einem Winkel von 90° montierte PCB-Stiftleisten mit Durchsteckmontage für alle Keyingoptionen erhältlich (mit und ohne Abschirmung). 180°- und 90°-Stecker und -Buchsen sind ebenfalls in der Serie enthalten und werden unterstützt durch modulare automatisierte Werkzeuge für die Fertigung, die auch mechanische Inspektionen und elektrische Tests umfassen kann. Damit sind sie bereit für den Einsatz in den Bereichen Infotainment (Displays, drahtlose Antennen), Sicherheitssysteme (Radar, Kameras, Notbremsung) und fahrzeuginterne Netzwerke (V2X, Gateways, Video).