Sowohl im Auto als auch in der digitalen Fabrik gilt: Daten, die von Sensoren erfasst werden, müssen in Netzwerke eingespeist werden. Dies kann per Funk oder über Leitungen geschehen. Eine Übertragung via Leiter ist zuverlässiger – wenn hochwertige Steckverbinder verwendet werden.
Mit Hilfe von Steckbindern werden elektrisch leitende Kontakte hergestellt, so dass es möglich ist, zwei Geräte bzw. Geräteteile miteinander zu verbinden. Was im ersten Moment banal klingt, ist alles andere als das. Denn abhängig von der Art der Signale, die es zu übertragen gilt, müssen die elektrischen Verbindungen bestimmte Anforderungen erfüllen. Zu diesen zählen unter anderem die mechanische Sicherung der Kontakte oder der verpolungssichere Anschluss. Kommt es zu Fehlern, ist eine vollständige Datenübertragung kaum möglich.
An der technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe untersuchen Feinsystemtechniker in einem neuen Projekt, wie Steckverbinder am besten gegen Hitze und Vibrationen abgehärtet werden können – in der Hoffnung, so dem Traum vom autonomen Fahren einen Schritt näher zu kommen.
Steckverbinder als Sinnesorgane des autonomen Autos
Autonome Fahrzeuge benötigen zahlreiche Sensoren, welche Daten erfassen und an einen Steuercomputer übertragen. Für die Übermittlung werden pro Leitung je zwei Steckverbinder benötigt. Werden Daten fehlerhaft übertragen oder fällt ein Sensor ganz aus, ist das ein ernstes Problem. Song erklärt: „Ein Sinnesorgan funktioniert nicht mehr“. In diesem Fall hält ein autonomes Fahrzeug automatisch an, während ein menschlicher Fahrer vermutlich versuchen würde, in die Werkstatt oder immerhin bis nach Hause zu fahren. Dies ist bei einem autonomen Auto nicht möglich: „Bei autonomen Fahrzeugen haftet der Autohersteller für die Sicherheit. Deshalb werden sie schon bei der kleinsten sicherheitsrelevanten Störung angehalten“. Song erklärt, dass die Technik aus diesem Grund besonders robust sein muss – schließlich fehlt der Mensch als Entscheider und Kontrolleur.
Für die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Steckbindern gibt es für das autonome Fahren sogar eine weltweit gültige Regelung: Maximal ein Fehler pro einer Milliarde Betriebsstunden ist erlaubt. „Das klingt sehr streng“, erklärt Song, „aber man muss beachten, dass jedes Auto bis zu 5.000 Steckverbinder hat“. Der Wissenschaftler rechnet vor: Bei einer von den Herstellern angenommenen Lebensdauer des Fahrzeugs von 15 Jahren dürfte in einem von 30 Autos eine Steckverbindung ausfallen.
Forschung im Labor für Feinsystemtechnik
In spätestens zehn Jahren sollen autonome Autos auf deutschen Straßen unterwegs sein – so prophezeit es Professor Dr. Jian Song. Gemeinsam mit seinem Team arbeitet der Leiter des Labors für Feinsystemtechnik an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL) daran, die benötigte Technik bis dahin ausreichend robust zu machen, um einen sicheren Verkehrsfluss gewährleisten zu können. Seit genau einem Jahr erforschen die Wissenschaftler der Universität in Kollaboration mit der EMFT (Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien) nun schon Wege, Steckverbinder noch stabiler zu machen.
Das Labor für Feinsystemtechnik des Fachbereichs Maschinenbau und Mechatronik ist Teil des Forschungsschwerpunktes „Innovative Werkstoffe“ an der Technischen Hochschule. 20 Mitarbeiter arbeiten im Labor für Wissenschaft und Technik, vor allem Ingenieure aus der Mechatronik, dem Maschinenbau und den Werkstoffwissenschaften, ebenso wie Physiker und Physiklaboranten. In enger Kooperation mit der Automobilindustrie sowie der Industrie der elektrischen Verbindungstechnik erforschen Dr. Jian Song und sein Team unter anderem Schadensanalysen, Verschleißprozesse und Lebensdauerprüfungen. Dabei liegen der Fokus insbesondere auf der Untersuchung und Verbesserung von Schichtsystemen und Funktionsoberflächen für elektrische Kontakte.
Hitze und Vibration als Schadquelle
Zu Schäden kommt es in Steckverbindungen vor allem durch Hitze und Vibration, z. B. wenn ein Auto über ein Schlagloch fährt und die Bauteile in Schwingung geraten. Und auch der Motor selbst sorgt für Erschütterungen. Hitze kann zum Problem werden, wenn mehrere Materialien genutzt werden, welche sich bei Wärme unterschiedlich stark ausdehnen.
Die Lemgoer Wissenschaftler testen vor allem, welche Art von Vibrationen den Steckverbindern mehr schadet: langsame oder schnelle, beziehungsweise gleich- oder wechselförmige. Dazu werden Bauteile auf speziell angefertigten Prüfständen getestet, welche die Belastung im Fahrzeug simulieren. Die Ergebnisse der Untersuchung könnten maßgeblich zu einer Zulassung autonomer Fahrzeuge auf deutschen Straßen beitragen.
Unterstützt wird die Forschungsarbeit von Vertretern verschiedener Unternehmen, unter anderem dem Automobilzulieferer ZF, sowie von Steckverbinder-Herstellern. Dank eines Beschlusses des Deutschen Bundestages wird das AiF-Projekt im Zeitraum zwischen Juli 2019 bis Juni 2021 durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit rund 400.000 Euro gefördert. Ungefähr die Hälfte dieser Summe kommt dabei der TH OWL zugute.