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Fahrzeuge im Wandel

Es ist an der Zeit, Ethernet-Lösungen für Anwendungen mit Schwerlast-Industrie- und nutzfahrzeugen zu entwickeln, die Hochgeschwindigkeitsdaten mit geringer Latenz übertragen und bis zu 1 Gbit/s Daten verarbeiten können.

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Von Joachim Barth, Manager Product Development, Data Connectivity, und Christian Manko, Product Manager, Data Connectivity, TE Connectivity

Ursprünglich in ATZheavy Duty weltweit veröffentlicht

Ethernet-Konnektivität für die Nutzfahrzeugbranche im Wandel

Die Hersteller von Schwerlastfahrzeugen sind bestrebt, mit den sich schnell ändernden Vorschriften und Kundenanforderungen für sicherere, umweltfreundlichere und produktivere Fahrzeuge Schritt zu halten. Allerdings stellen sie dabei fest, dass CAN-Busnetzwerke die für eine erweiterte Funktionalität erforderliche erhöhte Datenkonnektivität einfach nicht unterstützen können. Das Single-Pair-Ethernet-Protokoll mit Geschwindigkeiten von 100 Mbit/s (100BASE-T1) oder 1 Gbit/s (1000BASE-T1) wird für Schwerlastfahrzeugentwickler immer wichtiger, da die Anforderungen an die Funktionalität und der Datenbedarf weiter steigen.

 

Für Hersteller von Fahrzeugen für das industrielle und gewerbliche Verkehrswesen ist dieses Protokoll relativ neu und die Produktentwicklung, insbesondere für Ethernet-Komponenten für diesen Markt, ist bisher begrenzt. Die Branche profitiert jedoch davon, dass die Automobilindustrie seit 2005 Ethernet in PKWs integriert. Konstrukteure von Schwerlastfahrzeugen können sowohl Ethernet-Steckverbinder aus der Automobilindustrie verwenden als auch solche, die speziell für die rauen Umgebungen des industriellen und gewerblichen Verkehrswesens, z. B. im Baugewerbe, Bergbau und in der Landwirtschaft, ausgelegt sind.

Einsatz von Automotive Ethernet-Technologie in Nutzfahrzeuganwendungen

Da Entwickler von Industrie- und Nutzfahrzeugen die Verbindungssysteme und -netzwerke in ihren Fahrzeugen modernisieren möchten, können sie für das Design vieler Hochgeschwindigkeits-Datenanwendungen die in den letzten Jahren für den Einsatz in der Automobilindustrie entwickelten Steckverbindertechnologien nutzen.

 

Konstrukteure von Personenkraftwagen und leichten Lastkraftwagen nutzen Ethernet-Netzwerke und Komponenten, um Funktionen wie Diagnose, In-Vehicle-Infotainment, Heck- und Seitenkamerasysteme, adaptive Geschwindigkeitsregelung und mehr zu ermöglichen. Die Verwendung von Ethernet ermöglicht mehr Bandbreite, um den ständig steigenden Bedarf an mehr Daten zu decken. Da fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS, Advanced Driver Assistance Systems) und andere automatisierte Funktionen immer verbreiteter sind – was wohl letztendlich zu vollständiger Autonomie des Fahrzeugs führen wird und Radar, LIDAR und mehr Sensoren erfordert – müssen die Konstrukteure Ethernet-Netzwerke integrieren, um sowohl den heutigen als auch zukünftigen Datenverbindungsanforderungen zu entsprechen.

2 parallel stationierte Busse

Konstrukteure von Schwerlastfahrzeugen können Ethernet-Steckverbinder aus der Automobilindustrie an Stellen einsetzen, die nicht der Witterung oder extremen Stößen ausgesetzt sind, z. B. in der Fahrerkabine, wo keine besonders robusten Steckverbinder und extrem lange Kabel benötigt werden. Dies trägt auch zur Kostenkontrolle und Platz- sowie Gewichtseinsparung bei.

 

Die MATEnet-Steckverbinder von TE Connectivity (TE) beispielsweise wurden ursprünglich für IEEE Automotive Ethernet Networking entwickelt. MATEnet-Steckverbinder sind modular aufgebaut und skalierbar. Sie können in verschiedenen Konfigurationen wie Anwendungen mit mehreren Anschlüssen oder in abgedichteten/abgeschirmten Anwendungen eingesetzt werden. Diese Steckverbinder können für ADAS-Sensoren, 360°-Kamerasysteme, Telematikgeräte, Onboard-Diagnosen, Infotainment-Anwendungen in der Schalttafel und weitere ähnliche Anwendungen verwendet werden, die mittlere bis hohe Datenmengen und niedrige Latenzen erfordern. Die MATEnet-Steckverbinder sind in der Lage, Datenübertragungsraten von 100 Mb pro Sekunde bis hin zu 1 Gb pro Sekunde gemäß IEEE 100BASE-T1/1000BASE-T1 zu erreichen. Die Steckverbinder können mit ungeschirmten oder abgeschirmten verdrillten Paarkabeln verwendet werden. MATEnet-Verbindungen stützen sich auf die bewährten NanoMQS Klemmen, bei denen es sich um miniaturisierte Kontakte gemäß Automobilanforderungen handelt, die eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen aufweisen. 

 

Dank seiner mehr als zehnjährigen Erfahrung in Automotive Ethernet-Anwendungen und seinen technischen Fachkenntnissen im Bereich Sensoren und im industriellen und gewerblichen Verkehrswesen kann TE den Herstellern bereits in den ersten Designphasen wertvolle Dienste leisten. Unsere Ingenieure und Produktexperten arbeiten zusammen und helfen OEM-Designern beim Skizzieren der Fahrzeugarchitektur, um Gewicht, Platzbedarf und Kosten zu optimieren, indem sie Ethernet nur da einsetzen, wo es nötig ist, und Automotive Ethernet-Steckverbinder in geeigneten Bereichen verwenden, um Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung für die von den Kunden erwünschten erweiterten Funktionen zu ermöglichen.

Schalttafel

Überlegungen zur Entwicklung von Ethernet-Produkten für Schwerlastfahrzeuge

Die Umgebungen und Herausforderungen für industrielle und gewerbliche Fahrzeuge können jedoch im Vergleich zu denen von Pkws und leichten Nutzfahrzeugen oftmals deutlich härter sein. Darüber hinaus stellt schon allein der Größenunterschied eine weitere Herausforderung für die Signalintegrität von Ethernet-Anwendungen dar. In einem Auto beträgt die größte Entfernung, die ein Ethernet-Signal zurücklegen muss, 15 Meter. Bei Schwerlastfahrzeugen im Lkw-Verkehr, Bauwesen, Bergbau usw. muss die Signalintegrität über größere Entfernungen, bis zu 40 Metern, aufrechterhalten werden, und gleichzeitig rauen Umgebungsbedingungen standhalten.

 

Die Sensoren und Kameras mit Echtzeitanzeigen für Sicherheitsfunktionen oder automatisierte Funktionen in Pkws müssen in der Regel nur auf Straßen ohne große Behinderungen und mit gleichbleibenden Strukturen und Geländebegebenheiten funktionieren. In Bau- und Landwirtschaftsfahrzeugen müssten solche Systeme allerdings viel mehr erkennen. Die Systeme müssen in der Lage sein, Daten zu erkennen, zu messen und zu übertragen, anhand derer beurteilt wird, ob es sich bei einem Gegenstand auf dem Boden beispielsweise um einen Stock, ein Seil, ein Stahlrohr oder ein Kabel handelt – um etwas Harmloses, das überfahren werden kann oder um etwas, das möglicherweise ein Sicherheitsrisiko verursachen oder das Fahrzeug beschädigen könnte. Hierfür sind Kameras und Sensoren mit höherwertigen oder multispektralen Sensoren nötig. Erweiterte Funktionen wie diese und mehr basieren auf 1 Gbit/s-Ethernet.

Bauarbeiter

Die Sensoren, Kabel und Ethernet-Steckverbinder für diese Schwerlastfahrzeuge müssen robust genug sein, um den rauen Umgebungen sowohl außerhalb als auch innerhalb des Chassis standzuhalten. Sie müssen für Anwendungen ausgelegt sein, bei denen Staub, Schmutz, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und hohe Vibrationen die Regel sind. Zudem sollten sie idealerweise vor Ort wartbar sein.

 

Die funktionale Sicherheit muss in der Produktentwicklung bereits von Anfang an von den Konstrukteuren bedacht werden. Mit der Automatisierung werden viele grundlegende Fahr- und Automatikfunktionen am Fahrzeug sicherheitsrelevant, so dass ein geringeres Risiko für Fahrer, Arbeiter auf Baustellen und andere Autos sowie Kleinlastwagen auf Autobahnen besteht. Die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls muss auf ein Minimum beschränkt werden, und wenn ein Fehler auftritt, muss das System es dem Fahrzeug ermöglichen, angemessen zu reagieren. Diese Sicherheitsaspekte müssen bei den Konstruktions-, Qualitätsmanagement- und Entwicklungsprozessen der Hersteller im Vordergrund stehen.

 

Hersteller, die diese Herausforderungen lösen, verschaffen ihren Kunden einen Wettbewerbsvorteil, da die neuen Ethernet-Netzwerke und -Steckverbinder es ihnen ermöglichen, mehr Geräte nahtlos in das Netzwerk zu integrieren und die Datenkonnektivität in ihren Fahrzeugen zu beschleunigen. Gleichzeitig wird so die Sicherheit und die Produktivität für die Endverbraucher erhöht.

Symbole Infotainment

Neue Ethernet-Steckverbindertechnologien und -lösungen für raue Umgebungen

Derzeit sind robuste Ethernet-Steckverbinder für Industrie- und Nutzfahrzeuge in zwei Kategorien zu finden – für Anwendungen, die Daten bis zu 100 Megabit pro Sekunde übertragen, und für Anwendungen, die Datenübertragungen von bis zu 1 Gigabit pro Sekunde erfordern. Ethernet-Steckverbinder, die für die Industrie- und Nutzfahrzeugbranche ausgelegt sind, umfassen manchmal einen Automobil-Steckverbinder als Grundlage. In anderen Fällen sind sie eine Erweiterung einer Serie, die ursprünglich für Personenkraftwagen eingesetzt wurde.

 

Bei TE haben wir unseren Automotive MCON-Klemmen robuste Gehäuse hinzugefügt und deren Design verbessert, um einen neuen abgedichteten Ethernet-Steckverbinder mit dem Namen enetSEAL+ zu erstellen, der die 100BASE-T1-Spezifikation erfüllt. Diese neue Generation an enetSEAL+ Steckverbindern bietet eine Datenkonnektivität von bis zu 100 Mbit Daten pro Sekunde sowie robuste und abgedichtete Vollduplex-, Kabel-an-Kabel-Anschlüsse für Multifunktionsanzeigen, Telematik, Telemetrie-Einheiten, Infotainment-Module und Medienzugriffssteuerungen. Sie können für den Anschluss externer Kameras und Sensormodule verwendet werden, um so die Lageerkennung des Bedieners zu verbessern und die Sicherheit durch Ethernet-Querspannungssignal-Übertragungskommunikationsprotokolle zu erhöhen. Ein wichtiger Aspekt für den Schwerlastfahrzeugmarkt ist, dass die abgedichteten enetSEAL+ Steckverbinder vor Ort gewartet werden können.

 

Weitere Eigenschaften:

       Das optimale hochwertige Design reduziert die Fertigungs- und Wartungskosten.

·       Abgedichtet für Staub- und Wasserdichtigkeit gemäß den Schutzgraden IP67 und IP69 (mit Endgehäuse).

·       Die MCP-Technologie (Multi-Contact Point) sorgt für höhere Zuverlässigkeit.

·       Die eingebaute Sekundärverriegelung ist so konzipiert, dass der Kontakt fest sitzt.

·       Modulare Anwendung ist mit zwei Codierungen und verschiedenen Plattenschichtdicken für Durchführungs- oder ECU-Anwendungen möglich.

OEMs können die bestehende Kabelsatz-Automat-Lieferkette nutzen.

Datenverbindungen in rauen Umgebungen

Der HDSCnet+ Ethernet-Steckverbinder von TE ist ein robuster, thermoplastischer Heavy Duty Steckverbinder, der Datenübertragungsraten von bis zu 1 Gbit pro Sekunde erreichen kann. Es ist mit dem MATEnet-Verbindungssystem von TE kompatibel und bietet Kabel-an-Kabel- und Kabel-an-Gerät-Verbindungen. Es wurde für besonders raue Umgebungen entwickelt und bietet Entwicklern von Schwerlastfahrzeugen Flexibilität bei der Implementierung mehrerer Hybridschnittstellen sowie Skalierbarkeit durch die Verwendung von ungeschirmten oder abgeschirmten verdrillten Paarkabeln.

 

Vorteile der HDSCnet+ Ethernet-Steckverbinder:

 

·       Optimiert für Langzeitnutzung und Zuverlässigkeit, was die Fertigungs- und Wartungskosten senkt.

·       Die Verbindung wird mit der eingebauten Sekundärverriegelung für den Kontaktfestsitz gesichert.

·       Einfache Handhabung, geringe Steckkraft mit zuverlässigem Schiebeverriegelungsmechanismus (bei Auslieferung in vorverriegelter Stellung).

·       Ausgelegt für die modulare Anwendung für Kabel-an-Kabel und Kabel-an-Leiterplatte mit mehreren Befestigungsoptionen: Reihen-, abgedichtete Flansch- und Leiterplattenmontage.

Abgedichtet für Staub- und Wasserdichtigkeit gemäß den Schutzgraden IP67 und IP69 (mit Endgehäuse).

 

Beide Lösungen passen sich praktisch jeder Anwendung in rauen Umgebungen an, z. B.: Radar/Lidar, Kameras, Telematik-Geräte, On-Board-Diagnosen, Head-up-Displays, Kombiinstrumente, Infotainment-Anwendungen und Ethernet-Architektur.

Schlepper auf der Straße

Frühzeitiges Hinzuziehen von Ethernet-Kommunikationsexperten

Das Ziel im Design ist es, Technologietrends immer einen Schritt voraus zu sein, insbesondere bei der Entwicklung langlebiger Fahrzeuge. Um auf dem Markt konkurrenzfähig zu bleiben und Automatisierungstrends und -funktionen voraus zu sein, die die Kundenwünsche hinsichtlich erhöhter Sicherheit, Produktivität und Nachhaltigkeit ermöglichen, müssen Entwickler und Hersteller Ethernet in alle neuen Designs integrieren, um den steigenden Datenverbindungsanforderungen von heute und morgen gerecht zu werden. Da Ethernet im industriellen und gewerblichen Verkehrswesen relativ neu ist, ist es wichtig, sich frühzeitig mit Ingenieuren und Produktmanagern zu beraten, die über Know-how in der Entwicklung von Ethernet und anderen Kommunikationsprotokollen in der Automobil-, Lkw- und Schwerlastfahrzeugindustrie verfügen.

 

TE hat umfangreiche Anwendungs- und Systemkenntnisse in der Automobilbranche, im industriellen und gewerblichen Verkehrswesen sowie in der Datenaustauschbranche. Unsere Ingenieure und Produktexperten arbeiten eng mit den Kunden zusammen, um sie hinsichtlich der Topologie und Technologie zu beraten, die für die Entwicklung fortschrittlicher Funktionen erforderlich sind. Diese Funktionen erfordern eine höhere Sensor- und Rechenleistung, wobei gleichzeitig die Signalintegrität unter rauen Bedingungen erhalten werden muss. Als etablierter Markführer in diesem Bereich nutzen wir unsere Erfahrung und die bewährte Leistung unserer Produkte hinsichtlich Hochgeschwindigkeitsdaten und Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen, um die essenziellen Klemmen, Steckverbinder und Kabel zu entwerfen und herzustellen, die robuste Fahrzeug-Ethernetnetzwerke ermöglichen.

 

 

Ein autonomes Schwerlastfahrzeug der Zukunft würde beispielsweise ein umfassendes Sensor-Array für etwa 16 Radare, 10 LIDARs und 10 Kameras benötigen. Das sind über 30 Kabel und Verbindungen, die EMI-widerstandsfähig sein müssen und deren Verlegung gut durchdacht sein muss.