Bedienelemente Schalter zur Steuerung und Erkennung im Fahrzeuginnenraum

Von Jerome Smolinski und Régis Clément *

Bedienelemente prägen das Fahrerlebnis mit. Das Aussehen, die Haptik und die Art und Weise der Interaktion ist für Fahrzeughersteller eine Möglichkeit, sich von ihren Mitbewerbern abzuheben.

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Joystick-Steuerungen erfordern ein elektromechanisches Gerät mit einem äußerst zuverlässigen und wiederholbaren Schaltmechanismus.
Joystick-Steuerungen erfordern ein elektromechanisches Gerät mit einem äußerst zuverlässigen und wiederholbaren Schaltmechanismus.
(Bild: C&K)

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 erweiterte Schalterkonfigurationen erreicht. Mit der Weiterentwicklung der Automobiltechnologie verfügt die moderne Fahrzeugkabine über speziell angepasste elektromechanische Schalter, die Funktionalitäten maximieren und den Komfort, die Sicherheit und vieles mehr optimieren.

Haptik und die mechanischen Eigenschaften der Schalter

Als Schnittstelle zum Bedienelement muss eine Schaltvorrichtung optisch, haptisch und akustisch ansprechend sein. Schalterhersteller arbeiten daher eng mit deen 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 ausgedrückt in Prozent (ΔF / Fa = Δ %),
  • mechanischer Verstellweg (Tm),
  • Rückstellkraft (Frr).

Schalterhersteller wie C&K können die Komponenten 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, Designs auf verschiedene Anwendungen zu übertragen. Dieses einzigartige Angebot bietet eine hohe Zuverlässigkeit und konsistente Haptik einer fahrzeugerprobten Serie bei gleichzeitig drastisch reduzierten Entwicklungskosten und -zeiten.

OEMs sollten Schalterhersteller mit einbinden

OEMs wenden sich nicht nur hinsichtlich der Schalter an Hersteller elektromechanischer Komponenten. Die Einbindung eines Schalterherstellers für Konstruktionen, die über den eigentlichen Schalter hinausgehen, ermöglicht eine höhere Design-Flexibilität. 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.

Beispiele für herkömmliche Anwendungen

Für typische Schaltfunktionen in Automobilanwendungen wie Frontblenden oder Armaturenbrettern werden in der Regel robuste taktile Schalter eingesetzt. Die taktilen Schalter sind bis IP68 abgedichtet und können so konzipiert werden, dass sie ein ausgezeichnetes taktiles Feedback mit spezifischen Wegen und Betätigungskräften liefern. Taktile Schalter haben zudem eine lange Lebensdauer von mehr als einer Million Zyklen, wodurch sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet sind.

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

Beispiele für moderne Anwendungen

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 Sicherheit im Automobil einen hohen Stellenwert hat, wurden die Kabinen 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 sicherem Langzeitbetrieb von mehr als einer Million Zyklen mit dem individuellen, haptischen Feedback. Im Fahrzeuginnenraum werden kompakte Taktschalter mit kurzen Wegen und engen Toleranzen in der Regel in Kfz-Lenkrädern und -Säulen eingesetzt, da sie den Aufbau und die Installation erleichtern. Strenge Toleranzanforderungen machen es jedoch schwieriger, Schalter mit präziser haptischer Rückmeldung zu konzipieren.

Der Einsatz neuer Stanz- und Umspritzungstechnologien in Kombination mit den neuesten automatisierten Montagesteuerungen bietet verbesserte Abmessungen und Leistung.

Beispiele für aufkommende Anwendungen

Infotainmentsysteme werden in autonomen Fahrzeugen eine wichtige Rolle spielen. Genauer gesagt: das Gaming. Große Fahrzeughersteller arbeiten bereits daran, Gaming-Funktionen direkt in die Funktionalität von Fahrzeugen zu integrieren. Ein Beispiel ist die Verwendung von Schaltwippen der Gangschaltung und des Lenkrads als Spielsteuerung, wenn sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet. Für die Bestätigung, dass sich das Fahrzeug im Parkmodus befindet, und die Spielfunktionalität genutzt werden kann, sind Erkennungsschalter erforderlich. Auch in den Schaltwippen sind Mehrfach-Erkennungsschalter erforderlich, da für das Schalten von Gängen im realen und virtuellen Leben eine Doppelfunktionalität implementiert ist.

Im Gegensatz zu alternativen Schaltertechnologien wie Drucktastern, Schnappschaltern und Schiebeschaltern sind diese Schalter kleiner und flexibler. Die Flexibilität von Erkennungsschaltern ist entscheidend, um die vielen Anforderungen von Automobilanwendungen zu erfüllen. Ein Beispiel dafür sind die Winkel, in denen ein Schalter arbeiten und anschließend Erkennungen durchführen kann. Da viele kundenspezifische Erkennungsschalter 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 Erkennungsschalter bereits auf dem Verbrauchermarkt mit hoher Schaltfrequenz eingeführt, 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, um mit einem einzigen Schalter unterschiedliche Schaltkreise zu 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, um präzise taktile und hörbare Rückmeldungen während der Drehung zu liefern. Abhängig von der Anzahl der Rotoren kann der Schalter Dutzende von verschiedenen Positionen einnehmen, die jeweils mit einem bestimmten Schaltkreis verbunden sind.

Multifunktionssteuerungen gehört 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 mit dem Schieberegler des Joysticks. Gaming-Funktionen können zu einem Multifunktionsgriff hinzugefügt werden, der bidirektionale Schnappschaltermodelle mit jeweils einer einzelnen Schaltfunktion oder mit einer Doppelfunktion in beide Richtungen kombiniert. Diese robusten, bereits für Geländefahrzeuge erhältlichen Modelle, bieten ein hervorragendes taktiles Feedback und eine Einrastkontakt-Rückmeldung.

Joystick-Steuerungen erfordern ein elektromechanisches Gerät mit einem äußerst zuverlässigen und wiederholbaren Schaltmechanismus. Dieser ist entscheidend, damit die Betriebsposition des Schalters im Laufe der Zeit konsistent bleibt, und die Hersteller von Schaltern erreichen dies mit kalibrierten Schnappschaltern, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Das Design eines Schnappschalters zeichnet sich durch eine präzise Aktuatorposition während der gesamten Lebensdauer des Geräts 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 ein robustes Design und eine lange Lebensdauer aus, wie sie in Geländeanwendungen erforderlich sind, 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.

Schalterrückmeldungen sind enorm wichtig

Schalterrückmeldungen, ob haptisch oder akustisch, sind ein wichtiger Bestandteil des Designs von Fahrzeugschnittstellen, die das Benutzererlebnis verbessern. Sie können sehr unterschiedlich sein, da sie auch zur Signatur der Herstellermarke beitragen. 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 in seine 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 die Automobiltechnologie kontinuierlich mehr autonome Systeme integriert, wird erwartet, dass die Funktionen in der Fahrzeugkabine ausgeweitet werden. Hersteller von Schaltern passen traditionelle elektrotechnische Produkte kontinuierlich an und kombinieren sie mit neuen Technologien, um die Anforderungen an die Funktionalität in der Kabine zu vereinfachen und zu erfüllen.

* Jerome Smolinski ist Market Industry Manager Automotive bei C&K,

* Régis Clément ist Global Product Manager bei C&K.

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