Elektronika pojazdowa bazuje na coraz mniejszych złączach

Producenci samochodów stale dodają nowe lub ulepszają istniejące opcje i funkcje w swoich pojazdach. Wiele z nich bazuje na elektronicznych jednostkach sterujących (ECU). Jednak przestrzeń jest ograniczona, co stymuluje ciągłe dążenie do tworzenia zminiaturyzowanych i bardziej wydajnych złączy do obsługi zasilania i komunikacji, które zapewniają prawidłowe działanie układów elektronicznych i elektrycznych.

Najlepszym przykładem są dzisiejsze lusterka zewnętrzne: nie jest niczym niezwykłym, że urządzenia te zawierają silniki, wskaźniki monitorowania martwego pola, kierunkowskazy, elementy grzejne, lampy oświetlające podłoże, anteny systemów bezkluczowego otwierania, a nawet generatory fal ultradźwiękowych do zdmuchiwania kropel wody. To mnóstwo elektroniki - a cała ona musi być wodoszczelna i wysoce odporna na drgania - zamknięta w stosunkowo kompaktowej obudowie.

Przemysł motoryzacyjny przechodzi ogromną transformację, której motorem napędowym jest ciągła komputeryzacja opcji i funkcji oraz gigantyczne inwestycje rządów i branży, mające na celu przyspieszenie odejścia od silników spalinowych.

Pojazdy w coraz większym stopniu są mobilnymi systemami komputerowymi, które według wizji producentów torują drogę nowym, generującym przychody usługom połączonym z samochodami. Zaawansowane systemy wspomagania kierowcy (ADAS), prowadzenie autonomiczne, konserwacja predykcyjna i modele współwłasności również przyczyniają się do przesunięcia środka ciężkości na pojazdy sterowane oprogramowaniem.

Wspomniane czynniki będą również miały wpływ na dostawców komponentów, którzy muszą się dostosować w obliczu przełomowej transformacji oraz dopasowywania przez producentów samochodów swoich strategi do oczekiwań i wymagań konsumentów, które mogą szybko ulec zmianie.Wielu producentów samochodów przyspieszyło lub wyhamowało swoje plany przejścia na pojazdy elektryczne (EV), a zarządzanie łańcuchem dostaw pozostaje uporczywym problemem, który może skomplikować relacje z dostawcami.

Jedną z rzeczy, które należy uwzględnić w planach, jest ciągła potrzeba miniaturyzacji komponentów, ponieważ producenci samochodów dążą do zwiększania możliwości elektroniki wewnątrz pojazdu, którego wielkość tylko nieznacznie zmienia się z biegiem lat.

Dostawcy komponentów muszą projektować mniejsze produkty, a także muszą planować poprawę ich parametrów działania, ponieważ producenci dążą do pomieszczenia większej liczby elektronicznych jednostek sterujących (ECU) w ograniczonej przestrzeni. Złącza - czyli komponenty, o których projektanci podczas tworzenia nowych produktów często myślą w ostatniej kolejności - stają się coraz ważniejsze w procesie projektowania, ponieważ producenci szukają mniejszych modułów i bardziej kompaktowych sposobów prowadzenia kabli.

Maksymalizacja rezultatów dzięki minimalizacji rozmiarów i poprawie niezawodności

Kable i złącza zasadniczo stanowią ośrodkowy układ nerwowy oraz muszą stawać się bardziej innowacyjne i kompaktowe, aby wspierać rosnącą rolę komputerów i czujników. W niektórych przypadkach tradycyjne złącza we współczesnych pojazdach mogą mieć większe rozmiary niż moduły od nich zależne. Muszą one stawać się coraz mniejsze, bardziej niezawodne i umożliwiać bardziej elastyczne konfiguracje w ciasnych i małych przestrzeniach, co utrudnia ich serwisowanie.

Miniaturyzacji złączy często dokonuje się kosztem parametrów działania, co jest nie do przyjęcia dla producentów przestrzegających rygorystycznych kryteriów prób oraz poszukujących przewagi nad konkurencją.

Wspomniane wcześniej lusterka boczne ilustrują potrzebę realizacji bardziej zaawansowanych funkcji, które zwiększają wymagania techniczne stawiane złączom. Klienci z branży motoryzacyjnej i dostawcy komponentów wymagają złączy, które oszczędzają miejsce, przenoszą wysokie prądy, są łatwiejsze w stosowaniu oraz odporne na wodę i silne drgania.

Inżynierowie w firmie JAE Electronics, która jest jednym z 10 największych dostawców złączy na świecie, podjęli wyzwanie i zaprojektowali wodoszczelne złącze motoryzacyjne posiadające parametry, konstrukcję i elastyczność niezbędne do spełnienia wymagań klientów pod względem postępu technologicznego w motoryzacji.

Firma JAE opracowała serię montowanych na kablu złączy wtykowo-gniazdowych MX80 dla przemysłu motoryzacyjnego, które odpowiadają przewodom o przekrojach od 0,13 do 1,0mm² i mają zakres temperatur roboczych od -40°C do +125°C. Zaczynając od zacisków wewnątrz złączy, inżynierowie ocenili wiele aspektów, w tym geometrię sprężyny, przenoszenie prądu, blokadę mechaniczną, zakres rozmiarów przewodów, optymalizację zagniatania, zapobieganie uszkodzeniom, dostęp do sond pomiarowych, instalację i demontaż, szerokie zakresy temperatur roboczych, uszczelnienie oraz odporność na drgania.

Po zdefiniowaniu tych wymagań zespół z firmy JAE przystąpił do projektowania złącza, w tym do zaprojektowania formy, doboru materiałów i montażu. Korzystając z doświadczenia firmy w produkcji wysokiej jakości złączy zminiaturyzowanych, przystąpiono do opracowania kompaktowego złącza o wysokich parametrach działania, które mogłoby spełnić surowe wymagania w zakresie wodoodporności, wysokich prądów i wysokiej niezawodności.

Opracowana seria złączy godzi wymagania dotyczące siły trzymania i miniaturyzacji

Firma JAE opracowała dwie wersje prototypowe. Jedna z nich koncentrowała się na największej miniaturyzacji, a druga na zażegnaniu problemu obniżonej siły trzymania wynikającej z miniaturyzacji. Podążając za tymi staraniami, firma JAE opracowała unikalną konstrukcję z elementem ustalającym zainstalowanym przed uszczelnieniem gumowym w celu poprawy siły trzymania.

Nowa konstrukcja zapewnia prawidłowy montaż wiązki przewodów i trzymanie zacisków, a także posiada klasę ochrony przed wnikaniem wody IPX7, pozwalającą wytrzymać działanie wody na głębokości 1 metra przez 30 minut. Dostępna jest również wersja 4-pozycyjna IPX9K, odporna na strumienie wody o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem.

Firma JAE oferuje wspomniane montowane na kablach złącza wtykowo-gniazdowe MX80 w wersjach 2, 3 i 4-pozycyjnych. Wersja 6-pozycyjna jest dostępna tylko jako złącze gniazdowe. Aby zwiększyć niezawodność i zapobiec niepełnemu montażowi, złącza wyposażono w funkcję zapewnienia pozycji zacisków (TPA) na obudowach, która wykrywa niepełne wprowadzenie zacisków. Całkowite połączenie jest potwierdzane wyraźnym i słyszalnym kliknięciem.

Seria MX80 jest odpowiednia do szerokiej gamy zastosowań w pojazdach samochodowych i transportowych, takich jak:

• Lusterka i szyby: lusterka drzwiowe, systemy dachowe, szyby elektrochromiczne i moduły szybowe
• Oświetlenie: przedni i tylny zderzak, światła przeciwmgielne, światła cofania, światła stopu, oświetlenie tablicy rejestracyjnej, kierunkowskazy, lampy oświetlające podłoże oraz oświetlenie wnętrza
• Czujniki: parkowania, pedału hamulca, kamery, modułu bezkluczowego otwierania, ciśnienia w oponach oraz poziomu płynu w zbiorniku
• Audio: głośniki (z przewodami o dużej średnicy i z tłumieniem grzechotania) oraz mikrofony
• Inne: zawieszenie, klapa tylna, drzwi i przełączniki maski

W portfolio komponentów firmy JAE znajdują się 2-wtykowe montowane na kablu złącza MX80B02PZ1A (ilustracja 1) oraz złącza gniazdowe MX80A02SZ1B (ilustracja 2). Dostępne są również złącza 3-wtykowe montowane na kablu MX80B03PZ1A oraz złącza gniazdowe MX80A03SZ1B; 4-wtykowe złącza montowane na kablu MX80B04PZ1A oraz złącza gniazdowe MX80B04PZ1B; a także 6-wtykowe złącza gniazdowe MX80A06SZ1A. Złącza klasy IPX9K są dostępne w wersji 4-wtykowej montowanej na kablu MX80D04PZ1A oraz gniazdowej MX80E04SZ1A.

Ilustracja 1: obudowa 2-wtykowego złącza montowanego na kablu MX80B02PZ1A (Źródło: JAE Electronics)

Ilustracja 2: 2-pozycyjne złącze gniazdowe MX80A02SZ1B. (Źródło: JAE Electronics)

Kompaktowe, wodoszczelne złącza montowane na kablu z serii JAE MX80 oferują szeroki zakres przenoszenia mocy, w zależności od wybranego rozmiaru przewodu: 0,75 - 1,0mm², 0,3 - 0,5mm², oraz 0,13 - 0,22mm². Przy przekroju przewodu 0,13mm², złącza 2-wtykowe mają prąd znamionowy 4,2A, 3-wtykowe 3,7A, a 4-wtykowe 3,6A. Przy przekroju przewodu 0,35mm² te wartości znamionowe wynoszą odpowiednio 7,1A, 6,4A i 5,4A, natomiast dla przekroju 1,0mm² - 10,3A, 10,0A oraz 9,5A.

Złącza poddawane są próbom środowiskowym zgodnie z normą parametrów działania USCAR-2 V2 dla samochodowych systemów złączy elektrycznych oraz normą badania złączy LV214 (stopień 3). Posiadają one standardowe wypustki ISO/JASO/EWCAP/VDA o rozmiarze 0,64mm, są kompatybilne ze stykami wtykowymi o rastrze 2,54mm, a na obudowach wtyków posiadają zintegrowane wsporniki dla klipsów do mocowania do podwozi samochodowych.

Tylne pokrywy, obudowy i przednie elementy ustalające (ilustracja 3) są formowane z tereftalanu polibutylenu i włókna szklanego (PBT-GF10). Uszczelnienia są wykonane z gumy silikonowej. Firma JAE oferuje styki (sprzedawane oddzielnie i nie zamontowane w momencie dostawy), na przykład MX80S08K3F1, wykonane ze stopu miedzi i pokryte cyną. Zaślepki do uszczelniania nieużywanych wnęk są dostępne w klasie IPX7 (MX80A000XD1) oraz IPX9K (MX60A000XD2).

Ilustracja 3: widoki rozstrzelone montowanych na kablu złączy wtykowo-gniazdowych MX80. (Źródło: JAE Electronics)

Firma JAE oferuje również serię kompaktowych złączy niewodoszczelnych MX81 odpowiednich do podłączania urządzeń elektronicznych w pojazdach, takich jak elektroniczne jednostki sterujące (ECU) i czujniki. Złącza MX81, przykładowo MX81A002SF1, wykorzystują te same zaciski gniazdowe, co złącza wodoszczelne serii MX80. Pozwala to na wykorzystanie tych samych zacisków i narzędzi do zagniatania w różnych, wodoodpornych i niewodoodpornych strefach pojazdu.

Podsumowanie

Producenci pojazdów silnikowych chcą wprowadzać do istniejących przestrzeni więcej udoskonalonych opcji i funkcji elektronicznych. Projektanci produktów, którzy mogą wykorzystać nową grupę bardziej kompaktowych i sprawniejszych złączy, będą w stanie dostarczać mniejsze komponenty o lepszych parametrach działania, zapewniając producentom większą elastyczność pozwalającą im sprostać wymaganiom rynku.