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Robuste Modultechnologie für mechatronische Getriebesteuerungen Moderne Getriebekonstruktionen greifen zunehmend auf integrierte Steuerungselektronik zurück. Dies hat offensichtlich Vorteile hinsichtlich Konfigurierbarkeit und Prüfbarkeit, stellt aber hohe Anforderungen an die Funktion der mechatronischen Steuerungsmodule. Dieser Beitrag von Tyco beschreibt die Anforderungen und stellt die Lösungen des Unternehmens vor.

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Die Autoren 1 Einleitung

Neue Getriebegenerationen mit integrierter Steuerungselektronik gehört wohl die Zukunft – die Vorteile liegen auf der Hand: Das Getriebe wird zu einem vorkonfigurierbaren und prüfbaren Systemmodul. Ein mögliches kompakteres Design eröffnet zudem neue Freiräume in der Gestaltung des Fahrzeugmotorraums. Die zentrale elektrische Anbindung vereinfacht die periphere Kabelbaumarchitektur, und gleichwohl werden die Risiken und Aufwände im Endmontage-Prozess spürbar reduziert. Demgegenüber steigt jedoch der technologische Anspruch an die neue Generation der Getriebesteuerungen. Die vor Ort positionierten Getriebesensoren und Ventilkontaktierkomponenten verschmelzen nun auf engstem Raum mit der Steuerungselektronik zu einem mechatronischen Modul. Die zukünftige Vielfalt der Getriebevarianten fordert hierbei eine Modultechnologie, die einen hohen Grad von Flexibilität bietet und die es ermöglicht, auch für kleinere Produktionsvolumen wirtschaftlich Produkte zeitgerecht bereitzustellen. Die sinnvolle Lösung liegt dabei in einer modularen Architektur. Hierfür sind Schlüsselkomponenten und Kerntechnologien notwendig, die im verfügbaren Bauraum applikationsspezifisch strukturiert werden können. Schlüsselkomponenten sind dabei die Funktionselemente, wie der Schaltungsträger der Steuerungselektronik, die Sensoren für Drehzahl, Temperatur- und Positionserfassung sowie die Verbindungskomponenten zur Hydraulikeinheit oder dem Kabelbauminterface. Die Modulgröße selbst bestimmt sich über die Größe der Hydraulikeinheit, den Sensorpositionen und der Position des Systemsteckers und kann sich räumlich unterschiedlich ausprägen. Die Flexibilität muss somit in der elektromechanischen Aufbauund Verbindungstechnologie liegen. Die richtige Definition und Auswahl dieser Modultechnologie orientiert sich an den Robustheits-Anforderungen, die sich mit dem Betrieb innerhalb der Getriebeglocke ergeben. 2 Strukturierungsmodell 2.1 Anforderungsprofil

Das Getriebe stellt sich zunächst als ein klassisches mechanisches System dar. Hier werden Massen bewegt, Kraftflüsse gelenkt und mechanische Energien in Wärme gewandelt. Für den Einzug elektronischer Baugruppen ergeben sich in dieser Umgebung ungewöhnliche Betriebsbedingungen.

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Vier Haupteinflüsse müssen bei der Auslegung eines Getriebesteuermoduls berücksichtigt werden: ■ hohe mittlere Betriebstemperatur zuzüglich Kurzzeit Temperaturspitzen ■ Metallspan-Abrieb und Schlämme ■ Vibrationen ■ aggressives Getriebeöle. Bei Einsatz der Elektronik-Hybridtechnologie mit Halbleitern, Keramikkomponenten und kleinen Signalstrukturen stellen diese Betriebsbedingungen ein unüberwindliches Hindernis für einen zuverlässigen Betrieb dar. Die elektromechanische Modultechnologie muss somit gegen diese Einflussgrößen eine hinreichende Schutzfunktion übernehmen. Der Anspruch an die Modultechnologie besteht somit darin, eine vibrationsfeste und verspannungsarme Trägerstruktur anzubieten, die es ermöglicht, elektronische Funktionselemente öldicht zu kapseln und mittels wärmefesten Verbindungstechniken flexibel miteinander zu verbinden. 2.2 Zuverlässige Auslegung

Bei Integration eines Getriebesteuerungsmoduls innerhalb des Getriebes führt ein Ausfall im Betrieb unweigerlich zu einer aufwandsintensiven Reparatur, bei der das Getriebe komplett demontiert und geöffnet werden muss. Systematische Schwachstellen haben schnell dramatische wirtschaftliche Folgen. Die Ausfallmöglichkeit, selbst durch kleinste Schwachstellen, muss für den gesamten Lebenszeitraum des Getriebes ausgeschlossen werden. Hierzu muss in der Technologieauswahl und Designauslegung eine hinreichende „Robustheit“ erreicht werden. Von Robustheit redet man, wenn die Zuverlässigkeit der gewählten Technologien und Einzelkomponenten weit über denen des geforderten Einsatzzeitraums mit Belastungsprofil liegt. Um eine Aussage zur Zuverlässigkeit einer Modularchitektur zu bekommen, können für die elektronischen Funktionskomponenten statistische Berechnungsmethoden angesetzt werden. Gängiger Parameter ist hierbei die durchschnittliche Zeit bis zum Auftreten eines Fehlers, auch MTBF (mean time before failure) genannt. Die MTBF errechnet sich aus der Überlebenswahrscheinlichkeit der Komponente (probability of reliability) im Bezug zur erwartenden Betriebsdauer. Die Überlebenswahrscheinlichkeit ist eine statistische Verteilungsfunktion mit exponentiellem Charakter mit einer temperaturabhängigen Komponente (Arrhenius-Gleichung) und berücksichtigt somit die tatsächliche Betriebstemperatur im Einsatz.

Dipl.-Ing. (FH) Karlheinz Glaser ist Manager Product Marketing New Applications bei Tyco Electronics, Global Automotive Division, Niefern. Dipl.-Ing. (FH) Stefan Stross ist Leiter der Produktentwicklung Automotive Sensors bei Tyco Electronics, Global Automotive Division, Speyer.

Zur Ermittlung der Überlebenswahrscheinlichkeit wird auf die normierte Hilfsgröße FIT (failure in time) zurückgegriffen. Die Festlegung der FIT-Zahl erfolgt über eine statistisch erhobene Fehlerzahl bezogen auf 1 Mrd. Betriebsstunden. Für elektronische Komponenten und Halbleitertechnologien stehen über Normentabellen und Herstellerangaben recht umfangreiche Zahlenwerke zur Verfügung, die als grundlegende Bewertungsparameter herangezogen werden können. In der Hybridtechnologie werden die Komponenten und Halbleiterchips direkt auf den Keramik-Schaltungsträger montiert und mittels Leitkleber und Bondtechnik kontaktiert. Die Zuverlässigkeit dieser Aufbautechnik ist weitreichend untersucht und mit statistischen Größen bewertet. Diese Aufbautechnik stellt heute den besten Kompromiss zwischen Robustheit, Komplexität und Wirtschaftlichkeit dar. Schwieriger ist es jedoch, die elektromechanischen Modultechnologien zu bewerten. Hierbei gehen neben der Temperatur auch mechanische Wechselbelastungen ein. Gerade in den Materialschnittstellen können diese zu Ermüdungen und zum Verlust von Materialeigenschaften führen. Die Fehlerverteilungsfunktion besitzt die Charakteristik einer Gaußfunktion. Zur Robustheitsauslegung müssen die Materialauswahl und die Aufbautechnologie in Einklang gebracht werden. Folgende grundlegende Kriterien werden hierbei berücksichtigt: ■ Minimierung der Materialvielfalt ■ Einsatz temperaturstabiler Materialien ■ Einsatz flexibler Materialien ■ homogene Materialverbindung in der Fügetechnik

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■ Minimierung der Anzahl von Verbindungsstellen ■ wirtschaftliche und flexible Verarbeitungstechnik. In der Designgestaltung liegt der letzte Schritt zur Robustheitsauslegung des Moduls. Hierbei werden über FEM-Simulationsläufe Schwingungsfestigkeiten ermittelt und Schwachstellen durch geeignete Designmaßnahmen korrigiert. Die Robustheitsauslegung des Moduls und somit das Zusammenspiel der Gestaltung, der gewählten Materialien und Aufbautechnologien wird mittels umfangreicher Erprobungsprogramme validiert. Zur Ermittlung der Fehlerrate werden Lebensdauertest mit aufgeprägten Wechselbelastungen (Temperatur und Schwingungen) durchgeführt. Diese Entwicklungszeiten und Erprobungsaufwände können deutlich reduziert werden, wenn validierte Technologiekombinationen standardisiert werden. Mittels einem so standardisierten Technologieportfolio und geschickter Schnittstellenfestlegungen lassen sich zuverlässige Modulstrukturen aufbauen. Das modulare Getriebesteuerungskonzept der Tyco Electronics basiert auf entsprechend standardisierten und robusten Kerntechnologien. 2.3 Schnittstellenmodell

Zur Festlegung einer entsprechend flexiblen und modularen Modularchitektur setzen wir folgendes Modell an. Das Modul wird in einfach konfigurierbare Einzelmodule aufgebrochen und jeweils einer Schnittstellenart zugeordnet. Für jede Schnittstellenart muss eine robuste Technologie vorhanden sein. ■ Schnittstelle A) verbunden: nicht lösbare öldichte Verbindungstechnologie zur Anbindung des Schaltungsträgermodul ■ Schnittstelle B) kontaktierend: lösbare federnde Kontakttechnologien ohne Kontaktkorrosion zur Realisierung des Steckermoduls und Ventilkontaktiermoduls ■ Schnittstelle C) berührungslos: Entkopplung von mechanischen Kraftflüssen und Temperaturquellen erfolgt durch berührungslose Schnittstellen mit großen Luftspalttoleranzen zur Anbindung der Sensormodule. Zwischen den Einzelmodulen wird eine standardisierte Verbindungstechnologie eingesetzt, die durch ihre Flexibilität eine räumliche Gestaltung ermöglicht. Die konstruktive Auslegung des Gesamtmoduls erfolgt dadurch, dass die Einzelmodule in ihre funktionsorientierte Position gesetzt werden und die Verbindungselemente entsprechend angepasst werden. Die Variationsaufwände liegen somit nur

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in einer Technologie. Das Gesamtmodul entsteht also als einem Verbund von robusten Einzelmodulen. 3 Technologieauswahl

Die Einzelansicht des Moduls, Bild 1, zeigt dieses als Einheit. Alle „Sub-Module“ sind auf einer Grundplatte aufgebaut. Diese entspricht der Einbauumgebung für die funktionsrelevanten Einbaupositionen. Zur Integration in das Getriebe kann somit eine komplette „End-of-Line-Tested“-Einheit vorliegen, die typischerweise in einem und nicht in mehreren Teilschritten montierbar ist. Selbst innerhalb einer Getriebeplattform ist ein solches Modul in der Regel stark variantenbehaftet. Das Ziel, die variantenbehafteten Elemente erst möglichst spät einzubringen, gelingt durch die bereits erwähnten und in den Technologien standardisierten „Sub-Module“. 3.1 Steckermodul

Für das vorliegende Anforderungsprofil wurden Kontaktsysteme wie der AMPMCP-Flachkontakt entwickelt, die der Lebensdaueranforderung vergleichbarer Anwendungen im Nutzfahrzeugbereich standhalten. Dabei übertreffen die Lebensdaueranforderungen der Nutzfahrzeuge die der Personenkraftwagen um das dreifache.

Neben den erreichten Designzielen zur Kontaktsicherung gegen die dauerhaft massive dynamische Belastung, gepaart mit Temperaturanforderungen bis 150 °C, ist neben den üblichen Anforderungen wie zum Beispiel mechanische Robustheit kein Hinterstecken der Kontaktfeder, eine hinreichende Öldichtigkeit und Flexibilität beim Montagevorgang gefordert. Die Flexibilität wird durch die mechanische Entkopplung der Stecker vom Grundkörper des Moduls erreicht. Die Lösung ist der Einsatz eines geeigneten Flexible Flat Conductor Cable (FFC), dessen Ausführung entsprechend der Teilung der Flachsteckerreihen adaptierbar ist. Die Öldichtigkeit muss für zwei unterschiedliche Situationen gelöst werden, zum einen für den Stecker gegenüber dem Getriebe und zum anderen für die Kontaktdurchführung durch den Kunststoff. Letzteres führt zum Einsatz der Tyco „Vemech-Technologie“, Bild 2. Ein Moderatorwerkstoff umgibt die Kontaktdurchführung und wird durch thermoplastische Umspritzung umschlossen. Seine Ölbeständigkeit und die Eigenschaft selbst bei -40 °C nicht zu verspröden, lassen kritische Anwendungsfälle für das Schaltungsträgermodul zu. 3.2 Schaltungsträgermodul

Für die Verpackung der Steuerungselektronik, bestehend aus einem Wärmeableit-

3 Technologieauswahl

Bild 1: Ansicht des Moduls als Einheit Figure 1: View of the module as a whole

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3.1 Steckermodul Bild 2: Die Vemech-Technologie schützt die Kontakte vor äußeren Einflüssen Figure 2: The Vemech technology protects the contacts from external influence

Bild 3: Die Steuerungselektronik ist durch drei Dichtebenen geschützt Figure 3: The control unit is protected by three sealing layers

blech, dem Gehäuserahmen mit seinen Kontaktdurchführungen sowie dem Deckel, ergeben sich drei Dichtebenen: Wärmeableitblech/Gehäuserahmen, Kontaktdurchführungen/Gehäuserahmen, Deckel/Gehäuserahmen, Bild 3. Bei zwei Dichtsituationen wird durch den nachträglich eingespritzten Moderatorwerkstoff die Dichtigkeit erreicht. Ein diodenlaser-durchstrahlgeschweißter Deckel verschließt das mit der Steuerungselektronik bestückte Gehäuse. Die Auswahl der Verbindungstechnik zwischen der Elektronik und der Anschlussseite wird wiederum durch die Umgebungsbedingungen eingeschränkt, Bild 4.

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In der Regel kommt die Drahtbondtechnik, eine Art Mikro-Reibschweißen, in einer ihrer Ausprägungen zum Einsatz. Die für den Anwendungsfall verfügbaren technischen Oberflächen auf der Anschlussseite, zum Beispiel edelmetallfreie galvanisierte Oberflächen, werden selektiv aufgebracht. Die Drahtbondbarkeit der Anschlussseite kann nicht durch fertigungsbegleitende Parameter begleitet werden. Die Reproduzierbarkeit des qualifizierten Fertigungsprozesses verhindert sicher dynamische Effekte wie das Mitschwingen des „Bondpads“ und damit hohe Streuungen in der Qualität bis hin zum „No Bond“.

Die mit hochwertigen Klebeoberflächen vergleichbare erforderliche Sauberkeit muss durch die gesamte Prozesskette beherrscht werden. So sind zum Beispiel beim thermoplastischen Umspritzen der Anschlüsse stark ausgasende Kunststoffe nicht gestattet. 3.3 Sensormodule

Die Sensormodule zeichnen sich durch eine berührungslose Schnittstelle zum Getriebe aus. Durch die Berührungslosigkeit werden Wechselwirkungen und damit verbundene Verschleißmechanismen systematisch unterbunden. Um Lagetoleranzen und Lagedriften der mechanischen Anbindung

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3.1 Steckermodul Bild 4: Eignung von Verbindungstechniken abhängig von Umgebungsbedingungen Figure 4: Suitability of connecting hardware depending on environmental conditions

auswirkungsfrei kompensieren zu können, werden für die Drehzahl- und Positionserfassung magnetische Sensoren mit einem großen Ansteuertoleranzfeld benötigt. Für die Drehzahlerfassung werden vorzugsweise adaptive Hall-Sensoren eingesetzt, die über einen weiten Arbeitsbereich ihren Schalthub auf den magnetischen Ansteuergradienten anpassen. Somit können trotz verschiedener Ansteuerzahnräder gleiche „Sub-Module“ genutzt werden. Die Konfigurierbarkeit dieser „Sub-Module“ ist durch einfache und wirtschaftlich herstellbare Kunststoff-Konstruktionsformteile gegeben. Diese Formteile gewährleisten eine vibrationsfeste Positionierung und den Schutz der gehausten Halbleiter vor Metallspänen. Zur linearen Positionserfassung (zum Beispiel Wählbereich- oder Schaltwerkpositionserkennung) ist das Tyco-ElectronicsMessprinzip des PLCD besonders vorteilhaft. Das magnetoinduktive Messprinzip zeichnet sich durch einen besonders großen Ansteuertoleranzbereich aus. Dies ermöglicht den Verzicht von speziell geführten oder gelagerten Magnetschiebern und zeichnet seine hochpräzise Messperformance auch mit Metallspaneinflüssen verlustfrei auf. Der notwendige Ansteuermagnet kann hierbei direkt an das Stellelement im Getriebe fixiert werden, wobei selbst Ansteuerabstände durch Wandungen aus nicht ferromagnetischen Materialien von mehreren mm Dicke kein Ausschlusskriterium für dies Messprinzip bedeuten. Die Robustheit diese Meßsystems wird durch eine duroplastische Vollumkapselung erreicht. Die so gekapselte Messspule ist vollständig öldicht und temperaturresistent bis über 160 °C. Wiederum über einfache Kunststoff-

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Konstruktionsformteile wird die modulspezifische Ausrichtung und Fixierung der Messspule erreicht. Die Ansteuerelektronik des PLCD-Messsystems verschwindet als kleiner „Halbleiter-Die“ auf dem zentralen Hybrid-Schaltungsträger. Der Messort zur Temperaturmessung ist abhängig vom Ölfluss im Getriebe. Somit werden auch die Temperatursensoren nach dem gleichen Prinzip als Submodule angebunden. 3.4 Kontaktiermodule

Aktuatoren sind in heutigen Lösungen noch nicht integrierter Bestandteil der Steuerungsmodule im Getriebe. Ein Kontaktelement ist somit in aller Regel die Schnittstelle zur Ansteuerung der Aktuatoren, eine lösbare Schnittstelle, die als Element auch mehrfach vorhanden sein kann. Gabelkontakte, Flachstecker oder federnde Kontaktierung ermöglichen tolerante „Steckeigenschaften“. Aus dem Einsatz bewährter Kerntechnologien Stanz-, Kunststoffumspritztechnik entsteht dieses stark variationsfähige Verbundsubmodul. 3.5 Verbindungstechnologie

Die Stromleitung und Verteilung zwischen Stecker, Sensoren, Kontaktiermodulen und Schaltungsträgermodul ist unvermeidbar aber eingrenzbar. Über die bloße „Verdrahtung“ hinaus entsteht durch folgende variantenbildende Merkmale eine unterschiedliche Anzahl von Verbindungsstellen, die weit höher als 24 sein kann. ■ Art und Position des Getriebe-Steckverbindersystems ■ Art, Anzahl und Position der Sensoren ■ Art, Anzahl und Position der Aktuatoren ■ unterschiedliche Kollisionszonen und Montageaufnahmen im Getriebe.

Sind die eingesetzten Technologien nicht passend, ist dies nicht die Grenze. Beispielsweise muss bei exponiert angebrachten Sensoren oder Getriebesteckern aufgrund der Länge der abgewickelten Leiterbahnen statt eines einteiligen Leitungsgitters ein mehrteiliges Gitter eingesetzt werden. Die zusätzlichen Verbindungsstellen ziehen nicht nur Prozesskosten nach sich, auch der Rohmaterialeinsatz und die Betriebsmittelkosten steigen deutlich an. Die Fehlererwartungswahrscheinlichkeit steigt. Die Robustheit leidet. Laminierte Flachkabel (FFC) bieten hier Gestaltungsfreiheit. Folien und Kleber sind für die raue Umgebung verfügbar. Bis zu 40 Leiter können parallel in eine Folie spanund öldicht einlaminiert werden. Die Anordnung kann der Teilung entsprechend der Flachkontakte des Steckers angepasst werden. Aufgrund der aggressiven Additive der Öle werden bevorzugt resistentere Kupferknetlegierungen eingesetzt. Bessere Eigenschaften für den Einsatz von Schweißprozessen wie YAG-Laser und Widerstand ergeben sich ebenfalls. Auch galvanisch aufgebrachte Oberflächen wie Sn oder Ni sind möglich. Die zunächst offenen Verbindungsstellen können als Kontaktflächen für Funktionsprüfungen genutzt werden, müssen zur Spandichtigkeit mit Clipteilen jedoch abgedeckt werden. 4 Zusammenfassung

Ein modularer Ansatz überzeugt durch angemessene Erfüllung wichtiger Kriterien. Die Strukturierung in „Sub-Modulen“ Stecker, Schaltungsträger, Sensor-Cluster, Kontaktiermodul bietet die Chance der Durchgängigkeit bei der Integration in ver-

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schiedenste Verbausituationen unterschiedlicher Getriebetypen. Die Submodule stehen in einer frühen Konstruktionsphase als Elemente zur Verfügung, so dass die Wechselwirkungen in der Schnittstelle zur Getriebemontage früh berücksichtigt werden können. Kritischer Bauraum wird rasch offensichtlich. Der Lieferzustand bleibt dann ein Modul mit einer Teile-Nummer. Dieser Zustand ist vor Auslieferung hinsichtlich seiner Funktionen „End-of-Line-Tested“. Die Kosten werden reduziert durch gekürzte „Supply Chain“, geringere produktspezifische Betriebsmittelkosten, geringere Kosten bei Variantenbildung und geringere Systemkosten. Die Zuverlässigkeit steigt durch Einsatz von bewährten Kerntechnologien, Standardisierung der „Sub-Module“ als variantenund typenübergreifende Komponenten sowie reduzierte Anzahl von Schnittstellen. Tyco Electronics kann diese zuverlässigen hochintegrierten mechatronischen Komponenten aus einer Hand als Partner entwickeln und produzieren. ■

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