Verarbeitung von Automotive-Ethernet-Kabeln

Jul 22, 2023

Die Elektronik in modernen Fahrzeugen wird immer komplexer. Da mehr Sensoren, Steuerungen und Schnittstellen eine höhere Bandbreite nutzen, sind ein schnellerer Datendurchsatz und zuverlässigere Netzwerke erforderlich. Auch das Gewicht der Kabel und Kabelbäume im Fahrzeug ist ein Problem.

Ethernet-Kabel lösen dieses Problem. Sie sind ein sicheres Übertragungsmedium, das große Datenmengen verarbeiten kann. Und sie sind 30 Prozent leichter als Controller-Area-Network- oder Local-Interconnect-Netzwerkkabel.

Im Jahr 2016 veröffentlichte das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) den ersten Automotive-Ethernet-Standard, IEEE 802.3bw oder 100Base-T1. Während die Bandbreite von 100 Megabit pro Sekunde mit dem 100Base-TX-Fast-Ethernet-Standard für Computernetzwerke vergleichbar ist, gibt es laut Mika Arpe, Global Director für Spezialprodukte bei Aptiv, einem auf Sicherheit spezialisierten Automobilzulieferer, wesentliche Unterschiede in der Automobilversion und Konnektivitätstechnologie.

Beide Standards basieren auf einer ungeschirmten Twisted-Pair-Verkabelung, bei der zwei Kupferdrähte über die gesamte Länge des Kabels miteinander verdrillt sind. Dies hat zur Folge, dass weniger elektromagnetische Strahlung und Übersprechen erzeugt werden, die andere Drähte oder Komponenten stören könnten, und gleichzeitig Störungen durch andere Quellen widersteht.

Allerdings nutzt 100Base-TX zwei Adernpaare, während Automotive Ethernet ein einzelnes Adernpaar verwendet, was Gewicht und Kosten spart, erklärt Arpe. Das Paar ist „symmetrisch“, was bedeutet, dass die Signale gleiche, aber entgegengesetzte Spannungen haben. Sende- und Empfangssignale werden beide über ein einzelnes Paar und nicht über die separaten 100Base-TX-Paare geleitet.

Auch der 100Base-TX-Standard wurde für eine maximale Länge von 100 Metern spezifiziert, eine Länge, die spätere Ethernet-Standards eingehalten haben. Automotive Ethernet wurde für eine maximale Länge von nur 15 Metern spezifiziert, da für Automobilanwendungen keine größere Entfernung zu Netzwerkkomponenten innerhalb eines Fahrzeugs erforderlich ist und die kürzere Länge eine geringere Verkabelung ermöglicht.

Die Datenübertragungsgeschwindigkeit des IEEE 802.3bw-Standards kann viele anfängliche Automobilanwendungen abdecken und ist daher heute weit verbreitet. Da Automobilcomputer jedoch höher aufgelöste Videoströme und Daten von mehreren Sensoren integrieren, wären höhere Geschwindigkeiten erforderlich, sagt Arpe.

So ratifizierte das IEEE kurz nach der Fertigstellung von IEEE 802.3bw 802.3bp oder 1000Base-T1 und ermöglichte Gigabit-Geschwindigkeiten über geschirmte oder ungeschirmte Twisted-Pair-Verkabelung, sagt Arpe. Dieser Standard hat viele Eigenschaften mit seinem Vorgänger gemeinsam, aber die Frequenz ist mit 600 Megahertz fast zehnmal so hoch. Dies bedeutet, dass die Kabel anfälliger für Übersprechen sind. Ingenieure müssen dies berücksichtigen, wenn sie elektromagnetische Störungen im gesamten Fahrzeug verwalten, strenge Tests durchführen und bei Bedarf Abschirmungen durchführen. Dieser Standard wird ausreichend Bandbreite für die nächsten zwei bis drei Generationen von Fahrzeugplattformen bereitstellen.

Im Jahr 2020 führte das IEEE 802.3ch ein, das Multigigabit-Ethernet mit Standardraten von 2,5, 5 und sogar 10 Gigabit pro Sekunde über dieselben 15 Meter ermöglicht. Bei diesen Geschwindigkeiten sind abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel erforderlich. Elektrische Frequenzen über 7 Gigahertz können jedoch die Verwendung von abgeschirmten Parallel-Pair-Kabeln erfordern, um elektromagnetische Störungen zu minimieren.

Ein wesentlicher Vorteil von Ethernet besteht darin, dass es sich um ein flexibles Netzwerk handelt, das einfache Neukonfigurationen ermöglicht, sagt Arpe. Bei einem Ausfall kann ein Ethernet-Router den Datenverkehr auf andere Weise weiterleiten. Dies ist wichtig, um eine unterbrechungsfreie Konnektivität für die wichtigsten Computerkomponenten in einem Fahrzeug sicherzustellen.

Laut Arpe ist in Fahrzeugnetzwerken auch die Fähigkeit von Ethernet wichtig, neben dem Datensignal auch elektrische Energie zu übertragen, eine Funktion, die Power over Data Lines (PoDL) genannt wird. PoDL kann bis zu 500 Milliampere Strom unterstützen, was für bestimmte Sensoren, beispielsweise eine optimierte Satellitenkamera, ausreicht. Dadurch können Fahrzeughersteller für alle ihre Anforderungen ein einziges Kabelpaar zu einigen Sensoren verlegen, was das Gewicht reduziert und das Kabelbaumdesign vereinfacht.

Aufgrund enger Toleranzen und hoher Produktionsmengen werden Automotive-Ethernet-Kabel in der Regel nicht manuell konfektioniert, sondern auf automatisierten Systemen, die Drähte von einem Prozess zum anderen übertragen.

Der modulare Lambda 416 von Komax beispielsweise abisoliert und konfektioniert geschirmte Twisted-Pair-Kabel automatisch in einem 12-Schritte-Prozess. Im ersten Schritt wird ein Draht manuell in eine Vorrichtung eingeführt und die Maschine qualifiziert das Drahtende mit einem „Nullschnitt“-Prozess vor. Besonders sinnvoll ist dieses Verfahren bei der Verarbeitung von geschirmten Kabeln oder verdrillten Leitern. Es stellt sicher, dass die Einsteckposition im Crimp auch dann korrekt ist, wenn die Isolierung nach vorne gezogen wird.

An den nächsten beiden Stationen wird das Kabel ausgerichtet, der Außenmantel abgeschnitten und teilweise entfernt. An Station 4 wird der Mantel abgezogen und eine Stützhülse auf das Kabel gecrimpt. An Station 5 wird das Schirmgeflecht abgezogen und gegen den Außenmantel gefaltet. An den Stationen 6 und 7 wird die Folie perforiert und vom Twisted Pair entfernt.

An Station 8 wird das Paar aufgedreht und gespreizt, sodass am Ende des Kabels eine Y-Form entsteht. An Station 9 wird jedes Ende des Paares abisoliert. Und an Station 10 werden an beiden Enden Aderendhülsen aufgecrimpt.

An Station 11 wird das Geflecht gebürstet und geprüft. An der letzten Station wird ein Klemmenkörper über das Adernpaar gecrimpt, sodass das Kabel in einen Stecker gesteckt werden kann.

Die Maschine bietet eine umfassende Qualitätskontrolle mit Crimpkraftüberwachung sowie taktiler und optischer Messung.

„Geschirmte und ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel … sind schwierig zu verarbeiten. „Die Steckverbinder bestehen aus mehreren Elementen, die punktgenau positioniert und zueinander ausgerichtet werden müssen“, sagt Thomas Haslinger, Vizepräsident Vertrieb, Service und Marketing bei Komax. „Dadurch ist eine manuelle Bearbeitung dieser Kabel nahezu unmöglich. Automatisierung ist ein Muss.“

Eine weitere automatisierte Option ist die neue Transferstraße S70 von Schleuniger. Die flexible, modulare Maschine verarbeitet automatisch Zwei- und Vierleiterkabel, Einzeladern und Koaxialkabel, einschließlich Ethernet, Hochgeschwindigkeits-Datenkabel, bidirektionale UTP- und STP-Kabel, Standard- und Hochgeschwindigkeits-FAKRA-Kabel sowie Airbag-Zündkabel Baugruppen, Sicherheitsschalterkabelbäume und Kabel für Antiblockierbremsen, Abgasmanagementsysteme, Temperatursensoren und Anwendungen.

Der Werkzeugträger ist seitlich, vertikal und axial indexierbar. Teilezuführungen, Montagestationen, Wickelanlagen und Prüfstationen können je nach individuellen Anforderungen integriert werden. Das System kann auch mit Peripheriegeräten erweitert werden.

Auf der Messe Productronica in München im November 2021 erhielt die Maschine einen Innovationspreis in der Gruppe Kabel, Spulen und Hybride.