Elektromechanische Relais Entwicklung und Freigabe von Automobil-Relais

Eine marktgerechte Produktplanung von Relais richtet die Entwicklungsziele an den Bedürfnissen von Markt und Kunden aus. Wir erläutern die einzelnen Schritte eines Projektplanes bis zur Freigabe.

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Robuste Automobil-Relais für erhöhte Anforderungen an Unempfindlichkeit bezüglich Spannungsspitzen und Stromspitzen als auch für den Einsatz über einen weiten Temperaturbereich von –40 bis 125°C werden auch in Zukunft im gesamten Applikationsbereich der Kfz-Elektrik und Elektronik eingesetzt. Die Entwicklungsziele der Automobilhersteller und Systemlieferanten, die neue gesetzliche Rahmenbedingungen erfüllen müssen, finden sich auch in den Anforderungsprofilen für Relais wieder.

Anforderungen an Automotive-Relais

Die marktgerechte Produktplanung von Relais richtet Entwicklungsziele an den Bedürfnissen des Marktes und der Kunden aus und erzeugt einen Produkt- und Projektplan für Relaisentwicklungsprojekte mit kundenorientierter Qualität und marktorientierten Kosten.

Kundenwünsche und Anforderungen werden mittels Quality Function Deployment (QFD) in die Sprache des Relaisherstellers übersetzt und als technische Merkmale in eine Produktspezifikation überführt. Tabelle 1 zeigt exemplarisch einen Auszug spezifischer Produktmerkmale, deren Ausprägungen in einer Relaisspezifikation festgelegt werden.

Da Relais im Bordnetz moderner Kfz an der Schnittstelle Logik (Ansteuerung) und Aktorik (Last) eingesetzt werden, findet man die Anforderungen an neue Fahrzeuggenerationen auch in den Kundenanforderungen an Relais wieder. Künftige Fahrzeuge sollen leichter sein, weniger Energie verbrauchen und mehr Funktionen anbieten.

Hinsichtlich des Spannungsbereichs von Relais müssen Relaisapplikationen in verschiedenen Bordnetzen (12; 24; 48; 60 VDC) abgedeckt werden. Für die Versorgung elektrischer Antriebe in Fahrzeugen werden auch Komponenten zum Schalten von Spannungen deutlich über 60 VDC gefordert.

Die Umsetzung der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von PKW findet man in Anforderungsprofilen für Relais in Forderungen nach

• sensitiven Relaisspulen zur Reduzierung des Energieverbrauchs,

• PWM-Betrieb im eingeschalteten Zustand und

• bistabilen Relais.

Als Folge der zunehmenden Komplexität elektronischer Funktionen in Kfz (z.B. Assistenzsysteme) erhöht sich auch die Möglichkeit von Fehlfunktionen. Um juristische Risiken im Bereich der Produkthaftung zu reduzieren, sollten neue Relaisentwicklungsprojekte auch unter Berücksichtigung der ISO 26262 (Road vehicles – Functional safety) entwickelt werden.

Da sich die Struktur des Safety Lifecycles der ISO 26262 leicht in die Struktur des Advanced Product Quality Planning (APQP) einarbeiten lässt, können die Sicherheitsforderungen der ISO 26262 als Add-On in ein bestehendes QM-System integriert werden (Bild 1).

Enthält eine Kundenspezifikation als Forderung eine Sicherheitsfunktion mit einem Automotive Safety Integrity Level (ASIL), muss klar festgehalten werden, dass das Relais (wie alle anderen Bauelemente) als einfache Komponente keine Sicherheitsfunktion darstellt. Aber es können Erwartungswerte für Ausfallraten unter definierten Betriebs- und Umgebungsbedingungen ermittelt werden, mit denen ein Systementwickler mit einer geeigneten Systemarchitektur aus Sensorik, Logik und Aktorik Sicherheitsfunktionen realisieren kann.

Entwicklungsprozess von Automotive-Relais

Der Entwicklungsprozess des Relais orientiert sich am Advanced Product Quality Planning (APQP), eines strukturierten Produkt- und Qualitätsplanungsprozesses mit standardisierten Werkzeugen (z.B. QFD, FMEA, Prozesslenkungsplan) und einer automotivspezifischen Dokumentationsstruktur, der in der gesamten Lieferkette Komponentenhersteller – First Tier Supplier – OEM einen transparenten Produktentstehungsprozess sicherstellt.

Für die Konzeptentscheidung werden Funktionsprinzip, Schaltleistung, Kontaktkonfiguration, Bauform und Baugröße festgelegt.

Um systematische Fehlerrisiken bereits in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses zu identifizieren und Fehlervermeidungs- bzw. Fehlerentdeckungsmaßnahmen rechtzeitig einzuleiten, werden jeweils für Design und Prozess eine Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) durchgeführt und ggf. besondere Merkmale festgelegt.

Sinnvolle Maßnahmen zur Fehlervermeidung und zur Reduktion von Entwicklungsaufwendungen sind:

• Verwenden freigegebener Materialien (z.B. Kunststoffe, Spulendrähte), deren Kontaktverträglichkeit bereits validiert wurde.

• Verwenden bewährter Konstruktionsrichtlinien (Design Guidelines) bei Berechnung und Gestaltung von Relaisspule, Magnetsystem und Federsatz.

• Verwenden bewährter Fertigungsrichtlinien (Process Guidelines) bei der Gestaltung von Einzelteilen und Verbindungstechniken.

Aus dem Designkonzept und den Konstruktionsmerkmalen werden die Zielkosten durch Target Costing und das Absichern des Designs und des geplanten Prozesses durch FMEA ermittelt, da das Anforderungsprofil der Automobilindustrie bereits Militär- oder Weltraumapplikationen entspricht, die Zielpreise aber das Niveau von Consumer-Anwendungen einhalten müssen.

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