Wichtigste Mensch-Maschine-schnittstelle

Ein Blick in historische Unterlagen belegt plastisch die hohe Innovations-leistung, die während der vergangenen hundert Jahre in den Innenraum des Automobils investiert wird. Vor allem die Cockpits als wichtigste Mensch-Maschine-Schnittstelle zwischen Fahrer und Technik unterliegen einem steten Wandel, der von Kriterien wie Ergono-mie, Technik und Design gleichermaßen geprägt ist.

Während in den frühen Jahren des Automobilbaus für das Cockpit überwie-gend Metalle, Holz und Leder zum Ein-satz kamen, dominieren heute Kunststoffe in vielfacher Ausprägung. Neben der

Gewichtseinsparung bieten die Polymer-werkstoffe zahlreiche weitere Vorteile. Diese reichen von einer größeren Design-freiheit über die Möglichkeit, zusätzliche Funktionen in die Bauteile zu integrieren, bis hin zu einem exakt definierten Crashverhalten.

aufbau

Bei der Architektur der Cockpits kommen zwei verschiedene Ausführungen zum Einsatz. Mit selbsttragenden Konstruktio-nen kann auf einen Querträger verzichtet werden. Um die notwendige Steifigkeit des Moduls zu erzielen, ist lediglich ein Metalleinleger im Fahrerbereich zur Anbindung der Lenkung an die Karosserie erforderlich. Neben einer reduzierten Tei-

lezahl spart diese Ausführung auch Bauraum.

Zahlreiche Cockpits basieren indes auf einem Querträger, 1, dessen Funktionen weit über die eines „Tragrohrs“ hinausge-hen. Das Metallbauteil, 2, dient als Ver-bindungselement zwischen Cockpitmodul und Karosserie sowie als Träger für das Cockpitmodul. Anbindungspunkte beste-hen an den A-Säulen, am Windlauf, an der Stirnwand sowie am Tunnel. Damit stabili-siert der Träger das Cockpit und hat unter anderem eine Schnittstelle zur Lenksäule, zum Airbag und zur Instrumententafel. Die herkömmlichen Tragstrukturen sind dabei meist aus Stahl, Magnesium, Aluminium oder – in einzelnen Fällen – vollständig aus Kunststoff, mit ihren jeweiligen spezi-fischen Vor- und Nachteilen.

CoCkpits im konzeptwettbewerbDie Notwendigkeit eines konstruktiven und werkstofflichen Leichtbaus sowie der Zwang

zu fertigungsgerechten Vereinfachungen verursacht in der Cockpitentwicklung eine hohe

Innovationsdichte. Die Neuerungen betreffen Aufbau, Trägerwerkstoffe und Oberflächen-

gestaltung gleichermaßen.

1 Klassischer Cockpitquerträger als Schweißkonstruktion aus Metallprofilen 2 Leichtbau-Cockpit „EcoSpace“ von Johnson Controls und ThyssenKrupp

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industrie INTErIEur

Vor allem die Leichtmetallanbieter sehen sich in einer guten Argumentations-position. So wirbt Meridian Lightweight Technologies für Lösungen mit Magne-sium. Bei intelligenter Bauteileintegration, Auslegung und Konstruktion seien gegen-über Stahl beachtliche Gewichtseinspa-rungen von bis zu 25 % erreichbar – und dies nahezu kostenneutral. Zudem wür-den hohe Steifigkeitswerte und Eigenfre-quenzen erreicht, die sich positiv auf den Fahrkomfort auswirken. Auch im Ver-gleich mit Aluminiumdruckguss schneidet Magnesium als Werkstoff für Cockpit-Tragstrukturen nach Ansicht bei Meridian in einigen Bereichen besser ab. Magne-sium lässt sich bereits mit einer Wand-stärke von 2,3 bis 2,5 mm vergießen. Dadurch können größere Elemente als Gusskonstruktion ausgeführt werden. Der Einsatz von Aluminium sei indes nur über Schweißkonstruktionen aus Profilen und Halbzeugen möglich, da das Gießen dickere Wandstärken erfordere.

Ein jüngerer Entwicklungsansatz besteht in einer hybriden Verbundstruktur aus Stahl und Kunststoff. Sie macht es möglich, dass die Hälfte des Querträgers eingespart wird. Da die Strukturfestigkeit hauptsächlich im Bereich der Lenksäule erforderlich ist, verwenden die Ingenieure den Stahl für die Fahrerseite in Form eines Dreibeins. Zentrale Komponente ist ein T³-Profil von ThyssenKrupp, an das die Lenksäule direkt fixiert werden kann. Der Kunststoff aus langfaserverstärktem Poly-propylen wird über die Gesamtbreite des Cockpits eingesetzt. Luftkanäle, die

Anbindung an den Airbag sowie die Rück-seite des Handschuhkastens werden direkt in die Kunststoffkonstruktion inte-griert. Auch diese Teile übernehmen eine Verstärkungsfunktion.

T3-Profile sind flanschlose Rohre, deren Querschnitt über die Bauteillänge wech-seln kann, zum Beispiel von zylindrisch zu konisch und weiter zu viereckig. Außerdem können sie Nebenformele-mente wie funktionelle Einbuchtungen oder Erhebungen enthalten. Ihre bauteil-nahe, funktions- und belastungsorientierte Gestalt erhalten die Profile in einer Anlage, in der sie aus Formplatinen gerollt und lasergeschweißt werden, 3. Das von ThyssenKrupp Steel entwickelte Verfahren gilt als Alternative zur Innenhochdruck-umformung (IHU).

In der neuen Cockpitstruktur spielt die T3-Technik ihre geometrische Vielfäl-tigkeit aus: An der Anschlussstelle zur A-Säule rund ausgeführt und mit einem relativ kleinen Durchmesser für die Schweißverbindung versehen, weitet sich der Querträger rasch auf, sodass der Durchmesser und damit die Steifig-keit dort am größten ist, wo die Lenk-säule angebracht wird. Außerdem ist der Querschnitt des Profils in diesem Bereich viereckig, damit sich an der fla-chen Unterseite der Halter für die Lenk-säule passgenau befestigen lässt. Der Nutzen des T3-Profils: Statt sieben Bau-teilen, die bei der Referenzstruktur für die Lenksäulenbefestigung gebraucht werden, ist nur noch ein Teil nötig. Das allein spart schon 1,8 kg Gewicht.

3 Anlage zur Produktion von T³-Profilen

03I2010 112. Jahrgang 175

Weil die Kunststoff-Tragstruktur in dem neuen Konzept die halbe Fahrzeugbreite ohne Unterstützung eines Metall-Querträ-gers überwinden muss, hat das Projektteam aus Entwicklern von ThyssenKrupp und Johnson Controls eine neuartige Hybridver-bindung entwickelt. Für den kraft- und formschlüssigen Zusammenhalt von Stahl und Kunststoff sorgen Lochbleche, die bei der Fertigung in das Werkzeug für die Kunststoffteile eingelegt und teilweise vom Kunststoff umspritzt werden. Beim Zusam-menbau schweißt man die Bleche mit einem Laser am Querträger fest.

Insgesamt ist die neue Lösung nicht nur mehr als 20 % leichter als die Referenz-Cockpitlösung aus der Serie, sondern auch kostengünstiger. Gleichzeitig bietet sie mehr Bauraum und damit völlig neue Gestal-tungsmöglichkeiten für die Beifahrerseite. Diesen Effekt nutzte Johnson Controls auch für das aktuelle Konzeptfahrzeug „re3“, das zur IAA 2009 präsentiert wurde, 4.

OberflächenWerkstOffe

Da der Verkaufserfolg neuer Fahrzeug-modelle zunehmend von der Innenraum-gestaltung abhängt, gilt der Oberflächen-gestaltung und dem Akustikverhalten des Cockpits ein wachsendes Augenmerk. Um einen angenehmen haptischen Ein-druck zu erzielen und gleichzeitig blen-

dende Lichtreflektionen möglichst gering zu halten, gingen die OEMs bislang unterschiedliche Wege. Zahlreiche Ver-fahrenstechniken wie die Fertigung von PVC- oder Polyurethan-Slushhäuten, Polyurethan-Sprühhäuten oder die auf-wendige Zweiwerkstofftechnik des Reak-tionsspritzgießens (PU-RIM-Technik) zeugen von der Vielfältigkeit bisheriger Lösungsansätze.

Speziell für Fahrzeuge der Kompakt-klasse, die unter einem besonderen Kos-tendruck gefertigt werden, fordern die Automobilhersteller immer häufiger Mate-rialien, die

hohe Zähigkeit, Chemikalien- und Wärmeformbeständigkeitexzellente Oberflächenqualitätangenehme Haptikgünstiges akustisches Dämpfungsver-halten undproblemlose Verarbeitbarkeit

in sich kombinieren. Vor allem Blends auf Basis von PA und ABS haben sich in die-sem Zusammenhang bewährt.

Aber auch bei den bislang höherpreisi-gen Lösungen ist Bewegung in die Märkte gekommen. Dies zeigt das Beispiel des Reaktionsspritzgießens (Reaction Injection Moulding, RIM). Dabei wird die spätere Oberfläche vor dem Spritzguss in das Werkzeug eingesprüht und verbindet sich nach dem Befüllen des Spritzgießwerk-zeugs mit dem Trägermaterial.

Anders als bei der konventionellen RIM-Technik, die aromatisches Polyurethan als kostengünstiges, aber nicht lichtechtes Trä-germaterial und aliphatisches Polyurethan zur Gestaltung der lichtechten Oberflächen nutzt, kommt ein neues Verfahren von Johnson Controls mit nur einer Kunststoff-formulierung aus. Bereits der Name RIM Alpha deutet darauf hin, dass für die neue Variante einer Instrumententafel nur ali-phatisches Polyurethan eingesetzt wird.

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4 Cockpit des Projektfahrzeugs „re3“ von Johnson Controls

5 Im rIM-Verfahren erzeugte Oberfläche

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> Effizienz und Dynamik:Die Doppelkupplung von LuK

Kupplungssysteme Torsionsdämpfer Wandler Getriebekomponenten

Fahrspaß, Komfort und ein im Vergleich zu Automatikgetrieben deutlich

reduzierter Verbrauch sind keine unvereinbaren Gegensätze mehr: Mit der neuen

LuK Doppelkupplung als Kernkomponente in modernen Doppelkupplungs-

getrieben steht dem Fahrer die Agilität seines Fahrzeugs voll zur Verfügung.

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Dieser Werkstoff ist zwar etwas teurer als aromatisches Polyurethan, erlaubt jedoch starke Verkürzungen der Prozesszeiten. Dadurch lassen sich günstigere Systemkos-ten realisieren. Überdies führt das neue Verfahren zu hochwertig anmutenden Soft-touch-Oberflächen, die einen Vergleich mit der hochpreisigen Gießhauttechnik nicht zu scheuen brauchen, 5.

Zu den weiteren Vorteilen der RIM-Alpha-Technik zählt nach Unternehmens-angaben, dass sich die Haut mit unter-schiedlichen Trägermaterialien kombinie-ren lässt. Naturfaserwerkstoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe und selbst Duroplaste können damit eine hochwer-tige Oberfläche erhalten. Da das RIM-Alpha-Verfahren in geschlossenen Werk-zeugen zum Einsatz kommt, lassen sich darüber hinaus kontrollierte Wanddicken realisieren. Dies ist unter anderem bei der Umsetzung von unsichtbaren Airbag-Klappen von Bedeutung.

MOdularisierung

Um die Komplexität der Montageschritte entlang des Hauptbandes der Fahrzeug-endmontage in Grenzen zu halten, ist die Instrumententafel in der Regel als Vor-montagemodul gestaltet, das zahlreiche Komponenten auf der dem Fahrgastraum zugewandten Seite der Stirnwand umfasst. Zu diesen Komponenten zählen neben einem Tragrohr und dem Heiz-Klima-Gerät auch die Lenksäule, das Cockpit, Luftkanäle, der Beifahrerairbag, der Handschuhkasten, Steuergeräte, die Instrumentierung sowie ein separater Cockpitkabelbaum.

Die Modularisierung der Instrumententa-fel bietet zahlreiche Vorteile für die spätere Fahrzeugmontage. Dazu zählt eine Entlas-tung des Hauptbandes durch die Verlage-rung der Variantenerzeugung weg vom Hauptmontageband. Zu den Umfängen der Vormontage zählt neben einer Elektronik-prüfung in der Regel auch eine Initialisie-rung und Codierung der Elektronikkompo-nenten. Die anschließende Montage in das Fahrzeug erfolgt durch ein Verschrauben der Instrumententafel durch einen Roboter.

aktuelle herausfOrderungen

Im Spannungsfeld zwischen Ergonomie und Technik bleiben bei der Cockpitge-staltung immer weniger Freiräume für das

eigentliche Design. So gilt es beispiels-weise bei der Anordnung von Bedienele-menten, die Greifräume eines 99-Perzen-til-Mannes ebenso zu berücksichtigen wie die Armreichweite einer Fünf-Perzentil-Frau, 6. Doch damit nicht genug. Auch die passive Sicherheit ist mit detaillierten Vorgaben bis hin zum geometrischen Winkel bestimmter Flächen zueinander verbunden. Alle Effekte zusammen genommen ergibt sich so eine steigende Zahl von Flächen, die für Bedienelemente und Design nicht mehr zur Verfügung ste-hen. Um dennoch die Anordnung von Geometrien und Funktionen architekto-nisch flexibel zu lösen, ist ein hohes Fin-gerspitzengefühl erforderlich.

Ein weiteres Themenfeld, das rasant an Bedeutung gewinnt, ist die Innenraumge-staltung von Elektrofahrzeugen. Dabei geht es um mehr, als nur ein Motometer in das Kombiinstrument zu integrieren. So stehen die Innenraumentwickler aktu-ell vor der Herausforderung, dass mit den jüngeren Kundengenerationen eine Tech-nikdurchdringung von Geräten aus der Unterhaltung- und Kommunikationselek-tronik in das Automobil erfolgt.

Damit einher gehen immer komplexere Bedienaufgaben, die von den OEMs in ein ergonomisches Gesamtkonzept für den Innenraum umgewandelt werden müssen. Doch das Korsett für die Ausgestaltung

von Bedien- und Anzeigekonzepten wird immer enger. Grund: Zunehmende und wechselnde Anforderungen für mitge-brachte Geräte konkurrieren mit dem klassischen Ausstattungskorb im begrenz-ten Fahrzeuginnenraum. Zumindest bis das Internet im Fahrzeug Einzug hält, werden Navigations-, Infotainment- und Kommunikationssysteme nach Erwar-tungen von Designern die Innenraumge-staltung nachhaltig beeinflussen.

Dass so gesehen noch eine ganze Weile verstreichen dürfte, bis eine gewisse Ent-zerrung für die Innenraumgestalter eintre-ten wird, zeigt ein Blick in die Vergangen-heit. Bereits im Zuge der Dotcom-Blase vor zehn Jahren stand nach vielerlei Unternehmenspräsentationen der Einzug des Internets ins Fahrzeug kurz bevor.

Stefan Schlott

6 Ergonomie und Erreichbarkeit der Bedienelemente stellen hohe Anforderungen an die Innenraumentwickler

dOWnlOad des beitrags www.ATZonline.de

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