Für Entwickler von Elektroniksystemen ist es zwingend notwendig, die Umgebungsbedingungen, in denen das System zum Einsatz kommen soll, genauestens zu kennen und mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen eine Auswahl der benötigten Bauteile zu treffen. Ganz typische Kriterien sind beispielsweise Non-stop-Betrieb, eine geringere, höhere oder breitbandigere Umgebungstemperatur, hohe Luftfeuchte, Verunreinigungen, Einsatzhöhe, Einstrahlung, unter Umständen der Schutz vor Bedienung durch unautorisierte Personen sowie statische oder dynamische Belastungen.
Bei Anwendungen unter leichter Beanspruchung sind Baugruppenträger mit Profilschienen, die eine geringe Querschnittsfläche aufweisen, völlig ausreichend und aus Kostengründen dringend zu empfehlen. Bei rauer Umgebung oder mobilen Einsätzen sieht das anders aus. Durch die verschiedenen Einsatzorte der Elektronik ergeben sich vielfältige Umgebungsbedingungen. Doch unabhängig davon, ob ein Elek-
tronikgehäuse stationär in Innenräumen, draußen an der Strecke oder mobil im Zug Anwendung findet - die vollständige Funktionalität der empfindlichen Elektronik muss zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sein.
Die Umgebungsbedingungen sind entscheidend
Obwohl im mobilen Einsatz heftige Bewegungen um die drei Raumachsen starke Rüttel-, Vibrations- und Schockbelastungen erzeugen, muss die Gehäusetechnik Ausfälle der verbauten Elektronik verhindern und diese schützen. Dazu kommt das Risiko, dass die andauernden Stoß- und Vibrationsbelastungen über einen längeren Zeitraum hinweg Materialermüdung und den Ausfall von Komponenten generieren können. Im Bereich Infrastruktur in der Verkehrstechnik, etwa als Teil eines Personeninformationssystems, müssen Baugruppenträger sogar teilweise Stoß- und Vibrationsbelastungen bis zu 5 G verkraften. Solche Belastungen bis hin zu möglichen Kollisionen müssen der eingebaute Baugruppenträger und die darin enthaltenen Komponenten unbeschadet überstehen. Um dies sicherzustellen, gibt es spezifische Bahn-Normen, die die internationalen Normen bezüglich mechanischer Stabilität, Stoß und Vibration sowie elektromagnetischer Verträglichkeit ergänzen und verschärfen.
Anforderungen der Norm entsprechend
In der EN 50155 und der IEC 61587-1 werden die Faktoren, die ein Baugruppenträger für Elektronik unter den gegebenen Bedingungen erfüllen muss, genau beschrieben und entsprechende Prüfverfahren definiert. Die im europäischen Raum am meisten verbreitete Bahnnorm EN 50155 sieht eine garantierte Funktionsfähigkeit der Elektronik von 24 Stunden am Tag über 20 Jahre oder entsprechend etwa 175.000 Stunden vor. Es werden die Testmethoden und Grenzwerte für Stoß und Vibration umrissen, die dann in der EN 61373 Norm detailliert festgelegt sind. Abhängig von Einbauort und Belastungsrichtung reichen diese Grenzwerte bis zu 100 g am Radsatz, wo im Einsatz die höchste Belastung herrscht. Darüber hinaus beinhaltet die EN 50155 nicht nur Vorgaben für mechanische Belastungen. Sie definiert außerdem einen Umgebungstemperaturbereich von -40 bis 85 °C sowie geforderte Feuchtewerte, die mit teilweise 95 Prozent relativer Feuchte so anspruchsvoll sind, dass meist schutzlackierte Baugruppen oder wasserdichte Gehäuse zum Einsatz kommen müssen. Die Umweltnorm DIN EN 61587 beschreibt die Prüfbedingungen und die entsprechenden Werte von mechanischen Komponenten elektronischer Einrichtungen. Im ersten Teil werden klimatische und mechanische Prüfungen sowie Sicherheitsaspekte für Schränke, Gestelle, Baugruppenträger und Ein-
schübe definiert. Im zweiten Teil finden sich sämtliche Vorgaben für Erdbebentests und der dritte Teil deckt Funktionstests der elektromagnetischen Abschirmung ab.
Die in der DIN EN 61587 geforderten Werte sind in vielerlei Hinsicht noch anspruchsvoller als die in der EN 50155 beschriebenen, weshalb die Norm bevorzugt bei Anwendungsfällen mit starken Beanspruchungen angewandt wird. Da die Anforderungen bei den europäischen Normen sehr hoch sind, greifen andere Länder in Asien oder Lateinamerika ebenfalls auf diese zurück und formulieren ähnliche Vorgaben. Ergänzend dazu gibt es weitere länderspezifische Normen.
Die Vorgaben für sicherheitsrelevante Applikationen sind komplex, aber mit dem entsprechenden Normenwissen – und nun auch mit einer neuen, den Aufwand reduzierenden Option in punkto Gehäusetechnik - lassen sich die meisten der möglichen Anwendungsfälle effizient realisieren. In der Vergangenheit hatte die Anforderung nach Bahntauglichkeit eines Baugruppenträgers meist ein kundenspezifisches Gehäuse mit entsprechend höheren Kosten zur Folge. Um die Stabilität zu erhöhen, waren weitere Komponenten wie zusätzliche Schienen aber auch verstärkte Flansche nötig. Dies bedeutete zudem, dass weitere Schraubpunkte vorgesehen werden mussten.
Schneller umsetzen
Mit dem HeiPac Vario Heavy hat Heitec ein Baugruppenträgersystem designt, welches selbst die hohen Anforderungen der beiden genannten Standards erfüllt und viele weitere notwendige Anpassungsschritte überflüssig macht. Es wurde speziell für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen und für mobile Anwendungen, wie Bahntechnik oder Schiffsverkehr, konzipiert. Kon-
struktive Besonderheiten, wie doppelt verschraubte Profilschienen und verstärkte Befestigungsflansche, ergeben eine Verpackungslösung für Elektronik, deren statische und dynamische Belastbarkeit weit über die in den Normen geforderte hinausgeht. Die Verwendung hochfester Aluminiumlegierungen sowie hochwertiger Materialien erhöht die Steifigkeit des Gehäuses oder Baugruppenträgers so weit, dass die Elektronik problemlos in den verschiedensten mobilen Anwendungen, sei es on-track oder off-track, bestens einsetzbar ist.
Durch ihre breite Querschnittsfläche und die doppelte Verschraubung weisen die Heavy-Profilschienen sehr gute Festigkeitswerte auf. Sie halten deshalb hohen Biegekräften Stand. Auch der Befestigungsflansch des Baugruppenträgers weist besondere Designmerkmale auf. Zum einen ist er besonders tief, wodurch er doppelt verschraubt werden kann und zum anderen wird für ihn eine größere Materialstärke verwendet. Im Bereich zwischen Seitenwand und Befestigungsflansch ist die Belastung in Hinblick auf Schock und Vibration besonders hoch, weshalb es an dieser Stelle häufig zu Rissbildungen kommt. Die Verwendung von verstärktem Material wirkt dem entgegen. Der Einsatz einer hochfesten Aluminiumlegierung verleiht zusätzliche Festigkeit. Sie ist gerade bei Anwendungen mit hohen Belastungen sehr empfehlenswert. Diese Attribute in Kombination mit dem Einsatz von selbstsichernden Schrauben, die das Lösen durch Vibration verhindern, sorgen dafür, dass das Baugruppenträgersystem auch extremen Belastungen trotzt. Zusätzlich verbessert wird das durch speziell gewölbten Kunststoff-Kartenführungen, die den eingeschobenen Baugruppen eine leichte Vorspannung verleihen.
Größe sorgt für Vorteil
Warum entschied man sich nicht für ein robustes Kleingehäuse, wo doch heutzutage die Miniaturisierung der Elektronik eines der Hauptkriterien ist? Als 19-Zoll-Baugruppenträger passt sich der HeiPac Vario Heavy optimal in die bereits vorhandene Infrastruktur der Züge ein und ermöglicht dadurch das Aufsetzen auf etablierten Standards. Meist kommen Baugruppenträger mit einer Einbaubreite von 84 TE (Teilungseinheiten) a 5,08 mm zum Einsatz. Das entspricht der typischen Breite im 19-Zoll-Bereich. Der Vorteil davon besteht darin, dass ein vielfältiges und umfangreiches Portfolio an kostengünstigen Standardprodukten sowie Zubehör wie Komponenten für den EMV-Ausbau, Kartenführungen, Deck- und Bodenbleche, rückseitige Abdeckhauben und weitere existieren. Das wirkt sich häufig äußerst vorteilhaft auf die geforderte Entwicklungszeit aus. Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, dass vorhandene Anlagen jederzeit einfach erweitert, aktualisiert und individualisiert werden können. Darüber hinaus ist der Baugruppenträger sehr kompakt, was ihn für den Einbau in mobilen Anwendungen wie Schiffen oder Zügen prädestiniert. Bei diesen ist das Platzangebot meist stark begrenzt.
Wer Gehäusetechnik für anspruchsvolle Elektronik in der Bahntechnik verwendet, muss sich an den äußerst hohen Anforderungen dieses Marktes orientieren. Dafür empfiehlt sich eine vorzertifizierte Systemfamilie als Basis. Je durchdachter ein Baugruppenträger konzipiert ist, umso weniger Montageschritte sind bei dessen Aufbau notwendig. Zusätzlich dazu müssen auch weniger aufwändige Maßnahmen ergriffen werden, um die normativen Anforderungen zu
erfüllen.
