方向盤多功能開關(guān)失效問題分析

馬燕，韋曉晶

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車“新四化”(電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化)概念的提出，人們對汽車的操作便利性及安全性也越來越關(guān)注。駕駛員在駕駛過程中的行為已經(jīng)不僅局限于單純的“駕駛”，越來越多的信息和信息交流融入到汽車設(shè)計(jì)中[1]。方向盤作為使用頻率最高的部件，也由最初的僅有轉(zhuǎn)向功能，到集成喇叭開關(guān)，再到裝配駕駛員安全氣囊，之后到更多的附加功能[2-3]。多功能的方向盤使得駕駛員在行駛過程中，雙手不離開方向盤的情況下，能夠更方便地控制車輛的多個(gè)系統(tǒng)的功能，提高了操作便利性及安全性[4]。

1 問題描述

某車型接到售后反饋，方向盤多功能開關(guān)失效12例。經(jīng)初步分析，其中音量鍵失效6例，音量鍵間歇性失效4例，頻道搜索及音量鍵均失效2例。根據(jù)故障件的分析結(jié)果，音量鍵功能失效為主要失效模式。

2 原因分析

該車型方向盤多功能開關(guān)采用的是導(dǎo)電橡膠式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。按壓方向盤開關(guān)上按鍵，通過頂桿推動(dòng)導(dǎo)電橡膠上的動(dòng)觸點(diǎn)，使得動(dòng)觸點(diǎn)下壓與PCB板上靜觸點(diǎn)接觸，回路導(dǎo)通失效開關(guān)功能。

圖1 方向盤多功能開關(guān)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，方向盤多功能開關(guān)按鍵力的正常值為(1.5±0.5) N。將萬用表接到售后返回的故障件音量鍵回路兩端，對故障件進(jìn)行按壓導(dǎo)通測試。對故障件音量鍵以設(shè)計(jì)要求的正常按鍵力進(jìn)行按壓，萬用表無顯示，說明音量鍵回路未導(dǎo)通。加大按壓力至3～6 N對故障件音量鍵進(jìn)行按壓，萬用表有電阻顯示，音量鍵回路導(dǎo)通。圖2為測試萬用表顯示結(jié)果。

拆解多功能開關(guān)故障件，去除故障件的PCB板，將正常狀態(tài)零件的PCB板與故障件的其他零件重新組裝成多功能開關(guān)。對重新組合的多功能開關(guān)音量鍵進(jìn)行按壓導(dǎo)通測試，施加設(shè)計(jì)要求的正常按壓力，即可導(dǎo)通音量鍵回路。對多功能開關(guān)故障件的PCB板進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障件的PCB板上的觸點(diǎn)，有細(xì)微黑色沉積物。在多功能開關(guān)故障件的橡膠觸點(diǎn)上，同樣發(fā)現(xiàn)了細(xì)微黑色物質(zhì)。圖3為多功能開關(guān)故障件動(dòng)、靜觸點(diǎn)拆解情況。用酒精對PCB上觸點(diǎn)及橡膠觸點(diǎn)進(jìn)行擦拭，再重新進(jìn)行組裝。對重新組裝后的故障件重復(fù)進(jìn)行按壓導(dǎo)通測試，采用正常按壓力萬用表即有顯示，按鍵正常導(dǎo)通。

將故障件送至檢測機(jī)構(gòu)，對觸點(diǎn)上的細(xì)微黑色沉積物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果如表1所示，圖4為觸點(diǎn)表面掃描電鏡結(jié)果。根據(jù)分析結(jié)果，觸點(diǎn)上的細(xì)微黑色沉積物主要成分為碳。結(jié)合拆解分析及按壓導(dǎo)通測試結(jié)果，判斷出多功能開關(guān)PCB板上的靜觸點(diǎn)，與導(dǎo)電橡膠上的動(dòng)觸點(diǎn)結(jié)合力不夠，接觸面積少，動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間產(chǎn)生細(xì)微的拉弧，開關(guān)長時(shí)間處于此狀態(tài)使用導(dǎo)致觸點(diǎn)積碳，是造成多功能開關(guān)音量鍵失效的主要原因。

3 解決方案

由于動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸面積少，結(jié)合力不夠?qū)е掠|點(diǎn)件產(chǎn)生細(xì)微拉弧，形成觸點(diǎn)積碳是造成多功能開關(guān)音量鍵失效的主要原因，針對該問題，提出了相應(yīng)的解決方案。

方案一：增大導(dǎo)電橡膠上動(dòng)觸點(diǎn)接觸片面積，使觸點(diǎn)間接觸面積增大從而減小觸點(diǎn)間產(chǎn)生拉弧的可能性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，目前的導(dǎo)電橡膠為標(biāo)準(zhǔn)件，與PCB板上觸點(diǎn)是較為合適的搭配，若增大導(dǎo)電橡膠觸點(diǎn)面積，需開發(fā)專用件，且開發(fā)周期較長，成本增加。而多功能開關(guān)故障件的失效表現(xiàn)模式為下壓力偏小導(dǎo)致觸點(diǎn)表面積碳，增大按壓力即可導(dǎo)通，單純增加導(dǎo)電橡膠觸點(diǎn)接觸片面積，并不能完全解決問題。

方案二：尋找接觸壓力更小、電阻波動(dòng)較小的導(dǎo)電橡膠灰觸點(diǎn)。采用灰觸點(diǎn)制作出多功能開關(guān)按鍵，與現(xiàn)有產(chǎn)品(導(dǎo)電橡膠藍(lán)觸點(diǎn))，共進(jìn)行5×104次耐久試驗(yàn)，每1×104次測量按鍵的電阻值。兩種產(chǎn)品按鍵電阻值波動(dòng)情況如圖5所示，從圖中可看出灰觸點(diǎn)電阻值最穩(wěn)定，波動(dòng)最小。進(jìn)一步了解得知該灰觸點(diǎn)從未有在方向盤多功能開關(guān)使用的先例，若直接使用可能會有未可知的風(fēng)險(xiǎn)。從觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)上看，灰觸點(diǎn)與藍(lán)觸點(diǎn)為相似的鎳絲導(dǎo)電，單純更換灰觸點(diǎn)，無法完全解決此次多功能開關(guān)按鍵失效問題。

圖5 不同導(dǎo)電橡膠觸點(diǎn)電阻波動(dòng)

方案三：對現(xiàn)有方向盤多功能開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。針對動(dòng)、靜觸點(diǎn)結(jié)合力不夠的問題，對現(xiàn)有方向盤多功能開關(guān)音量鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采取如下兩個(gè)步驟對開關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。第一，在多功能開關(guān)音量鍵殼體頂桿穿過的孔處，頂桿推動(dòng)導(dǎo)電橡膠動(dòng)觸點(diǎn)側(cè)，增加一圈墻體，從而增加頂桿運(yùn)動(dòng)方向上的導(dǎo)向，使得頂桿能夠更有效地推動(dòng)導(dǎo)電橡膠動(dòng)觸點(diǎn)下壓；第二，將頂桿與導(dǎo)電橡膠動(dòng)觸點(diǎn)接觸的圓盤面積，由原來的4 mm直徑且?guī)笨诘男螤?，更改為直徑?.5 mm的完整圓盤形狀，增加頂桿圓盤與導(dǎo)電橡膠的接觸面積，同時(shí)將圓盤厚度由原來的0.6 mm增加至0.9 mm。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案示意

4 方案實(shí)施效果

對結(jié)構(gòu)更改后的方向盤多功能開關(guān)樣件進(jìn)行了1×105次耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，每1×104次檢測按鍵電阻值并進(jìn)行記錄。試驗(yàn)完成后開關(guān)功能正常，電阻波動(dòng)情況如圖7所示，與原狀態(tài)比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的開關(guān)按鍵電阻波動(dòng)情況有所改善。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實(shí)施，有效地解決了此次方向盤多功能開關(guān)音量鍵失效的問題。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后阻值波動(dòng)情況

5 結(jié)論

基于某車型方向盤多功能開關(guān)失效的具體案例，通過能譜分析方法查找失效原因并制定相應(yīng)措施，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)能譜分析結(jié)果，開關(guān)按鍵功能失效的主要原因?yàn)椴僮靼磯翰坏降?，?dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)結(jié)合力不夠，產(chǎn)生細(xì)微拉弧， 使得PCB電路板上的觸點(diǎn)表面積碳。

(2)增大導(dǎo)電橡膠觸點(diǎn)面積，需開發(fā)專用件開發(fā)周期較長，成本增加。且單純增加導(dǎo)電橡膠觸點(diǎn)接觸片面積，并不能完全解決多功能開關(guān)音量按鍵下壓力偏小導(dǎo)致觸點(diǎn)表面積碳，出現(xiàn)按鍵失效的問題。

(3)導(dǎo)電橡膠灰觸點(diǎn)接觸壓力更小，電阻波動(dòng)較小，從觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)上看，灰觸點(diǎn)與藍(lán)觸點(diǎn)為相似的鎳絲導(dǎo)電，單純更換灰觸點(diǎn)，無法完全解決此次多功能開關(guān)按鍵失效問題。

(4)針對動(dòng)、靜觸點(diǎn)結(jié)合力不夠的問題，對現(xiàn)有方向盤多功能開關(guān)音量鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的多功能開關(guān)經(jīng)過1×105次耐久試驗(yàn)后，開關(guān)功能正常，電阻波動(dòng)情況有所改善。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實(shí)施，有效地解決了此次方向盤多功能開關(guān)音量鍵失效的問題。