基于整車控制邏輯下踏板開關(guān)位置設(shè)計研究

于雷 崔柯曼 李堅勤 李曉霞 朱兵

摘 要：基于剎車燈開關(guān)，定速巡航取消開關(guān)的作動原理，考慮與這兩種開關(guān)相關(guān)的整車性能；采用公差累積計算的方法，對開關(guān)的安裝角度，安裝位置的設(shè)計方法進行推導(dǎo)。通過該方法，可對與開關(guān)安裝的相關(guān)參數(shù)進行明確設(shè)定，保證不出現(xiàn)因開關(guān)安裝不良導(dǎo)致整車出現(xiàn)問題。

關(guān)鍵詞：制動踏板；剎車燈開關(guān)；定速巡航取消開關(guān)；安裝角度；安裝位置

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）05-0038-08

Abstract： Base on the working theory of stop lamp switch and ASCD cancel switch， considering the related vehicle performance to the two switches， deducing the installing angle and location design method by cumulative tolerance calculation. The parameter for switch installing can be set definitely by the method in this article and can ensure there is no problem caused by the bad switch installation.

Key Words： brake pedal； stop lamp switch； ASCD cancel switch； installing angle； installing location

1 引言

目前以燃油為動力的汽車制動踏板上安裝的開關(guān)主要有兩種，一種是剎車燈開關(guān)（stop lamp SW），主要作用是工作時，通過接通或斷開，也即踩下制動踏板和松開制動踏板控制剎車燈的點亮與熄滅；一種是定速巡航取消開關(guān)（ASCD cancel SW），主要作用是車輛在定速巡航模式下可以通過接通定速巡航取消開關(guān)（ASCD cancel SW），也就是踩下裝有定速巡航的踏板將定速巡航模式解除。這兩種開關(guān)在制動踏板上的安裝位置不合理有可能導(dǎo)致的問題如圖1所示：①剎車燈開關(guān)與定速巡航取消開關(guān)的作動邏輯混亂，有可能剎車燈開關(guān)已經(jīng)點亮，但是定速巡航不能取消，或者是剎車燈開關(guān)還未點亮，但是定速巡航已經(jīng)被取消。②車輛在產(chǎn)生規(guī)定的制動力時剎車燈不被點亮。③車輛耐久后，即使不踩下制動踏板，剎車燈一直被點亮。由此可見，這兩種開關(guān)的安裝位置至關(guān)重要，尤其是剎車燈開關(guān)，對行車安全有重要作用，因此它的安裝位置對于車輛來說是一個與行車安全直接相關(guān)的重要保證項目，需要進行嚴格管控。

開關(guān)的樣式種類繁多，安裝形式分為螺旋式和卡槽式2種，如圖2所示。針對不同開關(guān)的安裝位置，目前業(yè)內(nèi)并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此開發(fā)新車時，如何選擇合適的開關(guān)，如何將開關(guān)安裝在合適的位置，沒有形成通用的設(shè)計說明資料。

本文結(jié)合開關(guān)和制動踏板各自的作動機理，在整車上的輸出特性，相互配合的作動關(guān)系等因素，從車輛的正常走行，車輛耐久，車輛故障模式等幾個方面綜合考慮，對開關(guān)在踏板上的安裝位置進行明確，包括開關(guān)的安裝角度，開關(guān)套筒端部距離踏板臂的間隙，開關(guān)中心軸距離踏板臂旋轉(zhuǎn)中心的長度等所有能夠決定開關(guān)位置的具體參數(shù)，保證開關(guān)不因安裝位置不佳導(dǎo)致作動異常。

2 開關(guān)和制動踏板的作動原理和結(jié)構(gòu)

圖3所示為剎車燈開關(guān)和定速巡航取消開關(guān)的剖面視圖。二者的結(jié)構(gòu)相似，開關(guān)的圓柱形觸頭底端裝有彈簧，觸頭在未受到外力作用時，是伸出開關(guān)套筒端部之外的，當(dāng)觸頭受到軸向外力，觸頭就會被壓入套筒內(nèi)，此時底端彈簧被壓縮，當(dāng)外力解除，底端彈簧則會把觸頭彈出套筒之外恢復(fù)到未受軸向外力的狀態(tài)。觸頭是否被壓縮，被壓縮多少，決定了開關(guān)的電路是導(dǎo)通還是斷開的。

圖4為剎車燈開關(guān)和定速巡航取消開關(guān)的電路圖。當(dāng)制動踏板處于初始狀態(tài)時，也就是踏板行程為零時，剎車燈開關(guān)的觸頭被踏板臂或者踏板臂上的限位支架等壓入套筒內(nèi)，此時剎車燈開關(guān)處于OFF的狀態(tài)，也就是未導(dǎo)通的狀態(tài)，當(dāng)踩下制動踏板，踏板臂或者踏板臂上的限位支架移動逐步離開剎車燈開關(guān)，剎車燈開關(guān)的觸頭被放松，彈出一定距離，剎車燈的電路處于ON的狀態(tài)，此時電路導(dǎo)通，剎車燈被點亮。而定速巡航取消開關(guān)與剎車燈開關(guān)的作動原理基本上是相反的。當(dāng)踏板行程為零時，定速巡航取消開關(guān)的觸頭也被壓入套筒內(nèi)，此時定速巡航的電路是ON的狀態(tài)，當(dāng)踩下制動踏板， 定速巡航取消開關(guān)的觸頭被松開，彈出一定距離，定速巡航的電路處于OFF狀態(tài)，此時電路被切斷，定速巡航被取消。

如圖5所示，踏板在作動時，通過駕駛者踩下踏板臂，踏板臂旋轉(zhuǎn)，推動連接踏板的真空助力器產(chǎn)生制動力。制動踏板與剎車燈開關(guān)、定速巡航取消開關(guān)作動最直接的部分是踏板臂。制動力是隨著踏板踩下的角度逐漸增加的，當(dāng)制動力達到一定的值時，也就是踏板臂被踩下某一角度時，剎車燈開關(guān)應(yīng)該從OFF變?yōu)镺N，剎車燈被點亮，同理，定速巡航取消開關(guān)從ON變?yōu)镺FF，定速巡航機能被取消。

3 開關(guān)安裝位置的設(shè)定方法

如圖6所示，決定開關(guān)安裝的要素主要分為開關(guān)的安裝角度和開關(guān)的安裝位置。明確下表的幾個項目，就可以完全確定踏板的安裝參數(shù)。

3.1 開關(guān)安裝的角度

在制動踏板旋轉(zhuǎn)的法線方向與開關(guān)的觸點的伸縮方向間的角度如果不合適，開關(guān)在壓縮-釋放過程中受到側(cè)向壓力將變大，不利于觸頭在套筒內(nèi)伸縮。因此在設(shè)定開關(guān)的安裝角度時，與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線越接近垂直越有利。如圖7左圖所示，開關(guān)的觸頭伸縮的方向與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線間的角度基本接近90°，這樣的設(shè)定一方面使開關(guān)觸頭在壓縮-松開的過程中所受的側(cè)向分力最小，減少觸頭與套筒內(nèi)部的摩擦，另外還能保證開關(guān)觸頭在壓縮-松開的過程中在踏板臂或者踏板臂上的限位支架的滑動距離最小，能夠減少觸頭端部的磨損，且能防止摩擦產(chǎn)生的異響。如果開關(guān)的觸頭伸縮的方向與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線間的角度偏離90°過大，則開關(guān)容易磨損，產(chǎn)生異響的幾率也大大增加，設(shè)計過程中應(yīng)視情況盡可能避免，如由于空間布局原因無法避免，則需要考慮各個接觸部位的潤滑，或者能夠承受更大側(cè)向力值的更高等級的開關(guān)。

3.2 開關(guān)安裝的位置

3.2.1 剎車燈開關(guān)、定速巡航取消開關(guān)的相對位置

不同的車型，剎車燈開關(guān)和定速巡航取消開關(guān)的相對位置各不相同，如圖8所示有的車型這兩個開關(guān)是橫向平行布局的（車輛縱向中心平面左右方向）；有豎直上下布置的，其中有的是剎車燈開關(guān)在上，有的則是定速巡航取消開關(guān)在上，而且這種位置關(guān)系不能隨便顛倒，否則開關(guān)的性能就會出問題。

二者的位置關(guān)系是由他們作動的邏輯關(guān)系決定的。簡單看來，二者應(yīng)該是近似相反的關(guān)系，最理想的狀態(tài)是剎車燈開關(guān)被點亮的瞬間，恰好定速巡航的功能被取消，也就是剎車燈開關(guān)ON的時候，恰好定速巡航取消開關(guān)OFF，但從設(shè)計公差和設(shè)計冗余的角度來考慮，二者之間一定存在剎車燈開關(guān)既可能是OFF也可能是ON的區(qū)域，對應(yīng)的定速巡航取消開關(guān)也既可能是OFF也可能是ON，這被稱為灰色重疊帶。ECM對這段區(qū)域是不進行判定的，因此這段灰色重疊帶的范圍越小越好，否則會造成ECM過長時間的“呆滯”，反饋到整車上表現(xiàn)為剎車燈點亮和定速巡航取消功能不靈敏。

以上說明了當(dāng)剎車燈開關(guān)、定速巡航取消開關(guān)平行布局，即兩開關(guān)的杠桿比相同時的情況，如果兩開關(guān)采用一上一下的布局方式，也就是開關(guān)距離踏板臂的旋轉(zhuǎn)中心的長度不一致，即兩開關(guān)的杠桿比不同的情況，就需要將分別將兩開關(guān)的杠桿比代入進行計算。

為了保證二個開關(guān)的正常作動的邏輯關(guān)系，首先必須遵守以下規(guī)則：

②×λ剎車燈開關(guān)>③×λ定速巡航取消開關(guān)（剎車燈開關(guān)ON的極限尺寸一定大于定速巡航取消開關(guān)ON的極限尺寸）

④×λ定速巡航取消開關(guān)>①×λ剎車燈開關(guān)（定速巡航取消開關(guān)OFF的極限尺寸一定大于剎車燈開關(guān)OFF的極限尺寸）

在此情況下可能出現(xiàn)二種情況

第一種情況是當(dāng)②×λ剎車燈開關(guān)<④×λ定速巡航取消開關(guān)時，體現(xiàn)在踏板片上的灰色重疊帶的范圍為：

②×λ剎車燈開關(guān)-③×λ定速巡航取消開關(guān)

第二種情況是當(dāng)②×λ剎車燈開關(guān)>④×λ定速巡航取消開關(guān)時，體現(xiàn)在踏板片上的灰色重疊帶的范圍為：

④×λ定速巡航取消開關(guān)-①×λ剎車燈開關(guān)

通過以上計算公式可以得出，如果是第一種情況，剎車燈開關(guān)一般會設(shè)置在定速巡航取消開關(guān)的下方，如果是第二種情況，剎車燈開關(guān)一般會設(shè)置在定速巡航取消開關(guān)的上方。如因為其他方面的性能無法進行這樣的設(shè)定，也還是要按照灰色重疊帶越小越好的總原則來設(shè)定。

3.2.2 剎車燈開關(guān)、定速巡航取消開關(guān)距離踏板臂的間隙

一般規(guī)定，在開始進行制動時剎車燈必須點亮，一般將產(chǎn)生0.13G制動減速度 時定義為開始制動。從圖10所示，通過制動系統(tǒng)的S-G特性曲線，可以得知在產(chǎn)生0.13G制動減速度時踏板片的行程S0.13G，此時，必須保證剎車燈開關(guān)處于ON的狀態(tài)，在滿足剎車燈開關(guān)能在初始狀態(tài)觸頭被壓縮的前提下，剎車燈開關(guān)的位置越靠下，杠桿比越小，越容易滿足該條件。

踏板初始位置時的剎車燈開關(guān)踏板臂的間隙，決定了剎車燈開關(guān)在初始狀態(tài)觸頭被壓縮多少，也就決定了剎車燈開關(guān)需要被釋放多少才能處于ON的狀態(tài)，剎車燈開關(guān)的所需的釋放量等效到踏板片上，必須小于S0.13G。此處需要注意，S0.13G應(yīng)該是考慮真空助力器空行程，制動系統(tǒng)各構(gòu)成件公差，制動系統(tǒng)耐久工況后等極限條件的行程。

3.2.3 剎車燈開關(guān)、定速巡航取消開關(guān)距離踏板臂旋轉(zhuǎn)中心的位置（開關(guān)杠桿比）

車輛耐久后踏板臂會產(chǎn)生松動，由于重力作用踏板臂將遠離開關(guān)，如開關(guān)位置過于靠下，有可能與踏板臂產(chǎn)生過大間隙，而導(dǎo)致在踏板的初始位置，剎車燈開關(guān)和定速巡航取消開關(guān)的觸頭沒有被壓縮，剎車燈開關(guān)一直是ON的狀態(tài)，表現(xiàn)為即使不踩下制動踏板，剎車燈是常亮的，而定速巡航功能一直是取消的狀態(tài)，即使按下定速巡航按鈕也無法進入定速巡航狀態(tài)。為了保證開關(guān)位置不過于靠下，開關(guān)的杠桿比不可以過小。

開關(guān)與踏板臂運動方向理想角度為90°，實際設(shè)計角度為86.3°。當(dāng)開關(guān)與踏板臂運動方向角度不接近90°時，在開關(guān)作動過程中會造成開關(guān)內(nèi)部的滑片和端子（如圖13所示）接觸壓力加大，經(jīng)耐久后端子表面涂層被磨損，如圖14所示，此時開關(guān)作動過程中滑片在涂層被磨損的端子表面滑動時就會產(chǎn)生尖銳的摩擦音（吱吱音）。

通過該設(shè)計方法對開關(guān)角度及安裝間隙進行重新定義，變更內(nèi)容及參數(shù)變化如圖15、16所示，開關(guān)異響不良這一問題被解決，故障率下降了90%，如圖17所示；同時也避免了因開關(guān)安裝間隙設(shè)定不合理所可能導(dǎo)致的耐久后不踩制動踏板剎車燈也被點亮的問題，可見該設(shè)計方法是完整而有效的。

4 結(jié)語

本文從剎車燈開關(guān)，定速巡航取消開關(guān)所影響的整車性能出發(fā)，從極限公差累積，車輛耐久劣化的視點闡述了如何在踏板上設(shè)定開關(guān)的具體安裝位置。在實際車型的設(shè)計計算過程中，采用極限公差過于嚴苛，可考慮通過二乘平方公差來替代極限公差。通過若干量產(chǎn)車型的驗證，表明采用該方法能有效避免開關(guān)類型選擇不當(dāng)，因開關(guān)安裝位置不佳而導(dǎo)致車輛性能不良的問題。

參考文獻：

[1]劉繼寬.汽車制動燈開關(guān)常見故障分析和改進策略.中國機械，2015，（1）.

[2]于津濤.汽車維修與保養(yǎng).機械工程學(xué)報，2006， （10）.

[3]余志生.汽車理論.機械工業(yè)出版社，1988.

[4]李京申，劉波.制動系統(tǒng).教育科學(xué)出版社，2004.

[5]Sergio M.Savaresi， Mara Tanelli.汽車主動制動控制系統(tǒng)設(shè)計.機械工業(yè)出版社，2014.