基于整車(chē)控制邏輯下踏板開(kāi)關(guān)位置設(shè)計(jì)研究

于雷 崔柯曼 李堅(jiān)勤 李曉霞 朱兵

摘 要：基于剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)，定速巡航取消開(kāi)關(guān)的作動(dòng)原理，考慮與這兩種開(kāi)關(guān)相關(guān)的整車(chē)性能；采用公差累積計(jì)算的方法，對(duì)開(kāi)關(guān)的安裝角度，安裝位置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行推導(dǎo)。通過(guò)該方法，可對(duì)與開(kāi)關(guān)安裝的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行明確設(shè)定，保證不出現(xiàn)因開(kāi)關(guān)安裝不良導(dǎo)致整車(chē)出現(xiàn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)踏板；剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)；定速巡航取消開(kāi)關(guān)；安裝角度；安裝位置

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)力的汽車(chē)制動(dòng)踏板上安裝的開(kāi)關(guān)主要有兩種，一種是剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)（stop lamp SW），主要作用是工作時(shí)，通過(guò)接通或斷開(kāi)，也即踩下制動(dòng)踏板和松開(kāi)制動(dòng)踏板控制剎車(chē)燈的點(diǎn)亮與熄滅；一種是定速巡航取消開(kāi)關(guān)（ASCD cancel SW），主要作用是車(chē)輛在定速巡航模式下可以通過(guò)接通定速巡航取消開(kāi)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(kāi)關(guān)在制動(dòng)踏板上的安裝位置不合理有可能導(dǎo)致的問(wèn)題如圖1所示：①剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)與定速巡航取消開(kāi)關(guān)的作動(dòng)邏輯混亂，有可能剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)已經(jīng)點(diǎn)亮，但是定速巡航不能取消，或者是剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)還未點(diǎn)亮，但是定速巡航已經(jīng)被取消。②車(chē)輛在產(chǎn)生規(guī)定的制動(dòng)力時(shí)剎車(chē)燈不被點(diǎn)亮。③車(chē)輛耐久后，即使不踩下制動(dòng)踏板，剎車(chē)燈一直被點(diǎn)亮。由此可見(jiàn)，這兩種開(kāi)關(guān)的安裝位置至關(guān)重要，尤其是剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)，對(duì)行車(chē)安全有重要作用，因此它的安裝位置對(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)是一個(gè)與行車(chē)安全直接相關(guān)的重要保證項(xiàng)目，需要進(jìn)行嚴(yán)格管控。

開(kāi)關(guān)的樣式種類(lèi)繁多，安裝形式分為螺旋式和卡槽式2種，如圖2所示。針對(duì)不同開(kāi)關(guān)的安裝位置，目前業(yè)內(nèi)并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。因此開(kāi)發(fā)新車(chē)時(shí)，如何選擇合適的開(kāi)關(guān)，如何將開(kāi)關(guān)安裝在合適的位置，沒(méi)有形成通用的設(shè)計(jì)說(shuō)明資料。

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

2 開(kāi)關(guān)和制動(dòng)踏板的作動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)

圖3所示為剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)和定速巡航取消開(kāi)關(guān)的剖面視圖。二者的結(jié)構(gòu)相似，開(kāi)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(shí)，是伸出開(kāi)關(guān)套筒端部之外的，當(dāng)觸頭受到軸向外力，觸頭就會(huì)被壓入套筒內(nèi)，此時(shí)底端彈簧被壓縮，當(dāng)外力解除，底端彈簧則會(huì)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(kāi)關(guān)的電路是導(dǎo)通還是斷開(kāi)的。

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

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

3 開(kāi)關(guān)安裝位置的設(shè)定方法

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

3.1 開(kāi)關(guān)安裝的角度

在制動(dòng)踏板旋轉(zhuǎn)的法線(xiàn)方向與開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)的伸縮方向間的角度如果不合適，開(kāi)關(guān)在壓縮-釋放過(guò)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(kāi)關(guān)的安裝角度時(shí)，與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線(xiàn)越接近垂直越有利。如圖7左圖所示，開(kāi)關(guān)的觸頭伸縮的方向與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線(xiàn)間的角度基本接近90°，這樣的設(shè)定一方面使開(kāi)關(guān)觸頭在壓縮-松開(kāi)的過(guò)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(kāi)關(guān)觸頭在壓縮-松開(kāi)的過(guò)程中在踏板臂或者踏板臂上的限位支架的滑動(dòng)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(kāi)關(guān)的觸頭伸縮的方向與踏板臂旋轉(zhuǎn)方向的法線(xiàn)間的角度偏離90°過(guò)大，則開(kāi)關(guān)容易磨損，產(chǎn)生異響的幾率也大大增加，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)視情況盡可能避免，如由于空間布局原因無(wú)法避免，則需要考慮各個(gè)接觸部位的潤(rùn)滑，或者能夠承受更大側(cè)向力值的更高等級(jí)的開(kāi)關(guān)。

3.2 開(kāi)關(guān)安裝的位置

3.2.1 剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)、定速巡航取消開(kāi)關(guān)的相對(duì)位置

不同的車(chē)型，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)和定速巡航取消開(kāi)關(guān)的相對(duì)位置各不相同，如圖8所示有的車(chē)型這兩個(gè)開(kāi)關(guān)是橫向平行布局的（車(chē)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(chē)燈開(kāi)關(guān)在上，有的則是定速巡航取消開(kāi)關(guān)在上，而且這種位置關(guān)系不能隨便顛倒，否則開(kāi)關(guān)的性能就會(huì)出問(wèn)題。

二者的位置關(guān)系是由他們作動(dòng)的邏輯關(guān)系決定的。簡(jiǎn)單看來(lái)，二者應(yīng)該是近似相反的關(guān)系，最理想的狀態(tài)是剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)被點(diǎn)亮的瞬間，恰好定速巡航的功能被取消，也就是剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)ON的時(shí)候，恰好定速巡航取消開(kāi)關(guān)OFF，但從設(shè)計(jì)公差和設(shè)計(jì)冗余的角度來(lái)考慮，二者之間一定存在剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)既可能是OFF也可能是ON的區(qū)域，對(duì)應(yīng)的定速巡航取消開(kāi)關(guān)也既可能是OFF也可能是ON，這被稱(chēng)為灰色重疊帶。ECM對(duì)這段區(qū)域是不進(jìn)行判定的，因此這段灰色重疊帶的范圍越小越好，否則會(huì)造成ECM過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的“呆滯”，反饋到整車(chē)上表現(xiàn)為剎車(chē)燈點(diǎn)亮和定速巡航取消功能不靈敏。

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

為了保證二個(gè)開(kāi)關(guān)的正常作動(dòng)的邏輯關(guān)系，首先必須遵守以下規(guī)則：

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

④×λ定速巡航取消開(kāi)關(guān)>①×λ剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)（定速巡航取消開(kāi)關(guān)OFF的極限尺寸一定大于剎車(chē)燈開(kāi)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(chē)燈開(kāi)關(guān)<④×λ定速巡航取消開(kāi)關(guān)時(shí)，體現(xiàn)在踏板片上的灰色重疊帶的范圍為：

②×λ剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)-③×λ定速巡航取消開(kāi)關(guān)

第二種情況是當(dāng)②×λ剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)>④×λ定速巡航取消開(kāi)關(guān)時(shí)，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(kāi)關(guān)-①×λ剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)

通過(guò)以上計(jì)算公式可以得出，如果是第一種情況，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)一般會(huì)設(shè)置在定速巡航取消開(kāi)關(guān)的下方，如果是第二種情況，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)一般會(huì)設(shè)置在定速巡航取消開(kāi)關(guān)的上方。如因?yàn)槠渌矫娴男阅軣o(wú)法進(jìn)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(lái)設(shè)定。

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

一般規(guī)定，在開(kāi)始進(jìn)行制動(dòng)時(shí)剎車(chē)燈必須點(diǎn)亮，一般將產(chǎn)生0.13G制動(dòng)減速度 時(shí)定義為開(kāi)始制動(dòng)。從圖10所示，通過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)的S-G特性曲線(xiàn)，可以得知在產(chǎn)生0.13G制動(dòng)減速度時(shí)踏板片的行程S0.13G，此時(shí)，必須保證剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)處于ON的狀態(tài)，在滿(mǎn)足剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)能在初始狀態(tài)觸頭被壓縮的前提下，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)的位置越靠下，杠桿比越小，越容易滿(mǎn)足該條件。

踏板初始位置時(shí)的剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)踏板臂的間隙，決定了剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)在初始狀態(tài)觸頭被壓縮多少，也就決定了剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)需要被釋放多少才能處于ON的狀態(tài)，剎車(chē)燈開(kāi)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(dòng)系統(tǒng)各構(gòu)成件公差，制動(dòng)系統(tǒng)耐久工況后等極限條件的行程。

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

車(chē)輛耐久后踏板臂會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，由于重力作用踏板臂將遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)，如開(kāi)關(guān)位置過(guò)于靠下，有可能與踏板臂產(chǎn)生過(guò)大間隙，而導(dǎo)致在踏板的初始位置，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)和定速巡航取消開(kāi)關(guān)的觸頭沒(méi)有被壓縮，剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)一直是ON的狀態(tài)，表現(xiàn)為即使不踩下制動(dòng)踏板，剎車(chē)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(wú)法進(jìn)入定速巡航狀態(tài)。為了保證開(kāi)關(guān)位置不過(guò)于靠下，開(kāi)關(guān)的杠桿比不可以過(guò)小。

開(kāi)關(guān)與踏板臂運(yùn)動(dòng)方向理想角度為90°，實(shí)際設(shè)計(jì)角度為86.3°。當(dāng)開(kāi)關(guān)與踏板臂運(yùn)動(dòng)方向角度不接近90°時(shí)，在開(kāi)關(guān)作動(dòng)過(guò)程中會(huì)造成開(kāi)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(shí)開(kāi)關(guān)作動(dòng)過(guò)程中滑片在涂層被磨損的端子表面滑動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生尖銳的摩擦音（吱吱音）。

通過(guò)該設(shè)計(jì)方法對(duì)開(kāi)關(guān)角度及安裝間隙進(jìn)行重新定義，變更內(nèi)容及參數(shù)變化如圖15、16所示，開(kāi)關(guān)異響不良這一問(wèn)題被解決，故障率下降了90%，如圖17所示；同時(shí)也避免了因開(kāi)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(dòng)踏板剎車(chē)燈也被點(diǎn)亮的問(wèn)題，可見(jiàn)該設(shè)計(jì)方法是完整而有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從剎車(chē)燈開(kāi)關(guān)，定速巡航取消開(kāi)關(guān)所影響的整車(chē)性能出發(fā)，從極限公差累積，車(chē)輛耐久劣化的視點(diǎn)闡述了如何在踏板上設(shè)定開(kāi)關(guān)的具體安裝位置。在實(shí)際車(chē)型的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，采用極限公差過(guò)于嚴(yán)苛，可考慮通過(guò)二乘平方公差來(lái)替代極限公差。通過(guò)若干量產(chǎn)車(chē)型的驗(yàn)證，表明采用該方法能有效避免開(kāi)關(guān)類(lèi)型選擇不當(dāng)，因開(kāi)關(guān)安裝位置不佳而導(dǎo)致車(chē)輛性能不良的問(wèn)題。

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