汽車開關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王在昌，吳峰

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汽車開關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

王在昌，吳峰

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000）

隨著汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，車用開關(guān)類產(chǎn)品的研究越來越深入。文章對當(dāng)前開關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)行了闡述，并根據(jù)智能化、網(wǎng)聯(lián)化汽車對開關(guān)的要求，提出開關(guān)的發(fā)展趨勢，對開關(guān)研究和開發(fā)具有借鑒意義。

汽車開關(guān)；數(shù)字信號通訊；開關(guān)手感

前言

我國汽車工業(yè)經(jīng)過近三十年的發(fā)展，研發(fā)水平和產(chǎn)品質(zhì)量都取得了長足地進(jìn)步。隨著汽車智能化和電氣化水平地提高，越來越多的控制器在整車上得以應(yīng)用，而作為操縱件的開關(guān)，其種類和功能也越來越多。本文從開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式、控制方式和手感方面，闡述汽車開關(guān)目前的研究現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢。

1 開關(guān)結(jié)構(gòu)形式

開關(guān)按照結(jié)構(gòu)形式不同分為如下幾類：按壓式，旋轉(zhuǎn)式，滑動式，電磁式、觸摸式。[1]

按壓式包括Push開關(guān)和帶自鎖的Push開關(guān)、翹板開關(guān)、按壓-提拉開關(guān)等。其中Push開關(guān)是應(yīng)用最廣泛的一類開關(guān)，它主要由按鈕蓋、殼體、導(dǎo)電橡膠板、電路板、底蓋組成，按鈕蓋和底蓋均通過卡扣安裝到殼體上，如圖1所示。導(dǎo)電橡膠板中根據(jù)需要設(shè)置不同數(shù)量的泡點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)按鈕受操作者按壓時，其向下運(yùn)動壓迫橡膠板中的泡點(diǎn)，導(dǎo)通電路；當(dāng)外力釋放后，泡點(diǎn)回彈，推動按鈕自動復(fù)位。按鈕采用PC材料，外層噴漆，并在合適位置鐳雕圖標(biāo)和開設(shè)工作指示窗口。圖標(biāo)正下方的電路板中貼裝背景燈LED，由BCM控制點(diǎn)亮；窗口正下方的電路板中貼裝工作指示燈LED，由相應(yīng)控制器控制點(diǎn)亮。翹板開關(guān)和按壓-提拉開關(guān)是Push開關(guān)的擴(kuò)展，至少可具備兩項功能，是在Push開關(guān)的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)軸改制而得，是集成度更高的一類開關(guān)。

旋轉(zhuǎn)式包括組合開關(guān)、空調(diào)控制旋鈕、音量調(diào)節(jié)旋鈕等。組合開關(guān)是一款集成度非常高的開關(guān)，例如雨刷器手柄集成了雨刷和洗滌的所有功能，其中前雨刷器的間歇刮刷頻率控制和后雨刷器刮刷模式控制都是通過旋轉(zhuǎn)式操作實現(xiàn)的，如圖2所示。由于組合開關(guān)內(nèi)部空間非常狹小，而結(jié)構(gòu)又非常復(fù)雜，因而無法設(shè)置背景燈及工作指示燈，其手柄多采用尼龍材料（PA6-GF15、PA6-GF30等），圖標(biāo)噴印在手柄表面。

1-按鈕蓋 2-殼體 3-導(dǎo)電橡膠板 4-電路板 5-底蓋 3.1-泡點(diǎn) 4.1-LED

圖2 雨刷器手柄

音量調(diào)節(jié)旋鈕是典型的旋轉(zhuǎn)式開關(guān)，其應(yīng)用非常廣泛。本公司開發(fā)的一款音量調(diào)節(jié)旋鈕位于儀表板開關(guān)組內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。旋鈕帶動旋轉(zhuǎn)編碼器無極旋轉(zhuǎn)，通過PCB輸出矩形波給多媒體控制器，調(diào)節(jié)音量加減；按鈕被按壓可觸發(fā)微動開關(guān)，開啟靜音功能。按鈕采用PC材料，端蓋噴漆，鐳雕圖標(biāo)，圖標(biāo)正下方的電路板中貼裝背景燈LED，由BCM控制點(diǎn)亮。

1-按鈕 2-旋鈕 3-殼體 4-旋轉(zhuǎn)編碼器 5-PCB 5.1-微動開關(guān) 6-底座

滑動式包括門接觸開關(guān)、制動燈開關(guān)（機(jī)械式）、離合踏板開關(guān)等。門接觸開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用自攻螺釘安裝于車身鈑金上，該開關(guān)的特點(diǎn)是滑桿推動彈簧片在殼體內(nèi)滑動，實現(xiàn)導(dǎo)電板折板和接線片的導(dǎo)通與斷開。車門打開時導(dǎo)通，頂燈開啟；車門鎖死時斷開，頂燈關(guān)閉。彈簧片在滑動時的摩擦作用，可以有效清除接觸面上的雜質(zhì)，而且滑動接觸能抑制電弧產(chǎn)生，故此類開關(guān)具備大電流驅(qū)動能力。

電磁式包括制動燈開關(guān)（霍爾效應(yīng)式）等。該類開關(guān)通常由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，當(dāng)金屬物體接近振蕩感應(yīng)頭時，在物體內(nèi)部會產(chǎn)生渦流。渦流導(dǎo)致開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電流發(fā)生改變，開關(guān)將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)橥〝嘈盘杺鬏斀o控制器，實現(xiàn)相應(yīng)功能。

1-橡膠防護(hù)套 1.1-螺栓孔 2-滑桿 3-導(dǎo)電板 3.1-導(dǎo)電板折板 4-彈簧片 5-殼體 6-接線片

圖5是制動燈開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。該開關(guān)使用卡接結(jié)構(gòu)安裝于制動踏板下方支架上，當(dāng)制動踏板被踩下時，振蕩器使踏板內(nèi)部產(chǎn)生渦流，其反作用于開關(guān)內(nèi)部電流，開關(guān)輸出導(dǎo)通信號，接通制動燈電路，制動燈點(diǎn)亮；制動踏板被釋放后，渦流消失，開關(guān)輸出斷開信號，制動燈熄滅。

1-LC高頻振蕩器 2-輸出端

觸摸式包括儀表板中部開關(guān)組、中控臺開關(guān)組等。觸摸式開關(guān)常使用IML工藝將電容膜和印刷電路鑲嵌于面板內(nèi)，既具有模內(nèi)裝飾工藝的美觀與環(huán)保，又一體成型實現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)裝飾的無縫結(jié)合[2]。圖6為本司開發(fā)的一款電容觸摸式儀表板開關(guān)組，只要手指觸摸其中的某一個圖標(biāo)，便可以開啟或關(guān)閉相應(yīng)的功能，同時獲得聲音和振動反饋。

圖6 觸摸式開關(guān)

圖7 觸摸技術(shù)原理

人體是不良導(dǎo)體，當(dāng)手指靠近開關(guān)面板時，手指跟電容膜之間便會產(chǎn)生寄生電容，致使電容膜原有電容發(fā)生變化，傳感器將這一變化捕捉并傳遞給處理器，由處理器發(fā)送開關(guān)信號給控制器，開啟或關(guān)閉相應(yīng)功能。圖7為觸摸技術(shù)原理圖。

傳感器捕捉電容變化有兩種常用方法，通過檢測電容充放電時間的變化和通過檢測振蕩比較器振蕩頻率的變化，如圖8所示。因為手指靠近開關(guān)面板時，電容膜電容值會發(fā)生變化，故其充放電時間隨之變化，傳感器便可以將此變化捕捉傳遞給處理器；另一方面，可以在電容電路中引入電感原件組成振蕩電路，當(dāng)電容值變化時，振蕩頻率隨之變化，傳感器將此變化捕捉傳遞給處理器。

A-通過檢測電容充放電時間的變化 B-通過檢測振蕩比較器振蕩頻率的變化

2 開關(guān)控制方式

汽車開關(guān)按照控制方式不同可分為模擬信號式和數(shù)字信號式。

2.1 模擬信號式

模擬信號式通過控制電路通斷或輸出不同的電壓值實現(xiàn)開關(guān)功能，分述如下：

開關(guān)按鍵下方布置有導(dǎo)電橡膠，當(dāng)按鍵被按壓時，導(dǎo)電橡膠底部的金屬片與電路板中的觸點(diǎn)接觸，導(dǎo)通電路板電路；按鍵釋放后自動復(fù)位，金屬片與觸點(diǎn)分離，電路斷開。該種方式中按鍵觸點(diǎn)與開關(guān)插針一一對應(yīng)，靠不同的插針輸出信號給不同的控制器實現(xiàn)不同的功能。（詳見圖9）

如果在上述電路板中的觸點(diǎn)旁邊串聯(lián)一個電阻，然后將若干個觸點(diǎn)并聯(lián)在一起，由同一個插針輸出，即變成輸出電壓值的控制方式，稱之為電阻編碼式。當(dāng)某一觸點(diǎn)被觸發(fā)時，其串聯(lián)電阻的分壓值輸出給控制器，控制器通過判斷該數(shù)值大小便能夠判斷是哪一個觸點(diǎn)被觸發(fā)，從而開啟相應(yīng)功能。該方式在理論上可以無限擴(kuò)展單一插針的功能，從而大大減少插針數(shù)量，降低整車線束重量，對于車輛輕量化具有積極意義。（詳見圖9）

2.2 數(shù)字信號式

數(shù)字信號式是開關(guān)的未來發(fā)展方向，目前各家主機(jī)廠都在大力發(fā)展和應(yīng)用該類開關(guān)。數(shù)字信號式開關(guān)通過CAN線或LIN線與控制器進(jìn)行通訊，發(fā)送和接收數(shù)字信號，通過定義故障碼可支持在線診斷。圖10是本公司開發(fā)的一款空調(diào)開關(guān)電氣原理圖，該開關(guān)包含10項空調(diào)功能，均通過CAN通訊模塊（MCU+LDO+CAN）發(fā)送數(shù)字信號，并接收來自空調(diào)控制器的反饋開啟相應(yīng)工作指示燈。相比于傳統(tǒng)的模擬信號式開關(guān)，數(shù)字信號式開關(guān)具備明顯優(yōu)勢：①針腳個數(shù)大大減少，從而減少了整車線束數(shù)量，進(jìn)而減輕了整車重量，對燃油經(jīng)濟(jì)性有積極意義；②支持在線診斷，可通過OBD口查看各開關(guān)狀態(tài)和故障碼，從而更加高效地對車輛進(jìn)行維護(hù)和檢修；③開關(guān)集成化程度更高，通過coding和flashing可在開發(fā)、生產(chǎn)、裝配、售后等階段對開關(guān)功能進(jìn)行刷寫，更加靈活地跟不同車型進(jìn)行匹配，提高了開關(guān)的通用化程度。

圖10 數(shù)字信號式

3 手感

開關(guān)操作手感取決于開關(guān)力特性，而力特性體現(xiàn)在宏觀層面是指在操作開關(guān)的過程中，開關(guān)反作用力反饋給駕駛者的信息集合，它涵蓋了操作過程中駕駛員的全部感覺；體現(xiàn)在微觀層面是指操作開關(guān)的過程中，操作力與開關(guān)行程的對應(yīng)關(guān)系。一般而言，可結(jié)合實驗法對此類特性展開分析，并探究其與主觀評價的實際聯(lián)系[3]。

3.1 手感定義

把按壓式開關(guān)全程操作力和行程的對應(yīng)關(guān)系描繪成曲線，即力特性曲線。如圖11所示。

圖11 操作力與行程關(guān)系圖

該曲線涵蓋兩個主要因素，即下壓曲線和回彈虛線。曲線越圓潤代表該開關(guān)的手感越好。表1為曲線中關(guān)鍵物理量的含義。

表1 力特性曲線關(guān)鍵物理量

力特性曲線定義：

旋轉(zhuǎn)式開關(guān)通常用扭矩和角度來定義手感，將開關(guān)操作全程的扭矩和旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)關(guān)系描繪成曲線，即扭矩-角度曲線。如圖12所示。

圖12 扭矩-角度曲線圖

各個物理量的定義如下所述。

振幅：反應(yīng)旋轉(zhuǎn)式開關(guān)扭矩值；

斜率：要求上升斜率大于下降斜率，以防止開關(guān)發(fā)生過擋；

停止位置：旋轉(zhuǎn)式開關(guān)各個擋位所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度值，一般相鄰兩擋位角度差大于20°；

負(fù)脈沖信號：旋轉(zhuǎn)式開關(guān)需要設(shè)置一定數(shù)值的負(fù)脈沖信號，以防止旋鈕停留在兩個擋位之間，該值不宜過大，否則旋鈕入擋時會產(chǎn)生較大的沖擊，帶來噪聲。

3.2 手感測量

在現(xiàn)有技術(shù)中，車載開關(guān)的操作力和操作行程差異很大，導(dǎo)致開關(guān)手感很難統(tǒng)一，在用戶體驗上容易產(chǎn)生廉價感。而產(chǎn)生上述問題的根本原因，是無法準(zhǔn)確測量開關(guān)操作力和操作行程的數(shù)值，更無法繪制以力和行程為變量的曲線，導(dǎo)致設(shè)計人員無法獲取操作力和操作行程之間的對應(yīng)關(guān)系。本公司設(shè)計開發(fā)的一種車用開關(guān)檢測裝置，可實時繪制開關(guān)力值曲線，實現(xiàn)開關(guān)手感數(shù)值化，大大提高了改善手感的針對性和可操作性，如圖13所示。

1-主電機(jī) 2-立柱 3-升降臺 4-副電機(jī) 5-扭矩儀 6-卡爪 7-底板 8-夾具 9-側(cè)板 10-接線柱 11-探頭 12-傳感器 13-變形塊 14-絲杠 15-螺母

4 結(jié)語

汽車開關(guān)作為各種控制器的操縱件，負(fù)責(zé)整車60%以上功能的開啟和關(guān)閉，對行車安全性、便利性、舒適性起著至關(guān)重要的作用。汽車開關(guān)種類繁多，功能各異，開發(fā)時既要考慮開關(guān)形態(tài)外觀滿足整車造型風(fēng)格，又要兼顧其同控制器間的通訊方式，還要滿足操作手感的舒適性要求。

（1）目前應(yīng)用最廣泛的是按壓式、旋轉(zhuǎn)式和滑動式，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，技術(shù)成熟，在未來一段時間內(nèi)仍然占據(jù)主要地位。隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化水平的不斷提高，開關(guān)將朝著電磁式和觸摸式發(fā)展，該領(lǐng)域的研究也將越來越深入。

（2）模擬信號式開關(guān)價格低廉、成熟可靠，但無法滿足高速率通訊、整車在線診斷等高要求，在不久的將來，數(shù)字信號式開關(guān)將得到普及。

（3）隨著消費(fèi)者對整車品質(zhì)的要求越來越高，開關(guān)手感的優(yōu)劣也得到了越來越多的關(guān)注。依托于先進(jìn)的檢測設(shè)備和計算機(jī)軟件，開關(guān)手感的研究更加精細(xì)化，將來會開發(fā)出多種手感定義的開關(guān)產(chǎn)品，以匹配不同的車型定義，滿足不同群體的消費(fèi)者。

[1] 竇俊華,沈秀堂.汽車開關(guān)設(shè)計概述[J].汽車電器,201807.

[2] 柏秋陽,王輝,危學(xué)兵,馮陳澤芳,李德群.基于模內(nèi)電子（IME）工藝的汽車多功能控制開關(guān)設(shè)計及研究[J].塑料工業(yè),201807.

[3] 馮超.汽車開關(guān)的手感關(guān)鍵特性及測量評價方法[J].汽車電器, 201808.

The Research Status and Development of Automotive Switch

Wang Zaichang, Wu Feng

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110000 )

With the rapid development of automotive technology, the research of automotive switches is going into intensive study. Additional, automobiles are becoming more intelligent and networked. This paper describes the latest technology of designing and producing switches, and predicts development trend. So it has high reference value in the research of auto -motive switches.

automotive switch; The air conditioning system; switch feeling

U463.66

A

1671-7988(2019)09-241-04

U463.66

A

1671-7988(2019)09-241-04

王在昌，工程師，碩士，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為汽車開關(guān)結(jié)構(gòu)和電氣原理設(shè)計與開發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.081