接觸式制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)探討

馬 良，王 健，劉 行，李 溪

（一汽轎車有限公司奔騰開發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)普遍應(yīng)用于乘用車，作為制動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)必要零件，發(fā)揮著重要的作用。制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)可以劃分為接觸式與非接觸式兩種，非接觸式比較穩(wěn)定，但是成本相對(duì)較高。接觸式開關(guān)成本相對(duì)較低，但是設(shè)計(jì)時(shí)需要做系統(tǒng)性的考慮，否則在后期應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)問題。

本文結(jié)合接觸式制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)在乘用車上的實(shí)際應(yīng)用總結(jié)出設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為車企追求低成本與高可靠性的制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)提供方案。

1 制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)簡(jiǎn)介

制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)內(nèi)部有兩個(gè)觸點(diǎn)，一個(gè)常開觸點(diǎn)和一個(gè)常閉觸點(diǎn)。常開觸點(diǎn)所在的回路稱之為“制動(dòng)回路”，常閉觸點(diǎn)所在的回路稱之為“非制動(dòng)回路”。操作類型為頂桿式，自動(dòng)回位型，頂桿內(nèi)部有自動(dòng)回位彈簧。開關(guān)一般安裝在制動(dòng)踏板的上方，當(dāng)制動(dòng)踏板未被踩下時(shí)，踏板自然回位，將開關(guān)的頂桿壓縮，此時(shí)制動(dòng)回路未接通，非制動(dòng)回路為接通的狀態(tài)；當(dāng)制動(dòng)踏板被踩下時(shí)，制動(dòng)開關(guān)的頂桿在自身彈簧力的作用下逐漸伸出，當(dāng)頂桿伸出至開關(guān)內(nèi)部電氣信號(hào)切換點(diǎn)時(shí)，制動(dòng)回路接通，同時(shí)非制動(dòng)回路斷開，此時(shí)各個(gè)控制器接收到制動(dòng)開關(guān)的信號(hào)后，根據(jù)控制策略執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。安裝示意圖如圖1所示。

圖1 安裝示意圖

2 制動(dòng)開關(guān)的通信簡(jiǎn)介

制動(dòng)開關(guān) （BLS）一般會(huì)與車身控制單元 （BCM）、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng) （EMS）和電子穩(wěn)定系統(tǒng) （ESP）通信。BCM和ESP只采制動(dòng)回路的信號(hào)，EMS會(huì)采制動(dòng)與非制動(dòng)回路信號(hào)，EMS通過制動(dòng)開關(guān)的兩路信號(hào)對(duì)開關(guān)是否故障件進(jìn)行判斷。

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板，BCM接收到制動(dòng)回路信號(hào)時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)車輛的制動(dòng)燈點(diǎn)亮；EMS接收到制動(dòng)回路信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)接收到非制動(dòng)回路的信號(hào)，EMS對(duì)信號(hào)校驗(yàn) （此校驗(yàn)為EMS對(duì)開關(guān)兩路信號(hào)不一致性的校驗(yàn)）后若無問題，則說明制動(dòng)踏板真的被踩下了，此時(shí)EMS采取一系列動(dòng)作，包括控制油泵停止給發(fā)動(dòng)機(jī)供油等。ESP獲取到制動(dòng)信號(hào)后經(jīng)過校驗(yàn) （此校驗(yàn)為ESP對(duì)制動(dòng)回路信號(hào)與主缸壓力之間的校驗(yàn)）后若無問題，則ESP內(nèi)部相應(yīng)的功能可以啟動(dòng)。

在選取控制器內(nèi)部用于接開關(guān)信號(hào)的電阻時(shí)，要考慮實(shí)際電流是否在開關(guān)的工作電流范圍內(nèi)。以本公司在用的某款制動(dòng)開關(guān)為例，工作電流范圍是3～100mA，控制器在選取電阻時(shí)，希望越大越好，這樣工作電流比較小，電阻的功耗比較小，在考慮電阻散熱時(shí)便可以使用較小的電阻封裝尺寸。但是若電阻值過大，那么實(shí)際的電流超過開關(guān)的工作電流范圍，會(huì)造成導(dǎo)通不可靠的情況，綜合考慮，3.3kΩ的電阻為多數(shù)控制器可接受的阻值，此時(shí)使用0603封裝即可。通信示意如圖2所示。

圖2 通信示意圖

3 電氣設(shè)計(jì)參數(shù)：工作電壓、工作電流、電氣信號(hào)切換點(diǎn)

3.1 工作電壓

根據(jù)乘用車蓄電池的工作電壓范圍，制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的工作電壓范圍為9～16V，此參數(shù)為設(shè)計(jì)制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的工作電流時(shí)的重要計(jì)算依據(jù)。

3.2 工作電流

制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的工作電流取決于其所在的電路環(huán)境。對(duì)于制動(dòng)回路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)燈的方式不同而分為兩種。

1）一種為制動(dòng)回路直接帶制動(dòng)燈負(fù)載，典型工作電流為6A或者11A，工作電流的大小取決于制動(dòng)燈的功率。此種方式工作電流比較大，所以拉弧現(xiàn)象明顯，容易產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕問題，實(shí)際售后市場(chǎng)也會(huì)存在此問題。減輕此問題的措施為確保開關(guān)成品內(nèi)觸點(diǎn)的清潔度，但由于工作電流較大，燒蝕不可避免。制動(dòng)回路帶載制動(dòng)燈示意如圖3所示。

圖3 制動(dòng)回路帶載制動(dòng)燈示意圖

2）另外一種為BCM驅(qū)動(dòng)制動(dòng)燈，對(duì)于開關(guān)來講，制動(dòng)回路只需要提供給BCM信號(hào)即可，工作電流比較小，流過EMS及ESP的電流也為毫安級(jí)別，此種控制方式不存在觸點(diǎn)燒蝕問題，同時(shí)在控制上還可以對(duì)外部制動(dòng)燈進(jìn)行診斷等優(yōu)勢(shì)，所以各主機(jī)廠逐漸開始使用工作電流比較小的制動(dòng)開關(guān)。制動(dòng)回路不帶載制動(dòng)燈示意如圖4所示。

圖4 制動(dòng)回路不帶載制動(dòng)燈示意圖

對(duì)于非制動(dòng)回路，其工作電流取決于EMS內(nèi)部接收信號(hào)的電路的搭建，從實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果來看，開關(guān)的工作電流在毫安級(jí)別比較好，開關(guān)不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)燒蝕的失效模式。制動(dòng)開關(guān)非制動(dòng)回路接線示意圖如圖5所示。

制動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)要做到可靠導(dǎo)通毫安級(jí)別的電流，經(jīng)過對(duì)各種形式開關(guān)的調(diào)研及實(shí)際應(yīng)用，滑片式首推，其次為對(duì)碰式，但是對(duì)碰式要求觸點(diǎn)做工精細(xì)，防塵性要重點(diǎn)控制，否則會(huì)出現(xiàn)接觸不良的問題。

圖5 制動(dòng)開關(guān)非制動(dòng)回路接線示意圖

3.3 電氣信號(hào)切換點(diǎn)

此參數(shù)尤為重要，即需要確定開關(guān)在哪點(diǎn)導(dǎo)通，開關(guān)的兩路信號(hào)切換點(diǎn)是否需要同步等問題。這主要取決于接收開關(guān)信號(hào)的各個(gè)控制器。

對(duì)于開關(guān)的切換點(diǎn)位置的確定，需要考慮制動(dòng)系統(tǒng)建壓過程是否與制動(dòng)回路信號(hào)有關(guān)。以某車型為例，ESP系統(tǒng)在建壓的過程中會(huì)對(duì)制動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)主缸開始建立壓力，當(dāng)建立至a（bar）時(shí)，如果ESP仍然沒有接收到制動(dòng)開關(guān)的制動(dòng)信號(hào)，那么ESP系統(tǒng)認(rèn)為有問題了，滿足診斷策略后會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，所以制動(dòng)開關(guān)需要在制動(dòng)系統(tǒng)主缸壓力值達(dá)到a之前發(fā)出，結(jié)合制動(dòng)踏板與主缸之間的壓力-行程曲線及制動(dòng)踏板的尺寸便可確認(rèn)制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的電氣信號(hào)切換點(diǎn)。當(dāng)然，如果制動(dòng)開關(guān)為借用方案，需要在設(shè)計(jì)之初校驗(yàn)開關(guān)的安裝位置是否滿足ESP系統(tǒng)要求，如果不滿足，則需要調(diào)整制動(dòng)開關(guān)在制動(dòng)踏板的安裝位置，移動(dòng)到一個(gè)合適的位置來滿足ESP系統(tǒng)的需求。制動(dòng)開關(guān)的切換點(diǎn)典型推薦值為2.5～3.0mm。踏板行程&壓力曲線示意圖如圖6所示。

圖6 踏板行程&壓力曲線示意圖

對(duì)于兩路信號(hào)切換點(diǎn)是否需要同步的問題，目前各品牌制動(dòng)開關(guān)不統(tǒng)一，有的開關(guān)兩路信號(hào)切換點(diǎn)在同一點(diǎn)，有的在設(shè)計(jì)上有0.5～0.9mm的不同步距離，但是在EMS對(duì)開關(guān)進(jìn)行診斷時(shí)，均認(rèn)為開關(guān)的兩路信號(hào)不一致是對(duì)的，如果出現(xiàn)一致，那么則認(rèn)為有問題，只是策略的細(xì)節(jié)不同罷了，鑒于此，建議兩路信號(hào)在同一點(diǎn)切換，且公差越小越好，目前可以控制在±0.3mm左右的精度。開關(guān)切換點(diǎn)示意圖可參考圖7。

圖7 開關(guān)切換點(diǎn)示意圖

4 機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)：工作行程、調(diào)節(jié)行程、操作力

4.1 調(diào)節(jié)行程

調(diào)節(jié)行程是開關(guān)為了適應(yīng)開關(guān)安裝支架的尺寸變化而設(shè)計(jì)的行程，一般設(shè)計(jì)為8mm，正負(fù)方向均有4mm的踏板變形允許量。開關(guān)安裝后，踏板回位時(shí)可自行調(diào)節(jié)距離。此值可根據(jù)實(shí)際需要而設(shè)定。目前很多開關(guān)安裝時(shí)需要鎖緊螺母，在此不推薦，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)在安裝時(shí)對(duì)操作人員的要求非常高，如果安裝過位或者不到位，便會(huì)產(chǎn)生加速無力或者制動(dòng)燈常亮等問題。在使用自動(dòng)調(diào)節(jié)式開關(guān)時(shí)，需校驗(yàn)踏板回位力是否能克服開關(guān)自動(dòng)調(diào)節(jié)的止擋力。

4.2 操作力

操作力即為開關(guān)頂桿被完全壓縮時(shí)的力，典型值為10±3N。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如下因素：駕駛員在松開制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板回位力能夠克服制動(dòng)開關(guān)頂桿的彈簧力。操作力要小于止擋力，否則調(diào)節(jié)行程會(huì)失效，繼而引發(fā)其他問題。

4.3 工作行程

工作行程即制動(dòng)開關(guān)的頂桿能夠被壓進(jìn)的行程，典型值為6mm。如果行程過長(zhǎng)，則制動(dòng)踏板墊與開關(guān)頂桿接觸時(shí)對(duì)開關(guān)頂桿產(chǎn)生的非軸向分力過大，進(jìn)而增加開關(guān)的磨損，同時(shí)也會(huì)增加頂桿與開關(guān)本體的摩擦力；如果行程過短，便會(huì)接近開關(guān)的電氣切換點(diǎn)，容錯(cuò)能力會(huì)下降，綜合考慮各品牌制動(dòng)開關(guān)的電氣切換點(diǎn)各有不同，如2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.6mm、4.5mm等值，建議取6mm較為合適。

5 NVH相關(guān)、觸點(diǎn)形式、耐久壽命

5.1 NVH相關(guān)

開關(guān)在工作中也屬于運(yùn)動(dòng)部件，主要包括兩方面：一是自身頂桿伸縮運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲音，為了減少摩擦，推薦頂桿使用圓型設(shè)計(jì)；二是頂桿與踏板墊相對(duì)摩擦產(chǎn)生的聲音，此處要考慮頂桿頭的圓弧半徑，使其與踏板墊始終保持點(diǎn)接觸，減小摩擦力。同時(shí)頂桿頭的硬度及光滑度也要保證，工作時(shí)不能變形，表面無毛刺，材料建議為PA66+GF，同時(shí)踏板墊的硬度也要保證。

5.2 觸點(diǎn)形式

觸點(diǎn)的形式一般分為滑片式和對(duì)碰式。滑片式要考慮耐磨損特性，從鍍層及潤(rùn)滑兩方面考慮，其中鍍層至少要鍍銀鎳，潤(rùn)滑脂對(duì)觸點(diǎn)磨損有很好的保護(hù)作用，足夠量的油脂可減少觸點(diǎn)磨損。經(jīng)過多年總結(jié)，建議使用NS-9494-G型號(hào)油脂。

5.3 耐久壽命

耐久壽命在理論上越長(zhǎng)越好，但是相應(yīng)的成本也會(huì)增加，所以需要尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，此平衡點(diǎn)的主要依據(jù)為整車的質(zhì)保周期，大部分車企的制動(dòng)開關(guān)的質(zhì)保與整車質(zhì)保相同，即3年或10萬公里。綜合高速路況、城市路況及村鎮(zhèn)路況，制動(dòng)開關(guān)的使用頻次為10次／公里，10萬公里即100萬次，所以制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)的耐久壽命至少要達(dá)到100萬次，統(tǒng)觀行業(yè)，也是符合的。

6 設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

接觸式制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)在設(shè)計(jì)前需要對(duì)外部環(huán)境的制約因素考慮清楚并進(jìn)行校驗(yàn)，這樣在設(shè)計(jì)前期就可以將風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避掉，從而提高制動(dòng)開關(guān)的穩(wěn)定性，同時(shí)也保證了制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。