汽車方向盤開關(guān)失效問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)

沙發(fā)明、喬斌、袁林、曾飛、陳強(qiáng)

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 401130）

0 引言

隨著汽車智能化程度的提高，用戶對(duì)汽車功能的操作越來越多，促進(jìn)了車輛和用戶的信息交流[1]。其中方向盤作為用戶使用頻率較高的產(chǎn)品，除了能滿足基本的轉(zhuǎn)向功能，還需要增加附加功能來提升用戶的操作便利性。其中最顯著的變化是汽車方向盤開關(guān)的功能數(shù)量增加，除了能方便用戶操作中控娛樂和儀表功能，還需要滿足用戶對(duì)智能駕駛功能操作便利性和安全性[2-3]。

1 問題描述

某車型在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，用戶反映在操作方向盤的滾輪開關(guān)，控音量調(diào)節(jié)和上下一曲的滾輪開關(guān)反應(yīng)不靈敏或無響應(yīng)。經(jīng)測(cè)試，滾輪開關(guān)的確存在問題（表1）。

表1 滾輪開關(guān)功能測(cè)試結(jié)果

2 原因分析

控制該車型音量調(diào)節(jié)、上下一曲的方向盤開關(guān)，采用的是無極滾輪結(jié)構(gòu)，為撥片式微動(dòng)開關(guān)式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過操作滾輪帶動(dòng)第二星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第二星輪轉(zhuǎn)動(dòng)后撥動(dòng)微動(dòng)開關(guān)的撥叉，形成觸發(fā)信號(hào)，輸出相應(yīng)的操作功能。

圖1 無極滾輪結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求測(cè)量了方向盤滾輪開關(guān)的輸出信號(hào)（圖2）。開關(guān)的信號(hào)周期為：t=t1+t2，其中t1表示為滾輪滾動(dòng)時(shí)開關(guān)的撥叉形成觸發(fā)信號(hào)瞬間接觸的時(shí)間，t2為滾輪開關(guān)撥叉未觸發(fā)的時(shí)間。目前測(cè)試顯示t1為3.5 ms，t2為20.0 ms 左右。

圖2 滾輪開關(guān)的輸出信號(hào)測(cè)試

根據(jù)中控娛樂主機(jī)MCU 設(shè)置，A/D 采樣的周期是4.0 ms，連續(xù)采集8 次有效后，則認(rèn)為該操作有效，再把相關(guān)的信息發(fā)送給CPU 進(jìn)行處理。而現(xiàn)在滾輪式開關(guān)t1時(shí)間遠(yuǎn)小于32.0 ms,那么主機(jī)就無法采集到有效信號(hào)，故無響應(yīng)。

3 解決方案

方案一：將方向盤第二星輪的6 齒改為4 齒（圖3），在相同的滾動(dòng)速率下，增大撥叉觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間。同時(shí)減小DVD 連續(xù)采集8 次的時(shí)間，由32.0 ms 改為8.0 ms。通過制作滾輪樣件和調(diào)整中控娛樂主機(jī)軟件邏輯，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在4 擋滾輪基礎(chǔ)上，t1持續(xù)時(shí)間約在8.0 ms，但存在快速滾動(dòng)中控娛樂主機(jī)不響應(yīng)問題。

圖3 方案一優(yōu)化對(duì)比

對(duì)方案進(jìn)一步優(yōu)化，第二星輪齒厚加寬1 mm，進(jìn)一步試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，存在撥叉卡住的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)中控主機(jī)的表現(xiàn)為功能一直觸發(fā)，例如轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪開關(guān)調(diào)節(jié)音量，音量加/減會(huì)一直持續(xù)。

方案二：方向盤開關(guān)采用LIN 線控制（圖4）。該方案需要新增編碼器等硬件，同時(shí)需要更改開關(guān)和中控娛樂主機(jī)的通訊協(xié)議，成本相對(duì)較高，開發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)。但理論上分析，可解決滾輪開關(guān)不靈敏、空擋問題。

圖4 方案二優(yōu)化對(duì)比

方案三：方向盤滾輪開關(guān)結(jié)構(gòu)更改為撥桿開關(guān)結(jié)構(gòu)，原理類似于直壓按鍵的操作方式。向上或向下?lián)軇?dòng)撥桿，帶動(dòng)撥桿支架旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)支架兩端的頂桿按壓微動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)所需功能。該方案經(jīng)過測(cè)試，按鍵的信號(hào)時(shí)間與直壓按鍵的信號(hào)時(shí)間接近，約100.0 ms（圖5）。這完全滿足中控娛樂主機(jī)的采樣周期。

圖5 方案三優(yōu)化對(duì)比

4 方案實(shí)施效果

通過方案的試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮方案的成本和周期，采用方案三進(jìn)行測(cè)試。圖6為方案三撥桿式按鍵的周期：T=T1+T2，T1是快速撥桿按鍵（速度為10 次/s）的周期100.0 ms；T2 是到下一次的時(shí)間，T 總共大于200.0 ms。經(jīng)過耐久和高低溫等試驗(yàn)后，驗(yàn)證開關(guān)功能正常。與原狀態(tài)的結(jié)構(gòu)對(duì)比，結(jié)構(gòu)更改后的方案有效解決了開關(guān)失效問題。

圖6 撥桿開關(guān)的輸出信號(hào)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

基于某車型方向盤開關(guān)失效的具體案例，通過分析采樣周期找到失效原因并制定相應(yīng)的措施，得出以下結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)開發(fā)中，需要考慮按鍵信號(hào)的觸發(fā)周期與采集信號(hào)的主機(jī)采樣周期匹配，避免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法滿足采樣周期。

（2）設(shè)計(jì)開發(fā)中考慮成本和設(shè)計(jì)成熟度，建議采用撥桿開關(guān)。

（3）若采用滾輪結(jié)構(gòu)，則需要采用成本較高的方案二才能保證按鍵的觸發(fā)信號(hào)被主機(jī)正確的采集。