汽車多功能方向盤開關(guān)設(shè)計淺談

方麗琴，高 茹

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130013）

1 功能介紹

隨著社會的發(fā)展，汽車的舒適性和操縱性越來越被人們所關(guān)注。為了滿足人們的需要，多功能方向盤開關(guān)作為汽車的重要操作部件，集成了多個功能按鍵，其優(yōu)點(diǎn)是駕駛員不需要有太大的動作就可以方便地控制車內(nèi)的較多功能。同時要求做到外形美觀、功能全面、反應(yīng)迅速、手感良好和經(jīng)久耐用。

由于方向盤開關(guān)的布置空間有限，所以一般將使用頻率較高的功能按鍵布置在方向盤開關(guān)上。一般方向盤開關(guān)的功能主要包括：巡航開啟/關(guān)閉、儀表信息顯示控制、音響控制按鍵、藍(lán)牙控制按鍵和語音控制按鍵等，另外還需實(shí)現(xiàn)喇叭功能。同時，夜晚照明要求開關(guān)按鍵有背光。如圖1所示。

圖1 方向盤開關(guān)功能

對方向盤開關(guān)的功能要求為：①方向盤開關(guān)功能信號采集與輸出；②字符帶背光；③開關(guān)線束中應(yīng)包含喇叭過渡線束。

2 設(shè)計要點(diǎn)

2.1 開關(guān)按鍵尺寸設(shè)計

首先從功能設(shè)置和用戶使用舒適性角度，大體排布各按鍵位置和尺寸設(shè)計。結(jié)合造型Cas，確認(rèn)大體外形，然后再結(jié)合方向盤骨架空間及表面要求等分析空間可行性，協(xié)同造型調(diào)整開關(guān)具體形狀和位置，同時確認(rèn)間隙段差等。

方向盤開關(guān)按鍵形式分為傳統(tǒng)按鍵式和觸摸式，見圖2。傳統(tǒng)按鍵式開關(guān)包含的操作種類一般有直按型、蹺板型、撥鈕型、滾輪型等。直按式按鍵大小，應(yīng)以手指操作舒適為宜，一般建議大小為12mm×15mm，按鍵間隙0.5mm。直按式按鍵的操作行程一般是1.5mm左右，翹板式的開關(guān)操作角度要求8°～10°。觸摸式方向盤開關(guān)的表面為一個整體面板，有的車型為了防止誤操作增加一個行程觸發(fā)，觸發(fā)行程為0.5mm。這些尺寸需要計算在開關(guān)空間結(jié)構(gòu)尺寸里。匹配用的安裝結(jié)構(gòu)可深入到方向盤骨架里，不計算在開關(guān)縱向空間的尺寸內(nèi)。一般來說，開關(guān)縱向厚度至少需要23～25mm。觸摸式開關(guān)表面都比較平整，因各功能區(qū)之間分界不明顯，所有功能設(shè)置不易過多，各功能之間不可距離太近，否則容易引起誤操作。

圖2 按鍵式和觸摸式開關(guān)圖例

為了防止開車過程中誤操作方向盤開關(guān)，要求方向盤開關(guān)位置不能過分靠近方向盤把圈，一般人機(jī)建議開關(guān)按鍵位置距離方向盤把圈外緣超過45mm。如圖3所示。

圖3 開關(guān)布置位置

2.2 開關(guān)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)按鍵式方向盤開關(guān)的空間結(jié)構(gòu)可分為：外殼、按鈕、推桿、導(dǎo)電橡膠、微動開關(guān)、PCB板和底座，如圖4所示。電容式觸摸開關(guān)的空間結(jié)構(gòu)有：觸摸面板、字符膜、柔性PCB、調(diào)光板、按鈕座、殼體、防水橡膠、PCB板和底座。

圖4 按鍵式開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

開關(guān)上的字符一般都要求有背光，目前普遍采用LED光源。在開關(guān)內(nèi)部LED需要足夠空間以實(shí)現(xiàn)配光調(diào)整、散熱及導(dǎo)光等。防漏光需要有擋光機(jī)構(gòu)，同時運(yùn)動部件留出運(yùn)動空間，不能與其他結(jié)構(gòu)干涉。

開關(guān)擋位導(dǎo)通機(jī)構(gòu)依靠微動開關(guān)或者導(dǎo)電橡膠。微動開關(guān)是一類機(jī)械電氣開關(guān)，體積小，可選型號范圍大，觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換迅速，應(yīng)用范圍十分廣泛。微動開關(guān)主要由速動機(jī)構(gòu)和電接觸系統(tǒng)組成。作為成熟產(chǎn)品，微動開關(guān)具有良好的機(jī)械壽命、電壽命和可靠性。優(yōu)質(zhì)的微動開關(guān)，其防塵性明顯優(yōu)于導(dǎo)電橡膠。開關(guān)的防水結(jié)構(gòu)有主動防水和被動防水，依據(jù)具體的結(jié)構(gòu)可適當(dāng)選擇。如空間允許最好用主動防水結(jié)構(gòu)；如空間受限嚴(yán)重，且有良好的導(dǎo)水空間，也可以采用被動防水結(jié)構(gòu)。

2.3 開關(guān)的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

方向盤開關(guān)與方向盤本體匹配的結(jié)構(gòu)大體分為3種：預(yù)裝結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)和緊固結(jié)構(gòu)。某一具體結(jié)構(gòu)部件可能同時兼具幾種作用。

1）預(yù)裝結(jié)構(gòu)：保證開關(guān)在未裝配牢固時，裝配過程中不易脫落，如蘑菇頭結(jié)構(gòu)。

2）定位結(jié)構(gòu)：保證開關(guān)與方向盤定位準(zhǔn)確可靠，常用孔軸配合。

3）緊固結(jié)構(gòu)：保證開關(guān)與方向盤結(jié)合牢固，在試驗及使用過程中不脫落，常見結(jié)構(gòu)有螺釘緊固、金屬簧片、卡扣等。

零件設(shè)計的自身結(jié)構(gòu)和安裝結(jié)構(gòu)，需要考慮其受限條件：方向盤骨架、DAB及裝飾條結(jié)構(gòu)，同時要考慮裝配工藝和順序等。DAB屬于安全件范圍內(nèi)，DAB爆破時,方向盤總成（包含開關(guān)）不能分散對駕乘人員造成傷害。開關(guān)設(shè)計要充分考慮結(jié)構(gòu)的牢固性。

2.4 開關(guān)的電路設(shè)計

方向盤開關(guān)功能較少時，通常采用模擬信號輸出，內(nèi)部采用電阻網(wǎng)絡(luò)形式。隨著功能的增加以及便于后期的功能擴(kuò)展，越來越多車型的方向盤開關(guān)采用LIN控制與主控制器進(jìn)行信號交互。在基本性能方面，要求方向盤開關(guān)的信號清晰穩(wěn)定，電壓信號（電阻網(wǎng)絡(luò)型開關(guān)）不能超出對應(yīng)系統(tǒng)給定的各擋位電壓范圍。數(shù)字信號按MATRIX表穩(wěn)定輸出。

如圖5所示，電阻網(wǎng)絡(luò)型的方向盤開關(guān)依據(jù)開關(guān)按鍵數(shù)量分為幾個功能模塊，一般每個功能模塊引出2條硬線，每個按鍵所對應(yīng)回路的電阻值不同，控制單元識別不同的電壓輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能控制。按動開關(guān)按鍵，擋位的導(dǎo)通由開關(guān)內(nèi)部的導(dǎo)電橡膠或微動開關(guān)完成。相對應(yīng)的系統(tǒng)提供電源和上拉電阻，不同擋位對應(yīng)不同的分壓值，從而使系統(tǒng)識別到具體的開關(guān)擋位。一般每個功能模塊的按鍵數(shù)量不超過6個，數(shù)量過多易識別擋位錯誤。另外開關(guān)的背光由單獨(dú)的2條硬線控制。

圖5 電阻網(wǎng)絡(luò)開關(guān)電路局部圖

LIN通信的方向盤開關(guān)將開關(guān)與控制器之間傳輸?shù)男盘栐O(shè)為數(shù)字信號，有利于保證信號的準(zhǔn)確性。開關(guān)按鍵信號傳輸給開關(guān)內(nèi)部的MCU，轉(zhuǎn)換為LIN信號，與主控制器進(jìn)行LIN通信。主控制器通常為BCM或IVI，開關(guān)的背光也受主控制器的LIN信號控制。開關(guān)的功能控制只需要3根線束，分別為電、搭鐵、LIN線。如圖6所示。

2.5 開關(guān)的線束設(shè)計

根據(jù)開關(guān)電路設(shè)計原理，可得知引出線束的根數(shù)，選擇合適數(shù)量PIN腳的接插件。轉(zhuǎn)向盤開關(guān)的接插件通常有2個：一個與時鐘彈簧連接，開關(guān)信號和背光信號通過時鐘彈簧與整車線束連接；另一個是喇叭線束，與DAB連接。開關(guān)內(nèi)部對喇叭信號不做任何處理，僅僅對喇叭線束進(jìn)行過渡轉(zhuǎn)接。部分高端車型有方向盤加熱功能，還需要增加相關(guān)線束和接插件與加熱墊相連。

線束和接插件的作用，是將開關(guān)信號引入到控制電路中。接插件應(yīng)具備可靠連接性、方便安裝和拆卸的特性等。接插件和線束的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可參考線束類零件。線束走向在轉(zhuǎn)向盤開關(guān)線束設(shè)計中要特別注意，需嚴(yán)格控制走向和空間位置，避免線束較大長度懸空。接插件位于DAB模塊下方，應(yīng)保證線束與DAB保持安全距離，否則線束磨損或者摩擦異響，阻礙按壓喇叭操作，嚴(yán)重的可能還會對DAB的安全性造成影響。

圖6 LIN觸摸開關(guān)電路局部圖

3 總結(jié)

多功能方向盤開關(guān)是汽車上操作使用最頻繁的部件之一，是汽車數(shù)字化、智能化的重要體現(xiàn)。汽車市場競爭激烈，必須跟上市場需求，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代。先考慮功能的使用頻率來確定各按鍵的布置位置，從按鍵的功能來選擇合適的按鍵類型和尺寸大小，從結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計來控制產(chǎn)品的品質(zhì)和成本，不斷研究各車型的開關(guān)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢，不斷提高方向盤開關(guān)的品質(zhì)和用戶感知。