汽車方向盤開關失效問題的優化設計

沙發明 喬斌 袁林 曾飛 陳強

摘要：基于某車型方向盤多功能開關設計失效問題的具體案例，在滿足功能需求和低成本的要求下，對開關的方案進行結構分析和成本對比，優化方案，并經過試驗驗證，解決了因結構設計問題帶來的開關失效。

關鍵詞：方向盤;多功能開關;滾輪;撥桿;優化設計

中圖分類號：U461文獻標識碼：A

0引言

隨著汽車智能化程度的提高，用戶對汽車功能的操作越來越多，促進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品，除了能滿足基本的轉向功能，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的功能數量增加，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

某車型在開發過程中發現，用戶反映在操作方向盤的滾輪開關，控音量調節和上下一曲的滾輪開關反應不靈敏或無響應。經測試，滾輪開關的確存在問題（表1）。

2原因分析

控制該車型音量調節、上下一曲的方向盤開關，采用的是無

極滾輪結構，為撥片式微動開關式，其結構如圖1所示。通過操作滾輪帶動第二星輪轉動，第二星輪轉動后撥動微動開關的撥叉，形成觸發信號，輸出相應的操作功能。

根據設計要求測量了方向盤滾輪開關的輸出信號（圖2）。開關的信號周期為：t=t1+t2，其中t1表示為滾輪滾動時開關的撥叉形成觸發信號瞬間接觸的時間，t2為滾輪開關撥叉未觸發的時間。目前測試顯示t1為3.5ms，t2為20.0ms左右。

根據中控娛樂主機MCU設置，A/D采樣的周期是4.0ms，連續采集8次有效后，則認為該操作有效，再把相關的信息發送給CPU進行處理。而現在滾輪式開關t1時間遠小于32.0ms，那么主機就無法采集到有效信號，故無響應。

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），在相同的滾動速率下，增大撥叉觸發信號的時間。同時減小DVD連續采集8次的時間，由32.0ms改為8.0ms。通過制作滾輪樣件和調整中控娛樂主機軟件邏輯，試驗發現在4擋滾輪基礎上，t1持續時間約在8.0ms，但存在快速滾動中控娛樂主機不響應問題。

對方案進一步優化，第二星輪齒厚加寬1mm，進一步試驗后發現，存在撥叉卡住的風險。此時中控主機的表現為功能一直觸發，例如轉動滾輪開關調節音量，音量加/減會一直持續。

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

方案三：方向盤滾輪開關結構更改為撥桿開關結構，原理類似于直壓按鍵的操作方式。向上或向下撥動撥桿，帶動撥桿支架旋轉，旋轉支架兩端的頂桿按壓微動開關，實現所需功能。該方案經過測試，按鍵的信號時間與直壓按鍵的信號時間接近，約100.0ms（圖5）。這完全滿足中控娛樂主機的采樣周期。

4方案實施效果

通過方案的試驗結果，同時考慮方案的成本和周期，采用方案三進行測試。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100.0ms;T2是到下一次的時間，T總共大于200.0ms。經過耐久和高低溫等試驗后，驗證開關功能正常。與原狀態的結構對比，結構更改后的方案有效解決了開關失效問題。

5結束語

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

（1）設計開發中，需要考慮按鍵信號的觸發周期與采集信號的主機采樣周期匹配，避免結構設計無法滿足采樣周期。

（2）設計開發中考慮成本和設計成熟度，建議采用撥桿開關。

（3）若采用滾輪結構，則需要采用成本較高的方案二才能保證按鍵的觸發信號被主機正確的采集。

【參考文獻】

[1]趙毅，方健，朱偉.整車管路布置及質量控制研究[J].北京汽車，2012（06）：21-25.

[2]汪振興.淺議多功能方向盤開關[J].上海汽車，2015（03）：43-46.