基于汽車按鍵開關操作手感及一致性影響因素分析

薛現龍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

基于汽車按鍵開關操作手感及一致性影響因素分析

薛現龍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

主要從影響按鍵操作手感的機械結構，導電橡膠結構、尺寸、材料等方面重點進行了參數化分析，提出具有良好手感的力行程曲線應考慮的關鍵要素，通過實際應用和測試，形成了標準的開關操作力行程曲線，在一定程度上提高并改善了汽車按鍵開關手感及一致性水平。

按鍵座；自回位；手感；導電橡膠；力行程曲線；操作力；一致性

目前，越來越多的汽車電氣開關多采用小電流、自回位的形式，以實現對相關電氣功能的控制。而隨著同類按鍵開關在車內數量的增多，開關操作手感一致性問題，被越來越多的用戶所關注。因而，按鍵開關手感好壞及一致性問題，在很大程度上會影響用戶對整車品質及精良性的評價。但在實際整車量產車型上，出現不同程度的按鍵操作力大小不均、行程不等、手感不同，甚至卡滯及按壓不到位等各種問題。而這些問題將直接影響用戶對汽車的整體印象，極大地降低用戶的購買欲望。

因此，本文提出一種合理的操作力、操作行程，合理的操作力行程比例關系、合理的筋槽配合尺寸選擇等措施，以提高按鍵的操作手感。重點對影響開關手感的諸多因素進行參數化分析，主要從產生按鍵手感的機械結構，導電橡膠結構、尺寸、材料等方面分析了對手感的影響，總結出具有良好手感的力行程曲線應注意的關鍵要素，形成了標準的開關操作力行程曲線。對自回位類型按鍵開關手感的一致性、精良性等方面的控制具有重要的意義。手的位置感覺是否明確［1］，也是判斷開關是否按下且有效的標志。

1.1 按鍵座與外殼體

按鍵自回位開關總成包括按鍵帽、按鍵座、主殼體、導電橡膠、電路板、底座等部件，如圖1所示。其中按鍵座、主殼體、導電橡膠是影響按鍵操作手感及一致性的關鍵組成部件。

1 開關手感的影響因素

開關手感是通過力感、行程感、位置感等綜合結果評價，其中位置感是指在操作過程中開關反饋給人

按鍵座與主殼體間的匹配的精細程度是影響開關手感的因素之一，按鍵座與主殼體間通過導向筋和導向槽的配合，來保證按鍵座在主殼體內做上下直線運動，如圖2所示。

X、Y向各2條筋槽配合，以X向其中一條筋槽配合為例，計算相關尺寸公差。計算尺寸公差通常采用尺寸鏈方法，所謂尺寸鏈即在工件加工或機器裝配過程中，由相互連接的尺寸形成的封閉尺寸組，成為尺寸鏈［2］。裝配尺寸鏈按各環的幾何特征和所處的空間位置分為線性尺寸鏈［3］、平面尺寸鏈［4-5］、角度尺寸鏈［6-7］、空間尺寸鏈。

圖2 導向筋和導向槽

本例采用線性尺寸鏈法，首先計算主殼體與按鍵座筋槽孔中心線尺寸公差。如圖3所示，其中A1為按鍵座槽中心與中心線的距離，A2為主殼體筋中心與中心線距離，A0為兩部件裝配后，筋槽中心線之間的距離。根據增環、減環、封閉環［2］定義，A0為封閉環，A1為增環，A2為減環，根據封閉環公式［8］基本尺寸

式中：ξi——第i組成環的尺寸傳遞系數，增環尺寸系數為1，減環尺寸系數為-1。

圖3 筋槽配合尺寸鏈

在設計中，要求筋槽兩中心線距離部件中心相同，即A1=A2，因此A0=A1-A2=0。根據封閉環極限偏差公式［8］

式中：ESp、EIp——增環尺寸的上、下偏差，ESq、EIq——減環尺寸的上、下偏差。

假設A1公差±a，A2公差±a，則根據以上公式，ES0=-2a，EI0=-2a，則A0公差±2a。

筋槽配合設計間隙0.05 mm，裝配后要求其最小間隙≥0.01 mm。則有0.05-2a≥0.01 mm，a≤0.02，因此，得出A1、A2設計公差應不大于0.02，且保證筋槽的制造公差不大于±0.01，方能滿足筋槽間不會有運動干涉風險，從而才能保證按鍵按壓過程順暢，且按壓后不會出現卡滯風險。

導向筋和槽的配合間隙取值受主殼體與按鍵座各自尺寸精度影響，一般筋槽配合間隙取0.05 mm，最小0.035 mm；過大則開關晃動大；反之，間隙過小，將會產生卡滯風險。

筋槽在直線運動方向上至少重合不小于8 mm，否則，若按鍵較大，按壓按鍵周邊時易產生按鍵傾斜，導致卡滯風險。

按鍵座與導電橡膠接觸部位應有預壓結構，來確保按鍵不會上下晃動，避免產生噪聲及按壓前的空行程。否則，將影響操作手感。

1.2 導電橡膠

導電橡膠即在橡膠中摻入導電顆粒，使這種復合材料的橡膠既具有橡膠的特性，又具有金屬的導電特性［9］。導電橡膠是按鍵自回位開關產生手感的最主要的部件，操作力及操作行程的參數均決定于導電橡膠的選擇。圖4所示為導電橡膠運動過程示意。

圖4 導電橡膠按壓狀態圖

手感是導電橡膠斜壁不能支撐操作力時被壓垮產生的斷落感，按鍵手感好壞取決于開關操作力行程曲線中操作力、操作行程的比例關系。一般操作力及行程曲線如圖5所示。

其中，F1為操作力，f1為恢復力；F2為接觸力，f2為接觸恢復力；S1為操作行程，S2為接觸行程；S3為全行程。

圖5 開關操作力及行程曲線示意圖

操作力是操作者對按鍵施加的力，可使斜壁發生彎曲；接觸力是導電橡膠觸點與PCB接觸時需要施加的力；恢復力是操作者取消按壓后，導電橡膠自回彈的力；S1為按壓過程中操作力最大時，開關的運動行程，S2為未按下按鍵時導電片與PCB之間的自然距離，S3為S2行程后，繼續按壓按鍵，使導電橡膠受擠壓發生的形變后的最大行程。

一般操作力與接觸力落差越大，恢復力越小，相應手感越好；但會出現壽命降低或者不回彈問題；若減小落差，增加恢復力，壽命提升，但手感就會較差。如何分配和控制操作力、接觸力、行程等之間比例關系尤其重要。

1.2.1 導電橡膠結構對手感影響分析

不同類型的導電橡膠對力行程曲線的影響不同，主要因素有斜壁角度、斜壁厚度、導電橡膠材料硬度、導電橡膠尺寸等。

1）斜壁角度 導電橡膠的斜壁角度常用37°～53°，其中45°最常用。如圖6所示，按鍵導電橡膠斜壁角度θ不同，操作力行程曲線也不一樣，θ越大，F1和F2落差越大，手感越好，但壽命越短。

圖6 不同斜壁角度的彎曲點

2）斜壁厚度 導電橡膠斜壁厚度越大，操作力越大。平均每增加0.01 mm厚度，操作力增加0.02～0.04 N。若設計F1=3 N的按鍵，常用橡膠材料硬度60度，斜壁厚度一般取0.775～0.8 mm。

斜壁厚度不僅影響操作力的大小，對相應的操作手感影響也較大。圖7所示為相同模具結構，相同的材料，不同斜壁厚度，得到的不同操作力行程曲線。

從圖7中可以看出，斜壁厚度遞增，操作力F1增加，接觸力F2增加，但F1與F2的落差減少，隨之手感將變差。反之，手感則變好。

3）材料硬度 導電橡膠的材料硬度一般為40～60度。橡膠的硬度較高時，剛性較好；相同斜壁厚度的導電橡膠，材料硬度越大，操作力越大。據統計，材料硬度不同，對操作力及其接觸力影響程度不同，材料硬度越小，操作力與接觸力落差越小，手感較差。圖8為操作力相同，用不同硬度的橡膠材料，相同的模具結構，得到不同的操作力行程曲線。從曲線上可以看出，材料硬度越高，操作力與接觸力落差越大，手感越好。

圖7 不同斜壁厚度操作力曲線

圖8 不同材料硬度操作力行程曲線

4）導電橡膠尺寸 導電橡膠尺寸大小同樣影響操作手感，因為導電橡膠尺寸大，其四周斜壁面積大，操作力越大。據統計，實現相同操作力，采用大小不同的導電橡膠，手感會有不同，且操作力與接觸力落差不同。如圖9所示，大的導電橡膠的落差力約大，手感越好。

1.2.2 導電橡膠行程對手感的影響分析

導電橡膠接觸行程設計應考慮其斜壁長度。理想狀態，斜壁長度等于接觸行程，如圖10所示，導電橡膠按壓后開關觸點接通。

圖9 不同大小導電橡膠曲線

圖10 L=S2按壓后示意圖

若接觸行程小于導電橡膠斜壁長度，在按壓開關時，斜壁可能在壓垮前即已經與PCB板接觸，這時并沒有產生手感，如圖11所示。反之，若導電橡膠斜壁小于接觸行程，則會出現開關按壓后，導電橡膠觸點沒有與PCB板接觸，導致開關失效。

圖11 L＞S2按壓后示意圖

因此，在設計開關行程時，應充分考慮其斜壁長度，應滿足斜壁長度近似等于接觸行程。

2 結論

前面提到F1與F2落差越大，手感越好，用公式表示手感=（F1-F2）/F1×100%。但此比值受其它條件限制不可能達到100%。

以F1=3N為例：理論上為保證按鍵順利回彈，f2需大于0.5N，F2與f2之間能量損耗為（0.5～0.7）N，取F2=1.2N，而手感=（F1-F2）/F1=（3-1.2）/3×100%=60%。

但實際中，由于按鍵還需克服與膠殼之間的摩擦力避免卡滯，取f2大于1 N，取F2=（1.5～1.7）N，所以手感=（F1-F2）/F1=［3-（1.5～1.7）］/3×100%=43.3%～50%。一般取0.4～0.6之間。

據統計，當手感在30%～40%時，絕大部分人可以感覺到有手感，但不太好；當手感大于40%時，絕大部分人可以感覺到手感較好。

按鍵的行程和恢復力是呈反比的，按鍵的行程越大，恢復力會越??；而按鍵的行程越小，則恢復力會越大，一般取行程S1/S2=0.4～0.6。

綜合以上操作力行程曲線影響因素，定義操作手感應參照以下原則：①確保按鍵座、主殼體間導向槽與導向筋尺寸公差控制，一般取間隙（0.035～0.05）mm。②確保按鍵座與導電橡膠上表面設計預壓行程。③保證（F1-F2）/F1=0.5，考慮批產尺寸波動，取公差±0.1；S1/S2=0.5，考慮批產尺寸波動，取公差±0.1；S2/S3=0.8～0.9。④導電橡膠斜壁角度取θ=45°。⑤導電橡膠斜壁厚度須根據具體材料硬度選擇不同的厚度。⑥導電橡膠斜壁長度應接近或等于接觸行程。

根據以上選取原則，得出操作力F1=3N，S2=1.3 mm，（F1-F2）/F1=50%，其中F2=1.5N，f2=1 N，S1=0.65 mm；S1/S2=0.65/1.3=0.5。通過主觀操作評價手感較好，力行程曲線如圖12所示。

圖12 標準力行程曲線

［1］ 劉巖睿，夏群生，何樂.汽車轉向組合開關力特性研究［J］.汽車工程，2004（3）:337.

［2］ 于俊一，鄒青.機械制造技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2004:190.

［3］ 鄧興貴.一種簡單實用判斷線性尺寸鏈中各組成環性質的方法［J］.礦山機械，2007（10）：127-128.

［4］ 魏宗平，劉紅娟.平面尺寸鏈靈敏度分析的區間方法［J］.機械設計與制造，2008（10）：202-204.

［5］ JI Ping.An automatic tolerance assignment approach for tolerance charting［J］.Int J Adv Manuf Tech，1994（9）：362－368.

［6］ MICHAEL S M. Tolerance synthesis adopting a nonlinear programming approach［J］.Int J Adv Manuf Tech，1996（11）：387-393.

［7］ MOORE R E. Interval an alysis［M］.New Jersey：Prentice-HallEnglewood Cliffs，1966.

［8］ 于俊一，鄒青.機械制造技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2004:191-192.

［9］ 騰旭，胡志昂.電子系統抗干擾實用技術［M］.北京：國防工業出版社，2004：224.

（編輯 凌 波）

Influencing Factors Analysis of Operating Touch And Uniformity of the AUTO Switches

XUE Xian-Long

（FAW R&D Centre，Changchun 130011，China）

This article mainly analyzes influencing factors of operating touch from perspectives of mechanical structure，conductive rubber structure，dimension and material etc.，proposes some key elements that a good touch force curve should consider. Through the practical application and testing，a standard operating force curve is formed，which improves the operating touch and uniformity level to certain extent.

switch base；self return；touch feel；conductive rubber；force curve；operating force；uniformity

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0077-04

2016-12-09

薛現龍（1983-），男，工程師，碩士，主要從事新能源汽車電子電氣架構設計工作。