汽車開關研究現狀和發展趨勢

王在昌，吳峰

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汽車開關研究現狀和發展趨勢

王在昌，吳峰

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110000）

隨著汽車技術的飛速發展，車用開關類產品的研究越來越深入。文章對當前開關技術的研究進行了闡述，并根據智能化、網聯化汽車對開關的要求，提出開關的發展趨勢，對開關研究和開發具有借鑒意義。

汽車開關；數字信號通訊；開關手感

前言

我國汽車工業經過近三十年的發展，研發水平和產品質量都取得了長足地進步。隨著汽車智能化和電氣化水平地提高，越來越多的控制器在整車上得以應用，而作為操縱件的開關，其種類和功能也越來越多。本文從開關的結構形式、控制方式和手感方面，闡述汽車開關目前的研究現狀及未來的發展趨勢。

1 開關結構形式

開關按照結構形式不同分為如下幾類：按壓式，旋轉式，滑動式，電磁式、觸摸式。[1]

按壓式包括Push開關和帶自鎖的Push開關、翹板開關、按壓-提拉開關等。其中Push開關是應用最廣泛的一類開關，它主要由按鈕蓋、殼體、導電橡膠板、電路板、底蓋組成，按鈕蓋和底蓋均通過卡扣安裝到殼體上，如圖1所示。導電橡膠板中根據需要設置不同數量的泡點，當開關按鈕受操作者按壓時，其向下運動壓迫橡膠板中的泡點，導通電路；當外力釋放后，泡點回彈，推動按鈕自動復位。按鈕采用PC材料，外層噴漆，并在合適位置鐳雕圖標和開設工作指示窗口。圖標正下方的電路板中貼裝背景燈LED，由BCM控制點亮；窗口正下方的電路板中貼裝工作指示燈LED，由相應控制器控制點亮。翹板開關和按壓-提拉開關是Push開關的擴展，至少可具備兩項功能，是在Push開關的基礎上增加旋轉軸改制而得，是集成度更高的一類開關。

旋轉式包括組合開關、空調控制旋鈕、音量調節旋鈕等。組合開關是一款集成度非常高的開關，例如雨刷器手柄集成了雨刷和洗滌的所有功能，其中前雨刷器的間歇刮刷頻率控制和后雨刷器刮刷模式控制都是通過旋轉式操作實現的，如圖2所示。由于組合開關內部空間非常狹小，而結構又非常復雜，因而無法設置背景燈及工作指示燈，其手柄多采用尼龍材料（PA6-GF15、PA6-GF30等），圖標噴印在手柄表面。

1-按鈕蓋 2-殼體 3-導電橡膠板 4-電路板 5-底蓋 3.1-泡點 4.1-LED

圖2 雨刷器手柄

音量調節旋鈕是典型的旋轉式開關，其應用非常廣泛。本公司開發的一款音量調節旋鈕位于儀表板開關組內，結構如圖3所示。旋鈕帶動旋轉編碼器無極旋轉，通過PCB輸出矩形波給多媒體控制器，調節音量加減；按鈕被按壓可觸發微動開關，開啟靜音功能。按鈕采用PC材料，端蓋噴漆，鐳雕圖標，圖標正下方的電路板中貼裝背景燈LED，由BCM控制點亮。

1-按鈕 2-旋鈕 3-殼體 4-旋轉編碼器 5-PCB 5.1-微動開關 6-底座

滑動式包括門接觸開關、制動燈開關（機械式）、離合踏板開關等。門接觸開關結構如圖4所示，使用自攻螺釘安裝于車身鈑金上，該開關的特點是滑桿推動彈簧片在殼體內滑動，實現導電板折板和接線片的導通與斷開。車門打開時導通，頂燈開啟；車門鎖死時斷開，頂燈關閉。彈簧片在滑動時的摩擦作用，可以有效清除接觸面上的雜質，而且滑動接觸能抑制電弧產生，故此類開關具備大電流驅動能力。

電磁式包括制動燈開關（霍爾效應式）等。該類開關通常由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，當金屬物體接近振蕩感應頭時，在物體內部會產生渦流。渦流導致開關振蕩能力衰減，內部電流發生改變，開關將這種變化轉變為通斷信號傳輸給控制器，實現相應功能。

1-橡膠防護套 1.1-螺栓孔 2-滑桿 3-導電板 3.1-導電板折板 4-彈簧片 5-殼體 6-接線片

圖5是制動燈開關結構示意圖。該開關使用卡接結構安裝于制動踏板下方支架上，當制動踏板被踩下時，振蕩器使踏板內部產生渦流，其反作用于開關內部電流，開關輸出導通信號，接通制動燈電路，制動燈點亮；制動踏板被釋放后，渦流消失，開關輸出斷開信號，制動燈熄滅。

1-LC高頻振蕩器 2-輸出端

觸摸式包括儀表板中部開關組、中控臺開關組等。觸摸式開關常使用IML工藝將電容膜和印刷電路鑲嵌于面板內，既具有模內裝飾工藝的美觀與環保，又一體成型實現了功能與結構裝飾的無縫結合[2]。圖6為本司開發的一款電容觸摸式儀表板開關組，只要手指觸摸其中的某一個圖標，便可以開啟或關閉相應的功能，同時獲得聲音和振動反饋。

圖6 觸摸式開關

圖7 觸摸技術原理

人體是不良導體，當手指靠近開關面板時，手指跟電容膜之間便會產生寄生電容，致使電容膜原有電容發生變化，傳感器將這一變化捕捉并傳遞給處理器，由處理器發送開關信號給控制器，開啟或關閉相應功能。圖7為觸摸技術原理圖。

傳感器捕捉電容變化有兩種常用方法，通過檢測電容充放電時間的變化和通過檢測振蕩比較器振蕩頻率的變化，如圖8所示。因為手指靠近開關面板時，電容膜電容值會發生變化，故其充放電時間隨之變化，傳感器便可以將此變化捕捉傳遞給處理器；另一方面，可以在電容電路中引入電感原件組成振蕩電路，當電容值變化時，振蕩頻率隨之變化，傳感器將此變化捕捉傳遞給處理器。

A-通過檢測電容充放電時間的變化 B-通過檢測振蕩比較器振蕩頻率的變化

2 開關控制方式

汽車開關按照控制方式不同可分為模擬信號式和數字信號式。

2.1 模擬信號式

模擬信號式通過控制電路通斷或輸出不同的電壓值實現開關功能，分述如下：

開關按鍵下方布置有導電橡膠，當按鍵被按壓時，導電橡膠底部的金屬片與電路板中的觸點接觸，導通電路板電路；按鍵釋放后自動復位，金屬片與觸點分離，電路斷開。該種方式中按鍵觸點與開關插針一一對應，靠不同的插針輸出信號給不同的控制器實現不同的功能。（詳見圖9）

如果在上述電路板中的觸點旁邊串聯一個電阻，然后將若干個觸點并聯在一起，由同一個插針輸出，即變成輸出電壓值的控制方式，稱之為電阻編碼式。當某一觸點被觸發時，其串聯電阻的分壓值輸出給控制器，控制器通過判斷該數值大小便能夠判斷是哪一個觸點被觸發，從而開啟相應功能。該方式在理論上可以無限擴展單一插針的功能，從而大大減少插針數量，降低整車線束重量，對于車輛輕量化具有積極意義。（詳見圖9）

2.2 數字信號式

數字信號式是開關的未來發展方向，目前各家主機廠都在大力發展和應用該類開關。數字信號式開關通過CAN線或LIN線與控制器進行通訊，發送和接收數字信號，通過定義故障碼可支持在線診斷。圖10是本公司開發的一款空調開關電氣原理圖，該開關包含10項空調功能，均通過CAN通訊模塊（MCU+LDO+CAN）發送數字信號，并接收來自空調控制器的反饋開啟相應工作指示燈。相比于傳統的模擬信號式開關，數字信號式開關具備明顯優勢：①針腳個數大大減少，從而減少了整車線束數量，進而減輕了整車重量，對燃油經濟性有積極意義；②支持在線診斷，可通過OBD口查看各開關狀態和故障碼，從而更加高效地對車輛進行維護和檢修；③開關集成化程度更高，通過coding和flashing可在開發、生產、裝配、售后等階段對開關功能進行刷寫，更加靈活地跟不同車型進行匹配，提高了開關的通用化程度。

圖10 數字信號式

3 手感

開關操作手感取決于開關力特性，而力特性體現在宏觀層面是指在操作開關的過程中，開關反作用力反饋給駕駛者的信息集合，它涵蓋了操作過程中駕駛員的全部感覺；體現在微觀層面是指操作開關的過程中，操作力與開關行程的對應關系。一般而言，可結合實驗法對此類特性展開分析，并探究其與主觀評價的實際聯系[3]。

3.1 手感定義

把按壓式開關全程操作力和行程的對應關系描繪成曲線，即力特性曲線。如圖11所示。

圖11 操作力與行程關系圖

該曲線涵蓋兩個主要因素，即下壓曲線和回彈虛線。曲線越圓潤代表該開關的手感越好。表1為曲線中關鍵物理量的含義。

表1 力特性曲線關鍵物理量

力特性曲線定義：

旋轉式開關通常用扭矩和角度來定義手感，將開關操作全程的扭矩和旋轉角度對應關系描繪成曲線，即扭矩-角度曲線。如圖12所示。

圖12 扭矩-角度曲線圖

各個物理量的定義如下所述。

振幅：反應旋轉式開關扭矩值；

斜率：要求上升斜率大于下降斜率，以防止開關發生過擋；

停止位置：旋轉式開關各個擋位所對應的旋轉角度值，一般相鄰兩擋位角度差大于20°；

負脈沖信號：旋轉式開關需要設置一定數值的負脈沖信號，以防止旋鈕停留在兩個擋位之間，該值不宜過大，否則旋鈕入擋時會產生較大的沖擊，帶來噪聲。

3.2 手感測量

在現有技術中，車載開關的操作力和操作行程差異很大，導致開關手感很難統一，在用戶體驗上容易產生廉價感。而產生上述問題的根本原因，是無法準確測量開關操作力和操作行程的數值，更無法繪制以力和行程為變量的曲線，導致設計人員無法獲取操作力和操作行程之間的對應關系。本公司設計開發的一種車用開關檢測裝置，可實時繪制開關力值曲線，實現開關手感數值化，大大提高了改善手感的針對性和可操作性，如圖13所示。

1-主電機 2-立柱 3-升降臺 4-副電機 5-扭矩儀 6-卡爪 7-底板 8-夾具 9-側板 10-接線柱 11-探頭 12-傳感器 13-變形塊 14-絲杠 15-螺母

4 結語

汽車開關作為各種控制器的操縱件，負責整車60%以上功能的開啟和關閉，對行車安全性、便利性、舒適性起著至關重要的作用。汽車開關種類繁多，功能各異，開發時既要考慮開關形態外觀滿足整車造型風格，又要兼顧其同控制器間的通訊方式，還要滿足操作手感的舒適性要求。

（1）目前應用最廣泛的是按壓式、旋轉式和滑動式，其結構簡單可靠，技術成熟，在未來一段時間內仍然占據主要地位。隨著汽車智能化、網聯化水平的不斷提高，開關將朝著電磁式和觸摸式發展，該領域的研究也將越來越深入。

（2）模擬信號式開關價格低廉、成熟可靠，但無法滿足高速率通訊、整車在線診斷等高要求，在不久的將來，數字信號式開關將得到普及。

（3）隨著消費者對整車品質的要求越來越高，開關手感的優劣也得到了越來越多的關注。依托于先進的檢測設備和計算機軟件，開關手感的研究更加精細化，將來會開發出多種手感定義的開關產品，以匹配不同的車型定義，滿足不同群體的消費者。

[1] 竇俊華,沈秀堂.汽車開關設計概述[J].汽車電器,201807.

[2] 柏秋陽,王輝,危學兵,馮陳澤芳,李德群.基于模內電子（IME）工藝的汽車多功能控制開關設計及研究[J].塑料工業,201807.

[3] 馮超.汽車開關的手感關鍵特性及測量評價方法[J].汽車電器, 201808.

The Research Status and Development of Automotive Switch

Wang Zaichang, Wu Feng

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110000 )

With the rapid development of automotive technology, the research of automotive switches is going into intensive study. Additional, automobiles are becoming more intelligent and networked. This paper describes the latest technology of designing and producing switches, and predicts development trend. So it has high reference value in the research of auto -motive switches.

automotive switch; The air conditioning system; switch feeling

U463.66

A

1671-7988(2019)09-241-04

U463.66

A

1671-7988(2019)09-241-04

王在昌，工程師，碩士，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為汽車開關結構和電氣原理設計與開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.081