接觸式制動信號燈開關的系統性設計探討

馬 良，王 健，劉 行，李 溪

（一汽轎車有限公司奔騰開發院，吉林 長春 130012）

制動信號燈開關普遍應用于乘用車，作為制動系統的一個必要零件，發揮著重要的作用。制動信號燈開關可以劃分為接觸式與非接觸式兩種，非接觸式比較穩定，但是成本相對較高。接觸式開關成本相對較低，但是設計時需要做系統性的考慮，否則在后期應用時會出現問題。

本文結合接觸式制動信號燈開關在乘用車上的實際應用總結出設計要點，為車企追求低成本與高可靠性的制動信號燈開關提供方案。

1 制動信號燈開關簡介

制動信號燈開關內部有兩個觸點，一個常開觸點和一個常閉觸點。常開觸點所在的回路稱之為“制動回路”，常閉觸點所在的回路稱之為“非制動回路”。操作類型為頂桿式，自動回位型，頂桿內部有自動回位彈簧。開關一般安裝在制動踏板的上方，當制動踏板未被踩下時，踏板自然回位，將開關的頂桿壓縮，此時制動回路未接通，非制動回路為接通的狀態；當制動踏板被踩下時，制動開關的頂桿在自身彈簧力的作用下逐漸伸出，當頂桿伸出至開關內部電氣信號切換點時，制動回路接通，同時非制動回路斷開，此時各個控制器接收到制動開關的信號后，根據控制策略執行相應的動作。安裝示意圖如圖1所示。

圖1 安裝示意圖

2 制動開關的通信簡介

制動開關 （BLS）一般會與車身控制單元 （BCM）、發動機管理系統 （EMS）和電子穩定系統 （ESP）通信。BCM和ESP只采制動回路的信號，EMS會采制動與非制動回路信號，EMS通過制動開關的兩路信號對開關是否故障件進行判斷。

當踩下制動踏板，BCM接收到制動回路信號時會驅動車輛的制動燈點亮；EMS接收到制動回路信號的同時，也會接收到非制動回路的信號，EMS對信號校驗 （此校驗為EMS對開關兩路信號不一致性的校驗）后若無問題，則說明制動踏板真的被踩下了，此時EMS采取一系列動作，包括控制油泵停止給發動機供油等。ESP獲取到制動信號后經過校驗 （此校驗為ESP對制動回路信號與主缸壓力之間的校驗）后若無問題，則ESP內部相應的功能可以啟動。

在選取控制器內部用于接開關信號的電阻時，要考慮實際電流是否在開關的工作電流范圍內。以本公司在用的某款制動開關為例，工作電流范圍是3～100mA，控制器在選取電阻時，希望越大越好，這樣工作電流比較小，電阻的功耗比較小，在考慮電阻散熱時便可以使用較小的電阻封裝尺寸。但是若電阻值過大，那么實際的電流超過開關的工作電流范圍，會造成導通不可靠的情況，綜合考慮，3.3kΩ的電阻為多數控制器可接受的阻值，此時使用0603封裝即可。通信示意如圖2所示。

圖2 通信示意圖

3 電氣設計參數：工作電壓、工作電流、電氣信號切換點

3.1 工作電壓

根據乘用車蓄電池的工作電壓范圍，制動信號燈開關的工作電壓范圍為9～16V，此參數為設計制動信號燈開關的工作電流時的重要計算依據。

3.2 工作電流

制動信號燈開關的工作電流取決于其所在的電路環境。對于制動回路，根據驅動制動燈的方式不同而分為兩種。

1）一種為制動回路直接帶制動燈負載，典型工作電流為6A或者11A，工作電流的大小取決于制動燈的功率。此種方式工作電流比較大，所以拉弧現象明顯，容易產生制動信號燈開關觸點燒蝕問題，實際售后市場也會存在此問題。減輕此問題的措施為確保開關成品內觸點的清潔度，但由于工作電流較大，燒蝕不可避免。制動回路帶載制動燈示意如圖3所示。

圖3 制動回路帶載制動燈示意圖

2）另外一種為BCM驅動制動燈，對于開關來講，制動回路只需要提供給BCM信號即可，工作電流比較小，流過EMS及ESP的電流也為毫安級別，此種控制方式不存在觸點燒蝕問題，同時在控制上還可以對外部制動燈進行診斷等優勢，所以各主機廠逐漸開始使用工作電流比較小的制動開關。制動回路不帶載制動燈示意如圖4所示。

圖4 制動回路不帶載制動燈示意圖

對于非制動回路，其工作電流取決于EMS內部接收信號的電路的搭建，從實際驗證結果來看，開關的工作電流在毫安級別比較好，開關不會出現觸點燒蝕的失效模式。制動開關非制動回路接線示意圖如圖5所示。

制動開關的觸點要做到可靠導通毫安級別的電流，經過對各種形式開關的調研及實際應用，滑片式首推，其次為對碰式，但是對碰式要求觸點做工精細，防塵性要重點控制，否則會出現接觸不良的問題。

圖5 制動開關非制動回路接線示意圖

3.3 電氣信號切換點

此參數尤為重要，即需要確定開關在哪點導通，開關的兩路信號切換點是否需要同步等問題。這主要取決于接收開關信號的各個控制器。

對于開關的切換點位置的確定，需要考慮制動系統建壓過程是否與制動回路信號有關。以某車型為例，ESP系統在建壓的過程中會對制動信號進行檢測，當駕駛員踩下制動踏板時，制動系統主缸開始建立壓力，當建立至a（bar）時，如果ESP仍然沒有接收到制動開關的制動信號，那么ESP系統認為有問題了，滿足診斷策略后會進行報錯，所以制動開關需要在制動系統主缸壓力值達到a之前發出，結合制動踏板與主缸之間的壓力-行程曲線及制動踏板的尺寸便可確認制動信號燈開關的電氣信號切換點。當然，如果制動開關為借用方案，需要在設計之初校驗開關的安裝位置是否滿足ESP系統要求，如果不滿足，則需要調整制動開關在制動踏板的安裝位置，移動到一個合適的位置來滿足ESP系統的需求。制動開關的切換點典型推薦值為2.5～3.0mm。踏板行程&壓力曲線示意圖如圖6所示。

圖6 踏板行程&壓力曲線示意圖

對于兩路信號切換點是否需要同步的問題，目前各品牌制動開關不統一，有的開關兩路信號切換點在同一點，有的在設計上有0.5～0.9mm的不同步距離，但是在EMS對開關進行診斷時，均認為開關的兩路信號不一致是對的，如果出現一致，那么則認為有問題，只是策略的細節不同罷了，鑒于此，建議兩路信號在同一點切換，且公差越小越好，目前可以控制在±0.3mm左右的精度。開關切換點示意圖可參考圖7。

圖7 開關切換點示意圖

4 機械設計參數：工作行程、調節行程、操作力

4.1 調節行程

調節行程是開關為了適應開關安裝支架的尺寸變化而設計的行程，一般設計為8mm，正負方向均有4mm的踏板變形允許量。開關安裝后，踏板回位時可自行調節距離。此值可根據實際需要而設定。目前很多開關安裝時需要鎖緊螺母，在此不推薦，因為此種結構在安裝時對操作人員的要求非常高，如果安裝過位或者不到位，便會產生加速無力或者制動燈常亮等問題。在使用自動調節式開關時，需校驗踏板回位力是否能克服開關自動調節的止擋力。

4.2 操作力

操作力即為開關頂桿被完全壓縮時的力，典型值為10±3N。設計時需要考慮如下因素：駕駛員在松開制動踏板時，制動踏板回位力能夠克服制動開關頂桿的彈簧力。操作力要小于止擋力，否則調節行程會失效，繼而引發其他問題。

4.3 工作行程

工作行程即制動開關的頂桿能夠被壓進的行程，典型值為6mm。如果行程過長，則制動踏板墊與開關頂桿接觸時對開關頂桿產生的非軸向分力過大，進而增加開關的磨損，同時也會增加頂桿與開關本體的摩擦力；如果行程過短，便會接近開關的電氣切換點，容錯能力會下降，綜合考慮各品牌制動開關的電氣切換點各有不同，如2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.6mm、4.5mm等值，建議取6mm較為合適。

5 NVH相關、觸點形式、耐久壽命

5.1 NVH相關

開關在工作中也屬于運動部件，主要包括兩方面：一是自身頂桿伸縮運動產生的聲音，為了減少摩擦，推薦頂桿使用圓型設計；二是頂桿與踏板墊相對摩擦產生的聲音，此處要考慮頂桿頭的圓弧半徑，使其與踏板墊始終保持點接觸，減小摩擦力。同時頂桿頭的硬度及光滑度也要保證，工作時不能變形，表面無毛刺，材料建議為PA66+GF，同時踏板墊的硬度也要保證。

5.2 觸點形式

觸點的形式一般分為滑片式和對碰式。滑片式要考慮耐磨損特性，從鍍層及潤滑兩方面考慮，其中鍍層至少要鍍銀鎳，潤滑脂對觸點磨損有很好的保護作用，足夠量的油脂可減少觸點磨損。經過多年總結，建議使用NS-9494-G型號油脂。

5.3 耐久壽命

耐久壽命在理論上越長越好，但是相應的成本也會增加，所以需要尋找一個平衡點，此平衡點的主要依據為整車的質保周期，大部分車企的制動開關的質保與整車質保相同，即3年或10萬公里。綜合高速路況、城市路況及村鎮路況，制動開關的使用頻次為10次／公里，10萬公里即100萬次，所以制動信號燈開關的耐久壽命至少要達到100萬次，統觀行業，也是符合的。

6 設計要點總結

接觸式制動信號燈開關在設計前需要對外部環境的制約因素考慮清楚并進行校驗，這樣在設計前期就可以將風險規避掉，從而提高制動開關的穩定性，同時也保證了制動系統的穩定性。