汽車多功能方向盤開關設計淺談

方麗琴，高 茹

（長春汽車工業高等?？茖W校，吉林 長春 130013）

1 功能介紹

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

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

圖1 方向盤開關功能

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

2 設計要點

2.1 開關按鍵尺寸設計

首先從功能設置和用戶使用舒適性角度，大體排布各按鍵位置和尺寸設計。結合造型Cas，確認大體外形，然后再結合方向盤骨架空間及表面要求等分析空間可行性，協同造型調整開關具體形狀和位置，同時確認間隙段差等。

方向盤開關按鍵形式分為傳統按鍵式和觸摸式，見圖2。傳統按鍵式開關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，翹板式的開關操作角度要求8°～10°。觸摸式方向盤開關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，觸發行程為0.5mm。這些尺寸需要計算在開關空間結構尺寸里。匹配用的安裝結構可深入到方向盤骨架里，不計算在開關縱向空間的尺寸內。一般來說，開關縱向厚度至少需要23～25mm。觸摸式開關表面都比較平整，因各功能區之間分界不明顯，所有功能設置不易過多，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圖例

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

圖3 開關布置位置

2.2 開關的主體結構設計

傳統按鍵式方向盤開關的空間結構可分為：外殼、按鈕、推桿、導電橡膠、微動開關、PCB板和底座，如圖4所示。電容式觸摸開關的空間結構有：觸摸面板、字符膜、柔性PCB、調光板、按鈕座、殼體、防水橡膠、PCB板和底座。

圖4 按鍵式開關內部結構

開關上的字符一般都要求有背光，目前普遍采用LED光源。在開關內部LED需要足夠空間以實現配光調整、散熱及導光等。防漏光需要有擋光機構，同時運動部件留出運動空間，不能與其他結構干涉。

開關擋位導通機構依靠微動開關或者導電橡膠。微動開關是一類機械電氣開關，體積小，可選型號范圍大，觸點轉換迅速，應用范圍十分廣泛。微動開關主要由速動機構和電接觸系統組成。作為成熟產品，微動開關具有良好的機械壽命、電壽命和可靠性。優質的微動開關，其防塵性明顯優于導電橡膠。開關的防水結構有主動防水和被動防水，依據具體的結構可適當選擇。如空間允許最好用主動防水結構；如空間受限嚴重，且有良好的導水空間，也可以采用被動防水結構。

2.3 開關的安裝結構設計

方向盤開關與方向盤本體匹配的結構大體分為3種：預裝結構、定位結構和緊固結構。某一具體結構部件可能同時兼具幾種作用。

1）預裝結構：保證開關在未裝配牢固時，裝配過程中不易脫落，如蘑菇頭結構。

2）定位結構：保證開關與方向盤定位準確可靠，常用孔軸配合。

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

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

2.4 開關的電路設計

方向盤開關功能較少時，通常采用模擬信號輸出，內部采用電阻網絡形式。隨著功能的增加以及便于后期的功能擴展，越來越多車型的方向盤開關采用LIN控制與主控制器進行信號交互。在基本性能方面，要求方向盤開關的信號清晰穩定，電壓信號（電阻網絡型開關）不能超出對應系統給定的各擋位電壓范圍。數字信號按MATRIX表穩定輸出。

如圖5所示，電阻網絡型的方向盤開關依據開關按鍵數量分為幾個功能模塊，一般每個功能模塊引出2條硬線，每個按鍵所對應回路的電阻值不同，控制單元識別不同的電壓輸出，進而實現對應的功能控制。按動開關按鍵，擋位的導通由開關內部的導電橡膠或微動開關完成。相對應的系統提供電源和上拉電阻，不同擋位對應不同的分壓值，從而使系統識別到具體的開關擋位。一般每個功能模塊的按鍵數量不超過6個，數量過多易識別擋位錯誤。另外開關的背光由單獨的2條硬線控制。

圖5 電阻網絡開關電路局部圖

LIN通信的方向盤開關將開關與控制器之間傳輸的信號設為數字信號，有利于保證信號的準確性。開關按鍵信號傳輸給開關內部的MCU，轉換為LIN信號，與主控制器進行LIN通信。主控制器通常為BCM或IVI，開關的背光也受主控制器的LIN信號控制。開關的功能控制只需要3根線束，分別為電、搭鐵、LIN線。如圖6所示。

2.5 開關的線束設計

根據開關電路設計原理，可得知引出線束的根數，選擇合適數量PIN腳的接插件。轉向盤開關的接插件通常有2個：一個與時鐘彈簧連接，開關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。開關內部對喇叭信號不做任何處理，僅僅對喇叭線束進行過渡轉接。部分高端車型有方向盤加熱功能，還需要增加相關線束和接插件與加熱墊相連。

線束和接插件的作用，是將開關信號引入到控制電路中。接插件應具備可靠連接性、方便安裝和拆卸的特性等。接插件和線束的設計標準可參考線束類零件。線束走向在轉向盤開關線束設計中要特別注意，需嚴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，嚴重的可能還會對DAB的安全性造成影響。

圖6 LIN觸摸開關電路局部圖

3 總結

多功能方向盤開關是汽車上操作使用最頻繁的部件之一，是汽車數字化、智能化的重要體現。汽車市場競爭激烈，必須跟上市場需求，加快產品的更新換代。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，從結構和電路設計來控制產品的品質和成本，不斷研究各車型的開關特點和技術優勢，不斷提高方向盤開關的品質和用戶感知。