车用旋钮力矩特性曲线研究

李高林，刘克军，范 学

（深圳市比亚迪汽车有限公司汽车工程研究院，广东 深圳 518118）

1 车用旋钮介绍

车用旋钮主要依靠主轴旋转来改变档位，以达到电路通与断的目的。常用于空调调节及音量调节等情况，如图1所示。

1.1 分类

车用旋钮，按操作方式划分可以分为多角度式和定位式两类。

多角度式车用旋钮:此类车用旋钮类似于多角度感的电位器，主要是通过调节电阻来控制回路中电流值，进而控制产品功能实现，例如汽车音量调节旋钮。其主要应用于多档位的功能控制，例如背光亮度调节、音量调节、音调调节等功能，此类功能一般都有10个以上的档位控制，故推荐采用多角度式车用旋钮。

定位式车用旋钮:这类车用旋钮有定位感，一般应用于较少档位的控制 （10档以下）。

1.2 车用旋钮的工作逻辑定义

在函数坐标轴中，通常以向上、向右为正方向，也即图2中的y+方向、x+方向。同样，消费者操作思维也是以向上、向右方向为增。车用旋钮应按照消费者操作习惯设计成顺时针为增、逆时针为减，上增下减，右增左减，如图3所示。

1.3 车用旋钮力矩特性概念

车用旋钮的力矩特性，主要指操作舒适性。各旋钮力矩大小应基本一致，在旋钮旋转过程中不应出现力矩的明显变化，应基本保持一致；各旋钮在静止状态及旋转过程中应无明显松动，各旋钮晃动量应基本一致；旋钮在旋转过程中应轻巧、灵活，档位感清晰，无滞涩感。

1）力矩值 对于定位式车用旋钮，一般有过程力矩和档位力矩两个要求；对于多角度式旋钮则只有峰值力矩要求。

2）峰值力矩 峰值力矩为旋转过程中最大的力矩值，也即文中提及的档位力矩、力矩峰值。

峰值点的位置很重要，其会影响档位感。根据经验，峰值力矩应在该功能档位总行程或总角度的30%处为佳。

3）旋钮强度 旋钮强度为旋钮操纵机构所能承受最大无损伤力矩值，根据人体舒适性要求及产品本身材料和结构特性，多数标准均定义为2Nm。

2 力矩特性介绍

2.1 典型力矩特性曲线图

图4为定位式旋钮力矩曲线图，图5为多角度式旋钮力矩曲线图。

2.2 力矩的测试方法

图6为某车型空调控制器旋钮力矩测试方法示意图，在部分旋钮不能直接测试力矩的情况下，可通过测量F和L的方式计算出力矩值。力矩计算公式:F=T／L， 测试速度:60°／s。

2.3 各公司旋钮力矩要求

以下分析不同公司对旋钮力矩的要求，包括博耐尔、日产、福特、通用等公司相关产品要求。

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1）S1公司空调控制器旋钮要求如图7所示。

2）S2公司多媒体旋钮要求如图8所示。

3）表1为S3公司对多角度式车用旋钮的一般要求，通过力矩公式计算，可以得出:对于不同直径的旋钮，其峰值力稳定在0.5N左右，谷值力稳定在0.1N左右。

表1 S3公司旋钮力矩要求 （多角度式）

4）S4公司空调控制器旋钮要求见表2。

表2 S4公司空调旋钮要求 （定位式）

通过上述不同公司标准对比可看出，各公司对力矩要求不同，特别是定位旋钮和多角度旋钮的差异至少在10倍以上。其中S1公司的力矩要求最大，转化为旋力10N左右，主观感受偏大。因此，下文将通过测试不同的旋钮，综合其力矩主观评价，得出推荐的力矩客观指标值。

3 各类车用旋钮案例介绍

3.1 室内灯旋钮力矩曲线 （定位式）

图9为室内灯旋钮某档位的力矩曲线，可看出档位力矩:0.11 Nm，曲线较平滑，力矩峰值在行程40%～50%位置左右。

主观评价:操作较舒适，但转动了较长的行程才到达峰值力矩，峰值过后迅速降到谷值点，感觉比较突兀，感觉档位不好。

3.2 音量调节旋钮力矩曲线 （多角度式）

图10为无角度限制的音量调节旋钮力矩曲线，峰值力矩为0.022Nm，为多角度式旋钮。

主观评价:操作较舒适，无滞涩感。

3.3 模式选择旋钮力矩曲线 （定位式）

过程旋钮:图11旋钮图片中各白点处力矩值。档位力矩:图11旋钮符号标记的功能档位处力矩值。

图11中可看出:过程力矩为0.05 Nm，档位力矩为0.1Nm。

主观评价:操作能接受，档位力矩稍显不够突出，与过程力矩的差距不是非常明显。

3.4 异常力矩曲线 （定位式）

图12中左图为主观感受舒适的旋钮，右图为主观感受档位卡滞的旋钮。通过测试其力矩曲线，可看出舒适的旋钮转换档位力矩为0.15 Nm，而卡滞的旋钮测试力矩曲线中画椭圆圈的部分出现一个接近0.2 Nm的毛刺峰值，此处导致旋钮操作有滞涩感。

另外，部分车用旋钮由于力矩设计不合理，导致操作舒适性差，比如某车型的音响面板，两个旋钮的直径分别为33mm和26mm，其力矩均为0.015Nm。按照表1可知，大直径的力矩值应比小直径的力矩值大，如此才能获得一个稳定的操作力。如力矩相同，则大直径的旋钮操作力会比较小，此会导致操作时无阻尼感，降低客户的操作舒适性。

4 总结

通过分析各公司相关标准，结合本人多年工作经验，得出以下几点旋钮力矩特性心得。

1）车用旋钮在设计之初，应考虑好选用定位式旋钮还是多角度式旋钮。在档位比较多，如音量有10个以上档位时，建议选择多角度式旋钮，以方便快速切换功能档位。

2）多角度式旋钮峰值力矩推荐为:0.007～0.03 Nm；根据产品直径不同，具体力矩值建议参考表1。

3）定位式旋钮档位力矩推荐为:0.1～0.2 Nm；对于部分尺寸较大的机械旋钮，可设计到最大不超过0.5 Nm。档位力矩建议设计为过程力矩的3倍，以形成明显的档位感。例如:某旋钮档位力矩设计为0.15Nm，则其过程力矩推荐为0.05Nm。

4）档位力矩也即峰值力矩，其最佳位置应在该功能档位总行程或总调节角度的30%处。