汽车空调控制面板的设计

刘小明，明廷雪，唐 路

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430056）

汽车空调控制面板的设计

刘小明，明廷雪，唐 路

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430056）

介绍空调控制面板结构组成，详细分析其关键部件按键、旋钮、主体结构等的设计，围绕MCU的选型构建硬件布置以及软件系统的分层设计，构建一个空调控制面板完整的设计方案。

汽车空调控制面板；行程曲线；微动开关；AUTOSAR

在以往车辆设计布置中，车辆前排仪表板上一般都布置汽车音响系统和空调系统的控制按键，驾驶员需要在这些数量众多的按键中找到自己需要的功能按钮，进行功能对应的使用操作。同时，伴随着液晶显示屏在汽车上的大力发展与应用，汽车音响系统的功能和控制按钮逐步集成到液晶屏中去控制，一块大的屏幕已经取代了各种按钮的配置，并且功能设置更加丰富。但对于空调的控制系统，如在过热的天气，驾驶员对空调的开启速度、风量的调节能力，都需要及时、快速地实现，因此空调的控制面板仍然保持按按键这种简单直观的操作模式。由于汽车总线技术的发展，空调系统的控制面板也已经从最初的钢丝拉索式，转变为电子式和总线式的传输控制方式，从空调系统的一个重要组成部分逐渐演变成汽车电子电器架构上电控单元的一个重要节点。

1 汽车空调控制面板的组成与布置

汽车的空调控制面板基于人机工程学的原理，一般布置在汽车前风挡仪表板的中间，方便驾驶员或乘客进行操控。空调控制面板一般用于改变车辆内部温度设置，提高或降低风量大小，进行内部循环和外部新鲜空气的切换，改变通风朝向，开启前后风挡除霜除雾等功能。在此，我们用东风雪铁龙C6的空调面板进行示例，如图1所示。

图1 空调控制面板结构

2 结构设计

汽车空调控制面板一般包含以下主要结构：旋钮、按键、面板、主体结构、硅胶垫、PCB板、底座、后壳体、连接器、辅助固定螺钉等，如图2所示。

图2 空调控制面板爆炸图

各组成部件之间通过定位孔、定位槽或卡扣的方式进行连接，并保持相对位置固定，最后通过辅助螺钉的方式将整体结合起来，保持零件的稳定性。在零件的结构设计中，对于每一部分的功能元件都有不同的规范需求，以保证零件整体的功能输出能满足设计要求。

3 按键设计

大多数的空调控制面板选择按压式控制，但也有部分空调面板选择下拨式，如图3所示。2种结构的面板在外观上有很大的区别：下拨式按键能体现动感与控制感，按压式能反映整体感和稳定感，但二者在结构原理上基本类似。

图3 空调控制面板上的按键布局图

空调按键是驾驶过程中的主要操控和功能组成部分，对驾驶员操控有直接的感官影响。对于空调面板的按键，在外观上为了匹配周围的环境件，一般都存在纹理要求，由各主机厂自行制定不同的纹理定义和颜色样板。在结构上有以下设计要求：间隙、平面度、按压手感等。

各按键之间的布置要整齐，不仅按键两侧的间隙要对称，各按键之间的间隙也要保持匀称。设计中，在保证按键的按压功能能自由活动的同时，也要满足外观的审美要求。如间隙过小，容易造成按键卡滞；间隙过大，影响外观，同时灰尘和液体容易进入控制面板内部导致功能失效。其中，设计间隙要求为：J = 0.25± 0.1 mm，高度差A为±0.2 mm［1］。如图4所示。

图4 各按键间隙规范

在按键按压的过程中，细心的用户会发现，当我们轻微按压时，按键虽有下压的动作，但相应的功能并没有被激活，这是因为几乎所有的开关按键都存在一个预压区间，避免误接触或触碰导致功能变化。在按键下压的过程中，随着按压距离的变化，按压力也会逐步增大，到达某一转折点时，功能激活，这就是所谓的开关按键的力与位移的行程曲线，如图5所示。

图5 按键压力行程曲线

在按键操作过程中，按键对下面的硅胶垫存在一个挤压的作用，按压力伴随按压行程曲线变化，不容许中间出现顿挫式的突变点。在硅胶垫接触到PCB后，由于硅胶垫的弹性作用，随着按压行程的逐渐增大，硅胶存在一个翻转的区间，即硅胶的翻转特性，这时伴随位移的增大，操作力反而相应减小。翻转变形完成后，在图5中E3点后，存在一个过渡区间，在此区间，相应的功能需要被激活。在过渡区间后即进入接触挤压区间，随着推进位移增加，压力逐渐增大直到位移止点，此区间的功能都是激活状态。

4 旋钮设计

旋钮是空调面板设计中一个经常要使用到的功能部分，通常用来调节风量的大小。由于这种操作方便、简单直接、反应迅速，所以不管是以前机械拉索式还是电子控制式的结构面板，旋钮的设置都得以保留。外观上有时采用镀铬来进行装饰，能提升空调操控的档次。

旋钮，通常由一个微动开关加上外部的配套固定结构件组成，如图6所示。

图6 旋钮结构图

相对于按键的按压特性，旋钮的旋转特性也是很重要的。在操作中，不能出现停顿或力曲线突变的情况，特别是在旋转过程中，旋钮不能停留在中部位置，会引起功能的不稳定输出。微动开关是旋钮的关键部件，不同旋钮的直径对应微动开关特性也不一致。如标致雪铁龙的旋钮扭矩特性，具体见表1。

表1 标志雪铁龙的旋钮扭矩特性

微动开关同样存在一个角度和扭矩曲线，不同于按键的止点，微动开关的齿轮可以不停地朝一个方向进行选择，但在超过一定数量后，即到达最大值，功能输出保持不变。在微动开关的曲线上，每个循环都存在一个过渡区间，信号发出在过渡区间发生，如图7所示。

图7 旋钮信号波形图

旋钮应满足轿车内部凸出物法规的设计规范。由于按钮都在比较靠近驾驶员一侧，根据法规标准GB11552—2009［2］，如果按钮的布置位置在合理冲撞区，就必须要考虑法规的因素。当这些构件凸出仪表板表面的高度超过9.5 mm时，用一直径不大于50 mm的平端压头，在其上施加378 N的向前纵向水平力，这些构件应能缩回仪表板或脱落。当缩回时，其凸出高度应在9.5 mm以下；当脱落时，在原来位置上不得留下高度超过9.5 mm的危险凸出物。

空调控制面板在仪表板上布置的高低位置不一样，需要通过整车碰撞动态仿真确认是否在合理冲撞区。如果旋钮在区间内，则旋钮需要进行溃缩方案设计，以保证在碰撞发生过程中旋钮能缩回一定的距离，即高度小于9.5 mm。如果不在合理冲撞区，则不受影响。

5 控制面板内部结构设计

内部结构是保证外部按键和旋钮的基础，外部力作用通过内部结构的传递，才能保证正确的功能输出。在内部结构设计上，一般有以下注意因素。

5.1 背景灯光设计

首先要保证在夜间行驶时驾驶员能清楚地区分各个按键的图标和功能，防止2种灯光之间的串光和漏光现象，避免在一个按键功能激活时，光线通过发射的作用使得临近的按键功能好像被激活一样，使驾驶员误以为其功能打开。同时，也要防止漏光，即防止LED灯光从间隙之间直接传递到驾驶员和乘客的眼中，影响驾驶员的正常行驶。因此，在灯光设计中，在保证光线正常传播路线畅通的同时，还需要确保对应的隔板对其发散的光线范围进行阻隔，如图8所示。

5.2 防水防潮

设计空调控制面板布置在仪表板中部，由于部分用户的使用习惯，有时不小心会将水或饮料等液体洒落在面板上，这时需要面板具有一定的防水等级，以防止外部液体渗入到控制面板内部形成堆积，造成对PCB板及电路的腐蚀。一般会在内部结构上进行排水口或排水槽设计，渗入的液体能顺着对应的路线流出，如图9所示。

图8 背景灯光设计

图9 防水布置图

6 其他额外配置

在车辆的实际布置中，增加单独液晶屏对空调控制的内容进行显示，会提升用户的体验效果。有时，一些人机接口的按键，也会集成在面板上一起布置，如电话、导航、其他设置等的快捷键，方便驾驶员操作。

7 硬件设计

在空调控制面板逐渐转变为整车电子架构上的一个节点时，面板的硬件设计和车身上其他的电器元件一样，具有固定的一些电路设计模块。如电源电路接口设计，LIN/CAN总线电路设计，LED驱动电路设计，旋钮电路设计等。以RENESAR 的RL78 F14芯片为MCU对外围电路布置，如图10所示。

图10 硬件模块电路布置图

部分电路模块具有一定的通用性，如电源/LIN/ CAN等模块，存在配套的芯片和外围接口电路，在此不再描述。关于旋钮电路，其实是个双向的脉冲信号，在旋钮与主PCB板之间存在一个柔性电路板进行连接和信号传输，如图11所示。旋钮的正转和反转，会给电路A/B端口一个电源输出，A/B端口定义为风量的增大和减小，通过不断的脉冲信号输出，对风量进行控制。

图11 旋钮电路

8 软件设计

电子技术的发展为汽车技术的创新带来了前所未有的机遇和挑战，AUTOSAR这个架构有利于车辆电子系统软件的交换与更新，并为高效管理愈来愈复杂的车辆电子、软件系统提供一个基础［3］。此外，AUTOSAR在确保产品及服务品质的同时，提高了成本效率，在汽车电子控制器系统开发过程中具有重要地位。AUTOSAR的计划目标主要有3项：①建立独立于硬件的分层的软件架构；②为实施应用提供方法论，包括制定无缝的软件架构堆叠流程并将应用软件整合至ECU中；③制定各种车辆应用接口规范，作为应用软件整合标准，以便软件构件在不同的汽车平台上复用，即实现应用程序和基础模块之间的分离。

空调面板的软件设计方案基于RENESAS RL78系列MCU的软件架构，见图12。基于AUTOSAR分层的体系架构，软件系统分为3层，分别为应用层、RTE层和微控制器抽象层，每层对应不同的模块组成部分，通过各模块之间的信号发送、传输、接收去实现所需要的功能。

图12 软件模块设计

9 结语

对于汽车空调，以往的文章往往很关注空调的系统构成、原理和故障分析，比较少有文章单独对空调控制面板的设计进行详细描述。作者根据汽车行业多年电子电器产品开发和故障分析经验，对空调控制面板的结构设计准则和规范进行了详细分析与说明，针对空调控制面板设计开发和运用过程中的相关问题，从按键、旋钮、主体结构到硬件和软件的设计，都一一进行了分析。本文对于此开关类零件的技术设计与开发具有一定指导性作用。

［1］ France Peugeot Citroen group.specification technique façade multifunction PSA 02017_15_11367［S］.2015.

［2］ GB11552—2009，乘用车内部凸出物［S］.

［3］ 蒋健春，万莹，易纲，等.基于AUTOSAR架构的通信系统的研究与实现［J］.计算机测量与控制，2011，19（7）：1694-1695.

（编辑 凌 波）

Control Panel Design of Vehicle A/C

LIU Xiao-ming， MING Ting-xue， TANG Lu
（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre， Wuhan 430056， China）

This paper introduces components of the A/C control panel and analyzes its key part design. Based on MCU selection to construct hardware layout and software layer design， a complete A/C control panel design scheme is established.

vehicle air-conditioning control panel； travel curve； micro switch； AUTOSAR

U463.8

A

1003-8639（2017）04-0061-04

2016-09-12

刘小明（1978-），男，工程师，硕士，汽车电器工艺设计主管，研究方向为汽车电子电器领域零部件开发，整车电器系统开发和分析工作；明廷雪（1976-），男，工程师，主要从事汽车品质分析及汽车电器工程工业化牵头、电子电器领域零部件开发及项目管理工作；唐路（1982-），男，主要从事车身电器系统开发工作。