汽车开关设计概述

窦俊华，沈秀堂

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院，江苏 南京 211100）

随着汽车行业的飞速发展，汽车开关也千变万化，不仅仅作为简单的操纵件存在，还要有良好的外观、造型与仪表板整体相匹配，操作方便、手感好、位置合理，并且符合人机工程学等。开关内部结构也随着汽车电器的智能化日益复杂。

1 汽车开关的分类

1.1 按结构形式分

按结构形式分，有7类。①组合开关：灯光开关总成、刮水开关总成、安装底座；②旋转式开关：点火开关、门锁、组合式前照灯开关等；③顶杆式开关：制动灯开关、离合器开关等；④翘板开关：雾灯开关、除霜开关、取力举升开关；⑤JDK类开关：即机电复合式开关，如危险警报开关；⑥电磁类开关：电磁气阀，通用继电器，大功率继电器（预热继电器、起动继电器、电磁式电源总开关）；⑦电子式开关：感应式电子制动灯开关（耐久可超过150万次）。

1.2 按控制方式分

按控制方式分，有2类。①直接控制式：开关直接控制负载，该种控制方式由于经过开关的电流较大，导致发热量高，所以要求开关触点能够承受较大功率。该种开关的噪声通常也大，这也要求开关有较好的结构设计和制造品质。直接控制式开关具有结构简单、系统成本低的优点。②大/小电流触点间接控制式：大电流和小电流都能使用的开关。开关通过控制继电器线圈端的电流，来间接控制用电器端的电流通断。大电流的开关间接控制方式，只用于用电器功率很大并且通过继电器的电流也很大时；小电流的间接控制方式，其通过开关触点的电流为小电流。小电流触点间接控制方式，可以降低开关的设计难度，减少开关的使用负荷，同时提高开关的使用寿命，手感较为柔和。

2 汽车开关常用材料

1）金属材料：冷轧薄钢板、不锈钢带、冷拉碳素弹簧钢丝、纯铜带、黄铜带、锡青铜带（有弹性）、铍青铜带（有弹性） 、压铸铝合金、压铸锌合金。

2）非金属材料：尼龙6、尼龙66、尼龙1010、尼龙1010+30%玻璃纤维、ABS、PBT、PP（聚丙烯）、POM（聚甲醛）、PC（聚碳酸脂）。

3）金属材料的热处理：发兰、电镀、淬火、回火。①发兰：主要用于黑色金属，通过加入氧化剂，使其表面形成一层氧化膜，起到防水防锈的目的。注：氧化膜表面有微孔。②淬火、回火：主要用于开关接触片的热处理。淬火增强硬度，回火增强弹性。弹簧一般要求回火。

3 开关结构特点

1）滑动式结构与点动式结构 ①从磨损状态上：滑动式接触方式对触点存在电磨损（电弧腐蚀）和机械磨损2种方式，而点动接触方式只存在电弧腐蚀这一种磨损方式，所以点动式比滑动式先进。②从烧蚀后2种状态的接触可靠性来看：滑动式待接触部位腐蚀较大时会使两触点不能接通，而点动式即使触点腐蚀一半仍能接通。2种结构示意如图1和图2所示。

2）翘板类开关常用结构示意如图3和图4所示。

3）顶杆式开关常用结构示意如图5所示。

4）电子式开关结构 ①压力开关结构示意如图6所示。②感应式电子开关原理：电感式接近开关相当于位置传感器，有开关量输出。该类开关通常由LC高频振荡器和放大处理电路组成。其利用金属物体在接近振荡感应头时，使得物体内部产生涡流，这个涡流又反作用于开关，从而导致开关的振荡能力衰减，内部电路参数发生改变，由此判断有无金属物体接近，进而控制开关的通断。该种开关只能检测金属物体。其工作流程如图7所示。当金属板离开关端部距离≤3±1 mm时，开关接通，超过这个范围时断开。

图1 滑动式结构

图2 点动式结构

图3 翘板开关结构示意图（一）

图4 翘板开关结构示意图（二）

图5 顶杆式开关结构示意图

图6 压力开关结构示意图

图7 工作流程图

4 开关常用的连接技术

开关常用的连接技术有螺钉连接；挂钩连接；销连接，如翘板类开关；铆接，可分为冲铆、滚铆、翻铆。铆接中的冲铆，冲头可以是平的，也可以是凹凸不平的（开花铆）；滚铆，在车床上进行作业，铆接比较均匀，一般作业后要在工件上涂清漆；翻铆，对于一些塑性不好的金属，如纯铜带，用冲铆易断裂，用翻铆效果更好。

5 开关常用的触点材料

开关常用的触点材料可以分为银铜复合触点、银触点、银氧化镉（A g C d O）、银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3）。

1）用途：应用于继电器、接触器、空气开关、限流开关、电机保护器、微型开关、仪器仪表、家用电器、汽车电器（灯开关、起动电机等负荷开关）、漏电保护开关等。

2）产品类型：丝材、片材、冲压件、铆钉。

3）产品特性：银氧化锡氧化铟（AgSnO2In2O3）是目前最具有商业价值的银氧化镉（AgCdO）的替代材料，由于比银氧化镉有较好的热稳定性和更高的硬度，因此具有更好的抗熔焊性和耐烧损性，特别是内氧化过程中析出的针状氧化物定向垂直于触头表面，对触头的性能十分有利。该材料替代AgCdO材料用于低压电器领域，如：断路器开关、继电器等，特别是用于汽车直流电器如接触器、起动器、光控开关，有更好的抗直流金属过程的特性。

6 开关工作原理

以安装位置分类，介绍开关原理。开关可以分为以下5类：①安装在踏板上的开关，如制动开关、离合器开关；②安装在仪表板上的开关，如紧急信号灯开关，前/后雾灯开关、前照灯调节开关、座椅加热开关、PTO开关、空调开关等；③安装在门护板上的开关，如电动窗开关、电动后视镜开关等；④安装在钣金上的开关，如门接触开关、驾驶室翻转锁止开关等；⑤安装在转向管柱上的开关，如点火开关、组合开关（灯光开关、刮水开关）等。

6.1 安装在踏板上的开关

6.1.1 制动开关

1）安装方式：有螺纹安装和卡接结构2种。螺纹安装时，在制动踏板上有焊接螺母。

图8 制动开关

2）制动开关（图8）的作用：①踩下制动踏板时，制动灯线路接通，制动灯亮；②将制动踏板的状态信号传递到发动机ECU，以此来控制喷油量、点火提前角和自动变速器等；③将制动踏板的状态信号传递到ABS控制器。

3）在整车原理上的接线图如图9所示。原理图说明：①一般制动灯开关为双触点形式，一个常开（N.O），一个常闭（N.C），这使在制动踏板踏下前和踏下后都有个PIN和ECU相连，增强了安全性。②在踩制动踏板时，要求常开触点闭合的同时常闭触点断开。由于制动灯开关为机械式开关，总存在机械公差，所以，就会出现常闭触点已经断开，常开触点还未闭合的中间状态，此时，ECU会判定为制动踏板同步故障。现在，我们公司的做法是把常开触点提前接通。见图10。

图9 制动开关接线图

图10 制动信号图

6.1.2 离合器开关

离合器开关结构示意如图11所示。

1）离合器开关的作用：通过离合器踏板，将离合器的接合和分离状态传递给发动机ECU，以此作为发动机喷油量和点火提前角控制的修正信号。

2）在整车原理上的接线图如图12所示。原理图说明：离合器工作的时候有半分离半结合状态，在此状态内，离合器开关不允许接通，以免把错误的离合器状态信号传给电喷ECU。

图11 离合器开关

6.2 安装在仪表板上的开关

6.2.1 紧急信号灯开关

紧急信号灯开关如图13所示。

图12 离合器开关接线图

图13 紧急信号灯开关

1）安装方式：卡接结构。通过两侧卡脚装配在仪表板上。

2）作用：仅用于车辆紧急状态下，对其他车辆起警示作用，提示该车有故障或有险情。按下此开关即接通所有转向灯。点火开关断开时，紧急灯开关也能作用。

3）在整车原理上的接线图如图14所示。原理说明：紧急灯开关接通后，组合仪表的转向指示灯将闪亮（有的也可实现开关内部指示灯闪烁，原理是一样的）。闪烁的信号由闪光继电器实现，也可接一个BCM模块实现。

图14 紧急信号灯接线图

6.2.2 前照灯调节开关

1）安装方式：卡接结构。通过两侧卡脚装配在仪表板上的开关安装座内。

2）作用：与电调前照灯配合使用，主要用于当车辆装载货物时，调节滚轮挡位即可远近光束的调整。

3）在整车原理上的接线图如图15所示。

图15 前照灯调节开关接线图

6.3 安装在门护板上的开关

6.3.1 左、右电动窗开关

1）左电动窗开关。用一个自攻螺钉安装在门护板上。左电动窗开关如图16所示。

图16 左电动窗开关

2）右电动窗开关。用一个自攻螺钉安装在门护板上。为乘客侧门窗电动玻璃升降器开关。

3）在整车原理上的接线图如图17所示。原理说明：电动窗开关发出低电平信号给BCM，通过BCM控制电机，安全可靠。

图17 电动窗开关接线图

6.3.2 电动后视镜开关原理

1）安装方式：通过卡接方式安装在门护板或者仪表板上 。

2）功能：与电动后视镜配合使用，用于后视镜上下左右的四向调节和镜面加热。

图18 电动后视镜开关原理

图18 中，后视镜调节说明：当开关旋钮上的圆点标记旋至左后视镜位置时，可对旋钮进行上下左右4个方向的动作，即对左后视镜进行相应的四向调节；当开关旋钮上的圆点标记旋至右后视镜位置时，可对旋钮进行上下左右4个方向的动作，即对右后视镜进行相应的四向调节。

后视镜加热功能：开关旋钮上的圆点标记旋至后视镜加热标记位置，当旋钮向后视镜加热标记处动作时，左右后视镜进行加热。

在整车原理上的接线图如图19所示。其中，四向调节电机由开关直接控制，而镜面加热电流较大，对开关要求较高，因此加热是通过输入给BCM信号实现的（低电平有效）。

图19 电动后视镜开关原理

6.4 安装在钣金上的开关

6.4.1 门接触开关

门接触开关结构如图20所示。1）门接触开关：单线，自身搭铁，有的车型集成在门锁里面。

2）安装方式：用一个自攻螺钉安装在车身钣金上。

3）功能：①反映门锁的卡板状态。如果门未锁死，仪表上门开指示灯亮。②实现顶灯的门控模式。如果顶灯在“DOOR”模式，门打开后，顶灯自动亮起。

4）在整车原理上的接线图如图21所示。

6.4.2 驾驶室翻转锁止开关

驾驶室翻转锁止开关结构如图22所示。

1）驾驶室翻转锁止开关：常闭型触点开关。

图20 门接触开关结构图

图21 门接触开关接线图

图22 驾驶室翻转锁止开关结构图

2）安装方式：螺纹安装，钣金件上带有焊接螺母。

3）功能：驾驶室翻转机构未锁止，仪表上翻转锁止报警信号指示灯点亮。

4）在整车原理上的接线图如图23所示。

图23 驾驶室翻转锁止开关接线图

6.5 安装在转向管柱上的开关

6.5.1 点火开关

点火开关结构如图24所示。

1）安装方式：用螺栓固定在转向管柱上。

2）功能：具有LOCK、ACC、ON、START四个工作挡位。0（LOCK）——钥匙的插入和拔出位置；1（ACC）——接通收音机等附件电器设备；2（ON）—— 接通仪表和电器

装置电源；3（START） ——起动发动机，松开后自动回位到ON挡位。触点功率和原理如图25所示。

6.5.2 组合开关

组合开关示意如图26所示。

安装方式：用螺栓固定在转向管柱上。

功能：分为左手柄和右手柄。左手柄具备整车灯光控制功能，并集成仪表TRIP按钮；右手柄具备刮水洗涤控制功能，并可选装巡航功能。

6.5.2.1 组合开关左手柄

组合开关左手柄位于转向盘下，组合开关左侧。组合开关左手柄具备整车灯光控制功能，并集成仪表TRIP按钮。灯光操纵手柄通过4种不同的运动方式控制外部灯光（小灯、牌照灯、背光灯、前照灯及变光、转向灯、前雾灯、后雾灯）及仪表照明灯。组合开关左手柄操作如下。

图24 点火开关结构图

图25 触点功率和原理

图26 组合开关示意图

1）将小灯、近光灯旋钮以逆时针方向转动：操纵手柄OFF位——车灯全不亮；逆时针1挡——开启小灯、背光灯、牌照灯、仪表指示灯（示廓灯、侧标志灯根据配置选装）；逆时针2挡——开启近光灯。

2）将雾灯旋钮逆时针方向转动：操纵手柄OFF位——关闭前、后雾灯；逆时针1挡——前雾灯亮；逆时针2挡（自复位挡）——后雾灯亮。

3）TRIP按钮：组合仪表部分TRIP功能。

4）将手柄上抬，超车灯亮，松开后自动回位；将手柄下按，若此时近光灯已打开，则打开远光灯；向上抬手柄——超车灯亮；向下压手柄——远光灯亮。夜间会车前，请提前变光，以免远光灯使来车驾驶员感到炫目。

5）转向灯控制：←→（前后推拉）——转向灯控制；前推——右转向指示；后拉——左转向指示；中间——无转向指示。

6.5.2.2 组合开关右手柄

组合开关右手柄位于转向盘下，组合开关右侧。组合开关右手柄具备刮水洗涤控制功能，并可选装巡航功能。组合开关右手柄操作如下。

1）刮水和洗涤控制：位于组合开关右侧，刮水器操纵手柄分间歇、低速、高速挡；按下风窗洗涤器按钮即可从风窗下的喷嘴喷出洗涤液。←→（前后推拉）——刮水器控制；原始位置OFF——不工作；向后拉至第1挡——间歇工作挡；向后拉至第2挡——低速工作挡；向后拉至第3挡——高速工作挡。

2）巡航控制（选配）。这个功能在不踩油门踏板的情况下能够保持整车的车速，可减轻驾驶员负担，还能降低油耗。开启巡航：短时拨动“+”或“-”， 能够进入巡航，使车辆保持当前的车速行驶。整车在挂挡行驶在4挡或5挡，整车车速高于40 km/h，未踩制动踏板；巡航工作时，仪表巡航工作指示灯亮。

巡航加速与减速：当巡航已经开启后，“+”开关能在不用油门踏板的情况下提高车速，“-”开关能减小车速。

巡航车速恢复：在巡航状态下，踩制动踏板或离合后，车辆暂时退出巡航，但是上一次巡航的车速保存在发动机控制器中，此时拨动“ON/OFF”旋钮，则车辆车速逐渐恢复到上次巡航的车速，并维持巡航状态。

关闭巡航：当车辆在巡航状态下，拨动“ON/OFF”1次，可关闭巡航功能；当车辆在巡航状态下，踩制动踏板或离合后，需要2次拨动“ON/OFF”，可关闭巡航功能。

3）排辅开关。该功能是对制动性能的一个辅助功能，尤其在山路或者下长坡的情况下打开排辅开关可有效进行制动，还能对制动摩擦片起到保护作用。

开启排辅：将手柄下按，才可进入排气辅助制动状态，且发动机转速1500转以上，未踩油门和离合。在整车原理上的接线图如图27所示。

7 结论

随着人们对汽车安全性、舒适性要求不断提高，电子设备越来越多地应用在汽车上，而开关作为电子设备中的操纵件，除外观造型要求和人机工程学外，对其能安全可靠的实现各电器部件的运作也尤为重要，因此要求开关的内部结构也将日益精密。

图27 组合开关接线图