基于整车控制逻辑下踏板开关位置设计研究

于雷 崔柯曼 李坚勤 李晓霞 朱兵

摘 要：基于刹车灯开关，定速巡航取消开关的作动原理，考虑与这两种开关相关的整车性能；采用公差累积计算的方法，对开关的安装角度，安装位置的设计方法进行推导。通过该方法，可对与开关安装的相关参数进行明确设定，保证不出现因开关安装不良导致整车出现问题。

关键词：制动踏板；刹车灯开关；定速巡航取消开关；安装角度；安装位置

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）05-0038-08

Abstract： Base on the working theory of stop lamp switch and ASCD cancel switch， considering the related vehicle performance to the two switches， deducing the installing angle and location design method by cumulative tolerance calculation. The parameter for switch installing can be set definitely by the method in this article and can ensure there is no problem caused by the bad switch installation.

Key Words： brake pedal； stop lamp switch； ASCD cancel switch； installing angle； installing location

1 引言

目前以燃油為动力的汽车制动踏板上安装的开关主要有两种，一种是刹车灯开关（stop lamp SW），主要作用是工作时，通过接通或断开，也即踩下制动踏板和松开制动踏板控制刹车灯的点亮与熄灭；一种是定速巡航取消开关（ASCD cancel SW），主要作用是车辆在定速巡航模式下可以通过接通定速巡航取消开关（ASCD cancel SW），也就是踩下装有定速巡航的踏板将定速巡航模式解除。这两种开关在制动踏板上的安装位置不合理有可能导致的问题如图1所示：①刹车灯开关与定速巡航取消开关的作动逻辑混乱，有可能刹车灯开关已经点亮，但是定速巡航不能取消，或者是刹车灯开关还未点亮，但是定速巡航已经被取消。②车辆在产生规定的制动力时刹车灯不被点亮。③车辆耐久后，即使不踩下制动踏板，刹车灯一直被点亮。由此可见，这两种开关的安装位置至关重要，尤其是刹车灯开关，对行车安全有重要作用，因此它的安装位置对于车辆来说是一个与行车安全直接相关的重要保证项目，需要进行严格管控。

开关的样式种类繁多，安装形式分为螺旋式和卡槽式2种，如图2所示。针对不同开关的安装位置，目前业内并无统一标准。因此开发新车时，如何选择合适的开关，如何将开关安装在合适的位置，没有形成通用的设计说明资料。

本文结合开关和制动踏板各自的作动机理，在整车上的输出特性，相互配合的作动关系等因素，从车辆的正常走行，车辆耐久，车辆故障模式等几个方面综合考虑，对开关在踏板上的安装位置进行明确，包括开关的安装角度，开关套筒端部距离踏板臂的间隙，开关中心轴距离踏板臂旋转中心的长度等所有能够决定开关位置的具体参数，保证开关不因安装位置不佳导致作动异常。

2 开关和制动踏板的作动原理和结构

图3所示为刹车灯开关和定速巡航取消开关的剖面视图。二者的结构相似，开关的圆柱形触头底端装有弹簧，触头在未受到外力作用时，是伸出开关套筒端部之外的，当触头受到轴向外力，触头就会被压入套筒内，此时底端弹簧被压缩，当外力解除，底端弹簧则会把触头弹出套筒之外恢复到未受轴向外力的状态。触头是否被压缩，被压缩多少，决定了开关的电路是导通还是断开的。

图4为刹车灯开关和定速巡航取消开关的电路图。当制动踏板处于初始状态时，也就是踏板行程为零时，刹车灯开关的触头被踏板臂或者踏板臂上的限位支架等压入套筒内，此时刹车灯开关处于OFF的状态，也就是未导通的状态，当踩下制动踏板，踏板臂或者踏板臂上的限位支架移动逐步离开刹车灯开关，刹车灯开关的触头被放松，弹出一定距离，刹车灯的电路处于ON的状态，此时电路导通，刹车灯被点亮。而定速巡航取消开关与刹车灯开关的作动原理基本上是相反的。当踏板行程为零时，定速巡航取消开关的触头也被压入套筒内，此时定速巡航的电路是ON的状态，当踩下制动踏板， 定速巡航取消开关的触头被松开，弹出一定距离，定速巡航的电路处于OFF状态，此时电路被切断，定速巡航被取消。

如图5所示，踏板在作动时，通过驾驶者踩下踏板臂，踏板臂旋转，推动连接踏板的真空助力器产生制动力。制动踏板与刹车灯开关、定速巡航取消开关作动最直接的部分是踏板臂。制动力是随着踏板踩下的角度逐渐增加的，当制动力达到一定的值时，也就是踏板臂被踩下某一角度时，刹车灯开关应该从OFF变为ON，刹车灯被点亮，同理，定速巡航取消开关从ON变为OFF，定速巡航机能被取消。

3 开关安装位置的设定方法

如图6所示，决定开关安装的要素主要分为开关的安装角度和开关的安装位置。明确下表的几个项目，就可以完全确定踏板的安装参数。

3.1 开关安装的角度

在制动踏板旋转的法线方向与开关的触点的伸缩方向间的角度如果不合适，开关在压缩-释放过程中受到侧向压力将变大，不利于触头在套筒内伸缩。因此在设定开关的安装角度时，与踏板臂旋转方向的法线越接近垂直越有利。如图7左图所示，开关的触头伸缩的方向与踏板臂旋转方向的法线间的角度基本接近90°，这样的设定一方面使开关触头在压缩-松开的过程中所受的侧向分力最小，减少触头与套筒内部的摩擦，另外还能保证开关触头在压缩-松开的过程中在踏板臂或者踏板臂上的限位支架的滑动距离最小，能够减少触头端部的磨损，且能防止摩擦产生的异响。如果开关的触头伸缩的方向与踏板臂旋转方向的法线间的角度偏离90°过大，则开关容易磨损，产生异响的几率也大大增加，设计过程中应视情况尽可能避免，如由于空间布局原因无法避免，则需要考虑各个接触部位的润滑，或者能够承受更大侧向力值的更高等级的开关。

3.2 开关安装的位置

3.2.1 刹车灯开关、定速巡航取消开关的相对位置

不同的车型，刹车灯开关和定速巡航取消开关的相对位置各不相同，如图8所示有的车型这两个开关是横向平行布局的（车辆纵向中心平面左右方向）；有竖直上下布置的，其中有的是刹车灯开关在上，有的则是定速巡航取消开关在上，而且这种位置关系不能随便颠倒，否则开关的性能就会出问题。

二者的位置关系是由他们作动的逻辑关系决定的。简单看来，二者应该是近似相反的关系，最理想的状态是刹车灯开关被点亮的瞬间，恰好定速巡航的功能被取消，也就是刹车灯开关ON的时候，恰好定速巡航取消开关OFF，但从设计公差和设计冗余的角度来考虑，二者之间一定存在刹车灯开关既可能是OFF也可能是ON的区域，对应的定速巡航取消开关也既可能是OFF也可能是ON，这被称为灰色重叠带。ECM对这段区域是不进行判定的，因此这段灰色重叠带的范围越小越好，否则会造成ECM过长时间的“呆滞”，反馈到整车上表现为刹车灯点亮和定速巡航取消功能不灵敏。

以上说明了当刹车灯开关、定速巡航取消开关平行布局，即两开关的杠杆比相同时的情况，如果两开关采用一上一下的布局方式，也就是开关距离踏板臂的旋转中心的长度不一致，即两开关的杠杆比不同的情况，就需要将分别将两开关的杠杆比代入进行计算。

为了保证二个开关的正常作动的逻辑关系，首先必须遵守以下规则：

②×λ刹车灯开关>③×λ定速巡航取消开关（刹车灯开关ON的极限尺寸一定大于定速巡航取消开关ON的极限尺寸）

④×λ定速巡航取消开关>①×λ刹车灯开关（定速巡航取消开关OFF的极限尺寸一定大于刹车灯开关OFF的极限尺寸）

在此情况下可能出现二种情况

第一种情况是当②×λ刹车灯开关<④×λ定速巡航取消开关时，体现在踏板片上的灰色重叠带的范围为：

②×λ刹车灯开关-③×λ定速巡航取消开关

第二种情况是当②×λ刹车灯开关>④×λ定速巡航取消开关时，体现在踏板片上的灰色重叠带的范围为：

④×λ定速巡航取消开关-①×λ刹车灯开关

通过以上计算公式可以得出，如果是第一种情况，刹车灯开关一般会设置在定速巡航取消开关的下方，如果是第二种情况，刹车灯开关一般会设置在定速巡航取消开关的上方。如因为其他方面的性能无法进行这样的设定，也还是要按照灰色重叠带越小越好的总原则来设定。

3.2.2 刹车灯开关、定速巡航取消开关距离踏板臂的间隙

一般规定，在开始进行制动时刹车灯必须点亮，一般将产生0.13G制动减速度 时定义为开始制动。从图10所示，通过制动系统的S-G特性曲线，可以得知在产生0.13G制动减速度时踏板片的行程S0.13G，此时，必须保证刹车灯开关处于ON的状态，在满足刹车灯开关能在初始状态触头被压缩的前提下，刹车灯开关的位置越靠下，杠杆比越小，越容易满足该条件。

踏板初始位置时的刹车灯开关踏板臂的间隙，决定了刹车灯开关在初始状态触头被压缩多少，也就决定了刹车灯开关需要被释放多少才能处于ON的状态，刹车灯开关的所需的释放量等效到踏板片上，必须小于S0.13G。此处需要注意，S0.13G应该是考虑真空助力器空行程，制动系统各构成件公差，制动系统耐久工况后等极限条件的行程。

3.2.3 刹车灯开关、定速巡航取消开关距离踏板臂旋转中心的位置（开关杠杆比）

车辆耐久后踏板臂会产生松动，由于重力作用踏板臂将远离开关，如开关位置过于靠下，有可能與踏板臂产生过大间隙，而导致在踏板的初始位置，刹车灯开关和定速巡航取消开关的触头没有被压缩，刹车灯开关一直是ON的状态，表现为即使不踩下制动踏板，刹车灯是常亮的，而定速巡航功能一直是取消的状态，即使按下定速巡航按钮也无法进入定速巡航状态。为了保证开关位置不过于靠下，开关的杠杆比不可以过小。

开关与踏板臂运动方向理想角度为90°，实际设计角度为86.3°。当开关与踏板臂运动方向角度不接近90°时，在开关作动过程中会造成开关内部的滑片和端子（如图13所示）接触压力加大，经耐久后端子表面涂层被磨损，如图14所示，此时开关作动过程中滑片在涂层被磨损的端子表面滑动时就会产生尖锐的摩擦音（吱吱音）。

通过该设计方法对开关角度及安装间隙进行重新定义，变更内容及参数变化如图15、16所示，开关异响不良这一问题被解决，故障率下降了90%，如图17所示；同时也避免了因开关安装间隙设定不合理所可能导致的耐久后不踩制动踏板刹车灯也被点亮的问题，可见该设计方法是完整而有效的。

4 结语

本文从刹车灯开关，定速巡航取消开关所影响的整车性能出发，从极限公差累积，车辆耐久劣化的视点阐述了如何在踏板上设定开关的具体安装位置。在实际车型的设计计算过程中，采用极限公差过于严苛，可考虑通过二乘平方公差来替代极限公差。通过若干量产车型的验证，表明采用该方法能有效避免开关类型选择不当，因开关安装位置不佳而导致车辆性能不良的问题。

参考文献：

[1]刘继宽.汽车制动灯开关常见故障分析和改进策略.中国机械，2015，（1）.

[2]于津涛.汽车维修与保养.机械工程学报，2006， （10）.

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