汽车方向盘开关失效问题的优化设计

2021-08-27沙发明乔斌袁林曾飞陈强

汽车与驾驶维修(维修版) 2021年7期

沙发明、乔斌、袁林、曾飞、陈强

（重庆长安汽车股份有限公司，重庆 401130）

0 引言

随着汽车智能化程度的提高，用户对汽车功能的操作越来越多，促进了车辆和用户的信息交流[1]。其中方向盘作为用户使用频率较高的产品，除了能满足基本的转向功能，还需要增加附加功能来提升用户的操作便利性。其中最显著的变化是汽车方向盘开关的功能数量增加，除了能方便用户操作中控娱乐和仪表功能，还需要满足用户对智能驾驶功能操作便利性和安全性[2-3]。

1 问题描述

某车型在开发过程中发现，用户反映在操作方向盘的滚轮开关，控音量调节和上下一曲的滚轮开关反应不灵敏或无响应。经测试，滚轮开关的确存在问题（表1）。

表1 滚轮开关功能测试结果

2 原因分析

控制该车型音量调节、上下一曲的方向盘开关，采用的是无极滚轮结构，为拨片式微动开关式，其结构如图1所示。通过操作滚轮带动第二星轮转动，第二星轮转动后拨动微动开关的拨叉，形成触发信号，输出相应的操作功能。

图1 无极滚轮结构

根据设计要求测量了方向盘滚轮开关的输出信号（图2）。开关的信号周期为：t=t1+t2，其中t1表示为滚轮滚动时开关的拨叉形成触发信号瞬间接触的时间，t2为滚轮开关拨叉未触发的时间。目前测试显示t1为3.5 ms，t2为20.0 ms 左右。

图2 滚轮开关的输出信号测试

根据中控娱乐主机MCU 设置，A/D 采样的周期是4.0 ms，连续采集8 次有效后，则认为该操作有效，再把相关的信息发送给CPU 进行处理。而现在滚轮式开关t1时间远小于32.0 ms,那么主机就无法采集到有效信号，故无响应。

3 解决方案

方案一：将方向盘第二星轮的6 齿改为4 齿（图3），在相同的滚动速率下，增大拨叉触发信号的时间。同时减小DVD 连续采集8 次的时间，由32.0 ms 改为8.0 ms。通过制作滚轮样件和调整中控娱乐主机软件逻辑，试验发现在4 挡滚轮基础上，t1持续时间约在8.0 ms，但存在快速滚动中控娱乐主机不响应问题。

图3 方案一优化对比

对方案进一步优化，第二星轮齿厚加宽1 mm，进一步试验后发现，存在拨叉卡住的风险。此时中控主机的表现为功能一直触发，例如转动滚轮开关调节音量，音量加/减会一直持续。

方案二：方向盘开关采用LIN 线控制（图4）。该方案需要新增编码器等硬件，同时需要更改开关和中控娱乐主机的通讯协议，成本相对较高，开发周期相对较长。但理论上分析，可解决滚轮开关不灵敏、空挡问题。

图4 方案二优化对比

方案三：方向盘滚轮开关结构更改为拨杆开关结构，原理类似于直压按键的操作方式。向上或向下拨动拨杆，带动拨杆支架旋转，旋转支架两端的顶杆按压微动开关，实现所需功能。该方案经过测试，按键的信号时间与直压按键的信号时间接近，约100.0 ms（图5）。这完全满足中控娱乐主机的采样周期。

图5 方案三优化对比

4 方案实施效果

通过方案的试验结果，同时考虑方案的成本和周期，采用方案三进行测试。图6为方案三拨杆式按键的周期：T=T1+T2，T1是快速拨杆按键（速度为10 次/s）的周期100.0 ms；T2 是到下一次的时间，T 总共大于200.0 ms。经过耐久和高低温等试验后，验证开关功能正常。与原状态的结构对比，结构更改后的方案有效解决了开关失效问题。