汽车方向盘开关失效问题的优化设计

沙发明 乔斌 袁林 曾飞 陈强

摘要：基于某车型方向盘多功能开关设计失效问题的具体案例，在满足功能需求和低成本的要求下，对开关的方案进行结构分析和成本对比，优化方案，并经过试验验证，解决了因结构设计问题带来的开关失效。

关键词：方向盘;多功能开关;滚轮;拨杆;优化设计

中图分类号：U461文献标识码：A

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）。

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。

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3.5ms，t2为20.0ms左右。

根据中控娱乐主机MCU设置，A/D采样的周期是4.0ms，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32.0ms，那么主机就无法采集到有效信号，故无响应。

3解決方案

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32.0ms改为8.0ms。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8.0ms，但存在快速滚动中控娱乐主机不响应问题。

对方案进一步优化，第二星轮齿厚加宽1mm，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。

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100.0ms（图5）。这完全满足中控娱乐主机的采样周期。

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100.0ms;T2是到下一次的时间，T总共大于200.0ms。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。

5结束语

基于某车型方向盘开关失效的具体案例，通过分析采样周期找到失效原因并制定相应的措施，得出以下结论。

（1）设计开发中，需要考虑按键信号的触发周期与采集信号的主机采样周期匹配，避免结构设计无法满足采样周期。

（2）设计开发中考虑成本和设计成熟度，建议采用拨杆开关。

（3）若采用滚轮结构，则需要采用成本较高的方案二才能保证按键的触发信号被主机正确的采集。

【参考文献】

[1]赵毅，方健，朱伟.整车管路布置及质量控制研究[J].北京汽车，2012（06）：21-25.

[2]汪振兴.浅议多功能方向盘开关[J].上海汽车，2015（03）：43-46.