汽车多功能方向盘开关设计浅谈

方丽琴，高 茹

（长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013）

1 功能介绍

随着社会的发展，汽车的舒适性和操纵性越来越被人们所关注。为了满足人们的需要，多功能方向盘开关作为汽车的重要操作部件，集成了多个功能按键，其优点是驾驶员不需要有太大的动作就可以方便地控制车内的较多功能。同时要求做到外形美观、功能全面、反应迅速、手感良好和经久耐用。

由于方向盘开关的布置空间有限，所以一般将使用频率较高的功能按键布置在方向盘开关上。一般方向盘开关的功能主要包括：巡航开启/关闭、仪表信息显示控制、音响控制按键、蓝牙控制按键和语音控制按键等，另外还需实现喇叭功能。同时，夜晚照明要求开关按键有背光。如图1所示。

图1 方向盘开关功能

对方向盘开关的功能要求为：①方向盘开关功能信号采集与输出；②字符带背光；③开关线束中应包含喇叭过渡线束。

2 设计要点

2.1 开关按键尺寸设计

首先从功能设置和用户使用舒适性角度，大体排布各按键位置和尺寸设计。结合造型Cas，确认大体外形，然后再结合方向盘骨架空间及表面要求等分析空间可行性，协同造型调整开关具体形状和位置，同时确认间隙段差等。

方向盘开关按键形式分为传统按键式和触摸式，见图2。传统按键式开关包含的操作种类一般有直按型、跷板型、拨钮型、滚轮型等。直按式按键大小，应以手指操作舒适为宜，一般建议大小为12mm×15mm，按键间隙0.5mm。直按式按键的操作行程一般是1.5mm左右，翘板式的开关操作角度要求8°～10°。触摸式方向盘开关的表面为一个整体面板，有的车型为了防止误操作增加一个行程触发，触发行程为0.5mm。这些尺寸需要计算在开关空间结构尺寸里。匹配用的安装结构可深入到方向盘骨架里，不计算在开关纵向空间的尺寸内。一般来说，开关纵向厚度至少需要23～25mm。触摸式开关表面都比较平整，因各功能区之间分界不明显，所有功能设置不易过多，各功能之间不可距离太近，否则容易引起误操作。

图2 按键式和触摸式开关图例

为了防止开车过程中误操作方向盘开关，要求方向盘开关位置不能过分靠近方向盘把圈，一般人机建议开关按键位置距离方向盘把圈外缘超过45mm。如图3所示。

图3 开关布置位置

2.2 开关的主体结构设计

传统按键式方向盘开关的空间结构可分为：外壳、按钮、推杆、导电橡胶、微动开关、PCB板和底座，如图4所示。电容式触摸开关的空间结构有：触摸面板、字符膜、柔性PCB、调光板、按钮座、壳体、防水橡胶、PCB板和底座。

图4 按键式开关内部结构

开关上的字符一般都要求有背光，目前普遍采用LED光源。在开关内部LED需要足够空间以实现配光调整、散热及导光等。防漏光需要有挡光机构，同时运动部件留出运动空间，不能与其他结构干涉。

开关挡位导通机构依靠微动开关或者导电橡胶。微动开关是一类机械电气开关，体积小，可选型号范围大，触点转换迅速，应用范围十分广泛。微动开关主要由速动机构和电接触系统组成。作为成熟产品，微动开关具有良好的机械寿命、电寿命和可靠性。优质的微动开关，其防尘性明显优于导电橡胶。开关的防水结构有主动防水和被动防水，依据具体的结构可适当选择。如空间允许最好用主动防水结构；如空间受限严重，且有良好的导水空间，也可以采用被动防水结构。

2.3 开关的安装结构设计

方向盘开关与方向盘本体匹配的结构大体分为3种：预装结构、定位结构和紧固结构。某一具体结构部件可能同时兼具几种作用。

1）预装结构：保证开关在未装配牢固时，装配过程中不易脱落，如蘑菇头结构。

2）定位结构：保证开关与方向盘定位准确可靠，常用孔轴配合。

3）紧固结构：保证开关与方向盘结合牢固，在试验及使用过程中不脱落，常见结构有螺钉紧固、金属簧片、卡扣等。

零件设计的自身结构和安装结构，需要考虑其受限条件：方向盘骨架、DAB及装饰条结构，同时要考虑装配工艺和顺序等。DAB属于安全件范围内，DAB爆破时,方向盘总成（包含开关）不能分散对驾乘人员造成伤害。开关设计要充分考虑结构的牢固性。

2.4 开关的电路设计

方向盘开关功能较少时，通常采用模拟信号输出，内部采用电阻网络形式。随着功能的增加以及便于后期的功能扩展，越来越多车型的方向盘开关采用LIN控制与主控制器进行信号交互。在基本性能方面，要求方向盘开关的信号清晰稳定，电压信号（电阻网络型开关）不能超出对应系统给定的各挡位电压范围。数字信号按MATRIX表稳定输出。

如图5所示，电阻网络型的方向盘开关依据开关按键数量分为几个功能模块，一般每个功能模块引出2条硬线，每个按键所对应回路的电阻值不同，控制单元识别不同的电压输出，进而实现对应的功能控制。按动开关按键，挡位的导通由开关内部的导电橡胶或微动开关完成。相对应的系统提供电源和上拉电阻，不同挡位对应不同的分压值，从而使系统识别到具体的开关挡位。一般每个功能模块的按键数量不超过6个，数量过多易识别挡位错误。另外开关的背光由单独的2条硬线控制。

图5 电阻网络开关电路局部图

LIN通信的方向盘开关将开关与控制器之间传输的信号设为数字信号，有利于保证信号的准确性。开关按键信号传输给开关内部的MCU，转换为LIN信号，与主控制器进行LIN通信。主控制器通常为BCM或IVI，开关的背光也受主控制器的LIN信号控制。开关的功能控制只需要3根线束，分别为电、搭铁、LIN线。如图6所示。

2.5 开关的线束设计

根据开关电路设计原理，可得知引出线束的根数，选择合适数量PIN脚的接插件。转向盘开关的接插件通常有2个：一个与时钟弹簧连接，开关信号和背光信号通过时钟弹簧与整车线束连接；另一个是喇叭线束，与DAB连接。开关内部对喇叭信号不做任何处理，仅仅对喇叭线束进行过渡转接。部分高端车型有方向盘加热功能，还需要增加相关线束和接插件与加热垫相连。

线束和接插件的作用，是将开关信号引入到控制电路中。接插件应具备可靠连接性、方便安装和拆卸的特性等。接插件和线束的设计标准可参考线束类零件。线束走向在转向盘开关线束设计中要特别注意，需严格控制走向和空间位置，避免线束较大长度悬空。接插件位于DAB模块下方，应保证线束与DAB保持安全距离，否则线束磨损或者摩擦异响，阻碍按压喇叭操作，严重的可能还会对DAB的安全性造成影响。

图6 LIN触摸开关电路局部图

3 总结

多功能方向盘开关是汽车上操作使用最频繁的部件之一，是汽车数字化、智能化的重要体现。汽车市场竞争激烈，必须跟上市场需求，加快产品的更新换代。先考虑功能的使用频率来确定各按键的布置位置，从按键的功能来选择合适的按键类型和尺寸大小，从结构和电路设计来控制产品的品质和成本，不断研究各车型的开关特点和技术优势，不断提高方向盘开关的品质和用户感知。