10.16638/jki.1671-7988.2019.09.081
王在昌，吴峰
（华晨汽车工程研究院，辽宁沈阳110000）
摘要：随着汽车技术的飞速发展，车用开关类产品的研究越来越深入。文章对当前开关技术的研究进行了阐述，并根据智能化、网联化汽车对开关的要求，提出开关的发展趋势，对开关研究和开发具有借鉴意义。
关键词：汽车开关；数字信号通讯；开关手感
中图分类号：U463.66 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)09-241-04
The Research Status and Development of Automotive Switch
Wang Zaichang, Wu Feng
( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110000 )
Abstract: With the rapid development of automotive technology, the research of automotive switches is going into intensive study. Additional, automobiles are becoming more intelligent and networked. This paper describes the latest technology of designing and producing switches, and predicts development trend. So it has high reference value in the research of auto -motive switches.
Keywords: automotive switch; The air conditioning system; switch feeling
CLC NO.: U463.66 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)09-241-04
前言
我国汽车工业经过近三十年的发展，研发水平和产品质量都取得了长足地进步。随着汽车智能化和电气化水平地提高，越来越多的控制器在整车上得以应用，而作为操纵件的开关，其种类和功能也越来越多。本文从开关的结构形式、控制方式和手感方面，阐述汽车开关目前的研究现状及未来的发展趋势。
1 开关结构形式
开关按照结构形式不同分为如下几类：按压式，旋转式，滑动式，电磁式、触摸式。[1]
按压式包括Push开关和带自锁的Push开关、翘板开关、按压-提拉开关等。其中Push开关是应用最广泛的一类开关，它主要由按钮盖、壳体、导电橡胶板、电路板、底盖组成，按钮盖和底盖均通过卡扣安装到壳体上，如图1所示。导电橡胶板中根据需要设置不同数量的泡点，当开关按钮受操作者按压时，其向下运动压迫橡胶板中的泡点，导通电路；当外力释放后，泡点回弹，推动按钮自动复位。按钮采用PC 材料，外层喷漆，并在合适位置镭雕图标和开设工作指示窗口。图标正下方的电路板中贴装背景灯LED，由BCM控制点亮；窗口正下方的电路板中贴装工作指示灯LED，由相应控制器控制点亮。翘板开关和按压-提拉开关是Push开关的扩展，至少可具备两项功能，是在Push开关的基础上增加旋转轴改制而得，是集成度更高的一类开关。
旋转式包括组合开关、空调控制旋钮、音量调节旋钮等。组合开关是一款集成度非常高的开关，例如雨刷器手柄集成了雨刷和洗涤的所有功能，其中前雨刷器的间歇刮刷频率控制和后雨刷器刮刷模式控制都是通过旋转式操作实现的，如图2所示。由于组合开关内部空间非常狭小，而结构又非常复杂，因而无法设置背景灯及工作指示灯，其手柄多采用尼龙材料（PA6-GF15、PA6-GF30等），图标喷印在手柄表面。
作者简介：王在昌，工程师，硕士，就职于华晨汽车工程研究院，
研究方向为汽车开关结构和电气原理设计与开发。
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汽车实用技术
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1-按钮盖2-壳体3-导电橡胶板4-电路板5-底盖3.1-泡点4.1-LED
图1 Push开关结构形式
图2 雨刷器手柄
音量调节旋钮是典型的旋转式开关，其应用非常广泛。本公司开发的一款音量调节旋钮位于仪表板开关组内，结构如图3所示。旋钮带动旋转编码器无极旋转，通过PCB输出矩形波给多媒体控制器，调节音量加减；按钮被按压可触发微动开关，开启静音功能。按钮采用PC材料，端盖喷漆，镭雕图标，图标正下方的电路板中贴装背景灯LED，由BCM 控制点亮。
1-按钮2-旋钮3-壳体4-旋转编码器5-PCB 5.1-微动开关6-底座
图3 旋转式开关结构形式
滑动式包括门接触开关、制动灯开关（机械式）、离合踏板开关等。门接触开关结构如图4所示，使用自攻螺钉安装于车身钣金上，该开关的特点是滑杆推动弹在壳体内滑动，实现导电板折板和接线片的导通与断开。车门打开时导通，顶灯开启；车门锁死时断开，顶灯关闭。弹在滑动时的摩擦作用，可以有效清除接触面上的杂质，而且滑动接触能抑制电弧产生，故此类开关具备大电流驱动能力。
电磁式包括制动灯开关（霍尔效应式）等。该类开关通常由LC高频振荡器和放大处理电路组成，当金属物体接近振荡感应头时，在物体内部会产生涡流。涡流导致开关振荡能力衰减，内部电流发生改变，开关将这种变化转变为通断信号传输给控制器，实现相应功能。
1-橡胶防护套1.1-螺栓孔2-滑杆3-导电板3.1-导电板折板
4-弹5-壳体6-接线片
图4 滑动式开关结构形式
图5是制动灯开关结构示意图。该开关使用卡接结构安装于制动踏板下方支架上，当制动踏板被踩下时，振荡器使踏板内部产生涡流，其反作用于开关内部电流，开关输出导通信号，接通制动灯电路，制动灯点亮；制动踏板被释放后，涡流消失，开关输出断开信号，制动灯熄灭。
1-LC高频振荡器2-输出端
图5 电磁式开关结构形式
触摸式包括仪表板中部开关组、中控台开关组等。触摸式开关常使用IML工艺将电容膜和印刷电路镶嵌于面板内，既具有模内装饰工艺的美观与环保，又一体成型实现了功能与结构装饰的无缝结合[2]。图6为本司开发的一款电容触摸式仪表板开关组，只要手指触摸其中的某一个图标，便可以开启或关闭相应的功能，同时获得声音和振动反馈。
图6 触摸式开关
图7 触摸技术原理
人体是不良导体，当手指靠近开关面板时，手指跟电容膜之间便会产生寄生电容，致使电容膜原有电容发生变化，
王在昌 等：汽车开关研究现状和发展趋势
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传感器将这一变化捕捉并传递给处理器，由处理器发送开关信号给控制器，开启或关闭相应功能。图7为触摸技术原理图。
传感器捕捉电容变化有两种常用方法，通过检测电容充放电时间的变化和通过检测振荡比较器振荡频率的变化，如图8所示。因为手指靠近开关面板时，电容膜电容值会发生变化，故其充放电时间随之变化，传感器便可以将此变化捕捉传递给处理器；另一方面，可以在电容电路中引入电感原件组成振荡电路，当电容值变化时，振荡频率随之变化，传感器将此变化捕捉传递给处理器。
A-通过检测电容充放电时间的变化 B-通过检测振荡比较器振荡频率的变化
图8 寄生电容检测方法
2 开关控制方式
汽车开关按照控制方式不同可分为模拟信号式和数字信号式。 2.1 模拟信号式
模拟信号式通过控制电路通断或输出不同的电压值实现开关功能，分述如下：
①-通断电路 ②-电阻编码电路
图9 模拟信号式
开关按键下方布置有导电橡胶，当按键被按压时，导电橡胶底部的金属片与电路板中的触点接触，导通电路板电路；按键释放后自动复位，金属片与触点分离，电路断开。该种方式中按键触点与开关插针一一对应，靠不同的插针输出信号给不同的控制器实现不同的功能。（详见图9）
如果在上述电路板中的触点旁边串联一个电阻，然后将若干个触点并联在一起，由同一个插针输出，即变成输出电压值的控制方式，称之为电阻编码式。当某一触点被触发时，其串联电阻的分压值输出给控制器，控制器通过判断该数值大小便能够判断是哪一个触点被触发，从而开启相应功能。该方式在理论上可以无限扩展单一插针的功能，从而大大减少插针数量，降低整车线束重量，对于车辆轻量化具有积极意义。（详见图9） 2.2 数字信号式
数字信号式是开关的未来发展方向，目前各家主机厂都在大力发展和应用该类开关。数字信号式开关通过CAN 线或LIN 线与控制器进行通讯，发送和接收数字信号，通过定义故障码可支持在线诊断。图10是本公司开发的一款空调开关电气原理图，该开关包含10项空调功能，均通过CAN 通
讯模块（MCU+LDO+CAN ）发送数字信号，并接收来自空调控制器的反馈开启相应工作指示灯。相比于传统的模拟信号式开关，数字信号式开关具备明显优势：①针脚个数大大减少，从而减少了整车线束数量，进而减轻了整车重量，对燃油经济性有积极意义；②支持在线诊断，可通过OBD 口查看各开关状
态和故障码，从而更加高效地对车辆进行维护和检修；③开关集成化程度更高，通过coding 和flashing 可在开发、生产、装配、售后等阶段对开关功能进行刷写，更加灵活地跟不同车型进行匹配，提高了开关的通用化程度。
图10 数字信号式
3 手感
开关操作手感取决于开关力特性，而力特性体现在宏观层面是指在操作开关的过程中，开关反作用力反馈给驾驶者的信息集合，它涵盖了操作过程中驾驶员的全部感觉；体现在微观层面是指操作开关的过程中，操作力与开关行程的对应关系。一般而言，可结合实验法对此类特性展开分析，并探究其与主观评价的实际联系[3]。
汽车实用技术
244 3.1 手感定义
把按压式开关全程操作力和行程的对应关系描绘成曲线，即力特性曲线。如图11所示。
图11 操作力与行程关系图
该曲线涵盖两个主要因素，即下压曲线和回弹虚线。曲线越圆润代表该开关的手感越好。表1为曲线中关键物理量的含义。
表1 力特性曲线关键物理量
力特性曲线定义： ①预压力
；
②落差力与峰值点力的比值
：，要求40%~
60%，才能得到清晰的挡位感；
③峰值点力与最大回弹点力的差值同峰值点力的比值称为回弹力感
：
，该值偏小，则手感偏软；该值偏
大，则手感松或晃动。回弹力感的舒适范围一般在0.55~ 0.75之间。
旋转式开关通常用扭矩和角度来定义手感，将开关操作全程的扭矩和旋转角度对应关系描绘成曲线，即扭矩-角度曲线。如图12所示。
图12 扭矩-角度曲线图
华晨汽车各个物理量的定义如下所述。 振幅：反应旋转式开关扭矩值；
斜率：要求上升斜率大于下降斜率，以防止开关发生过挡； 停止位置：旋转式开关各个挡位所对应的旋转角度值，一般相邻两挡位角度差大于20°；
负脉冲信号：旋转式开关需要设置一定数值的负脉冲信号，以防止旋钮停留在两个挡位之间，该值不宜过大，否则旋钮入挡时会产生较大的冲击，带来噪声。 3.2 手感测量
在现有技术中，车载开关的操作力和操作行程差异很大，
导致开关手感很难统一，在用户体验上容易产生廉价感。而产生上述问题的根本原因，是无法准确测量开关操作力和操作行程的数值，更无法绘制以力和行程为变量的曲线，导致设计人员无法获取操作力和操作行程之间的对应关系。本公司设计开发的一种车用开关检测装置，可实时绘制开关力值曲线，实现开关手感数值化，大大提高了改善手感的针对性和可操作性，如图13所示。
1-主电机 2-立柱 3-升降台 4-副电机 5-扭矩仪 6-卡爪 7-底板 8-夹具 9-侧板 10-接线柱 11-探头 12-传感器 13-变形块 14-丝杠 15-螺母
图13 车用开关检测装置
4 结语
汽车开关作为各种控制器的操纵件，负责整车60%以上功能的开启和关闭，对行车安全性、便利性、舒适性起着至关重要的作用。汽车开关种类繁多，功能各异，开发时既要考虑开关形态外观满足整车造型风格，又要兼顾其同控制器间的通讯方式，还要满足操作手感的舒适性要求。
（1）目前应用最广泛的是按压式、旋转式和滑动式，其结构简单可靠，技术成熟，在未来一段时间内仍然占据主要地位。随着汽车智能化、网联化水平的不断提高，开关将朝着电磁式和触摸式发展，该领域的研究也将越来越深入。
（2）模拟信号式开关价格低廉、成熟可靠，但无法满足高速率通讯、整车在线诊断等高要求，在不久的将来，数字
信号式开关将得到普及。
（3）随着消费者对整车品质的要求越来越高，开关手感的优劣也得到了越来越多的关注。依托于先进的检测设备和计算机软件，开关手感的研究更加精细化，将来会开发出多
种手感定义的开关产品，以匹配不同的车型定义，满足不同
体的消费者。 参考文献
[1] 窦俊华，沈秀堂.汽车开关设计概述[J].汽车电器,201807.
[2] 柏秋阳，王辉，危学兵，冯陈泽芳，李德.基于模内电子（IME ）工艺
的汽车多功能控制开关设计及研究[J].塑料工业,201807. [3] 冯超.汽车开关的手感关键特性及测量评价方法[J].汽车电器, 201808.
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