劉小明，明廷雪，唐 路

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

汽車空調(diào)控制面板的設(shè)計

劉小明，明廷雪，唐 路

（神龍汽車有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

介紹空調(diào)控制面板結(jié)構(gòu)組成，詳細分析其關(guān)鍵部件按鍵、旋鈕、主體結(jié)構(gòu)等的設(shè)計，圍繞MCU的選型構(gòu)建硬件布置以及軟件系統(tǒng)的分層設(shè)計，構(gòu)建一個空調(diào)控制面板完整的設(shè)計方案。

汽車空調(diào)控制面板；行程曲線；微動開關(guān)；AUTOSAR

在以往車輛設(shè)計布置中，車輛前排儀表板上一般都布置汽車音響系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的控制按鍵，駕駛員需要在這些數(shù)量眾多的按鍵中找到自己需要的功能按鈕，進行功能對應(yīng)的使用操作。同時，伴隨著液晶顯示屏在汽車上的大力發(fā)展與應(yīng)用，汽車音響系統(tǒng)的功能和控制按鈕逐步集成到液晶屏中去控制，一塊大的屏幕已經(jīng)取代了各種按鈕的配置，并且功能設(shè)置更加豐富。但對于空調(diào)的控制系統(tǒng)，如在過熱的天氣，駕駛員對空調(diào)的開啟速度、風量的調(diào)節(jié)能力，都需要及時、快速地實現(xiàn)，因此空調(diào)的控制面板仍然保持按按鍵這種簡單直觀的操作模式。由于汽車總線技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)系統(tǒng)的控制面板也已經(jīng)從最初的鋼絲拉索式，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮邮胶涂偩€式的傳輸控制方式，從空調(diào)系統(tǒng)的一個重要組成部分逐漸演變成汽車電子電器架構(gòu)上電控單元的一個重要節(jié)點。

1 汽車空調(diào)控制面板的組成與布置

汽車的空調(diào)控制面板基于人機工程學的原理，一般布置在汽車前風擋儀表板的中間，方便駕駛員或乘客進行操控?？照{(diào)控制面板一般用于改變車輛內(nèi)部溫度設(shè)置，提高或降低風量大小，進行內(nèi)部循環(huán)和外部新鮮空氣的切換，改變通風朝向，開啟前后風擋除霜除霧等功能。在此，我們用東風雪鐵龍C6的空調(diào)面板進行示例，如圖1所示。

圖1 空調(diào)控制面板結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車空調(diào)控制面板一般包含以下主要結(jié)構(gòu)：旋鈕、按鍵、面板、主體結(jié)構(gòu)、硅膠墊、PCB板、底座、后殼體、連接器、輔助固定螺釘?shù)?，如圖2所示。

圖2 空調(diào)控制面板爆炸圖

各組成部件之間通過定位孔、定位槽或卡扣的方式進行連接，并保持相對位置固定，最后通過輔助螺釘?shù)姆绞綄⒄w結(jié)合起來，保持零件的穩(wěn)定性。在零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于每一部分的功能元件都有不同的規(guī)范需求，以保證零件整體的功能輸出能滿足設(shè)計要求。

3 按鍵設(shè)計

大多數(shù)的空調(diào)控制面板選擇按壓式控制，但也有部分空調(diào)面板選擇下?lián)苁?，如圖3所示。2種結(jié)構(gòu)的面板在外觀上有很大的區(qū)別：下?lián)苁桨存I能體現(xiàn)動感與控制感，按壓式能反映整體感和穩(wěn)定感，但二者在結(jié)構(gòu)原理上基本類似。

圖3 空調(diào)控制面板上的按鍵布局圖

空調(diào)按鍵是駕駛過程中的主要操控和功能組成部分，對駕駛員操控有直接的感官影響。對于空調(diào)面板的按鍵，在外觀上為了匹配周圍的環(huán)境件，一般都存在紋理要求，由各主機廠自行制定不同的紋理定義和顏色樣板。在結(jié)構(gòu)上有以下設(shè)計要求：間隙、平面度、按壓手感等。

各按鍵之間的布置要整齊，不僅按鍵兩側(cè)的間隙要對稱，各按鍵之間的間隙也要保持勻稱。設(shè)計中，在保證按鍵的按壓功能能自由活動的同時，也要滿足外觀的審美要求。如間隙過小，容易造成按鍵卡滯；間隙過大，影響外觀，同時灰塵和液體容易進入控制面板內(nèi)部導致功能失效。其中，設(shè)計間隙要求為：J = 0.25± 0.1 mm，高度差A為±0.2 mm［1］。如圖4所示。

圖4 各按鍵間隙規(guī)范

在按鍵按壓的過程中，細心的用戶會發(fā)現(xiàn)，當我們輕微按壓時，按鍵雖有下壓的動作，但相應(yīng)的功能并沒有被激活，這是因為幾乎所有的開關(guān)按鍵都存在一個預壓區(qū)間，避免誤接觸或觸碰導致功能變化。在按鍵下壓的過程中，隨著按壓距離的變化，按壓力也會逐步增大，到達某一轉(zhuǎn)折點時，功能激活，這就是所謂的開關(guān)按鍵的力與位移的行程曲線，如圖5所示。

圖5 按鍵壓力行程曲線

在按鍵操作過程中，按鍵對下面的硅膠墊存在一個擠壓的作用，按壓力伴隨按壓行程曲線變化，不容許中間出現(xiàn)頓挫式的突變點。在硅膠墊接觸到PCB后，由于硅膠墊的彈性作用，隨著按壓行程的逐漸增大，硅膠存在一個翻轉(zhuǎn)的區(qū)間，即硅膠的翻轉(zhuǎn)特性，這時伴隨位移的增大，操作力反而相應(yīng)減小。翻轉(zhuǎn)變形完成后，在圖5中E3點后，存在一個過渡區(qū)間，在此區(qū)間，相應(yīng)的功能需要被激活。在過渡區(qū)間后即進入接觸擠壓區(qū)間，隨著推進位移增加，壓力逐漸增大直到位移止點，此區(qū)間的功能都是激活狀態(tài)。

4 旋鈕設(shè)計

旋鈕是空調(diào)面板設(shè)計中一個經(jīng)常要使用到的功能部分，通常用來調(diào)節(jié)風量的大小。由于這種操作方便、簡單直接、反應(yīng)迅速，所以不管是以前機械拉索式還是電子控制式的結(jié)構(gòu)面板，旋鈕的設(shè)置都得以保留。外觀上有時采用鍍鉻來進行裝飾，能提升空調(diào)操控的檔次。

旋鈕，通常由一個微動開關(guān)加上外部的配套固定結(jié)構(gòu)件組成，如圖6所示。

圖6 旋鈕結(jié)構(gòu)圖

相對于按鍵的按壓特性，旋鈕的旋轉(zhuǎn)特性也是很重要的。在操作中，不能出現(xiàn)停頓或力曲線突變的情況，特別是在旋轉(zhuǎn)過程中，旋鈕不能停留在中部位置，會引起功能的不穩(wěn)定輸出。微動開關(guān)是旋鈕的關(guān)鍵部件，不同旋鈕的直徑對應(yīng)微動開關(guān)特性也不一致。如標致雪鐵龍的旋鈕扭矩特性，具體見表1。

表1 標志雪鐵龍的旋鈕扭矩特性

微動開關(guān)同樣存在一個角度和扭矩曲線，不同于按鍵的止點，微動開關(guān)的齒輪可以不停地朝一個方向進行選擇，但在超過一定數(shù)量后，即到達最大值，功能輸出保持不變。在微動開關(guān)的曲線上，每個循環(huán)都存在一個過渡區(qū)間，信號發(fā)出在過渡區(qū)間發(fā)生，如圖7所示。

圖7 旋鈕信號波形圖

旋鈕應(yīng)滿足轎車內(nèi)部凸出物法規(guī)的設(shè)計規(guī)范。由于按鈕都在比較靠近駕駛員一側(cè)，根據(jù)法規(guī)標準GB11552—2009［2］，如果按鈕的布置位置在合理沖撞區(qū)，就必須要考慮法規(guī)的因素。當這些構(gòu)件凸出儀表板表面的高度超過9.5 mm時，用一直徑不大于50 mm的平端壓頭，在其上施加378 N的向前縱向水平力，這些構(gòu)件應(yīng)能縮回儀表板或脫落。當縮回時，其凸出高度應(yīng)在9.5 mm以下；當脫落時，在原來位置上不得留下高度超過9.5 mm的危險凸出物。

空調(diào)控制面板在儀表板上布置的高低位置不一樣，需要通過整車碰撞動態(tài)仿真確認是否在合理沖撞區(qū)。如果旋鈕在區(qū)間內(nèi)，則旋鈕需要進行潰縮方案設(shè)計，以保證在碰撞發(fā)生過程中旋鈕能縮回一定的距離，即高度小于9.5 mm。如果不在合理沖撞區(qū)，則不受影響。

5 控制面板內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)部結(jié)構(gòu)是保證外部按鍵和旋鈕的基礎(chǔ)，外部力作用通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的傳遞，才能保證正確的功能輸出。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計上，一般有以下注意因素。

5.1 背景燈光設(shè)計

首先要保證在夜間行駛時駕駛員能清楚地區(qū)分各個按鍵的圖標和功能，防止2種燈光之間的串光和漏光現(xiàn)象，避免在一個按鍵功能激活時，光線通過發(fā)射的作用使得臨近的按鍵功能好像被激活一樣，使駕駛員誤以為其功能打開。同時，也要防止漏光，即防止LED燈光從間隙之間直接傳遞到駕駛員和乘客的眼中，影響駕駛員的正常行駛。因此，在燈光設(shè)計中，在保證光線正常傳播路線暢通的同時，還需要確保對應(yīng)的隔板對其發(fā)散的光線范圍進行阻隔，如圖8所示。

5.2 防水防潮

設(shè)計空調(diào)控制面板布置在儀表板中部，由于部分用戶的使用習慣，有時不小心會將水或飲料等液體灑落在面板上，這時需要面板具有一定的防水等級，以防止外部液體滲入到控制面板內(nèi)部形成堆積，造成對PCB板及電路的腐蝕。一般會在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進行排水口或排水槽設(shè)計，滲入的液體能順著對應(yīng)的路線流出，如圖9所示。

圖8 背景燈光設(shè)計

圖9 防水布置圖

6 其他額外配置

在車輛的實際布置中，增加單獨液晶屏對空調(diào)控制的內(nèi)容進行顯示，會提升用戶的體驗效果。有時，一些人機接口的按鍵，也會集成在面板上一起布置，如電話、導航、其他設(shè)置等的快捷鍵，方便駕駛員操作。

7 硬件設(shè)計

在空調(diào)控制面板逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎囯娮蛹軜?gòu)上的一個節(jié)點時，面板的硬件設(shè)計和車身上其他的電器元件一樣，具有固定的一些電路設(shè)計模塊。如電源電路接口設(shè)計，LIN/CAN總線電路設(shè)計，LED驅(qū)動電路設(shè)計，旋鈕電路設(shè)計等。以RENESAR 的RL78 F14芯片為MCU對外圍電路布置，如圖10所示。

圖10 硬件模塊電路布置圖

部分電路模塊具有一定的通用性，如電源/LIN/ CAN等模塊，存在配套的芯片和外圍接口電路，在此不再描述。關(guān)于旋鈕電路，其實是個雙向的脈沖信號，在旋鈕與主PCB板之間存在一個柔性電路板進行連接和信號傳輸，如圖11所示。旋鈕的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，會給電路A/B端口一個電源輸出，A/B端口定義為風量的增大和減小，通過不斷的脈沖信號輸出，對風量進行控制。

圖11 旋鈕電路

8 軟件設(shè)計

電子技術(shù)的發(fā)展為汽車技術(shù)的創(chuàng)新帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，AUTOSAR這個架構(gòu)有利于車輛電子系統(tǒng)軟件的交換與更新，并為高效管理愈來愈復雜的車輛電子、軟件系統(tǒng)提供一個基礎(chǔ)［3］。此外，AUTOSAR在確保產(chǎn)品及服務(wù)品質(zhì)的同時，提高了成本效率，在汽車電子控制器系統(tǒng)開發(fā)過程中具有重要地位。AUTOSAR的計劃目標主要有3項：①建立獨立于硬件的分層的軟件架構(gòu)；②為實施應(yīng)用提供方法論，包括制定無縫的軟件架構(gòu)堆疊流程并將應(yīng)用軟件整合至ECU中；③制定各種車輛應(yīng)用接口規(guī)范，作為應(yīng)用軟件整合標準，以便軟件構(gòu)件在不同的汽車平臺上復用，即實現(xiàn)應(yīng)用程序和基礎(chǔ)模塊之間的分離。

空調(diào)面板的軟件設(shè)計方案基于RENESAS RL78系列MCU的軟件架構(gòu)，見圖12?；贏UTOSAR分層的體系架構(gòu)，軟件系統(tǒng)分為3層，分別為應(yīng)用層、RTE層和微控制器抽象層，每層對應(yīng)不同的模塊組成部分，通過各模塊之間的信號發(fā)送、傳輸、接收去實現(xiàn)所需要的功能。

圖12 軟件模塊設(shè)計

9 結(jié)語

對于汽車空調(diào)，以往的文章往往很關(guān)注空調(diào)的系統(tǒng)構(gòu)成、原理和故障分析，比較少有文章單獨對空調(diào)控制面板的設(shè)計進行詳細描述。作者根據(jù)汽車行業(yè)多年電子電器產(chǎn)品開發(fā)和故障分析經(jīng)驗，對空調(diào)控制面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計準則和規(guī)范進行了詳細分析與說明，針對空調(diào)控制面板設(shè)計開發(fā)和運用過程中的相關(guān)問題，從按鍵、旋鈕、主體結(jié)構(gòu)到硬件和軟件的設(shè)計，都一一進行了分析。本文對于此開關(guān)類零件的技術(shù)設(shè)計與開發(fā)具有一定指導性作用。

［1］ France Peugeot Citroen group.specification technique fa?ade multifunction PSA 02017_15_11367［S］.2015.

［2］ GB11552—2009，乘用車內(nèi)部凸出物［S］.

［3］ 蔣健春，萬瑩，易綱，等.基于AUTOSAR架構(gòu)的通信系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2011，19（7）：1694-1695.

（編輯 凌 波）

Control Panel Design of Vehicle A/C

LIU Xiao-ming， MING Ting-xue， TANG Lu
（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Corporation Technology Centre， Wuhan 430056， China）

This paper introduces components of the A/C control panel and analyzes its key part design. Based on MCU selection to construct hardware layout and software layer design， a complete A/C control panel design scheme is established.

vehicle air-conditioning control panel； travel curve； micro switch； AUTOSAR

U463.8

A

1003-8639（2017）04-0061-04

2016-09-12

劉小明（1978-），男，工程師，碩士，汽車電器工藝設(shè)計主管，研究方向為汽車電子電器領(lǐng)域零部件開發(fā)，整車電器系統(tǒng)開發(fā)和分析工作；明廷雪（1976-），男，工程師，主要從事汽車品質(zhì)分析及汽車電器工程工業(yè)化牽頭、電子電器領(lǐng)域零部件開發(fā)及項目管理工作；唐路（1982-），男，主要從事車身電器系統(tǒng)開發(fā)工作。