李宇斌

上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 廣西 柳州 545007

1 引言

汽車(chē)開(kāi)關(guān)是整車(chē)的電子元件，用于控制汽車(chē)上各種裝置電路，根據(jù)其控制對(duì)象不同，操作的方式也是多種多樣，所以與普通電器開(kāi)關(guān)相比具有一定的特殊性。汽車(chē)開(kāi)關(guān)在車(chē)輛行駛過(guò)程中會(huì)受到多種沖擊與振動(dòng)，使開(kāi)關(guān)零部件出現(xiàn)早期損壞、鉚接松動(dòng)。另外，在汽車(chē)運(yùn)行中還會(huì)受到溫度、相對(duì)濕度等惡劣環(huán)境影響，引起開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的氧化加劇，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)壽命的縮短。制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)是一種常用的汽車(chē)開(kāi)關(guān)，它不僅是控制制動(dòng)燈的開(kāi)啟與關(guān)閉，而且越來(lái)越多的系統(tǒng)比如ECU、VCU、TCU、ABS、定速巡航等需要通過(guò)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)采集剎車(chē)開(kāi)關(guān)信號(hào)，因此制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的可靠性非常重要，本文主要介紹制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的原理結(jié)構(gòu)，以及對(duì)常見(jiàn)的失效模式進(jìn)行分析和改進(jìn)[1]。

2 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)原理和結(jié)構(gòu)

2.1 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)原理

制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)包含兩路導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，自由狀態(tài)下，其中一路閉，為兩對(duì)觸點(diǎn)接觸的結(jié)構(gòu)，直接控制制動(dòng)燈；另一路常開(kāi)，為滑片式結(jié)構(gòu)，為ECU提供制動(dòng)信號(hào)，從而取消定速巡航、調(diào)整節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等，如圖1所示。車(chē)輛ECU、ABS等系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)踏板信號(hào)采集方式，如圖2。

圖1 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)

圖2 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)信號(hào)采集

2.2 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)主要有三種類(lèi)型：

（1）液壓式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)，用于采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的汽車(chē)上，裝在液壓制動(dòng)主缸的前端或制動(dòng)管路中。

（2）氣壓式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)，用于采用氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的汽車(chē)，通常被安裝在制動(dòng)系統(tǒng)的氣壓管路上

（3）彈簧式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)，彈簧式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)是一種常用的制動(dòng)開(kāi)關(guān)，制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)裝在制動(dòng)踏板的安裝支架上，并與踏板上的擋板配合，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)動(dòng)作與開(kāi)關(guān)開(kāi)閉的聯(lián)接。初始裝車(chē)位置，開(kāi)關(guān)推桿壓下，常閉回路斷開(kāi)，常開(kāi)回路閉合；踩下剎車(chē)踏板，踏板與開(kāi)關(guān)推桿脫離，開(kāi)關(guān)恢復(fù)自由狀態(tài)。下文主要介紹彈簧式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)（簡(jiǎn)稱(chēng)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)）。

制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)主要由塑料殼體、圓柱彈簧、帶調(diào)節(jié)齒型的推桿、動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、M型觸片等零件構(gòu)成，如圖3；按照制造工藝來(lái)分，包括注塑件、沖壓件、電鍍件等。目前常見(jiàn)的制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)信號(hào)觸點(diǎn)分為：（1）兩路簧片結(jié)構(gòu)（2）一路簧片、一路觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，比如圖4。

圖3 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖4 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.3 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)性能要求

（1）儲(chǔ)藏溫度：-40℃～+95℃；（2）操作溫度：-40℃～+85℃；（3）耐久性：1，000，000次；（4）操作力：8N±3N；（5）開(kāi)關(guān)總運(yùn)動(dòng)行程：6mm±0.5mm；（6）開(kāi)關(guān)共有8個(gè)可調(diào)位置狀態(tài)；（7）額定電壓：12V

3 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)故障模式及失效分析

3.1 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)常見(jiàn)故障模式

行車(chē)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)作為制動(dòng)回路的通斷樞紐和制動(dòng)信號(hào)采集元件器，雖然體積小、結(jié)構(gòu)輕，卻需要承載大電流的通斷電弧沖擊、頻繁動(dòng)作的耐久考驗(yàn)，在整車(chē)上因制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)失效而經(jīng)常出現(xiàn)的故障模式有：①制動(dòng)燈常亮，高位制動(dòng)燈和后部制動(dòng)燈長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)熱，熱量集聚導(dǎo)致燈具殼體熱熔變形；或停車(chē)后制動(dòng)燈常亮，蓄電池長(zhǎng)時(shí)間工作而致虧電等。②制動(dòng)燈不亮，無(wú)制動(dòng)信號(hào)輸出，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法啟動(dòng)、換擋等具有安全隱患。

3.2 制動(dòng)燈常亮失效分析及控制方法

3.2.1 制動(dòng)燈常亮失效分析

制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)有自適應(yīng)行程結(jié)構(gòu)，將推桿伸出長(zhǎng)度設(shè)定為8個(gè)檔位，開(kāi)關(guān)裝配到踏板組件上時(shí)，根據(jù)安裝支架與擋板的距離，使開(kāi)關(guān)穩(wěn)定在某一個(gè)檔位上。不同的檔位間的關(guān)鍵特性包括兩個(gè)方面：檔位高度和止檔力。假設(shè)：安裝支架與擋板間距為L(zhǎng)，開(kāi)關(guān)檔位高度為H。其中開(kāi)關(guān)1檔的高度最大為Hmax，8檔的檔位高度最小為Hmin，設(shè)計(jì)上要求Hmax＞L，且差值至少大于開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通斷開(kāi)行程約1mm。

因此，制動(dòng)燈常亮的原因主要為開(kāi)關(guān)與踏板沒(méi)有可靠接觸。這其中又包含兩種可能原因：①開(kāi)關(guān)裝到踏板支架上前，推桿未完全拉出，開(kāi)關(guān)自適應(yīng)行程沒(méi)起作用，開(kāi)關(guān)推桿所處的檔位高度小于安裝支架與擋板間距，即（Hi-l）＜L。極端情況為，開(kāi)關(guān)推桿的最長(zhǎng)行程小于支架與擋板間距，即Hmax＜L；②開(kāi)關(guān)檔位間止檔力太小，開(kāi)關(guān)裝配到踏板支架上后，推桿滑牙。與止檔力相關(guān)的零件為齒形推桿和卡簧，推桿齒高、齒寬太小，齒的強(qiáng)度不夠，或者卡簧寬度尺寸太大，都會(huì)導(dǎo)致滑牙[2]。

3.2.2 檔位高度與止檔力過(guò)程控制方法

圖5 檔位高度和止檔力監(jiān)測(cè)

由于尺寸測(cè)量方法的限制，不易100%監(jiān)控與檔位高度和止檔力相關(guān)的推桿和卡簧的尺寸。且子零件的尺寸滿(mǎn)足，并不能體現(xiàn)零件總成的符合性。

將力&位移測(cè)試儀（試驗(yàn)設(shè)備）應(yīng)用在生產(chǎn)線(xiàn)上，可同時(shí)監(jiān)控開(kāi)關(guān)總成每一檔的檔位高度和止檔力，如圖5所示。

在此過(guò)程中，需嚴(yán)格控制探頭的下壓速度，以免測(cè)量時(shí)開(kāi)關(guān)滑檔，對(duì)推桿造成二次損傷。檢測(cè)完后，開(kāi)關(guān)推桿需恢復(fù)到最長(zhǎng)的狀態(tài)，并確認(rèn)后打標(biāo)識(shí)。

3.3 制動(dòng)燈不亮失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.3.1 制動(dòng)燈不亮失效分析

某車(chē)型故障表現(xiàn)為緩慢踩制動(dòng)踏板，當(dāng)踏板與開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)后，制動(dòng)燈間歇性不亮導(dǎo)致無(wú)法換擋，經(jīng)重裝或更換制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)后故障消除。對(duì)故障車(chē)相關(guān)零件的檢查分析，初步判斷制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)內(nèi)部回路不導(dǎo)通，是制動(dòng)燈不亮的主要原因。

根據(jù)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)信號(hào)采集與行程關(guān)系，圖6，檢查制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)推桿行程正常。對(duì)故障車(chē)的制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)通電測(cè)試分析，制動(dòng)燈亮?xí)r制動(dòng)燈輸出電阻為1Ω，制動(dòng)燈不亮?xí)r輸出電阻為10Ω，檢查制動(dòng)燈觸點(diǎn)表面無(wú)燒蝕，表面接觸良好。通，是制動(dòng)燈不亮的直接原因，這其中又包含幾種可能：（1）觸點(diǎn)未接觸；（2）觸點(diǎn)接觸表面絕緣；（3）觸點(diǎn)接觸，接觸電阻偏大，表面腐蝕氧化或接觸力偏小。

圖6 制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)信號(hào)采集與行程

進(jìn)一步對(duì)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)故障件潛在失效進(jìn)行排查確認(rèn)：

（1）觸點(diǎn)未接觸 ：①動(dòng)觸片卡滯：對(duì)故障件進(jìn)行確認(rèn)動(dòng)觸片能自由的運(yùn)動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)有卡滯現(xiàn)像 ；②動(dòng)觸片歪斜：對(duì)故障件進(jìn)行確認(rèn)動(dòng)觸片的歪斜在設(shè)計(jì)的0.4范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有脫離設(shè)計(jì)的歪斜

（2）觸點(diǎn)接觸表面絕緣：①觸點(diǎn)表面無(wú)氧化膜；②觸點(diǎn)表面無(wú)異物；③觸點(diǎn)表面無(wú)絕緣物質(zhì)；④觸點(diǎn)燒蝕，接觸電阻偏大：對(duì)故障件進(jìn)行分析，未發(fā)現(xiàn)表面燒蝕

（3）觸點(diǎn)接觸壓力不夠，接觸電阻偏大，對(duì)開(kāi)關(guān)彈簧力進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，圖7；制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)總成操作力要求8N±3N，接觸壓力設(shè)計(jì)要求1.5N±0.5N。

開(kāi)關(guān)的預(yù)壓力設(shè)計(jì)分析如以下：

觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸力：F2-f2=3.75N-1N=2.75N (單觸點(diǎn)力理論值為1.375N，f2為M型動(dòng)觸片壓力值)

彈簧力的公差為±0.5N， 最終單觸點(diǎn)接觸力設(shè)計(jì)最小值1.125N

觸點(diǎn)初始接觸狀態(tài)：

F1+f1= 1.78N+0=1.78N(單觸點(diǎn)力為0.89N，)

彈簧力的公差為±0.5N，最終單觸點(diǎn)接觸力設(shè)計(jì)最小值0.64N

經(jīng)以上分析可以推斷制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)內(nèi)部回路不導(dǎo)

通過(guò)對(duì)彈簧力的設(shè)計(jì)分析，確定根本原因?yàn)榻佑|壓力不夠，使接觸電阻偏大。

3.3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

（1）改進(jìn)動(dòng)、靜觸點(diǎn)，增加銀層厚度、銀層表面增加網(wǎng)格花紋、觸點(diǎn)表面由圓弧面改為平面、觸點(diǎn)面積加大，提高觸點(diǎn)接觸的可靠性，具體改進(jìn)如下：

①靜觸點(diǎn)：觸點(diǎn)直徑加大，從3.2mm改至4.0mm；銀層厚度加厚，從0.3mm改至0.5mm；觸點(diǎn)表面由球面改為平面；銀層表面增加網(wǎng)紋。

②動(dòng)觸點(diǎn)：銀層厚度加厚，從0.3mm改至0.5mm。

（2）優(yōu)化彈簧力使觸點(diǎn)壓力變大，增大推桿操作力的要求（增大大、小彈簧力）， 保證單觸點(diǎn)接觸全行程中（2.5mm）均滿(mǎn)足接觸力1.5N±0.5N。

（3）改進(jìn)插片，為了減小M型動(dòng)觸片運(yùn)動(dòng)跟插片的摩擦力，將插片T2Y2更改為H62Y，H62Y硬度比T2Y2大，表面更光滑，能減少表面磨損及摩擦力。

3.3.3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

對(duì)3組改進(jìn)后樣件進(jìn)行1，000，000次耐久、操作力、開(kāi)關(guān)總運(yùn)動(dòng)行程及功能測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和性能要求，圖8。

圖8 新樣件功能測(cè)試

4 結(jié)論及后續(xù)研究

隨著各類(lèi)型的ECU控制器對(duì)于制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的信號(hào)的要求與日俱增，需要加強(qiáng)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的可靠性及質(zhì)量控制，但傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)無(wú)論在可靠性、信號(hào)準(zhǔn)確性方面都越來(lái)越不能適應(yīng)各種控制器的要求。為了解決制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)對(duì)于各項(xiàng)新興技術(shù)的適應(yīng)性及可靠性問(wèn)題[3]，目前眾多主機(jī)廠(chǎng)及零部件供應(yīng)商正嘗試開(kāi)發(fā)一種霍爾式非接觸式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)以替代傳統(tǒng)制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)?；魻柺椒墙佑|式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)不僅能在性能、可靠性上滿(mǎn)足更高要求，而且可以有效的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品平臺(tái)化共用，降低設(shè)計(jì)及售后維修成本，因此霍爾式非接觸式制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)是今后制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)。