馬 良,王 健,劉 行,李 溪
(一汽轎車有限公司奔騰開發(fā)院,吉林 長春 130012)
制動信號燈開關(guān)普遍應(yīng)用于乘用車,作為制動系統(tǒng)的一個必要零件,發(fā)揮著重要的作用。制動信號燈開關(guān)可以劃分為接觸式與非接觸式兩種,非接觸式比較穩(wěn)定,但是成本相對較高。接觸式開關(guān)成本相對較低,但是設(shè)計時需要做系統(tǒng)性的考慮,否則在后期應(yīng)用時會出現(xiàn)問題。
本文結(jié)合接觸式制動信號燈開關(guān)在乘用車上的實際應(yīng)用總結(jié)出設(shè)計要點,為車企追求低成本與高可靠性的制動信號燈開關(guān)提供方案。
制動信號燈開關(guān)內(nèi)部有兩個觸點,一個常開觸點和一個常閉觸點。常開觸點所在的回路稱之為“制動回路”,常閉觸點所在的回路稱之為“非制動回路”。操作類型為頂桿式,自動回位型,頂桿內(nèi)部有自動回位彈簧。開關(guān)一般安裝在制動踏板的上方,當(dāng)制動踏板未被踩下時,踏板自然回位,將開關(guān)的頂桿壓縮,此時制動回路未接通,非制動回路為接通的狀態(tài);當(dāng)制動踏板被踩下時,制動開關(guān)的頂桿在自身彈簧力的作用下逐漸伸出,當(dāng)頂桿伸出至開關(guān)內(nèi)部電氣信號切換點時,制動回路接通,同時非制動回路斷開,此時各個控制器接收到制動開關(guān)的信號后,根據(jù)控制策略執(zhí)行相應(yīng)的動作。安裝示意圖如圖1所示。
圖1 安裝示意圖
制動開關(guān) (BLS)一般會與車身控制單元 (BCM)、發(fā)動機管理系統(tǒng) (EMS)和電子穩(wěn)定系統(tǒng) (ESP)通信。BCM和ESP只采制動回路的信號,EMS會采制動與非制動回路信號,EMS通過制動開關(guān)的兩路信號對開關(guān)是否故障件進行判斷。
當(dāng)踩下制動踏板,BCM接收到制動回路信號時會驅(qū)動車輛的制動燈點亮;EMS接收到制動回路信號的同時,也會接收到非制動回路的信號,EMS對信號校驗 (此校驗為EMS對開關(guān)兩路信號不一致性的校驗)后若無問題,則說明制動踏板真的被踩下了,此時EMS采取一系列動作,包括控制油泵停止給發(fā)動機供油等。ESP獲取到制動信號后經(jīng)過校驗 (此校驗為ESP對制動回路信號與主缸壓力之間的校驗)后若無問題,則ESP內(nèi)部相應(yīng)的功能可以啟動。
在選取控制器內(nèi)部用于接開關(guān)信號的電阻時,要考慮實際電流是否在開關(guān)的工作電流范圍內(nèi)。以本公司在用的某款制動開關(guān)為例,工作電流范圍是3~100mA,控制器在選取電阻時,希望越大越好,這樣工作電流比較小,電阻的功耗比較小,在考慮電阻散熱時便可以使用較小的電阻封裝尺寸。但是若電阻值過大,那么實際的電流超過開關(guān)的工作電流范圍,會造成導(dǎo)通不可靠的情況,綜合考慮,3.3kΩ的電阻為多數(shù)控制器可接受的阻值,此時使用0603封裝即可。通信示意如圖2所示。
圖2 通信示意圖
根據(jù)乘用車蓄電池的工作電壓范圍,制動信號燈開關(guān)的工作電壓范圍為9~16V,此參數(shù)為設(shè)計制動信號燈開關(guān)的工作電流時的重要計算依據(jù)。
制動信號燈開關(guān)的工作電流取決于其所在的電路環(huán)境。對于制動回路,根據(jù)驅(qū)動制動燈的方式不同而分為兩種。
1)一種為制動回路直接帶制動燈負載,典型工作電流為6A或者11A,工作電流的大小取決于制動燈的功率。此種方式工作電流比較大,所以拉弧現(xiàn)象明顯,容易產(chǎn)生制動信號燈開關(guān)觸點燒蝕問題,實際售后市場也會存在此問題。減輕此問題的措施為確保開關(guān)成品內(nèi)觸點的清潔度,但由于工作電流較大,燒蝕不可避免。制動回路帶載制動燈示意如圖3所示。
圖3 制動回路帶載制動燈示意圖
2)另外一種為BCM驅(qū)動制動燈,對于開關(guān)來講,制動回路只需要提供給BCM信號即可,工作電流比較小,流過EMS及ESP的電流也為毫安級別,此種控制方式不存在觸點燒蝕問題,同時在控制上還可以對外部制動燈進行診斷等優(yōu)勢,所以各主機廠逐漸開始使用工作電流比較小的制動開關(guān)。制動回路不帶載制動燈示意如圖4所示。
圖4 制動回路不帶載制動燈示意圖
對于非制動回路,其工作電流取決于EMS內(nèi)部接收信號的電路的搭建,從實際驗證結(jié)果來看,開關(guān)的工作電流在毫安級別比較好,開關(guān)不會出現(xiàn)觸點燒蝕的失效模式。制動開關(guān)非制動回路接線示意圖如圖5所示。
制動開關(guān)的觸點要做到可靠導(dǎo)通毫安級別的電流,經(jīng)過對各種形式開關(guān)的調(diào)研及實際應(yīng)用,滑片式首推,其次為對碰式,但是對碰式要求觸點做工精細,防塵性要重點控制,否則會出現(xiàn)接觸不良的問題。
圖5 制動開關(guān)非制動回路接線示意圖
此參數(shù)尤為重要,即需要確定開關(guān)在哪點導(dǎo)通,開關(guān)的兩路信號切換點是否需要同步等問題。這主要取決于接收開關(guān)信號的各個控制器。
對于開關(guān)的切換點位置的確定,需要考慮制動系統(tǒng)建壓過程是否與制動回路信號有關(guān)。以某車型為例,ESP系統(tǒng)在建壓的過程中會對制動信號進行檢測,當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時,制動系統(tǒng)主缸開始建立壓力,當(dāng)建立至a(bar)時,如果ESP仍然沒有接收到制動開關(guān)的制動信號,那么ESP系統(tǒng)認為有問題了,滿足診斷策略后會進行報錯,所以制動開關(guān)需要在制動系統(tǒng)主缸壓力值達到a之前發(fā)出,結(jié)合制動踏板與主缸之間的壓力-行程曲線及制動踏板的尺寸便可確認制動信號燈開關(guān)的電氣信號切換點。當(dāng)然,如果制動開關(guān)為借用方案,需要在設(shè)計之初校驗開關(guān)的安裝位置是否滿足ESP系統(tǒng)要求,如果不滿足,則需要調(diào)整制動開關(guān)在制動踏板的安裝位置,移動到一個合適的位置來滿足ESP系統(tǒng)的需求。制動開關(guān)的切換點典型推薦值為2.5~3.0mm。踏板行程&壓力曲線示意圖如圖6所示。
圖6 踏板行程&壓力曲線示意圖
對于兩路信號切換點是否需要同步的問題,目前各品牌制動開關(guān)不統(tǒng)一,有的開關(guān)兩路信號切換點在同一點,有的在設(shè)計上有0.5~0.9mm的不同步距離,但是在EMS對開關(guān)進行診斷時,均認為開關(guān)的兩路信號不一致是對的,如果出現(xiàn)一致,那么則認為有問題,只是策略的細節(jié)不同罷了,鑒于此,建議兩路信號在同一點切換,且公差越小越好,目前可以控制在±0.3mm左右的精度。開關(guān)切換點示意圖可參考圖7。
圖7 開關(guān)切換點示意圖
調(diào)節(jié)行程是開關(guān)為了適應(yīng)開關(guān)安裝支架的尺寸變化而設(shè)計的行程,一般設(shè)計為8mm,正負方向均有4mm的踏板變形允許量。開關(guān)安裝后,踏板回位時可自行調(diào)節(jié)距離。此值可根據(jù)實際需要而設(shè)定。目前很多開關(guān)安裝時需要鎖緊螺母,在此不推薦,因為此種結(jié)構(gòu)在安裝時對操作人員的要求非常高,如果安裝過位或者不到位,便會產(chǎn)生加速無力或者制動燈常亮等問題。在使用自動調(diào)節(jié)式開關(guān)時,需校驗踏板回位力是否能克服開關(guān)自動調(diào)節(jié)的止擋力。
操作力即為開關(guān)頂桿被完全壓縮時的力,典型值為10±3N。設(shè)計時需要考慮如下因素:駕駛員在松開制動踏板時,制動踏板回位力能夠克服制動開關(guān)頂桿的彈簧力。操作力要小于止擋力,否則調(diào)節(jié)行程會失效,繼而引發(fā)其他問題。
工作行程即制動開關(guān)的頂桿能夠被壓進的行程,典型值為6mm。如果行程過長,則制動踏板墊與開關(guān)頂桿接觸時對開關(guān)頂桿產(chǎn)生的非軸向分力過大,進而增加開關(guān)的磨損,同時也會增加頂桿與開關(guān)本體的摩擦力;如果行程過短,便會接近開關(guān)的電氣切換點,容錯能力會下降,綜合考慮各品牌制動開關(guān)的電氣切換點各有不同,如2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.6mm、4.5mm等值,建議取6mm較為合適。
開關(guān)在工作中也屬于運動部件,主要包括兩方面:一是自身頂桿伸縮運動產(chǎn)生的聲音,為了減少摩擦,推薦頂桿使用圓型設(shè)計;二是頂桿與踏板墊相對摩擦產(chǎn)生的聲音,此處要考慮頂桿頭的圓弧半徑,使其與踏板墊始終保持點接觸,減小摩擦力。同時頂桿頭的硬度及光滑度也要保證,工作時不能變形,表面無毛刺,材料建議為PA66+GF,同時踏板墊的硬度也要保證。
觸點的形式一般分為滑片式和對碰式?;揭紤]耐磨損特性,從鍍層及潤滑兩方面考慮,其中鍍層至少要鍍銀鎳,潤滑脂對觸點磨損有很好的保護作用,足夠量的油脂可減少觸點磨損。經(jīng)過多年總結(jié),建議使用NS-9494-G型號油脂。
耐久壽命在理論上越長越好,但是相應(yīng)的成本也會增加,所以需要尋找一個平衡點,此平衡點的主要依據(jù)為整車的質(zhì)保周期,大部分車企的制動開關(guān)的質(zhì)保與整車質(zhì)保相同,即3年或10萬公里。綜合高速路況、城市路況及村鎮(zhèn)路況,制動開關(guān)的使用頻次為10次/公里,10萬公里即100萬次,所以制動信號燈開關(guān)的耐久壽命至少要達到100萬次,統(tǒng)觀行業(yè),也是符合的。
接觸式制動信號燈開關(guān)在設(shè)計前需要對外部環(huán)境的制約因素考慮清楚并進行校驗,這樣在設(shè)計前期就可以將風(fēng)險規(guī)避掉,從而提高制動開關(guān)的穩(wěn)定性,同時也保證了制動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。