李宇斌

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

1 引言

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

2 制動燈開關(guān)原理和結(jié)構(gòu)

2.1 制動燈開關(guān)原理

制動燈開關(guān)包含兩路導(dǎo)通結(jié)構(gòu)，自由狀態(tài)下，其中一路閉，為兩對觸點接觸的結(jié)構(gòu)，直接控制制動燈；另一路常開，為滑片式結(jié)構(gòu)，為ECU提供制動信號，從而取消定速巡航、調(diào)整節(jié)氣門開度等，如圖1所示。車輛ECU、ABS等系統(tǒng)對制動踏板信號采集方式，如圖2。

圖1 制動燈開關(guān)觸點結(jié)構(gòu)

圖2 制動燈開關(guān)信號采集

2.2 制動燈開關(guān)結(jié)構(gòu)

制動燈開關(guān)主要有三種類型：

（1）液壓式制動燈開關(guān)，用于采用液壓制動系統(tǒng)的汽車上，裝在液壓制動主缸的前端或制動管路中。

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

（3）彈簧式制動燈開關(guān)，彈簧式制動燈開關(guān)是一種常用的制動開關(guān)，制動燈開關(guān)裝在制動踏板的安裝支架上，并與踏板上的擋板配合，以此來實現(xiàn)剎車動作與開關(guān)開閉的聯(lián)接。初始裝車位置，開關(guān)推桿壓下，常閉回路斷開，常開回路閉合；踩下剎車踏板，踏板與開關(guān)推桿脫離，開關(guān)恢復(fù)自由狀態(tài)。下文主要介紹彈簧式制動燈開關(guān)（簡稱制動燈開關(guān)）。

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

圖3 制動燈開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖4 制動燈開關(guān)觸點結(jié)構(gòu)對比

2.3 制動燈開關(guān)性能要求

（1）儲藏溫度：-40℃～+95℃；（2）操作溫度：-40℃～+85℃；（3）耐久性：1，000，000次；（4）操作力：8N±3N；（5）開關(guān)總運動行程：6mm±0.5mm；（6）開關(guān)共有8個可調(diào)位置狀態(tài)；（7）額定電壓：12V

3 制動燈開關(guān)故障模式及失效分析

3.1 制動燈開關(guān)常見故障模式

行車制動燈開關(guān)作為制動回路的通斷樞紐和制動信號采集元件器，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、頻繁動作的耐久考驗，在整車上因制動燈開關(guān)失效而經(jīng)常出現(xiàn)的故障模式有：①制動燈常亮，高位制動燈和后部制動燈長時間工作發(fā)熱，熱量集聚導(dǎo)致燈具殼體熱熔變形；或停車后制動燈常亮，蓄電池長時間工作而致虧電等。②制動燈不亮，無制動信號輸出，導(dǎo)致車輛無法啟動、換擋等具有安全隱患。

3.2 制動燈常亮失效分析及控制方法

3.2.1 制動燈常亮失效分析

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

因此，制動燈常亮的原因主要為開關(guān)與踏板沒有可靠接觸。這其中又包含兩種可能原因：①開關(guān)裝到踏板支架上前，推桿未完全拉出，開關(guān)自適應(yīng)行程沒起作用，開關(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，開關(guān)推桿的最長行程小于支架與擋板間距，即Hmax＜L；②開關(guān)檔位間止檔力太小，開關(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，齒的強度不夠，或者卡簧寬度尺寸太大，都會導(dǎo)致滑牙[2]。

3.2.2 檔位高度與止檔力過程控制方法

圖5 檔位高度和止檔力監(jiān)測

由于尺寸測量方法的限制，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。且子零件的尺寸滿足，并不能體現(xiàn)零件總成的符合性。

將力&位移測試儀（試驗設(shè)備）應(yīng)用在生產(chǎn)線上，可同時監(jiān)控開關(guān)總成每一檔的檔位高度和止檔力，如圖5所示。

在此過程中，需嚴格控制探頭的下壓速度，以免測量時開關(guān)滑檔，對推桿造成二次損傷。檢測完后，開關(guān)推桿需恢復(fù)到最長的狀態(tài)，并確認后打標識。

3.3 制動燈不亮失效分析及結(jié)構(gòu)改進

3.3.1 制動燈不亮失效分析

某車型故障表現(xiàn)為緩慢踩制動踏板，當踏板與開關(guān)完全斷開后，制動燈間歇性不亮導(dǎo)致無法換擋，經(jīng)重裝或更換制動燈開關(guān)后故障消除。對故障車相關(guān)零件的檢查分析，初步判斷制動燈開關(guān)內(nèi)部回路不導(dǎo)通，是制動燈不亮的主要原因。

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

圖6 制動燈開關(guān)信號采集與行程

進一步對制動燈開關(guān)故障件潛在失效進行排查確認：

（1）觸點未接觸 ：①動觸片卡滯：對故障件進行確認動觸片能自由的運動，未發(fā)現(xiàn)有卡滯現(xiàn)像 ；②動觸片歪斜：對故障件進行確認動觸片的歪斜在設(shè)計的0.4范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)有脫離設(shè)計的歪斜

（2）觸點接觸表面絕緣：①觸點表面無氧化膜；②觸點表面無異物；③觸點表面無絕緣物質(zhì)；④觸點燒蝕，接觸電阻偏大：對故障件進行分析，未發(fā)現(xiàn)表面燒蝕

（3）觸點接觸壓力不夠，接觸電阻偏大，對開關(guān)彈簧力進行設(shè)計分析，圖7；制動燈開關(guān)總成操作力要求8N±3N，接觸壓力設(shè)計要求1.5N±0.5N。

開關(guān)的預(yù)壓力設(shè)計分析如以下：

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

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

觸點初始接觸狀態(tài)：

F1+f1= 1.78N+0=1.78N(單觸點力為0.89N，)

彈簧力的公差為±0.5N，最終單觸點接觸力設(shè)計最小值0.64N

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

通過對彈簧力的設(shè)計分析，確定根本原因為接觸壓力不夠，使接觸電阻偏大。

3.3.2 結(jié)構(gòu)改進及驗證

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

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

②動觸點：銀層厚度加厚，從0.3mm改至0.5mm。

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

（3）改進插片，為了減小M型動觸片運動跟插片的摩擦力，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 改進效果驗證

對3組改進后樣件進行1，000，000次耐久、操作力、開關(guān)總運動行程及功能測試驗證，結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和性能要求，圖8。

圖8 新樣件功能測試

4 結(jié)論及后續(xù)研究

隨著各類型的ECU控制器對于制動燈開關(guān)的信號的要求與日俱增，需要加強制動燈開關(guān)的可靠性及質(zhì)量控制，但傳統(tǒng)的機械式開關(guān)無論在可靠性、信號準確性方面都越來越不能適應(yīng)各種控制器的要求。為了解決制動燈開關(guān)對于各項新興技術(shù)的適應(yīng)性及可靠性問題[3]，目前眾多主機廠及零部件供應(yīng)商正嘗試開發(fā)一種霍爾式非接觸式制動燈開關(guān)以替代傳統(tǒng)制動燈開關(guān)?；魻柺椒墙佑|式制動燈開關(guān)不僅能在性能、可靠性上滿足更高要求，而且可以有效的實現(xiàn)產(chǎn)品平臺化共用，降低設(shè)計及售后維修成本，因此霍爾式非接觸式制動燈開關(guān)是今后制動燈開關(guān)的發(fā)展趨勢。