汽車尾門開關(guān)常見的設(shè)計(jì)問題及解決方案

阮耀梅，呂游

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

近年來，我國的汽車行業(yè)發(fā)展迅速，汽車用戶對(duì)車輛的要求也越來越高，從最初的僅關(guān)注動(dòng)力性能到對(duì)車輛使用過程中的用車體驗(yàn)關(guān)注度越來越高，這就要求各種電器系統(tǒng)功能的可靠性更高。汽車行李箱由傳統(tǒng)的鑰匙開啟到現(xiàn)在，電控開啟已經(jīng)基本成為標(biāo)配，而尾門開啟開關(guān)作為開啟行李箱的直接操縱件，其結(jié)構(gòu)和功能的可靠性直接影響著用戶對(duì)車輛尾門使用的感知體驗(yàn)。

尾門開關(guān)的常見設(shè)計(jì)問題主要有電氣控制和結(jié)構(gòu)匹配兩大問題。電氣控制問題通常為尾門開關(guān)與車身控制器(body control module，BCM)的匹配問題。結(jié)構(gòu)匹配問題常見的故障模式是開關(guān)卡滯[1]，即無法按下或者按下后無法自行復(fù)位；還有一種是進(jìn)水失效，水進(jìn)入到開關(guān)引起短路或者PCB板腐蝕后導(dǎo)致斷路。本文結(jié)合以往開發(fā)兩款車型的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)尾門開關(guān)設(shè)計(jì)過程中常見的問題及其解決方案進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 電氣控制問題

使用尾門開關(guān)開啟行李箱時(shí)，電氣控制過程為：首先按壓開關(guān)，之后開關(guān)信號(hào)傳輸?shù)紹CM上，然后BCM控制尾門鎖電機(jī)的開啟，從而實(shí)現(xiàn)尾門鎖打開。尾門開關(guān)常見的電氣控制問題為開關(guān)提供的信號(hào)模式與車身控制器信號(hào)需求不匹配。一般尾門開關(guān)結(jié)構(gòu)為自復(fù)位結(jié)構(gòu)，操作開關(guān)結(jié)束松開手后，開關(guān)按鍵能自行復(fù)位。開關(guān)提供給車身控制器的信號(hào)一般有模擬量(電阻值或電壓值)和數(shù)字量(低電平或者高電平)，車身控制器控制要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期就提供其需求的信號(hào)形式，尾門開關(guān)按其要求進(jìn)行電路匹配。

2 結(jié)構(gòu)匹配問題

尾門開關(guān)結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)不良會(huì)導(dǎo)致開關(guān)卡滯或者進(jìn)水失效?？?，即開關(guān)的運(yùn)動(dòng)部件被卡住，無法按下或者復(fù)位。導(dǎo)致其卡滯的原因通常有：尾門開關(guān)與外部安裝件的匹配不合理；尾門開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的匹配設(shè)計(jì)不合理。進(jìn)水失效，即水進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部引起線路異常導(dǎo)通或者引起PCB板腐蝕后線路斷開導(dǎo)致開關(guān)失效，進(jìn)水的原因一般為開關(guān)防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。本文將按以下兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明：

結(jié)構(gòu)1：如圖1所示，防水設(shè)計(jì)為方形結(jié)構(gòu)，表面為軟膠全包覆，安裝在塑料的尾門扣手上。

圖1 方形防水結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)2：如圖2所示，防水設(shè)計(jì)為圓形結(jié)構(gòu)，按鍵僅圓形中間區(qū)域，安裝在尾門鈑金上。

圖2 圓形防水結(jié)構(gòu)

2.1 開關(guān)與外部安裝件的匹配

2.1.1 結(jié)構(gòu)1尾門開關(guān)與尾門扣手的匹配

尾門開關(guān)安裝在尾門扣手上，且開關(guān)與扣手之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即要求開關(guān)牢固地固定在尾門扣手上。從設(shè)計(jì)的角度來看(用工程語言描述)，即：開關(guān)需要在X、Y、Z方向上與尾門扣手進(jìn)行合理的匹配，既需保證開關(guān)牢固地安裝在尾門扣手上，又不能因與扣手匹配不當(dāng)造成外殼變形，從而導(dǎo)致內(nèi)部運(yùn)動(dòng)件卡滯[2]。同時(shí)需考慮設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和防錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

圖3為車型1方形尾門開關(guān)和尾門扣手的匹配設(shè)計(jì)，開關(guān)兩側(cè)長筋條，作為安裝時(shí)的導(dǎo)向和安裝防錯(cuò)結(jié)構(gòu)，筋條建議盡量長些；X方向通過開關(guān)外殼上長細(xì)筋條與尾門扣手進(jìn)行匹配，即圖3中開關(guān)的1#尺寸和扣手的尺寸a進(jìn)行匹配；Y方向限位通過彈性卡扣進(jìn)行，即圖3中開關(guān)的2#尺寸和扣手的尺寸c進(jìn)行匹配，3#、4#尺寸和扣手的尺寸b進(jìn)行匹配；Z方向通過開關(guān)兩邊的彈性卡扣卡住尾門扣手的平面。

由圖3可知，如果尾門開關(guān)與尾門扣手X、Y、Z方向的匹配間隙過大，則會(huì)導(dǎo)致開關(guān)安裝不到位，松動(dòng)甚至脫落；如果尾門開關(guān)與扣手X、Y方向的匹配間隙過小，則尾門扣手會(huì)將開關(guān)外殼壓變形，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)空間不足而卡滯。在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段，一般建議尾門開關(guān)與尾門扣手各個(gè)方向的匹配間隙值設(shè)計(jì)為0.05～0.20 mm，可以根據(jù)尾門開關(guān)和尾門扣手不同的材料特性進(jìn)行匹配；同時(shí)需要對(duì)尾門開關(guān)和尾門扣手的工裝樣件進(jìn)行相關(guān)匹配尺寸的測(cè)量以及實(shí)際裝配的確認(rèn)后，再對(duì)以上匹配尺寸進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到最佳的匹配效果。

圖3 車型1方形尾門開關(guān)和尾門扣手的匹配設(shè)計(jì)

2.1.2 結(jié)構(gòu)2尾門開關(guān)與尾門鈑金的匹配

尾門開關(guān)安裝在尾門鈑金上，開關(guān)按鍵僅為中間的小圓，則開關(guān)與鈑金之間同樣無相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，開關(guān)同樣需要牢固地固定在尾門鈑金上。相對(duì)于結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2的開關(guān)為圓形與鈑金的匹配也為圓形，其水平方向的限位也要根據(jù)圓形的特征，開關(guān)外殼軸向的限位一般也為卡扣。圖4為車型2圓形尾門開關(guān)和尾門鈑金的匹配設(shè)計(jì)，尾門鈑金僅需要開圓孔+“U”形槽，結(jié)構(gòu)簡單，“U”形槽與尾門開關(guān)外殼上的筋條匹配，起到安裝時(shí)導(dǎo)向和方向防錯(cuò)的作用。水平方向的限位主要依靠開關(guān)外殼上長細(xì)筋進(jìn)行限位，筋條結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)容易在實(shí)車匹配時(shí)進(jìn)行調(diào)整。開關(guān)軸向的限位也是卡扣，安裝在鈑金上的尾門開關(guān)，使用的卡扣一般是金屬的，考慮開關(guān)安裝在車外，選擇不銹鋼材質(zhì)，卡扣與鈑金安裝孔的干涉量在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段根據(jù)使用鋼材的硬度進(jìn)行CAE變形量分析。值得一提的是，在與鈑金的貼合面上，開關(guān)需要用軟膠進(jìn)行設(shè)計(jì)以匹配鈑金的弧面。對(duì)安裝在鈑金上的尾門開關(guān)，因鈑金件的匹配只能開孔，無法做更多的匹配結(jié)構(gòu)，需要尾門開關(guān)與鈑金的實(shí)物匹配，并對(duì)金屬卡扣的型面和硬度等進(jìn)行調(diào)整，否則容易出現(xiàn)卡接不牢導(dǎo)致脫落。

圖4 車型2圓形尾門開關(guān)和尾門鈑金的匹配設(shè)計(jì)

2.2 開關(guān)內(nèi)部匹配設(shè)計(jì)

汽車開關(guān)作為各種電器功能使用的操縱件，其內(nèi)部需要有運(yùn)動(dòng)部件，而安裝在尾門外部的尾門開關(guān)，根據(jù)GB/T 30038—2013《道路車輛 電子電氣設(shè)備防護(hù)等級(jí)》，其防水防塵等級(jí)需要達(dá)到IP67，密封要求很高。尾門開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要兼顧外殼的防護(hù)性要求和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)空間需求。

2.2.1 結(jié)構(gòu)1開關(guān)內(nèi)部匹配設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)1開關(guān)作用力示意如圖5所示，圖中F1為大氣壓力、F2為大氣壓力、F3為彈簧彈力、F4為滑塊與外殼的摩擦力、F為操作開關(guān)施加力。結(jié)構(gòu)1包含膠套、滑塊、外殼及其安裝座[3]，膠套為按壓開關(guān)時(shí)直接的接觸部件，按下后膠套形變力傳到滑塊，滑塊在下壓力的作用下下移按壓開關(guān)使觸點(diǎn)接通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號(hào)的輸出。由此可見，滑塊是操作過程中主要的運(yùn)動(dòng)部件，則其運(yùn)動(dòng)過程中受到的力有如下關(guān)系：

(1)操作開關(guān)時(shí)，操作者按壓開關(guān)，則滑塊下移的驅(qū)動(dòng)力為操作開關(guān)施加力F和大氣壓力F1；滑塊下移的阻力為大氣壓力F2、彈簧彈力F3和滑塊與外殼的摩擦力F4。需要滿足式(1)，尾門開關(guān)才能正常操作。

F+F1>F2+F3+F4

(1)

正常工況下，大氣壓力F1和大氣壓力F2基本一致，彈簧彈力F3是一個(gè)設(shè)計(jì)值，其波動(dòng)范圍較小，若滑塊與外殼的摩擦力F4很大，導(dǎo)致式(1)不成立，則開關(guān)按不下去，即開關(guān)卡滯，功能失效。影響滑塊與外殼的摩擦力的因素是滑塊與外殼的間隙，如果出現(xiàn)間隙過小、無間隙或者滑塊與外殼干涉的現(xiàn)象，則滑塊與外殼的摩擦力會(huì)很大，導(dǎo)致滑塊卡死無法運(yùn)動(dòng)，也就無法按下。因此滑塊與外殼的間隙是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，一般設(shè)計(jì)為0.05～0.20 mm。

(2)操作結(jié)束時(shí)，操作者手離開開關(guān)且開關(guān)自行回位時(shí)，則滑塊上移的驅(qū)動(dòng)力為大氣壓力F2、彈簧彈力F3；滑塊下移的阻力為大氣壓力F1、外殼的摩擦力F4。需要滿足式(2)，尾門開關(guān)才能正常回位。

F2+F3>F1+F4

(2)

一般情況下，大氣壓力F1不會(huì)變更，滑塊與外殼的摩擦力F4與按壓操作時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)大的變動(dòng)，彈簧彈力F3因素亦與(1)描述的一致，此時(shí)大氣壓力F2就是一個(gè)很關(guān)鍵的因素了。而F2是由開關(guān)膠套和外殼之間的空氣量決定的，根據(jù)其防水防塵要求，尾門開關(guān)的膠套外殼之間需要一定的密封性但不需要絕對(duì)密封。故在用戶操作開關(guān)時(shí)，橡膠下壓，膠套和外殼之間的空氣被擠壓，需要膠套變大容納被擠壓的空氣；若膠套和外殼的距離過小，按壓時(shí)膠套無足夠的變形距離，則在按下時(shí)膠套和外殼之間的空氣被擠出開關(guān)，而按壓操作結(jié)束用戶手離開開關(guān)時(shí)，空氣不易進(jìn)入開關(guān)導(dǎo)致大氣壓力F2大幅減小，使得開關(guān)回位公式不成立，則開關(guān)無法復(fù)位，導(dǎo)致卡滯失效。這是很容易忽略的一個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意放大膠套和外殼的距離，給膠套預(yù)留足夠的形變空間，當(dāng)因結(jié)構(gòu)空間問題無法滿足這點(diǎn)時(shí)，可以通過增加彈簧彈力來彌補(bǔ)大氣壓力F2的減小也是一個(gè)很好的解決方案。

圖5 結(jié)構(gòu)1開關(guān)作用力示意

2.2.2 結(jié)構(gòu)2開關(guān)內(nèi)部匹配設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)2，其按鍵操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程和受力分析及各部件管控與結(jié)構(gòu)1基本一致，這里不再贅述。與結(jié)構(gòu)1相比，需要關(guān)注的關(guān)鍵點(diǎn)在于，因其只有中間圓圈區(qū)域?yàn)椴僮鲄^(qū)域，運(yùn)動(dòng)部件也集中在中間部分，運(yùn)動(dòng)部件與外殼之間有運(yùn)動(dòng)安全間隙，且需要進(jìn)水區(qū)域隔離。在溫度低于0 ℃時(shí)，且在下雨雪或者洗車的工況下，水進(jìn)入開關(guān)內(nèi)部間隙后結(jié)冰，運(yùn)動(dòng)部件被凍住導(dǎo)致無法操作，也顯示為開關(guān)卡滯故障。要解決此問題，中間按鍵區(qū)部件需設(shè)計(jì)為橡膠件，如圖4中的白色按鍵部件。若將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與可能進(jìn)水區(qū)域隔開(即力傳遞機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生結(jié)冰)，即使按鈕側(cè)壁與外殼間隙因進(jìn)水發(fā)生凍結(jié)，按鈕中部橡膠還可受力變形實(shí)現(xiàn)按壓，使得開關(guān)信號(hào)可以正常輸入，確保開關(guān)功能正常。

2.3 尾門開關(guān)防水設(shè)計(jì)

如前所述，尾門開關(guān)一般安裝在尾門外部，根據(jù)GBT 30038其防水防塵等級(jí)為IP67。面對(duì)如此高的防水級(jí)別，尾門開關(guān)一般采用3層防水結(jié)構(gòu)：

(1)開關(guān)按鈕為橡膠件，其與外殼之間為過盈壓接關(guān)系，此為開關(guān)的第一層防水；結(jié)構(gòu)1的第一層防水橡膠按鈕如圖5所示，結(jié)構(gòu)2的第一層防水橡膠按鈕如圖4所示。

(2)第二層防水為內(nèi)部PCB板單獨(dú)包覆橡膠，如圖6所示。

(3)第三層防水為PCB板底部需要底座匹配，底部灌密封膠，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)1開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

3 結(jié)束語

本文以兩款車型的尾門開關(guān)作為案例，總結(jié)了汽車尾門開關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中常見的3種設(shè)計(jì)問題、影響因素及解決方案，為新產(chǎn)品及其他車型的尾門開關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了思路和參考。