方向盤多功能開關失效問題分析

馬燕，韋曉晶

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展，汽車“新四化”(電動化、網聯化、智能化、共享化)概念的提出，人們對汽車的操作便利性及安全性也越來越關注。駕駛員在駕駛過程中的行為已經不僅局限于單純的“駕駛”，越來越多的信息和信息交流融入到汽車設計中[1]。方向盤作為使用頻率最高的部件，也由最初的僅有轉向功能，到集成喇叭開關，再到裝配駕駛員安全氣囊，之后到更多的附加功能[2-3]。多功能的方向盤使得駕駛員在行駛過程中，雙手不離開方向盤的情況下，能夠更方便地控制車輛的多個系統的功能，提高了操作便利性及安全性[4]。

1 問題描述

某車型接到售后反饋，方向盤多功能開關失效12例。經初步分析，其中音量鍵失效6例，音量鍵間歇性失效4例，頻道搜索及音量鍵均失效2例。根據故障件的分析結果，音量鍵功能失效為主要失效模式。

2 原因分析

該車型方向盤多功能開關采用的是導電橡膠式，具體結構如圖1所示。按壓方向盤開關上按鍵，通過頂桿推動導電橡膠上的動觸點，使得動觸點下壓與PCB板上靜觸點接觸，回路導通失效開關功能。

圖1 方向盤多功能開關結構

根據設計要求，方向盤多功能開關按鍵力的正常值為(1.5±0.5) N。將萬用表接到售后返回的故障件音量鍵回路兩端，對故障件進行按壓導通測試。對故障件音量鍵以設計要求的正常按鍵力進行按壓，萬用表無顯示，說明音量鍵回路未導通。加大按壓力至3～6 N對故障件音量鍵進行按壓，萬用表有電阻顯示，音量鍵回路導通。圖2為測試萬用表顯示結果。

拆解多功能開關故障件，去除故障件的PCB板，將正常狀態零件的PCB板與故障件的其他零件重新組裝成多功能開關。對重新組合的多功能開關音量鍵進行按壓導通測試，施加設計要求的正常按壓力，即可導通音量鍵回路。對多功能開關故障件的PCB板進行分析，發現故障件的PCB板上的觸點，有細微黑色沉積物。在多功能開關故障件的橡膠觸點上，同樣發現了細微黑色物質。圖3為多功能開關故障件動、靜觸點拆解情況。用酒精對PCB上觸點及橡膠觸點進行擦拭，再重新進行組裝。對重新組裝后的故障件重復進行按壓導通測試，采用正常按壓力萬用表即有顯示，按鍵正常導通。

將故障件送至檢測機構，對觸點上的細微黑色沉積物進行能譜分析，分析結果如表1所示，圖4為觸點表面掃描電鏡結果。根據分析結果，觸點上的細微黑色沉積物主要成分為碳。結合拆解分析及按壓導通測試結果，判斷出多功能開關PCB板上的靜觸點，與導電橡膠上的動觸點結合力不夠，接觸面積少，動、靜觸點之間產生細微的拉弧，開關長時間處于此狀態使用導致觸點積碳，是造成多功能開關音量鍵失效的主要原因。

3 解決方案

由于動、靜觸點接觸面積少，結合力不夠導致觸點件產生細微拉弧，形成觸點積碳是造成多功能開關音量鍵失效的主要原因，針對該問題，提出了相應的解決方案。

方案一：增大導電橡膠上動觸點接觸片面積，使觸點間接觸面積增大從而減小觸點間產生拉弧的可能性。進一步分析發現，目前的導電橡膠為標準件，與PCB板上觸點是較為合適的搭配，若增大導電橡膠觸點面積，需開發專用件，且開發周期較長，成本增加。而多功能開關故障件的失效表現模式為下壓力偏小導致觸點表面積碳，增大按壓力即可導通，單純增加導電橡膠觸點接觸片面積，并不能完全解決問題。

方案二：尋找接觸壓力更小、電阻波動較小的導電橡膠灰觸點。采用灰觸點制作出多功能開關按鍵，與現有產品(導電橡膠藍觸點)，共進行5×104次耐久試驗，每1×104次測量按鍵的電阻值。兩種產品按鍵電阻值波動情況如圖5所示，從圖中可看出灰觸點電阻值最穩定，波動最小。進一步了解得知該灰觸點從未有在方向盤多功能開關使用的先例，若直接使用可能會有未可知的風險。從觸點的結構上看，灰觸點與藍觸點為相似的鎳絲導電，單純更換灰觸點，無法完全解決此次多功能開關按鍵失效問題。

圖5 不同導電橡膠觸點電阻波動

方案三：對現有方向盤多功能開關結構進行優化。針對動、靜觸點結合力不夠的問題，對現有方向盤多功能開關音量鍵結構進行分析，采取如下兩個步驟對開關結構進行優化，如圖6所示。第一，在多功能開關音量鍵殼體頂桿穿過的孔處，頂桿推動導電橡膠動觸點側，增加一圈墻體，從而增加頂桿運動方向上的導向，使得頂桿能夠更有效地推動導電橡膠動觸點下壓；第二，將頂桿與導電橡膠動觸點接觸的圓盤面積，由原來的4 mm直徑且帶缺口的形狀，更改為直徑為4.5 mm的完整圓盤形狀，增加頂桿圓盤與導電橡膠的接觸面積，同時將圓盤厚度由原來的0.6 mm增加至0.9 mm。

圖6 結構優化方案示意

4 方案實施效果

對結構更改后的方向盤多功能開關樣件進行了1×105次耐久試驗，在試驗過程中，每1×104次檢測按鍵電阻值并進行記錄。試驗完成后開關功能正常，電阻波動情況如圖7所示，與原狀態比，結構優化后的開關按鍵電阻波動情況有所改善。結果表明：結構優化方案的實施，有效地解決了此次方向盤多功能開關音量鍵失效的問題。

圖7 結構優化后阻值波動情況

5 結論

基于某車型方向盤多功能開關失效的具體案例，通過能譜分析方法查找失效原因并制定相應措施，得出以下結論：

(1)根據能譜分析結果，開關按鍵功能失效的主要原因為操作按壓不到底，動觸點與靜觸點結合力不夠，產生細微拉弧， 使得PCB電路板上的觸點表面積碳。

(2)增大導電橡膠觸點面積，需開發專用件開發周期較長，成本增加。且單純增加導電橡膠觸點接觸片面積，并不能完全解決多功能開關音量按鍵下壓力偏小導致觸點表面積碳，出現按鍵失效的問題。

(3)導電橡膠灰觸點接觸壓力更小，電阻波動較小，從觸點的結構上看，灰觸點與藍觸點為相似的鎳絲導電，單純更換灰觸點，無法完全解決此次多功能開關按鍵失效問題。

(4)針對動、靜觸點結合力不夠的問題，對現有方向盤多功能開關音量鍵結構進行分析。結構優化后的多功能開關經過1×105次耐久試驗后，開關功能正常，電阻波動情況有所改善。結果表明：結構優化方案的實施，有效地解決了此次方向盤多功能開關音量鍵失效的問題。