汽车制动灯开关常见故障分析和改进策略

汽车制动灯开关常见故障分析和改进策略摘 要：汽车制动灯开关虽未定义为 3C 件或关键件，却对行车安全有重要 的影响。该开关常见的功能失效模式有：制动灯常亮，导致制动灯烧坏或电池 亏电；制动灯不亮，刹车时无法警示后面来车减速。通过增加力&位移测试的 过程控制方法，保证开关的档位高度和止档力等关键特性满足设计要求；通过回 位弹簧的结构改进，保证上下触点两边接触。有效的提升了现有产品的可靠性， 并为新产品的质量先期策划和控制计划提供经验支持。关键词：制动灯开关；故障模式；档位高度；止档力；结构改进引言随着汽车技术不断发展，顾客对整车安全性和舒适性提出了更高的要求。不 遗余力的改进现有产品的质量缺陷，提升整车质量表现，是汽车厂家不可逾越的 阶段。行车制动灯开关作为制动回路的通断枢纽和制动信号传感器，虽然体积小、 结构轻，却需要承载大电流的通断电弧冲击、频繁动作的耐久考验(设计寿命为 100万次)，在整车上因制动灯开关失效而经常出现的故障模式有：制动灯常 亮，高位制动灯和后部制动灯长时间工作发热，热量集聚导致灯具壳体热熔变形； 或停车后制动灯常亮，蓄电池长时间工作而致亏电，不能正常发动汽车等。制 动灯不亮，刹车时不能警示后面来车，具有安全隐患。快速分析开关失效原因， 制定有效的改善措施，对于汽车厂家显得尤为重要。1. 制动灯开关原理和结构首先，掌握开关的作用原理和结构，是快速分析质量问题，制定有效改善措 施的前提。1.1 制动灯开关原理制动灯开关，包含两路导通结构，自由状态下，其中一路常闭，为两对触点 接触的结构，通大电流，直接控制制动灯；另一路常开，为滑片式结构，通小电 流，为ECU(Electronic Control Unit)提供制动信号，从而取消定速巡航、调整 节气门开度等，如图 1 所示。制动灯开关装在制动踏板的安装支架上，并与踏板上的挡板配合，以此来实 现刹车动作与开关开闭的联接。初始装车位置，开关推杆压下，常闭回路断开， 常开回路闭合；踩下刹车踏板，踏板与开关推杆脱离，开关恢复自由状态。如图 2 所示。1.2 制动灯开关结构制动灯开关包含约20个子零件，按照制造工艺来分，包括注塑件、冲压件、电镀件等，如图 3 。其中动触片与插片组成 ECU 信号回路组件；接触片、银点与插片组成制动 灯回路组件。特别的，为了补偿制动踏板支架与挡板间的距离误差，保证开关装 到踏板安装支架上后与踏板挡板可靠接触，开关设计了齿形推杆与卡簧配合的自 适应行程结构，如图 4 所示。2. 制动灯常亮原因分析和过程控制方法2.1 制动灯常亮原因分析制动灯开关有自适应行程结构，将推杆伸出长度设定为 8 个档位，开关装配 到踏板组件上时，根据安装支架与挡板的距离，使开关稳定在某一个档位上。不 同的档位间的关键特性包括两个方面：档位高度和止档力。假设：安装支架与挡 板间距为L,开关档位高度为H。其中开关1档的高度最大为Hmax, 8档的档 位高度最小为Hmin,设计上要求HmaxL，且差值至少大于开关的导通断开行 程约 1mm。因此,制动灯常亮的原因主要为开关与踏板没有可靠接触。这其中又包含两 种可能原因：开关装到踏板支架上前，推杆未完全拉出，开关自适应行程没起 作用，开关推杆所处的档位高度小于安装支架与挡板间距，即（Hi-1） vL。极端 情况为，开关推杆的最长行程小于支架与挡板间距，即HmaxvL；开关档位间 止档力太小，开关装配到踏板支架上后，推杆滑牙。与止档力相关的零件为齿形 推杆和卡簧，推杆齿高、齿宽太小，齿的强度不够，或者卡簧宽度尺寸太大，都 会导致滑牙， 如图 5所示。2.2 档位高度与止档力过程控制方法由于尺寸测量方法的限制，不易 100%监控与档位高度和止档力相关的推杆 和卡簧的尺寸。且子零件的尺寸满足，并不能体现零件总成的符合性。将力&位移测试仪（试验设备）应用在生产线上，可同时监控开关总成每一 档的档位高度和止档力，如图 6 所示。在此过程中，需严格控制探头的下压速度，以免测量时开关滑档，对推杆造 成二次损伤。检测完后，开关推杆需恢复到最长的状态，并确认后打标识。3. 制动灯不亮原因分析和结构改进方案3.1 制动灯不亮原因分析制动灯开关内部回路不导通，是制动灯不亮的直接原因。这其中又包含几个 可能原因：内部注塑飞边、手套丝线等异物，导致上下触点不能有效接触； 动触片与壳体干涉摩擦，两组触点仅单边接触；弹簧弹力不够，触点接触抖动时间长，电弧烧蚀触点表面，积碳严重导致断路等。3.2 结构改进方案注塑飞边等异物，可通过修复模具，模具定期维护保养来改善；弹簧力不够， 可在满足开关档位力要求的情况下，选用弹性系数较大的弹簧。动触片与壳体摩 擦导致单边接触的情况较为复杂，需要分析动触片受力情况，从结构力学角度制 定改善方案，以某新型国产乘用车的制动灯开关为例。 动触片受力分析（改进前）因动触片包含冲压成型、触点铆接、装配等工艺，两组触点的高度很难保证 完成一致；且在使用过程中，两组触点的烧蚀程度不同，也可能导致高度差。虽 不能避免两组触点按照先后顺序接触，如何保证两组触点在最短的时间内连续接 触，就成为重点研究的方向。该型开关设计初选用柱形弹簧，弹簧直径与触点间 距一致。如图8所示，假设动触片右边与壳体摩擦力为f,柱形弹簧弹力为F,两个 力矩分别为1和L,动触片与壳体两边的间距分别为hl和h2。当两个触点因制 造误差存在高度差时，左边先接触，形成杠杆支点。因为摩擦力矩1远大于L， 只要很小的摩擦力就能与弹簧力形成力平衡,导致右边触点不能接触。因 L 太 小，即使没有摩擦力的情况下，左边支点处也易形成力平衡，导致另一触点接触 不良。 动触片受力分析（改进后）将柱形弹簧改为锥形弹簧，缩小上端直径。这种改进有几个好处：当单边 静触点作为支点时，缩小了摩擦力矩和弹簧力矩的大小差别，从而减小了摩擦力 f对动触片回位的影响；力F1作用点位置的内移，避免了 F1和F2受力点重 合的风险，使动触片具备一定的偏移调整能力；当定触点存在高度差时，弹簧 支撑点向高一些的触点方向微量位移，来确保高的定触点接触可靠。 动触片增加凸台为了防止锥形弹簧有太大的位移，在动触片中间增加凸台。4.结论制动灯开关在整车制动模块中的重要作用，对开关的可靠性提出了较高的要 求。文章简要介绍了制动灯开关的原理和结构，重点分析了因制动灯开关失效导 致的制动灯常亮、制动灯不亮的根本原因，并通过零件总成 100%力&位移测试 的过程控制方法、将柱形弹簧改为锥形弹簧等结构改进措施，使问题得以解决。 识别清楚产品的关键特性，通过设计变更和自动化、半自动化的过程控制方法， 提升产品可靠性，应是零件供应商重点关注的方向。参考文献：李廉锟结构力学M.北京，高等教育出版社，2010.于津涛.汽车维修与保养J.北京，2006/10： 48.闫炳强，黄刚.汽车维修与保养J.北京，2008/11： 57.