薛现龙

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

基于汽车按键开关操作手感及一致性影响因素分析

薛现龙

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

主要从影响按键操作手感的机械结构，导电橡胶结构、尺寸、材料等方面重点进行了参数化分析，提出具有良好手感的力行程曲线应考虑的关键要素，通过实际应用和测试，形成了标准的开关操作力行程曲线，在一定程度上提高并改善了汽车按键开关手感及一致性水平。

按键座；自回位；手感；导电橡胶；力行程曲线；操作力；一致性

目前，越来越多的汽车电气开关多采用小电流、自回位的形式，以实现对相关电气功能的控制。而随着同类按键开关在车内数量的增多，开关操作手感一致性问题，被越来越多的用户所关注。因而，按键开关手感好坏及一致性问题，在很大程度上会影响用户对整车品质及精良性的评价。但在实际整车量产车型上，出现不同程度的按键操作力大小不均、行程不等、手感不同，甚至卡滞及按压不到位等各种问题。而这些问题将直接影响用户对汽车的整体印象，极大地降低用户的购买欲望。

因此，本文提出一种合理的操作力、操作行程，合理的操作力行程比例关系、合理的筋槽配合尺寸选择等措施，以提高按键的操作手感。重点对影响开关手感的诸多因素进行参数化分析，主要从产生按键手感的机械结构，导电橡胶结构、尺寸、材料等方面分析了对手感的影响，总结出具有良好手感的力行程曲线应注意的关键要素，形成了标准的开关操作力行程曲线。对自回位类型按键开关手感的一致性、精良性等方面的控制具有重要的意义。手的位置感觉是否明确［1］，也是判断开关是否按下且有效的标志。

1.1 按键座与外壳体

按键自回位开关总成包括按键帽、按键座、主壳体、导电橡胶、电路板、底座等部件，如图1所示。其中按键座、主壳体、导电橡胶是影响按键操作手感及一致性的关键组成部件。

1 开关手感的影响因素

开关手感是通过力感、行程感、位置感等综合结果评价，其中位置感是指在操作过程中开关反馈给人

按键座与主壳体间的匹配的精细程度是影响开关手感的因素之一，按键座与主壳体间通过导向筋和导向槽的配合，来保证按键座在主壳体内做上下直线运动，如图2所示。

X、Y向各2条筋槽配合，以X向其中一条筋槽配合为例，计算相关尺寸公差。计算尺寸公差通常采用尺寸链方法，所谓尺寸链即在工件加工或机器装配过程中，由相互连接的尺寸形成的封闭尺寸组，成为尺寸链［2］。装配尺寸链按各环的几何特征和所处的空间位置分为线性尺寸链［3］、平面尺寸链［4-5］、角度尺寸链［6-7］、空间尺寸链。

图2 导向筋和导向槽

本例采用线性尺寸链法，首先计算主壳体与按键座筋槽孔中心线尺寸公差。如图3所示，其中A1为按键座槽中心与中心线的距离，A2为主壳体筋中心与中心线距离，A0为两部件装配后，筋槽中心线之间的距离。根据增环、减环、封闭环［2］定义，A0为封闭环，A1为增环，A2为减环，根据封闭环公式［8］基本尺寸

式中：ξi——第i组成环的尺寸传递系数，增环尺寸系数为1，减环尺寸系数为-1。

图3 筋槽配合尺寸链

在设计中，要求筋槽两中心线距离部件中心相同，即A1=A2，因此A0=A1-A2=0。根据封闭环极限偏差公式［8］

式中：ESp、EIp——增环尺寸的上、下偏差，ESq、EIq——减环尺寸的上、下偏差。

假设A1公差±a，A2公差±a，则根据以上公式，ES0=-2a，EI0=-2a，则A0公差±2a。

筋槽配合设计间隙0.05 mm，装配后要求其最小间隙≥0.01 mm。则有0.05-2a≥0.01 mm，a≤0.02，因此，得出A1、A2设计公差应不大于0.02，且保证筋槽的制造公差不大于±0.01，方能满足筋槽间不会有运动干涉风险，从而才能保证按键按压过程顺畅，且按压后不会出现卡滞风险。

导向筋和槽的配合间隙取值受主壳体与按键座各自尺寸精度影响，一般筋槽配合间隙取0.05 mm，最小0.035 mm；过大则开关晃动大；反之，间隙过小，将会产生卡滞风险。

筋槽在直线运动方向上至少重合不小于8 mm，否则，若按键较大，按压按键周边时易产生按键倾斜，导致卡滞风险。

按键座与导电橡胶接触部位应有预压结构，来确保按键不会上下晃动，避免产生噪声及按压前的空行程。否则，将影响操作手感。

1.2 导电橡胶

导电橡胶即在橡胶中掺入导电颗粒，使这种复合材料的橡胶既具有橡胶的特性，又具有金属的导电特性［9］。导电橡胶是按键自回位开关产生手感的最主要的部件，操作力及操作行程的参数均决定于导电橡胶的选择。图4所示为导电橡胶运动过程示意。

图4 导电橡胶按压状态图

手感是导电橡胶斜壁不能支撑操作力时被压垮产生的断落感，按键手感好坏取决于开关操作力行程曲线中操作力、操作行程的比例关系。一般操作力及行程曲线如图5所示。

其中，F1为操作力，f1为恢复力；F2为接触力，f2为接触恢复力；S1为操作行程，S2为接触行程；S3为全行程。

图5 开关操作力及行程曲线示意图

操作力是操作者对按键施加的力，可使斜壁发生弯曲；接触力是导电橡胶触点与PCB接触时需要施加的力；恢复力是操作者取消按压后，导电橡胶自回弹的力；S1为按压过程中操作力最大时，开关的运动行程，S2为未按下按键时导电片与PCB之间的自然距离，S3为S2行程后，继续按压按键，使导电橡胶受挤压发生的形变后的最大行程。

一般操作力与接触力落差越大，恢复力越小，相应手感越好；但会出现寿命降低或者不回弹问题；若减小落差，增加恢复力，寿命提升，但手感就会较差。如何分配和控制操作力、接触力、行程等之间比例关系尤其重要。

1.2.1 导电橡胶结构对手感影响分析

不同类型的导电橡胶对力行程曲线的影响不同，主要因素有斜壁角度、斜壁厚度、导电橡胶材料硬度、导电橡胶尺寸等。

1）斜壁角度 导电橡胶的斜壁角度常用37°～53°，其中45°最常用。如图6所示，按键导电橡胶斜壁角度θ不同，操作力行程曲线也不一样，θ越大，F1和F2落差越大，手感越好，但寿命越短。

图6 不同斜壁角度的弯曲点

2）斜壁厚度 导电橡胶斜壁厚度越大，操作力越大。平均每增加0.01 mm厚度，操作力增加0.02～0.04 N。若设计F1=3 N的按键，常用橡胶材料硬度60度，斜壁厚度一般取0.775～0.8 mm。

斜壁厚度不仅影响操作力的大小，对相应的操作手感影响也较大。图7所示为相同模具结构，相同的材料，不同斜壁厚度，得到的不同操作力行程曲线。

从图7中可以看出，斜壁厚度递增，操作力F1增加，接触力F2增加，但F1与F2的落差减少，随之手感将变差。反之，手感则变好。

3）材料硬度 导电橡胶的材料硬度一般为40～60度。橡胶的硬度较高时，刚性较好；相同斜壁厚度的导电橡胶，材料硬度越大，操作力越大。据统计，材料硬度不同，对操作力及其接触力影响程度不同，材料硬度越小，操作力与接触力落差越小，手感较差。图8为操作力相同，用不同硬度的橡胶材料，相同的模具结构，得到不同的操作力行程曲线。从曲线上可以看出，材料硬度越高，操作力与接触力落差越大，手感越好。

图7 不同斜壁厚度操作力曲线

图8 不同材料硬度操作力行程曲线

4）导电橡胶尺寸 导电橡胶尺寸大小同样影响操作手感，因为导电橡胶尺寸大，其四周斜壁面积大，操作力越大。据统计，实现相同操作力，采用大小不同的导电橡胶，手感会有不同，且操作力与接触力落差不同。如图9所示，大的导电橡胶的落差力约大，手感越好。

1.2.2 导电橡胶行程对手感的影响分析

导电橡胶接触行程设计应考虑其斜壁长度。理想状态，斜壁长度等于接触行程，如图10所示，导电橡胶按压后开关触点接通。

图9 不同大小导电橡胶曲线

图10 L=S2按压后示意图

若接触行程小于导电橡胶斜壁长度，在按压开关时，斜壁可能在压垮前即已经与PCB板接触，这时并没有产生手感，如图11所示。反之，若导电橡胶斜壁小于接触行程，则会出现开关按压后，导电橡胶触点没有与PCB板接触，导致开关失效。

图11 L＞S2按压后示意图

因此，在设计开关行程时，应充分考虑其斜壁长度，应满足斜壁长度近似等于接触行程。

2 结论

前面提到F1与F2落差越大，手感越好，用公式表示手感=（F1-F2）/F1×100%。但此比值受其它条件限制不可能达到100%。

以F1=3N为例：理论上为保证按键顺利回弹，f2需大于0.5N，F2与f2之间能量损耗为（0.5～0.7）N，取F2=1.2N，而手感=（F1-F2）/F1=（3-1.2）/3×100%=60%。

但实际中，由于按键还需克服与胶壳之间的摩擦力避免卡滞，取f2大于1 N，取F2=（1.5～1.7）N，所以手感=（F1-F2）/F1=［3-（1.5～1.7）］/3×100%=43.3%～50%。一般取0.4～0.6之间。

据统计，当手感在30%～40%时，绝大部分人可以感觉到有手感，但不太好；当手感大于40%时，绝大部分人可以感觉到手感较好。

按键的行程和恢复力是呈反比的，按键的行程越大，恢复力会越小；而按键的行程越小，则恢复力会越大，一般取行程S1/S2=0.4～0.6。

综合以上操作力行程曲线影响因素，定义操作手感应参照以下原则：①确保按键座、主壳体间导向槽与导向筋尺寸公差控制，一般取间隙（0.035～0.05）mm。②确保按键座与导电橡胶上表面设计预压行程。③保证（F1-F2）/F1=0.5，考虑批产尺寸波动，取公差±0.1；S1/S2=0.5，考虑批产尺寸波动，取公差±0.1；S2/S3=0.8～0.9。④导电橡胶斜壁角度取θ=45°。⑤导电橡胶斜壁厚度须根据具体材料硬度选择不同的厚度。⑥导电橡胶斜壁长度应接近或等于接触行程。

根据以上选取原则，得出操作力F1=3N，S2=1.3 mm，（F1-F2）/F1=50%，其中F2=1.5N，f2=1 N，S1=0.65 mm；S1/S2=0.65/1.3=0.5。通过主观操作评价手感较好，力行程曲线如图12所示。

图12 标准力行程曲线

［1］ 刘岩睿，夏群生，何乐.汽车转向组合开关力特性研究［J］.汽车工程，2004（3）:337.

［2］ 于俊一，邹青.机械制造技术基础［M］.北京：机械工业出版社，2004:190.

［3］ 邓兴贵.一种简单实用判断线性尺寸链中各组成环性质的方法［J］.矿山机械，2007（10）：127-128.

［4］ 魏宗平，刘红娟.平面尺寸链灵敏度分析的区间方法［J］.机械设计与制造，2008（10）：202-204.

［5］ JI Ping.An automatic tolerance assignment approach for tolerance charting［J］.Int J Adv Manuf Tech，1994（9）：362－368.

［6］ MICHAEL S M. Tolerance synthesis adopting a nonlinear programming approach［J］.Int J Adv Manuf Tech，1996（11）：387-393.

［7］ MOORE R E. Interval an alysis［M］.New Jersey：Prentice-HallEnglewood Cliffs，1966.

［8］ 于俊一，邹青.机械制造技术基础［M］.北京：机械工业出版社，2004:191-192.

［9］ 腾旭，胡志昂.电子系统抗干扰实用技术［M］.北京：国防工业出版社，2004：224.

（编辑 凌 波）

Influencing Factors Analysis of Operating Touch And Uniformity of the AUTO Switches

XUE Xian-Long

（FAW R&D Centre，Changchun 130011，China）

This article mainly analyzes influencing factors of operating touch from perspectives of mechanical structure，conductive rubber structure，dimension and material etc.，proposes some key elements that a good touch force curve should consider. Through the practical application and testing，a standard operating force curve is formed，which improves the operating touch and uniformity level to certain extent.

switch base；self return；touch feel；conductive rubber；force curve；operating force；uniformity

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0077-04

2016-12-09

薛现龙（1983-），男，工程师，硕士，主要从事新能源汽车电子电气架构设计工作。