Carling Technologies成立于1920年，是一家大型電氣設備制造商，為尋求領(lǐng)先的工程師和產(chǎn)品設計師提供了大量實(shí)用指導。

 

開(kāi)關(guān)通常是產(chǎn)品設計師在設計人機界面時(shí)所做的最重要的設計決策。

 

基本情況：在電路中的性能

 

如果詢(xún)問(wèn)設計工程師項目的關(guān)鍵限制條件是什么，他們回答的兩個(gè)首要關(guān)鍵限制因素是成本與時(shí)間。

 

通常這兩個(gè)因素都受到制約，但在按預算準時(shí)交付的需求背后是對性能的假設。對道路與非道路動(dòng)力應用中的電氣開(kāi)關(guān)而言，這甚至更困難。

 

這一過(guò)程始于開(kāi)關(guān)的主要功能—電路性能：

 

•開(kāi)關(guān)是直接還是間接控制負載？

 

•開(kāi)關(guān)是否會(huì )控制交流、直流或脈沖直流電流？

 

•開(kāi)關(guān)電流是否會(huì )遭受瞬間峰值或異常浪涌電流？

 

•開(kāi)關(guān)電容和內阻是一個(gè)因素嗎？

 

對于探究操作控制站或控制臺的設計開(kāi)關(guān)的工程師而言，這些問(wèn)題在原理圖或功能方框圖中并未凸顯出來(lái)。設計工程師必須與電路設計師密切合作，以確保指定開(kāi)關(guān)符合整個(gè)安全性能范圍。由于有其他車(chē)載系統（包括通信設備和汽油發(fā)動(dòng)機中火花點(diǎn)火系統的電感傳感器）的緣故，因此，范圍可能包括RFI屏蔽。

 

這說(shuō)起來(lái)容易，但面板和控制臺設計師很少有人懂電路開(kāi)發(fā)。因此，指定開(kāi)關(guān)的工程師有責任與電路設計團隊密切合作，清楚界定正常模式和潛在故障模式下的性能參數，以縮小選擇范圍。

 

對照檢查表確認適合面板設計的可用開(kāi)關(guān)以及考慮成本是控制臺/HMI設計師面臨的第二個(gè)主要挑戰。

 

因此，Carling Technologies建議在設計階段盡早聯(lián)系開(kāi)關(guān)供應商。像Carling這樣有能力的供應商不但擁有廣泛可用的在線(xiàn)技術(shù)數據庫，而且還讓工程師可加快了選擇過(guò)程。 

 

 

面板中的性能

 

對于電氣工程師或電路設計師而言，開(kāi)關(guān)是一個(gè)原理圖符號；但對于系統或機械工程師而言，開(kāi)關(guān)是涉及到體積、質(zhì)量和引出線(xiàn)/接頭布局相關(guān)以及其它屬性的實(shí)體裝置。雖然“DPDT，12A，12VDC”是基本的原理圖規范，但機械工程師或系統設計師也考慮到了人為因素問(wèn)題。這些性能問(wèn)題通常包括：

 

•開(kāi)關(guān)是什么類(lèi)型的？是撥動(dòng)開(kāi)關(guān)、蹺板開(kāi)關(guān)、旋轉開(kāi)關(guān)還是按鍵開(kāi)關(guān)？是觸摸感應式開(kāi)關(guān)還是可重配置開(kāi)關(guān)？

 

•預計工作溫度可達到多少？振動(dòng)和沖擊呢？

 

•開(kāi)關(guān)是否會(huì )受潮/被浸泡/被沖洗？開(kāi)關(guān)是否會(huì )接觸化學(xué)品、灰塵或冰？

 

雖然后兩條是可靠性因素，但不同制造商對可靠性和服務(wù)的定義不同。許多人采信現有標準組織（例如：ASTM和SAE），并要求開(kāi)關(guān)制造商提供相應的認證文件。

 

在此情況下，開(kāi)關(guān)供應商的經(jīng)驗和可靠性至關(guān)重要。對于OEM應用，客戶(hù)可能會(huì )要求進(jìn)行初始認證，質(zhì)保（QA）流程可能需要每年甚至每批貨都附上“證書(shū)”。

 

除了QA認證外，用戶(hù)還可能要求獨立公認第三方的認證。UL/CSA是北美著(zhù)名的認證機構，在一定程度與歐盟EN標準協(xié)調一致。德國的TuV和VDE標準在西方世界也得到了廣泛的認可。在某些市場(chǎng)（例如：歐盟），還必須考慮停止生產(chǎn)的產(chǎn)品考量因素。

 

 

例如，開(kāi)關(guān)是否經(jīng)過(guò)RoHS認證？這不僅僅關(guān)乎汞；如今即使是鍍鎘低碳鋼內部零件也是一個(gè)問(wèn)題，這也是設計師如今必須考慮的眾多因素之一。

 

產(chǎn)品是否會(huì )在全球銷(xiāo)售？如果不會(huì )，將來(lái)的銷(xiāo)售范圍是否會(huì )發(fā)生變化？如果發(fā)生這種情況，按照全球標準重新認證電子元件的費用是多少？如此而言，從一開(kāi)始就選擇經(jīng)過(guò)交叉批準認證的開(kāi)關(guān)是有道理的。

 

對于道路上使用的公路設備，開(kāi)關(guān)可能需要取得特定認證，例如協(xié)調CE標志。在每種情況下，設計工程師都需要知道裝置的潛在銷(xiāo)售市場(chǎng)。

 

即便不需要第三方認證，但這能否替代昂貴的內部測試？使用第三方認證的開(kāi)關(guān)能否為產(chǎn)品增加感知價(jià)值或體現獨特的銷(xiāo)售主張？即使不需要經(jīng)認證的開(kāi)關(guān)，但指定經(jīng)認證的開(kāi)關(guān)仍可顯現制造和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的意義。

 

開(kāi)關(guān)供應商能否可提供經(jīng)全球認證的產(chǎn)品？在質(zhì)量方面，開(kāi)關(guān)供應商能否提供滿(mǎn)足內部質(zhì)保和最終用戶(hù)要求的文件？這是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素，也是一個(gè)開(kāi)關(guān)定價(jià)因素。通常，成本最低的開(kāi)關(guān)很少或幾乎沒(méi)有配套文件或可追溯性。

 

衡量可靠性有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，即要求在開(kāi)關(guān)預期使用壽命期限內不出現任何故障，以開(kāi)關(guān)周期來(lái)度量。在某些應用中，可能需要達到平均無(wú)故障時(shí)間（通常以運行時(shí)數表示）。

 

此外，選擇開(kāi)關(guān)最好從供應商開(kāi)始，考慮可靠性至關(guān)重要。使用壽命長(cháng)、可靠性高的開(kāi)關(guān)自然更昂貴，預算有限的指定工程師（基本上每個(gè)工程師的預算都有限）可通過(guò)合理MTBF或可靠性參數來(lái)降低成本，擴大開(kāi)關(guān)的選擇范圍。

 

對于有多個(gè)潛在故障問(wèn)題的復雜系統，很容易提出過(guò)多可靠性要求。但從系統方法來(lái)看，對每個(gè)節點(diǎn)電路故障概率的統計分析表明，其他系統（例如：線(xiàn)束或連接器）可能需要符合更嚴格的可靠性規范，因此，可使用成本較低的開(kāi)關(guān)設備。整體系統的可靠性非常重要；為控制臺/駕駛艙開(kāi)關(guān)設備增加兩個(gè)數量級的更精準的故障概率可能非但不必要且成本也高。

 

另一種解決方案是管理開(kāi)關(guān)故障以降低成本。使用現場(chǎng)易更換的開(kāi)關(guān)的面板設計時(shí)，設計師可使用成本較低的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現整體系統的可靠性目標。如果產(chǎn)品設計要求是操作面板或控制臺的現場(chǎng)可維護性，則開(kāi)關(guān)接入設計可能已經(jīng)準備就緒。

 

適合用戶(hù)的性能

 

在這點(diǎn)上，設計師可能有一個(gè)簡(jiǎn)短的開(kāi)關(guān)列表，其中的開(kāi)關(guān)可在電路中使用且達到所需可靠性等級。盡管開(kāi)關(guān)是最基本形式的HMI，但只要將操作員納入系統考量因素中，就必須考慮另一組參數。典型問(wèn)題包括：

 

•您的操作員可方便地驅動(dòng)開(kāi)關(guān)嗎？操作員是否需在驅動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)查看開(kāi)關(guān)？操作員會(huì )戴手套嗎？操作員會(huì )處于高振動(dòng)環(huán)境中嗎？

 

•操作員是否需要確認開(kāi)關(guān)驅動(dòng)？是否需要處于堅固準確的位置？是否接通照明？

 

•開(kāi)關(guān)是否是多開(kāi)關(guān)板的一部分？開(kāi)關(guān)是直接還是間接被照亮？應該控制亮度嗎？操作員是否有夜視問(wèn)題？

 

•安全關(guān)鍵功能需要專(zhuān)用開(kāi)關(guān)嗎？某些開(kāi)關(guān)是否應帶鎖或加以防護？

 

•阻燃性和安全故障模式是安全要求嗎？開(kāi)關(guān)必須讓開(kāi)路失效嗎？操作員是否會(huì )無(wú)意地斷開(kāi)開(kāi)關(guān)？

 

雖然這些屬于功能上的考慮，但大多數設計師面對的是競爭激烈的市場(chǎng)。開(kāi)關(guān)不僅僅要可靠發(fā)揮功能；也必須為操作員創(chuàng )造一個(gè)有效率的工作環(huán)境，并為整個(gè)系統增加感知價(jià)值水平。

 

例如，安裝在不方便操作的位置或太靠近其他控件的小開(kāi)關(guān)可能具有出色性能，但在重型設備中則不合適。相反，傳統撥動(dòng)開(kāi)關(guān)或蹺板開(kāi)關(guān)可能無(wú)法給高科技的計算機化設備帶來(lái)21世紀的氣息。

 

在昂貴、高科技設備的控制站和控制臺上，開(kāi)關(guān)板固定板、照明顏色和亮度以及多語(yǔ)言、標準化開(kāi)關(guān)符號這些都是重要的小細節。從工程設計角度來(lái)看，正確的開(kāi)關(guān)對銷(xiāo)售和使用設備的人而言可能卻是錯誤的開(kāi)關(guān)。

 

可制造性設計

 

在這一點(diǎn)上，設計工程師可能很清楚要如何選擇，但制造呢？如果無(wú)法在裝配線(xiàn)上高效地將開(kāi)關(guān)組裝到面板中，則會(huì )浪費組件的高性能和低成本優(yōu)勢。

 

在第二次世界大戰之前，通常選擇采用外圈和鎖緊螺母，通過(guò)半英寸沖孔，在鋼板面板上安裝撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。令人驚訝的是，如今仍有人如選擇這么做，但很少有現代設計師會(huì )考慮在批量應用中使用緩慢又容易出錯的技術(shù)。開(kāi)關(guān)的標準安裝方式是手動(dòng)嵌入或通過(guò)面板自動(dòng)嵌入而無(wú)需使用緊固件，通過(guò)矩形孔安裝到?jīng)_壓或注塑面板中。矩形安裝孔可確保對齊，避免旋轉，并方便面板設計師以適中的成本進(jìn)行加工。

 

對于多開(kāi)關(guān)板，整體模塊通常是適合批量應用的最低成本選擇，并通過(guò)使用簡(jiǎn)易連接器和更簡(jiǎn)單、更輕的線(xiàn)束來(lái)節省成本。

 

影響控件設計工具的相同成本壓力也影響著(zhù)電氣系統的其余部分，而多路復用技術(shù)—特別是通過(guò)諸如SAEJ1939和NMEA等通信協(xié)議—允許使用更簡(jiǎn)單、更輕的線(xiàn)束。對于控件設計工具而言，多路復用技術(shù)雖增加了復雜度，但實(shí)際上簡(jiǎn)化了面板問(wèn)題，基本上可無(wú)限選擇定制或現成的控制模塊，這些模塊采用帶有自定義圖形和照明的觸摸板。

 

如此選擇的一個(gè)優(yōu)勢是能更好地掌控現代汽車(chē)的外觀(guān)和感覺(jué)，在嚴苛的工作應用中發(fā)揮較高性能。但如果選用多路復用系統，則在設計過(guò)程盡早考慮供應商選擇要求，這條準則尤其正確。對于這些更加復雜的系統，開(kāi)關(guān)供應商常常會(huì )在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中成為供應商/合作伙伴。

 

選擇正確的開(kāi)關(guān)供應商›

 

由于選擇過(guò)程與開(kāi)關(guān)一樣復雜，因此本文僅探討了OEM制造商的潛在問(wèn)題。選擇合適的開(kāi)關(guān)供應商不再是采購部門(mén)的問(wèn)題；相反，智能設計工程師通常會(huì )在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段盡早伸出援手，并挖掘利用合格供應商的工程專(zhuān)業(yè)知識。

 

經(jīng)歷這種協(xié)作開(kāi)發(fā)后，越來(lái)越多的定制開(kāi)關(guān)和模塊可能無(wú)法從多個(gè)供應商獲取。多個(gè)設計工程師都需要面臨采購和生產(chǎn)經(jīng)理的挑戰，他們不同意必要組件的單一采購。

 

但單位成本不是系統成本，具備專(zhuān)業(yè)知識和工程設計深度的開(kāi)關(guān)供應商可大幅節省上市時(shí)間和制造成本，這通常會(huì )使單個(gè)組件的單位成本成為次要考慮因素。

 

有一些制造商已將供應商資格認證程序標準化，但仍有許多制造商沒(méi)有這樣做，但在選擇開(kāi)關(guān)供應商時(shí)，這些制造商應提出一些基本問(wèn)題：

 

•供應商是否有內部工程設計專(zhuān)業(yè)知識？

 

•供應商能否幫助OEM工程設計團隊進(jìn)行產(chǎn)品設計？

 

•供應商是否提供了多種應對設計問(wèn)題的解決方案？

 

•供應商是否提供第三方認證產(chǎn)品？

 

•供應商能否向OEM質(zhì)保部門(mén)提供證書(shū)和批次可追溯性？

 

•供應商是否有內部生產(chǎn)？

 

•供應商需要多長(cháng)時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和交付產(chǎn)品？

 

•供應商可將生產(chǎn)量提高到要求的量嗎？