宝马F01/F02底盘车型转向柱开关中心解析
BMWCHE/2015-11-09/技术解析/阅读:次
一、概述
F01、F02转向柱开关中心 (SZL) 是方向盘与车辆之间的机械和电气接口，它与转向柱以机械方式固定连接在一起。除这种纯机械连接方式外，转向柱开关中心还通过总线系统以电动方式与相关组件相连或直接连接相关组件。F01、F02转向柱开关中心见下图。
1.转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆 2.连接安全气囊引爆器的接口
3.转向柱开关中心锁止销 4.方向盘传动机构
3.转向柱开关中心锁止销 4.方向盘传动机构
5.连接喇叭按钮、多功能按钮和方向盘电子装置的接口
6.振动执行机构供电接口 7.刮水器开关的组合开关杆
6.振动执行机构供电接口 7.刮水器开关的组合开关杆
F01、 F02转向柱开关中心图
转向柱开关中心的右侧和左侧各有一个组合开关杆。右侧组合开关杆用于启用/停用刮水和清洗装置功能，左侧组合开关杆用于启用/停用远光灯或转向信号灯以及操作车载计算机功能。
转向柱开关中心带有光学转向角传感器。转向角传感器使用一个非接触式光学测量系统来识别转向角。转向柱开关中心直接或通过LIN总线接收方向盘的按钮信号，这些信号通过转向柱开关中心继续发送至相应的控制模块。 .
转向柱开关中心通过Flex Ray总线发送相关信号 (例如收音机音量调节按钮信号) ，接收相关执行机构的控制信号。转向柱开关中心将驾驶员安全气嚢的触发信号直接发送至安全气囊引爆器。
转向柱开关中心还分析方向盘加热装置的按钮信号，它通过LIN总线将该信号传送至方向盘电子装置。
F01、 F02转向柱开关中心通信流程见下图。
1.转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆 2.转向柱开关中心(SZL)
3.刮水器开关的组合开关杆 4.脚部空间模块(FRM 模块)
5.中央网关控制模块(ZGM控制模块) 6.接线盒电子装置(JB)
7.仪表板(KOMBI) 8.多功能方向盘
9.卷簧盒 10.方向般加热装置/方向盘调节装置按钮
11. 碰撞和安全模块 (ACSM模块)
12.基于摄像机原理的驾驶员辅助 (KAFAS)系统 LWS.转向角传感器 FLex Ray.FLex Ray总线
3.刮水器开关的组合开关杆 4.脚部空间模块(FRM 模块)
5.中央网关控制模块(ZGM控制模块) 6.接线盒电子装置(JB)
7.仪表板(KOMBI) 8.多功能方向盘
9.卷簧盒 10.方向般加热装置/方向盘调节装置按钮
11. 碰撞和安全模块 (ACSM模块)
12.基于摄像机原理的驾驶员辅助 (KAFAS)系统 LWS.转向角传感器 FLex Ray.FLex Ray总线
F01、F02转向柱开关中心通信流程图
转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆或刮水器开关的组合开关杆的信号被发送至脚部空间模块或接线盒电子装置。多功能方向盘的按钮信号通过卷簧盒被传送至转向柱开关中心，然后由转向柱开关中心进行处理并发送至FLex Ray总线上。
二、系统功能
(一) 探测组合开关的开关信号
组合开关的开关信号通过组合开关杆触发。相关开关安装在转向柱开关中心的印刷电路板上。所有组合开关杆都不采用卡槽设计方案。每次操作组合开关杆后，它都会自动返回到初始位置处。翘板开关采用卡槽设计方案，可提供3个卡止位置。
1、转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆
转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆操作方向见下图。
1.远光灯辅助系统按钮 2.车载计算机按钮 3.远光灯
4.前乘客侧转向信号灯点动闪烁 5.前乘客侧转向信号灯持续闪烁
4.前乘客侧转向信号灯点动闪烁 5.前乘客侧转向信号灯持续闪烁
6.远光灯瞬时接通功能 7. 驾驶员侧转向信号灯点动闪烁
8.驾驶员侧转向信号灯持续闪烁
8.驾驶员侧转向信号灯持续闪烁
转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆操作方向图
转向柱开关中心根据该组合开关杆的具体位置产生开关信号，然后通过Flex Ray总线发送该开关信号。脚部空间模块接收转向信号灯和远光灯开关以及远光灯辅助系统按钮的请求信号。当沿轴向方向按压车载计算机按钮时，就会激活车载计算机请求功能。转向柱开关中心通过Flex Ray总线发送显示车载计算机功能的请求信号。
2、刮水器开关的组合开关杆
该组合开关杆仅用于刮水和清洗装置。转向柱开关中心接收所有针对刮水和清洗装置的请求信号，然后通过Flex Ray总线将相关请求信号发送至接线盒电子装置，从而使接线盒电子装置控制刮水和清洗装置。
(二) 探测多功能方向盘的操作元件信号
多功能方向盘带有附加按钮，利用这些按钮可以激活舒适功能，从而提高车辆的舒适性。转向柱开关中心读取方向盘按钮的信号，然后通过Flex Ray总线发送这些信号，相关控制模块处理具体请求信号。
多功能方向盘装有以下部件：喇叭按钮、驾驶员安全气囊、收音机操作按钮、电话操作按钮、定速巡航控制按钮、方向盘电子装置、方向盘加热装置、振动执行机构。
喇叭按钮直接连接在转向柱开关中心上。接线盒电子装置以循环方式获得按钮状态。转向柱开关中心分析按钮状态并通过FlexRay总线将状态信号发送至接线盒电子装置。
收音机、电话和定速巡航控制系统的按钮与LIN总线相连，方向盘电子装置也与LIN总线相连，这些与LIN 总线相连的设备的中央控制模块是转向柱开关中心。
多功能方向盘的右侧按钮组件具有左侧按钮组件的主控功能，并且带有一个电子分析装置。电子分析装置探测各按钮的状态。电子分析装置将按钮状态发送到LIN总线上。转向柱开关中心以循环方式获得按钮状态并由此获知是否操作了按钮。转向柱开关中心通过Flex Ray总线发送按钮状态信号，以循环方式将信息传输给车载网络内的其他控制模块。
转向柱开关中心通过Flex Ray总线发送的信号必须由中央网关控制模块发送到K-CAN2 ，总线、PT-CAN，总线或MOST总线上，从而确保脚部空间模块、接线盒电子装置等设备发送相关的请求信号。
(三)转向信号灯复位
为使转向信号灯复位，脚部空间模块需要获得方向盘圈数信息。
转向柱开关中心记录方向盘圈数并通过Flex Ray总线传送相关信号。中央网关控制模块将该信号传送到K-CAN2总线上，使脚部空间模块得到该信号。脚部空间模块根据方向盘位置信号判断是否需要对转向信号灯的控制过程进行复位。
系统需要识别方向盘的转动圈数。光学式转向角传感器能够在自身旋转的360° 范围内识别零位位置。如果方向盘转动角度超过360° ，那么系统在计算转向角的同时，还需要记录方向盘的圈数。
(四) 发送和接收信息
转向柱开关中心数据获取并计算相关数据，然后将数据通过Flex Ray总线传输给相关控制模块。转向柱开关中心可通过中央网关控制模块利用宝马诊断系统进行诊断。诊断信息可通过Flex Ray调用。
1、振动执行机构
例如 KAFAS控制模块通过PT-CAN发出控制振动执行机构的请求，中央网关控制模块将信号发送到Flex Ray，总线上，集成式底盘管理系统接收到控制请求，集成式底盘管理系统协调振动执行机构的控制情况。
由于车内可能装有偏离车道警告系统和换车道警告系统，因此需要进行协调。集成式底盘管理系统根据两个辅助系统的请求将相应信号发送至振动执行机构。
方向盘电子装置对请求进行分析，控制振动执行机构并监控其功能。振动执行机构或方向盘电子装置损坏时，转向柱开关中心就会通过FLex Ray总线发送相关信息。
2、驾驶员安全气囊的引爆器
驾驶员安全气囊的引爆器直接通过卷簧连接在碰撞和安全模块 (ACSM模块) 上，由碰撞和安全模块负责触发安全气嚢。
3、冗余信号
用于转向信号灯和远光灯瞬时接通功能的转向信号灯和远光灯开关的组合开关杆信号通过FLex Ray总线进行传输。为了提高可靠性，转向柱开关中心直接通过一个导线连接至脚部空间模块，用于远光灯瞬时接通功能或转向信号灯的信号通过该导线以冗余方式传输。
4、探测转向角和转向角速度
影响行驶动力性的所有系统都需要转向角和转向角速度信号。转向角传感器采用非接触式光学测量方式测量转向角，测量范围为-640°~ 640°。F01、F02转向角传感器结构见下图。
1.发光二极管 2.光缆单元 3.代码盘 4.转向柱
5.光电晶体管 6.输出信号(电信号) 7.印刷电路板
5.光电晶体管 6.输出信号(电信号) 7.印刷电路板
F01、 F02转向角传感器图
转向角传感器的数据由转向柱开关中心内的电子装置进行处理并通过FLex Ray总线发送至集成式底盘管理系统。
三、系统部件
转向柱开关中心主要由以下部件构成：电子装置、卷簧盒、转向信号灯组合开关、刮水器组合开关、转向角传感器。F01、F02转向柱开关中心的安装位置见下图。
1 转向柱开关中心
F01、 F02转向柱开关中心的安装位置图
由于各部件 (例如卷簧盒或组合开关杆) 不能拆卸或更换，因此转向柱开关中心只能整体更换。F01、F02转向柱开关中心的后视图见下图。
1.车辆导线束的接口 2.车辆一側导线束的接口 (安全气囊信号)
3.方向盘加热装置/电动转向柱调节装置按钮组件接口
3.方向盘加热装置/电动转向柱调节装置按钮组件接口
F01、F02转向柱开关中心的后视图
(一)转向角传感器
转向角传感器有一个非接触式光学角度测量系统，该系统由一个代码盘和一个光学传感器组成，见下图。
1.光学传感器 2.代码盘 3.孔式纹路轨迹
代码盘和光学传感器图
代码盘通过一个传动机构与方向盘直接连接。当转动方向盘时 光学传感器内的代码盘随之转动。代码盘上带有孔式纹路，孔式纹路有4个圆形轨迹，这4个轨迹表示传感器的数字区域。当方向盘转动时，光线在此处照射到光电晶体管上，光电晶体管将光信号转化为电信号。
电子装置对电信号进行数字化处理，信号状态为1或0。转向柱开关中心通过FLex Ray总线传输相关数据。光学传感器的结构见下图。
1.代码盘 2.光缆单元 3.发光二极管 4.光电晶体管
光学传感器的结构图
1、相对转向角
相对转向角表示方向盘的角度位置，其范围为-640°~ 640°。即使控制模块断电，相对转向角信息也始终保留。当更换转向柱开关中心后，需要重新校准零位。此外，当更换动态稳定控制模块或维修转向系统/转向柱后，也要进行校准。
2、绝对转向角
绝对转向角是根据相对转向角和方向盘圈数信息计算得出的转向角。当进行转向柱开关中心零位校准时，需要确定绝对和相对转向角。转向柱开关中心在整个转向角范围内识别方向盘的每个位置，前提是在每次零位校准前必须将车轮和方向盘调整到直线行驶位置。
3、转向角速度
转向角速度是根据转动方向盘时各转向角数据变化得出的数值。转向柱开关中心计算出该数值并通过Flex Ray总线传输至车载网络。
(二)方向盘
F01、F02方向盘上的组件见下图。
1.方向盘加热装置 2.定速巡航控制系统的按钮组件
3.安全气囊单元 4.偏高车道警告系统的振动执行机构
3.安全气囊单元 4.偏高车道警告系统的振动执行机构
5.方向盘电子装置 6.收音机/电话的按钮组件
F01、 F02方向盘上的组件图
按钮组件和方向盘电子装置通过LIN 总线与转向柱开关中心内的电子装置相连。方向盘电子装置根据相应请求信号控制振动执行机构和方向盘加热装置。碰撞和安全模块直接控制安全气囊的引爆器。喇叭按钮信号由转向柱开关中心的电子装置进行分析。
1、行驶功能的按钮组件
方向盘有一个用于动态定速巡航控制(DCC)系统或具有停车和起步功能主动定速巡航控制(ACC)系统的按钮组件，见下图。
1.设置按钮 2.减小距离按钮(ACC) 3.翘板开关 4.增大距离按钮(ACC)
5. DCC/ACC进入或退出准备状态按钮 6.恢复/调出存储车速按钮
F01、 F02行驶功能的按钮组件图
利用设置按钮可设置所需车速。翘板开关没有卡槽，而且在上、 下方向都采用两级式设计方式。在向上或向下搬动翘板开关后，翘板开关都会返回静止位置。
DCC/ACC进入或退出准备状态按钮用于激活或解除定速巡航控制功能。恢复/调出存储车速按钮用于调出和启用上次存储的车速。
2、收音机/电话的按钮组件
收音机/电话的按钮组件位于方向盘右侧，见下图。
1.模式按钮 2.翘板开关+ 3.翘板开关-
4.免提通话按钮 5.电活按钮 6.滚花轮
4.免提通话按钮 5.电活按钮 6.滚花轮
F01、F02收音机/电话的按钮组件图
模式按钮可在各音频源间进行切換。利用翘板开关+或一可调节收音机音量。滚花轮采用卡槽式设计方案。操作滚花轮(向上或向下旋转) ，可以选择各个广播电台。按压滚花轮，可以存储所选的广播电台。
(三) 电动转向柱调节装置
F01、 F02电动转向柱调节装置电路图见下图。
1.中央网关控制模块(ZGM控制模块) 2.前部配电盒
3.行李箱配电盒 4.转向柱开关中心(SZL)
5.转向柱调节按钮 6.脚部空间模块(FRM模块)
7.电动转向柱高度调节电动机
8.电动转向柱垂直调节电动机FLex Ray. Flex Ray总线K-CAN2.车身总线2 KL30F.30F号电源
3.行李箱配电盒 4.转向柱开关中心(SZL)
5.转向柱调节按钮 6.脚部空间模块(FRM模块)
7.电动转向柱高度调节电动机
8.电动转向柱垂直调节电动机FLex Ray. Flex Ray总线K-CAN2.车身总线2 KL30F.30F号电源
F01、 F02电动转向柱调节装置电路图
1、转向柱调节装置按钮
F01、F02转向柱调节装置按钮和方向盘加热装置按钮见下图。
F01、F02转向柱调节装置按钮和方向盘加热装置按钮
朝4个方向推移转向柱调节装置按钮，可以对转向柱进行上、 下调节以及调节转向柱与驾驶员之间的距离。转向柱开关中心对该按钮状态进行分析并将相关信号发送至脚部空间模块。该信号必须先通过 Flex Ray总线传送至中央网关控制模块，然后通过 K-CAN2总线传送至脚部空间模块。
脚部空间模块是转向柱调节装置的中央控制模块。当激活记忆功能时，可以利用脚部空间模块调出或存储转向柱位置信息，使转向柱自动调整至相应位置。
2、方向盘加热装置按钮
方向盘加热裝置按钮的状态由转向柱开关中心内的电子装置分析。转向柱开关中心内的电子装置通过 LIN总线向方向盘电子装置发送请求信号，从而接通或关闭方向盘加热装置。F01、F02方向盘加热装置按钮信号流程见下图。
1.方向盘加热装置按钮 2.方向盘加热装置功能指示灯
3.转向柱开关中心(SZL) 4.方向盘电子装置 5.NTC电阻
6.方向盘加热装置
7.转向柱开关中心内的电子装置 KL.15N.15N号电源 KL.30F.30F号电源 LIN-Bus.LIN总线
3.转向柱开关中心(SZL) 4.方向盘电子装置 5.NTC电阻
6.方向盘加热装置
7.转向柱开关中心内的电子装置 KL.15N.15N号电源 KL.30F.30F号电源 LIN-Bus.LIN总线
F01、 F02方向盘加热装置按钮信号流程图
方向盘电子装置接通方向盘加热装置并监控其工作状态。方向盘加热装置带有一个NTC电阻，该电阻用于调节方向盘加热装置的温度。
四、维修与服务
当更换转向柱开关中心或对转向柱进行相关工作时，必须小心谨慎并遵守相关维修规定。
卷簧是转向柱开关中心内部的一个非常敏感的部件。如果更换转向柱开关中心时疏忽大意，那么可能导致卷簧或其他组件损坏，造成转向柱开关中心只能执行部分功能或根本无法工作，结果只能更換整个转向柱开关中心。
如果无法通过 Flex Ray总线与转向柱开关中心进行通信，那么接线盒电子装置就会启用风挡玻璃刮水器的应急运行模式。
转向柱开关中心只能作为整个部件进行订购和更换。当更换转向柱开关中心后，必须使新的转向柱开关中心与车辆匹配，包括：对转向柱开关中心进行初始化设定，对转向角传感器进行零位校准，将前车轮调整到直线行驶位置，进行功能测试。
五、案例分析
(1) 故障现象：在车辆行驶过程中，仪表板的 DSC故障警告灯、主动转向灯故障警告灯间歇点亮，中央信息显示屏显示动态稳定控制系统的故障信息。
(2) 故障检修：使用诊断仪对动态稳定控制系统进行自诊断，故障信息为转向角传感器内部故障，转向柱开关中心的总线通信故障，转向角传感器滑环触点故障。执行检测计划功能，诊断仪分析转向角传感器滑环触点损坏，建议更換转向柱开关中心。转向角传感器集成在转向柱开关中心中，如果其滑环触点损坏，那么更换整个转向柱开关中心。于是将转向柱开关中心更换掉，对转向角传感器进行匹配。试车，故障彻底排除。
(3) 故障总结：有许多系统需要用到转向角传感器信号。当转向角传感器损坏或信号失灵时，将导致相关系统的故障警告灯异常点亮。当更换转向柱开关中心时，必须使车轮处于直线行驶位置，然后将卷簧置于中间位置，装好转向柱开关中心。转向角传感器滑环触点没有电气参考点，安装完毕后需要用诊断仪进行匹配。如果仅是因为断电导致转向角参考点数据丢失，那么不需要用诊断仪进行匹配，只需向两侧转动方向盘，使系统复位。
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