汽車方向盤固定鋼絲拆卸力和回彈力研究

周厚林，汪偉

(上海臨港均勝汽車安全系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

0 引言

汽車方向盤與駕駛員氣囊(Driver Air Bag,DAB)的連接常用卡接方式，即方向盤上設(shè)置一根U形固定鋼絲，掛住DAB上的3根圓柱銷的缺口部。該結(jié)構(gòu)安裝和拆卸方便，成本低，應(yīng)用廣。采用該結(jié)構(gòu)在裝配和拆卸DAB時(shí)，固定鋼絲需發(fā)生水平方向的變形和移動(dòng)，具體過程為：(1)常規(guī)工況下，固定鋼絲處于初始位置，能牢固地掛住DAB；(2)當(dāng)安裝或拆卸DAB時(shí)，固定鋼絲被推動(dòng)到解鎖位置；(3)當(dāng)DAB安裝到位或拆卸脫出后，固定鋼絲又回彈到初始位置。該設(shè)計(jì)存在一項(xiàng)潛在風(fēng)險(xiǎn)，即當(dāng)固定鋼絲的回彈力不夠時(shí)，它無法完全回彈到初始位置，從而無法牢固地掛住DAB，造成性能風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。目前的技術(shù)要求中對(duì)于回彈力沒有量化的指標(biāo)要求，實(shí)踐中也沒有合適的方法來測(cè)試回彈力及對(duì)應(yīng)的拆卸力，因而也無法對(duì)固定鋼絲的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)價(jià)。

本文作者旨在建立固定鋼絲拆卸力和回彈力的測(cè)試工裝和測(cè)試方法，并確定拆卸力和回彈力的技術(shù)要求，從而方便對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，以提升產(chǎn)品性能和客戶滿意度。同時(shí)，根據(jù)上述測(cè)試方法，在項(xiàng)目前期可以對(duì)固定鋼絲的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行量化評(píng)估和優(yōu)化，減少后期的設(shè)計(jì)更改，節(jié)約時(shí)間和成本。

1 固定鋼絲設(shè)計(jì)因子分析

在實(shí)踐中，固定鋼絲的設(shè)計(jì)形狀受方向盤空間的影響，各平臺(tái)差異較大。受條件所限，本文作者僅研究FE平臺(tái)的固定鋼絲。僅致力于分析固定鋼絲設(shè)計(jì)參數(shù)與拆卸力和回彈力之間的關(guān)系，以確定固定鋼絲的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，不涉及方向盤尺寸公差對(duì)實(shí)踐結(jié)果的影響。 DAB安裝銷與固定鋼絲之間的摩擦力被認(rèn)定為固有常量，不列入文中研究范圍。

拆卸時(shí)，固定鋼絲上共受5個(gè)力： 向上的拆卸力F拆、骨架定位銷對(duì)固定鋼絲的正壓力Fz(兩側(cè)對(duì)稱)、 沿鋼絲向下的摩擦力Fc(兩側(cè)對(duì)稱)，如圖1所示。其中F拆等于Fz垂直方向的分力Fz1和Fc垂直方向的分力Fc1之和，即：

F拆=2×(Fz1+Fc1)

圖1 固定鋼絲拆卸時(shí)的受力示意

回彈時(shí)，固定鋼絲上共受4個(gè)力： 骨架定位銷對(duì)固定鋼絲上的正壓力Fz(兩側(cè)對(duì)稱)、 沿鋼絲向上的摩擦力Fm(兩側(cè)對(duì)稱)，如圖2所示。

圖2 固定鋼絲回彈時(shí)的受力示意

回彈力F回等于Fz垂直方向的分力Fz1減去Fm垂直方向的分力Fm1，即：

F回=2×(Fz1-Fm1)

Fc1、Fm1的影響因素：夾角α、正壓力Fz、摩擦因數(shù)(鋼絲表面處理)。

Fz1的影響因素：夾角α、正壓力Fz。

Fz的影響因素：鋼絲變形量、鋼絲材料、鋼絲直徑、鋼絲熱處理。

在固定鋼絲的自由狀態(tài)已確定為FE平臺(tái)鋼絲的條件下，鋼絲變形量和夾角α不是設(shè)計(jì)自變量，而是由骨架定位銷的位置來決定的。所以，文中將骨架定位銷與自由狀態(tài)鋼絲的距離L作為設(shè)計(jì)變量來研究，如圖3所示。

圖3 鋼絲變形量L的定義示意

綜上所述，影響固定鋼絲拆卸力和回彈力的主要設(shè)計(jì)變量確定為：鋼絲直徑、鋼絲表面處理、距離L、鋼絲材料、鋼絲熱處理。

考慮到作者所在單位的固定鋼絲材料選擇單一，而熱處理參數(shù)的研究條件目前還不成熟，初步選取以下3個(gè)參數(shù)作重點(diǎn)研究：(1)鋼絲的直徑；(2)鋼絲的表面處理；(3)距離L。

2 專用試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)及測(cè)量系統(tǒng)分析

本文作者根據(jù)第1節(jié)確定的研究范圍，設(shè)計(jì)制造了專用試驗(yàn)工裝，如圖4所示。其上的定位銷是靈活可調(diào)的，可獲得不同數(shù)值的距離L。鋼絲直徑和表面處理是樣件屬性，附屬于不同狀態(tài)的樣件。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備及專用工裝示意

為了評(píng)估該專用試驗(yàn)工裝是否可用，本文作者對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量系統(tǒng)分析。因此測(cè)試系統(tǒng)及方法為作者首創(chuàng)，無可供對(duì)比的客觀基準(zhǔn)，故只研究測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

從3個(gè)批次的FE平臺(tái)鋼絲中隨機(jī)抽取10個(gè)樣件(電鍍鋅，直徑2.2 mm )，由3名測(cè)試員在前述專用試驗(yàn)工裝上測(cè)量鋼絲的拆卸力和回彈力，一次測(cè)試同時(shí)獲得拆卸力和回彈力數(shù)據(jù)，每個(gè)樣件測(cè)3次，共獲得90個(gè)拆卸力和90個(gè)回彈力測(cè)試數(shù)據(jù)。其中距離L按FE平臺(tái)A車型的設(shè)計(jì)狀態(tài)5.4 mm。

使用Minitab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，算出拆卸力的測(cè)量誤差為26.09%，回彈力的測(cè)量誤差為34.85%。該測(cè)量系統(tǒng)精度不夠，需改進(jìn)。

為此，作者對(duì)可調(diào)定位銷進(jìn)行了電鍍鉻處理，以降低它與固定鋼絲之間的摩擦力的波動(dòng)。改進(jìn)后重新按上述方法進(jìn)行測(cè)試和分析，得到的拆卸力的測(cè)量誤差為11.68%，回彈力的測(cè)量誤差為16.72%?？梢娫摐y(cè)量系統(tǒng)精度一般，僅為基本可用[3-4]?？紤]到課題實(shí)際條件限制，作者決定將此測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于后續(xù)的研究。

3 拆卸力和回彈力的技術(shù)要求的確立

因此測(cè)量裝置及方法為首創(chuàng)，因此需確立基于該測(cè)量方法的拆卸力和回彈力技術(shù)要求，以作為此課題的技術(shù)目標(biāo)，同時(shí)作為其他部門的參考標(biāo)準(zhǔn)。

作者以FE平臺(tái)固定鋼絲形狀為基礎(chǔ)，分別制造了直徑為2.0 mm和2.2 mm、表面預(yù)鍍鋅和電鍍鋅的樣件，在方向盤實(shí)物上用現(xiàn)有主觀評(píng)判法對(duì)其拆卸性和回彈性進(jìn)行評(píng)測(cè)，然后將鋼絲樣件裝在專用試驗(yàn)工裝上，設(shè)置距離L=5.4 mm，測(cè)試其拆卸力和回彈力。兩者對(duì)標(biāo)，從而確定基于此測(cè)量系統(tǒng)的拆卸力和回彈力的技術(shù)要求。

測(cè)量對(duì)標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 主觀評(píng)判法與拆卸力和回彈力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

鑒于實(shí)踐中希望拆卸力盡量小，而回彈力盡量大，作者初定基于此測(cè)量系統(tǒng)的拆卸力和回彈力的技術(shù)要求為：拆卸力不大于40 N，回彈力不小于13 N。

4 固定鋼絲設(shè)計(jì)參數(shù)DOE及驗(yàn)證

對(duì)固定鋼絲的3項(xiàng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，即鋼絲的直徑、鋼絲的表面處理、距離L與安裝力及拆卸力之間的關(guān)系進(jìn)行DOE(Design of Experiments,試驗(yàn)設(shè)計(jì))，以確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

采用三因子二水平法列出試驗(yàn)矩陣，其中距離L的低水平和高水平根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，鋼絲直徑和表面處理為類別屬性，各選2種類別。試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 三因子二水平試驗(yàn)矩陣測(cè)試數(shù)據(jù)

使用Minitab軟件分析，刪除非顯著因子和非顯著交互作用后，得到拆卸力數(shù)學(xué)模型為

F拆=-125.28-11.30A-2.295B+32.27C+2.91A·C

回彈力數(shù)學(xué)模型為

F回=-90.28-8.63A+2.324B+21.169C+2.014A·C

其中：A表示固定鋼絲直徑；B表示固定鋼絲表面處理；C表示距離L。

結(jié)合第3節(jié)所確定的技術(shù)要求，即拆卸力不大于40 N，回彈力不小于13 N，使用Minitab軟件響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)行分析，確定固定鋼絲的最優(yōu)設(shè)計(jì)為：鋼絲直徑2.0 mm，鋼絲表面處理為電鍍鋅，距離L為5.07 mm。此時(shí)對(duì)應(yīng)的拆卸力預(yù)測(cè)值為32.7 N，回彈力預(yù)測(cè)值為17.9 N。

按此最優(yōu)參數(shù)制造固定鋼絲實(shí)物樣件進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 第一輪最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)物驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

可見，第一輪DOE所得數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果偏差較大，即數(shù)學(xué)模型有誤。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推測(cè)，模型中可能存在著二次項(xiàng)。對(duì)于二次項(xiàng)，一般用中心復(fù)合試驗(yàn)來分析[5]。這要求所有變量均為連續(xù)型，但是鋼絲直徑和鋼絲表面處理都是離散變量，無法做該試驗(yàn)。因此，作者決定先固定鋼絲直徑和鋼絲表面處理，然后變化連續(xù)變量距離L來擬合。

結(jié)合作者所在單位實(shí)踐，鋼絲直徑固定為2.0 mm。根據(jù)前述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，鋼絲表面處理固定為電鍍鋅(其符合拆卸力望小而回彈力望大的期望)。

用實(shí)物樣件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下模型。

拆卸力模型為

F拆=185.8-73.96C+8.282C2

回彈力模型為

F回=152.5-61.63C+6.588C2

其中：C表示距離L。

測(cè)試結(jié)果擬合線圖如圖5所示。

結(jié)合前述技術(shù)要求，即拆卸力不大于40 N，回彈力不小于13 N，算出距離L的最優(yōu)區(qū)間為

L=[5.51,5.99] mm

也即，第二輪DOE所得的固定鋼絲最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：鋼絲直徑2.0 mm，鋼絲表面電鍍鋅，距離L為5.75 mm。在此條件下，對(duì)應(yīng)的拆卸力預(yù)測(cè)值為34.4 N，回彈力預(yù)測(cè)值為15.9 N。

按第二輪最優(yōu)參數(shù)制造固定鋼絲實(shí)物樣件進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)量結(jié)果拆卸力均值為35.2 N，回彈力均值為16.6 N，與預(yù)測(cè)值很接近。這說明此輪DOE所獲得的數(shù)學(xué)模型可用。

圖5 拆卸力和回彈力擬合線圖

5 總結(jié)

分析確認(rèn)了固定鋼絲的主要設(shè)計(jì)參數(shù)；設(shè)計(jì)了測(cè)試固定鋼絲拆卸力和回彈力的專用工裝，并經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)分析確認(rèn)可用；通過與主觀評(píng)測(cè)法對(duì)標(biāo)，確定了基于此測(cè)量系統(tǒng)的拆卸力和回彈力技術(shù)要求；對(duì)固定鋼絲設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了DOE，確定了最優(yōu)參數(shù)，并經(jīng)實(shí)物樣件測(cè)試驗(yàn)證確認(rèn)。文中研究結(jié)果可以作為生產(chǎn)質(zhì)量管控及后續(xù)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參考。