一種方向盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

范炳偉，馬駿馳

一種方向盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

范炳偉，馬駿馳

（華晨汽車集團(tuán)控股有限公司華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

汽車方向盤是用來控制車輛行駛方向的關(guān)鍵部件，既是車內(nèi)的功能件、安全件，又是裝飾件。它在汽車內(nèi)飾中起著重要的作用。因此，方向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對安全性以及舒適性有著極其重要的影響。文章根據(jù)實(shí)際工作中的項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)介紹了方向盤的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、典型斷面等內(nèi)容，為以后的方向盤設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考依據(jù)。

方向盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；典型斷面

前言

方向盤是內(nèi)飾件中一個(gè)比較獨(dú)立的總成零件，位置明顯造型凸出，本身又由多個(gè)子零件構(gòu)成，尺寸有限但同時(shí)又要進(jìn)行多功能的集成兼顧功能性、安全性與舒適性，空間緊湊結(jié)構(gòu)復(fù)雜。所以，方向盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理尤為重要。

1 概述

乘用車方向盤常見的結(jié)構(gòu)形式根據(jù)輻條的數(shù)量可以分為單輻條、雙輻條、三輻條以及四輻條方向盤[1]；根據(jù)材料可分為硬質(zhì)、軟質(zhì)、皮革、桃木紋方向盤等類型[2]。

方向盤的主要構(gòu)成零件有：骨架、發(fā)泡、包覆件、裝飾片、開關(guān)等。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 骨架

骨架材料主要為鎂鋁合金，壓鑄工藝。材料重量輕，性能指標(biāo)好。

骨架輪圈截面成“M”、“C”、“幾”等字形。輻條截面常為“工”字形，厚度6～8 mm。

2.1.1 花鍵

花鍵分嵌入式和骨架整體式。嵌入式是將單獨(dú)加工完成的花鍵套嵌入到骨架里的形式。整體式是骨架壓鑄完成后直接加工出花鍵的形式，也分全齒和帶盲齒花鍵，盲齒起定位作用。

齒數(shù)選擇：方向盤安裝到管柱上常會(huì)出現(xiàn)角度偏轉(zhuǎn)的問題。常規(guī)是采用盲齒花鍵起定位作用。還有一種降低偏轉(zhuǎn)角度的方法是選擇盡量多的齒數(shù)，因?yàn)闊o定位齒的花鍵所能產(chǎn)生的最大偏轉(zhuǎn)角度是單個(gè)齒角度的二分之一，所以齒數(shù)越多其偏轉(zhuǎn)角度越小。

2.1.2 緊固方式

緊固方式為螺母或螺栓，如圖1所示。

圖1 螺母與螺栓緊固方式

間隙T是壓緊面到管柱花鍵端部的距離。此間隙的設(shè)計(jì)是為了避免緊固件擰緊后壓緊面貼合不牢靠。此間隙要能抵消骨架下沉量以及螺紋退刀槽誤差量。

2.1.3 氣囊安裝結(jié)構(gòu)

骨架對于駕駛員氣囊的安裝結(jié)構(gòu)要根據(jù)氣囊的結(jié)構(gòu)配合設(shè)計(jì)，其配合結(jié)構(gòu)主要有骨架自帶掛鉤、獨(dú)立掛鉤、鋼絲卡簧三種形式。

2.2 喇叭機(jī)構(gòu)

喇叭機(jī)構(gòu)主要有浮動(dòng)式、按鈕式、薄膜開關(guān)式。按鈕式在轉(zhuǎn)向過程中不易操作，而薄膜開關(guān)耐久性差，此兩種形式的機(jī)構(gòu)已趨于淘汰[3]。

浮動(dòng)式機(jī)構(gòu)是通過整個(gè)模塊的上下浮動(dòng)實(shí)現(xiàn)按響。浮動(dòng)式機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式多樣，又可分為導(dǎo)電片接觸形式和觸點(diǎn)接觸形式。

導(dǎo)電片接觸形式一般為獨(dú)立安裝在骨架上或集成于駕駛員氣囊上，靠機(jī)構(gòu)組件內(nèi)部的導(dǎo)線接觸觸發(fā)喇叭功能。觸點(diǎn)接觸形式是骨架上的觸點(diǎn)與氣囊本體上的觸點(diǎn)接觸后觸發(fā)喇叭功能。觸點(diǎn)式結(jié)構(gòu)簡單，但有接觸異響；導(dǎo)電片式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無接觸異響。觸發(fā)間隙一般為1.2～1.5 mm。

2.3 裝飾片

裝飾片材料主要為PC+ABS，注塑工藝。表面處理常見有噴漆、電鍍、水轉(zhuǎn)印等。

裝飾片的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)在于跟開關(guān)的配合，在造型設(shè)計(jì)階段尤其要注意開關(guān)與裝飾片兩者脫模線的方向。兩者方向一致為最佳狀態(tài)，方便配合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和模具脫模；其次是兩者方向不一致但同面，即兩者只在一個(gè)方向上有夾角；再次就是兩者方向不一致且不同面，即兩者在兩個(gè)方向上有夾角。

對于脫模線不同面的情況，若按各自的方向設(shè)計(jì)配合界面，會(huì)出現(xiàn)裝配干涉。若單獨(dú)將裝飾片內(nèi)翻邊按開關(guān)方向設(shè)計(jì)，則內(nèi)翻邊處模具就要做滑塊斜頂機(jī)構(gòu)，但空間結(jié)構(gòu)受限無法實(shí)現(xiàn)。

為此有一方案是在兩者脫模方向上有干涉的部分，將裝飾片內(nèi)翻邊做成局部漸變減薄，避開干涉。這種方案要在CAS制作階段控制好兩者脫模線的夾角大小，若夾角過大，內(nèi)翻邊的厚度有限不能過多減薄，再者外翻邊與內(nèi)翻邊之間的空間有限需要保證模具無尖鋼和正常出模，所以內(nèi)翻邊的厚度就不能往外翻邊方向增加或傾斜。裝飾片內(nèi)翻邊漸變示意如圖2所示。

圖2 裝飾片內(nèi)翻邊漸變示意圖

2.4 發(fā)泡

發(fā)泡層材料主要為自結(jié)皮PU，發(fā)泡工藝。表面處理為皮紋，顏色多樣。

發(fā)泡設(shè)計(jì)時(shí)，A面要考慮到發(fā)泡的脫模角度和分模線位置。發(fā)泡件成型時(shí)溫度較高材質(zhì)較軟，一般以大于3°出模為宜。

盤體發(fā)泡的分模線設(shè)計(jì)在與裝飾片的配合縫隙處為宜，這樣容易隱藏，外觀不易察覺。有時(shí)因造型原因需要設(shè)計(jì)在配合縫隙的下方，比如盤體12點(diǎn)位置，此位置是成品外觀可見部位。這樣就要進(jìn)行光順處理，讓分模線的走向趨勢與配合縫隙相呼應(yīng)來增加美觀度。

發(fā)泡除了外觀功能外，還涉及舒適性和零件載體。發(fā)泡的硬度要適中以便獲得良好的握感，一般在45至60邵氏A。發(fā)泡還要為裝飾片、開關(guān)等零件提供安裝結(jié)構(gòu)，在A面設(shè)計(jì)階段要根據(jù)氣囊的安裝軌跡、裝飾片的安裝點(diǎn)需求，計(jì)算出發(fā)泡外表面位置從而做出限制面，指導(dǎo)A面設(shè)計(jì)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留空間。

2.5 包覆件

方向盤表面包覆常用的有：二層真皮、頭層真皮、仿皮等。設(shè)計(jì)厚度一般為1.2～1.4 mm。常用縫線花型如圖3所示。

圖3 縫線花型

2.6 多功能開關(guān)

開關(guān)集成的功能也越來越多，包括音響、語音、藍(lán)牙、巡航等。開關(guān)主體的結(jié)構(gòu)發(fā)展趨于模塊化，設(shè)計(jì)前期對整個(gè)平臺(tái)車型開關(guān)配置功能進(jìn)行定義，對于不同配置的車型只在按鍵功能上進(jìn)行增減調(diào)整，以保證開關(guān)與方向盤的配合界面不變。這樣減少了方向盤的不必要開發(fā)，有助于方向盤的平臺(tái)化設(shè)計(jì)。

2.7 典型斷面

方向盤自身配合斷面（3&9點(diǎn)位置和輪緣截面）如圖4所示。

圖4 方向盤自身配合斷面

圖中的尺寸6若設(shè)計(jì)的較小對于外觀造型以及舒適性都有所提升，但該尺寸又受其他五個(gè)尺寸的限制，所以在造型設(shè)計(jì)之初對這個(gè)斷面的分析把控尤為重要，也是造型部門與工程部門沖突較多的一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。限制尺寸一般參考值為：尺寸1開關(guān)厚度23 mm；尺寸2開關(guān)與骨架間的發(fā)泡層厚度大于1 mm，留出發(fā)泡流料間隙；尺寸3骨架厚度6～8 mm；尺寸4塞皮槽與骨架間的發(fā)泡層厚度大于1 mm，留出發(fā)泡流料間隙；尺寸5塞皮槽的深度為發(fā)泡體深度4～5 mm加上包覆件料厚。

輪緣斷面的長寬L*W參考值約為31×27 mm，要滿足內(nèi)部結(jié)構(gòu)和人機(jī)需求。骨架到A面的厚度H一般為6～7 mm。

方向盤與氣囊蓋主要是喇叭按壓間隙的配合，是控制難點(diǎn)。配合間隙一般為3～3.5 mm，這個(gè)間隙需要根據(jù)喇叭按壓行程做運(yùn)動(dòng)包絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證。配合形式有搭接、對接、斜接三種。

3 總結(jié)

方向盤的技術(shù)將向著多功能化、智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。在發(fā)展的進(jìn)程中離不開基礎(chǔ)的框架結(jié)構(gòu)。本文總結(jié)介紹了基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架，為后續(xù)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)開發(fā)的參考思路。

[1] 曹渡,盛夏,崔寶蘭.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:7-8.

[2] 李光耀.汽車內(nèi)飾件設(shè)計(jì)與制造工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009:108-110.

[3] 張志軍,葉陽,劉啟明.汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)概論[M].北京:人民交通出版社,2008:183-193.

Study on the Structural Design of a Steering Wheel

FAN Bingwei, MA Junchi

( Brilliance Auto Group Holding Co., Ltd Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

The steering wheel is a key component used to control the driving direction of the vehicle, which is a functional, safety and decorative part in the vehicle. It plays an important role in the automotive interior. Therefore, the structural design of steering wheel has an extremely important influence on safety and comfort. This paper introduces the design of steering wheel according to the project development experience in the actual work, and focuses on the analysis of structural design, material selection and typical section etc., so as to provide reference for the design and development of steering wheel in the future.

Steering wheel; Structure design; Typical section

U463

B

1671-7988(2021)20-108-03

U463

B

1671-7988(2021)20-108-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.020.026

范炳偉，男，本科，就職于華晨汽車集團(tuán)控股有限公司華晨汽車工程研究院，研究方向：汽車內(nèi)飾。