一種系統(tǒng)優(yōu)化轉(zhuǎn)向時(shí)鐘彈簧異響設(shè)計(jì)方法

杜雨恒， 王子軍， 李志剛， 鄭 巖， 方麗琴， 柳甲東

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院， 吉林 長春 130012）

隨著汽車普及以及用戶對舒適性、靜謐性要求的提升，駕駛室內(nèi)的異常噪聲越來越讓用戶難以忍受。對于主機(jī)廠來說，就需要對常發(fā)的一些噪聲進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和消除設(shè)計(jì)。在駕駛室內(nèi)諸多異響中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)鐘彈簧異響較為常見且發(fā)生頻次較高。轉(zhuǎn)向時(shí)鐘彈簧異響系統(tǒng)模型一般包含方向盤及方向盤開關(guān)、主駕駛安全氣囊、時(shí)鐘彈簧、角度傳感器、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向柱護(hù)罩等。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體的安裝形式：方向盤通過花鍵及螺母固定在轉(zhuǎn)向柱上；方向盤開關(guān)、主駕駛安全氣囊卡接固定在方向盤上；組合開關(guān)通過螺絲、螺栓等固定在轉(zhuǎn)向柱支架上；時(shí)鐘彈簧通過螺絲或者卡子固定在組合開關(guān)上；角度傳感器通過螺絲固定在組合開關(guān)或時(shí)鐘彈簧上；轉(zhuǎn)向柱護(hù)罩通過螺絲固定在組合開關(guān)和轉(zhuǎn)向柱上。

一般各主機(jī)廠對時(shí)鐘彈簧單個(gè)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲、振動(dòng)噪聲都有比較嚴(yán)苛的要求，正常的時(shí)鐘彈簧工作不會(huì)引起用戶的關(guān)注。轉(zhuǎn)向時(shí)鐘彈簧異響一般都是時(shí)鐘彈簧受到擠壓變形后轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的異響。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)各零件間的裝配方式、匹配公差設(shè)置都會(huì)直接影響時(shí)鐘彈簧的工作環(huán)境。下文介紹一下異響排查過程中發(fā)現(xiàn)的3個(gè)關(guān)鍵零件間的各類匹配方式及匹配公差推薦值。

1 方向盤與時(shí)鐘彈簧匹配及驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)異響分析中，方向盤安裝后對時(shí)鐘彈簧的擠壓是多數(shù)異響的直接原因。方向盤與時(shí)鐘彈簧結(jié)構(gòu)匹配及驅(qū)動(dòng)，主要包含如下幾類形式：方向盤孔與時(shí)鐘彈簧柱配合、方向盤花鍵外側(cè)凸起與時(shí)鐘彈簧凹槽配合、方向盤花鍵外側(cè)凹槽與中轉(zhuǎn)支架矛型配合。

1.1 方向盤孔與時(shí)鐘彈簧柱配合

在方向盤骨架上開出圓孔或長圓孔，與時(shí)鐘彈簧上蓋上的驅(qū)動(dòng)柱配合，驅(qū)動(dòng)柱一般為1～2個(gè)，驅(qū)動(dòng)示意如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)示意圖

一般在驅(qū)動(dòng)柱的外面套一層硅膠的套，硅膠套有橫紋和豎紋兩種形式，橫紋較厚且硬，豎紋較薄且軟，如圖2所示。

圖2 硅膠套示意

采用單驅(qū)動(dòng)柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式。長圓孔長邊為時(shí)鐘彈簧徑向方向，能有效吸收系統(tǒng)內(nèi)各零件偏心量及裝配累計(jì)徑向的公差；驅(qū)動(dòng)柱的硅膠套起高約1mm的豎紋，與骨架圓孔設(shè)置單邊0.15mm左右的干涉量，這樣能有效減少方向盤快速換向時(shí)時(shí)鐘彈簧的晃動(dòng)量，同時(shí)還能吸收系統(tǒng)內(nèi)各零件偏心量及裝配累計(jì)徑向的公差。

1.2 方向盤花鍵凸起與時(shí)鐘彈簧凹槽配合

方向盤花鍵外輪廓增加的凸起，與時(shí)鐘彈簧內(nèi)圈的凹槽配合，匹配示意如圖3所示。

圖3 凸起與凹槽匹配示意

可以在時(shí)鐘彈簧凹槽與凸起轉(zhuǎn)動(dòng)方向匹配處增加2條壓潰筋，避免匹配間隙過小導(dǎo)致安裝困難，同時(shí)保證凸起與凹槽緊密貼合，有效減少方向盤快速換向時(shí)時(shí)鐘彈簧的晃動(dòng)量。但隨著用戶的使用，壓潰筋的磨損可能導(dǎo)致方向盤快速換向時(shí)撞擊聲。

凹槽與凸起的軸向匹配處留有大于3mm、徑向匹配處留有大于0.5mm以上間隙，吸收系統(tǒng)內(nèi)各零件偏心量及裝配累計(jì)的公差。

1.3 方向盤花鍵凹槽與中轉(zhuǎn)支架矛型配合

方向盤花鍵外輪廓的凹槽，與中轉(zhuǎn)支架的矛型結(jié)構(gòu)配合，匹配示意如圖4所示。中轉(zhuǎn)支架凹槽與時(shí)鐘彈簧凸起配合，匹配示意如圖5所示。

圖4 凹槽與矛型結(jié)構(gòu)匹配示意

圖5 凹槽與時(shí)鐘彈簧凸起匹配示意

中轉(zhuǎn)支架的矛型結(jié)構(gòu)兩側(cè)可變形，與方向盤花鍵的凹槽自然狀態(tài)下兩側(cè)都應(yīng)有1mm左右的干涉量，用以吸收轉(zhuǎn)動(dòng)方向的公差。但此匹配結(jié)構(gòu)對徑向變形吸收量差，如偏心嚴(yán)重，矛型結(jié)構(gòu)可能會(huì)隨轉(zhuǎn)動(dòng)不斷地脫出、進(jìn)入，形成新的異響源，且此結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)增加一個(gè)中轉(zhuǎn)件，尺寸鏈長了一個(gè)環(huán)節(jié)，增加了異響因素。

綜上所述，方向盤與時(shí)鐘彈簧匹配及驅(qū)動(dòng)，推薦采用單驅(qū)動(dòng)柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式，可以采用方向盤花鍵凸起與時(shí)鐘彈簧凹槽配合形式，應(yīng)避免使用方向盤花鍵凹槽與中轉(zhuǎn)支架矛型配合形式。

2 組合開關(guān)與轉(zhuǎn)向柱匹配優(yōu)化

組合開關(guān)在轉(zhuǎn)向柱上固定的好壞，直接影響最終方向盤安裝后轉(zhuǎn)動(dòng)對時(shí)鐘彈簧擠壓的程度，因此組合開關(guān)在轉(zhuǎn)向柱上固定不合格，是導(dǎo)致多數(shù)異響的根本原因。組合開關(guān)與轉(zhuǎn)向柱匹配主要分為兩類：依靠轉(zhuǎn)向柱本體固定及依靠轉(zhuǎn)向柱上的固定支架固定。

2.1 組合開關(guān)通過轉(zhuǎn)向柱本體固定

在轉(zhuǎn)向柱軸體開定位孔，組合開關(guān)通過卡勾、凸起、支架等匹配，用緊固螺栓緊固，示意如圖6所示。

圖6 組合開關(guān)通過軸體固定示意

組合開關(guān)凸起與轉(zhuǎn)向柱軸體凹槽配合，約束組合開關(guān)周圈旋轉(zhuǎn)，一般采用1～2個(gè)凸起與凹槽配合，主約束凸起與凹槽單邊應(yīng)預(yù)留0.1～0.2mm間隙，同時(shí)凸起頂端做20°到30°左右倒角，保證便于裝配。通過組合開關(guān)緊固螺栓控制組合開關(guān)彈性卡勾與轉(zhuǎn)向柱限位孔接觸，組合開關(guān)卡勾與轉(zhuǎn)向柱限位孔及組合開關(guān)本體支架與轉(zhuǎn)向支架共同約束組合開關(guān)軸向運(yùn)動(dòng)。組合開關(guān)本體支架與轉(zhuǎn)向柱軸體配合，約束組合開關(guān)偏心量，一般在組合開關(guān)支架增加壓潰筋，與轉(zhuǎn)向柱軸體0貼或小間隙配合。

因轉(zhuǎn)向柱軸體加工精度高，組合開關(guān)本體支架直接與軸體配合，組合開關(guān)偏心量不受其他加工工藝、物流等環(huán)節(jié)影響，定位精度更高，能有效減少偏心擠壓時(shí)鐘彈簧時(shí)發(fā)生的異響。

2.2 組合開關(guān)通過轉(zhuǎn)向柱固定支架固定

在轉(zhuǎn)向柱上焊接固定組合開關(guān)的支架，組合開關(guān)一般通過螺絲與支架固定，示意如圖7所示。

圖7 組合開關(guān)通過支架固定示意

組合開關(guān)通過定位柱，與轉(zhuǎn)向柱固定支架的定位孔匹配，一般定位柱與定位孔單邊預(yù)留0.1～0.2mm間隙，同時(shí)定位柱頂端做3°左右倒角，保證便于裝配，通過3個(gè)螺釘將組合開關(guān)X、Y、Z這3個(gè)方向鎖定。

因固定支架的螺釘孔、定位孔、折彎加強(qiáng)等工藝，導(dǎo)致支架自身存在偏差。固定支架焊接在轉(zhuǎn)向柱時(shí)，定位夾具精度及受熱變形，易導(dǎo)致更大偏差。在運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)、安裝過程中，如操作不規(guī)范，違規(guī)抬支架，易導(dǎo)致支架變形。多重因素影響組合開關(guān)固定的精度。

綜上所述，推薦采用依靠轉(zhuǎn)向柱本體固定形式，不推薦依靠轉(zhuǎn)向柱上的固定支架固定形式。

3 組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧匹配優(yōu)化

時(shí)鐘彈簧在組合開關(guān)的固定，一般分為螺絲固定的剛性固定及卡接固定的彈性固定。轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤帶動(dòng)時(shí)鐘彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)鐘彈簧的撥片撥動(dòng)組合開關(guān)左右轉(zhuǎn)向燈的回位撥塊，實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向燈的自動(dòng)復(fù)位功能。

3.1 組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧通過卡扣固定

組合開關(guān)本體支架的定位柱、卡點(diǎn)、彈性觸點(diǎn)，與時(shí)鐘彈簧的定位凹槽、卡子、外殼匹配固定，示意如圖8所示。

圖8 時(shí)鐘彈簧通過卡扣固定示意

組合開關(guān)通過定位柱與時(shí)鐘彈簧定位槽匹配，約束時(shí)鐘彈簧的X、Y向定位，推薦設(shè)置單邊0.15左右的間隙，保證定位精度和安裝方便性。時(shí)鐘彈簧卡子與組合開關(guān)卡點(diǎn)0貼匹配，時(shí)鐘彈簧外殼和組合開關(guān)彈性觸點(diǎn)小干涉配合，約束時(shí)鐘彈簧Z向定位。

為保證X、Y向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，一般在卡點(diǎn)附近增加時(shí)鐘彈簧輔助定位柱，為保證Z向定位強(qiáng)度，一般增加大卡勾、凸臺(tái)與組合開關(guān)彈性觸點(diǎn)配合，示意如圖9所示。

圖9 增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度示意

3.2 組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧通過螺絲固定

一般通過3個(gè)自攻螺絲，將時(shí)鐘彈簧固定在組合開關(guān)上，示意如圖10所示。

圖10 組合開關(guān)螺絲固定示意

一般將組合開關(guān)的螺絲柱與定位柱二合一，以節(jié)省空間、降低質(zhì)量，也可設(shè)置單獨(dú)的組合開關(guān)定位柱，與時(shí)鐘彈簧定位孔匹配。時(shí)鐘彈簧的定位凸臺(tái)與組合開關(guān)定位凹槽或組合開關(guān)定位柱與時(shí)鐘彈簧定位口一般設(shè)置單邊0.1mm左右的間隙，保證安裝方便和定位準(zhǔn)確。組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧螺絲固定為剛性固定，時(shí)鐘彈簧與組合開關(guān)之間沒有變形緩沖，無法吸收系統(tǒng)內(nèi)各零件偏心量及裝配累計(jì)徑向的公差。

綜上所述，推薦采用組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧通過卡扣固定形式，能進(jìn)一步吸收系統(tǒng)內(nèi)各零件偏心量及裝配累計(jì)徑向的公差。

4 結(jié)論

通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)主要影響時(shí)鐘彈簧異響的3個(gè)零件間的各種匹配形式分析，總結(jié)出以下的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦。

1） 方向盤與時(shí)鐘彈簧匹配：推薦采用單驅(qū)動(dòng)柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式。

2） 組合開關(guān)與轉(zhuǎn)向柱匹配：推薦采用依靠轉(zhuǎn)向柱本體固定形式。

3） 組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧匹配：推薦采用組合開關(guān)與時(shí)鐘彈簧通過卡扣固定。

4） 同時(shí)，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有角度傳感器的車型，建議將組合開關(guān)、時(shí)鐘彈簧、角度傳感器做成一體式的零件，不僅能降低模具投入、降低質(zhì)量、減少控制器數(shù)量降成本，更是能減少零件間的裝配公差，進(jìn)一步減少異響發(fā)生概率。