鄧智偉，姜開明，葉方慶，王琛，曹勇，陳緩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東廣州 511434)

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某款A級轎車方向盤的功能-結(jié)構(gòu)設計

鄧智偉，姜開明，葉方慶，王琛，曹勇，陳緩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東廣州 511434)

方向盤是轎車駕駛員的操縱中心，其功能-結(jié)構(gòu)設計對駕駛員的駕乘安全性及操縱舒適性有著極其重要的影響。概述了方向盤功能進化情況，并對某款要求具備轉(zhuǎn)向操縱功能、喇叭功能、駕駛員防護功能與多功能集成功能的A級轎車方向盤進行結(jié)構(gòu)設計，同時總結(jié)了該設計過程中的主要注意事項。

方向盤；功能集成；結(jié)構(gòu)設計

0　引言

隨著轎車流入尋常百姓家，轎車已成為常見的代步工具，大家對其安全性、動力性、經(jīng)濟性、舒適性等方面的要求越來越高[1]。而方向盤是轎車的操縱中心，經(jīng)過不斷的發(fā)展，它不僅具有轉(zhuǎn)向操縱功能，還集成了喇叭功能、駕駛員防護功能、開關面板等多種功能，與駕駛員的駕乘安全性與操縱舒適性密切相關。因此，方向盤功能-結(jié)構(gòu)設計是否合理對駕駛員的駕乘安全性及操縱舒適性有著極其重要的影響。

1　方向盤功能要求

汽車剛誕生時，方向盤是手柄式操縱桿，僅起轉(zhuǎn)向功能。由于方向盤在駕駛汽車時離駕駛員位置最近，雙手操縱最方便，視線觸及最直接，后來越來越多的方向盤在拇指所能觸及的位置增加附加功能鍵[2]。如今汽車方向盤除了轉(zhuǎn)向功能，還集合了喇叭按響、駕駛員安全氣囊、無線藍牙免提、定速巡航、振動提醒功能[3]、電加熱功能[4]，以及撥片換擋功能等。而帶傳感指示功能的高科技方向盤也即將走向市場[5]。方向盤的進化由三大因素推動：注重人性化、與汽車內(nèi)部與外部環(huán)境相協(xié)調(diào)、高科技應用。方向盤的功能進化則遵循發(fā)明創(chuàng)造TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進化模式，即“通過集成以增加系統(tǒng)的功能,再逐漸簡化系統(tǒng)”的進化模式，由“手柄式操縱桿”到“多功能方向盤”再到“無方向盤系統(tǒng)”，演繹了一個從簡單進化到復雜、再從復雜趨于簡單的過程[6]。

設計方向盤時，需結(jié)合轎車目標客戶群、主機廠的車型價位，以及方向盤零部件廠的生產(chǎn)制造能力，對方向盤的功能進行定位，以確定該車型最終推向市場的方向盤應該具備哪些功能。方向盤功能需與對應的結(jié)構(gòu)或周邊零件進行匹配來實現(xiàn)。表1是某款轎車方向盤的功能要求與對應的結(jié)構(gòu)/周邊零件。該功能配置是根據(jù)公司前期市場調(diào)研、車型對標、銷售建議等綜合因素設定的，為當時汽車市場A級轎車的主流高配配置。

表1　某方向盤功能與結(jié)構(gòu)/周邊零件

2　方向盤結(jié)構(gòu)設計

方向盤本體結(jié)構(gòu)通常由方向盤骨架、骨架包覆層與方向盤后蓋組成，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)決定功能，功能倒推結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與功能相輔相成[7]。設計方向盤結(jié)構(gòu)時，需考慮儀表板上組合儀表的良好視野性、方向盤的底盤振動特性，以及方向盤使用時的剛度、強度與耐疲勞特性等[8-10]。按照表1功能需求，在轉(zhuǎn)向功能、喇叭功能、駕駛員防護功能與多功能集成四個大方面完成對某款A級轎車方向盤的結(jié)構(gòu)設計。圖2為該轎車方向盤與周邊零件的示意關系。轉(zhuǎn)向管柱1對應轉(zhuǎn)向功能，駕駛員安全氣囊2對應喇叭功能與駕駛員防護功能，方向盤開關5對應多功能集成。

2.1轉(zhuǎn)向功能匹配結(jié)構(gòu)

方向盤通過與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向管柱(圖2中元件1)進行有效連接，實現(xiàn)轎車的轉(zhuǎn)向操縱。方向盤骨架中心有一個鋼制花鍵與轉(zhuǎn)向管柱的圓錐柱頭相匹配，如圖3所示。

設計的方向盤花鍵與轉(zhuǎn)向管柱采用齒狀連接。在花鍵長度一定的情況下，首先要合理定義花鍵與圓錐柱頭的嚙合齒數(shù)與嚙合長度N；其次合理定義圓錐面的錐度；然后保證花鍵內(nèi)孔圓錐面部分與轉(zhuǎn)向管柱的接觸部分，接觸面積需在70%以上。而另外一個重要尺寸為E基準下花鍵末端安全距離s，嚴格控制該尺寸可以有效防止方向盤花鍵下沉或上浮(E基準取自轉(zhuǎn)向管柱P平面，是方向盤與轉(zhuǎn)向管柱的配合基準)。設計的方向盤，花鍵總長度為30 mm，其E基準是經(jīng)過3個點的平面(在直徑φ18.5圓上每隔120°取點)；嚙合齒數(shù)為40；嚙合長度N為14.8 mm(不少于12 mm)；圓錐面錐度為1∶5；安全距離s控制為(9.5±0.2) mm。除了以上參數(shù)外，方向盤花鍵參數(shù)還有齒頂角、分度圓壓力角、量棒直徑、跨棒距等。轉(zhuǎn)向管柱圓錐柱頭與以上參數(shù)需一一匹配對應，再由固定螺栓將兩者緊固。

對于方向盤轉(zhuǎn)向握手舒適性，方向盤盤徑大小、輪圈斷面尺寸與之關系密切，需合理設計。另轉(zhuǎn)向時，方向盤后蓋與轉(zhuǎn)向管柱護罩的間隙值如果太小，可能會干涉發(fā)出吱吱聲，需合理定義該值。文中設計的方向盤，盤徑265 mm；輪圈斷面尺寸為近似34 mm×28 mm橢圓形；底面與管柱護罩間隙控制為(5±1) mm。

2.2喇叭功能匹配結(jié)構(gòu)

通過按動在方向盤里面的按響結(jié)構(gòu)，使電路陰極、陽極閉合，觸響喇叭。方向盤區(qū)域的喇叭按響形式大體有兩種：一種是在組合開關(圖2中元件3)的末端，通過手指按壓，觸響喇叭；一種在方向盤中央部分，通過手掌或拇指按壓模塊，觸響喇叭。后者結(jié)構(gòu)復雜，比前者設計要求高，但隨著生產(chǎn)制造技術(shù)工藝的發(fā)展以及消費者的需求升級，目前的汽車幾乎都采用后者，其人機按壓效果好，美觀大方且方便快捷。

設計的方向盤喇叭按響結(jié)構(gòu)采用后者，見圖4。左側(cè)為駕駛員安全氣囊，里面含喇叭線路中一半導通結(jié)構(gòu)，是線路的陽極；右側(cè)為方向盤，有1、2、3、4共4個觸點，是線路的陰極。當通過一定力按壓左側(cè)駕駛員安全氣囊，相應觸點接觸，喇叭即被按響。

喇叭觸點間隙、按壓距離與喇叭按響力是喇叭按響結(jié)構(gòu)設計的重要因素。這三者相互牽扯，需合理設計。如果觸點間隙小，則容易誤觸響喇叭；間隙大，不利于觸點接觸，導通效果不良。如果按壓距離大，手指或手掌按壓行程大，人機效果差，而且長期使用，按響結(jié)構(gòu)細微變形的情況容易視覺擴大化，按壓過程間隙明顯，影響外觀。如果喇叭按響力過大，則使用不舒適；力過小，則容易觸響喇叭。以上需重點避免喇叭按響力過大現(xiàn)象，設計時需合理設計按壓模塊(駕駛員安全氣囊)與方向盤骨架的連接機構(gòu)，譬如導向卡銷的長度、卡銷上壓縮彈簧的強度剛度等。設計的方向盤喇叭觸點間隙控制在(1±0.5) mm，按壓距離小于3 mm，喇叭按響力控制在20～40 N之間。

2.3駕駛員防護功能匹配結(jié)構(gòu)

行車過程中，如果遇到正面碰撞事故，安裝于方向盤上的駕駛員安全氣囊即刻點爆充氣，形成保護氣袋與人頭部軟接觸，以防人頭部與方向盤硬碰硬，可盡量降低對人頭部的傷害。對于駕駛員安全氣囊而言，方向盤為其重要載體。駕駛員安全氣囊與方向盤通常有兩種連接方式，即BOLT-IN(螺栓連接)與SNAP-IN(卡勾與固定彈簧卡接)，如圖5所示。BOLT-IN方式裝配時，一端先固定，容易使氣囊朝一邊偏移，造成左右間隙不均勻；另外，固定螺栓都是右旋擰緊，一些因素(如制造上的偏差、裝配不當?shù)?容易使氣囊與方向盤上下間隙不均，甚至氣囊蓋翹曲造成氣囊蓋與方向盤的段差不均勻，影響外觀。而SNAP-IN連接方式，在工藝上能夠比較好讓結(jié)構(gòu)保持對稱性，讓結(jié)構(gòu)之間擁有較好的匹配間隙與段差，可避免上述BOLT-IN方式的弊端，同時SNAP-IN裝配簡單省時省力。兩者比較而言，主機廠越來越多采用SNAP-IN連接方式。

設計的方向盤喇叭按響結(jié)構(gòu)采用SNAP-IN方式，如圖5(b)側(cè)所示。連接結(jié)構(gòu)中卡勾位于方向盤骨架，固定彈簧位于駕駛員安全氣囊。在設計該結(jié)構(gòu)時，不能忽略駕駛員安全氣囊的維修拆卸便利性。設計該結(jié)構(gòu)時，在方向盤底罩的3點鐘與9點鐘方向留有拆卸孔。拆卸過程如圖6所示。

2.4多功能開關面板匹配結(jié)構(gòu)

對于方向盤開關面板，每個按鍵開關有不同的功能，或藍牙免提，或定速巡航，或音樂、電臺頻道切換......方向盤開關集成的多功能給駕駛者提供極大的駕乘樂趣[11]。多功能集成于方向盤開關面板，方向盤是開關面板的重要載體。開關面板與方向盤采用螺栓與卡銷卡接的方式連接。圖7是作者設計的方向盤開關與方向盤的連接方式。第1步，開關面板接插件穿過方向盤骨架與時鐘彈簧(圖2中元件4)接插連接；第2步，將3點鐘與9點鐘方向的方向盤PU包覆層上兩個卡銷卡接，同時與骨架上的螺栓孔對位；第3步，通過3點鐘與9點鐘方向的方向盤骨架，各用一顆螺栓擰緊開關面板與方向盤。

方向盤開關面板上每個按鍵有各自功能，當功能不能疊加時，隨著功能增加按鍵數(shù)量也隨之增加，這意味著在方向盤特定的區(qū)域要布置下數(shù)量眾多的按鍵。布置按鍵時，按鍵大小、按鍵離方向盤外邊沿的距離，以及按鍵力大小是主要考慮因素。文中設計的方向盤，按鍵大小為18 mm×18 mm以上, 按鍵區(qū)域離方向盤外邊沿的距離在65～90 mm之間，按鍵力大小為(3±1) N，符合人機使用舒適性要求。

3　總結(jié)

方向盤的結(jié)構(gòu)設計是方向盤功能開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。對某款要求具備轉(zhuǎn)向操縱功能、喇叭功能、駕駛員防護功能與多功能集成功能的轎車方向盤進行了結(jié)構(gòu)設計，主要注意事項總結(jié)如下：

(1)方向盤功能需結(jié)合轎車項目的前期市場調(diào)研、車型對標以及銷售建議等因素在結(jié)構(gòu)設計之初進行確定；

(2)方向盤轉(zhuǎn)向功能匹配結(jié)構(gòu)、花鍵與轉(zhuǎn)向管柱錐柱頭的匹配參數(shù)較多，建議該匹配結(jié)構(gòu)成熟穩(wěn)定后實施模塊化；轉(zhuǎn)向握手舒適性設計也非常重要；

(3)喇叭觸點間隙、按壓距離與喇叭按響力是浮動式喇叭按響結(jié)構(gòu)的重要因素，合理設計優(yōu)化，可提高人機使用舒適性；

(4)駕駛員安全氣囊通過SNAP-IN方式安裝于方向盤，結(jié)構(gòu)對稱，利于保持均勻外觀間隙，且安裝省時省力，但需考慮氣囊模塊的維修拆卸便利性；

(5)多功能集成于方向盤開關面板，開關面板與方向盤采用卡銷與螺栓同時連接。設計開關按鍵時，需考慮人機使用舒適性。

文中設計的方向盤符合企業(yè)技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)成熟穩(wěn)定，為企業(yè)后續(xù)車型在以上功能-結(jié)構(gòu)開發(fā)設計方面積累了經(jīng)驗。后續(xù)可針對方向盤本身相關結(jié)構(gòu)以及周邊零件匹配結(jié)構(gòu)在企業(yè)內(nèi)嘗試開展模塊化、標準化工作。

【1】動力性、舒適性、安全性、經(jīng)濟性一個也不能少[OL]http://auto.sina.com.cn/news/2004-05 -11/64267.shtml.

【2】劉潔，王佐輔.方向盤的發(fā)展與研究[J].汽車零部件,2013(12):53-54.

【3】徐志興.智能震動方向盤的設計[J].創(chuàng)新科技,2013(12):82-89.

【4】耿武侯，李志德，康振山，等.“溫暖方向盤” 項目技術(shù)與理論研究成果[J].新技術(shù)新工藝,2014(12):59-61.

【5】天合新概念方向盤[J].中國汽車市場,2014(3).

【6】張爽.汽車方向盤的演變分析[D].沈陽：東北大學,2008.

【7】沈小峰，王德勝.論物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能[J].大自然探索,1986(2).

【8】馮芬君.汽車儀表盤與方向盤的虛擬操作對比設計[J].機械設計，2013,30(1)：107-110.

【9】廖武，張雷，韓全友，等.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率設計研究[J].客車技術(shù)與研究，2014(3):20-22.

【10】耿國慶.轎車轉(zhuǎn)向盤骨架開發(fā)[J].機械設計，2013(12)：47-50.

【11】汪振興.淺議多功能方向盤開關[J].上海汽車，2015(3):43-46.

Structure Design Based on Functions of One Steering Wheel

DENG Zhiwei, JIANG Kaiming, YE Fangqing, WANG Chen, CAO Yong, CHEN Huan

(Automotive Engineering Institute,Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd., Guangzhou Guangdong 511434,China)

The steering wheel is an important operation center of one car. Reasonable functions and structures are quite related to drivers’ safety and comfort while steering. Function’s history and development of the steering wheel were summarized. The structure of one A-level sedan steering wheel was designed which had steering function, horn function, driver protection function, multi-functions integration. The main notices in design process were summarized.

Steering wheel; Function integration; Structure design

2015-05-12

鄧智偉(1983—)，碩士，工程師，研究方向為汽車被動安全。E-mail:258000753@qq.com。