某款A级轿车方向盘的功能-结构设计

邓智伟，姜开明，叶方庆，王琛，曹勇，陈缓

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东广州 511434)



某款A级轿车方向盘的功能-结构设计

邓智伟，姜开明，叶方庆，王琛，曹勇，陈缓

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东广州 511434)

方向盘是轿车驾驶员的操纵中心，其功能-结构设计对驾驶员的驾乘安全性及操纵舒适性有着极其重要的影响。概述了方向盘功能进化情况，并对某款要求具备转向操纵功能、喇叭功能、驾驶员防护功能与多功能集成功能的A级轿车方向盘进行结构设计，同时总结了该设计过程中的主要注意事项。

方向盘；功能集成；结构设计

0　引言

随着轿车流入寻常百姓家，轿车已成为常见的代步工具，大家对其安全性、动力性、经济性、舒适性等方面的要求越来越高[1]。而方向盘是轿车的操纵中心，经过不断的发展，它不仅具有转向操纵功能，还集成了喇叭功能、驾驶员防护功能、开关面板等多种功能，与驾驶员的驾乘安全性与操纵舒适性密切相关。因此，方向盘功能-结构设计是否合理对驾驶员的驾乘安全性及操纵舒适性有着极其重要的影响。

1　方向盘功能要求

汽车刚诞生时，方向盘是手柄式操纵杆，仅起转向功能。由于方向盘在驾驶汽车时离驾驶员位置最近，双手操纵最方便，视线触及最直接，后来越来越多的方向盘在拇指所能触及的位置增加附加功能键[2]。如今汽车方向盘除了转向功能，还集合了喇叭按响、驾驶员安全气囊、无线蓝牙免提、定速巡航、振动提醒功能[3]、电加热功能[4]，以及拨片换挡功能等。而带传感指示功能的高科技方向盘也即将走向市场[5]。方向盘的进化由三大因素推动：注重人性化、与汽车内部与外部环境相协调、高科技应用。方向盘的功能进化则遵循发明创造TRIZ理论的技术系统进化模式，即“通过集成以增加系统的功能,再逐渐简化系统”的进化模式，由“手柄式操纵杆”到“多功能方向盘”再到“无方向盘系统”，演绎了一个从简单进化到复杂、再从复杂趋于简单的过程[6]。

设计方向盘时，需结合轿车目标客户群、主机厂的车型价位，以及方向盘零部件厂的生产制造能力，对方向盘的功能进行定位，以确定该车型最终推向市场的方向盘应该具备哪些功能。方向盘功能需与对应的结构或周边零件进行匹配来实现。表1是某款轿车方向盘的功能要求与对应的结构/周边零件。该功能配置是根据公司前期市场调研、车型对标、销售建议等综合因素设定的，为当时汽车市场A级轿车的主流高配配置。

表1　某方向盘功能与结构/周边零件

2　方向盘结构设计

方向盘本体结构通常由方向盘骨架、骨架包覆层与方向盘后盖组成，如图1所示。

结构决定功能，功能倒推结构，结构与功能相辅相成[7]。设计方向盘结构时，需考虑仪表板上组合仪表的良好视野性、方向盘的底盘振动特性，以及方向盘使用时的刚度、强度与耐疲劳特性等[8-10]。按照表1功能需求，在转向功能、喇叭功能、驾驶员防护功能与多功能集成四个大方面完成对某款A级轿车方向盘的结构设计。图2为该轿车方向盘与周边零件的示意关系。转向管柱1对应转向功能，驾驶员安全气囊2对应喇叭功能与驾驶员防护功能，方向盘开关5对应多功能集成。

2.1转向功能匹配结构

方向盘通过与转向系统的转向管柱(图2中元件1)进行有效连接，实现轿车的转向操纵。方向盘骨架中心有一个钢制花键与转向管柱的圆锥柱头相匹配，如图3所示。

设计的方向盘花键与转向管柱采用齿状连接。在花键长度一定的情况下，首先要合理定义花键与圆锥柱头的啮合齿数与啮合长度N；其次合理定义圆锥面的锥度；然后保证花键内孔圆锥面部分与转向管柱的接触部分，接触面积需在70%以上。而另外一个重要尺寸为E基准下花键末端安全距离s，严格控制该尺寸可以有效防止方向盘花键下沉或上浮(E基准取自转向管柱P平面，是方向盘与转向管柱的配合基准)。设计的方向盘，花键总长度为30 mm，其E基准是经过3个点的平面(在直径φ18.5圆上每隔120°取点)；啮合齿数为40；啮合长度N为14.8 mm(不少于12 mm)；圆锥面锥度为1∶5；安全距离s控制为(9.5±0.2) mm。除了以上参数外，方向盘花键参数还有齿顶角、分度圆压力角、量棒直径、跨棒距等。转向管柱圆锥柱头与以上参数需一一匹配对应，再由固定螺栓将两者紧固。

对于方向盘转向握手舒适性，方向盘盘径大小、轮圈断面尺寸与之关系密切，需合理设计。另转向时，方向盘后盖与转向管柱护罩的间隙值如果太小，可能会干涉发出吱吱声，需合理定义该值。文中设计的方向盘，盘径265 mm；轮圈断面尺寸为近似34 mm×28 mm椭圆形；底面与管柱护罩间隙控制为(5±1) mm。

2.2喇叭功能匹配结构

通过按动在方向盘里面的按响结构，使电路阴极、阳极闭合，触响喇叭。方向盘区域的喇叭按响形式大体有两种：一种是在组合开关(图2中元件3)的末端，通过手指按压，触响喇叭；一种在方向盘中央部分，通过手掌或拇指按压模块，触响喇叭。后者结构复杂，比前者设计要求高，但随着生产制造技术工艺的发展以及消费者的需求升级，目前的汽车几乎都采用后者，其人机按压效果好，美观大方且方便快捷。

设计的方向盘喇叭按响结构采用后者，见图4。左侧为驾驶员安全气囊，里面含喇叭线路中一半导通结构，是线路的阳极；右侧为方向盘，有1、2、3、4共4个触点，是线路的阴极。当通过一定力按压左侧驾驶员安全气囊，相应触点接触，喇叭即被按响。

喇叭触点间隙、按压距离与喇叭按响力是喇叭按响结构设计的重要因素。这三者相互牵扯，需合理设计。如果触点间隙小，则容易误触响喇叭；间隙大，不利于触点接触，导通效果不良。如果按压距离大，手指或手掌按压行程大，人机效果差，而且长期使用，按响结构细微变形的情况容易视觉扩大化，按压过程间隙明显，影响外观。如果喇叭按响力过大，则使用不舒适；力过小，则容易触响喇叭。以上需重点避免喇叭按响力过大现象，设计时需合理设计按压模块(驾驶员安全气囊)与方向盘骨架的连接机构，譬如导向卡销的长度、卡销上压缩弹簧的强度刚度等。设计的方向盘喇叭触点间隙控制在(1±0.5) mm，按压距离小于3 mm，喇叭按响力控制在20～40 N之间。

2.3驾驶员防护功能匹配结构

行车过程中，如果遇到正面碰撞事故，安装于方向盘上的驾驶员安全气囊即刻点爆充气，形成保护气袋与人头部软接触，以防人头部与方向盘硬碰硬，可尽量降低对人头部的伤害。对于驾驶员安全气囊而言，方向盘为其重要载体。驾驶员安全气囊与方向盘通常有两种连接方式，即BOLT-IN(螺栓连接)与SNAP-IN(卡勾与固定弹簧卡接)，如图5所示。BOLT-IN方式装配时，一端先固定，容易使气囊朝一边偏移，造成左右间隙不均匀；另外，固定螺栓都是右旋拧紧，一些因素(如制造上的偏差、装配不当等)容易使气囊与方向盘上下间隙不均，甚至气囊盖翘曲造成气囊盖与方向盘的段差不均匀，影响外观。而SNAP-IN连接方式，在工艺上能够比较好让结构保持对称性，让结构之间拥有较好的匹配间隙与段差，可避免上述BOLT-IN方式的弊端，同时SNAP-IN装配简单省时省力。两者比较而言，主机厂越来越多采用SNAP-IN连接方式。

设计的方向盘喇叭按响结构采用SNAP-IN方式，如图5(b)侧所示。连接结构中卡勾位于方向盘骨架，固定弹簧位于驾驶员安全气囊。在设计该结构时，不能忽略驾驶员安全气囊的维修拆卸便利性。设计该结构时，在方向盘底罩的3点钟与9点钟方向留有拆卸孔。拆卸过程如图6所示。

2.4多功能开关面板匹配结构

对于方向盘开关面板，每个按键开关有不同的功能，或蓝牙免提，或定速巡航，或音乐、电台频道切换......方向盘开关集成的多功能给驾驶者提供极大的驾乘乐趣[11]。多功能集成于方向盘开关面板，方向盘是开关面板的重要载体。开关面板与方向盘采用螺栓与卡销卡接的方式连接。图7是作者设计的方向盘开关与方向盘的连接方式。第1步，开关面板接插件穿过方向盘骨架与时钟弹簧(图2中元件4)接插连接；第2步，将3点钟与9点钟方向的方向盘PU包覆层上两个卡销卡接，同时与骨架上的螺栓孔对位；第3步，通过3点钟与9点钟方向的方向盘骨架，各用一颗螺栓拧紧开关面板与方向盘。

方向盘开关面板上每个按键有各自功能，当功能不能叠加时，随着功能增加按键数量也随之增加，这意味着在方向盘特定的区域要布置下数量众多的按键。布置按键时，按键大小、按键离方向盘外边沿的距离，以及按键力大小是主要考虑因素。文中设计的方向盘，按键大小为18 mm×18 mm以上, 按键区域离方向盘外边沿的距离在65～90 mm之间，按键力大小为(3±1) N，符合人机使用舒适性要求。

3　总结

方向盘的结构设计是方向盘功能开发的重要环节。对某款要求具备转向操纵功能、喇叭功能、驾驶员防护功能与多功能集成功能的轿车方向盘进行了结构设计，主要注意事项总结如下：

(1)方向盘功能需结合轿车项目的前期市场调研、车型对标以及销售建议等因素在结构设计之初进行确定；

(2)方向盘转向功能匹配结构、花键与转向管柱锥柱头的匹配参数较多，建议该匹配结构成熟稳定后实施模块化；转向握手舒适性设计也非常重要；

(3)喇叭触点间隙、按压距离与喇叭按响力是浮动式喇叭按响结构的重要因素，合理设计优化，可提高人机使用舒适性；

(4)驾驶员安全气囊通过SNAP-IN方式安装于方向盘，结构对称，利于保持均匀外观间隙，且安装省时省力，但需考虑气囊模块的维修拆卸便利性；

(5)多功能集成于方向盘开关面板，开关面板与方向盘采用卡销与螺栓同时连接。设计开关按键时，需考虑人机使用舒适性。

文中设计的方向盘符合企业技术要求，结构成熟稳定，为企业后续车型在以上功能-结构开发设计方面积累了经验。后续可针对方向盘本身相关结构以及周边零件匹配结构在企业内尝试开展模块化、标准化工作。

【1】动力性、舒适性、安全性、经济性一个也不能少[OL]http://auto.sina.com.cn/news/2004-05 -11/64267.shtml.

【2】刘洁，王佐辅.方向盘的发展与研究[J].汽车零部件,2013(12):53-54.

【3】徐志兴.智能震动方向盘的设计[J].创新科技,2013(12):82-89.

【4】耿武侯，李志德，康振山，等.“温暖方向盘” 项目技术与理论研究成果[J].新技术新工艺,2014(12):59-61.

【5】天合新概念方向盘[J].中国汽车市场,2014(3).

【6】张爽.汽车方向盘的演变分析[D].沈阳：东北大学,2008.

【7】沈小峰，王德胜.论物质系统的结构与功能[J].大自然探索,1986(2).

【8】冯芬君.汽车仪表盘与方向盘的虚拟操作对比设计[J].机械设计，2013,30(1)：107-110.

【9】廖武，张雷，韩全友，等.转向系统固有频率设计研究[J].客车技术与研究，2014(3):20-22.

【10】耿国庆.轿车转向盘骨架开发[J].机械设计，2013(12)：47-50.

【11】汪振兴.浅议多功能方向盘开关[J].上海汽车，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

邓智伟(1983—)，硕士，工程师，研究方向为汽车被动安全。E-mail:258000753@qq.com。