汽车方向盘固定钢丝拆卸力和回弹力研究

周厚林，汪伟

(上海临港均胜汽车安全系统有限公司，上海 201315)

0 引言

汽车方向盘与驾驶员气囊(Driver Air Bag,DAB)的连接常用卡接方式，即方向盘上设置一根U形固定钢丝，挂住DAB上的3根圆柱销的缺口部。该结构安装和拆卸方便，成本低，应用广。采用该结构在装配和拆卸DAB时，固定钢丝需发生水平方向的变形和移动，具体过程为：(1)常规工况下，固定钢丝处于初始位置，能牢固地挂住DAB；(2)当安装或拆卸DAB时，固定钢丝被推动到解锁位置；(3)当DAB安装到位或拆卸脱出后，固定钢丝又回弹到初始位置。该设计存在一项潜在风险，即当固定钢丝的回弹力不够时，它无法完全回弹到初始位置，从而无法牢固地挂住DAB，造成性能风险[1-2]。目前的技术要求中对于回弹力没有量化的指标要求，实践中也没有合适的方法来测试回弹力及对应的拆卸力，因而也无法对固定钢丝的不同设计进行优劣评价。

本文作者旨在建立固定钢丝拆卸力和回弹力的测试工装和测试方法，并确定拆卸力和回弹力的技术要求，从而方便对各环节进行管控，以提升产品性能和客户满意度。同时，根据上述测试方法，在项目前期可以对固定钢丝的设计参数进行量化评估和优化，减少后期的设计更改，节约时间和成本。

1 固定钢丝设计因子分析

在实践中，固定钢丝的设计形状受方向盘空间的影响，各平台差异较大。受条件所限，本文作者仅研究FE平台的固定钢丝。仅致力于分析固定钢丝设计参数与拆卸力和回弹力之间的关系，以确定固定钢丝的最佳设计参数，不涉及方向盘尺寸公差对实践结果的影响。 DAB安装销与固定钢丝之间的摩擦力被认定为固有常量，不列入文中研究范围。

拆卸时，固定钢丝上共受5个力： 向上的拆卸力F拆、骨架定位销对固定钢丝的正压力Fz(两侧对称)、 沿钢丝向下的摩擦力Fc(两侧对称)，如图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)

图1 固定钢丝拆卸时的受力示意

回弹时，固定钢丝上共受4个力： 骨架定位销对固定钢丝上的正压力Fz(两侧对称)、 沿钢丝向上的摩擦力Fm(两侧对称)，如图2所示。

图2 固定钢丝回弹时的受力示意

回弹力F回等于Fz垂直方向的分力Fz1减去Fm垂直方向的分力Fm1，即：

F回=2×(Fz1-Fm1)

Fc1、Fm1的影响因素：夹角α、正压力Fz、摩擦因数(钢丝表面处理)。

Fz1的影响因素：夹角α、正压力Fz。

Fz的影响因素：钢丝变形量、钢丝材料、钢丝直径、钢丝热处理。

在固定钢丝的自由状态已确定为FE平台钢丝的条件下，钢丝变形量和夹角α不是设计自变量，而是由骨架定位销的位置来决定的。所以，文中将骨架定位销与自由状态钢丝的距离L作为设计变量来研究，如图3所示。

图3 钢丝变形量L的定义示意

综上所述，影响固定钢丝拆卸力和回弹力的主要设计变量确定为：钢丝直径、钢丝表面处理、距离L、钢丝材料、钢丝热处理。

考虑到作者所在单位的固定钢丝材料选择单一，而热处理参数的研究条件目前还不成熟，初步选取以下3个参数作重点研究：(1)钢丝的直径；(2)钢丝的表面处理；(3)距离L。

2 专用试验工装设计及测量系统分析

本文作者根据第1节确定的研究范围，设计制造了专用试验工装，如图4所示。其上的定位销是灵活可调的，可获得不同数值的距离L。钢丝直径和表面处理是样件属性，附属于不同状态的样件。

图4 试验设备及专用工装示意

为了评估该专用试验工装是否可用，本文作者对其进行了测量系统分析。因此测试系统及方法为作者首创，无可供对比的客观基准，故只研究测量系统的重复性和再现性。

从3个批次的FE平台钢丝中随机抽取10个样件(电镀锌，直径2.2 mm )，由3名测试员在前述专用试验工装上测量钢丝的拆卸力和回弹力，一次测试同时获得拆卸力和回弹力数据，每个样件测3次，共获得90个拆卸力和90个回弹力测试数据。其中距离L按FE平台A车型的设计状态5.4 mm。

使用Minitab软件对数据进行分析，算出拆卸力的测量误差为26.09%，回弹力的测量误差为34.85%。该测量系统精度不够，需改进。

为此，作者对可调定位销进行了电镀铬处理，以降低它与固定钢丝之间的摩擦力的波动。改进后重新按上述方法进行测试和分析，得到的拆卸力的测量误差为11.68%，回弹力的测量误差为16.72%。可见该测量系统精度一般，仅为基本可用[3-4]。考虑到课题实际条件限制，作者决定将此测量系统应用于后续的研究。

3 拆卸力和回弹力的技术要求的确立

因此测量装置及方法为首创，因此需确立基于该测量方法的拆卸力和回弹力技术要求，以作为此课题的技术目标，同时作为其他部门的参考标准。

作者以FE平台固定钢丝形状为基础，分别制造了直径为2.0 mm和2.2 mm、表面预镀锌和电镀锌的样件，在方向盘实物上用现有主观评判法对其拆卸性和回弹性进行评测，然后将钢丝样件装在专用试验工装上，设置距离L=5.4 mm，测试其拆卸力和回弹力。两者对标，从而确定基于此测量系统的拆卸力和回弹力的技术要求。

测量对标结果如表1所示。

表1 主观评判法与拆卸力和回弹力测试数据对比

鉴于实践中希望拆卸力尽量小，而回弹力尽量大，作者初定基于此测量系统的拆卸力和回弹力的技术要求为：拆卸力不大于40 N，回弹力不小于13 N。

4 固定钢丝设计参数DOE及验证

对固定钢丝的3项主要设计参数，即钢丝的直径、钢丝的表面处理、距离L与安装力及拆卸力之间的关系进行DOE(Design of Experiments,试验设计)，以确定最优的设计参数。

采用三因子二水平法列出试验矩阵，其中距离L的低水平和高水平根据工程经验确定，钢丝直径和表面处理为类别属性，各选2种类别。试验结果如表2。

表2 三因子二水平试验矩阵测试数据

使用Minitab软件分析，删除非显著因子和非显著交互作用后，得到拆卸力数学模型为

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

回弹力数学模型为

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

其中：A表示固定钢丝直径；B表示固定钢丝表面处理；C表示距离L。

结合第3节所确定的技术要求，即拆卸力不大于40 N，回弹力不小于13 N，使用Minitab软件响应优化器进行分析，确定固定钢丝的最优设计为：钢丝直径2.0 mm，钢丝表面处理为电镀锌，距离L为5.07 mm。此时对应的拆卸力预测值为32.7 N，回弹力预测值为17.9 N。

按此最优参数制造固定钢丝实物样件进行验证测试，结果如表3所示。

表3 第一轮最优设计参数实物验证测试结果

可见，第一轮DOE所得数学模型的预测结果与实际验证结果偏差较大，即数学模型有误。同时，根据试验数据推测，模型中可能存在着二次项。对于二次项，一般用中心复合试验来分析[5]。这要求所有变量均为连续型，但是钢丝直径和钢丝表面处理都是离散变量，无法做该试验。因此，作者决定先固定钢丝直径和钢丝表面处理，然后变化连续变量距离L来拟合。

结合作者所在单位实践，钢丝直径固定为2.0 mm。根据前述试验数据，钢丝表面处理固定为电镀锌(其符合拆卸力望小而回弹力望大的期望)。

用实物样件进行测试，并对试验结果进行分析，得到以下模型。

拆卸力模型为

F拆=185.8-73.96C+8.282C2

回弹力模型为

F回=152.5-61.63C+6.588C2

其中：C表示距离L。

测试结果拟合线图如图5所示。

结合前述技术要求，即拆卸力不大于40 N，回弹力不小于13 N，算出距离L的最优区间为

L=[5.51,5.99] mm

也即，第二轮DOE所得的固定钢丝最优设计参数为：钢丝直径2.0 mm，钢丝表面电镀锌，距离L为5.75 mm。在此条件下，对应的拆卸力预测值为34.4 N，回弹力预测值为15.9 N。

按第二轮最优参数制造固定钢丝实物样件进行验证。测量结果拆卸力均值为35.2 N，回弹力均值为16.6 N，与预测值很接近。这说明此轮DOE所获得的数学模型可用。

图5 拆卸力和回弹力拟合线图

5 总结

分析确认了固定钢丝的主要设计参数；设计了测试固定钢丝拆卸力和回弹力的专用工装，并经测量系统分析确认可用；通过与主观评测法对标，确定了基于此测量系统的拆卸力和回弹力技术要求；对固定钢丝设计参数进行了DOE，确定了最优参数，并经实物样件测试验证确认。文中研究结果可以作为生产质量管控及后续新项目设计的参考。