一种方向盘结构的设计研究

范炳伟，马骏驰

一种方向盘结构的设计研究

范炳伟，马骏驰

（华晨汽车集团控股有限公司华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

汽车方向盘是用来控制车辆行驶方向的关键部件，既是车内的功能件、安全件，又是装饰件。它在汽车内饰中起着重要的作用。因此，方向盘的结构设计对安全性以及舒适性有着极其重要的影响。文章根据实际工作中的项目开发经验介绍了方向盘的设计，重点分析了结构设计、材料选择、典型断面等内容，为以后的方向盘设计开发提供参考依据。

方向盘；结构设计；典型断面

前言

方向盘是内饰件中一个比较独立的总成零件，位置明显造型凸出，本身又由多个子零件构成，尺寸有限但同时又要进行多功能的集成兼顾功能性、安全性与舒适性，空间紧凑结构复杂。所以，方向盘的结构设计是否合理尤为重要。

1 概述

乘用车方向盘常见的结构形式根据辐条的数量可以分为单辐条、双辐条、三辐条以及四辐条方向盘[1]；根据材料可分为硬质、软质、皮革、桃木纹方向盘等类型[2]。

方向盘的主要构成零件有：骨架、发泡、包覆件、装饰片、开关等。

2 结构设计

2.1 骨架

骨架材料主要为镁铝合金，压铸工艺。材料重量轻，性能指标好。

骨架轮圈截面成“M”、“C”、“几”等字形。辐条截面常为“工”字形，厚度6～8 mm。

2.1.1 花键

花键分嵌入式和骨架整体式。嵌入式是将单独加工完成的花键套嵌入到骨架里的形式。整体式是骨架压铸完成后直接加工出花键的形式，也分全齿和带盲齿花键，盲齿起定位作用。

齿数选择：方向盘安装到管柱上常会出现角度偏转的问题。常规是采用盲齿花键起定位作用。还有一种降低偏转角度的方法是选择尽量多的齿数，因为无定位齿的花键所能产生的最大偏转角度是单个齿角度的二分之一，所以齿数越多其偏转角度越小。

2.1.2 紧固方式

紧固方式为螺母或螺栓，如图1所示。

图1 螺母与螺栓紧固方式

间隙T是压紧面到管柱花键端部的距离。此间隙的设计是为了避免紧固件拧紧后压紧面贴合不牢靠。此间隙要能抵消骨架下沉量以及螺纹退刀槽误差量。

2.1.3 气囊安装结构

骨架对于驾驶员气囊的安装结构要根据气囊的结构配合设计，其配合结构主要有骨架自带挂钩、独立挂钩、钢丝卡簧三种形式。

2.2 喇叭机构

喇叭机构主要有浮动式、按钮式、薄膜开关式。按钮式在转向过程中不易操作，而薄膜开关耐久性差，此两种形式的机构已趋于淘汰[3]。

浮动式机构是通过整个模块的上下浮动实现按响。浮动式机构结构形式多样，又可分为导电片接触形式和触点接触形式。

导电片接触形式一般为独立安装在骨架上或集成于驾驶员气囊上，靠机构组件内部的导线接触触发喇叭功能。触点接触形式是骨架上的触点与气囊本体上的触点接触后触发喇叭功能。触点式结构简单，但有接触异响；导电片式结构复杂，无接触异响。触发间隙一般为1.2～1.5 mm。

2.3 装饰片

装饰片材料主要为PC+ABS，注塑工艺。表面处理常见有喷漆、电镀、水转印等。

装饰片的结构难点在于跟开关的配合，在造型设计阶段尤其要注意开关与装饰片两者脱模线的方向。两者方向一致为最佳状态，方便配合结构的设计和模具脱模；其次是两者方向不一致但同面，即两者只在一个方向上有夹角；再次就是两者方向不一致且不同面，即两者在两个方向上有夹角。

对于脱模线不同面的情况，若按各自的方向设计配合界面，会出现装配干涉。若单独将装饰片内翻边按开关方向设计，则内翻边处模具就要做滑块斜顶机构，但空间结构受限无法实现。

为此有一方案是在两者脱模方向上有干涉的部分，将装饰片内翻边做成局部渐变减薄，避开干涉。这种方案要在CAS制作阶段控制好两者脱模线的夹角大小，若夹角过大，内翻边的厚度有限不能过多减薄，再者外翻边与内翻边之间的空间有限需要保证模具无尖钢和正常出模，所以内翻边的厚度就不能往外翻边方向增加或倾斜。装饰片内翻边渐变示意如图2所示。

图2 装饰片内翻边渐变示意图

2.4 发泡

发泡层材料主要为自结皮PU，发泡工艺。表面处理为皮纹，颜色多样。

发泡设计时，A面要考虑到发泡的脱模角度和分模线位置。发泡件成型时温度较高材质较软，一般以大于3°出模为宜。

盘体发泡的分模线设计在与装饰片的配合缝隙处为宜，这样容易隐藏，外观不易察觉。有时因造型原因需要设计在配合缝隙的下方，比如盘体12点位置，此位置是成品外观可见部位。这样就要进行光顺处理，让分模线的走向趋势与配合缝隙相呼应来增加美观度。

发泡除了外观功能外，还涉及舒适性和零件载体。发泡的硬度要适中以便获得良好的握感，一般在45至60邵氏A。发泡还要为装饰片、开关等零件提供安装结构，在A面设计阶段要根据气囊的安装轨迹、装饰片的安装点需求，计算出发泡外表面位置从而做出限制面，指导A面设计，为后续的结构设计预留空间。

2.5 包覆件

方向盘表面包覆常用的有：二层真皮、头层真皮、仿皮等。设计厚度一般为1.2～1.4 mm。常用缝线花型如图3所示。

图3 缝线花型

2.6 多功能开关

开关集成的功能也越来越多，包括音响、语音、蓝牙、巡航等。开关主体的结构发展趋于模块化，设计前期对整个平台车型开关配置功能进行定义，对于不同配置的车型只在按键功能上进行增减调整，以保证开关与方向盘的配合界面不变。这样减少了方向盘的不必要开发，有助于方向盘的平台化设计。

2.7 典型断面

方向盘自身配合断面（3&9点位置和轮缘截面）如图4所示。

图4 方向盘自身配合断面

图中的尺寸6若设计的较小对于外观造型以及舒适性都有所提升，但该尺寸又受其他五个尺寸的限制，所以在造型设计之初对这个断面的分析把控尤为重要，也是造型部门与工程部门冲突较多的一个设计点。限制尺寸一般参考值为：尺寸1开关厚度23 mm；尺寸2开关与骨架间的发泡层厚度大于1 mm，留出发泡流料间隙；尺寸3骨架厚度6～8 mm；尺寸4塞皮槽与骨架间的发泡层厚度大于1 mm，留出发泡流料间隙；尺寸5塞皮槽的深度为发泡体深度4～5 mm加上包覆件料厚。

轮缘断面的长宽L*W参考值约为31×27 mm，要满足内部结构和人机需求。骨架到A面的厚度H一般为6～7 mm。

方向盘与气囊盖主要是喇叭按压间隙的配合，是控制难点。配合间隙一般为3～3.5 mm，这个间隙需要根据喇叭按压行程做运动包络进行验证。配合形式有搭接、对接、斜接三种。

3 总结

方向盘的技术将向着多功能化、智能化、精细化方向发展。在发展的进程中离不开基础的框架结构。本文总结介绍了基本的结构设计框架，为后续设计者提供设计开发的参考思路。

[1] 曹渡,盛夏,崔宝兰.汽车内外饰设计与实战[M].北京:机械工业出版社,2011:7-8.

[2] 李光耀.汽车内饰件设计与制造工艺[M].北京:机械工业出版社, 2009:108-110.

[3] 张志军,叶阳,刘启明.汽车内饰设计概论[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

范炳伟，男，本科，就职于华晨汽车集团控股有限公司华晨汽车工程研究院，研究方向：汽车内饰。