一种系统优化转向时钟弹簧异响设计方法

杜雨恒， 王子军， 李志刚， 郑 岩， 方丽琴， 柳甲东

（一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院， 吉林 长春 130012）

随着汽车普及以及用户对舒适性、静谧性要求的提升，驾驶室内的异常噪声越来越让用户难以忍受。对于主机厂来说，就需要对常发的一些噪声进行重点关注和消除设计。在驾驶室内诸多异响中，转向系统时钟弹簧异响较为常见且发生频次较高。转向时钟弹簧异响系统模型一般包含方向盘及方向盘开关、主驾驶安全气囊、时钟弹簧、角度传感器、组合开关、转向管柱、转向柱护罩等。转向系统整体的安装形式：方向盘通过花键及螺母固定在转向柱上；方向盘开关、主驾驶安全气囊卡接固定在方向盘上；组合开关通过螺丝、螺栓等固定在转向柱支架上；时钟弹簧通过螺丝或者卡子固定在组合开关上；角度传感器通过螺丝固定在组合开关或时钟弹簧上；转向柱护罩通过螺丝固定在组合开关和转向柱上。

一般各主机厂对时钟弹簧单个零件的转动噪声、振动噪声都有比较严苛的要求，正常的时钟弹簧工作不会引起用户的关注。转向时钟弹簧异响一般都是时钟弹簧受到挤压变形后转动产生的异响。转向系统内各零件间的装配方式、匹配公差设置都会直接影响时钟弹簧的工作环境。下文介绍一下异响排查过程中发现的3个关键零件间的各类匹配方式及匹配公差推荐值。

1 方向盘与时钟弹簧匹配及驱动优化

在转向系统异响分析中，方向盘安装后对时钟弹簧的挤压是多数异响的直接原因。方向盘与时钟弹簧结构匹配及驱动，主要包含如下几类形式：方向盘孔与时钟弹簧柱配合、方向盘花键外侧凸起与时钟弹簧凹槽配合、方向盘花键外侧凹槽与中转支架矛型配合。

1.1 方向盘孔与时钟弹簧柱配合

在方向盘骨架上开出圆孔或长圆孔，与时钟弹簧上盖上的驱动柱配合，驱动柱一般为1～2个，驱动示意如图1所示。

图1 驱动示意图

一般在驱动柱的外面套一层硅胶的套，硅胶套有横纹和竖纹两种形式，横纹较厚且硬，竖纹较薄且软，如图2所示。

图2 硅胶套示意

采用单驱动柱与方向盘骨架长圆孔配合、竖纹硅胶套匹配形式。长圆孔长边为时钟弹簧径向方向，能有效吸收系统内各零件偏心量及装配累计径向的公差；驱动柱的硅胶套起高约1mm的竖纹，与骨架圆孔设置单边0.15mm左右的干涉量，这样能有效减少方向盘快速换向时时钟弹簧的晃动量，同时还能吸收系统内各零件偏心量及装配累计径向的公差。

1.2 方向盘花键凸起与时钟弹簧凹槽配合

方向盘花键外轮廓增加的凸起，与时钟弹簧内圈的凹槽配合，匹配示意如图3所示。

图3 凸起与凹槽匹配示意

可以在时钟弹簧凹槽与凸起转动方向匹配处增加2条压溃筋，避免匹配间隙过小导致安装困难，同时保证凸起与凹槽紧密贴合，有效减少方向盘快速换向时时钟弹簧的晃动量。但随着用户的使用，压溃筋的磨损可能导致方向盘快速换向时撞击声。

凹槽与凸起的轴向匹配处留有大于3mm、径向匹配处留有大于0.5mm以上间隙，吸收系统内各零件偏心量及装配累计的公差。

1.3 方向盘花键凹槽与中转支架矛型配合

方向盘花键外轮廓的凹槽，与中转支架的矛型结构配合，匹配示意如图4所示。中转支架凹槽与时钟弹簧凸起配合，匹配示意如图5所示。

图4 凹槽与矛型结构匹配示意

图5 凹槽与时钟弹簧凸起匹配示意

中转支架的矛型结构两侧可变形，与方向盘花键的凹槽自然状态下两侧都应有1mm左右的干涉量，用以吸收转动方向的公差。但此匹配结构对径向变形吸收量差，如偏心严重，矛型结构可能会随转动不断地脱出、进入，形成新的异响源，且此结构较其他结构增加一个中转件，尺寸链长了一个环节，增加了异响因素。

综上所述，方向盘与时钟弹簧匹配及驱动，推荐采用单驱动柱与方向盘骨架长圆孔配合、竖纹硅胶套匹配形式，可以采用方向盘花键凸起与时钟弹簧凹槽配合形式，应避免使用方向盘花键凹槽与中转支架矛型配合形式。

2 组合开关与转向柱匹配优化

组合开关在转向柱上固定的好坏，直接影响最终方向盘安装后转动对时钟弹簧挤压的程度，因此组合开关在转向柱上固定不合格，是导致多数异响的根本原因。组合开关与转向柱匹配主要分为两类：依靠转向柱本体固定及依靠转向柱上的固定支架固定。

2.1 组合开关通过转向柱本体固定

在转向柱轴体开定位孔，组合开关通过卡勾、凸起、支架等匹配，用紧固螺栓紧固，示意如图6所示。

图6 组合开关通过轴体固定示意

组合开关凸起与转向柱轴体凹槽配合，约束组合开关周圈旋转，一般采用1～2个凸起与凹槽配合，主约束凸起与凹槽单边应预留0.1～0.2mm间隙，同时凸起顶端做20°到30°左右倒角，保证便于装配。通过组合开关紧固螺栓控制组合开关弹性卡勾与转向柱限位孔接触，组合开关卡勾与转向柱限位孔及组合开关本体支架与转向支架共同约束组合开关轴向运动。组合开关本体支架与转向柱轴体配合，约束组合开关偏心量，一般在组合开关支架增加压溃筋，与转向柱轴体0贴或小间隙配合。

因转向柱轴体加工精度高，组合开关本体支架直接与轴体配合，组合开关偏心量不受其他加工工艺、物流等环节影响，定位精度更高，能有效减少偏心挤压时钟弹簧时发生的异响。

2.2 组合开关通过转向柱固定支架固定

在转向柱上焊接固定组合开关的支架，组合开关一般通过螺丝与支架固定，示意如图7所示。

图7 组合开关通过支架固定示意

组合开关通过定位柱，与转向柱固定支架的定位孔匹配，一般定位柱与定位孔单边预留0.1～0.2mm间隙，同时定位柱顶端做3°左右倒角，保证便于装配，通过3个螺钉将组合开关X、Y、Z这3个方向锁定。

因固定支架的螺钉孔、定位孔、折弯加强等工艺，导致支架自身存在偏差。固定支架焊接在转向柱时，定位夹具精度及受热变形，易导致更大偏差。在运输转运、安装过程中，如操作不规范，违规抬支架，易导致支架变形。多重因素影响组合开关固定的精度。

综上所述，推荐采用依靠转向柱本体固定形式，不推荐依靠转向柱上的固定支架固定形式。

3 组合开关与时钟弹簧匹配优化

时钟弹簧在组合开关的固定，一般分为螺丝固定的刚性固定及卡接固定的弹性固定。转动方向盘带动时钟弹簧转动，时钟弹簧的拨片拨动组合开关左右转向灯的回位拨块，实现左右转向灯的自动复位功能。

3.1 组合开关与时钟弹簧通过卡扣固定

组合开关本体支架的定位柱、卡点、弹性触点，与时钟弹簧的定位凹槽、卡子、外壳匹配固定，示意如图8所示。

图8 时钟弹簧通过卡扣固定示意

组合开关通过定位柱与时钟弹簧定位槽匹配，约束时钟弹簧的X、Y向定位，推荐设置单边0.15左右的间隙，保证定位精度和安装方便性。时钟弹簧卡子与组合开关卡点0贴匹配，时钟弹簧外壳和组合开关弹性触点小干涉配合，约束时钟弹簧Z向定位。

为保证X、Y向结构强度，一般在卡点附近增加时钟弹簧辅助定位柱，为保证Z向定位强度，一般增加大卡勾、凸台与组合开关弹性触点配合，示意如图9所示。

图9 增加结构强度示意

3.2 组合开关与时钟弹簧通过螺丝固定

一般通过3个自攻螺丝，将时钟弹簧固定在组合开关上，示意如图10所示。

图10 组合开关螺丝固定示意

一般将组合开关的螺丝柱与定位柱二合一，以节省空间、降低质量，也可设置单独的组合开关定位柱，与时钟弹簧定位孔匹配。时钟弹簧的定位凸台与组合开关定位凹槽或组合开关定位柱与时钟弹簧定位口一般设置单边0.1mm左右的间隙，保证安装方便和定位准确。组合开关与时钟弹簧螺丝固定为刚性固定，时钟弹簧与组合开关之间没有变形缓冲，无法吸收系统内各零件偏心量及装配累计径向的公差。

综上所述，推荐采用组合开关与时钟弹簧通过卡扣固定形式，能进一步吸收系统内各零件偏心量及装配累计径向的公差。

4 结论

通过对转向系统内主要影响时钟弹簧异响的3个零件间的各种匹配形式分析，总结出以下的系统优化设计推荐。

1） 方向盘与时钟弹簧匹配：推荐采用单驱动柱与方向盘骨架长圆孔配合、竖纹硅胶套匹配形式。

2） 组合开关与转向柱匹配：推荐采用依靠转向柱本体固定形式。

3） 组合开关与时钟弹簧匹配：推荐采用组合开关与时钟弹簧通过卡扣固定。

4） 同时，在转向系统有角度传感器的车型，建议将组合开关、时钟弹簧、角度传感器做成一体式的零件，不仅能降低模具投入、降低质量、减少控制器数量降成本，更是能减少零件间的装配公差，进一步减少异响发生概率。