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摘 要：方向盘是用来控制车辆行驶方向，对车辆和人员的安全起关键作用，故方向盘是汽车上重要的安全部件。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。本文概述了方向盘转向操作功能，喇叭功能，与驾驶员安全气囊搭配及方向盘上其他零件的设计，希望通过本文的阐述能给方向盘结构设计人员提供一定的设计参考。
关键词：方向盘；结构设计
近年来，汽车已成为大多数家庭的常用代步工具，大家对其安全性、动力性、经济型、舒适性等方面的要求越来越高。而方向盘是汽车的核心部件，经过近年来的不断发展，方向盘的功能越来越强大，不仅具备转向操作功能，喇叭功能，还集成了多功能开关，包括正在研发的震动及加热功能，这些都与驾乘安全性及舒适性密切相关，因此，方向盘结构设计是否合理对驾驶员的驾乘安全性及舒适性有着至关影响。
1 方向盘结构设计
设计方向盘时，需结合汽车目标客户群、主机厂的车型报价、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。本文介绍方向盘组成如下图1：
1.装饰件 2.开关 3.牛皮 4.骨架 5.PU
图1
1.1 转向功能匹配结构设计
方向盘通过与转向管柱进行有效连接，实现汽车的转向操作。该方向盘骨架包括骨架本体和BOSS（花键），BOSS的内圆周表面上形成有多个花键齿，两者通过模具一次成型（铸造）。而且BOSS与骨架本体两者之间无需拆装，更易于安装。
本文设计的BOSS，其总高为32.7mm，啮合齿数为36齿，底径为18mm，圆锥面锥度为1：5，除了以上参数外，方向盘BOSS还有齿顶角，压力角齿顶圆直径，齿根圆直径等，转向管柱需与以上参数一一对应，在由固定螺栓将两者锁固。锁固平面高于转向管柱螺牙底面2mm，锁固完之后转向管柱上端要露出3-4个牙。
1.2 喇叭功能设计
根据喇叭功能发展历程可知，方向盘区域的喇叭按响形式大体有两种：一种是在组合开关的末端（方向盘下端），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DAB（驾驶员安全气囊）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，目前的汽车几乎采用后者，美观大方且方便快捷。
本文所述喇叭结构采用后者。DAB里面含喇叭线路中一半导通结构（本文喇叭端子插接在DAB内承盘端子固定座上），为线路正极；方向盘有4个喇叭触点（触点材质一般选择银，也有选择铜，但后者易氧化，产生铜锈，但有价格优势），为线路负极。当通过一定力按压在DAB上，触点接触，喇叭鸣响。设计的喇叭触点间隙为1.5±0.5mm，按压力依据客户输入文件，一般按响力控制在20-40N之间。
1.2 与DAB（驾驶员安全气囊）搭配结构设计
对于DAB而言，方向盘为其重要的载体。通常，其有两种连接方式，如下图2：一为骨架挂钩与卡簧连接（卡簧集成在DAB承盘上），此结构在工艺上比较好保持对称性，装配时只需将DAB顺着卡簧往下扣，无需很大力就可将3&9点钟卡簧卡进骨架挂钩内，装配简单，安装后段差与间隙得到良好保证；二通过螺栓连接，此结构是先安装极板，，螺栓数量根据方向盘内部空间而定（一般3-4个），固定螺栓都是右旋拧紧，一些因素（最常见为装配不当或拧紧不到位）容易使DAB与方向盘段差间隙不均匀，影响外观，造成客户抱怨。螺栓连接一般为客户指定结构（视客户对标件而定），此外，DAB与极板连接为刚性与软性材料接触，噪音较前者小。
（1）骨架挂钩与卡簧连接 （2）螺栓连接
图2 DAB与方向盘两种连接方式
1.3 方向盘拆卸孔设计
本文设计的方向盘采用骨架挂钩与卡簧连接。设计该结构时，不能忽略DAB维修拆卸便利性。方向盘拆卸位置总体有两个，底面和侧面。方向盘底面拆卸时，需结合龙头盖数据，如果龙头盖不易拆卸或是不易旋转漏出底面拆卸孔的位置，则不建议采用底面拆卸；方向盘侧面拆卸时，要考虑到方向盘A面，一般侧面开孔7mm以下，开孔方向垂直A面，与方向盘本体一体成型（无需后续加工）。本文所述方向盘增加辅助拆卸设计，为避免拆卸时DAB不能顺利顶出，故在卡簧底部设有拆卸弹簧，进而在拆卸时，可以通过弹簧向上的一个力将DAB顺利顶出。
1.4 开关与装饰件和方向盘匹配结构设计
开关是指在方向盘3&9点两侧设置若干功能键，每个按键有不同功能，有定速巡航键，语音键 ，返回键、接听键、音量加减键，距离加减键等。本文所述装饰件与开关装配顺序为从下往上，四周设有限位及卡槽，卡槽底面与开关侧面凸台零贴，保证开关向下限位，开关侧面还有3处导向凸台，与装饰件三面零贴，既起到了开关向上的限位，也起到了开关左右限位，避免开关与装饰件匹配时上下左右晃动。匹配完的结构与方向盘采用螺栓与卡扣卡接的方式连接。
1.5 骨架设计及与周边零件匹配设计
方向盘骨架幅数目前最常用的有三幅和两幅结构。具体要根据客户A面来设计，但从方向盘轻量化来看，两幅和假三幅结构使用较多。骨架辐条在设计时曲率走向要自然，不可有尖锐点或突转点，与骨架圆框骨连接曲面顺滑过渡，避免应力集中。
方向盘缝皮后与装饰件和开关装配时，为防止6点钟牛皮顶出装饰件和3&9点钟顶出开关，需增加3处螺栓锁固点，骨架相应处增加鎖固孔，如有可能尽量在锁固孔上增加装配导向，高度约为2-3mm。
2 方向盘结构设计优化
本文所述方向盘总重在1.7kg，但某主机厂要求重量≤1.5kg，故方向盘轻量化的重要性不言而喻。方向盘最大零件之一PU，其在设计时，去除无功能性及外观性之PU用料，具体视方向盘结构而定。骨架在设计时，具体减重可分为三大块：骨架圆框骨、辐条及底板。圆框骨在设计时，可采用V型截面结构，3&9点钟连接辐条处可在V型内增加加强筋，布置范围约为22°（参考BOSS水平线，镜像）。辐条厚度约为10mm，局部可增加减重孔及削肉（可削肉厚3-4mm）。底板除根据时钟弹簧预留装配空间外，可设计成网格状，主料厚不变，合适部位也可增加减重孔。至于其他装饰件，可对标各标杆件，结构精简，料厚合适。当然，以上结构设计完以后还需CAE仿真，不足之处还需再完善。
3 结语
当今汽车工业设计中蓬勃发展的中国，方向盘的结构设计在汽车设计受到更多的重视，一个好的方向盘设计应该是既能与汽车内饰和谐统一，又能为汽车内饰增加亮点。另外，方向盘各项功能不仅能满足客户要求，其本身的轻量化也是设计中的重中之重。
参考文献
[1] 徐智兴.智能震动方向盘设计.创新科技，2013.
[2] 耿国庆.轿车转向盘骨架开发.机械设计，2013.
[3] 张爽.汽车方向盘的演变分析.沈阳：东北大学，2008.
（作者单位：南京普罗安全系统有限公司）
关键词：方向盘；结构设计
近年来，汽车已成为大多数家庭的常用代步工具，大家对其安全性、动力性、经济型、舒适性等方面的要求越来越高。而方向盘是汽车的核心部件，经过近年来的不断发展，方向盘的功能越来越强大，不仅具备转向操作功能，喇叭功能，还集成了多功能开关，包括正在研发的震动及加热功能，这些都与驾乘安全性及舒适性密切相关，因此，方向盘结构设计是否合理对驾驶员的驾乘安全性及舒适性有着至关影响。
1 方向盘结构设计
设计方向盘时，需结合汽车目标客户群、主机厂的车型报价、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。本文介绍方向盘组成如下图1：
1.装饰件 2.开关 3.牛皮 4.骨架 5.PU
图1
1.1 转向功能匹配结构设计
方向盘通过与转向管柱进行有效连接，实现汽车的转向操作。该方向盘骨架包括骨架本体和BOSS（花键），BOSS的内圆周表面上形成有多个花键齿，两者通过模具一次成型（铸造）。而且BOSS与骨架本体两者之间无需拆装，更易于安装。
本文设计的BOSS，其总高为32.7mm，啮合齿数为36齿，底径为18mm，圆锥面锥度为1：5，除了以上参数外，方向盘BOSS还有齿顶角，压力角齿顶圆直径，齿根圆直径等，转向管柱需与以上参数一一对应，在由固定螺栓将两者锁固。锁固平面高于转向管柱螺牙底面2mm，锁固完之后转向管柱上端要露出3-4个牙。
1.2 喇叭功能设计
根据喇叭功能发展历程可知，方向盘区域的喇叭按响形式大体有两种：一种是在组合开关的末端（方向盘下端），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DAB（驾驶员安全气囊）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，目前的汽车几乎采用后者，美观大方且方便快捷。
本文所述喇叭结构采用后者。DAB里面含喇叭线路中一半导通结构（本文喇叭端子插接在DAB内承盘端子固定座上），为线路正极；方向盘有4个喇叭触点（触点材质一般选择银，也有选择铜，但后者易氧化，产生铜锈，但有价格优势），为线路负极。当通过一定力按压在DAB上，触点接触，喇叭鸣响。设计的喇叭触点间隙为1.5±0.5mm，按压力依据客户输入文件，一般按响力控制在20-40N之间。
1.2 与DAB（驾驶员安全气囊）搭配结构设计
对于DAB而言，方向盘为其重要的载体。通常，其有两种连接方式，如下图2：一为骨架挂钩与卡簧连接（卡簧集成在DAB承盘上），此结构在工艺上比较好保持对称性，装配时只需将DAB顺着卡簧往下扣，无需很大力就可将3&9点钟卡簧卡进骨架挂钩内，装配简单，安装后段差与间隙得到良好保证；二通过螺栓连接，此结构是先安装极板，，螺栓数量根据方向盘内部空间而定（一般3-4个），固定螺栓都是右旋拧紧，一些因素（最常见为装配不当或拧紧不到位）容易使DAB与方向盘段差间隙不均匀，影响外观，造成客户抱怨。螺栓连接一般为客户指定结构（视客户对标件而定），此外，DAB与极板连接为刚性与软性材料接触，噪音较前者小。
（1）骨架挂钩与卡簧连接 （2）螺栓连接
图2 DAB与方向盘两种连接方式
1.3 方向盘拆卸孔设计
本文设计的方向盘采用骨架挂钩与卡簧连接。设计该结构时，不能忽略DAB维修拆卸便利性。方向盘拆卸位置总体有两个，底面和侧面。方向盘底面拆卸时，需结合龙头盖数据，如果龙头盖不易拆卸或是不易旋转漏出底面拆卸孔的位置，则不建议采用底面拆卸；方向盘侧面拆卸时，要考虑到方向盘A面，一般侧面开孔7mm以下，开孔方向垂直A面，与方向盘本体一体成型（无需后续加工）。本文所述方向盘增加辅助拆卸设计，为避免拆卸时DAB不能顺利顶出，故在卡簧底部设有拆卸弹簧，进而在拆卸时，可以通过弹簧向上的一个力将DAB顺利顶出。
1.4 开关与装饰件和方向盘匹配结构设计
开关是指在方向盘3&9点两侧设置若干功能键，每个按键有不同功能，有定速巡航键，语音键 ，返回键、接听键、音量加减键，距离加减键等。本文所述装饰件与开关装配顺序为从下往上，四周设有限位及卡槽，卡槽底面与开关侧面凸台零贴，保证开关向下限位，开关侧面还有3处导向凸台，与装饰件三面零贴，既起到了开关向上的限位，也起到了开关左右限位，避免开关与装饰件匹配时上下左右晃动。匹配完的结构与方向盘采用螺栓与卡扣卡接的方式连接。
1.5 骨架设计及与周边零件匹配设计
方向盘骨架幅数目前最常用的有三幅和两幅结构。具体要根据客户A面来设计，但从方向盘轻量化来看，两幅和假三幅结构使用较多。骨架辐条在设计时曲率走向要自然，不可有尖锐点或突转点，与骨架圆框骨连接曲面顺滑过渡，避免应力集中。
方向盘缝皮后与装饰件和开关装配时，为防止6点钟牛皮顶出装饰件和3&9点钟顶出开关，需增加3处螺栓锁固点，骨架相应处增加鎖固孔，如有可能尽量在锁固孔上增加装配导向，高度约为2-3mm。
2 方向盘结构设计优化
本文所述方向盘总重在1.7kg，但某主机厂要求重量≤1.5kg，故方向盘轻量化的重要性不言而喻。方向盘最大零件之一PU，其在设计时，去除无功能性及外观性之PU用料，具体视方向盘结构而定。骨架在设计时，具体减重可分为三大块：骨架圆框骨、辐条及底板。圆框骨在设计时，可采用V型截面结构，3&9点钟连接辐条处可在V型内增加加强筋，布置范围约为22°（参考BOSS水平线，镜像）。辐条厚度约为10mm，局部可增加减重孔及削肉（可削肉厚3-4mm）。底板除根据时钟弹簧预留装配空间外，可设计成网格状，主料厚不变，合适部位也可增加减重孔。至于其他装饰件，可对标各标杆件，结构精简，料厚合适。当然，以上结构设计完以后还需CAE仿真，不足之处还需再完善。
3 结语
当今汽车工业设计中蓬勃发展的中国，方向盘的结构设计在汽车设计受到更多的重视，一个好的方向盘设计应该是既能与汽车内饰和谐统一，又能为汽车内饰增加亮点。另外，方向盘各项功能不仅能满足客户要求，其本身的轻量化也是设计中的重中之重。
参考文献
[1] 徐智兴.智能震动方向盘设计.创新科技，2013.
[2] 耿国庆.轿车转向盘骨架开发.机械设计，2013.
[3] 张爽.汽车方向盘的演变分析.沈阳：东北大学，2008.
（作者单位：南京普罗安全系统有限公司）