一種系統優化轉向時鐘彈簧異響設計方法

杜雨恒， 王子軍， 李志剛， 鄭 巖， 方麗琴， 柳甲東

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發院， 吉林 長春 130012）

隨著汽車普及以及用戶對舒適性、靜謐性要求的提升，駕駛室內的異常噪聲越來越讓用戶難以忍受。對于主機廠來說，就需要對常發的一些噪聲進行重點關注和消除設計。在駕駛室內諸多異響中，轉向系統時鐘彈簧異響較為常見且發生頻次較高。轉向時鐘彈簧異響系統模型一般包含方向盤及方向盤開關、主駕駛安全氣囊、時鐘彈簧、角度傳感器、組合開關、轉向管柱、轉向柱護罩等。轉向系統整體的安裝形式：方向盤通過花鍵及螺母固定在轉向柱上；方向盤開關、主駕駛安全氣囊卡接固定在方向盤上；組合開關通過螺絲、螺栓等固定在轉向柱支架上；時鐘彈簧通過螺絲或者卡子固定在組合開關上；角度傳感器通過螺絲固定在組合開關或時鐘彈簧上；轉向柱護罩通過螺絲固定在組合開關和轉向柱上。

一般各主機廠對時鐘彈簧單個零件的轉動噪聲、振動噪聲都有比較嚴苛的要求，正常的時鐘彈簧工作不會引起用戶的關注。轉向時鐘彈簧異響一般都是時鐘彈簧受到擠壓變形后轉動產生的異響。轉向系統內各零件間的裝配方式、匹配公差設置都會直接影響時鐘彈簧的工作環境。下文介紹一下異響排查過程中發現的3個關鍵零件間的各類匹配方式及匹配公差推薦值。

1 方向盤與時鐘彈簧匹配及驅動優化

在轉向系統異響分析中，方向盤安裝后對時鐘彈簧的擠壓是多數異響的直接原因。方向盤與時鐘彈簧結構匹配及驅動，主要包含如下幾類形式：方向盤孔與時鐘彈簧柱配合、方向盤花鍵外側凸起與時鐘彈簧凹槽配合、方向盤花鍵外側凹槽與中轉支架矛型配合。

1.1 方向盤孔與時鐘彈簧柱配合

在方向盤骨架上開出圓孔或長圓孔，與時鐘彈簧上蓋上的驅動柱配合，驅動柱一般為1～2個，驅動示意如圖1所示。

圖1 驅動示意圖

一般在驅動柱的外面套一層硅膠的套，硅膠套有橫紋和豎紋兩種形式，橫紋較厚且硬，豎紋較薄且軟，如圖2所示。

圖2 硅膠套示意

采用單驅動柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式。長圓孔長邊為時鐘彈簧徑向方向，能有效吸收系統內各零件偏心量及裝配累計徑向的公差；驅動柱的硅膠套起高約1mm的豎紋，與骨架圓孔設置單邊0.15mm左右的干涉量，這樣能有效減少方向盤快速換向時時鐘彈簧的晃動量，同時還能吸收系統內各零件偏心量及裝配累計徑向的公差。

1.2 方向盤花鍵凸起與時鐘彈簧凹槽配合

方向盤花鍵外輪廓增加的凸起，與時鐘彈簧內圈的凹槽配合，匹配示意如圖3所示。

圖3 凸起與凹槽匹配示意

可以在時鐘彈簧凹槽與凸起轉動方向匹配處增加2條壓潰筋，避免匹配間隙過小導致安裝困難，同時保證凸起與凹槽緊密貼合，有效減少方向盤快速換向時時鐘彈簧的晃動量。但隨著用戶的使用，壓潰筋的磨損可能導致方向盤快速換向時撞擊聲。

凹槽與凸起的軸向匹配處留有大于3mm、徑向匹配處留有大于0.5mm以上間隙，吸收系統內各零件偏心量及裝配累計的公差。

1.3 方向盤花鍵凹槽與中轉支架矛型配合

方向盤花鍵外輪廓的凹槽，與中轉支架的矛型結構配合，匹配示意如圖4所示。中轉支架凹槽與時鐘彈簧凸起配合，匹配示意如圖5所示。

圖4 凹槽與矛型結構匹配示意

圖5 凹槽與時鐘彈簧凸起匹配示意

中轉支架的矛型結構兩側可變形，與方向盤花鍵的凹槽自然狀態下兩側都應有1mm左右的干涉量，用以吸收轉動方向的公差。但此匹配結構對徑向變形吸收量差，如偏心嚴重，矛型結構可能會隨轉動不斷地脫出、進入，形成新的異響源，且此結構較其他結構增加一個中轉件，尺寸鏈長了一個環節，增加了異響因素。

綜上所述，方向盤與時鐘彈簧匹配及驅動，推薦采用單驅動柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式，可以采用方向盤花鍵凸起與時鐘彈簧凹槽配合形式，應避免使用方向盤花鍵凹槽與中轉支架矛型配合形式。

2 組合開關與轉向柱匹配優化

組合開關在轉向柱上固定的好壞，直接影響最終方向盤安裝后轉動對時鐘彈簧擠壓的程度，因此組合開關在轉向柱上固定不合格，是導致多數異響的根本原因。組合開關與轉向柱匹配主要分為兩類：依靠轉向柱本體固定及依靠轉向柱上的固定支架固定。

2.1 組合開關通過轉向柱本體固定

在轉向柱軸體開定位孔，組合開關通過卡勾、凸起、支架等匹配，用緊固螺栓緊固，示意如圖6所示。

圖6 組合開關通過軸體固定示意

組合開關凸起與轉向柱軸體凹槽配合，約束組合開關周圈旋轉，一般采用1～2個凸起與凹槽配合，主約束凸起與凹槽單邊應預留0.1～0.2mm間隙，同時凸起頂端做20°到30°左右倒角，保證便于裝配。通過組合開關緊固螺栓控制組合開關彈性卡勾與轉向柱限位孔接觸，組合開關卡勾與轉向柱限位孔及組合開關本體支架與轉向支架共同約束組合開關軸向運動。組合開關本體支架與轉向柱軸體配合，約束組合開關偏心量，一般在組合開關支架增加壓潰筋，與轉向柱軸體0貼或小間隙配合。

因轉向柱軸體加工精度高，組合開關本體支架直接與軸體配合，組合開關偏心量不受其他加工工藝、物流等環節影響，定位精度更高，能有效減少偏心擠壓時鐘彈簧時發生的異響。

2.2 組合開關通過轉向柱固定支架固定

在轉向柱上焊接固定組合開關的支架，組合開關一般通過螺絲與支架固定，示意如圖7所示。

圖7 組合開關通過支架固定示意

組合開關通過定位柱，與轉向柱固定支架的定位孔匹配，一般定位柱與定位孔單邊預留0.1～0.2mm間隙，同時定位柱頂端做3°左右倒角，保證便于裝配，通過3個螺釘將組合開關X、Y、Z這3個方向鎖定。

因固定支架的螺釘孔、定位孔、折彎加強等工藝，導致支架自身存在偏差。固定支架焊接在轉向柱時，定位夾具精度及受熱變形，易導致更大偏差。在運輸轉運、安裝過程中，如操作不規范，違規抬支架，易導致支架變形。多重因素影響組合開關固定的精度。

綜上所述，推薦采用依靠轉向柱本體固定形式，不推薦依靠轉向柱上的固定支架固定形式。

3 組合開關與時鐘彈簧匹配優化

時鐘彈簧在組合開關的固定，一般分為螺絲固定的剛性固定及卡接固定的彈性固定。轉動方向盤帶動時鐘彈簧轉動，時鐘彈簧的撥片撥動組合開關左右轉向燈的回位撥塊，實現左右轉向燈的自動復位功能。

3.1 組合開關與時鐘彈簧通過卡扣固定

組合開關本體支架的定位柱、卡點、彈性觸點，與時鐘彈簧的定位凹槽、卡子、外殼匹配固定，示意如圖8所示。

圖8 時鐘彈簧通過卡扣固定示意

組合開關通過定位柱與時鐘彈簧定位槽匹配，約束時鐘彈簧的X、Y向定位，推薦設置單邊0.15左右的間隙，保證定位精度和安裝方便性。時鐘彈簧卡子與組合開關卡點0貼匹配，時鐘彈簧外殼和組合開關彈性觸點小干涉配合，約束時鐘彈簧Z向定位。

為保證X、Y向結構強度，一般在卡點附近增加時鐘彈簧輔助定位柱，為保證Z向定位強度，一般增加大卡勾、凸臺與組合開關彈性觸點配合，示意如圖9所示。

圖9 增加結構強度示意

3.2 組合開關與時鐘彈簧通過螺絲固定

一般通過3個自攻螺絲，將時鐘彈簧固定在組合開關上，示意如圖10所示。

圖10 組合開關螺絲固定示意

一般將組合開關的螺絲柱與定位柱二合一，以節省空間、降低質量，也可設置單獨的組合開關定位柱，與時鐘彈簧定位孔匹配。時鐘彈簧的定位凸臺與組合開關定位凹槽或組合開關定位柱與時鐘彈簧定位口一般設置單邊0.1mm左右的間隙，保證安裝方便和定位準確。組合開關與時鐘彈簧螺絲固定為剛性固定，時鐘彈簧與組合開關之間沒有變形緩沖，無法吸收系統內各零件偏心量及裝配累計徑向的公差。

綜上所述，推薦采用組合開關與時鐘彈簧通過卡扣固定形式，能進一步吸收系統內各零件偏心量及裝配累計徑向的公差。

4 結論

通過對轉向系統內主要影響時鐘彈簧異響的3個零件間的各種匹配形式分析，總結出以下的系統優化設計推薦。

1） 方向盤與時鐘彈簧匹配：推薦采用單驅動柱與方向盤骨架長圓孔配合、豎紋硅膠套匹配形式。

2） 組合開關與轉向柱匹配：推薦采用依靠轉向柱本體固定形式。

3） 組合開關與時鐘彈簧匹配：推薦采用組合開關與時鐘彈簧通過卡扣固定。

4） 同時，在轉向系統有角度傳感器的車型，建議將組合開關、時鐘彈簧、角度傳感器做成一體式的零件，不僅能降低模具投入、降低質量、減少控制器數量降成本，更是能減少零件間的裝配公差，進一步減少異響發生概率。