关于汽车方向盘造型设计研究

丁世界

摘要：在汽车发展的一百多年中，方向盘作为汽车不可缺少的重要部件，是接触时间最长、使用频率最高的装置。其设计是否人性化直接影响到驾驶员的情绪、操作甚至安全问题。

关键词：汽车；方向盘；造型设计

前言

随着国民经济的快速发展，消费者不再满足于批量化生产的汽车，特别是一些高档跑车的购买者，更趋向于个性定制一些汽车零部件。但对于个性定制的零部件，不仅每次都要对零部件进行重新设计和制造，而且需求量很小，这无疑会增加生产周期和成本。文中以汽车方向盘为例，探讨了汽车方向盘的造型设计。

1方向盘的进化史

1886年诞生的世界上第一台内燃机动力汽车是辆三轮车——奔驰一号，它参考自行车车把，设计了单手操作的方向杆。

1886年，戴姆勒发明了第一台四轮汽车，当时的转向杆变成了两幅式，操作方式上初具方向盘雏形。福特A型车首次将喇叭按键装在了方向盘上。

1994年，宝马第一次把音响控制和一些辅助控制从中控上搬到方向盘上，多功能方向盘逐渐成为了主流。

2汽车方向盘造型设计要点

2.1方向盘外形

市面上主流的形状是正圆。一些带有运动风格的车会仿照跑车，避开膝盖位置，将圆形下方切平形成D字型，这也是近年在跑车、SUV、轿跑中流行的。D字型可保证组合仪表视野，同时避开膝盖位置，保证腿部空间。椭圆形操作上特别是转动时有不适感·椭圆形虽然旋转时不舒适，但组合仪表可以布置在方向盘上部，使用薄的组合仪表可以给设计带来创新，另外使用此造型与组合仪表布局关系抬头显示等要综合考虑。

2.2方向盘尺寸

方向盘的宽度从人机的角度看与肩膀关节间距相关，成年人肩膀关节间距的尺寸一般在276.9mm到406.4mm之间，成年男性的肩关节间距的中位值为358.1mm，成年女性该尺寸中位值为317.5mm，为多数。方向盘的宽度从内饰布置的角度看与组合仪表的位置相关，通常组合仪表布置在方向盘正后方，通过方向盘上开口观察仪表，当组合仪表布置在方向盘后上方的时候，需要调整方向盘的尺寸，较小的方向盘操作有不适感。

2.3方向盘握柄断面形状（来自对38台车的调查）

尺寸G（短轴）：28±1mm38台中29台76%·尺寸F（长轴）：35±1mm38台中22台58%。尺寸E（周长）：100～110mm38台100%。所有的车都是椭圆断面，尺寸在35mm，28mm最多，周圈尺寸为100-110mm。

2.4方向盘按键：按键种类

滚轮及拨轮按键的使用基本平衡，从便于使用、多样性、可实现功能多少的程度的角度来看，今后滚轮会更多增加。滚轮向球体演变进化，看起来使用感觉良好。按键延伸出基座，立体感更强，看起来操作感觉良好。

2.5方向盘按键:按键左右布局

布局方面考虑到右手操作右侧中控屏幕的使用协调关系来布局。中控屏幕显示的功能（导航、多媒体模式切换、电话、音量、语音控制）要布置在方向盘右侧。98台车中，除日系车17台（日本国内右舵）和中国自主品牌24台，和没有巡航功能的车3台外，绝大多数巡航控制均布置在方向盘左侧44/54台，81.5%（方向盘多功能按键25台、组合开关控制杆19台）。巡航速度控制操作中需要观察车速表，以及组合仪表的提示和图标，同时相对于其他多功能按键，定速巡航的使用频率较其他功能低，故一般布置在方向盘左侧。

3FSC赛车方向盘设计

3.1赛车方向盘结构设计

FSC赛车方向盘不只是具有转向功能，同时还具有其他附加功能。这些功能分布在赛车方向盘上的按钮分别可以完成以下功能：控制离合器、控制发动机启动、控制换挡、无线电对讲、进入修理站的车速限制、发动机转速限制、制动力平衡的调节、空气燃油比例混合的调节、赛车综合信息的显示控制（包括发动机数据、燃油消耗以及每一圈时间、当前档位指示等），还有一些预先编好的控制程序和各种闪烁着的警告灯。本文当中的赛车方向盘总体采用矩形加圆弧结构，采用上下盘体分开设计，电控人员可以将电控设备安装在赛车方向盘内腔。上盘体部分由于受力作用较小不需要大强度来维持方向盘的操纵稳定性，所以上盘体总体厚度设计为4mm。由于人手在握持孔部分会施加较大的力来实现方向盘的转动，以实现赛车方向控制，所以在握持孔部分厚度设计为12mm。下盘体部分由于承担整个赛车方向盘和转向柱的连接作用，在中间部分设置有凸台，凸台厚度为8mm，其他部分厚度均为6mm，为了减小凸台与盘其他部分连接处的应力集中，在凸台和盘其他部分连接处设置了倒角。根据我们测量得出赛车手手部具体尺寸，并根据赛车手的具体要求我们将赛车方向盘设计为类椭圆形。

3.2FSC赛车方向盘建模

本次建模我们采用CATIA软件，将整个方向盘分为上盘体和下盘体两部分，方向盘是由上盘体和下盘体通过螺栓和特殊粘结剂合并在一起的。在上盘体上，增加电子显示屏框①，该电子显示屏能够显示多个车体运行状况参数，主要有档位的变换、车体能量、车速、发动机转速、机油温度等，多个车体运行状态信息的显示能够帮助驾驶员有足够的时间和信息作出对车辆运行状态的调整，使得车辆运行状态达到最佳。在上盘体靠近最外侧的边缘上还设有拇指凹陷⑥，赛车手在驾驶赛车时可将大拇指安放在其中；上盘体同时还设置了握持孔③，握持孔是赛车手驾驶时四指所持握住的位置，上诉⑥、③两个设计均可以保证赛车手在高度紧张的环境和有限的车体空间内，使得赛车方向盘与赛车手手部完全贴合，给予赛车手最好的手部驾驶体验。此外，上盘体的②部分为喇叭提示孔，以便信息第一时间传达到赛车手，加快赛车手判断和决策时间；上盘体④为按钮挖孔，没有棱角的圆形按钮在一定程度上增加了赛车方向盘的安全系数；上盘体⑤为LED指示灯挖孔，不同颜色的指示灯代表不同的驾驶信息，准确的信息是赛车手正常发挥的重要保障。

3.3FSC赛车方向盘仿真

3.3.1设置应用材料

不同的材料会有不同屈服的特性，本次实际赛车方向盘制造采用ABS材料制造。

3.3.2施加外部载荷

由于赛车手是通过旋转方向盘将力传到转向柱，然后在传到转向轮，所以载荷将以旋转力矩的方式施加到方向盘上，由《车辆人机工程学》可知转向盘的允许的最大用力为150N，而赛车方向盘直径为275mm，所以设置的方向盘允许的的最大力矩为公式1：

M=F*L（1）

式中：M为最大力矩；F为最大用力；L为对赛车方向盘直径。

3.3.3生成网格

由于电脑配置等原因，本次设计的网格并没有设置太小，否则电脑运行会崩溃。我们利用CATIA的网格生成器自动生成下盘体网格。

3.3.4运算网格模型

ABS材料的屈服力为50MP，分析得到的应力最大值小于ABS材料的屈服值。通过对下盘体的有限元分析，说明赛车方向盘的下盘体结构设计符合要求

结束语

通过有限元分析赛车方向盘结构之后，运用FDM类型的3D打印机进行赛车方向盘实物的制造。经过分析与总结，发现3D打印制造出的方向盘比用传统方法制造的方向盘，制造周期缩短将近四分之三、成本降低40%。

参考文献：

[1]侯杰.FSAE赛车悬架和转向系统优化设计及分析[D].合肥工业大学,2017.

[2]邹力行.新型家庭制造业是支持新型城镇化的战略产业[A].中国科学院中国现代化研究中心,2013:12.