汽车方向盘用材料及成形方法研究进展.pdf
材料导报2 0 0 6 年5 月第2 0 卷专辑汽车方向盘用材料及成形方法研究进展吴立鸿1，关绍康1，王利国1，龙思远2(1 郑州大学材料科学与工程学院，郑州4 5 0 0 0 2；2 重庆大学机械工程学院，重庆4 0 0 0 4 4)摘要方向盘是汽车上重要的安全部件，对材料的使用性能要求较高。介绍了制造汽车方向盘骨架及外包覆层的常用材料，对这些不同材质方向盘的应用现状、性能优劣及成形方法进行了深入分析，重点讨论了新型镁合金方向盘骨架的优势、成形方法及研究开发现状，并展望了今后研究的方向。关键词方向盘成形方法镁合金中图分类号：T B 3；T H l 4 0 8文献标识码：AD e v e l o p m e n to fR e s e a r c ho nM a t e r i a l sU s e di nM o t o rS t e e r i n gW h e e la n dT h e i rF o r m i n gM e t h o d sW UL i h o n 9 1，G U A NS h a o k a n 9 1，W A N GL i g u 0 1，L O N GS i y u a n 2(1C o l l e g eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2；2C o l l e g eo fM e c h a n i c sE n g i n e e r i n g，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y，C h o n g q i n g4 0 0 0 4 4)A b s t r a c tT h es t e e r i n gw h e e li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts e c u r i t yp a r t si nm o t o r s，a n dt h er e q u i r e m e n to fm a t e r i a l sp r o p e r t i e si na p p l i c a t i o ni sv e r yh i g h I nt h ep a p e r，t h eu s u a lm a t e r i a l su s e di ns t e e r i n gw h e e lf r a m e w o r ka n de x t e r i o rc o a t i n ga r ei n t r o d u c e d，a n dt h e i ra p p l i c a t i o ns t a t u s，p r o p e r t i e sa n df o r m i n gm e t h o d so ft h ed i f f e r e n tm a t e r i a l ss t e e r i n gw h e e la r ea l s oa n a l y z e d S u p e r i o r i t i e s，f o r m i n gm e t h o d sa n dR&Ds t a t e so fn e w l y-m o d e lm a g n e s i u ma l l o y ss t e e r i n gw h e e lf r a m e w o r ka r ep l a c e da ne m p h a s i si na n a l y s i sa n dr e s e a r c h。f o r e g r o u n di nf u t u r ea r ep r o s p e c t e d K e yw o r d ss t e e r i n gw h e e l，f o r m i n gm e t h o d，m a g n e s i u ma l l o y s方向盘作为汽车上最重要的安全部件之一，是确保汽车沿正确路线行驶的关键 1 。除需要具有一定强度、硬度，并能承受一定扭转力及弯曲应力外 2 ，还需要具有一定的柔韧性。这样不仅美化外观，还能使驾驶员感到舒适，更重要的是当遇到碰撞等紧急事故时能起到缓冲作用，确保驾驶员的安全 3 。鉴于此，方向盘通常是由强度、刚度相对较高的金属骨架外加具有一定韧性的包覆层制作而成。常用的方向盘骨架是由碳钢、铝合金、硬质塑料、镁合金等(材料的性能见表1)通过冲压、焊接、压铸、注射成形等方法制成，包覆层则常用聚氨酯、聚丙烯、木材等通过注射成形、镶嵌等方式包覆在金属骨架上，这样才能实现内强外韧，达到方向盘所要求的特定使用性能。本文简要介绍了生产方向盘骨架、外包覆层的常用材料及相应的成形方法，对材料性能及成形方法的优劣进行了深入探讨，并进一步展望了今后研究的方向和重点。1 汽车方向盘的一般要求汽车方向盘应满足以下要求 6 ：表面光泽均匀，不刺眼、手感舒适；足够的强度，优良的耐磨损性能；耐汽油、柴油、汗液的腐蚀；良好的耐热及耐寒性能。2 方向盘骨架用材料及成形方法方向盘骨架一般是由轮缘、辐条和轮毂3 部分构成。制作骨架的本体材料不同，成形的方法也不同。表1铸造镁合金、铸造铝合金、T 程塑料及铸钢的性能比较h 5 撇别嚣噤量髫装拉麓度比度柳,M P 强a 需慧嫠，。3 赧5M P 张a),g2 1 碳钢碳钢具有较高的强度、硬度和良好的韧性，作为本体材料，在汽车方向盘的应用上一直占据着主导地位，但碳钢硬度较高决定了其难于用单纯的压力加工等方法成形。钢质方向盘骨架的成形方法通常是经过取材、下料等工序，然后把制作好的钢圈、辐条(或辐板)和轮毂通过焊接而成为一个整体。尤元荆 2 J选用材料为1 1 1 2 一G B 9 0 5 8 2 冷拉2 0 一Y B l 9 4 7 5 号钢筋，通过卷圆、切断、对焊、锤接头、校平、校圆等步骤加工轮缘，然后选用材质为3 4 0 2 F 5 0 2 1 一A 的轮毂、3 4 0 2 F s 一0 2 3 的辐条，进行油污清洗、焊接得到骨架总称。该工艺程序比较复杂，对工人的技术水平要求较高，囚此精确液羞、规模纯程渡黻诋j 多年来国内外许哆汽车及零配件生产厂家不断投入大量人力、物力进行钢质方向盘骨架的开发和研制，其中比较知名的有美国的通用公司、国内吴立鸿：男，1 9 7 7 年生，博士研究生，研究方向为轻合金及精密成形技术E-m a i l：l h x w l l 2 9 1 2 6 c o r n 万方数据汽车方向盘用材料及成形方法研究进展吴立鸿等2 4 9 的浙江玉环方向盘厂和顺达(芜湖)汽车饰件有限公司等，其生产的方向盘骨架种类繁多。期间也涌现出了许多设计或发明专利，K u s h m a u l 等 7 叫2 以金属钢为本体材料通过改进设计或优化工序等制作了各种不同的方向盘骨架，使得方向盘骨架样式更加多样化。尽管如此，仍摆脱不了通过下料、焊接等多种复杂工序进行制作的本质。另外，碳钢比重较大、减震系数低，不利于汽车减重且手感较差(与其他材料的性能比较见表1)。碳钢本身的特性难于通过成分优化等得到很大的改进，因此在汽车轻量化的进程中，随着性能优良的轻量化材料的研制成功及相应成形工艺的合理应用，碳钢方向盘在微型汽车上将逐步淡出舞台，被重量和性能俱佳的新材质方向盘所取代。但在强度要求较高、工作环境恶劣的重型汽车等车辆上，碳钢骨架仍会得到广泛的应用。2 2 铝合金最初的铝合金方向盘毂是采用Y 1 0 8 经压铸成形后再进行拉内孔、拉花键、钻孔、攻螺纹、焊接方向盘芯和注塑成形。存在的问题是锥孔大端、小端及锥度尺寸都严重超差，铸件精度难于保证。针对Y 1 0 8 铸铝材料硬度低，伸长率较高，易于塑性变形，陈树楠 1 4 采用冷挤压铸造工艺研制出了方向盘毂。采取的措施是在工艺设计时留有一定的挤压余量，这样不但实现了无切屑加工，又使零件内孔表面硬化，提高了其表面光洁程度，保证了工艺精度。因此用冷挤压成形技术生产铝合金方向盘毂是行之有效的。但是铝合金减震系数较小(见表1)、减震性能较差，是制约铝合金方向盘骨架发展的不利因素。2 3 镁合金镁合金被誉为“2 1 世纪最具前途的绿色工程塑料”，其比重小，比钢轻3 4，比铝轻1 3；衰减系数高，具有良好的减震、吸噪及阻尼性能 1 3,1 5 。在方向盘上使用镁合金可以顺应汽车结构向轻量化和节能化的方向发展 13|。文献 1 6 3 认为，镁合金应用于方向盘不但可实现轻量化，而且能降低路面对控制系统的震动，同时，在发生意外时镁合金方向盘可吸收更多的能量，保证驾驶员的安全，因而具有低碳钢、工程塑料等传统方向盘无法比拟的性能优势。现在通用的镁合金方向盘是由碳钢通过焊接制成的，导致重量大、韧性低、结构复杂。因此探索新的适合镁合金骨架生产的成形工艺势在必行。沈阳工业大学刘正等开发了采用一片式压铸工艺，将原来的7 个焊接结构件集成到一块，制成了高韧性镁合金方向盘骨架。该镁合金方向盘骨架在实现减重3 4 的同时，冲击韧性得到很大提高，而且还具有明显的减震性，方向盘骨架达到汽车专业标准，同时也使一片式压铸工艺降低了成本。郎玉山 1 刀发明了一种汽车镁合金方向盘的生产方法，生产的方向盘包括1 个含有环形的上部盘缘、下部底座以及其间的若干条辅筋压铸成的一个整体结构的镁合金骨架盘体，且无变形出现，产品质量可靠。由于取消了焊接工艺，提高了工效，产品的成本相对下降。目前已涌现出许多生产镁合金方向盘的厂家，据报道，杭州富春镁合金制品有限公司2 0 0 4 年达到8 0 万件汽车镁合金方向盘骨架(A r m a t u r e s)的生产能力。另据报道，严格按照国家标准G B l l 5 5 7 1 9 9 8 防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定及企业标准Q L Z W 2 4 0 3 1 9 9 8 微型汽车转向盘技术条件要求，重庆镁业为上汽通用五菱股份有限公司配套生产的A 2 4 0 l 一0 0 2 镁合金方向盘，目前通过国家汽车检验权威机构国家轿车质量监督检验中心检测，结果表明，转向盘遭撞击时吸收能量的静扭强度、静弯曲强度、冲击等指标均达到国家标准及企业标准。据悉，重庆镁业已向上海通用提供A 2 4 0 1 0 0 2 镁合金方向盘7 0 0 0 余件。图1 是重庆镁业生产的镁合金方向盘骨架。图1 镁合金方向盘骨架本文作者在前期的工作中，针对镁合金在方向盘上应用的关键替代技术进行了深入研究，进一步规范了镁合金压铸方向盘的开发步骤，克服了因数据不足带来的难题。图2 是作者通过有限元仿真(F E M)分析得到的镁合金方向盘服役应力分布情况。图2 镁合金方向盘骨架服役应力分布图近几年来，随着镁合金的深入推广和应用，出现了利用注射成形新技术生产镁合金方向盘的新趋势u8 I。注射成形的基本原理是熔解低熔点合金，然后以高速、高压充填到金属模中成形。从投料口投入米粒大小的原料，然后使其进入已加热到设定温度的圆筒内并运送到其前端。这时通过丝扛旋转增加剪切力，制成半熔融状态的合金液，再以高速注射到金属模内。合金熔液的温度保持在5 6 0 6 3 0。C，并控制固相率。注射成形方法与压铸法相比，由于有很高的铸造压力，使表面附近的结晶晶粒细化，因而能获得高的耐蚀性和机械强度，金属模的再现性较好。由于合金熔液的温度比压铸法低5 0 7 0。C，因此能控制成形制品随着热收缩而发生的尺寸变化，从而提高金属膜的使用寿命 18。注射成形法不使用熔化炉及S F 6 防燃气体，不会发生爆炸和产生粉尘，符合安全和环保要求。但到目前为止，还没见采用这种方法进行开发和生产镁合金方向盘骨架的报道。2 4 硬质塑料及其他材料除碳钢、铝合金、镁合金等金属材质外，适于生产方向盘骨架的材料还有聚乙烯、聚氨酯硬质塑料和玻璃钢等，这些材料制作的方向盘外观和手感都较差，生产和应用较少，本文不作重点论述。万方数据2 5 0 材料导报2 0 0 6 年5 月第2 0 卷专辑3 包覆层材料及成形方法方向盘包覆层最早采用酚醛塑料模压制造，后来采用H D P E 和改性P P 注塑成形，目前使用最多的是P U 料R I M 制造工艺 6 。这些常用的塑料主要有以下特征 1：比重小，一般为钢铁的1 4、铝的1 2，约为大多数有色金属的1 8 1 5，有利于减重、节能，比强度和耐热性高，化学稳定性好，电绝缘性、机械性能优良，在较宽的温度范围内，具有优异的抗冲击、耐疲劳和减摩、耐磨及自润滑性能，易于成形且具有优良的尺寸稳定性。其中聚氨酯是目前方向盘上用得最广泛的一种塑料。聚氨酯方向盘集装饰与功能于一体，其特点是手感舒适、能吸收驾驶员头部及胸部的碰撞能量，提高安全性，并且耐磨、不易开裂、使用寿命长 2。该方向盘国外应用得较早，而我国起步较晚。2 0世纪9 0 年代李帮山 2 0 报道了采用反应注射模塑成形工艺(R I M)研制的聚氨酯硬质塑料方向盘，成功地应用于斯太尔重型货车上。其制造工艺过程是，将异氰酸氨(R N c 0)、聚醚(R，_0 H)以及其他一些辅助材料，如聚醚多元醇、硅油、交联剂、催化剂、发泡剂计量混合后，经高压注入模腔，继而产生表皮密实的产品。对轮圈及轮毂部位聚氨酯密度、轮圈部位硬度、冲击弹性、压力残余变形、聚氨酯抗拉强度及延伸率、耐臭氧性、耐磨性、耐溶剂性、耐热交变性、转向力和轴向力等性能进行检测，结果均达到了基本指标。不足之处是外观比较粗糙、花纹不美观、骨架居中较差、聚氨酯材料强度及延伸率相对较小。为适应方向盘发展的需要，随后，王伟明等 3 又报道了一种先进的聚氨酯自结皮方向盘(P o l y u r e t h a n eI n t e g r a lS k i n-f o a mS t e e r i n gw h e e l，又称P U 方向盘)生产技术，它是在金属骨架外面用反应注射成形方法形成一层具有自结皮的聚氨酯发泡材料，这种发泡结构能够形成带有天然皮革花纹及韧性的表皮，在这层表皮下面逐渐过渡到具有弹性的泡沫体。与硬质塑料方向盘相比，P U 方向盘在确保基本功能的前提下，实现了外韧内软，其操作使用性能、安全性能及外观都有很大改进，从而使方向盘具有多种优良性能。到目前为止，世界主要汽车生产厂家均采用P U方向盘。另外，程基华等 2 1,2 2 采用金属骨架轮缘外镶嵌木质包覆层的方法制成木质方向盘，在保证和提高机械强度的同时，起到了装饰效果，具有刚性好、安全可靠、豪华高贵、美观大方等特点。也有人 9 2 3 在骨架钢箍外包覆由锯末和树脂粘合剂混合加压和木屑压制等制成的盘轮，这种方向盘能用于各种不同的车辆，且对安全行驶起到了良好的作用，但都没形成规模生产。4 结束语综上所述，在当今极力倡导节能、环保、安全的大背景下，方向盘作为汽车上重要的安全性能部件，应从以下两个方面进行研究：(1)对方向盘骨架而言，碳钢骨架尽管较重、减震性能较差、制作工艺单一、结构改进空间不大，但在强度和刚度要求较高的重型车辆上，其地位难于在短期内被取代；铝合金较差的减震性能是制约其发展的关键因素；镁合金具有比重小、减震性能良好、易于加工成形、较好的外观及易于回收利用等优点，是下一代汽车方向盘的首选材料。因此，适于方向盘生产的高性能镁合金材料的研制、相应成形工艺的设计、改进和优化是今后研究的重点。(2)相对于酚醛塑料模压制造，H D P E 和改性P P 注塑成形的包覆层外观粗糙、手感较差。P U 料及成熟的R I M 工艺制成的包覆层外观良好、手感舒适，因而仍是外包覆层用材料及成形方法的主流。1 41 51 6参考文献钱录庆安全使用方向盘E J 3 湖南农机，2 0 0 4，(5)：1 7尤元荆汽车方向盘反应注射成形工艺设计 J-I 十堰大学学报(自然科学版)，1 9 9 7，(1)：4 9王伟明，徐永汉聚氨酯自结皮汽车方向盘的制造技术E J 中国塑料，1 9 9 4，8(3)：1 2A l a nAL u o M a g n e s i u ma u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n A-I n：D i n gW e i n a n P a p e r so fS i n o m a gD i eC a s t i n gM a g n e s i u mS e m i n a B C S h a n g h a i，2 0 0 1 6 4龙思远，王亮，吴立鸿，等压铸镁合金在曲轴箱上应用的材料替代研究 J 特种铸造及有色合金，2 0 0 5，2 5(1)：3 9郭天军塑料在重型汽车上的应用E J 工程塑料应用，1 9 9 7，2 5(1)：3 4K u s h m a u l，T h o m a sR，W o r r e l l，e ta 1 U SP a t，8 8 7 0 3 1 1 9 9 2-0 5-2 2P a t z e l t，H e l m u t，R u s s，e ta 1 U SP a t，8 3 6 5 1 1 1 9 9 2 0 2 1 8林楚华，陈荣光，许彩梅C NP a t，9 8 2 1 2 5 6 2 3 1 9 9 9 0 9 0 8林楚华，陈荣光，许彩梅C NP a t，9 8 2 1 2 1 3 0 X1 9 9 9 0 9 0 8刘子德C NP a t，0 0 2 1 6 2 6 4 4 2 0 0 0 1 2 1 3张波C NP a t，0 1 2 1 0 9 6 7 3 2 0 0 1 1 2 2 6S c h u m a n nST h ep a t h sa n ds t r a t e g i e sf o ri n c r e a s e dm a g n e s i u ma p p l i c a t i o n si nv e h i c l e sr J 7 M a t e rS c iF o r u m，2 0 0 5，4 8 8-4 8 9(6)：1陈树楠汽车方向盘毂挤压工艺I-J 锻压机械，1 9 9 8，(3)：3 4Y oK o j i m a，S h i g e h a r uK a m a d o F u n d a m e n t a lm a g n e s i u mr e s e a r c h e si nJ a p a n J M a t e rS c iF o r u m，2 0 0 5，4 8 8 4 8 9(6)：9T s c h o e DWV e d o r m b e r S i c h e r h e i t s t e i l ea u sm a g n e s i u m A I n：I M A M a g n e s i u mA b n e h m e rs e m i n a r&A u m m o t i v eS e m i n a r C A a l e n：E u r o p a e i s c h eF o r s c h u n g s g e m e i n s c h a f tM a g n e s i u m g u s s，1 9 9 8，1 3：1郎玉山C NP a t，0 3 1 1 0 0 2 7 9 2 0 0 4 1 0 1 3镁合金注射成型技术的新趋势口 军民两用技术与产品，2 0 0 2，(3)：2 3金国珍工程塑料E M 北京：化学工业出版社，2 0 0 1李帮山斯太尔重型货车用聚氨酯方向盘r J 汽车工艺与材料，1 9 9 5，(6)：1 5程基华C NP a t，0 0 2 1 8 8 0 0 7 2 0 0 1 0 6 2 7孙建平C NP a t，0 2 2 6 7 4 4 7 0 2 0 0 3 0 5 0 7林楚华，蔡宏源C NP a t，0 2 2 3 4 6 2 5 2 2 0 0 3 0 4 1 656789 如n 心n 坞均加扎毖船 万方数据汽车方向盘用材料及成形方法研究进展汽车方向盘用材料及成形方法研究进展作者：吴立鸿，关绍康，王利国，龙思远，WU Lihong，GUAN Shaokang，WANG Liguo，LONG Siyuan作者单位：吴立鸿,关绍康,王利国,WU Lihong,GUAN Shaokang,WANG Liguo(郑州大学材料科学与工程学院,郑州,450002)，龙思远,LONG Siyuan(重庆大学机械工程学院,重庆,400044)刊名：材料导报英文刊名：MATERIALS REVIEW年，卷(期)：2006，20(z1)被引用次数：1次 参考文献(23条)参考文献(23条)1.钱录庆 安全使用方向盘期刊论文-湖南农机 2004(05)2.尤元荆 汽车方向盘反应注射成形工艺设计 1997(01)3.王伟明.徐永汉 聚氨酯自结皮汽车方向盘的制造技术 1994(03)4.Alan A Luo Magnesium automotive application 20015.龙思远.王亮.吴立鸿 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