快插式轉向管柱伸縮軸工裝的開發與使用

趙曉杰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

轉向系統是車輛底盤的重要系統之一，其中轉向管柱是轉向系統的重要部件，使駕駛員作用在轉向盤上的力矩通過轉向管柱、轉向機、轉向橫拉桿等部件轉化為車輪的運動，實現車輛轉向的目的。隨著安全性要求的逐步提升，轉向管柱還要承擔二次碰撞中能量吸收的作用，以保護駕駛員的安全。

在汽車制造企業，轉向管柱的開發已經非常成熟，功能與安全性都已經很完善。對于車輛制造商來說，會更加關注轉向管柱與轉向聯接軸的裝配，因為裝配的操作直接影響車輛的裝配速度與工人操作的勞動強度。

傳統轉向管柱伸縮軸與聯接軸之間的聯接方式大多為螺栓聯接。為提高轉向管柱伸縮軸與聯接軸之間的聯接速度，聯接方式趨于采用快插式聯接。快插式的聯接操作簡單、省時省力。工人只需將轉向管柱的下伸縮軸插入轉向聯接軸的孔洞中，卡入到位即可，無需打緊螺栓。很多車輛制造商為保證伸縮軸在車輛裝配過程中處于正確位置，使用綁帶捆綁的方式，但這種方式不僅耗費更多的工時，并且操作不方便，可靠性低，伸縮軸可能在車輛生產制造時不會處于恰當的位置，從而影響生產的節拍。本文介紹的應用于快插式轉向管柱聯接軸的工裝，只需要工人具備相應的操作經驗，裝配簡單、可靠，生產穩定性高。 其轉向系統結構如圖1所示。

圖1 轉向系統結構圖

1 轉向管柱伸縮軸及聯接軸設計

1.1 傳統轉向管柱伸縮軸與新型伸縮軸的端部聯接處設計對比

在整車上，轉向管柱的伸縮軸要與轉向聯接軸相聯接或直接與轉向機的輸入軸聯接。對于長軸距車，因座艙與前橋上轉向機的距離較遠，需要通過轉向聯接軸將轉向管柱伸縮軸與轉向機輸入軸聯接起來。對于短軸距車，轉向管柱的伸縮軸可與轉向機的輸入軸直接聯接。本文討論的是長軸距車轉向管柱伸縮軸與轉向聯接軸相聯接時工裝的使用。

從圖2可以看出，傳統的轉向管柱伸縮軸下部設計較為簡單，有一個通孔使螺栓穿過通孔后與轉向聯接軸上的焊接螺母打緊。擰緊螺栓的操作需要在發動機艙內零部件都完成裝配后進行。螺栓聯接式轉向管柱伸縮軸與聯接軸的優點在于設計簡單、成本較低，但同時存在因螺栓打緊扭矩不足時導致聯接不可靠及噪音的風險。另外，因為此處打緊扭矩較大，通常為30 Nm+90°轉角，對操作工人很有挑戰，而反沖力臂的使用又受到裝配空間的限制，在大多情況下難以應用。這也是車輛裝配廠一直以來難以解決的問題。因此快插式轉向管柱伸縮軸得到了越來越多的應用。

圖2 傳統的轉向管柱伸縮軸（螺栓聯接）

如圖3所示，快插式轉向管柱伸縮軸的聯接端設計及制造均比螺栓聯接式復雜，但具有操作簡單、勞動強度低、裝配速度快的優點，操作工人只需將花鍵式結構端插入聯接軸即可。

圖3 新的轉向管柱伸縮軸（快插式）

在裝配要求方面，需要柱銷彈出，并且彈出的長度需要達到1 mm。如圖4 、圖5所示。

圖4 快插式聯接軸柱銷裝配初始狀態

圖5 快插式聯接軸柱銷裝配后狀態

1.2 轉向管柱伸縮軸以及工裝使用的必要性

轉向管柱的伸縮軸是轉向管柱的重要組成部分，位于轉向管柱的下部，用來聯接轉向管柱的上端與轉向聯接軸，或直接與轉向機相聯。伸縮式轉向軸的結構如圖6(a)所示，轉向軸的上、下兩個聯軸節之間通過花鍵軸和套筒連接，或者是“D”型管軸式連接，如圖6(b)所示。花鍵軸的花鍵齒外周注塑一層塑料，形成一種可壓塑料過盈配合，以消除花鍵配合的間隙。當汽車發生正撞時，通過花鍵軸套相對滑動來消除碰撞力產生的轉向器齒輪軸向后的位移，達到隔絕首次碰撞力的目的。

圖6 伸縮式轉向軸的結構

此外，伸縮軸長度可調整的設計也可以使同一轉向管柱應用于同一平臺不同軸距的車輛，降低產品的開發成本。

從裝配角度，因伸縮軸的外套與內套之間可以相對移動，長度可調整，因此在整車廠進行儀表板總成的安裝時，操作人員可以方便地將伸縮軸從座艙與發動機艙的前圍板孔洞伸入發動機艙，再與轉向聯接軸或轉向機的輸入軸聯接。

在裝配過程中除了需要保證伸縮軸可以無任何障礙地從前圍板伸入發動機艙，并且需要使伸縮軸的外套與內套保持固定的位置，靠近前圍板，不能干涉發動艙內其他零部件的裝配，在發動機艙內的零部件完成裝配后，操作人員可以比較輕松地將內軸拉長與轉向聯接軸或與轉向機輸入軸相聯，因此需要針對轉向管柱伸縮軸與轉向聯接軸的聯接方式采用不同的工裝。

2 轉向管柱伸縮軸在整車裝配時的控制

2.1 轉向管柱出廠時伸縮軸狀態

轉向管柱在出廠時，按照圖紙的要求，伸縮軸將處于標稱的位置，并且通過轉向軸內外套筒之間的摩擦力保證轉向軸不會隨意伸長或壓縮。

2.2 轉向管柱伸縮軸在裝配線上的狀態

車輛生產商越來越多地使用模塊化生產。轉向管柱通常先裝在儀表板模塊上，再隨著儀表板模塊裝配到整車。轉向管柱伸縮軸從整車前圍板防火墻的孔洞伸到發動機艙再與轉向聯接軸進行聯接。為了不影響發動機艙內零件的裝配，需要將轉向伸縮軸推到最短的位置，并進行固定，待發動機艙內零件組裝完成后，在底盤線釋放轉向軸，將其伸長后再與轉向聯接軸進行聯接。

因此，需要一個工裝固定轉向軸將其臨時固定在最短的位置，防止對發動機艙內零件組裝造成干涉，并在底盤線將其取下，進行循環使用。圖7(a)為在整車裝配時轉向管柱伸縮軸與轉向聯接軸聯接前的狀態，圖7(b)為聯接后的狀態。

圖7 轉向管柱伸縮軸與轉向聯接軸聯接前后狀態

2.3 傳統工裝與新工裝的使用

對于傳統螺栓聯接的轉向管柱下伸縮軸，使用圖8所示的塑料帽即可。塑料帽設計簡單，只需保證與端部有足夠的摩擦力不易脫落，且在與聯接軸聯接時操作工人容易將其拔出即可。

圖8 傳統螺栓聯接時使用的工裝

圖9為快插式轉向管柱下伸縮軸應用的工裝。設計較為復雜，在工作面的尺寸控制方面要求較高。需要保證塑料片易塞入下伸縮軸的內外套之間，并且達到足夠的摩擦力，使內外套之間在整車裝配過程中不會發生位置的相對移動，并且在與聯接軸快插聯接時易拔出，不能斷裂在內外套中，否則會造成轉向管柱下伸縮軸與聯接軸無法裝配，車輛不能正常下線的情況。

圖9 快插式轉向管柱下伸縮軸應用的工裝

2.4 快插式轉向管柱伸縮軸工裝的操作注意事項

快插式轉向管柱下伸縮軸與轉向聯接軸，雖然聯接操作方便，但對塑料工裝的使用操作要求較高。操作工序如圖10所示。

圖10 快插式轉向管柱伸縮軸工裝使用操作示意圖

（1）塑料工裝需正確插入轉向管柱下伸縮軸端部的孔槽中，通常會有防錯措施，保證只有一個孔槽可以與塑料工裝配合完好。工裝的正確插入可以保證轉向管柱下伸縮軸與轉向聯接軸聯接時，工裝處于面向車頭的方向，易于操作工人拔出工裝，并且不需要調整下伸縮軸的方向即可直接與轉向聯接軸相聯接。

（2）需保證工裝與轉向管柱下伸縮軸貼合完好，工裝卡槽邊緣與下伸縮軸邊緣貼合，如操作圖片中的步驟3所示。此注意事項的目的是保證工裝插入到內外套之間的合適位置，不易脫落，且易拔出，方便后續操作工人聯接轉向管柱下伸縮軸與聯接軸的聯接。

3 優化后工裝對護套脫落問題的改善

新的快插式轉向管柱在汽車廠進行試裝時，曾多次出現護套脫落的問題，并且脫落后的護套被操作人員以錯誤的方向安裝在轉向管柱上。此錯誤通常直至儀表板總成安裝到整車后才被發現，返修措施是從儀表板拆卸掉轉向管柱，復原護套至正確位置后，再將管柱重新安裝到儀表板。返修需要1小時工時。

在使用了工裝后，通過適當增加工裝的厚度，在解決生產裝配問題的同時，可以避免管柱護套的脫落，以及由此造成的整車返修。

4 結論

為提高整車的裝配速度，快插式轉向管柱伸縮軸的應用越來越廣泛。為滿足生產要求，在將轉向管柱總成隨儀表板模塊裝到整車前，需要使用工裝將轉向管柱伸縮軸固定為一定的長度，并 確保伸縮軸內外套之間不會產生相對移動，便于將伸縮軸伸入到發動機艙內，并且不妨礙發動機艙內的零件裝配。在發動機艙內零件完成裝配后，由操作工人將工裝取下，拉出伸縮軸內套至合適位置，與轉向聯接軸或轉向機相聯，完成轉向系統零件的安裝。本文介紹的工裝，是針對快插式轉向管柱伸縮軸的結構特點開發和使用的，既保證了轉向管柱裝配過程中的生產穩定性、操作方便性，又能夠減少工人的操作工時，具有很高的實用性。