CN102171088B - 方向盘 - Google Patents

Abstract

一种方向盘(20)具有：支架(22)，该支架包括：中心毂(30)、与该毂间隔开的轮辋(34)以及连接毂和轮辋的至少一条轮辐(36；38)；轮辋(34)包括应力提升结构(92-98；102-108；92a，98a；102a，108a)，当在径向上将可确定的力施加至轮辋时，与当将相同的力与轮辋所在平面成角度地施加至轮辋的下部时相比，所述提升结构使轮辋的顶部和/或下部被压缩得更多。

Description

方向盘

本发明的背景和发明内容

本申请要求2008年10月2日提交的美国临时专利申请第61/102,284号的权益。该申请的内容以参见的方式纳入本文。

本发明总的涉及方向盘，并尤其涉及使用支架的方向盘，该支架具有长形（包括矩形和椭圆形）的横截面，主要控制方向盘轮辋的变形特性。

方向盘设计成吸收碰撞能量和保护驾驶员。在任何驾驶循环中，驾驶员都容易改变方向盘相对于驾驶员的脸部、胸部和腹部的角度位置，并且方向盘必须设计成足够坚固以吸收方向盘可能运动到的任何预期位置中的足够能量。

因而，本发明包括：方向盘（20），该方向盘具有：支架，该支架包括：中心毂、与毂间隔开的轮辋和连接毂与轮辋的至少一条轮辐；该轮辐包括设置在轮辋的顶部和/或下部的第一装置，当在径向上将可确定的力施加至轮辋时，与当将相同的力以与轮辋所在平面成角度地施加至轮辋的下部时相比，该第一装置使轮辋的顶部和/或下部被压缩得更多。

在普通正常的方向盘中，轮辋是硬的，并且当在径向施加负载时比当与方向盘的平面成角度地施加负载时，轮辋偏移（deflect）更少的量。

在本发明中，方向盘设计成与上述种类的方向盘不同地工作。当合力（碰撞力）大体垂直或径向作用在方向盘的下（或上）极限点时（合力在轮辋的平面上），与该力和轮辋平面成角度地作用在方向盘上时相比，本发明的方向盘将变形更多。换言之，当与延伸通过方向盘轮辋的平面成角度地将力施加至方向盘的下极限点时，转向刚度更高，即方向盘偏转更少。考虑到本发明，要求并实现具有图17所反映的力－偏移曲线（deflection curve）的方向盘。

附图说明

图1和2示意性地示出在角度运动的两个极限处或附近的商用方向盘的位置。

图3是包含本发明的方向盘支架的立体图。

图4是图1的方向盘支架的前视图。

图4a示出支架支承结构的局部剖视图。

图4b示出方向盘的轮辋中两个相对的应力提升结构。

图5示出方向盘支架的右视图。

图6示出用于形成支架轮辋的钢带。

图6a是用于形成支架轮辋的具有矩形横截面的钢带横截面。图6a还包括说明尺寸更宽更长的一个或多个轮辋的两条虚线。

图6b示出具有椭圆形横截面的另一轮辋的视图。

图7和7a示出对接焊缝。

图8，9和9a示出搭接焊缝。

图10和10a示出具有替代样式的应力提升结构的支架。

图11a至11d示出替代样式的应力提升结构。

图12是示出施加至轮辋下部的示例性碰撞力的支架平面图。

图12a示出替代实施例。

图12b示出本发明的另一实施例。

图13示意性说明在碰撞中轮辋的下部如何变形。

图14示出测试后变形的支架。

图15和16各示出在测试夹具中所测试的轮辋。

图17示出力与偏移量的图示关系。

图18和19示出相对于驾驶员的方向盘。

具体实施方式

参考附图3、4和5，其说明根据本发明的方向盘20的支架22。支架22限定方向盘的内部骨架并且也可被称为框架。如本文中所用，骨架、支架和框架可以互换使用。诸如在图3、4和4a中所述的支架22覆盖有塑料、树脂或诸如聚氨酯的类似材料26，并且还可包括塑性地覆盖材料周围的皮革外套（未示出）。即使支架由塑料或树脂材料26覆盖，但总的方向盘的能量吸收特性还是主要通过支架的特性来控制。

支架通常包括轮辋区和毂区以及一条或多条轮辐，且本发明也是如此。现有技术也将示出以多种名字所称的毂区：毂、毂板、中央区等。在此，毂区被称为毂板或毂30。多条轮辐36和38将毂30连接至轮辋34。在本发明的较佳实施例中，轮辋34由金属条（metal bar）构成，该金属条具有包括矩形横截面（也见图6和6a）和椭圆形横截面（在图6b中所示）的长形横截面。在图3和4中，两条主要轮辐36和38由金属杆50和52构成，这些金属杆构造成弯曲的以符合毂的形状。这些轮辐可以不同的方式构成。杆50和52都从轮辋34的第一段60（在图1的右侧）延伸至毂并继续横穿至轮辋34大体相对的第二段62。杆52在其中部附近弯曲并附连于毂板的下部42，而上杆50弯曲成适应毂板44上部的上部曲率并连接至该毂板上部。每根杆50和52较佳地通过焊接附连于轮辋34和毂板。方向盘的区域60和62定位成略微偏离轮辋的3点钟和9点钟区域并间隔140－180°。方向盘可以如下所示有选择地包括任何数目的轮辐或类似轮辐的构件。在图4中，覆盖材料26，如下所述，覆盖轮辋34和轮辐36、38以及支承结构130。

在本发明的较佳实施例中，轮辋34由长形的冷压成形钢带72构成。在较佳的实施例中，长形是矩形构造的扁平钢条。在另一实施例中，通过使用具有椭圆形横截面的金属条来实现长形。钢带72被卷起或以其它方式构成，从而使轮辋有其所期望的、通常是圆形或略椭圆的环箍或类环箍70的形状。如图6所示的钢带72具有端部74和76。为形成环形构造，将轮辋端74和76连接在一起。图7和7a示出用标记78所示的对接焊缝连接的端部74和76。在图8中，端部74和76重叠并焊接在一起，焊缝也由标记78示出。轮辋在焊缝区中的局部、非对称的厚度由塑性覆盖材料来遮盖。如可以理解的那样，通过使用其它技术也可以构成焊缝。例如在图9和图9a中，每个端部的大约变窄一半（图9）并随后被移到一起并进行焊接（图9a）。端部74和76可以被磨削（ground down）或压印以实现变窄的剖面。该剖面可以在扁平钢条72的宽边82或窄边83中形成。

在本发明的较佳实施例中，当在碰撞过程中受载荷冲击时，支架的下部39构造成被压缩。诸如78的焊缝将局部地增加轮辋的刚度。因此，对于该实施例，较佳地不使焊缝位于轮辋的下部区域中。倘若轮辋顶部不设计成被压缩，那么一种放置焊缝78的位置就是在轮辋顶部。焊缝的另一种位置一般在区域60和62上方，而焊缝的另一种可能的位置是在区域60或62中的一个区域中（诸如在杆50和52之间的轮辋处）。

毂或毂板30适于以诸如通过图5中所示的花键连接件30a（一些人也称之为毂）的常见方式连接至转向柱（未示出）。轴线80表示转向柱的轴线并垂直于平面81延伸；平面81平行于轮辋34。如上所述构成环箍或类环箍构造的轮辋34布置成这样：由82表示的轮辋（横截面）较大的直径或尺寸基本上平行于轴线81，且由标记83表示的轮辋较窄的尺寸基本上垂直于轮辋34的平面（见图5）。方向盘的轮辋经常是圆形的但也可以是椭圆形的。还有，通过轮辋的几何中心的轴线不需要延伸通过毂的中心。一般来说，轮辋轴线和轴线80彼此平行但不总是共线。

方向盘20和尤其是支架22可以另外供选地包括从轮辐36和38延伸至轮辋34的多个轮辋支承结构130。示出两个这种结构130，但一个、两个、三个或更多个这种结构也可以用于本发明。支承结构130具有长形（矩形或椭圆形）的横截面（图4a中示出矩形横截面），且每个支承结构130用如图5所示那样的凹形或弯曲来加预应力。这些结构130构造成当端部加载（见箭头或向量E_L）时弯曲。为便于使结构130弯曲，结构还可以包括预制弯曲件（应力提升结构）132，这些弯曲件进一步控制这些结构在负载下如何弯曲或变形。使用结构130并不会大幅改变轮辋下部39的最终变形形状。根据每个结构130的相对强度（变形特性），轮辋的下部根据每个单位碰撞负载变形的量将变化。在所示实施例中，结构130由钢制成。图5的箭头EL示出端部受载的结构130。图5中的虚线还示出每个结构130在受载后所呈现的位置。

本发明的方向盘将主要用于如由图1和2（或18和19）所示的环境中；因此，方向盘和支架的下部（支架处于图3的零位）在大多数情况下将在碰撞过程中受到驾驶员的冲击。在这种情况下，极少有可能使方向盘的上部受到驾驶员的冲击。为更完全地控制轮辋下部在负荷下的偏转（刚度）特性并满足上述要求，轮辋34包括第一组应力增加结构（也被称为应力加强结构或应力提升结构）。这些应力增加结构通常用标记90表示。图3或4中所示的实施例还包括第一组应力提升结构92、94、96、98。方向盘还可以包括第二组应力提升结构102－108。图10的实施例仅包括第一应力提升结构92－98；下面还会讨论这些应力提升结构的细节；而图10a的实施例仅包括应力提升结构92和96。

在图3和4中，第二组应力提升结构102－108中应力提升结构的之一与第一组的应力提升结构中对应的一个应力提升结构相对。这些应力提升结构通过压印或在轮辋34的内表面和/或外表面中形成浅V形槽或凹口来产生。图3、10和11a中，浅的应力提升结构的角度大约是120°。每个应力提升结构延伸入轮辋中越深，使轮辋变形所需的力越小。对于给定的轮辋厚度而言，浅深度的应力提升结构需要更大程度的力来使轮辋变形。图11a示出相对的应力提升结构的成对使用。为实现轮辋和方向盘所期望的刚度，第一提升结构92可以位于轮辋区60下方的轮辋外部上，且至少另一个应力增加结构96也位于轮辋区62下方的轮辋外部上。在较佳的实施例中，结构92和96相对于轮辋外部上的区域60和62对称布置。布置在轮辋内部的附加的应力提升结构94和98更靠近于轮辋的底部39。应力提升结构92、94、96和98隔开表示扭矩或力矩臂（Am）的距离（见图4），该扭矩或力矩臂有助于轮辋34下部的受控弯曲。图10示出根据本发明的、只具有上述四个应力提升结构92－98的实施例，且如所述，图10a的实施例示出两个应力提升结构。如由图6a中的虚线所示，轮辋的刚度可以通过增加轮辋的宽度和/或厚度来增加。所要求的应力提升结构的宽度将随轮辋横截面的尺寸而变化。

简要参考附图11a－11d，其示出应力提升结构的变化型位置。如上所述，图11a示出形成相对的应力提升结构的浅槽凹口的使用。图11b仅示出如U形凹口的一组应力提升结构92a－98a；图11c示出约90°的尖槽。图11d示出带有尖锐棱角的U形凹口。图11b－11d中应力提升结构中的每个提升结构可以用于图11a的构造中且反之亦然。同样，上述图中所示的任何种类的应力提升结构可以互相混用。图4b中还示出诸如92和102的两个应力提升结构的定位。

参考附图12和13，这些附图用于解释在本发明中轮辋下部在受载时如何变形。图14是测试后变形轮辋的草图。如所示，各种应力提升结构的布局使轮辋下部可以如所述在受载时呈矩形构造。图15和16示出本发明可使用的测试夹具。图16的测试夹具用于加载图12的轮辋（在其变形前），如所述在图14中示出已变形的方向盘。在碰撞过程中，驾驶员的胸部和腹部可以与使用测试夹具所得到的结果相似地使方向盘20的下部39受载。这些碰撞负载大致由图12和13中的箭头及向量F示出。这些加载力被传送至方向盘20和轮辋34的下部。向量或箭头FT和FN表示力沿轮辋的切向分量和力作用在轮辋上的法向或垂向分量。每个法向力FN在轮辋34任一侧上的力矩臂Am上产生扭矩T，使力矩臂Am可以围绕应力提升结构92以顺时针方向旋转并围绕应力提升结构96以逆时针方向旋转，以促使力矩臂Am向外朝图12和13中所示的最终位置运动。当力矩臂Am向外运动时，轮辋倾向于围绕应力提升结构94和98塌缩。箭头或向量T1示出围绕应力提升结构94和98作用的扭矩以使轮辋34的下部39弯曲，从而产生轮辋34在图13中以点划线所示的构造。当轮辋的下部运动至图13中所示的位置时，结构130处于压缩状态（见图5的力EL），从而引起两个结构（如使用）都向上变形并更向轮辋34的平面移动。

简要参考图12a，其示出本发明的另一实施例。根据轮辋34的物理特性，轮辋可以相对容易地变形。图12a中，加强构件34a和34b已加至轮辋34。加强构件34a和34b可以由与轮辋34相同的材料构成并制成较小的曲率以使构件34a和34b能够固定至轮辋34的外表面。构件34a和34b可以在区域60和62处开始并向上朝轮辋34的顶部延伸，而构件的顶部隔开120+/-10o。轮辋的刚度随每个构件34a和34b长度的增加而增加。同样，构件34a和34b的厚度也可以相对于轮辋34的厚度增加。通过使用与轮辋34相同或不同厚度的构件34a和34b，就易于改变支架的极惯性矩。

图15和16示出用于测试支架22的机械性能与特性的两个测试夹具300和350。每个测试夹具包括基底302和安装板304，支架22和/或方向盘20可以附连至该安装板。在图15中，安装板与水平面成65°而在图16中与水平面成90°，这（两个位置）类似于方向盘20使用的两个极限位置。每个测试夹具还包括推动板308的液压驱动压头306。方向盘的下部39如这些图中所示可压缩受载。图15中的力向量F表示图12中加载支架所示的力向量F。图17表示在图15和16中所示的条件下支架22的测试数据（力F与支架下方中央区的偏移D的关系）。在图17中所示的测试中，方向盘39的下部从其名义状态的偏移在20毫米至45毫米的范围内，而力在1960N至2600N的范围内；该方向盘将满足上述规定。如所示，当径向或在轮辋平面中施加力（如使用图16的测试夹具或图18的操作环境）时，本发明的方向盘下部的刚度比当与轮辋成角度地施加力（如使用图15的测试夹具或图19的操作环境）时更小。

简要参考图12b，其示出本发明的另一实施例。如上所述，当径向力加载于轮辋时，使用单独应力提升结构或提升结构组可提供使轮辋相对当与轮辋平面成角度地施加力时刚度更低的方法。在某些情况下，也希望使方向盘顶部能以方向盘下部在相同负载下压缩的方式来压缩。如果事故发生，当方向盘转大约180°时则会发生这种情况，因为这时方向盘的顶部和下部的正常方向倒转过来了。图12b中，轮辋的上部包括应力提升结构92a－98a和102a－108a，这些提升结构可以与应力提升结构92－98和102－108相同的方式使用。

当然可实现本发明的上述实施例中多种更改和修改而不偏离其保护范围。因此，本发明的范围将仅在必要时由所附权利要求书限定。

Claims (18)

1.一种方向盘（20），具有：

支架（22），所述支架包括：

中心毂（30），

轮辋（34），所述轮辋与毂间隔开，以及

至少一条轮辐（36，38），所述轮辐连接所述毂和所述轮辋；

其特征在于，所述轮辋（34）包括第一装置（92–98，102–108），当在径向上将可确定的力施加至所述轮辋时，与当将相同的力以与所述轮辋所在平面成角度地施加至所述轮辋的下部时相比，所述第一装置使所述轮辋的顶部和下部之一或两者被压缩得更多。

2.如权利要求1所述的方向盘（20），其特征在于，所述轮辋和所述轮辐由覆盖材料（26）覆盖。

3.如权利要求1所述的方向盘（20），其特征在于，包括可变形的下轮辋支承结构（130，132），所述支承结构从所述毂延伸至所述轮辋的位于中心的下部。

4.如权利要求1所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋是环箍状的。

5.如权利要求4所述的方向盘，其特征在于，轮辋的横截面基本上是长形的，具有主轴线和垂直于所述主轴线的副轴线。

6.如权利要求5所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋的所述主轴线在横截面中大体平行于延伸通过方向盘毂的轴线。

7.如权利要求1所述的方向盘，其特征在于，轮辋的横截面是长形的，具有主轴线和副轴线。

8.如权利要求7所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋的横截面是矩形的。

9.如权利要求1所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋的所述顶部和所述下部之一或两者具有第一组应力提升结构（92，96；92a，96a），这些应力提升结构位于所述轮辋与两条延伸的轮辐（36，38）中的一条轮辐的相交部分附近。

10.如权利要求9所述的方向盘，其特征在于，还包括更靠近所述轮辋底部或更靠近所述轮辋的顶部的第二组应力提升结构（94，98，94a，98a）。

11.如权利要求10所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋构造成向外靠近所述第一组应力提升结构中的每个应力提升结构弯曲，并且向内在所述第二组应力提升结构中的每个应力提升结构附近弯曲。

12.如权利要求1所述的方向盘，其特征在于，所述轮辋构造成通过力受载后呈现扁平状的构造。

13.如权利要求1所述的方向盘，其特征在于，所述第一装置包括多个成对的应力提升结构，每对包括在所述轮辋的外平侧上的第一应力提升结构和在所述轮辋内侧上的第二应力提升结构。

14.如权利要求13所述的方向盘，其特征在于，包括四组这种应力提升结构。

15.如权利要求13所述的方向盘，其特征在于，包括从轮辐延伸至所述轮辋的至少一个可变形的第一支承构件（130），所述轮辐从中心毂延伸至所述轮辋。

16.如权利要求15所述的方向盘，其特征在于，包括第二支承构件。

17.如权利要求16所述的方向盘，其特征在于，第一和第二支承构件中的每个支承构件的横截面形状和轮辋的横截面形状是长形的。

18.一种方向盘（20），所述方向盘具有带有轮辋（34）的支架，当将力施加至所述轮辋时，所述轮辋是可压缩的，其特征在于，所述轮辋构造成当垂直于所述轮辋的顶部或下部的侧面施加可确定的力时被压塌第一可确定的量，且所述轮辋还构造成当施加相同力至所述轮辋时被压塌的程度较小。