時(shí)鐘彈簧失效問題分析與解決

馬燕

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

安全氣囊作為最行之有效的被動(dòng)安全乘員保護(hù)系統(tǒng)，它越來越多的被裝配到汽車上[1]。駕駛員氣囊模塊裝配在方向盤上，作用是在發(fā)生正面碰撞時(shí)，對駕駛員提供保護(hù)。同時(shí)，隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，方向盤上集成了更多的電器控制系統(tǒng)，如喇叭、娛樂系統(tǒng)控制、定速巡航控制等。為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)的方向盤上的電器控制按鍵與靜止的電器元件間的有效連接，時(shí)鐘彈簧應(yīng)運(yùn)而生[2-3]。

1 時(shí)鐘彈簧結(jié)構(gòu)

時(shí)鐘彈簧安裝在組合開關(guān)上，主要由定子、輔助定子、轉(zhuǎn)子、輔助轉(zhuǎn)子、扁平電纜、連接器、中立針等部件組成(如圖1所示)。扁平電纜為中間壓接有復(fù)合銅帶的聚酯薄膜，主要功能是實(shí)現(xiàn)方向盤上的駕駛員氣囊及其他電器控制按鍵與整車線束的電信號傳遞。扁平電纜兩端分別焊接在定子與轉(zhuǎn)子的連接器上。定子及輔助定子固定于組合開關(guān)上，轉(zhuǎn)子與輔助轉(zhuǎn)子通過驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與方向盤連接，實(shí)現(xiàn)與方向盤的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。因扁平電纜的電阻由其長度決定，為減小時(shí)鐘彈簧的電阻，扁平電纜的長度需控制，否則會(huì)影響電器回路的正常工作。當(dāng)時(shí)鐘彈簧處于中間位置時(shí)，可分別向左、右旋轉(zhuǎn)約2.5圈。為確保時(shí)鐘彈簧在裝車前始終處于中間位置，避免左、右轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不夠?qū)е庐a(chǎn)品使用過程中扁平電纜被拉斷，在時(shí)鐘彈簧上設(shè)置中立針，將轉(zhuǎn)子鎖緊。方向盤裝配后將中立針拔出，時(shí)鐘彈簧可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能。

圖1 時(shí)鐘彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

2 問題描述

某款時(shí)鐘彈簧應(yīng)用于多個(gè)車型，換件量急劇增加，售后市場抱怨嚴(yán)重，對公司及品牌影響較大，問題需盡快解決。對售后返回件進(jìn)行分析，各失效模式占比如圖2所示。由圖2可知，氣囊燈常亮、喇叭不響、斷路是此次售后換件最主要的失效模式。

圖2 售后件失效模式占比

3 原因分析

通過圖形分析法對時(shí)鐘彈簧失效的原因進(jìn)行分析。圖3所示為時(shí)鐘彈簧失效原因分析。由圖3可知，導(dǎo)致時(shí)鐘彈簧失效的主要原因可分為扁平電纜線卷打折斷裂及零件散架兩大類。對失效故障件進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘彈簧內(nèi)部扁平電纜線卷打折斷裂是導(dǎo)致此次時(shí)鐘彈簧失效的主要原因，零件散架是次要原因。

圖3 時(shí)鐘彈簧失效原因分析

針對造成時(shí)鐘彈簧內(nèi)部扁平電纜線卷打折斷裂的可能原因逐一進(jìn)行排查。物料運(yùn)輸過程中，若物料擺放雜亂，可能導(dǎo)致中立針脫落，從而導(dǎo)致裝配前時(shí)鐘彈簧未處于中間位置，某個(gè)方向圈數(shù)不足，使用過程中電纜被拉斷。檢查物料情況，發(fā)現(xiàn)物料裝箱排放整齊，每個(gè)物料間有隔斷，中立針完整無損壞。物料運(yùn)輸過程不是該時(shí)鐘彈簧失效的原因。

整車裝配過程中，未裝配方向盤前中立針被拔出，導(dǎo)致方向盤裝配時(shí)時(shí)鐘彈簧不在中間位置，也會(huì)導(dǎo)致使用過程中扁平電纜被拉斷。檢查整車生產(chǎn)線裝配情況，發(fā)現(xiàn)方向盤裝配前中立針固定完好，員工裝配方向盤后才將中立針拔出。裝配過程不是此次時(shí)鐘彈簧失效的原因。

維修其他關(guān)聯(lián)件時(shí)，由于中立針已拔出，若未按要求處理，導(dǎo)致時(shí)鐘彈簧不在中間位置，從而造成電纜拉斷時(shí)鐘彈簧失效。檢查維修記錄，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)聯(lián)零件的維修記錄。維修操作工藝文件明確規(guī)定：將時(shí)鐘彈簧往一個(gè)方向轉(zhuǎn)到底，再往反方向旋轉(zhuǎn)約2.5圈，直至?xí)r鐘彈簧定子與轉(zhuǎn)子上的對中標(biāo)志對齊，此時(shí)時(shí)鐘彈簧處于中間位置，再裝配方向盤。維修關(guān)聯(lián)零件不是此次時(shí)鐘彈簧失效的原因。

扁平電纜端頭與連接器焊接質(zhì)量不滿足要求，接頭焊接拉力不足，可致時(shí)鐘彈簧在使用過程中，扁平電纜接頭部分拉斷。抽取樣件進(jìn)行電纜焊接頭拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，接頭焊接后拉力滿足不小于1 N的要求。扁平電纜接頭焊接質(zhì)量不滿足要求不是此次時(shí)鐘彈簧失效的原因。

表1 接頭拉力試驗(yàn)結(jié)果 N

對售后返回件地域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)占比為51%。根據(jù)售后維修記錄記載，發(fā)生故障的車輛都是長時(shí)間在戶外停放(室外溫度為-20 ℃)。時(shí)鐘彈簧內(nèi)部有潤滑油脂，對內(nèi)部扁平電纜進(jìn)行潤滑及輔助旋轉(zhuǎn)。初步判斷，當(dāng)氣溫較低時(shí)，潤滑油脂凝結(jié)，將扁平電纜凍住，當(dāng)啟動(dòng)車輛較大角度旋轉(zhuǎn)方向盤時(shí)，導(dǎo)致時(shí)鐘彈簧內(nèi)部扁平電纜拉斷。對量產(chǎn)零件進(jìn)行低溫試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。根據(jù)低溫試驗(yàn)結(jié)果，判定時(shí)鐘彈簧內(nèi)部潤滑油脂低溫凍結(jié)是此次時(shí)鐘彈簧失效的主要原因。

表2 時(shí)鐘彈簧低溫試驗(yàn)結(jié)果

時(shí)鐘彈簧內(nèi)部扁平電纜端頭與連接器焊接后，需側(cè)向折彎才能在時(shí)鐘彈簧內(nèi)部盤繞。折彎角度要求為90°，折彎后橫邊與接頭間距要求為(5±0.5) mm。該折彎工藝為手工完成，存在折彎角度不滿足90°及橫邊與接頭間距過大的情況。圖4所示為折彎工藝要求及不合格品的對比。

圖4 扁平電纜折彎要求及不合格品對比

檢查時(shí)鐘彈簧內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)扁平電纜的寬帶為12.8 mm，內(nèi)部繞線空間寬帶為13.7 mm，間隙僅為0.9 mm。當(dāng)扁平電纜折彎角度不滿足90°及橫邊與接頭間距過大的情況，會(huì)導(dǎo)致扁平電纜在組裝后高出下部塑料殼體平面，裝配成總成件后，扁平電纜受到擠壓導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不順暢，從而引起亂圈后打折或拉斷。抽取扁平電纜折彎不合格時(shí)鐘彈簧進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。當(dāng)耐久試驗(yàn)進(jìn)行到1 864次旋轉(zhuǎn)時(shí)，時(shí)鐘彈簧扁平電纜被拉斷，由此判斷扁平電纜與時(shí)鐘彈簧殼體干涉是此次時(shí)鐘彈簧失效的主要原因。

4 解決方案

針對時(shí)鐘彈簧內(nèi)部潤滑油脂低溫凍結(jié)的主要原因，提出了相應(yīng)的解決方案。原來使用的潤滑油脂耐低溫性能為-40 ℃，基礎(chǔ)油黏度值為30 mm2/s，更換耐低溫性能更好的潤滑油脂后，耐低溫性能提升至-60 ℃，基礎(chǔ)油黏度值降低至18 mm2/s。優(yōu)化潤滑油脂涂油工藝，原涂油方式為油針深入到時(shí)鐘彈簧內(nèi)部，容易造成涂油過量，且油針與扁平電纜接觸，涂油旋轉(zhuǎn)時(shí)又將扁平電纜繞線結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而造成扁平電纜被拉斷。將油針提升至?xí)r鐘彈簧殼體表面，避免了油針與扁平電纜的接觸從而杜絕了繞線混亂的風(fēng)險(xiǎn)。圖5所示為涂油方式優(yōu)化示意圖。

圖5 涂油方式優(yōu)化示意圖

針對折彎角度不滿足90°及橫邊與接頭間距過大的情況，制作折彎專用夾具，規(guī)范折彎工藝，避免手工折彎造成折彎角度不滿足90°的情況。減小橫邊與接頭間距的公差，將間距由(5±0.5) mm更改為(5±0.15) mm，避免打折后橫邊與接頭間距尺寸過大的情況。

5 結(jié)論

基于某款時(shí)鐘彈簧失效的具體案例，通過對售后更換件的分析，以及對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的校核，查找失效原因并制定相應(yīng)措施，得出以下結(jié)論：

(1)通過圖形分析法對時(shí)鐘彈簧失效的原因分析可知，導(dǎo)致時(shí)鐘彈簧失效的主要原因可分為扁平電纜線卷打折斷裂及零件散架兩大類。

(2)通過對售后配件的進(jìn)一步分析，判定時(shí)鐘彈簧內(nèi)部潤滑油脂低溫凍結(jié)，扁平電纜與時(shí)鐘彈簧殼體干涉是此次時(shí)鐘彈簧失效的兩大主要原因。

(3)針對時(shí)鐘彈簧內(nèi)部潤滑油脂低溫凍結(jié)的主要原因，更換耐低溫性能更好的潤滑油脂，優(yōu)化潤滑油脂涂油工藝。

(4)針對折彎角度不滿足90°及橫邊與接頭間距過大的情況，制作折彎專用夾具，規(guī)范折彎工藝，減小橫邊與接頭間距的公差。