時(shí)鐘彈簧產(chǎn)品概述及常見(jiàn)問(wèn)題解析

郭忠新，張 蕾

（1.上海科世達(dá)-華陽(yáng)汽車(chē)電器有限公司，上海 201814；2.上海電機(jī)學(xué)院/機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

時(shí)鐘彈簧 (Clock Spring)是一種安裝在汽車(chē)方向盤(pán)下部、管柱上端的裝置，其內(nèi)部包含纏繞的帶狀電纜 (FFC)，并允許方向盤(pán)上的安全氣囊、方向盤(pán)加熱模塊、喇叭開(kāi)關(guān)和方向盤(pán)上多功能組合開(kāi)關(guān)在方向盤(pán)左右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持和車(chē)身模塊的連接狀態(tài)。無(wú)論轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)的角度如何，始終保持安全氣囊和安全氣囊控制模塊之間、加熱模塊和車(chē)身控制模塊之間的連接，以及各個(gè)開(kāi)關(guān)和車(chē)身相關(guān)電器或模塊的通信。

時(shí)鐘彈簧來(lái)源于第1代產(chǎn)品內(nèi)部帶狀電纜的繞法類似于時(shí)鐘的發(fā)條彈簧而得名。隨著新產(chǎn)品的誕生，不同的時(shí)鐘彈簧的供應(yīng)商和主機(jī)廠對(duì)時(shí)鐘彈簧又有了不同的稱呼，如氣囊游絲 (Airbag Spring)、螺旋線圈 (Spiral coil)、旋轉(zhuǎn)連接器 (Roller Connector)等。

時(shí)鐘彈簧的國(guó)際專業(yè)生產(chǎn)廠家主要有德國(guó)科世達(dá)、法國(guó)法雷奧、美國(guó)天合、日本古河電工、日本阿爾卑斯以及韓國(guó)新昌等。國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家主要有上海盈智汽車(chē)電子、山西榮長(zhǎng)、天津津河、錦州錦恒等。而其中部分國(guó)際廠家在中國(guó)設(shè)有分公司或合資公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)時(shí)鐘彈簧，如上?？剖肋_(dá)、深圳古河電工、嘉興華昌等?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)時(shí)鐘彈簧企業(yè)與海外發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)還有較大差距，主要體現(xiàn)在專業(yè)技術(shù)人員和設(shè)備的儲(chǔ)備方面［1］。

1 時(shí)鐘彈簧分類

通常情況下，根據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)方式和內(nèi)部扁平線束的排布方式不同，時(shí)鐘彈簧分為滑動(dòng)接觸類型、時(shí)鐘發(fā)條類型、滾輪U形排布類型以及無(wú)電性能U形排布類型。下面將具體介紹每種類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1.1 滑動(dòng)接觸類型

在介紹大家都比較熟知的現(xiàn)代時(shí)鐘彈簧前，通過(guò)滑動(dòng)接觸或單個(gè)線束傳輸方向盤(pán)上電子信號(hào)到車(chē)身端的方式需要了解一下。這種簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)適用于不受電阻限制的一些功能，如喇叭功能。這種滑動(dòng)接觸形式，使用于傳輸電子信號(hào)比較少的情況，通常一到兩個(gè)信號(hào)的傳輸，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。如圖1所示，主要由動(dòng)接觸片和靜接觸片組成。

隨著方向盤(pán)上更多功能的加入 (如多功能方向盤(pán)開(kāi)關(guān))，尤其是駕駛員側(cè)安全氣囊的大量應(yīng)用，要求更多的傳輸信號(hào)適應(yīng)功能的增加，同時(shí)要求具有更加好的信號(hào)傳輸品質(zhì)。為了保證可靠的操作和安全氣囊監(jiān)控，定量電子傳輸穩(wěn)定的連接變得尤其重要，因而其他類型的時(shí)鐘彈簧應(yīng)運(yùn)而生。

圖1 滑動(dòng)接觸類型

1.2 時(shí)鐘發(fā)條類型

為了實(shí)現(xiàn)多信號(hào)的傳輸，柔性扁平線束像時(shí)鐘發(fā)條一樣排布的時(shí)鐘彈簧被開(kāi)發(fā)出來(lái)，如圖2所示。這種類型的時(shí)鐘彈簧只能布置一根柔性扁平線束，柔性扁平線束一端與定子連接，另一端與轉(zhuǎn)子連接。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，柔性扁平線束會(huì)收緊或放松。

然而，這種簡(jiǎn)單原理的時(shí)鐘彈簧，要求柔性扁平線束比較長(zhǎng)，才能滿足方向盤(pán)左右旋轉(zhuǎn)的需求。尤其當(dāng)振動(dòng)時(shí)，噪音水平也難以控制。隨著舒適性要求的增加，一些類似方向盤(pán)加熱的功能要求比較大的電流傳輸，如7A。而發(fā)條類型的時(shí)鐘彈簧由于具有較高的電阻，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)其他功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)加熱功能。這些不利和更多信號(hào)的需求，導(dǎo)致更多、更短柔性扁平線束排布的時(shí)鐘彈簧被開(kāi)發(fā)出來(lái)。U形排布類型 (U-Turn)滿足了這些要求，其又包括如下兩種類型［2］。

圖2 時(shí)鐘發(fā)條類型

1.3 滾輪U形排布類型 (U-Turn with Roller)

通過(guò)U-Turn的原理，扁平線束纏繞在內(nèi)部轉(zhuǎn)子和外部定子的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)動(dòng)的功能要求。當(dāng)扁平線束隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而放松時(shí)，那么其將在定子端收緊，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)要求。但是，如果僅僅存在一根扁平線束的話，這種運(yùn)動(dòng)的平衡也是實(shí)現(xiàn)不了的，因此如圖3所示滾輪U形排布類型的時(shí)鐘彈簧就被開(kāi)發(fā)出來(lái)了。

這種類型的時(shí)鐘彈簧相比1.2提到的時(shí)鐘發(fā)條類型的時(shí)鐘彈簧，存在功能多、成本低、品質(zhì)穩(wěn)定和噪音水平低等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 滾輪U形排布類型

1.4 無(wú)電性能U形排布類型 (U-Turn with Dummy Cable)

為了實(shí)現(xiàn)扁平線束的U-Turn形狀運(yùn)行可靠，除了1.3中提到的滾輪U形排布類型，如圖4所示無(wú)電性能U形排布類型同樣可以實(shí)現(xiàn)。這種類型的時(shí)鐘彈簧通過(guò)無(wú)電性能扁平線束和柔性扁平線束自身的彈性張力相互擠壓實(shí)現(xiàn)U形的平穩(wěn)運(yùn)行。這種類型的時(shí)鐘彈簧，由于無(wú)電性能扁平線束和柔性扁平線束以同樣的U型原理排布，因此在滿足負(fù)載要求的情況下，更加容易增加更多功能。

圖4 無(wú)電性能U形排布類型

這種類型的時(shí)鐘彈簧相比1.3中提到的滾輪U形排布類型的時(shí)鐘彈簧，存在功能更多、成本更低、噪音水平更低等優(yōu)點(diǎn)。

2 時(shí)鐘彈簧主要功能和作用

隨著汽車(chē)安全性和駕駛舒適性要求的提高，汽車(chē)方向盤(pán)上除了安裝有保護(hù)駕駛員碰撞后不受傷害的安全氣囊外，還集成了一些開(kāi)關(guān)功能，如調(diào)節(jié)儀表信息、調(diào)節(jié)收音機(jī)、控制巡航功能、車(chē)載電話功能和喇叭等的開(kāi)關(guān)［3］。并且，在一些比較寒冷的地區(qū)，方向盤(pán)上還具有加熱模塊。由于方向盤(pán)是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，其上的部件也都隨之同步轉(zhuǎn)動(dòng)，為了使方向盤(pán)上的部件與整車(chē)進(jìn)行通信，時(shí)鐘彈簧起到了穩(wěn)定通信的作用。

而由于安全氣囊與安全相關(guān)，在車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，氣囊是否能夠按照設(shè)定條件起爆，時(shí)鐘彈簧在保證ECU能夠可靠、及時(shí)、有效地將信號(hào)傳遞給發(fā)生器起到了關(guān)鍵作用，間接確保駕駛員的生命安全，因此時(shí)鐘彈簧也被列為安全件。綜上所述，時(shí)鐘彈簧主要功能和作用如下。

1)將汽車(chē)上碰撞信號(hào)通過(guò)ECU傳遞給方向盤(pán)里安全氣囊的氣體發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)安全氣囊起爆信號(hào)的可靠傳輸。

2)實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)上各種控制開(kāi)關(guān)與整車(chē)車(chē)身進(jìn)行可靠的電器信號(hào)傳輸。

3)實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)加熱模塊與整車(chē)車(chē)身進(jìn)行可靠的信號(hào)傳輸。

4)實(shí)現(xiàn)機(jī)械式轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)的自動(dòng)回零位功能。

5)驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 時(shí)鐘彈簧常見(jiàn)問(wèn)題及解決措施

談到時(shí)鐘彈簧在汽車(chē)上的應(yīng)用問(wèn)題，無(wú)非就是兩個(gè)方面：一方面乘員對(duì)車(chē)輛駕駛舒適性要求的提高，帶來(lái)了噪音的要求，即所謂的異響；另一方面與功能相關(guān)的，直接體現(xiàn)在方向盤(pán)上部件功能失效，可能因時(shí)鐘彈簧失效而引起。

3.1 時(shí)鐘彈簧異響

時(shí)鐘彈簧的相互運(yùn)動(dòng)部件材質(zhì)多為塑料件，旋轉(zhuǎn)部件與非旋轉(zhuǎn)部件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)本身就會(huì)存在摩擦，這種正常的摩擦音不在本文的討論范圍。而駕駛員在正常操作過(guò)程中，時(shí)鐘彈簧各個(gè)部位發(fā)出刺耳或者非正常的聲響，被認(rèn)定為異響。如下是產(chǎn)生異響的幾種可能及解決措施。

1)時(shí)鐘彈簧本身存在異響時(shí)鐘彈簧本身存在異響，多半是產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮不周，當(dāng)時(shí)鐘彈簧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，扁平線束會(huì)與塑料件進(jìn)行刮擦產(chǎn)生異響，或者定子和轉(zhuǎn)子間擠壓產(chǎn)生異響。

解決措施：對(duì)于扁平線束與塑料件之間刮擦異響，如圖5所示，盡量在設(shè)計(jì)的源頭減少扁平線束與塑料件間的接觸面積，并留出足夠的間隙。定子和轉(zhuǎn)子之間運(yùn)動(dòng)不可避免，同種塑料件相互摩擦?xí)a(chǎn)生不正常的聲響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮不同材料選擇。

2)偏心異響時(shí)鐘彈簧通常與組合開(kāi)關(guān)安裝在一起，然后安裝在轉(zhuǎn)向管柱的固定部分；而方向盤(pán)安裝在轉(zhuǎn)向管柱的轉(zhuǎn)動(dòng)部件上，同時(shí)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘彈簧的轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。由于安裝或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)產(chǎn)生方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心和時(shí)鐘彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏差，如果偏差超出了時(shí)鐘彈簧本身的容差能力，就會(huì)造成時(shí)鐘彈簧定子與轉(zhuǎn)子的擠壓產(chǎn)生異響，如圖6所示。

解決措施：①首先設(shè)計(jì)上應(yīng)該正確定義轉(zhuǎn)向管柱的同心度公差，確保設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi)；②合理設(shè)計(jì)時(shí)鐘彈簧定子與轉(zhuǎn)子之間的間隙，增強(qiáng)容差能力；③零件的品質(zhì)應(yīng)該控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)；④安裝過(guò)程需要保證安裝正確，與設(shè)計(jì)規(guī)范相符合［4］。

3)對(duì)配件擠壓、拉扯異響時(shí)鐘彈簧裝配后，與其配合的零件通常有線束接插件、護(hù)罩、角度傳感器、方向盤(pán)等。如果由于裝配不正確，或者設(shè)計(jì)不合理受到相關(guān)配合件的擠壓或拉扯，也會(huì)產(chǎn)生異響。如圖7所示，時(shí)鐘彈簧受到方向盤(pán)端線束接插件的拉扯而產(chǎn)生異響。

圖5 扁平線束與塑料件配合

圖6 偏心異響

圖7 拉扯異響

解決措施：①正確設(shè)計(jì)相關(guān)部件的配合；②正確安裝相關(guān)部件，避免相互擠壓、拉扯。

3.2 時(shí)鐘彈簧功能失效

時(shí)鐘彈簧功能失效，通常會(huì)直接表現(xiàn)在方向盤(pán)上相關(guān)部件功能失效，如喇叭及一些功能按鍵開(kāi)關(guān)失效、安全氣囊報(bào)警等。而最為常見(jiàn)的失效無(wú)非是扁平線束的斷裂，引起相關(guān)回路的阻值升高或斷路。

扁平線束斷裂通常有如下一些原因：①設(shè)計(jì)考慮不足，時(shí)鐘彈簧設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)無(wú)法滿足方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍；②由于錯(cuò)誤的安裝，導(dǎo)致安裝后時(shí)鐘彈簧的零位和方向盤(pán)的零位不一致；③由于異物進(jìn)入時(shí)鐘彈簧的扁平線束腔體內(nèi)造成運(yùn)動(dòng)紊亂，從而導(dǎo)致扁平線束的斷裂或破裂，如2017年3月某汽車(chē)公司曾因此召回部分車(chē)型等。

解決措施：針對(duì)不同的失效產(chǎn)生的原因，采取不同的措施。①首先在設(shè)計(jì)之初，正確了解客戶需求，根據(jù)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，在滿足功能的前提下盡量設(shè)計(jì)足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)余量；②針對(duì)安裝錯(cuò)誤，可以采用如下幾種解決措施：根據(jù)客戶的產(chǎn)品特性及裝配方式，在時(shí)鐘彈簧設(shè)置如圖8所示的二次鎖定機(jī)構(gòu)，增加一層防護(hù)；在產(chǎn)品上設(shè)有零位窗口和零位標(biāo)識(shí) (圖9)，以便拆裝過(guò)程中更加便利找到中間位置，并且可以更加容易識(shí)別錯(cuò)誤的發(fā)生；做好裝配時(shí)鐘彈簧工位的員工培訓(xùn)。③針對(duì)異物進(jìn)入造成的失效，應(yīng)盡量設(shè)置一些防護(hù)性的結(jié)構(gòu)，阻止類似線頭，頭發(fā)等異物的進(jìn)入。

圖8 二次鎖定機(jī)構(gòu)

圖9 零位窗口及標(biāo)識(shí)

4 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)鐘彈簧幾乎應(yīng)用在每一輛現(xiàn)代的乘用車(chē)上，大部分微車(chē)也都有應(yīng)用。本文在概念上介紹了時(shí)鐘彈簧，并且列舉了幾種常見(jiàn)的失效模式及解決方案。希望通過(guò)本文介紹，大家對(duì)該產(chǎn)品有總體了解，列舉的典型失效模式及解決措施給相關(guān)開(kāi)發(fā)人員和質(zhì)保人員一些有益的借鑒。不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品存在不同的解決措施，希望本文起到拋磚引玉的作用。