郭忠新，張 蕾

（1.上海科世達-華陽汽車電器有限公司，上海 201814；2.上海電機學(xué)院/機械學(xué)院，上海 201306）

時鐘彈簧 (Clock Spring)是一種安裝在汽車方向盤下部、管柱上端的裝置，其內(nèi)部包含纏繞的帶狀電纜 (FFC)，并允許方向盤上的安全氣囊、方向盤加熱模塊、喇叭開關(guān)和方向盤上多功能組合開關(guān)在方向盤左右轉(zhuǎn)動時保持和車身模塊的連接狀態(tài)。無論轉(zhuǎn)動方向盤的角度如何，始終保持安全氣囊和安全氣囊控制模塊之間、加熱模塊和車身控制模塊之間的連接，以及各個開關(guān)和車身相關(guān)電器或模塊的通信。

時鐘彈簧來源于第1代產(chǎn)品內(nèi)部帶狀電纜的繞法類似于時鐘的發(fā)條彈簧而得名。隨著新產(chǎn)品的誕生，不同的時鐘彈簧的供應(yīng)商和主機廠對時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。

時鐘彈簧的國際專業(yè)生產(chǎn)廠家主要有德國科世達、法國法雷奧、美國天合、日本古河電工、日本阿爾卑斯以及韓國新昌等。國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠家主要有上海盈智汽車電子、山西榮長、天津津河、錦州錦恒等。而其中部分國際廠家在中國設(shè)有分公司或合資公司開發(fā)生產(chǎn)時鐘彈簧，如上海科世達、深圳古河電工、嘉興華昌等。總的來說，國內(nèi)時鐘彈簧企業(yè)與海外發(fā)達國家企業(yè)還有較大差距，主要體現(xiàn)在專業(yè)技術(shù)人員和設(shè)備的儲備方面［1］。

1 時鐘彈簧分類

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

1.1 滑動接觸類型

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

隨著方向盤上更多功能的加入 (如多功能方向盤開關(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適應(yīng)功能的增加，同時要求具有更加好的信號傳輸品質(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，因而其他類型的時鐘彈簧應(yīng)運而生。

圖1 滑動接觸類型

1.2 時鐘發(fā)條類型

為了實現(xiàn)多信號的傳輸，柔性扁平線束像時鐘發(fā)條一樣排布的時鐘彈簧被開發(fā)出來，如圖2所示。這種類型的時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)運動時，柔性扁平線束會收緊或放松。

然而，這種簡單原理的時鐘彈簧，要求柔性扁平線束比較長，才能滿足方向盤左右旋轉(zhuǎn)的需求。尤其當(dāng)振動時，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)條類型的時鐘彈簧由于具有較高的電阻，并且無法實現(xiàn)其他功能的同時實現(xiàn)加熱功能。這些不利和更多信號的需求，導(dǎo)致更多、更短柔性扁平線束排布的時鐘彈簧被開發(fā)出來。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 時鐘發(fā)條類型

1.3 滾輪U形排布類型 (U-Turn with Roller)

通過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位置，實現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)動的功能要求。當(dāng)扁平線束隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而放松時，那么其將在定子端收緊，以達到運動要求。但是，如果僅僅存在一根扁平線束的話，這種運動的平衡也是實現(xiàn)不了的，因此如圖3所示滾輪U形排布類型的時鐘彈簧就被開發(fā)出來了。

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

圖3 滾輪U形排布類型

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

為了實現(xiàn)扁平線束的U-Turn形狀運行可靠，除了1.3中提到的滾輪U形排布類型，如圖4所示無電性能U形排布類型同樣可以實現(xiàn)。這種類型的時鐘彈簧通過無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現(xiàn)U形的平穩(wěn)運行。這種類型的時鐘彈簧，由于無電性能扁平線束和柔性扁平線束以同樣的U型原理排布，因此在滿足負載要求的情況下，更加容易增加更多功能。

圖4 無電性能U形排布類型

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

2 時鐘彈簧主要功能和作用

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

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

1)將汽車上碰撞信號通過ECU傳遞給方向盤里安全氣囊的氣體發(fā)生器，實現(xiàn)安全氣囊起爆信號的可靠傳輸。

2)實現(xiàn)方向盤上各種控制開關(guān)與整車車身進行可靠的電器信號傳輸。

3)實現(xiàn)方向盤加熱模塊與整車車身進行可靠的信號傳輸。

4)實現(xiàn)機械式轉(zhuǎn)向開關(guān)的自動回零位功能。

5)驅(qū)動方向盤轉(zhuǎn)角傳感器轉(zhuǎn)動。

3 時鐘彈簧常見問題及解決措施

談到時鐘彈簧在汽車上的應(yīng)用問題，無非就是兩個方面：一方面乘員對車輛駕駛舒適性要求的提高，帶來了噪音的要求，即所謂的異響；另一方面與功能相關(guān)的，直接體現(xiàn)在方向盤上部件功能失效，可能因時鐘彈簧失效而引起。

3.1 時鐘彈簧異響

時鐘彈簧的相互運動部件材質(zhì)多為塑料件，旋轉(zhuǎn)部件與非旋轉(zhuǎn)部件在相對運動時本身就會存在摩擦，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程中，時鐘彈簧各個部位發(fā)出刺耳或者非正常的聲響，被認定為異響。如下是產(chǎn)生異響的幾種可能及解決措施。

1)時鐘彈簧本身存在異響時鐘彈簧本身存在異響，多半是產(chǎn)品設(shè)計考慮不周，當(dāng)時鐘彈簧運動過程中，扁平線束會與塑料件進行刮擦產(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)子之間運動不可避免，同種塑料件相互摩擦?xí)a(chǎn)生不正常的聲響，設(shè)計時應(yīng)該考慮不同材料選擇。

2)偏心異響時鐘彈簧通常與組合開關(guān)安裝在一起，然后安裝在轉(zhuǎn)向管柱的固定部分；而方向盤安裝在轉(zhuǎn)向管柱的轉(zhuǎn)動部件上，同時驅(qū)動時鐘彈簧的轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動。由于安裝或者系統(tǒng)設(shè)計不合理，就會產(chǎn)生方向盤的轉(zhuǎn)動中心和時鐘彈簧的轉(zhuǎn)動中心的偏差，如果偏差超出了時鐘彈簧本身的容差能力，就會造成時鐘彈簧定子與轉(zhuǎn)子的擠壓產(chǎn)生異響，如圖6所示。

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

3)對配件擠壓、拉扯異響時鐘彈簧裝配后，與其配合的零件通常有線束接插件、護罩、角度傳感器、方向盤等。如果由于裝配不正確，或者設(shè)計不合理受到相關(guān)配合件的擠壓或拉扯，也會產(chǎn)生異響。如圖7所示，時鐘彈簧受到方向盤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 時鐘彈簧功能失效

時鐘彈簧功能失效，通常會直接表現(xiàn)在方向盤上相關(guān)部件功能失效，如喇叭及一些功能按鍵開關(guān)失效、安全氣囊報警等。而最為常見的失效無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)計考慮不足，時鐘彈簧設(shè)計的轉(zhuǎn)動圈數(shù)無法滿足方向盤的轉(zhuǎn)動范圍；②由于錯誤的安裝，導(dǎo)致安裝后時鐘彈簧的零位和方向盤的零位不一致；③由于異物進入時鐘彈簧的扁平線束腔體內(nèi)造成運動紊亂，從而導(dǎo)致扁平線束的斷裂或破裂，如2017年3月某汽車公司曾因此召回部分車型等。

解決措施：針對不同的失效產(chǎn)生的原因，采取不同的措施。①首先在設(shè)計之初，正確了解客戶需求，根據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)動范圍，在滿足功能的前提下盡量設(shè)計足夠的轉(zhuǎn)動余量；②針對安裝錯誤，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，在時鐘彈簧設(shè)置如圖8所示的二次鎖定機構(gòu)，增加一層防護；在產(chǎn)品上設(shè)有零位窗口和零位標(biāo)識 (圖9)，以便拆裝過程中更加便利找到中間位置，并且可以更加容易識別錯誤的發(fā)生；做好裝配時鐘彈簧工位的員工培訓(xùn)。③針對異物進入造成的失效，應(yīng)盡量設(shè)置一些防護性的結(jié)構(gòu)，阻止類似線頭，頭發(fā)等異物的進入。

圖8 二次鎖定機構(gòu)

圖9 零位窗口及標(biāo)識

4 結(jié)束語

時鐘彈簧幾乎應(yīng)用在每一輛現(xiàn)代的乘用車上，大部分微車也都有應(yīng)用。本文在概念上介紹了時鐘彈簧，并且列舉了幾種常見的失效模式及解決方案。希望通過本文介紹，大家對該產(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。