商用車時鐘彈簧失效分析及改進對策

王 坤，賀永勝，張懿琪

商用車時鐘彈簧失效分析及改進對策

王 坤，賀永勝，張懿琪

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710043）

時鐘彈簧是在方向盤左、右旋轉(zhuǎn)動作中，保證喇叭開關(guān)等電器部件正常的電路連接件。文章通過研究一款售后市場反饋的失效時鐘彈簧并對其進行統(tǒng)計分析，確定時鐘彈簧損壞的失效原因有裝配不當、產(chǎn)品缺陷等。提出通過增加調(diào)試窗口和線圈圈數(shù)，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，改進牽引銷結(jié)構(gòu)，使用樹脂進行潤滑等措施優(yōu)化產(chǎn)品，提升產(chǎn)品的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時開發(fā)設(shè)計一種無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧，避免人為因素造成的產(chǎn)品失效，提升產(chǎn)品可維修性。

時鐘彈簧；扁平線纜；無限轉(zhuǎn)數(shù)

時鐘彈簧又叫旋轉(zhuǎn)連接器，主要由旋轉(zhuǎn)體、固定體、旋轉(zhuǎn)扁平電纜三部分組成，旋轉(zhuǎn)體通過牽引銷與方向盤連接，與旋轉(zhuǎn)體相連的電纜信號線同方向盤上多功能開關(guān)進行連接，固定體部分一般安裝在轉(zhuǎn)向管柱上，固定體上信號線同汽車中央控制器連接。時鐘彈簧的功能是將方向盤上的多功能按鍵信號傳遞到汽車中央控制器上，實現(xiàn)收音機、等速巡航、空調(diào)控制、儀表盤功能等信號傳遞。重型商用車輛中的時鐘彈簧是方向盤按鍵功能實現(xiàn)的重要零部件，對其有高品質(zhì)及高標準的要求，以滿足車輛方向轉(zhuǎn)動及復雜的路面工況要求。時鐘彈簧在商用車整車上存在的問題有兩個：一是乘員對車輛駕駛舒適性要求的提高，帶來了噪音問題，即所謂的異響；二是與功能相關(guān)，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[1]。為提升客戶滿意度、降低損失，需對失效原因進行進一步的分析。

1 失效原因分析

時鐘彈簧在重型商用車輛上均使用旋轉(zhuǎn)扁平線纜進行信號傳輸，使用旋轉(zhuǎn)扁平線纜結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸穩(wěn)定，但從售后大數(shù)據(jù)及每月舊件返回情況分析，該件售后失效率明顯偏高，售后失效達到10%以上，供方和客戶抱怨強烈。圖1是2021年1月至12月時鐘彈簧售后大數(shù)據(jù)失效分析。售后返回件主要問題有三個：一是內(nèi)部線纜斷裂；二是牽引銷斷裂；三是時鐘彈簧發(fā)卡造成的異響。這三個問題存在相關(guān)性，牽引銷裝配不正，會引起固定體和旋轉(zhuǎn)體之間運轉(zhuǎn)不平衡，造成線纜運行不暢，以及摩擦發(fā)卡，嚴重時牽引銷疲勞斷裂。

圖1 時鐘彈簧故障分析

2 時鐘彈簧損壞原因分析及整改

根據(jù)圖紙設(shè)計要求，時鐘彈簧內(nèi)部扁平線纜要求左右各3.5圈，正常情況下，重卡方向盤至多左右旋轉(zhuǎn)2.75圈，車輛運行中，線圈長度余量充足，不可能將電纜扯斷。時鐘彈簧在裝配前通過中立針鎖止固定體和旋轉(zhuǎn)體之間相對運動，在總裝下線前將安裝方向盤保證時鐘彈簧旋轉(zhuǎn)體和方向盤連接后，拔掉中立針，這樣既可保證方向盤安裝后兩邊線纜均勻。若兩邊線圈不均，一邊多、另外一邊少于2.75圈，在方向盤極限位置就可扯斷線圈（見圖2）。通過分析和過程調(diào)差，將線圈不均的整改如下。

圖2 失效模式

2.1 安裝方向盤是轉(zhuǎn)向輪位不正

在安裝方向盤時，若操作工未將轉(zhuǎn)向輪調(diào)整到正確位置，將會造成安裝后兩邊線圈不均。針對該情況，須對工藝文件嚴格要求，并組織對員工培訓，目前該作業(yè)指導書文件已固化，作業(yè)指導書中規(guī)定在裝配轉(zhuǎn)向輪后進行再確認，確保兩邊線圈均勻一致，在裝配過程中基本不會發(fā)生。

2.2 維修和調(diào)試過程中造成不均

在維修轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)零部件時，如轉(zhuǎn)向組合開關(guān)、轉(zhuǎn)向伸縮軸、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向管柱等，方向盤未鎖定，易造成兩邊線圈不均。針對該情況，主機廠組織供方到服務(wù)站聯(lián)合培訓，下放“三標”維修文件，雖然取得了一些效果，但目前服務(wù)站人員流動大，仍然會發(fā)生維修工不按照“三標”維修文件操作導致時鐘彈簧線圈扯斷。

2.3 防止線圈扯斷和打折優(yōu)化措施

2.3.1增加調(diào)試窗口和線圈圈數(shù)

由于不規(guī)范維修，當時鐘彈簧需要拆下時，正常情況需要鎖止旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，或者旋轉(zhuǎn)后能夠重新調(diào)整均勻，現(xiàn)在供貨的時鐘彈簧已增加調(diào)試窗口，通過窗口可以將時鐘彈簧調(diào)整到原始狀態(tài)，另外為預(yù)防該問題，同時將線圈增加到單邊4.5圈以上。

2.3.2優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了使線圈工作柔順及減少摩擦，在內(nèi)部增加滾輪防止線圈打折，如圖3所示。

圖3 增加窗口

2.4 牽引銷斷裂分析改進

如圖4所示，由于時鐘彈簧裝配不正，造成時鐘彈簧內(nèi)圈和轉(zhuǎn)向管柱軸不同心，定位銷進入方向盤定位孔后產(chǎn)生彎曲變形，工作時始終處于疲勞狀態(tài)[2]。根據(jù)售后統(tǒng)計，一般在2萬到5萬公里會折斷定位銷，定位銷斷裂后時鐘彈簧仍然在外部導線牽引下工作，但由于轉(zhuǎn)向回位開關(guān)需要通過旋轉(zhuǎn)體上凸臺來開關(guān)回位組合開合或關(guān)閉，時鐘彈簧和方向盤不同步工作，回位失效。

為保證時鐘彈簧安裝與管柱軸同心，必須保證時鐘彈簧安裝支架平面度滿足要求。該支架為沖壓件，沖壓變形以及安裝在管柱上孔位偏差，尤其是往管柱上安裝固定支架的孔位在側(cè)面，時鐘彈簧安裝面是懸臂結(jié)構(gòu)，故很難保證安裝后平面度保持在0.02 mm以內(nèi)，經(jīng)過幾輪整改及裝配調(diào)整，修改沖壓件模具，將安裝孔空間尺寸優(yōu)化等，仍然無法解決時鐘彈簧安裝后傾斜問題，但比之前有明顯改善。

為徹底解決時鐘彈簧安裝傾斜問題，開發(fā)整體式管柱，將時鐘彈簧安裝面和管柱鑄造成一個整體，減少中間裝配誤差。整體式結(jié)構(gòu)已經(jīng)實測，效果明顯提升。

2.5 異響問題整改

優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了使線圈工作柔順及減少摩擦，在內(nèi)部增加滾輪防止線圈打折，并且內(nèi)部線圈之間使用樹脂進行潤滑，降低工作異響（見圖5）。但固定體和旋轉(zhuǎn)體均為塑料件，二者之間工作時摩擦聲很難消除，尤其二者工作不同心時易產(chǎn)生異響[3]，此方案能夠解決部分售后質(zhì)量問題。

圖5 增加滾輪

3 無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧的開發(fā)

為了徹底解決維修其他件造成時鐘彈簧線圈左右不均及維修人員不按照“三標”維修文件維修導致方向盤工作時的異響問題，降低時鐘彈簧售后失效率，開發(fā)了一種新的無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧，既能實現(xiàn)信號傳遞，又能降低噪音。

3.1 單一功能無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧開發(fā)

時鐘彈簧分為兩種，一般低端車上僅使用喇叭功能，安裝要求與原時鐘彈簧一致，內(nèi)部安裝向心軸承，軸承內(nèi)、外圈引出接線端子，由滾珠連接實現(xiàn)導通，實現(xiàn)三根線導通，轉(zhuǎn)子沒有圈數(shù)限制，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 單一功能時鐘彈簧

3.2 多功能無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧開發(fā)

一般高端車型上使用多功能時鐘彈簧，設(shè)計如圖7所示。

方向盤轉(zhuǎn)動時帶動時鐘上殼，更改后取消線纜使用線路板代替[4]，接觸部分采用鈹青銅材質(zhì)，可保證產(chǎn)品在不同路況的可靠性（鈹青銅材質(zhì)是一種無錫青銅，含有1.7%～2.5%鈹及少量鎳、鉻、鈦等元素，經(jīng)過淬火處理后，強度極限可達1 250～1 500 MPa，接近中等強度鋼的水平。在淬火狀態(tài)下塑性很好，可以加工成各種半成品。鈹青銅具有很高的硬度、彈性極限、疲勞極限和耐磨性，還具有良好的耐蝕性、導熱性和導電性。受沖擊時不產(chǎn)生火花，廣泛用作重要的彈性元件、耐磨零件）。設(shè)計線圈按照50 mm，內(nèi)部電路板線圈寬度0.5 mm，線圈厚度0.2 mm。無線時鐘彈簧耐久測試現(xiàn)已完成2 100萬次，各項測試功能都合格。線束采用美標線材鍍金，可承受極限電流10 A?，F(xiàn)所有時鐘彈簧材料改為聚苯醚及聚甲醛樹脂，增加產(chǎn)品強度。同時采用3塊線路板連接方式[5]，每回路2個連接點保證可靠連接，設(shè)計要求導通電阻≤0.8 Ω，現(xiàn)導通電阻為0.13 Ω，大幅度提升產(chǎn)品導通性。

4 改進效果

通過時鐘彈簧售后表現(xiàn)大數(shù)據(jù)對識別出來的內(nèi)部線纜斷裂、牽引銷斷裂、時鐘彈簧發(fā)卡失效造成的異響問題，增加調(diào)試窗口和線圈圈數(shù)；內(nèi)部增加滾輪防止線圈打折，使用樹脂進行潤滑；開發(fā)整體式管柱，解決時鐘彈簧安裝傾斜問題；使用一種新結(jié)構(gòu)的多功能無限轉(zhuǎn)數(shù)時鐘彈簧等改進措施，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少售后市場失效數(shù)量，有效降低售后索賠。經(jīng)過一年的改進提升，據(jù)現(xiàn)有大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，時鐘彈簧失效損失已排到售后零部件失效排名100名以外。

5 結(jié)論

利用統(tǒng)計學方法對時鐘彈簧的售后數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找到主要的失效原因，并發(fā)揮主機廠和合作方的集體智慧，對內(nèi)外部因素逐項改進提升。落實改進并跟蹤驗證，不僅提升了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了售后索賠，實現(xiàn)雙贏。同時還能使合作方更好地、主動地參與到主機廠的改進工作中，加強雙方的合作關(guān)系。

[1] 郭忠新,張蕾.時鐘彈簧產(chǎn)品概述及常見問題解析[J].汽車電器,2019(2):64-66.

[2] 方小海.轉(zhuǎn)動架結(jié)構(gòu)時鐘彈簧轉(zhuǎn)動異響分析及預(yù)防[J].車時代,2021(10):42-43.

[3] 馬燕.時鐘彈簧失效問題分析與解決[J].汽車零部件, 2019(1):14-15.

[4] 杜雨恒,王子軍,李志剛,等.一種系統(tǒng)優(yōu)化轉(zhuǎn)向時鐘彈簧異響設(shè)計方法[J].汽車電器,2023(2):69-71.

[5] 喬金夢,倪洪啟,劉希敏.汽車時鐘彈簧定位裝置的設(shè)計[J].機械工程師,2017(9):44-45.

Failure Analysis and Improvement Countermeasures of Clock Spring of Commercial Vehicles

WANG Kun, HE Yongsheng, ZHANG Yiqi

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited, Xi'an 710043, China )

The clock spring is a circuit connector used to ensure the normal operation of the horn switch and other electrical components during the left and right rotation of the steering wheel. In this paper, through the statistical analysis of a failed clock spring fed back by the after-sales market, the failure causes of clock spring damage are determined including improper assembly, product defects, etc. By increasing the debugging window and the number of coil coils, optimizing the internal structure, improving the structure of the traction pin, using resin for lubrication and other measures to optimize the product, improve the service life of the product and improve the product quality. At the same time, an infinite revolution clock spring is developed and designed to avoid product failure caused by human factors and improve product maintainability.

Clock spring;Flat cable;Unlimited spins

U463.7

A

1671-7988(2023)20-102-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.020

王坤（1990－），男，工程師，研究方向為產(chǎn)品失效及改進，E-mail:4142305920@qq.com。