商用车时钟弹簧失效分析及改进对策

王 坤，贺永胜，张懿琪

商用车时钟弹簧失效分析及改进对策

王 坤，贺永胜，张懿琪

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710043）

时钟弹簧是在方向盘左、右旋转动作中，保证喇叭开关等电器部件正常的电路连接件。文章通过研究一款售后市场反馈的失效时钟弹簧并对其进行统计分析，确定时钟弹簧损坏的失效原因有装配不当、产品缺陷等。提出通过增加调试窗口和线圈圈数，优化内部结构，改进牵引销结构，使用树脂进行润滑等措施优化产品，提升产品的使用寿命，提高产品质量。同时开发设计一种无限转数时钟弹簧，避免人为因素造成的产品失效，提升产品可维修性。

时钟弹簧；扁平线缆；无限转数

时钟弹簧又叫旋转连接器，主要由旋转体、固定体、旋转扁平电缆三部分组成，旋转体通过牵引销与方向盘连接，与旋转体相连的电缆信号线同方向盘上多功能开关进行连接，固定体部分一般安装在转向管柱上，固定体上信号线同汽车中央控制器连接。时钟弹簧的功能是将方向盘上的多功能按键信号传递到汽车中央控制器上，实现收音机、等速巡航、空调控制、仪表盘功能等信号传递。重型商用车辆中的时钟弹簧是方向盘按键功能实现的重要零部件，对其有高品质及高标准的要求，以满足车辆方向转动及复杂的路面工况要求。时钟弹簧在商用车整车上存在的问题有两个：一是乘员对车辆驾驶舒适性要求的提高，带来了噪音问题，即所谓的异响；二是与功能相关，直接体现在方向盘上部件功能失效，可能因时钟弹簧失效而引起[1]。为提升客户满意度、降低损失，需对失效原因进行进一步的分析。

1 失效原因分析

时钟弹簧在重型商用车辆上均使用旋转扁平线缆进行信号传输，使用旋转扁平线缆结构简单，信号传输稳定，但从售后大数据及每月旧件返回情况分析，该件售后失效率明显偏高，售后失效达到10%以上，供方和客户抱怨强烈。图1是2021年1月至12月时钟弹簧售后大数据失效分析。售后返回件主要问题有三个：一是内部线缆断裂；二是牵引销断裂；三是时钟弹簧发卡造成的异响。这三个问题存在相关性，牵引销装配不正，会引起固定体和旋转体之间运转不平衡，造成线缆运行不畅，以及摩擦发卡，严重时牵引销疲劳断裂。

图1 时钟弹簧故障分析

2 时钟弹簧损坏原因分析及整改

根据图纸设计要求，时钟弹簧内部扁平线缆要求左右各3.5圈，正常情况下，重卡方向盘至多左右旋转2.75圈，车辆运行中，线圈长度余量充足，不可能将电缆扯断。时钟弹簧在装配前通过中立针锁止固定体和旋转体之间相对运动，在总装下线前将安装方向盘保证时钟弹簧旋转体和方向盘连接后，拔掉中立针，这样既可保证方向盘安装后两边线缆均匀。若两边线圈不均，一边多、另外一边少于2.75圈，在方向盘极限位置就可扯断线圈（见图2）。通过分析和过程调差，将线圈不均的整改如下。

图2 失效模式

2.1 安装方向盘是转向轮位不正

在安装方向盘时，若操作工未将转向轮调整到正确位置，将会造成安装后两边线圈不均。针对该情况，须对工艺文件严格要求，并组织对员工培训，目前该作业指导书文件已固化，作业指导书中规定在装配转向轮后进行再确认，确保两边线圈均匀一致，在装配过程中基本不会发生。

2.2 维修和调试过程中造成不均

在维修转向系统相关零部件时，如转向组合开关、转向伸缩轴、转向机、转向管柱等，方向盘未锁定，易造成两边线圈不均。针对该情况，主机厂组织供方到服务站联合培训，下放“三标”维修文件，虽然取得了一些效果，但目前服务站人员流动大，仍然会发生维修工不按照“三标”维修文件操作导致时钟弹簧线圈扯断。

2.3 防止线圈扯断和打折优化措施

2.3.1增加调试窗口和线圈圈数

由于不规范维修，当时钟弹簧需要拆下时，正常情况需要锁止旋转体旋转，或者旋转后能够重新调整均匀，现在供货的时钟弹簧已增加调试窗口，通过窗口可以将时钟弹簧调整到原始状态，另外为预防该问题，同时将线圈增加到单边4.5圈以上。

2.3.2优化内部结构

为了使线圈工作柔顺及减少摩擦，在内部增加滚轮防止线圈打折，如图3所示。

图3 增加窗口

2.4 牵引销断裂分析改进

如图4所示，由于时钟弹簧装配不正，造成时钟弹簧内圈和转向管柱轴不同心，定位销进入方向盘定位孔后产生弯曲变形，工作时始终处于疲劳状态[2]。根据售后统计，一般在2万到5万公里会折断定位销，定位销断裂后时钟弹簧仍然在外部导线牵引下工作，但由于转向回位开关需要通过旋转体上凸台来开关回位组合开合或关闭，时钟弹簧和方向盘不同步工作，回位失效。

为保证时钟弹簧安装与管柱轴同心，必须保证时钟弹簧安装支架平面度满足要求。该支架为冲压件，冲压变形以及安装在管柱上孔位偏差，尤其是往管柱上安装固定支架的孔位在侧面，时钟弹簧安装面是悬臂结构，故很难保证安装后平面度保持在0.02 mm以内，经过几轮整改及装配调整，修改冲压件模具，将安装孔空间尺寸优化等，仍然无法解决时钟弹簧安装后倾斜问题，但比之前有明显改善。

为彻底解决时钟弹簧安装倾斜问题，开发整体式管柱，将时钟弹簧安装面和管柱铸造成一个整体，减少中间装配误差。整体式结构已经实测，效果明显提升。

2.5 异响问题整改

优化内部结构，为了使线圈工作柔顺及减少摩擦，在内部增加滚轮防止线圈打折，并且内部线圈之间使用树脂进行润滑，降低工作异响（见图5）。但固定体和旋转体均为塑料件，二者之间工作时摩擦声很难消除，尤其二者工作不同心时易产生异响[3]，此方案能够解决部分售后质量问题。

图5 增加滚轮

3 无限转数时钟弹簧的开发

为了彻底解决维修其他件造成时钟弹簧线圈左右不均及维修人员不按照“三标”维修文件维修导致方向盘工作时的异响问题，降低时钟弹簧售后失效率，开发了一种新的无限转数时钟弹簧，既能实现信号传递，又能降低噪音。

3.1 单一功能无限转数时钟弹簧开发

时钟弹簧分为两种，一般低端车上仅使用喇叭功能，安装要求与原时钟弹簧一致，内部安装向心轴承，轴承内、外圈引出接线端子，由滚珠连接实现导通，实现三根线导通，转子没有圈数限制，具体结构如图6所示。

图6 单一功能时钟弹簧

3.2 多功能无限转数时钟弹簧开发

一般高端车型上使用多功能时钟弹簧，设计如图7所示。

方向盘转动时带动时钟上壳，更改后取消线缆使用线路板代替[4]，接触部分采用铍青铜材质，可保证产品在不同路况的可靠性（铍青铜材质是一种无锡青铜，含有1.7%～2.5%铍及少量镍、铬、钛等元素，经过淬火处理后，强度极限可达1 250～1 500 MPa，接近中等强度钢的水平。在淬火状态下塑性很好，可以加工成各种半成品。铍青铜具有很高的硬度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性，还具有良好的耐蚀性、导热性和导电性。受冲击时不产生火花，广泛用作重要的弹性元件、耐磨零件）。设计线圈按照50 mm，内部电路板线圈宽度0.5 mm，线圈厚度0.2 mm。无线时钟弹簧耐久测试现已完成2 100万次，各项测试功能都合格。线束采用美标线材镀金，可承受极限电流10 A。现所有时钟弹簧材料改为聚苯醚及聚甲醛树脂，增加产品强度。同时采用3块线路板连接方式[5]，每回路2个连接点保证可靠连接，设计要求导通电阻≤0.8 Ω，现导通电阻为0.13 Ω，大幅度提升产品导通性。

4 改进效果

通过时钟弹簧售后表现大数据对识别出来的内部线缆断裂、牵引销断裂、时钟弹簧发卡失效造成的异响问题，增加调试窗口和线圈圈数；内部增加滚轮防止线圈打折，使用树脂进行润滑；开发整体式管柱，解决时钟弹簧安装倾斜问题；使用一种新结构的多功能无限转数时钟弹簧等改进措施，提高了产品质量，减少售后市场失效数量，有效降低售后索赔。经过一年的改进提升，据现有大数据统计分析，时钟弹簧失效损失已排到售后零部件失效排名100名以外。

5 结论

利用统计学方法对时钟弹簧的售后数据进行统计分析，找到主要的失效原因，并发挥主机厂和合作方的集体智慧，对内外部因素逐项改进提升。落实改进并跟踪验证，不仅提升了产品质量，降低了售后索赔，实现双赢。同时还能使合作方更好地、主动地参与到主机厂的改进工作中，加强双方的合作关系。

[1] 郭忠新,张蕾.时钟弹簧产品概述及常见问题解析[J].汽车电器,2019(2):64-66.

[2] 方小海.转动架结构时钟弹簧转动异响分析及预防[J].车时代,2021(10):42-43.

[3] 马燕.时钟弹簧失效问题分析与解决[J].汽车零部件, 2019(1):14-15.

[4] 杜雨恒,王子军,李志刚,等.一种系统优化转向时钟弹簧异响设计方法[J].汽车电器,2023(2):69-71.

[5] 乔金梦,倪洪启,刘希敏.汽车时钟弹簧定位装置的设计[J].机械工程师,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，工程师，研究方向为产品失效及改进，E-mail:4142305920@qq.com。