时钟弹簧失效问题分析与解决

马燕

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

安全气囊作为最行之有效的被动安全乘员保护系统，它越来越多的被装配到汽车上[1]。驾驶员气囊模块装配在方向盘上，作用是在发生正面碰撞时，对驾驶员提供保护。同时，随着汽车行业的高速发展，方向盘上集成了更多的电器控制系统，如喇叭、娱乐系统控制、定速巡航控制等。为了实现活动的方向盘上的电器控制按键与静止的电器元件间的有效连接，时钟弹簧应运而生[2-3]。

1 时钟弹簧结构

时钟弹簧安装在组合开关上，主要由定子、辅助定子、转子、辅助转子、扁平电缆、连接器、中立针等部件组成(如图1所示)。扁平电缆为中间压接有复合铜带的聚酯薄膜，主要功能是实现方向盘上的驾驶员气囊及其他电器控制按键与整车线束的电信号传递。扁平电缆两端分别焊接在定子与转子的连接器上。定子及辅助定子固定于组合开关上，转子与辅助转子通过驱动结构与方向盘连接，实现与方向盘的同步转动。因扁平电缆的电阻由其长度决定，为减小时钟弹簧的电阻，扁平电缆的长度需控制，否则会影响电器回路的正常工作。当时钟弹簧处于中间位置时，可分别向左、右旋转约2.5圈。为确保时钟弹簧在装车前始终处于中间位置，避免左、右转动圈数不够导致产品使用过程中扁平电缆被拉断，在时钟弹簧上设置中立针，将转子锁紧。方向盘装配后将中立针拔出，时钟弹簧可实现转动功能。

图1 时钟弹簧结构示意图

2 问题描述

某款时钟弹簧应用于多个车型，换件量急剧增加，售后市场抱怨严重，对公司及品牌影响较大，问题需尽快解决。对售后返回件进行分析，各失效模式占比如图2所示。由图2可知，气囊灯常亮、喇叭不响、断路是此次售后换件最主要的失效模式。

图2 售后件失效模式占比

3 原因分析

通过图形分析法对时钟弹簧失效的原因进行分析。图3所示为时钟弹簧失效原因分析。由图3可知，导致时钟弹簧失效的主要原因可分为扁平电缆线卷打折断裂及零件散架两大类。对失效故障件进行拆解分析，发现时钟弹簧内部扁平电缆线卷打折断裂是导致此次时钟弹簧失效的主要原因，零件散架是次要原因。

图3 时钟弹簧失效原因分析

针对造成时钟弹簧内部扁平电缆线卷打折断裂的可能原因逐一进行排查。物料运输过程中，若物料摆放杂乱，可能导致中立针脱落，从而导致装配前时钟弹簧未处于中间位置，某个方向圈数不足，使用过程中电缆被拉断。检查物料情况，发现物料装箱排放整齐，每个物料间有隔断，中立针完整无损坏。物料运输过程不是该时钟弹簧失效的原因。

整车装配过程中，未装配方向盘前中立针被拔出，导致方向盘装配时时钟弹簧不在中间位置，也会导致使用过程中扁平电缆被拉断。检查整车生产线装配情况，发现方向盘装配前中立针固定完好，员工装配方向盘后才将中立针拔出。装配过程不是此次时钟弹簧失效的原因。

维修其他关联件时，由于中立针已拔出，若未按要求处理，导致时钟弹簧不在中间位置，从而造成电缆拉断时钟弹簧失效。检查维修记录，未发现相关联零件的维修记录。维修操作工艺文件明确规定：将时钟弹簧往一个方向转到底，再往反方向旋转约2.5圈，直至时钟弹簧定子与转子上的对中标志对齐，此时时钟弹簧处于中间位置，再装配方向盘。维修关联零件不是此次时钟弹簧失效的原因。

扁平电缆端头与连接器焊接质量不满足要求，接头焊接拉力不足，可致时钟弹簧在使用过程中，扁平电缆接头部分拉断。抽取样件进行电缆焊接头拉力试验，试验结果如表1所示，接头焊接后拉力满足不小于1 N的要求。扁平电缆接头焊接质量不满足要求不是此次时钟弹簧失效的原因。

表1 接头拉力试验结果 N

对售后返回件地域进行分析，发现东北地区占比为51%。根据售后维修记录记载，发生故障的车辆都是长时间在户外停放(室外温度为-20 ℃)。时钟弹簧内部有润滑油脂，对内部扁平电缆进行润滑及辅助旋转。初步判断，当气温较低时，润滑油脂凝结，将扁平电缆冻住，当启动车辆较大角度旋转方向盘时，导致时钟弹簧内部扁平电缆拉断。对量产零件进行低温试验验证，结果如表2所示。根据低温试验结果，判定时钟弹簧内部润滑油脂低温冻结是此次时钟弹簧失效的主要原因。

表2 时钟弹簧低温试验结果

时钟弹簧内部扁平电缆端头与连接器焊接后，需侧向折弯才能在时钟弹簧内部盘绕。折弯角度要求为90°，折弯后横边与接头间距要求为(5±0.5) mm。该折弯工艺为手工完成，存在折弯角度不满足90°及横边与接头间距过大的情况。图4所示为折弯工艺要求及不合格品的对比。

图4 扁平电缆折弯要求及不合格品对比

检查时钟弹簧内部结构，发现扁平电缆的宽带为12.8 mm，内部绕线空间宽带为13.7 mm，间隙仅为0.9 mm。当扁平电缆折弯角度不满足90°及横边与接头间距过大的情况，会导致扁平电缆在组装后高出下部塑料壳体平面，装配成总成件后，扁平电缆受到挤压导致运转不顺畅，从而引起乱圈后打折或拉断。抽取扁平电缆折弯不合格时钟弹簧进行耐久性试验。当耐久试验进行到1 864次旋转时，时钟弹簧扁平电缆被拉断，由此判断扁平电缆与时钟弹簧壳体干涉是此次时钟弹簧失效的主要原因。

4 解决方案

针对时钟弹簧内部润滑油脂低温冻结的主要原因，提出了相应的解决方案。原来使用的润滑油脂耐低温性能为-40 ℃，基础油黏度值为30 mm2/s，更换耐低温性能更好的润滑油脂后，耐低温性能提升至-60 ℃，基础油黏度值降低至18 mm2/s。优化润滑油脂涂油工艺，原涂油方式为油针深入到时钟弹簧内部，容易造成涂油过量，且油针与扁平电缆接触，涂油旋转时又将扁平电缆绕线结构破坏的风险，从而造成扁平电缆被拉断。将油针提升至时钟弹簧壳体表面，避免了油针与扁平电缆的接触从而杜绝了绕线混乱的风险。图5所示为涂油方式优化示意图。

图5 涂油方式优化示意图

针对折弯角度不满足90°及横边与接头间距过大的情况，制作折弯专用夹具，规范折弯工艺，避免手工折弯造成折弯角度不满足90°的情况。减小横边与接头间距的公差，将间距由(5±0.5) mm更改为(5±0.15) mm，避免打折后横边与接头间距尺寸过大的情况。

5 结论

基于某款时钟弹簧失效的具体案例，通过对售后更换件的分析，以及对产品结构的校核，查找失效原因并制定相应措施，得出以下结论：

(1)通过图形分析法对时钟弹簧失效的原因分析可知，导致时钟弹簧失效的主要原因可分为扁平电缆线卷打折断裂及零件散架两大类。

(2)通过对售后配件的进一步分析，判定时钟弹簧内部润滑油脂低温冻结，扁平电缆与时钟弹簧壳体干涉是此次时钟弹簧失效的两大主要原因。

(3)针对时钟弹簧内部润滑油脂低温冻结的主要原因，更换耐低温性能更好的润滑油脂，优化润滑油脂涂油工艺。

(4)针对折弯角度不满足90°及横边与接头间距过大的情况，制作折弯专用夹具，规范折弯工艺，减小横边与接头间距的公差。