郭忠新，张 蕾

（1.上海科世达-华阳汽车电器有限公司，上海 201814；2.上海电机学院/机械学院，上海 201306）

时钟弹簧 (Clock Spring)是一种安装在汽车方向盘下部、管柱上端的装置，其内部包含缠绕的带状电缆 (FFC)，并允许方向盘上的安全气囊、方向盘加热模块、喇叭开关和方向盘上多功能组合开关在方向盘左右转动时保持和车身模块的连接状态。无论转动方向盘的角度如何，始终保持安全气囊和安全气囊控制模块之间、加热模块和车身控制模块之间的连接，以及各个开关和车身相关电器或模块的通信。

时钟弹簧来源于第1代产品内部带状电缆的绕法类似于时钟的发条弹簧而得名。随着新产品的诞生，不同的时钟弹簧的供应商和主机厂对时钟弹簧又有了不同的称呼，如气囊游丝 (Airbag Spring)、螺旋线圈 (Spiral coil)、旋转连接器 (Roller Connector)等。

时钟弹簧的国际专业生产厂家主要有德国科世达、法国法雷奥、美国天合、日本古河电工、日本阿尔卑斯以及韩国新昌等。国内专业生产厂家主要有上海盈智汽车电子、山西荣长、天津津河、锦州锦恒等。而其中部分国际厂家在中国设有分公司或合资公司开发生产时钟弹簧，如上海科世达、深圳古河电工、嘉兴华昌等。总的来说，国内时钟弹簧企业与海外发达国家企业还有较大差距，主要体现在专业技术人员和设备的储备方面［1］。

1 时钟弹簧分类

通常情况下，根据功能的实现方式和内部扁平线束的排布方式不同，时钟弹簧分为滑动接触类型、时钟发条类型、滚轮U形排布类型以及无电性能U形排布类型。下面将具体介绍每种类型的结构特点。

1.1 滑动接触类型

在介绍大家都比较熟知的现代时钟弹簧前，通过滑动接触或单个线束传输方向盘上电子信号到车身端的方式需要了解一下。这种简单的传输技术适用于不受电阻限制的一些功能，如喇叭功能。这种滑动接触形式，使用于传输电子信号比较少的情况，通常一到两个信号的传输，而且结构相对简单。如图1所示，主要由动接触片和静接触片组成。

随着方向盘上更多功能的加入 (如多功能方向盘开关)，尤其是驾驶员侧安全气囊的大量应用，要求更多的传输信号适应功能的增加，同时要求具有更加好的信号传输品质。为了保证可靠的操作和安全气囊监控，定量电子传输稳定的连接变得尤其重要，因而其他类型的时钟弹簧应运而生。

图1 滑动接触类型

1.2 时钟发条类型

为了实现多信号的传输，柔性扁平线束像时钟发条一样排布的时钟弹簧被开发出来，如图2所示。这种类型的时钟弹簧只能布置一根柔性扁平线束，柔性扁平线束一端与定子连接，另一端与转子连接。当转子旋转运动时，柔性扁平线束会收紧或放松。

然而，这种简单原理的时钟弹簧，要求柔性扁平线束比较长，才能满足方向盘左右旋转的需求。尤其当振动时，噪音水平也难以控制。随着舒适性要求的增加，一些类似方向盘加热的功能要求比较大的电流传输，如7A。而发条类型的时钟弹簧由于具有较高的电阻，并且无法实现其他功能的同时实现加热功能。这些不利和更多信号的需求，导致更多、更短柔性扁平线束排布的时钟弹簧被开发出来。U形排布类型 (U-Turn)满足了这些要求，其又包括如下两种类型［2］。

图2 时钟发条类型

1.3 滚轮U形排布类型 (U-Turn with Roller)

通过U-Turn的原理，扁平线束缠绕在内部转子和外部定子的相对位置，实现了左右转动的功能要求。当扁平线束随着转子转动而放松时，那么其将在定子端收紧，以达到运动要求。但是，如果仅仅存在一根扁平线束的话，这种运动的平衡也是实现不了的，因此如图3所示滚轮U形排布类型的时钟弹簧就被开发出来了。

这种类型的时钟弹簧相比1.2提到的时钟发条类型的时钟弹簧，存在功能多、成本低、品质稳定和噪音水平低等优点。

图3 滚轮U形排布类型

1.4 无电性能U形排布类型 (U-Turn with Dummy Cable)

为了实现扁平线束的U-Turn形状运行可靠，除了1.3中提到的滚轮U形排布类型，如图4所示无电性能U形排布类型同样可以实现。这种类型的时钟弹簧通过无电性能扁平线束和柔性扁平线束自身的弹性张力相互挤压实现U形的平稳运行。这种类型的时钟弹簧，由于无电性能扁平线束和柔性扁平线束以同样的U型原理排布，因此在满足负载要求的情况下，更加容易增加更多功能。

图4 无电性能U形排布类型

这种类型的时钟弹簧相比1.3中提到的滚轮U形排布类型的时钟弹簧，存在功能更多、成本更低、噪音水平更低等优点。

2 时钟弹簧主要功能和作用

随着汽车安全性和驾驶舒适性要求的提高，汽车方向盘上除了安装有保护驾驶员碰撞后不受伤害的安全气囊外，还集成了一些开关功能，如调节仪表信息、调节收音机、控制巡航功能、车载电话功能和喇叭等的开关［3］。并且，在一些比较寒冷的地区，方向盘上还具有加热模块。由于方向盘是转动部件，其上的部件也都随之同步转动，为了使方向盘上的部件与整车进行通信，时钟弹簧起到了稳定通信的作用。

而由于安全气囊与安全相关，在车辆发生碰撞时，气囊是否能够按照设定条件起爆，时钟弹簧在保证ECU能够可靠、及时、有效地将信号传递给发生器起到了关键作用，间接确保驾驶员的生命安全，因此时钟弹簧也被列为安全件。综上所述，时钟弹簧主要功能和作用如下。

1)将汽车上碰撞信号通过ECU传递给方向盘里安全气囊的气体发生器，实现安全气囊起爆信号的可靠传输。

2)实现方向盘上各种控制开关与整车车身进行可靠的电器信号传输。

3)实现方向盘加热模块与整车车身进行可靠的信号传输。

4)实现机械式转向开关的自动回零位功能。

5)驱动方向盘转角传感器转动。

3 时钟弹簧常见问题及解决措施

谈到时钟弹簧在汽车上的应用问题，无非就是两个方面：一方面乘员对车辆驾驶舒适性要求的提高，带来了噪音的要求，即所谓的异响；另一方面与功能相关的，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。

3.1 时钟弹簧异响

时钟弹簧的相互运动部件材质多为塑料件，旋转部件与非旋转部件在相对运动时本身就会存在摩擦，这种正常的摩擦音不在本文的讨论范围。而驾驶员在正常操作过程中，时钟弹簧各个部位发出刺耳或者非正常的声响，被认定为异响。如下是产生异响的几种可能及解决措施。

1)时钟弹簧本身存在异响时钟弹簧本身存在异响，多半是产品设计考虑不周，当时钟弹簧运动过程中，扁平线束会与塑料件进行刮擦产生异响，或者定子和转子间挤压产生异响。

解决措施：对于扁平线束与塑料件之间刮擦异响，如图5所示，尽量在设计的源头减少扁平线束与塑料件间的接触面积，并留出足够的间隙。定子和转子之间运动不可避免，同种塑料件相互摩擦会产生不正常的声响，设计时应该考虑不同材料选择。

2)偏心异响时钟弹簧通常与组合开关安装在一起，然后安装在转向管柱的固定部分；而方向盘安装在转向管柱的转动部件上，同时驱动时钟弹簧的转子进行转动。由于安装或者系统设计不合理，就会产生方向盘的转动中心和时钟弹簧的转动中心的偏差，如果偏差超出了时钟弹簧本身的容差能力，就会造成时钟弹簧定子与转子的挤压产生异响，如图6所示。

解决措施：①首先设计上应该正确定义转向管柱的同心度公差，确保设计在合理范围内；②合理设计时钟弹簧定子与转子之间的间隙，增强容差能力；③零件的品质应该控制在设计要求的范围内；④安装过程需要保证安装正确，与设计规范相符合［4］。

3)对配件挤压、拉扯异响时钟弹簧装配后，与其配合的零件通常有线束接插件、护罩、角度传感器、方向盘等。如果由于装配不正确，或者设计不合理受到相关配合件的挤压或拉扯，也会产生异响。如图7所示，时钟弹簧受到方向盘端线束接插件的拉扯而产生异响。

图5 扁平线束与塑料件配合

图6 偏心异响

图7 拉扯异响

解决措施：①正确设计相关部件的配合；②正确安装相关部件，避免相互挤压、拉扯。

3.2 时钟弹簧功能失效

时钟弹簧功能失效，通常会直接表现在方向盘上相关部件功能失效，如喇叭及一些功能按键开关失效、安全气囊报警等。而最为常见的失效无非是扁平线束的断裂，引起相关回路的阻值升高或断路。

扁平线束断裂通常有如下一些原因：①设计考虑不足，时钟弹簧设计的转动圈数无法满足方向盘的转动范围；②由于错误的安装，导致安装后时钟弹簧的零位和方向盘的零位不一致；③由于异物进入时钟弹簧的扁平线束腔体内造成运动紊乱，从而导致扁平线束的断裂或破裂，如2017年3月某汽车公司曾因此召回部分车型等。

解决措施：针对不同的失效产生的原因，采取不同的措施。①首先在设计之初，正确了解客户需求，根据方向盘的转动范围，在满足功能的前提下尽量设计足够的转动余量；②针对安装错误，可以采用如下几种解决措施：根据客户的产品特性及装配方式，在时钟弹簧设置如图8所示的二次锁定机构，增加一层防护；在产品上设有零位窗口和零位标识 (图9)，以便拆装过程中更加便利找到中间位置，并且可以更加容易识别错误的发生；做好装配时钟弹簧工位的员工培训。③针对异物进入造成的失效，应尽量设置一些防护性的结构，阻止类似线头，头发等异物的进入。

图8 二次锁定机构

图9 零位窗口及标识

4 结束语

时钟弹簧几乎应用在每一辆现代的乘用车上，大部分微车也都有应用。本文在概念上介绍了时钟弹簧，并且列举了几种常见的失效模式及解决方案。希望通过本文介绍，大家对该产品有总体了解，列举的典型失效模式及解决措施给相关开发人员和质保人员一些有益的借鉴。不同结构的产品存在不同的解决措施，希望本文起到抛砖引玉的作用。