高軍年，劉關(guān)，孫學(xué)龍，劉潔婷

（1.蘭州科慶儀器儀表有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730010；2.蘭州吉利汽車工業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730010）

基于RFID的時鐘彈簧設(shè)計(jì)

高軍年1，劉關(guān)2，孫學(xué)龍2，劉潔婷2

（1.蘭州科慶儀器儀表有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730010；2.蘭州吉利汽車工業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730010）

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和汽車設(shè)計(jì)的多樣化，在汽車設(shè)計(jì)中為了更好地體現(xiàn)以人為本的理念，為了方便駕駛員的操作和節(jié)約空間，轉(zhuǎn)向盤上已經(jīng)越來越多地集成了功能按鍵開關(guān)，比如音響功能開關(guān)、巡航開關(guān)、車載電話開關(guān)等。同時，為了安全問題，還在轉(zhuǎn)向盤上安裝了駕駛員氣囊系統(tǒng)，而所有的這些功能都需要通過轉(zhuǎn)向盤管柱上的時鐘彈簧把轉(zhuǎn)向盤上的動態(tài)電子部件與車身上靜態(tài)電子部件的通信通道連接起來。時鐘彈簧的可靠性決定著轉(zhuǎn)向盤上所有電子部件能否正常工作，也就極大地影響著整車的品質(zhì)。

1 時鐘彈簧的結(jié)構(gòu)

時鐘彈簧從結(jié)構(gòu)上有2種：一種是繞線結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示；另外一種是彈簧簧片結(jié)構(gòu)。

繞線結(jié)構(gòu)的時鐘彈簧原理是：呈渦旋狀的柔性扁平電纜的一端隨轉(zhuǎn)向盤的左右轉(zhuǎn)動而一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤順時

針轉(zhuǎn)動時，線軸受順時針轉(zhuǎn)動力矩，扁平電纜被卷緊，卷緊后的電纜各圈緊抱在線軸上；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤逆時針轉(zhuǎn)動時，線軸受逆時針轉(zhuǎn)動力矩，扁平電纜被松開，扁平電纜各圈被壓緊在時鐘彈簧殼體的內(nèi)部邊緣上。在汽車運(yùn)動時，由于轉(zhuǎn)向盤一直處于順時針和逆時針的運(yùn)動中，扁平電纜同樣會處于不斷地被卷緊和松開的狀態(tài)中，極易出現(xiàn)機(jī)械疲勞而斷裂，造成繞線結(jié)構(gòu)的時鐘彈簧失效。

對于彈簧簧片結(jié)構(gòu)的時鐘彈簧，它用彈簧簧片替代了柔性結(jié)構(gòu)中的時鐘彈簧。彈簧簧片隨著轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動與其內(nèi)部的固定滑槽形成滑動接觸，從而完成動態(tài)電子部件和靜態(tài)電子部件之間的信號傳遞。但是，由于彈簧簧片觸頭在滑動中極易出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，造成接觸不良，使得彈簧簧片結(jié)構(gòu)的時鐘彈簧可靠性較差。

2 基于RFID技術(shù)的時鐘彈簧設(shè)計(jì)

基于RFID（射頻識別，RadioFrequency IDentification）的時鐘彈簧硬件包括：固定組件、旋轉(zhuǎn)組件、固定組件電路板、旋轉(zhuǎn)組件電路板4部分。

固定組件固定在車身上；旋轉(zhuǎn)組件固定在轉(zhuǎn)向盤管柱上，其相對于轉(zhuǎn)向盤管柱是不動的，但其隨著轉(zhuǎn)向盤及管柱相對于車身的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。固定組件和旋轉(zhuǎn)組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.1 固定組件設(shè)計(jì)

固定組件由5個模塊構(gòu)成，其分別是：RFID讀寫器天線、RFID讀寫器電路模塊、固定組件CPU電路模塊、固定組件輸入輸出接口模塊、DC／DC電源模塊，如圖3所示。

2.2 旋轉(zhuǎn)組件設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)組件由6個模塊構(gòu)成，其分別是：RFID電子標(biāo)簽電源天線、RFID電子標(biāo)簽電源模塊、RFID電子標(biāo)簽信號天線、RFID電子標(biāo)簽電路模塊、旋轉(zhuǎn)組件CPU電路模塊、旋轉(zhuǎn)組件輸入輸出接口模塊，如圖4所示。

3 基于RFID技術(shù)的時鐘彈簧運(yùn)行原理

3.1 時鐘彈簧各組件的連接

基于RFID的時鐘彈簧中固定組件和旋轉(zhuǎn)組件成圓筒狀，被套裝在轉(zhuǎn)向盤管柱上，三者同處于一條中心軸上。旋轉(zhuǎn)組件和轉(zhuǎn)向盤管柱圍繞共同的中心軸線同步轉(zhuǎn)動，固定組件相對于旋轉(zhuǎn)組件而靜止。固定組件和旋轉(zhuǎn)組件之間留有一定的間隙。

固定組件中鑲嵌有RFID讀寫器天線，旋轉(zhuǎn)組件中鑲嵌有RFID電子標(biāo)簽電源天線和RFID電子標(biāo)簽信號天線。RFID讀寫器天線又與RFID讀寫器電路模塊相連接，RFID電子標(biāo)簽電源天線與RFID電子標(biāo)簽電路模塊相連接，RFID電子標(biāo)簽信號天線與RFID電子標(biāo)簽電路模塊相連接。固定組件電路板被固定在車身某一特定位置，與固定組件形成相對靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)組件電路板被固定在轉(zhuǎn)向盤上，與旋轉(zhuǎn)組件形成相對靜止?fàn)顟B(tài)。

3.2 時鐘彈簧的運(yùn)行過程

時鐘彈簧運(yùn)行時，DC／DC電源模塊從整車電源中取得直流電壓12V，并將此直流電壓12V轉(zhuǎn)換為固定組件電路板中所需的直流電壓VCC。固定電路板得電后，其中的RFID讀寫器電路模塊便通過RFID讀寫器天線向旋轉(zhuǎn)組件電路板發(fā)射無線電查詢信號，此無線電信號是為了查詢旋轉(zhuǎn)組件電路板中旋轉(zhuǎn)組件輸入輸出接口模塊的狀態(tài)變化情況。

對于旋轉(zhuǎn)組件電路板，其電源是通過RFID電子標(biāo)簽電源天線接受RFID讀寫器天線發(fā)射的無線電查詢信號，經(jīng)RFID電子標(biāo)簽電源模塊的處理，得到直流電壓VCC，并輸出給旋轉(zhuǎn)組件電路板所用。旋轉(zhuǎn)組件電路板得到RFID電子標(biāo)簽電源模塊提供的直流電壓VCC后開始運(yùn)行。

此時，轉(zhuǎn)向盤上的各種電子部件的狀態(tài)將通過與其連接的旋轉(zhuǎn)組件輸入輸出接口模塊傳輸給旋轉(zhuǎn)組件CPU電路模塊，經(jīng)旋轉(zhuǎn)組件CPU電路模塊的處理，將轉(zhuǎn)向盤上的各種電子部件的狀態(tài)實(shí)時地傳輸給RFID電子標(biāo)簽電路模塊，并通過RFID電子標(biāo)簽信號天線以無線電的形式發(fā)送給固定組件電路板。固定組件電路板通過其RFID讀寫器天線接受RFID電子標(biāo)簽信號天線發(fā)送的轉(zhuǎn)向盤上電子部件的狀態(tài)信號，并將此信號傳輸給RFID讀寫器電路模塊進(jìn)行處理，然后再傳輸給固定組件CPU電路模塊，最后再傳輸給固定組件輸入輸出接口模塊，輸出給與之相連接的其它汽車電子部件。

同理，其它汽車電子部件也可將其信號傳輸給轉(zhuǎn)向盤上的電子部件。由此完成轉(zhuǎn)向盤上電子部件與其它汽車電子部件的信號傳輸功能，實(shí)現(xiàn)了基于RFID的時鐘彈簧裝置的作用。

4 總結(jié)

基于RFID技術(shù)的時鐘彈簧解決了現(xiàn)有時鐘彈簧因繞線電纜長時間的卷緊和松開，從而導(dǎo)致的電纜機(jī)械疲勞而斷裂，同時也解決了時鐘彈簧簧片觸頭在滑動中因氧化現(xiàn)象造成接觸不良的問題。對于汽車在轉(zhuǎn)向盤上集成更多的操控功能提供了可靠性途徑。

［1］郭支明，崔衛(wèi)超，鄒德坤.一種新型時鐘彈簧的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工業(yè)與自動化，2008（1）：118-119.

［2］黃靖.時鐘彈簧的應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2011（16）：43-45.

［3］顧履雄，徐稷威.時鐘彈簧產(chǎn)品綜述［J］.汽車電器，2009（12）：1-3.

（編輯 楊景）

U463.66

A

1003－8639（2014）07－0004－02

2013-12-03；

2013-12-16

高軍年（1974-），男，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。