基于RFID的時鐘彈簧設計

高軍年，劉關，孫學龍，劉潔婷

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

基于RFID的時鐘彈簧設計

高軍年1，劉關2，孫學龍2，劉潔婷2

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

隨著汽車工業的不斷發展和汽車設計的多樣化，在汽車設計中為了更好地體現以人為本的理念，為了方便駕駛員的操作和節約空間，轉向盤上已經越來越多地集成了功能按鍵開關，比如音響功能開關、巡航開關、車載電話開關等。同時，為了安全問題，還在轉向盤上安裝了駕駛員氣囊系統，而所有的這些功能都需要通過轉向盤管柱上的時鐘彈簧把轉向盤上的動態電子部件與車身上靜態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。

1 時鐘彈簧的結構

時鐘彈簧從結構上有2種：一種是繞線結構，其內部結構如圖1所示；另外一種是彈簧簧片結構。

繞線結構的時鐘彈簧原理是：呈渦旋狀的柔性扁平電纜的一端隨轉向盤的左右轉動而一起轉動，當轉向盤順時

針轉動時，線軸受順時針轉動力矩，扁平電纜被卷緊，卷緊后的電纜各圈緊抱在線軸上；當轉向盤逆時針轉動時，線軸受逆時針轉動力矩，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部邊緣上。在汽車運動時，由于轉向盤一直處于順時針和逆時針的運動中，扁平電纜同樣會處于不斷地被卷緊和松開的狀態中，極易出現機械疲勞而斷裂，造成繞線結構的時鐘彈簧失效。

對于彈簧簧片結構的時鐘彈簧，它用彈簧簧片替代了柔性結構中的時鐘彈簧。彈簧簧片隨著轉向盤的轉動與其內部的固定滑槽形成滑動接觸，從而完成動態電子部件和靜態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氧化現象，造成接觸不良，使得彈簧簧片結構的時鐘彈簧可靠性較差。

2 基于RFID技術的時鐘彈簧設計

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

固定組件固定在車身上；旋轉組件固定在轉向盤管柱上，其相對于轉向盤管柱是不動的，但其隨著轉向盤及管柱相對于車身的轉動而轉動。固定組件和旋轉組件的結構示意圖如圖2所示。

2.1 固定組件設計

固定組件由5個模塊構成，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 旋轉組件設計

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

3 基于RFID技術的時鐘彈簧運行原理

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組件成圓筒狀，被套裝在轉向盤管柱上，三者同處于一條中心軸上。旋轉組件和轉向盤管柱圍繞共同的中心軸線同步轉動，固定組件相對于旋轉組件而靜止。固定組件和旋轉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，旋轉組件中鑲嵌有RFID電子標簽電源天線和RFID電子標簽信號天線。RFID讀寫器天線又與RFID讀寫器電路模塊相連接，RFID電子標簽電源天線與RFID電子標簽電路模塊相連接，RFID電子標簽信號天線與RFID電子標簽電路模塊相連接。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狀態，旋轉組件電路板被固定在轉向盤上，與旋轉組件形成相對靜止狀態。

3.2 時鐘彈簧的運行過程

時鐘彈簧運行時，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讀寫器天線向旋轉組件電路板發射無線電查詢信號，此無線電信號是為了查詢旋轉組件電路板中旋轉組件輸入輸出接口模塊的狀態變化情況。

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

此時，轉向盤上的各種電子部件的狀態將通過與其連接的旋轉組件輸入輸出接口模塊傳輸給旋轉組件CPU電路模塊，經旋轉組件CPU電路模塊的處理，將轉向盤上的各種電子部件的狀態實時地傳輸給RFID電子標簽電路模塊，并通過RFID電子標簽信號天線以無線電的形式發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電子標簽信號天線發送的轉向盤上電子部件的狀態信號，并將此信號傳輸給RFID讀寫器電路模塊進行處理，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向盤上的電子部件。由此完成轉向盤上電子部件與其它汽車電子部件的信號傳輸功能，實現了基于RFID的時鐘彈簧裝置的作用。

4 總結

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

［1］郭支明，崔衛超，鄒德坤.一種新型時鐘彈簧的設計［J］.機械工業與自動化，2008（1）：118-119.

［2］黃靖.時鐘彈簧的應用［J］.企業科技與發展，2011（16）：43-45.

［3］顧履雄，徐稷威.時鐘彈簧產品綜述［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，研究方向為機械工程。