裝載機自動變速系統進化路線分析

張 娜， 于振環， 張 燕

（1.長春汽車工業高等專科學校 機電工程學院，吉林 長春 130011；2.一汽東機工減振器有限公司 技術研發中心，吉林 長春 130011）

0 引 言

裝載機是一種適應性強、用途非常廣闊的工程機械，廣泛應用于工程建設中。由于裝載機在性能方面具有操作輕便、動力性好、作業速度快等優點，因而發展很快，成為工程建設中的主要機械。自動換擋控制方法已廣泛應用于國外的裝載機技術，而國內除部分變速箱采用半自動換擋外，其余均采用手動換擋技術。

隨著我國工業化進程的發展，裝載機企業面臨著巨大的市場壓力，技術研發人員必須對市場進行深入透徹的了解，才能更準確地定位新產品的研發方向。企業在制定發展戰略和技術改革時往往無從下手，TRIZ理論的技術系統進化理論將提供重要的參考手段。企業若想在市場上占有先機，需要準確及時的預測技術系統的改進方向，并且在第一時間開發出新的核心技術。文中對裝載機自動變速方法做了初步分析，并利用TRIZ技術系統進化理論對其進行研究，初步設想出技術研發方向。

1 TRIZ技術系統進化理論

TRIZ理論是由俄國學者G.S.Altshuller以及他的同事通過對大量的專利進行研究，總結出的一整套解決發明問題的有效方法。G.S.Altshuller經多年研究，于20世紀七八十年代提出了TRIZ技術系統進化理論（Theory of Technological System Evolution，TTSE），該理論認為，不同產品技術系統的進化都具有可傳遞性，存在著相似的客觀規律，即同一種技術進化規律適用于不同的工程領域。該理論主要包括：利用S－曲線對產品的技術成熟度進行分析、10種技術系統進化模式以及相應的技術系統進化路線等。對于產品的未來發展趨勢，可以利用技術進化模式和進化路線進行預測，進而把握新產品的開發方向；企業若想快速、準確地把握產品的技術走向，還要對產品的技術進化潛力進行分析。

1.1 技術系統進化模式與進化路線

TRIZ研究人員通過對世界專利庫的統計分析，對產品技術從結構上進行研究，總結了其進化趨勢，即技術系統進化模式和技術系統進化路線。技術系統進化模式為產品技術的改進和創新指明了方向［1］。其中包括G.S.Altshuller提出的10種進化模式、Zusman［2］提出的8種進化模式以及Mann Darrell［3］提出的11種進化模式。企業若想對產品進行新技術的開發，前兩種進化模式使用方法比較模糊，后一種進化模式操作簡便，并且對產品的結構問題考慮全面。因此，文中利用Mann Darrell的11種進化模式對裝載機的自動變速方法進行研究，該模式具體內容如圖1所示。

圖1 11種技術系統的進化模式

對于不同的進化層次，技術系統進化模式也有分別，具體內容如圖2所示［4］。

圖2 進化模式層次圖

系統的理性化水平決定了技術系統進化路線。

技術系統進化模式只是對產品進化的大概進化方向進行了闡述，產品技術的具體進化細節并沒有涉及。技術系統進化路線是在不改變產品核心技術的基礎上，定性地指出了技術系統舊的技術被新技術代替的過程［5］。因此，技術進化路線的分析可以提供產品技術的具體革新思路。

1.2 技術系統進化潛力

TRIZ理論中有一種S－曲線，該曲線可以對產品的技術成熟度進行評價，這種方法比較便于操作，但是通過S－曲線的分析無法預測技術系統的未來發展趨勢，更不能同時處理多種進化模式。著名的TRIZ研究專家Mann D針對S－曲線的這一問題提出了一個產品技術進化潛力（Evolutionary Potential Mapping，EPM）的新概念，即技術系統現階段的技術指標與其能夠達到的進化極限之間的差距。技術研發人員可以通過本方法了解產品新技術的進化程度以及未來的發展方向，為將來更好地進行技術研發立項奠定基礎［6］。

2 裝載機改進方案的設想（工程實例）

2.1 裝載機進化模式與進化路線

中國裝載機行業經過近50年的發展，特別是近10來年的超高速發展，產品技術質量已經有了很大的提高，與世界先進水平的差距越來越小，已得到世界市場、包括最苛刻的歐美市場的廣泛認可。裝載機企業若想永遠保持技術的最前沿，必須及時的對原有技術進行革新。文中查閱了大量國內外相關專利，對裝載機自動變速方法的技術系統進化路線進行了總結。

2.1.1 換擋參數的升級

2.1.1.1 單參數換擋規律

工程車輛的的發展落后于汽車車輛，所以在發展的初期，借鑒了汽車的技術，僅選擇了車速為換擋參數，但是這種方法只是作為參考，并沒有進行裝車使用。

缺點：僅選擇車速作為換擋參數無法保證變速點隨油門開度的變化而變化。由于換擋點不受駕駛員控制，所以車輛的經濟性與動力性無法保證。

2.1.1.2 二參數換擋規律

到現在為止，應用范圍最廣、技術最成熟的二參數換擋規律是由彼得羅夫于1963年提出的，具體參數為車速和油門開度。此外還有一種以泵輪和渦輪轉速作為換擋參數的二參數換擋規律，裝載機在工作過程中可以通過擋位的變換，使變矩器獲得最佳的工作狀態，從而提高車輛的牽引特性和動力特性。

缺點：裝載機在作業工況下，負載會經常發生變化，這種換擋規律視油門開度固定，所以駕駛員的工作意圖經常不能被正確理解，從而造成換擋的不可預見性。

2.1.1.3 三參數換擋規律

在二參數的基礎上三參數換擋規律考慮了發動機的油門開度，增強了裝載機的實際操縱性能。油門開度這一參數的增加，可以使裝載機在不同的油門開度下，都獲得良好的牽引力性能，進而提高車輛的動力性和經濟性［7］。

缺點：裝載機在鏟掘作業工況時裝置會消耗較大的發動機力矩，同時，變矩器吸收的力矩變化較大，因此，對于裝載機的實際作業工況三參數換擋規律考慮的不夠完善［7］。

2.1.1.4 四參數換擋規律

考慮到三參數換擋規律出現的問題，四參數換擋規律在其基礎上增加了一個參數：裝載機工作液壓系統消耗的功率。

缺點：四參數換擋規律設置的參數較多，使系統結構的復雜性有所增加。

2.1.2 操作方法的升級

2.1.2.1 手動換擋

傳統的裝載機的操作和駕駛主要是由駕駛員直接掌握的，均為手動操作。這樣的作業方式存在較大的缺點：裝載機的駕駛是一直循環操作，作業的過程中駕駛員需要頻繁的換擋，每小時近千次的換擋會使駕駛員極易感到疲勞致使作業效率低下，不安全因素也會相應增加；換擋點不好掌控，駕駛人員如果操作不當，會使液力變矩器的工作效率大大降低；手動換擋的沖擊力較大，造成換擋時的平穩性很差。

2.1.2.2 人機協同配合

作業工況和運行工況是裝載機在運行過程中存在的兩種工況，人機協同配合控制方式將兩種工況結合在一起，充分利用智能技術。這種配合方式使駕駛人員的勞動強度大大減輕，駕駛員只負責工況模式，其它工作由智能化軟件實現。

缺點：人機協同配合雖然減輕了駕駛人員的工作強度，但是還沒有完全實現自動化的程度，因為裝載機在作業工況時還不能缺少人的參與，完全的自動變速還沒有實現。

2.1.2.3 全自動

國內的裝載機廠家均沒有使用全自動換擋變速箱。

2.2 裝載機進化潛力描述

2.2.1 向增加可控性方向進化模式

1）向增加可控性方向進化路線：對作用物體的直接控制→通過中介物對作用物體的控制→對作用物體具有反饋的控制→智能反饋的控制。

2）裝載機進化路線：手動換擋→人機協同配合。

裝載機自動變速技術在向可控性方向只進化到通過中介物對作用物體的控制階段，沒有進化完全，還有很大的進化潛力。接下來，研發人員應考慮使裝載機自動變速技術向具有反饋的控制方向進展。

2.2.2 向系統理想化方向進化模式

一個絕對理想化的系統定義為，在不需要消耗任何動力、材料、能量和信息的狀態下，在所要求的時間和空間范圍內能100%完成所有可能的功能，這樣一個系統并不存在。

1）向系統理想化方向進化路線：人→人＋動力工具→人＋半自動工具→人＋自動工具→全自動工具。

2）裝載機現階段進化路線：手動換擋→人機協同配合。

將裝載機自動變速技術現階段進化路線與標準路線進行對比，該技術在這一進化路線中沒有進化完全，只進化到人＋自動工具部分。因此，智能化、自動化是裝載機變速控制系統的未來發展趨勢。

2.2.3 向超系統方向進化模式

系統開始時逐漸變得復雜化，之后向簡單化方向發展。

1）超系統的進化路線：單一功能→兩個功能→多個功能→功能的集合→多個功能→兩個功能→單一功能。

2）裝載機現階段進化路線：單參數換擋規律→二參數換擋規律→三參數換擋規律→四參數換擋規律。

將兩個進化路線進行比較，在向超系統方向進化這一路線中，裝載機自動變速換擋規律還沒有進化完全，具有一定潛力。接下來應向減少控制參數的方向研究，不應再增加參數，這樣可使系統結構得到簡化。即將一個復雜的系統用一個可以實現同樣功能的簡單化的系統取代［8］。

2.2.4 向增加系統空間分割方向進化模式

1）向增加系統空間分割方向進化路線：零維→一維→二維→三維。

2）裝載機現階段進化路線：單參數換擋規律→二參數換擋規律→三參數換擋規律→四參數換擋規律。

將兩個進化路線進行比較，在向增加系統空間分割方向進化這一進化路線中裝載機自動變速換擋規律已進化至最后階段，無進化潛力。

3 結 語

通過運用TRIZ技術進化理論對裝載機自動變速系統進化模式、進化路線以及進化潛力進行分析，確定了該項技術現在所處的結構狀態，對裝載機技術的進化路線做了評估。得出結論：在向增加系統空間分割的進化方向中，裝載機自動變速系統已無進化潛力，研發人員無需在這個方向上繼續研究；而向增加可控性方向、超系統方向以及向系統理想化方向的進化路線，裝載機自動變速技術都具有很大的進化潛力。因此，這3個進化方向將是裝載機自動變速系統的未來發展趨勢。

［1］劉飛，張強，沈曦，等.蝶閥密封結構的技術進化理論分析［J］.閥門，2007（6）：8－11.

［2］Zlotin B，Zusman A.Directed evolution：philosophy，theory and practice［M］.Michigan：Ideation International Inc.，2001.

［3］Mann D L.Better technology forecasting using systematic innovation methods［J］.Technological Forecasting and Social Change，2003，70（8）：779－795.

［4］張青華.基于TRIZ的技術進化理論研究及工程應用［D］：［碩士學位論文］.天津：河北工業大學，2003.

［5］檀潤華，苑彩云，張瑞紅，等.基于技術進化的產品設計過程研究［J］.機械工程學報，2002，38（12）：60－65.

［6］張建輝，檀潤華，楊伯軍，等.產品技術進化潛力預測研究［J］.工程設計學報，2008，15（3）：157－163.

［7］劉更新.裝載機自動變速換擋規律研究［D］：［碩士學位論文］.長春：吉林大學，2005.

［8］張娜.基于TRIZ創新理論的工程機械自動變速方法的研究［D］］：［碩士學位論文］.長春：吉林大學，2011.