基于TRIZ理論的汽車制動(dòng)器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

高天才，李平平，李靜

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

基于TRIZ理論的汽車制動(dòng)器創(chuàng)新設(shè)計(jì)

高天才，李平平，李靜

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

為了克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在解決工程設(shè)計(jì)問題過程中的不足，將發(fā)明問題解決理論(TRIZ)引入汽車制動(dòng)器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中。在對(duì)當(dāng)前汽車車橋用楔式制動(dòng)器存在問題的分析基礎(chǔ)上，采用TRIZ理論分析方法，確定了改良創(chuàng)新設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)沖突及其對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，并運(yùn)用發(fā)明原理所提供的思路與線索，對(duì)楔式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以此驗(yàn)證了TRIZ理論在汽車領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段的可行性與有效性。

TRIZ；概念設(shè)計(jì)；車橋；汽車制動(dòng)器

CLC NO.:TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-60-04

引言

產(chǎn)品的創(chuàng)新主要集中于概念設(shè)計(jì)階段[1-2]，在此階段，5%的產(chǎn)品總開發(fā)成本將決定產(chǎn)品約70%-80%[3]的性能、價(jià)值及效益。而TRIZ理論則可借助成熟的沖突矩陣與發(fā)明原理等工具，幫助設(shè)計(jì)人員通過對(duì)以往的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行重新組合、修改、聯(lián)想、推理抽象等，形成創(chuàng)造性思維體系及設(shè)計(jì)概念，解決產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題，以完成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，減少市場(chǎng)響應(yīng)時(shí)間。

汽車車橋用楔式制動(dòng)器具有制動(dòng)力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、維修簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械(如汽車起重機(jī)等)及商用車上。但目前的楔式制動(dòng)器由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造誤差，存在制動(dòng)力輸出不穩(wěn)定、制動(dòng)拖磨等問題而難以滿足市場(chǎng)需求。

因此，改進(jìn)當(dāng)前楔式制動(dòng)器存在的問題即成為了迫切需要關(guān)注和解決的問題。而應(yīng)用TRIZ理論中的沖突解決原理對(duì)楔式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將會(huì)有效的解決當(dāng)前問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新，得到性能優(yōu)良、成本低廉的設(shè)計(jì)方案。

1、TRIZ理論

以TRIZ理論為核心的概念設(shè)計(jì)方法和工具，是從世界高質(zhì)量專利中總結(jié)出的人類解決技術(shù)難題進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造所遵循的理論和方法[4-5]，是以各學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)與工具為基礎(chǔ)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論，可有效的通過解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題而得到高層次的創(chuàng)新概念解[6-7]。

TRIZ理論主要由技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)法則、39個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解等構(gòu)成的理論與方法體系[8]。TRIZ理論認(rèn)為，產(chǎn)品創(chuàng)新及更新?lián)Q代的實(shí)質(zhì)就是不斷地發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品沖突的過程[9]。因此，利用TRIZ的沖突矩陣及發(fā)明原理解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突，將推動(dòng)產(chǎn)品向理想化方向進(jìn)化。TRIZ理論解決問題的一般流程及應(yīng)用技術(shù)沖突解決工程實(shí)際問題的一般過程見圖1、2所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程

圖2 技術(shù)沖突解決工程實(shí)際問題的一般過程

2、應(yīng)用實(shí)例

2.1 問題分析

目前，汽車楔式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)多為浮蹄式（制動(dòng)蹄與支撐點(diǎn)有相對(duì)滑動(dòng)），該結(jié)構(gòu)如圖3所示，該種制動(dòng)器通常包括制動(dòng)底板、設(shè)置在制動(dòng)底板上的擴(kuò)張器、兩個(gè)制動(dòng)蹄、回位彈簧、回位支座等。制動(dòng)蹄的一端與擴(kuò)張器抵接，另一端與設(shè)置在制動(dòng)底板上的回位支座抵接，該回位支座形狀與擴(kuò)張器相似，或者直接用不工作的擴(kuò)張器代替（圖中的回位支座即為一個(gè)不工作的擴(kuò)張器），兩個(gè)制動(dòng)蹄之間通過回位彈簧連接。在設(shè)計(jì)制動(dòng)蹄時(shí)，制動(dòng)蹄的兩端結(jié)構(gòu)相同，均為矩形端面，一端嵌入到擴(kuò)張器端部的卡槽中，另一端直接與回位支座的端部抵接。

圖3 傳統(tǒng)浮蹄式楔式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

制動(dòng)器工作時(shí)，在促動(dòng)力(氣壓或油壓)的作用下，如圖3所示，制動(dòng)促動(dòng)裝置(即擴(kuò)張器)向兩側(cè)張開，推動(dòng)兩側(cè)制動(dòng)蹄壓靠在制動(dòng)鼓內(nèi)圓面，由于制動(dòng)蹄與回位支座采用矩形槽抵接的結(jié)構(gòu)，制動(dòng)蹄在向外張開的同時(shí)沿矩形槽向下滑動(dòng)，直至制動(dòng)蹄下方外圓面與制動(dòng)鼓內(nèi)圓面接觸并壓緊。利用兩制動(dòng)蹄與制動(dòng)鼓工作表面摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

制動(dòng)促動(dòng)裝置卸載后，兩側(cè)制動(dòng)蹄在回位彈簧的作用下復(fù)位，制動(dòng)解除。

制動(dòng)器在不工作的原始位置時(shí)，其摩擦片與制動(dòng)鼓之間應(yīng)該保持合適的間隙，其設(shè)定值一般由汽車制造廠規(guī)定。但是在制動(dòng)器工作過程中，摩擦片的不斷磨損必然將導(dǎo)致制動(dòng)器間隙逐漸增大。因此，任何形式的制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上必須保證有檢查調(diào)整其間隙的可能。

對(duì)于楔式制動(dòng)器，間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)置在擴(kuò)張器內(nèi)部，在擴(kuò)張器張開時(shí)可以識(shí)別制動(dòng)器間隙值，通過對(duì)擴(kuò)張器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定，使得當(dāng)制動(dòng)器間隙大于規(guī)定值時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際使用過程中，楔式制動(dòng)器由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制造誤差，制動(dòng)蹄在張開后很難回到原始位置。使得擴(kuò)張器識(shí)別的制動(dòng)器間隙值不準(zhǔn)確，制動(dòng)器間隙不能及時(shí)自動(dòng)調(diào)整，最終導(dǎo)致制動(dòng)器制動(dòng)力輸出不穩(wěn)定。

2.2 沖突的確定及問題求解

對(duì)當(dāng)前問題應(yīng)用TRIZ的沖突分析方法進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)于當(dāng)前結(jié)構(gòu)的楔式制動(dòng)器，在不考慮擴(kuò)張器自身調(diào)整精度的前提下，制動(dòng)蹄在張開后能否回到原始位置是影響制動(dòng)器調(diào)整精度的主要因素。

針對(duì)當(dāng)前問題，往往需改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或通過復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)來(lái)消除制動(dòng)蹄在向外張開的同時(shí)沿矩形槽向下的滑移，以提高制動(dòng)系統(tǒng)精確回位功能，使制動(dòng)蹄在張開后可精確回位。提高零件的制造精度或改進(jìn)制動(dòng)蹄回位形式或許可以改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但將帶來(lái)較高的制造成本及加工難度并降低了可制造性。

將問題泛化為改善的工程參數(shù)“可操作性”及“形狀”，惡化的工程參數(shù)“可制造性”。通過查詢沖突矩陣表，得到解決沖突問題對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表1。

對(duì)表1中各發(fā)明原理進(jìn)行分析，原理“5 聯(lián)合原理”及“17 維數(shù)變化原理”對(duì)解決問題具有啟發(fā)性。

制動(dòng)蹄在向外張開的同時(shí)沿?cái)U(kuò)張器和回位支座上的矩形槽向下滑動(dòng)，制動(dòng)蹄回到原始位置的過程中，存在向上滑動(dòng)和向內(nèi)移動(dòng)的過程。

根據(jù)原理5及原理17得到啟示，提出解決方案：每個(gè)制動(dòng)蹄的一端卡接在擴(kuò)張器端部的卡槽中，即與原結(jié)構(gòu)保持不變。在制動(dòng)蹄另一端，即制動(dòng)蹄底部與回位支座抵接處設(shè)計(jì)成半圓弧凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。取消原結(jié)構(gòu)中的回位支座，在制動(dòng)底板端部對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)與凸臺(tái)相對(duì)應(yīng)的半圓形凹槽。

具體結(jié)構(gòu)見圖4所示：制動(dòng)蹄底部的半圓弧凸臺(tái)嵌入制動(dòng)底板上的半圓弧凹槽中。在制動(dòng)器工作時(shí)，即制動(dòng)蹄張開和復(fù)位的過程中，制動(dòng)蹄僅繞圓弧中心擺動(dòng)，沒有相對(duì)滑動(dòng)。制動(dòng)蹄張開后可以回到理論位置，間隙調(diào)整可靠，制動(dòng)性能穩(wěn)定。

圖4 制動(dòng)蹄、制動(dòng)底板結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的制動(dòng)器總成進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，制動(dòng)器間隙調(diào)整功能明顯改善，但仍會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)拖磨的現(xiàn)象。

對(duì)改進(jìn)后的制動(dòng)器進(jìn)一步分析，制動(dòng)拖磨一般是由“制動(dòng)器初始間隙過小”或“制動(dòng)器使用后間隙變小”這兩個(gè)因素造成的，通過分析，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的制動(dòng)蹄雖然在制動(dòng)蹄精確回位方面明顯改善，但由于本身結(jié)構(gòu)的原因，制動(dòng)蹄的支撐剛性較差，制動(dòng)器工作時(shí)，制動(dòng)蹄將產(chǎn)生較大的變形，尤其是半圓弧凸臺(tái)支撐端，導(dǎo)致制動(dòng)器間隙變小。為提高制動(dòng)蹄支撐剛性，往往導(dǎo)致制動(dòng)蹄重量及體積的變大。

將問題泛化為改善的工程參數(shù)“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”及惡化的工程參數(shù)“靜止物體的重量”與改善的工程參數(shù)“強(qiáng)度”及惡化的工程參數(shù)“物質(zhì)的量”。通過查詢沖突矩陣表，得到解決沖突問題對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表2。

表2

對(duì)表2中發(fā)明各原理進(jìn)行分析，原理 “10 預(yù)先作用原理”及“26 復(fù)制原理”對(duì)解決問題具有啟發(fā)性。

根據(jù)原理10及原理26得到啟示：削減制動(dòng)蹄主腹板厚度，并在主腹板的兩側(cè)分別增加一條縱向加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與制動(dòng)蹄翼板、半圓弧凸臺(tái)通過焊縫連接，通過焊接縱向加強(qiáng)筋提高制動(dòng)蹄整體支撐剛性，尤其是半圓弧支撐端的剛性，這樣在既不過多增加質(zhì)量的同時(shí)，也有效改善制動(dòng)拖磨的問題。具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 改善后的制動(dòng)蹄結(jié)構(gòu)

綜上所述，得到最終的制動(dòng)器改進(jìn)方案：擴(kuò)張器張開端結(jié)構(gòu)不變，仍然為矩形卡槽結(jié)構(gòu)，在制動(dòng)蹄的端部增加半圓弧凸臺(tái)，在制動(dòng)底板端部增加對(duì)應(yīng)的半圓弧凹槽，代替回位支座，制動(dòng)蹄繞圓弧中心擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)蹄張開和復(fù)位過程。制動(dòng)蹄張開后可以回到初始位置，間隙調(diào)整可靠。同時(shí)制動(dòng)蹄增加縱向加強(qiáng)筋提高支撐剛性。最終的制動(dòng)器具體結(jié)構(gòu)見圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

3、結(jié)論

在產(chǎn)品創(chuàng)新求解過程中，應(yīng)用高層次的概念設(shè)計(jì)方法TRIZ可以幫助設(shè)計(jì)者克服思維慣性，避免以往的“盲目嘗試”，同時(shí)也是尋求關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、創(chuàng)造性的解決技術(shù)壁壘、尋找跨行業(yè)解決方案，建立現(xiàn)代知識(shí)工程理念等的基礎(chǔ)性工具。

本文旨在將TRIZ理論應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段。通過建立技術(shù)沖突，找出對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，并結(jié)合設(shè)計(jì)人員自身或群體的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，最終得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的設(shè)計(jì)方案。

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Automotive Brake Innovation Design based on TRIZ

Gao Tiancai, Li Pingping, Li Jing
( Shaanxi hande axle Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

In order to overcome the shortcomings of the traditional design method to solve engineering design problems, the theory of inventive problem solving (TRIZ) is introduced in the innovation design process of the automotive brake. On the basis of the analysis of the problems exist in the automotive brake, the technical conflict encountered in the work and the corresponding principles of invention were determined by using the TRIZ innovation and theoretical analysis method, and the old brake structure is improved with some TRIZ ideas and clues provided by the principles of the invention. The effectiveness and feasibility of TRIZ in the innovative design phase in the automotive sector is verified.

TRIZ; Conceptual Design; Axle; Automobile Brake

TH122

A

1671-7988(2016)07-60-04

高天才，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.019