基于TRIZ物理矛盾的汽車前軸創新設計

郭飛航，李平平，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

基于TRIZ物理矛盾的汽車前軸創新設計

郭飛航，李平平，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

針對當前汽車車橋設計中由于缺乏高層次的創新方法支持而導致創新性低下、產品開發周期長等問題。通過對TRIZ理論的研究分析，將TRIZ理論的各分離原理與發明原理組成串聯的問題求解過程模型，用于解決創新設計中的具體問題。并將該方法應用于汽車前橋的創新設計中，獲得了高質量的產品創新設計方案，也進一步驗證了該理論方法在車橋設計中的合理性及有效性。

TRIZ；物理矛盾；概念設計；車橋；前軸

CLC NO.: TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-40-03

引言

當前，我國汽車行業在全球化的市場環境中往往處于弱勢，究其原因，皆因我國的技術創新能力相對低下，產品的創新研發能力不足，這也直接導致了我國汽車行業創新能力及市場競爭力的落后，因此，我國必須提高自主創新能力，以提高產品的創新性及競爭性，依靠科技創新推動國家富強[1]。

但對于產品的創新性而言，關鍵在于產品開發過程中的概念設計階段[2-3]，在此階段，5%的產品總開發成本決定了產品約70%-80%的性能、價值及效益[4-5]。但概念設計階段的創新過程是一種集多種思維的反復迭代與思維建模的復雜過程，因而在該階段的創新往往需要高效、可操作性型強的產品創新設計理論與方法的支持，而國際上積極開展研究的TRIZ理論則是可以有效輔助產品創新的高層次創新設計方法。

1、TRIZ理論簡介

TRIZ理論是G.S.Altshuller及其團隊自1946年開始，通過對世界專利庫中約250萬件世界高水平專利的分析與研究，提出的以邏輯思維為主的現代創新理論方法，主要包括了技術系統演變與進化的8個模式（定律）、用于進行產品矛盾求解的39個通用工程參數、矛盾解決矩陣及40條發明原理等理論與方法體系[6]。G.S.Altshuller等TRIZ專家堅信，產品的創新與發明是遵循一種客觀存在的基本規律，通過分析研究及歸納，這些客觀規律可使發明問題明確化及規律化，同時也使發明問題的創新解更具客觀預見性，TRIZ解決設計問題的方法論見圖1所示[8]。

1.1 TRIZ理論中的矛盾

矛盾是TRIZ理論的核心部分，是解決工程實際問題的最成熟且最高效的工具之一。TRIZ理論研究的矛盾在工程實際問題上主要分為物理矛盾與技術矛盾。實際工程問題中的技術矛盾主要是針對兩個子系統存在的矛盾，而物理矛盾通常是為了滿足設計需求，系統或子系統本身存在矛盾。TRIZ理論認為產品以滿足技術進化及需求進化而更新換代的過程，就是解決或消除產品矛盾的過程[9]，在解決實際的矛盾問題中，矛盾矩陣、分離原理及發明原理是設計人員解決設計矛盾的幾大核心工具。

1.1.2 TRIZ的物理矛盾與問題求解過程

TRIZ理論中的物理矛盾與技術矛盾通常都存在一定的關聯性，通常，為了解決問題的快捷性與方便性及概念解的完善與準確性，往往需要進行問題間的相互轉化。但對于工程設計問題中的兩種矛盾而言，物理矛盾由于針對的是同一系統或子系統，其矛盾的尖銳性較技術矛盾更強，在實際的問題求解過程中，可以優先選擇物理矛盾進行問題的創造性求解，其創新解的創新性將會更強，更加符合產品進化的要求。

通常TRIZ的物理矛盾主要應用TRIZ理論提供的空間分離原理、時間分離原理、條件分離原理、整體與部分分離原理四條分離原理來創造性的問題求解，但由于4條分離原理的啟發性及操作性有限，導致了操作性存在一定的不足。但由于TRIZ中的40條發明原理更加具有操作性及明確性，英國bath大學的Mann在對TRIZ的分離原理及發明原理深入的研究，研究提出了四條分離原理與40條發明原理之間存在的關系，見表1[10]。

表1 分離原理與發明原理的對應關系

具體應用分離原理與發明原理的問題求解過程如下：

首先，設計人員在確定物理矛盾及可以用于求解的某條分離原理，并遍歷分離原理對應的發明原理，找出可以應用的原理。然后，設計人員在該分離原理及對應的發明原理的啟發下，得到初步局部的設計方案。

其次，以上一步的初步局部的設計方案為基礎，挖掘形態中可能新出現或仍舊存在的矛盾，并選擇可用的分離原理及發明原理，設計人員在該分離原理及對應的發明原理的啟發下，得到更進一步的設計方案。

最后，設計人員將方案進行綜合，得到最終的全局創新解，并予以評價，如果符合設計要求，則到了創新方案，如果不符合設計要求，則重新對問題分析與思考，直到得到創新設計方案。具體的問題求解流程見圖2所示。

2、創新實例分析

重型商用汽車前橋是汽車底盤的重要組成部分，而前軸是前橋的主要子系統之一，承擔著前橋其它子系統的支撐、固定及汽車部分載荷的承載等功能。當前汽車前橋的前軸主要為拳式鍛造工字型結構，見圖3所示，這對于輪距與板簧距變化極小的卡車而言，具有結構緊湊，一致性好，成本低廉等優點，但對于輪距與板簧距變化較大，且多品種、少批量的工程車而言鍛造工字型前軸卻由于開發成本高而難以滿足市場要求。

2.1 問題分析與求解

針對當前問題，前軸由于使用的需求，將某一常用的主銷中心距設為A，板簧中心距設為B。由于汽車底盤及輪距的需要，前軸需要適應既大于A也小于A的主銷中心距，也需要既大于B也小于B的板簧中心距，以滿足不同車型的要求。

根據物理矛盾的定義，如果在問題求解過程中，使一個子系統或組件應具有某種有用功能特性，但該有用功能特性的出現將導致另一功能特性出現與此相反的不利或有害后果，則此時系統中存在物理矛盾。

根據空間分離原理的內涵：在技術子系統中，如果存在物理矛盾且需求是相互獨立的，并且需求在某一空間中存在（或需求量很大或具有“正”參數）而在另一空間中不存在（或需求量很小或具有“負”參數），在此情況下從空間上可對物理矛盾分離。

對當前的創新設計問題進行分析，前軸在某一車型時需要大于A的主銷中心距來滿足使用需求，而針對另外一種車型，則主銷中心距則需小于A，板簧中心距與此問題類似，因此可以用空間分離原理來求解。

因而可應用空間分離原理進行問題求解，遍歷空間分離原理對應的發明原理，可得，發明原理“1， 2，7，17，24”可有效進行問題求解。

由于在實際應用TRIZ物理矛盾的分離原理進行問題創造性求解時，僅應用單個原理進行問題求解往往是不科學的[11]。因而，為了使創新解的創新性更強，方案更加完善，往往需要應用多個分離原理共同進行創新求解，以減少解在空間及時間上的漏洞。

再次對當前問題進行分析，根據時間分離原理內涵：在發生矛盾的子系統中，若需求是相對唯一的，當需求在一個時間域存在（或變大或具有“正”參數）并在另一個時間域可能不需要（或變得很小或具有“負”參數）時，則可進行時間分離。

即無論主銷中心距或板簧中心距的大小，在某一車型使用時是需要的，而在另一車型使用時則不需要（或需求量很小），特別在輪距或板簧距變化時。因而，該問題也可結合時間分離原理予以解決。查詢時間分離原理對應的發明原理，可得發明原理“15”可有效進行問題求解。

在發明原理 “1分離原理，2 抽取原理，15動態化原理”的啟示下，將前軸設計為四部分，即2個彎梁，中間鋼管梁，及彈簧墊板與彈簧壓板，見圖4所示。這四部分最終通過焊接予以連接。

其中，彎梁為鍛造件，其結構緊湊，抗彎抗扭能力強，其拳部尺寸與圖2所示的鍛造工字梁保持不變，可保持車橋輪邊結構不變。

當輪距發生變化時，通過改變中間鋼管梁的長度來適應不同輪距的變化。

當板簧中心距或騎馬螺栓孔發生變化時，可通過改變件3的位置或結構來適應變化。

在發明原理“7 嵌套原理”及“24 中介原理”的啟示下，在件1與件2焊接處的內部，增加嵌入環，該嵌入環不僅增加了焊接處的可靠性，也增加了可操作性，即在焊接時起到了定位作用。

最后，將在各原理啟示下得到的創新方案進行整合，得到了圖5所示的創新方案。對該方案進行創新評價，該方案采用，降低了成本，提高了工藝性及產品的適應性，增加了產品的理想化水平。

3、總結

對于當前知識爆炸，經濟快速發展的今天，創新將直接決定企業的未來，但創新需要方法的支持，只有高層次的創新方法才能快速高效的輔助產品創新，本文通過對物理矛盾的研究與分析，借助TRIZ的分離原理與發明原理相結合的產品創新設計過程模型進行高質量高效率的創新問題求解，使產品能夠以更高的創新度來滿足用戶需求，獲得市場競爭力。

[1] 安小凡.基于TRIZ的機械產品創新方法研究[D].天津:天津大學碩士學位論文,2007.

[2] 李彥,王杰,李翔龍,等.創造性思維及計算機輔助產品創新設計研究[J].計算機集成制造系統,2003,9(13):1092-1096.

[3] 張建輝,檀潤華,張鵬,等.計算機輔助創新驅動的產品概念設計創新設想產生過程模型[J].計算機集成制造系統.2013.19(2): 284-291.

[4] 檀潤華,王慶禹.產品設計過程模型、策略與方法綜述[J].機械設計.2000.17(11):1-3.

[5] 蔡軍.產品設計階段的成本管理研究[D].中南大學,2011.

[6] 檀潤華,張瑞紅,劉芳,等.基于TRIZ的二級類比概念設計研究[J].計算機集成制造系統.2006,12(3):328-333.

[8] 檀潤華.TRIZ及應用:技術創新過程與方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

[9] 高常青,黃克正,張勇.TRIZ理論在產品創新設計中的應用[J].機械科學與技術.2006.25(4):501-504.

[10] 崔玉蓮,吳緯.基于TRIZ矛盾解決原理的產品設計解耦[J].機械設計與研究,2010,26(6)：19-22.

[11] 任工昌,劉永紅,張優云.產品創新中點狀問題的解決原理及輔助設計系統的實現[J].機械工程學報.2005.41(3）:32-37.

Automotive Front Axle Innovation Design based on TRIZ

Guo Feihang, Li Pingping, Hu Xuanhua
( Shaanxi han DE axle Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710201 )

To solve the problem of low innovation and long develop period due to lack of high level innovation method in vehicle axle design, research and analysis the TRIZ theory, apply the solving process model of sequent problem which composed from separate principle and invention principle to solve the specific problem in innovation design. Moreover, use this method mentioned above in the vehicle front axle design to obtain high quality of design scheme, verify the rationalization and effectiveness as well.

TRIZ; physical conflicts; conceptual design; front axle

TH122

A

1671-7988(2016)10-40-03

郭飛航（1980—),男，中級工程師，就職于陜西漢德車橋有限公司技術中心，從事車橋技術研究與開發。