基于TRIZ理論對汽車板簧支架的輕量化設計

周福庚 李海波

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

基于TRIZ理論對汽車板簧支架的輕量化設計

周福庚 李海波

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

闡述了TRIZ理論的概念，其核心思想是對矛盾問題的完全解決，獲得最終的理想解。介紹了40條創新原理和39個通用工程參數及矛盾矩陣，并介紹了利用TRIZ理論解決產品創新設計問題的流程。用此理論對某載貨車的板簧后固定支架及板簧吊耳進行輕量化設計，以其實際問題抽象為工程技術參數，并確定了優化的參數與惡化的參數以及二者之間的矛盾，應用矛盾矩陣找到解決問題的發明原理。通過拓撲優化和材料的改變，獲得了理想的結果，并用有限元法定量分析和最終理想解的四個重要特征來定性分析，說明優化結果的合理性。

TRIZ理論 矛盾矩陣 拓撲優化 支架 吊耳

1 前言

隨著國家對超載治理的日趨嚴格，汽車輕量化技術越來越受到人們的重視。本文以汽車板簧支架及吊耳為例，運用TRIZ理論進行分析，以其實際問題抽象為工程技術參數，確定優化的參數與惡化的參數以及二者之間的矛盾，應用矛盾矩陣找到解決問題的相關發明原理，提出對其輕量化化設計的思路。使用TRIZ理論，可通過對設計中遇到的問題進行抽象及模型化，引導設計人員應用現有的設計方法，快速得出相應的解決方案，節約了大量試驗和探索的時間。

2 TRIZ理論簡介

TRIZ是俄文“發明問題解決理論”單詞的詞頭縮寫，英文縮寫為TIPS（theory of inventive problem solving)[1]。TRIZ理論總結出了解決技術沖突的40條發明原理（如表1），和表示技術矛盾常用的39個通用工程參數（見表2）[2,3]，通用工程參數是TRIZ理論通過抽象得出的描述矛盾的參數。40條發明原理和39個通用工程參數的序號與它們的名稱一一對應，且是固定不變的。

表1 40條發明原理

表2 39個通用工程參數表

在產品功能實現中，經常出現技術矛盾，所謂技術矛盾是指一作用同時導致有用及有害兩種結果。經過多年的研究、分析、比較，阿奇舒勒發明了解決技術問題的矛盾矩陣（見表3）[2]，該矩陣將40條發明原理和39個通用工程參數建立了對應關系，很好地解決了設計過程中選擇發明原理的難題。

應用TRIZ理論解決問題流程大致分為4步：

a. 對待解決的實際問題作詳盡的分析并提取存在的技術矛盾；

b. 將該矛盾轉化為TRIZ法中的通用問題模型；

c. 利用TRIZ理論矛盾矩陣等得到TRIZ法提供的通用形式的解；

表3 TRIZ矛盾矩陣表（部分）

d. 把TRIZ解具體化為針對該實際問題的具體解。

TRIZ理論解決問題的流程圖如圖1所示[6]。

圖1 TRIZ理論解決問題流程

3 汽車板簧支架及吊耳優化設計的矛盾問題建立

某載貨車前懸掛系統結構圖如圖2所示，其主要由車架總成、前鋼板彈簧、前板簧前后支架、板簧吊耳、騎馬螺栓、前減振器及減振器支架等組成。

圖2 某載貨車前懸架系統簡圖

其中，板簧的前、后支架分別鉚接在車架上，該支架承受載荷和各種沖擊力，為了保證其具有較強的承載和受沖擊能力，往往將其結構設計得十分結實，過于保守，如圖3所示。

圖3 板簧后固定支架及吊耳

為降低板簧質量，進行結構優化，以板簧的后固定支架（前固定支架也可）及板簧吊耳為例，對其在實際使用中的工況進行分析，將其涉及的相關參數按TRIZ理論的通用工程參數進行描述，并轉換為技術矛盾，即確定受載荷及沖擊時，哪些通用工程參數需要改善，同時哪些通用工程參數發生了惡化。對板簧的后固定支架及吊耳進行輕量化設計，主要是減小其質量和改變其形狀結構。用TRIZ理論的通用工程參數描述，分兩個方面：

a. “運動物體的質量”(No.1)改善，相應的其所受的“應力”(No.11)、“強度”(No.14)將會變得惡化；

b. 物體的“形狀”(No.12)改善，同樣地其“應力”(No.11)、“強度”(No.14)將會發生惡化。

應用TRIZ矛盾矩陣表可以找到解決此技術矛盾的思路和方法，矛盾矩陣表如表4所示。

表4 矛盾矩陣表（部分）

4 基于 TRIZ理論對支架及吊耳優化設計

從TRIZ矛盾矩陣表查出“運動物體的質量”(No.1)改善，導致“應力和壓力”(No.11)、“強度”(No.14)惡化的發明原理序號為：（10、36、37、40）和（28、27、10、40）；“形狀”(No.12)改善，導致“應力和壓力”(No.11)、“強度”(No.14)惡化的發明原理序號為：（34、15、10、14）和（30、14、10、40），將四組發明原理整理得：10、14、15、18、27、30、36、37、40共9個。對得到的9個發明原理的釋義如表5所示。

表5 發明原理及釋義

根據板簧后固定支架及吊耳的使用工況及結構特點，對圖3(a)、(b)的9個發明原理進行分析，其中(a)只有第“40”條發明原理能滿足要求，改善物體的材料，可使用機械性能更好的材料；對于(b)有第“14”和“40”條發明原理滿足要求，將前固定支架及吊耳外形進行曲面化等。綜合發明原理的第“14”和“40”條，對其結構進行曲面化設計和改變其使用的材料，是有效可行的方案，其他發明原理不可用。

曲面化設計就是拓撲優化設計，以安裝及配合等尺寸不變為約束條件，將支架和吊耳進行結構拓撲分析，結合有限元分析，經過多輪優化，去掉不必要部分，通過對其形狀和結構的變化，最終得出比較理想的結構件，如圖4所示。

圖4 板簧后固定支架及吊耳優化前后對比

優化前后的板簧后固定支架及吊耳質量如表6，可見降重效果良好。

表6 優化前后的質量對比

筆者理解的復合材料包括：非金屬組合、非金屬和金屬組合、金屬中含有其他材料的合金材料等各類復合材料。原設計的支架及吊耳材料采用的是球墨鑄鐵QT450-10，筆者將其改為鑄鋼材料ZGD650-830，使支架及吊耳的機械性能得到較大提高，如表7所示。

表7 材料及性能指標

為實現結構的制造可行性，對零部件的鑄造工藝進行優化，由原結構的砂型鑄造改為精密熔模鑄造，在提高了零部件鑄造精度、表面質量的同時，也減少了鑄造余量，降低了機加工量，使零部件成本比原成本降低了20%左右。

5 優化后結果分析

為了驗證優化后板簧后固定支架及吊耳是否滿足承載能力和使用要求，對其進行了有限元分析，根據車輛的實際運行工況進行加載，對板簧后固定支架施加垂向載荷、縱向載荷以及側向載荷的復合工況載荷，對吊耳施加垂向載荷和側向載荷的復合工況載荷，載荷約束施加如圖5所示。

圖5 載荷施加示意圖

優化前后的CAE分析應力及安全系數對比，如圖6和表8所示。

最大主應力，MPa 安全系數優化前優化后優化前優化后板簧后固定支架89.09156.413.484.15吊耳89.39197.603.463.29名稱

由表8可知，經過有限元分析，優化后的板簧后固定支架及吊耳能夠滿足使用要求。

前面通過有限元法定量分析優化后的結構件是否滿足設計要求，也可以定性地分析構件優化的合理性。在TRIZ理論中提出了“最終理想解(IFR)”的概念，在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解（ideal final result，IFR），以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中，沿著此目標前進并獲得最終理想解。一般遵循兩個步驟：a. 想象理想最終結果，b. 考慮如何得到理想最終結果。

最終理想解有4個重要特征[2]：

a. 保持了原系統的優點；

b. 消除了原系統的不足：

c. 沒有使系統變得更復雜；

d. 沒有引入新的缺陷等。

可以用最終理想解的4個特征作為評價標準，來判定板簧后固定支架及吊耳優化的合理性，優化后的板簧后固定支架及吊耳保持了其原有的功能，減輕了質量，消除了臃腫的結構，其結構沒有變得復雜，與其他件裝配和連接也沒有改變。經過有限元分析，沒有產生使其安全系數變得偏小等新的缺陷。由此可知，優化后的零件達到了“最終理想解”，是合理的。將優化后的板簧后固定支架及吊耳裝車后，在試驗場進行了大量的可靠性試驗驗證，試驗結果表明，優化后的產品完全能夠滿足使用要求，現已大批量裝車投入使用，并取得了很好的經濟效益。

6 結語

以板簧后固定支架及吊耳作為分析對象，用TRIZ理論針對設計的輕量化問題能夠快速準確地得出解決方案，即結構的曲面化和采用復合材料。通過拓撲結構分析和調整零件使用的材料，可以取得很好的輕量化效果。可見，利用TRIZ理論能夠很好地解決工程中一些技術矛盾，為設計人員在產品設計或創新中提供了一種行之有效的思路和方法，能有效地輔助產品的創新設計。目前這種創新的方法在其他行業中已經有廣泛的應用，在汽車產品設計開發中，也得到了推廣和使用[4-5,7-8]。

[1] Alshuer. G. S. 40 Principles.TRIZkeys to technical innovation[M].Worcester, MA: Technicl innovation center, 2002.

[2] 趙敏,胡鈺.創新的方法[M].北京:當代中國出版社,2008.

[3] 趙新軍.技術創新理論(TRIZ)及應用[M].北京:化學工業出版社,2004.

[4] 楊一鳴,陸懷民,郭秀榮.TRIZ理論在汽車設計中的應用研究[J].機電產品開發與創新, 2011, 24(3):35-37.

[5] 岳志勇,文竹,文宗川.基于TRIZ的自卸車卸貨穩定性研究[J].內蒙古工業大學學報, 2012, 31(1):63-67.

[6] 張簡一,郭艷玲,楊樹財等.基于TRIZ理論的產品創新設計[J].機械設計,2009.26(2):35-38.

[7] 苗新強,任工昌,劉丹.基于TRIZ效應理論的機電產品創新設計研究[J].機械設計與制造,2010(7):254-255.

[8] 劉江南,劉秋平.基于沖突分析的工程車路面除雪裝置創新研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2011.38(6):33-37.

Lightweight Design of Automobile Suspension Bracket Based on TRIZ Theory

ZHOU Fu-geng et al

The concept of TRIZ theory was expounded, which core theory was to completely solve the contradiction problem and achieve the finally ideal solution. The 40 innovation elements, 39 general engineering parameters and contradiction matrix was introduced , and the process of solving the innovation and design problem used the TRIZ theory. A truck suspension rear bracket and shackle was lightweight designed by the theory. Abstracted the engineering technique parameters from the actual questions, obtained the optimized and the worsen parameters and the confliction between the each other, and then, found the invent principle of the problem solving by the used of the contradiction matrix. The optimized result was reasonable to the ideal result, which was obtained by the topology optimization and the material change, the quantitative analysis of FEA and the qualitative analysis of the four important characters of the final ideal result.

TRIZ theory; contradiction matrix; topology optimization;bracket; shackle

周福庚，男，1964年生，研究員級高級工程師，主要從事汽車產品設計開發和研究工作。

U469.2 03

A

1004-0226(2017)01-0084-04

2016-10-28