基于TRIZ理論優化卡車座椅高調鎖止裝置

劉春萌，董娟，薛冰洋，馮印，魏嘉成

（1.長春一汽富晟李爾汽車座椅系統有限公司，吉林 長春 130013；2.吉林大學材料科學與工程學院，吉林 長春 130025）

前言

目前轎車座椅高度調節機構一般采用高調器鎖止，原理是利用摩擦力鎖止。但卡車路況較為惡劣，采用轎車的高調器有下沉的風險，因此需設計一種更為可靠的高度調節機構及鎖止裝置。

通過調查發現，目前市場上有兩大類卡車座椅高調機構，一種是由多個小連桿構成的高調機構（如圖1、圖2），一種是利用剪刀支架構成的高調機構（如圖3、圖4）。

小連桿式高調機構，需通過兩個手柄分別調節座椅的前部和后部，必須經過兩次調節才能到達指定高度，操作過程較復雜。

剪刀支架式高調機構，僅需調節一次即可到達指定高度，操作便捷；并且可借用卡車懸浮座椅已有的成熟剪刀支架結構。即高度調節機構可以通用，僅需重新設計鎖止裝置即可，既可節省工裝投入，又可降低設計及生產的風險。

基于上述調查，在現有剪刀支架結構上，設計了一套高調機構的鎖止裝置，如圖5所示。此方案工作原理是利用剪刀支架的運動軌跡調節座椅高度，到達想要的高度后，利用解鎖銷和限位孔進行鎖止。

圖1 小連桿式高調機構結構舉例

圖2 小連桿式高調機構運動原理

圖3 剪刀支架式高調機構示意圖

圖4 剪刀支架式高調機構運動原理

但圖5所示鎖止裝置的檔位間距過大，每調節一檔，高度變化15mm以上，原因是強度要求限制了限位銷、限位孔間距的尺寸。目前的檔位間距，使得乘員不易找到最舒適的高度。類似產品對比結果顯示，檔位間距若降低到10mm以下，比較容易被消費者接受。

圖5 高調及鎖止裝置示意圖

由上可知，檔位間距過大和強度之間產生沖突，常規設計往往不能很好的解決此類沖突，但應用 TRIZ[1-3]可以很好的解決上述問題。

TRIZ（發明問題解決理論），能有效解決設計過程中遇到的設計沖突和方案難以獲取等問題，已在產品設計過程中得到了廣泛的應用[4-9]。

1 TRIZ理論基本工具

TRIZ理論在項目中的應用，有多種TRIZ工具[1]可以輔助分析問題、解決問題，各工具的應用流程可參考圖6。

圖6 TRIZ工具應用參考流程

本文中，僅應用了部分 TRIZ工具，如 IFR、系統功能分析及裁剪、因果分析、沖突分析、物-場分析、進化分析等；未涉及資源分析、效應知識庫等TRIZ工具。

2 利用TRIZ理論優化高調鎖止裝置

2.1 問題描述

首先定義技術系統為“高調鎖止裝置”。技術系統的功能是“限制高調系統高度”；技術系統當前存在的主要問題是：每一檔調節行程過大（≥15mm）；對新系統的技術要求是：減小檔位間距（＜10mm）。

2.2 IFR

運用 TRIZ解決問題，在對問題進行具體分析之前，首先應當理解并應用技術系統的 IFR，即最終理想結果（Ideal Final Result），來打破思維定勢。

本研究中，技術系統的IFR是：不需要鎖止裝置，高調系統可自行停留在任意高度位置。對阻止技術系統達到 IFR的障礙進行分析，按照 TRIZ的分析方法，尋找相關資源使障礙消失，最終得到以下三個方案，如圖7所示：

圖7 IFR方案

方案1：采用可任意位置鎖止的氣撐替代現有機械彈簧；

方案2：用電機驅動替代替機械彈簧驅動；

方案 3：用氣缸驅動代替機械彈簧驅動，同時增加氣閥控制氣體通斷。

2.3 系統功能分析及裁剪

對系統的組件及組件間的作用關系，進行分析，發現限位孔、限位銷、限位孔間距、限位支架等組件之間存在相互破壞作用，產生強度風險，建立組件模型，如下圖8所示。

圖8 組件模型

系統分析后，可對有害作用處進行裁剪，得到新的組件模型，如圖9；通過新的組件模型，得到一個裁剪后的方案，但此方案強度風險大，因此未列舉。

圖9 裁剪后的組件模型

2.4 因果分析

分析問題產生的原因，用標準語言表述，如圖10。

此處找到三個入手點，通過改變解鎖銷材料、限位支架材料、用機加工藝代替沖壓工藝制造限位支架等方案，可改善檔位間距，但僅實施這些方案效果有限，因此不一一列舉。

2.5 沖突分析

2.5.1 技術沖突

技術沖突 1：通過因果分析得知，若不改變材料，而將板材厚度從3mm增加到5mm可以增加板材的強度，但是帶來的問題是，沖壓工藝難以制造。即改進了強度，惡化了制造工藝。

圖10 原因鏈

用TRIZ的通用技術參數描述，改善的參數是：強度；惡化的參數是：可制造性。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創新原理：NO.11事先防范、NO.3局部質量、NO.10預先作用、NO.32顏色改變。在NO.3局部質量原理的提示下，得到以下方案：

方案 4：限位支架厚度不變，仍然用沖壓工藝生產，但是針對有孔的部位，通過焊接使其變成兩層板材，增加局部強度。

技術沖突 2：通過因果分析得知，若不改變材料，可通過減小解鎖銷直徑來減小檔位間距，但是帶來的問題是，強度不足。即改進了直徑，惡化了強度。

用TRIZ的通用技術參數描述，改善的參數是：靜止物體的長度；惡化的參數是：強度。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創新原理：NO.15動態特性、NO.14曲面化、NO.28機械系統替代；NO.26復制。在NO.26復制原理的提示下，得到以下方案。

方案 5：將兩個直徑較小的解鎖銷焊接，替代目前的解鎖銷，如圖11；

方案 6：用帶有兩個腳的沖壓件，替代目前的解鎖銷，如圖12。

圖11 方案5

圖12 方案6

技術沖突 3：通過因果分析得知，若不改變材料，可通過減小限位孔間距減小檔位間距，但是帶來的問題是，強度不足。即改進了檔位間距，惡化了強度。

用TRIZ的通用技術參數描述，改善的參數是：靜止物體的長度；惡化的參數是：強度。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創新原理：NO.15動態特性、NO.14曲面化、NO.28機械系統替代、NO.26復制。在NO.26復制原理的提示下，得到以下方案：

方案 7：限位孔及限位支架從一列增加到兩列，錯位排列，分布在定位銷的兩側；同時，限位銷從一個增加到兩個，使其總有一個可以進入孔里，如圖13。

方案8：與方案7類似，但不復制限位支架，如圖14。

圖13 方案7

圖14 方案8

通過分析并解決限位支架強度和可制造性、解鎖銷的直徑和強度、限位孔間距和強度等3個技術沖突，得到了5個方案，均可減小鎖止裝置的檔位間距，并且不惡化可制造性，或強度。

2.5.2 物理沖突

物理沖突：通過原因分析得知，若不改變材料，減小檔位間距要求減小解鎖銷直徑，增加解鎖銷強度又要求增加解鎖銷直徑。要求解鎖銷直徑既大又小，為物理矛盾。

圖15 方案9

對其進行分析，發現調節高度時，要求檔位間距小、解鎖銷直徑小，而鎖止時，要求強度高，此時解鎖銷直徑需要大。調節和鎖止的時間段不同，可以應用時間分離原理。時間分離原理常用的創新原理如下：NO.15動態特性、NO.10預先作用、NO.19周期性動作、NO.21減少有害作用的時間、NO.9預先反作用等。在NO.15動態特性原理的提示下，得到以下方案。

方案9：在方案7所示的兩排限位孔之間，設計小尺寸軌道；限位銷做成臺階狀，直徑小的部位可以在軌道中運動，到達鎖止孔處后，由直徑大的部位鎖止。

通過分析并解決解鎖銷直徑既大又小的物理沖突，根據時間分離常用的創新原理，得到1個方案，可以減小檔位間距。

2.6 物-場分析

從整體來看，鎖止裝置，通過機械場限制了高調系統的位置，但間距過大，控制性不足，可建立組件模型 2，如圖16所示。

圖16 組件模型2

圖17 物-場模型及方案10、11

依據組件模型2的作用關系，建立物-場模型1。通過應用標準解 2.4.2-應用更可控的場、應用鐵磁材料，增強原有物-場模型的可控性，得到改進的物-場模型2。另外，還可應用標準解2.2.1-應用更可控的場，代替原來不容易控制的場，應用氣動控制，得到新的物-場模型3。對應的方案如下所示。

方案 10：采用電磁鐵銷+限位支架，通過電流通斷控制磁場作用，可以使檔位間距為0mm，達到無級鎖止。

方案 11：采用真空吸盤+真空泵，可以使檔位間距為0mm，達到無級鎖止。

通過物-場分析，得到方案10、方案11兩個方案，均可以消除檔位間距，達到無級鎖止。

2.7 進化分析

原方案為一個直徑較大的銷，方案7為2個較小的銷，方案11為氣體控制，方案10為場控制，符合向微觀級進化路線[1]。根據此進化路線的特征，找到了以下方案。

圖18 向微觀級進化路線

方案 12：在 “多個部分”提示下，得到多齒嚙合的方案。按壓手柄，原解鎖銷部分向外側旋轉，與原限位孔部分脫離，解鎖；釋放手柄，兩部分重新嚙合，鎖止。

表1 方案匯總及評價

方案 13：在 “液體”提示下，得到液壓頂桿的方案。解鎖銷和限位支架表面做成粗糙表面，液壓頂桿提供的力足夠大，可利用摩擦力實現無級鎖止。

通過進化分析，得到2個方案，其中方案12可減小檔位間距，方案13可消除檔位間距。

2.8 方案評價

對上述方案從改進效果、強度風險、制造可行性、工裝成本、產品成本進行評分，根據實際情況對各項分數進行加權計算，結果如下圖所示。方案8評分最高，方案5、6、1、9次之。

3 應用實例

對方案8進行優化后，完整結構如圖19所示，其檔位間距可以達到7.5mm，滿足設計要求。另外，在市場上可找到與方案1、方案3原理相同的產品，均為無級調節，即檔位間距為0mm。

圖19 優化后的方案8

4 結論

運用TRIZ工具對高調鎖止裝置檔位間距過度的問題進行分析后，在其提示下找到了13個解決方案，其中有3個方案（方案1、3、8）已經過驗證可以滿足目標，另有2個方案（方案6、9）值得進一步優化。