基于TRIZ理論的平衡軸密封改進設計

重汽（濟南）汽車部件有限公司 山東濟南 250200

重載貨車的平衡懸架系統一般由彈性元件（板簧、空氣、橡膠）、導向元件（推力桿）、平衡軸帶軸殼總成以及固定元件（騎馬螺栓、螺孔）等部分組成。根據該系統降低振動的形式，可以分為板簧懸架，橡膠懸架以及空氣懸架[1]。

TRIZ理論是發明問題解決理論，使用該理論改進現有的工作，可以在很大程度上改進工作的效率和質量[2-5]。

針對本公司現有的某型號的平衡軸，應用TRIZ理論，對系統進行了功能分析和因果分析，找出了懸架系統漏油的根本原因，利用矛盾分析獲得了TRIZ解決方案模型，找到了解決方案。

問題描述

1.技術系統功能

通過TRIZ理論中對于技術系統功能[5]的定義與概念，得到了懸架系統的SVOP：技術系統S為懸架系統，動作V吸收，作用對象O為車輪，參數P為振動。

因此，本技術系統的功能可以表述為“懸架系統吸收車輪在不平地面運動時產生的振動”。

2.技術系統工作原理

重型貨車的懸架系統主要是由板簧、平衡軸總成、推力桿以及U形螺栓組成。車輪通過不平地面時，位于不同水平位置的車橋會導致車架位置受到力的作用，尤其在載貨狀態下，通過懸架系統平衡軸總成的大支架與芯軸之間的相對旋轉，使得車架平行于地面，不受到除正常荷載以外的其他因位置變化而產生的力的作用。

3.問題現狀描述

通過對該技術系統的功能和工作原理的闡述可知，懸架系統的主要作用是承擔車輪在不同地面運動時產生的振動，而懸架系統中的芯軸與大支架之間良好的運轉是懸架系統正常工作的前提。

但是車輛在涉水工況或環境惡劣（如泥沙飛揚等）時，會導致懸架系統的大支架與芯軸安裝的部位槽有大量泥沙堆積的現象。而在車輛繼續行駛過程中，由于懸架系統在車輛整體運動的作用下，泥沙與芯軸軸套會有一定的磨損，長時間會導致懸架系統內的軸承密封性不良，產生磨損，導致懸架系統出現故障，車輛無法實現減振作用，主要表現為軸承進水后油脂失效或油液泄漏。油液泄漏后，車輛經過不平整路面時懸架系統會發出異響，需要更換平衡軸總成，嚴重時懸架系統的減振作用完全失效，車架車橋整體受損，只能進行大修。如圖1所示為懸架系統故障圖。

圖1 懸架系統磨損漏油

問題分析

1.懸架系統功能分析

懸架系統的主要功能為吸收車輪振動，其系統組件，見表1。

表1 懸架系統系統組件表

通過各系統組件的相互作用繪制功能模型圖，如圖2所示。

圖2 系統功能模型

通過構建系統功能模型圖[6]進行分析，描述懸架系統組件及其之間的相互關系，確定了導致問題存在的功能因素。

系統中所有的負面功能如下：積累的泥沙與軸承的相對運動，導致密封件損壞——有害作用；密封件和芯軸對油液的密封作用不足——不足作用。

2.問題分析

通過系統組件的相互作用繪制的功能模型圖僅能發現該系統的負面功能，為了研究系統發展變化的因果關系，抓住系統發展變化的主要矛盾（內因）和次要矛盾（外因/條件）的關系，還需對系統進行因果分析（見圖3）。

圖3 懸架系統因果分析

通過因果分析，確定了本系統問題產生的根本原因是：

1）設計想法欠缺。

2）提高油液黏油特性研發成本高。

3）工作環境溫度高。

4）設計研發少。

5）供應商加工能力不足。通過系統的功能分析和因果分析，在一定程度上發現了導致該懸架系統的失效的原因，為下面的問題解決提供了前提。

問題解決

1.物-場模型及標準解

根據TRIZ理論，一般認為兩個物體之間的作用都可用兩個物質（對象物質和工具物質）和一個基本場的形式來描述。針對問題分析得出的結論，構建懸架系統的初始物-場模型，如圖4所示。

圖4 物-場分析模型

根據系統初始物-場模型，確定系統的物-場模型為有害的完整模型。對于此類型系統，必須保留或進一步擴大有益作用，并對有害作用設法予以消除。

一般以下方法：根據標準解中的S1.2.1引入第二個場來抵抗有害作用，在泥沙堆積的平衡軸總成位置增加一個場，使得泥沙無法作用于密封件上，如圖5所示。

圖5 物-場分析解決方案

2.運用科學效應及知識庫

科學效應是在科學理論的指導下，實施科學現象的結果，簡單來說就是按照已有的科學知識規定的原理將輸入量轉化為輸出量，用以實現相應的功能。根據問題分析，確定了系統最主要的負面功能為泥沙和密封件的磨損，想要消除負面功能，需要實現的功能為消除接觸。提煉欲改變的系統功能：提高使用壽命和可靠性。查詢知識庫并獲得結果：莫比烏斯環、改變接觸面積和選擇特殊形狀。

運用以上的發明原理，可以得到如下概念方案：

方案1：利用改變接觸面積效應，在平衡軸最外端加上防護套，使得泥沙不能直接落入平衡軸與密封圈接觸位置。

方案2：利用選擇特殊形狀效應，改變平衡軸整體形狀，使得泥沙不易堆積。

3.技術矛盾與矛盾矩陣

對于TRIZ來說，矛盾是發明問題的核心，實現發明就必須抽取矛盾，將一個多樣化的具體問題轉化為規范的典型問題。

本系統的存在的技術矛盾可以表述為：為了改善“泥沙等外來有害物質對系統的影響”，導致“系統的使用壽命降低”。

選擇技術矛盾參數組合以及查詢所得發明原理見表3。

表3 技術矛盾解決方案

根據矛盾矩陣，得到了對應的發明原理，并運用以上的發明原理，可以得到如下的概念方案：

方案1：運用發明原理15（動態性原理），得到新方案，即：在平衡軸總成上添加一個保護罩，在工作環境惡劣（泥沙飛揚等工作場合）條件下，對平衡軸總成部位進行保護，防止泥沙在平衡軸總成的密封件累積。

方案2：運用發明原理35（狀態和參數變化），得到新方案，即：通過對密封件進行硫化，提高密封件的強度和耐久性，改善整體性能。

方案3：運用發明原理24（中介原理），得到新方案，即：在軸承上面開槽，在凹槽位置添加一個材料為丁腈橡膠的O形圈，使泥沙與平衡軸總成分離。

方案4：運用發明原理21（急速作用原理），得到新方案，即：在平衡軸總成易累計泥沙的位置，安裝一個小型的高壓噴水裝置，在車輛熄火停下時，對該位置進行高壓噴水，清除該位置的泥沙。

方案5：運用發明原理4（不對稱原理），得到新方案，即：在平衡軸總成的上部，不采用與下部一樣的結構。采用的結構使得總成安裝完成后，該位置沒有縫隙使得泥沙落下。

方案6：運用發明原理3（局部特性原理），得到新方案，即：對于平衡軸總成的密封件外部（與泥沙接觸的位置）進行特殊材料處理，使其有著更好的材料特性。

4.物理矛盾

通常在TRIZ中，認為技術矛盾和物理矛盾是兩個分類。物理矛盾是指為了實現系統的某種功能，對同一個對象的同一個工程參數提出了互斥的要求[7]。

在對系統的進一步分析中，發現密封件的物理屬性存在物理矛盾。當密封件外部的強度和剛度增加時，密封件不容易被磨損失效，由于現在重載車輛的輕量化發展，密封件強度和剛度的增加，會導致其質量也增加。因此本系統存在“質量”的相反要求，轉化為參數語言可以描述為：密封件既要耐磨，也要質量輕。4個分離原理與40條發明創新原理的對應見表4。

表4 物理矛盾與發明原理的對應關系

結語

通過對技術可行性、成本以及技術矛盾與物理矛盾的分析，確定了發明原理24（中介原理）為基礎的方案3作為最終實現方案：在軸承上面開槽，在凹槽位置添加一個材料為丁腈橡膠的O形圈，使泥沙與平衡軸總成分離。通過公司數據分析，改進之后的懸架系統性能穩定，售后維修顯著減少。