基于TRIZ原理提升汽車座椅腰部支撐機構行程

2021-04-19 07:27:56楊常群李滿賀戰磊

機械工程師 2021年4期

楊常群，李滿賀，戰磊

（長春富維安道拓汽車飾件系統有限公司，長春130033）

0 引言

目前越來越多的汽車座椅設有腰托功能，高端車型多為電動調節，中低端車型多為手動調節。目前某車型應用的腰部支撐結構為手動調節方式，具體結構如圖1所示。

結構圖1簡化為圖2，簡單描述，即閘線纏繞器受乘員手部驅動進行旋轉，閘線纏繞其上，閘線長度縮短，進而橫向和豎向鋼絲向前平移，起到腰部支撐的作用。實際上，當乘員加載到最大旋轉角度時（如圖3），鋼絲向前的最大行程只能達到20 mm，不能達到要求值（30 mm），導致乘員乘坐舒適性不佳。

圖1 手動腰部支撐結構圖

圖2 手動腰部支撐結構簡化圖

1 TRIZ理論介紹

TRIZ是發明問題解決理論的簡稱，是由蘇聯的科學家、發明家根里奇-阿奇舒勒（G. S. Altshuller）于1946年創立的一門理論。TRIZ是研究人員在研究分析了200多萬項高水平的專利后，發現了發明背后存在的某種規律和模式，又經過研究人員研究和驗證，最終形成的一套研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則。

圖3 手動腰部支撐機構行程不足

TRIZ理論體系如圖4所示，有多種工具用于分析問題、解決問題[3]。TRIZ解決實際工程問題時，一般流程如圖5所示，即：先將行業問題轉化為TRIZ語言的問題模型，再使用TRIZ工具解題，得到方案的模型，方案還需要結合應用行業內外的專業知識，才能得到最終的解決方案，本文將使用部分圖4的典型工具，根據圖5的流程，解決手動腰部支撐結構行程不足的問題。

圖4 TRIZ的理論體系

2 利用TRIZ理論優化腰部支撐機構行程

2.1 問題描述

本系統為“座椅腰部支撐系統”，系統功能為“實現要求的變形”，系統的問題是變形的程度過小（20 mm）,對新系統的技術要求是：增加變形程度，≥30 mm。

2.2 最終理想解（IFR）

最終理想解是創造性思維的方法，能夠達到最終理想解（IFR）的系統的一種表述就是：作為物理實體不存在，卻能實現所有必要的功能。對于本系統，IFR就是腰部支撐結構能自行調整到所需位置。利用IFR得到技術方案如下：1）方案1。通過聲音識別系統識別乘客發出的指令，將指令轉化為信號通過電子控制系統驅動支撐結構的調節。2）方案2。通過腦電波接收系統接收乘客的腦電波并分析出指令，將大腦指令轉化為信號，通過電子控制系統驅動支撐結構的運動。

整機測試儀（whole device tester，WDT）：根據被測保護裝置的產品特點，采用基于統一測試模型配置文件快速構建整機測試模型，并有測試主程序按照測試模型來輸出電氣量（如模擬量和開關量），同時自動檢測裝置開入量和軟報文并實時判斷，來進行整機測試的架構思想，開發整機測試儀[13]。整機測試儀根據智能測試控制中心提供的整機測試能力描述文件ID號對保護裝置進行測試，測試內容包含開入測試，開出測試，通信接點測試等硬件測試，并將測試狀態實時反饋給智能測試控制中心。

2.3 資源分析

九屏幕法是從結構、時間及因果關系的角度對問題進行分析，即分析系統、超系統及子系統的不同時間的可用資源。本系統的九屏幕圖如圖6所示。

圖5 TRIZ的一般解題模式及流程

圖6 九屏幕法

根據資源分析得到方案3、方案4。如圖7所示，方案3使用鎂合金一體壓鑄座椅骨架，一體成型出靠背支撐，在腰部區域安裝氣袋，利用控制開關通過調節氣泵使氣袋充氣，實現對乘客腰部的支撐。

如圖8所示，方案4在聚氨酯泡沫內嵌高密度EPP泡沫，通過手柄驅動彎曲鋼絲旋轉，進而驅動EPP泡沫向前移動。

2.4 功能分析

系統的功能模型圖是由系統組件和組件中相互作用關系構成，可以揭示存在問題的功能和組件及相互作用關系。系統功能模型如圖9所示，可以看出，橫向鋼絲、豎向鋼絲和豎桿的運動受到有害的限制，同時閘線纏繞器和閘線掛鉤及閘線套管和卡接接頭對于閘線的作用力是不足的。

圖7 方案3

圖8 方案4

圖9 功能分析圖

根據價值分析，將價值較低的幾個零件用新的組件替換，得到更新的功能分析圖如圖10所示，得到方案5（如圖11），使用凸輪和固定于凸輪上的彎曲鋼絲代替原來的閘線系統。

圖10 新功能分析圖

實現方法：手柄旋轉帶動凸輪旋轉，進而帶動此彎曲鋼絲旋轉，推動豎向鋼絲移動。

2.5 根原因分析

根原因分析是調查問題的重要方法，找出問題的真正原因，并依此提出改正和預防的措施，防止同類事故再次發生。根原因分析的工具有很多，如5Why法、魚骨圖法、因果鏈法等，本問題采用因果鏈法進行根原因分析，如圖12所示。造成問題的根本原因有以下4點：1）閘線纏繞器直徑小；2）閘線收拉變形伸長；3）橫向鋼絲固定于骨架上，受骨架限制；4）豎向鋼絲強度大。

圖11 方案5

圖12 根原因分析

2.6 技術沖突

在解決問題時經常遇到的情況是：提高產品某些性能時，可能影響相關聯的零部件，可能使另一些方面的性能受到負面影響，這就是TRIZ理論描述的技術沖突[4]。

1）技術沖突1。根據根因果分析，腰部支撐行程不足的原因之一是纏繞器直徑小，增大其直徑能夠改善問題，但是會造成結構質量增加。用通用的技術參數描述，即改善的參數是運動物體的長度，惡化的參數是運動物體的質量。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理是：8.質量補償原理；15.動態特性原理；29.氣壓和液壓結構原理；34.拋棄或再生原理。根據“29.氣壓和液壓結構原理”，得到方案6：將纏繞器零件尺寸增大的同時，采用微孔發泡技術注塑成型閘線纏繞器，使成品密度降低、結構增大同時質量增加有限。

圖13 方案6

2）技術沖突2。根據因果分析，增加閘線的強度能夠減少閘線變形的損耗，有利于改善問題。但是會導致閘線難以彎曲，惡化調節手柄時的力。用通用的技術參數描述，即改善的參數是強度，惡化的參數是力。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理是：10.預先作用；18.機械振動原理；3.局部質量原理；14.曲面化原理。根據“3.局部質量原理”得到方案7：將閘線改為分段設計，A段閘線鋼絲保持不變，仍可以順利變形，B段鋼絲材料由普通鋼材改為強度更高的鋼材，受拉力時閘線應變減小，改善問題。

圖14 方案7

3）技術沖突3。根據因果分析，如果橫鋼絲不再掛接到骨架上，鋼絲變形時將不再受骨架約束，改善使鋼絲變形的力，但是會導致座椅受沖擊時承受外力的能力下降。用通用的技術參數描述，即改善的參數是力，惡化的參數是強度。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理是：35.物理或化學參數改變原理；10.預先作用原理；14.曲面化原理；27.廉價替代品原理。根據“14.曲面化原理”，得到方案8：將橫鋼絲骨架掛接處設計為螺旋狀，有利于減小橫鋼絲向前運動時所受約束力，同時對強度影響很小。

4）技術沖突4。根據因果分析，將豎鋼絲強度降低，能夠降低使鋼絲變形的力，但是會影響抵抗破壞的能力。用通用的技術參數描述，即改善的參數是力，惡化的參數是強度。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發明原理是：35.物理或化學參數改變原理；10. 預先作用原理；14. 曲面化原理；27.廉價替代品原理。根據“35.物理或化學參數改變原理”，得到方案9：根據理論計算，將BC之間的距離減小有利于解決問題，將豎鋼絲的結構按圖16右圖更改，卡接部分距離減小。

2.7 物理沖突

對系統中某一個參數，提出兩種不同的或者說相反的要求，即為物理沖突。

1）物理沖突1。根據因果分析，為了使橫鋼絲受力易變形，需要橫鋼絲的強度?。粸榱吮ＷC結構的強度和安全性，同時需要橫鋼絲的強度大，這是一對物理沖突。對于此物理沖突采取空間分離方法，選取“推薦原理3：局部質量原理”，得到方案10：將鋼絲簾分成上下兩部分，上部分主要保證結構的強度，下部分實現腰部支撐的調節，如圖17所示。