基于TRIZ原理提升汽車座椅腰部支撐機(jī)構(gòu)行程

楊常群， 李滿賀， 戰(zhàn)磊

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春130033）

0 引言

目前越來越多的汽車座椅設(shè)有腰托功能，高端車型多為電動調(diào)節(jié)，中低端車型多為手動調(diào)節(jié)。目前某車型應(yīng)用的腰部支撐結(jié)構(gòu)為手動調(diào)節(jié)方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)構(gòu)圖1簡化為圖2，簡單描述，即閘線纏繞器受乘員手部驅(qū)動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，閘線纏繞其上，閘線長度縮短，進(jìn)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(dāng)乘員加載到最大旋轉(zhuǎn)角度時（如圖3），鋼絲向前的最大行程只能達(dá)到20 mm，不能達(dá)到要求值（30 mm），導(dǎo)致乘員乘坐舒適性不佳。

圖1 手動腰部支撐結(jié)構(gòu)圖

圖2 手動腰部支撐結(jié)構(gòu)簡化圖

1 TRIZ理論介紹

TRIZ是發(fā)明問題解決理論的簡稱，是由蘇聯(lián)的科學(xué)家、發(fā)明家根里奇-阿奇舒勒（G. S. Altshuller）于1946年創(chuàng)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(fā)現(xiàn)了發(fā)明背后存在的某種規(guī)律和模式，又經(jīng)過研究人員研究和驗證，最終形成的一套研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則。

圖3 手動腰部支撐機(jī)構(gòu)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(yè)問題轉(zhuǎn)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(jié)合應(yīng)用行業(yè)內(nèi)外的專業(yè)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(jù)圖5的流程，解決手動腰部支撐結(jié)構(gòu)行程不足的問題。

圖4 TRIZ的理論體系

2 利用TRIZ理論優(yōu)化腰部支撐機(jī)構(gòu)行程

2.1 問題描述

本系統(tǒng)為“座椅腰部支撐系統(tǒng)”，系統(tǒng)功能為“實現(xiàn)要求的變形”，系統(tǒng)的問題是變形的程度過小（20 mm）,對新系統(tǒng)的技術(shù)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(chuàng)造性思維的方法，能夠達(dá)到最終理想解（IFR）的系統(tǒng)的一種表述就是：作為物理實體不存在，卻能實現(xiàn)所有必要的功能。對于本系統(tǒng)，IFR就是腰部支撐結(jié)構(gòu)能自行調(diào)整到所需位置。利用IFR得到技術(shù)方案如下：1）方案1。通過聲音識別系統(tǒng)識別乘客發(fā)出的指令，將指令轉(zhuǎn)化為信號通過電子控制系統(tǒng)驅(qū)動支撐結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。2）方案2。通過腦電波接收系統(tǒng)接收乘客的腦電波并分析出指令，將大腦指令轉(zhuǎn)化為信號，通過電子控制系統(tǒng)驅(qū)動支撐結(jié)構(gòu)的運動。

整機(jī)測試儀（whole device tester，WDT）：根據(jù)被測保護(hù)裝置的產(chǎn)品特點，采用基于統(tǒng)一測試模型配置文件快速構(gòu)建整機(jī)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(guān)量），同時自動檢測裝置開入量和軟報文并實時判斷，來進(jìn)行整機(jī)測試的架構(gòu)思想，開發(fā)整機(jī)測試儀[13]。整機(jī)測試儀根據(jù)智能測試控制中心提供的整機(jī)測試能力描述文件ID號對保護(hù)裝置進(jìn)行測試，測試內(nèi)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(tài)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(jié)構(gòu)、時間及因果關(guān)系的角度對問題進(jìn)行分析，即分析系統(tǒng)、超系統(tǒng)及子系統(tǒng)的不同時間的可用資源。本系統(tǒng)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(jù)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(qū)域安裝氣袋，利用控制開關(guān)通過調(diào)節(jié)氣泵使氣袋充氣，實現(xiàn)對乘客腰部的支撐。

如圖8所示，方案4在聚氨酯泡沫內(nèi)嵌高密度EPP泡沫，通過手柄驅(qū)動彎曲鋼絲旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動EPP泡沫向前移動。

2.4 功能分析

系統(tǒng)的功能模型圖是由系統(tǒng)組件和組件中相互作用關(guān)系構(gòu)成，可以揭示存在問題的功能和組件及相互作用關(guān)系。系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)。

圖10 新功能分析圖

實現(xiàn)方法：手柄旋轉(zhuǎn)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動此彎曲鋼絲旋轉(zhuǎn)，推動豎向鋼絲移動。

2.5 根原因分析

根原因分析是調(diào)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(yù)防的措施，防止同類事故再次發(fā)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(jìn)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(qiáng)度大。

圖11 方案5

圖12 根原因分析

2.6 技術(shù)沖突

在解決問題時經(jīng)常遇到的情況是：提高產(chǎn)品某些性能時，可能影響相關(guān)聯(lián)的零部件，可能使另一些方面的性能受到負(fù)面影響，這就是TRIZ理論描述的技術(shù)沖突[4]。

1）技術(shù)沖突1。根據(jù)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(jié)構(gòu)質(zhì)量增加。用通用的技術(shù)參數(shù)描述，即改善的參數(shù)是運動物體的長度，惡化的參數(shù)是運動物體的質(zhì)量。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發(fā)明原理是：8.質(zhì)量補(bǔ)償原理；15.動態(tài)特性原理；29.氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理；34.拋棄或再生原理。根據(jù)“29.氣壓和液壓結(jié)構(gòu)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(fā)泡技術(shù)注塑成型閘線纏繞器，使成品密度降低、結(jié)構(gòu)增大同時質(zhì)量增加有限。

圖13 方案6

2）技術(shù)沖突2。根據(jù)因果分析，增加閘線的強(qiáng)度能夠減少閘線變形的損耗，有利于改善問題。但是會導(dǎo)致閘線難以彎曲，惡化調(diào)節(jié)手柄時的力。用通用的技術(shù)參數(shù)描述，即改善的參數(shù)是強(qiáng)度，惡化的參數(shù)是力。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發(fā)明原理是：10.預(yù)先作用；18.機(jī)械振動原理；3.局部質(zhì)量原理；14.曲面化原理。根據(jù)“3.局部質(zhì)量原理”得到方案7：將閘線改為分段設(shè)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(qiáng)度更高的鋼材，受拉力時閘線應(yīng)變減小，改善問題。

圖14 方案7

3）技術(shù)沖突3。根據(jù)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(dǎo)致座椅受沖擊時承受外力的能力下降。用通用的技術(shù)參數(shù)描述，即改善的參數(shù)是力，惡化的參數(shù)是強(qiáng)度。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發(fā)明原理是：35.物理或化學(xué)參數(shù)改變原理；10.預(yù)先作用原理；14.曲面化原理；27.廉價替代品原理。根據(jù)“14.曲面化原理”，得到方案8：將橫鋼絲骨架掛接處設(shè)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(qiáng)度影響很小。

4）技術(shù)沖突4。根據(jù)因果分析，將豎鋼絲強(qiáng)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(shù)參數(shù)描述，即改善的參數(shù)是力，惡化的參數(shù)是強(qiáng)度。通過查詢矛盾矩陣，推薦的發(fā)明原理是：35.物理或化學(xué)參數(shù)改變原理；10. 預(yù)先作用原理；14. 曲面化原理；27.廉價替代品原理。根據(jù)“35.物理或化學(xué)參數(shù)改變原理”，得到方案9：根據(jù)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(jié)構(gòu)按圖16右圖更改，卡接部分距離減小。

2.7 物理沖突

對系統(tǒng)中某一個參數(shù)，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(jù)因果分析，為了使橫鋼絲受力易變形，需要橫鋼絲的強(qiáng)度小；為了保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性，同時需要橫鋼絲的強(qiáng)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(zhì)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，下部分實現(xiàn)腰部支撐的調(diào)節(jié)，如圖17所示。

圖15 方案8

圖16 方案9

2）物理沖突2。根據(jù)因果分析，為了使閘線受拉力時應(yīng)變小，要求閘線的強(qiáng)度大；為了保證閘線在纏繞上實現(xiàn)彎曲，要求閘線的強(qiáng)度小，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1：分割原理”，得到方案11：參考鏈條形式，將閘線改為多節(jié)結(jié)構(gòu)，既保證強(qiáng)度，又能順利彎曲。

3）物理沖突3。根據(jù)因果分析，為了增加閘線纏繞的長度，要求閘線纏繞器的直徑大；為了降低零件的質(zhì)量，需要閘線纏繞器的直徑小，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26：復(fù)制原理”，得到方案12：將閘線由1根改為2根，在不增加纏繞器直徑的同時，理論上可以雙倍增大閘線的拉緊量。

2.8 物場分析及標(biāo)準(zhǔn)解

阿奇舒勒通過研究，發(fā)現(xiàn)所有功能可以分解為兩個物質(zhì)及兩個物質(zhì)之間的相互作用場[5]。存在問題的物場模型可以在76個標(biāo)準(zhǔn)解中選擇恰當(dāng)?shù)慕猓玫浇鉀Q方案的物場模型，再通過挖掘其他知識工具，實現(xiàn)模型和方案的轉(zhuǎn)換。

圖17 方案10

圖18 方案11

圖19 方案12

1）物場分析1。在功能分析中，已經(jīng)識別出閘線纏繞器對于閘線的收緊作用不足（如圖20），功能模型如圖21所示。

圖20 功能分析1

圖21 功能模型1

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法，選擇“標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.2：增加物質(zhì)的分割程度”，分析得到方案與方案11相同，即鏈條多節(jié)結(jié)構(gòu)，不再贅述。

2）物場分析2。在功能分析中，已經(jīng)識別出骨架對于閘線掛鉤的固定作用是不足的（如圖22），根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解法，選擇“標(biāo)準(zhǔn)解S2.2.1：使用更可控的場”，功能模型如圖23所示，得到方案13（如圖24）：改用電動機(jī)驅(qū)動方式收緊閘線，不受乘客操作手柄的行程限制，有效增大閘線收緊長度。

圖23 功能模型2

圖22 功能分析2

2.9 進(jìn)化分析

經(jīng)典TRIZ理論有八大技術(shù)進(jìn)化法則，進(jìn)化法則可以協(xié)助設(shè)計者預(yù)測技術(shù)未來的發(fā)展[6]。根據(jù)其中的能量傳遞法則：系統(tǒng)計劃沿著縮短能量流動路徑方向發(fā)展，得到方案14（如圖25）：將腰部支撐的調(diào)節(jié)方式由旋轉(zhuǎn)改為扳動，通過杠桿原理推動支撐板向前運動。

圖24 方案13

圖25 方案14

3 方案評價

對上述方案優(yōu)缺點及技術(shù)先進(jìn)性、目前可行性進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

表1 方案匯總及評價

4 決策

根據(jù)方案對比分析結(jié)果，以及項目實際情況，最終選擇結(jié)合方案9及方案12，綜合實施，如圖26所示，腰部支撐機(jī)構(gòu)的行程可以達(dá)到30 mm以上。

5 結(jié)語

運用TRIZ工具對汽車座椅腰部支撐機(jī)構(gòu)行程不足的問題進(jìn)行分析，在提示及啟發(fā)下，共找到13個解決方案，有效解決問題。

通過本文描述的TRIZ理論在汽車座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中的應(yīng)用實例分析，認(rèn)為TRIZ理論可以用來解決汽車座椅設(shè)計的實際問題，值得大力推廣TRIZ理論及工具在解決實際問題中的應(yīng)用。

圖26 最終方案