基于ARIZ-85C理論的汽車后排安全帶的創新設計

郭 飛，黃塞君，張愛民

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.武警第一機動總隊直升機支隊，山西晉中 030600）

0 引言

ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving）發明問題解決算法，是TRIZ理論中用于解決復雜創新問題的重要思維方法之一，并集成多個TRIZ工具，提供從問題識別，到方案制定與評價的一整套創新設計流程。經過多次改進和發展，ARIZ-85C版本應用最為普遍[1-4]。

ARIZ-85C版本共計9個關鍵步驟，如圖1所示。其中步驟1、7、8、9是常規性步驟，其余步驟則根據該問題是否獲得了解決方案循環推進。當進行到某一步驟獲得問題解決方案即可跳出循環。其處理問題的關鍵在于聚焦最小問題，抓住主要矛盾，同時利用多個TRIZ理論工具，如發明原理、物場原理、技術矛盾、物理矛盾等，獲得該問題的創新設計方案[5-8]。

圖1 ARIZ-85C版本流程

汽車安全帶是指汽車在發生碰撞時，對乘員進行約束，避免乘員傷亡的安全裝置[9-10]。由卷收器、織帶、鎖舌、左側安裝點、插扣鎖組成[11]。當車輛發生碰撞時，乘員因慣性對織帶施加了很大的作用力，而織帶則由卷收器、左側安裝點、插扣鎖3點約束。由于乘員佩戴安全帶時會給卷收器施加Y向作用力，當Y向作用力超過卷收器強度時，就會導致卷收器脫落，以至于安全帶失效。

然而，應用ARIZ-85C在汽車安全帶領域鮮有研究，對于安全帶卷收器Y向脫落問題的創新設計未見報道。ARIZ-85C具有完整性、實用性、可操作性，能夠對解決實際問題提供新思路[12]。本文運用ARIZ-85C（圖1）對安全帶卷收器脫落問題進行分析及創新設計。

1 問題描述

1.1 安全帶存在的主要問題

人體佩戴安全帶后，卷收器及插扣鎖間的織帶走向與卷收器X軸構成了一個角度θ，使得織帶對卷收器產生了Y向分力，如圖2所示。當車輛發生碰撞時，隨著乘員對安全帶沖擊力逐漸增大，安全帶對卷收器Y向分力也逐漸變大，當數值超過卷收器Y向額定載荷后，則會使得卷收器框架解體，內部零件結構損壞，最終安全帶失效，影響乘員安全，如圖3所示。

圖2 織帶佩戴對卷收器作用力分布

圖3 安全帶卷收器失效示意圖

本文中主要問題是安全帶在車輛碰撞事故中，因乘員佩戴空間產生θ角，導致卷收器失效。

1.2 初步解決方案及缺點

初步解決思路：由受力分析可知，卷收器失效是由于織帶產生了Y向作用力，因此改變織帶的走向，使得織帶對卷收器僅施加X向作用力，無Y向作用力。

該方案存在缺陷：織帶對卷收器的作用力方向受到乘員佩戴空間的影響，如果減小織帶對卷收器Y向作用力（減小θ值），則乘員的乘坐空間會減小。

2 基于ARIZ的問題分析和創新設計

2.1 問題分析

2.1.1 技術系統定義

技術系統名稱為汽車后排安全帶系統，其主要功能在于保護乘員。該系統主要組件有卷收器、織帶、左側安裝點、鎖舌、插扣鎖。超系統組件包括卷收器安裝支架、車身、乘員、座椅、車輛。

2.1.2 定義最小問題

根據織帶未佩戴及佩戴狀態對比分析可知，因乘員佩戴空間需要，當鎖舌插入插扣鎖后，織帶作用力方向與X軸形成了θ角，使得卷收器受Y向拉出力。因此最小問題是：對系統做最小改變，保證乘員佩戴空間的情況下，降低卷收器的Y向載荷。

2.1.3 技術矛盾

最小問題所構成的技術矛盾如表1所示。在該技術矛盾模型中，工具為織帶，產品為卷收器，織帶兩個狀態分別為織帶拉出角度小和織帶拉出角度大。

表1 技術矛盾模型表

通過技術矛盾圖形化分析，選用技術矛盾1作為基本矛盾，即維持織帶拉出角度（θ），保證乘員佩戴空間，但是會增加卷收器的Y向載荷（F2）。進一步激化基本矛盾1，即持續增加織帶拉出角度（θ），則乘員佩戴空間越充足，同時織帶對卷收器施加的Y向載荷越大。

2.1.4 運用矛盾矩陣及發明原理設計

在本次構建的技術矛盾中，乘員佩戴空間（形狀）是改善的參數，Y向載荷（力）是惡化的參數，根據矛盾矩陣及發明原理列表可獲得兩個創新設計方案。

方案1，基于發明原理——預先作用：卷收器內部結構加強，使得卷收器Y向耐載荷強度增強，當織帶因拉出角度對卷收器施加Y向載荷時，卷收器不會因此失效。

方案2，基于發明原理——預先作用：預先將卷收器布置位置設計為受力的位置，待織帶佩戴時，織帶與卷收器Y向方向垂直，避免織帶對卷收器施加軸向載荷，如圖4所示。

圖4 發明原理創新設計方案示意圖

2.1.5 應用標準解設計

織帶與卷收器構成力學物場模型，可考慮應用第1級標準解中的拆解物場模型來設計方案。

方案3，用場F′抵消有害作用：采用F′力場作用抵消織帶對卷收器產生的Y向載荷（F2），F′=F2，使得卷收器僅受X向載荷，如圖5（a）所示。

方案4，引入S3消除有害作用：當前織帶與卷收器構成的軸向力物場對于卷收器是有害的。引入物質S3改變織帶佩戴路徑，消除了織帶對卷收器的Y向作用力，如圖5（b）及圖6所示。

圖5 物場模型創新設計方案示意圖

圖6 安全帶導向結構示意圖

2.2 分析問題模型

2.2.1 系統工作空間/時間分析

根據技術矛盾TC1和TC2確定操作區域和操作時間，分析空間條件、時間長短、物質組成等構成條件用于解決問題[13]。可知乘員佩戴織帶區域與卷收器受力區域在空間上不存在重疊，兩者之間的沖突可以嘗試進行空間分離；乘員佩戴織帶區域與卷收器受力區域在時間上是重疊，都發生在同一個時間，因此該沖突無法在時間上進行分離。

2.2.2 物質場資源（SFR）分析

依據物質場資源分析方法，羅列本技術矛盾操作空間的系統物質場資源/環境物質場資源，以及超系統中的物質場資源[14]，如表2所示。

表2 獲勝神經元情況

表2 物質場資源（SFR）分析表

2.3 定義最終理想解IFR和物理矛盾

2.3.1 描述最終理想解IFR

引入X元素，使得保證織帶佩戴空間前提下，并可在操作時間內（織帶佩戴前/后），在操作空間內消除織帶對卷收器Y向作用力，而不增加系統的復雜程度，并且不產生任何有害作用。根據表3中的物質和場，可獲得以下方案。

方案5，引入卷收器安裝支架空間：將卷收器安裝支架的空間設計小一點，當卷收器受到Y向載荷時，卷收器安裝支架可以鎖住卷收器，使得受力后的卷收器避免脫落，如圖7（a）所示。

方案6，引入卷收器安裝支架的形狀：將卷收器安裝支架的形狀延長一些，使得織帶拉出的路徑通過卷收器安裝支架來改變，即織帶在Y向的作用力施加在卷收器安裝支架，如圖7（b）所示。

圖7 最終理想解創新設計方案示意圖

2.3.2 從宏觀層面定義物理矛盾

卷收器受到Y向載荷及成員佩戴空間都是與織帶拉出角度θ值有關。其物理矛盾可視為織帶的拉出角度既要大，又要小。角度大，滿足成員佩戴空間；角度小，減小織帶對卷收器的Y向作用力。

方案7，利用織帶走勢的幾何關系，改變織帶在卷收器拉出區域的走向，使得織帶在滿足乘員佩戴空間的同時，減小對卷收器的Y向作用力。

2.3.3 識別微觀層面的物理矛盾

如前所述，織帶拉出角度θ值在微觀層面的問題可描述為織帶的約束力既要求大，又要求小。力大，約束乘員，避免乘員傷亡；力小，減小織帶對卷收器的Y向作用力，避免卷收器失效。

方案8，利用鎖舌固定織帶的力學關系。即當發生碰撞時，鎖舌兩側的織帶不能自由活動，鎖死，則腹部對織帶的載荷不會傳遞至胸部織帶（F腹不會與F胸疊加），那么胸部織帶整體的受力就會更小，由此織帶對卷收器的作用力也會更小，如圖8所示。圖中原先鎖舌不具備固定兩側織帶的功能，而改良鎖舌具備固定兩側織帶，使其兩側織帶不能自由活動。

圖8 微觀層面物理矛盾創新設計方案示意圖

2.4 運用擴展物場資源（SFR）

2.4.1 聰明小人法

將卷收器視為黑色小人，織帶視為白色小人，當乘員佩戴織帶后，織帶拉住卷收器，即黑色小人被白色小人抓住。而在這個過程中，白色小人會改變路徑，但黑色小人的位置維持不變，導致白色小人對黑色小人產生了Y向載荷。

方案9，卷收器可以設計成旋轉結構，在受力過程中，會沿著織帶佩戴的角度進行調整，即卷收器的黑色小人可以沿著織帶的白色小人進行旋轉；使得織帶對卷收器的壓力始終維持豎直方向，如圖9（a）所示。

方案10，提高織帶的剛度，即織帶佩戴之后，織帶與卷收器附近區域的織帶形狀不會隨著織帶佩戴變化，即卷收器的黑色小人與織帶白色小人的關系不隨織帶佩戴變化而變化，如圖9（b）所示。

圖9 聰明小人法創新設計方案示意圖

2.4.2 其他分析方法

方案11，利用車輛碰撞能量及大氣壓力，將卷收器自損鎖死結構，形成封閉強度超高結構，牢牢拉住織帶，不論織帶力有多大，何種走向，在織帶不拉斷的前提下，都能保證卷收器不失效，能夠承受織帶的Y向作用力。

3 創新設計方案可行性評估

結合工程實際情況，從技術可行性及成本、經濟效益對上述11個概念方案進行評估，分別如下。

方案1、11，主要集中在加強卷收器內部結構，但卷收器屬于平臺件，不宜調整，同時卷首內部零件較多，增加強度會帶來結構復雜性及成本提高，故該方案宜在平臺升級時使用。

方案2、3，將卷收器位置朝織帶拉出方向布置或卷收器端產生F′力，來抵消卷收器Y向載荷。但前者會導致織帶未佩戴時，整體路徑扭曲，非常不美觀，影響內飾整體協調性，后者根本無法在碰撞是瞬間產生力F′，因此此類該方案僅供設計參考。

方案5、6，利用縮小卷收器安裝支架與卷收器的間隙或利用卷收器安裝支架形狀特征來改變織帶拉出路徑，提高卷收器抗Y向作用力或避免。都將導致裝配工藝困難，影響生產節拍或無法生產。

方案7、10，調整織帶走向，使得織帶在承受乘員壓力情況下，織帶拉出方向亦不會改變。該方案可用于織帶材質換代升級，如織帶剛度提升，形狀改變等。

方案9，通過將卷收器布置在旋轉結構上，使得在碰撞過程中卷收器的X方向與織帶拉出方向一致。但該裝置會導致卷收器固定點強度不足，無法滿足安全帶固定點試驗要求，該方案僅做參考。

方案4，引入物質S3改變織帶佩戴路徑，避免織帶對卷收器產生了Y向作用力。可在座椅靠墊上方增加一個導向結構，如圖6所示，當織帶佩戴時，織帶在卷收器與導向結構間的走向正好是X向，未對卷收器施加Y向作用力，同時在織帶未佩戴時,亦不會扭曲織帶,整體協調美觀，因此該方案工程可行性較高，對該問題處理大有幫助。

方案8，利用鎖舌固定織帶的力學關系，使得人體對織帶施加的作用力不會傳導至織帶對卷收器的施加力，由此化解織帶約束力既要大又要小的矛盾關系。而且用于固定織帶的鎖舌在工程上可實現，同時還能提升安全帶碰撞性能，因此該方案工程可行性較高，對該問題處理大有幫助。

4 結束語

本文基于ARIZ-85C理論創新方法對汽車后排安全帶失效問題做了全面剖析，從問題的核心矛盾點出發，對矛盾點各相關方及物場資源分別探索了創新設計方案，并結合工程實際情況，對概念設計方案進行了工程可行性評估。主要結論如下。

（1）ARIZ-85C理論創新方法揭示了汽車后排安全帶失效問題核心矛盾點，清晰地指出該問題的根源及系統內各種資源（含環境因素及其他客觀因素）的相互作用關系，有助于問題解決思路的擴展。

（2）ARIZ-85C理論創新方法提供多種處理復雜問題的工具方法，隨著矛盾點逐漸解析，可嘗試使用不同的處理工具，獲得不同的創新設計方案，直至問題獲得較為理想的設計方案，在本文汽車后排安全帶失效問題中，已獲得兩個工程實施方案。

（3）ARIZ-85C理在處理汽車實際工程問題時，面對復雜問題時有清晰的創新設計邏輯及可直接使用的創新工具，具備高效、全面、系統、有跡可循等特點，為工程問題的創新設計開拓了思路，提供了方法。