基于TRIZ物理矛盾的汽車前軸創(chuàng)新設(shè)計

郭飛航，李平平，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

基于TRIZ物理矛盾的汽車前軸創(chuàng)新設(shè)計

郭飛航，李平平，胡烜華

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

針對當(dāng)前汽車車橋設(shè)計中由于缺乏高層次的創(chuàng)新方法支持而導(dǎo)致創(chuàng)新性低下、產(chǎn)品開發(fā)周期長等問題。通過對TRIZ理論的研究分析，將TRIZ理論的各分離原理與發(fā)明原理組成串聯(lián)的問題求解過程模型，用于解決創(chuàng)新設(shè)計中的具體問題。并將該方法應(yīng)用于汽車前橋的創(chuàng)新設(shè)計中，獲得了高質(zhì)量的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方案，也進(jìn)一步驗證了該理論方法在車橋設(shè)計中的合理性及有效性。

TRIZ；物理矛盾；概念設(shè)計；車橋；前軸

CLC NO.: TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-40-03

引言

當(dāng)前，我國汽車行業(yè)在全球化的市場環(huán)境中往往處于弱勢，究其原因，皆因我國的技術(shù)創(chuàng)新能力相對低下，產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)能力不足，這也直接導(dǎo)致了我國汽車行業(yè)創(chuàng)新能力及市場競爭力的落后，因此，我國必須提高自主創(chuàng)新能力，以提高產(chǎn)品的創(chuàng)新性及競爭性，依靠科技創(chuàng)新推動國家富強[1]。

但對于產(chǎn)品的創(chuàng)新性而言，關(guān)鍵在于產(chǎn)品開發(fā)過程中的概念設(shè)計階段[2-3]，在此階段，5%的產(chǎn)品總開發(fā)成本決定了產(chǎn)品約70%-80%的性能、價值及效益[4-5]。但概念設(shè)計階段的創(chuàng)新過程是一種集多種思維的反復(fù)迭代與思維建模的復(fù)雜過程，因而在該階段的創(chuàng)新往往需要高效、可操作性型強的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論與方法的支持，而國際上積極開展研究的TRIZ理論則是可以有效輔助產(chǎn)品創(chuàng)新的高層次創(chuàng)新設(shè)計方法。

1、TRIZ理論簡介

TRIZ理論是G.S.Altshuller及其團(tuán)隊自1946年開始，通過對世界專利庫中約250萬件世界高水平專利的分析與研究，提出的以邏輯思維為主的現(xiàn)代創(chuàng)新理論方法，主要包括了技術(shù)系統(tǒng)演變與進(jìn)化的8個模式（定律）、用于進(jìn)行產(chǎn)品矛盾求解的39個通用工程參數(shù)、矛盾解決矩陣及40條發(fā)明原理等理論與方法體系[6]。G.S.Altshuller等TRIZ專家堅信，產(chǎn)品的創(chuàng)新與發(fā)明是遵循一種客觀存在的基本規(guī)律，通過分析研究及歸納，這些客觀規(guī)律可使發(fā)明問題明確化及規(guī)律化，同時也使發(fā)明問題的創(chuàng)新解更具客觀預(yù)見性，TRIZ解決設(shè)計問題的方法論見圖1所示[8]。

1.1 TRIZ理論中的矛盾

矛盾是TRIZ理論的核心部分，是解決工程實際問題的最成熟且最高效的工具之一。TRIZ理論研究的矛盾在工程實際問題上主要分為物理矛盾與技術(shù)矛盾。實際工程問題中的技術(shù)矛盾主要是針對兩個子系統(tǒng)存在的矛盾，而物理矛盾通常是為了滿足設(shè)計需求，系統(tǒng)或子系統(tǒng)本身存在矛盾。TRIZ理論認(rèn)為產(chǎn)品以滿足技術(shù)進(jìn)化及需求進(jìn)化而更新?lián)Q代的過程，就是解決或消除產(chǎn)品矛盾的過程[9]，在解決實際的矛盾問題中，矛盾矩陣、分離原理及發(fā)明原理是設(shè)計人員解決設(shè)計矛盾的幾大核心工具。

1.1.2 TRIZ的物理矛盾與問題求解過程

TRIZ理論中的物理矛盾與技術(shù)矛盾通常都存在一定的關(guān)聯(lián)性，通常，為了解決問題的快捷性與方便性及概念解的完善與準(zhǔn)確性，往往需要進(jìn)行問題間的相互轉(zhuǎn)化。但對于工程設(shè)計問題中的兩種矛盾而言，物理矛盾由于針對的是同一系統(tǒng)或子系統(tǒng)，其矛盾的尖銳性較技術(shù)矛盾更強，在實際的問題求解過程中，可以優(yōu)先選擇物理矛盾進(jìn)行問題的創(chuàng)造性求解，其創(chuàng)新解的創(chuàng)新性將會更強，更加符合產(chǎn)品進(jìn)化的要求。

通常TRIZ的物理矛盾主要應(yīng)用TRIZ理論提供的空間分離原理、時間分離原理、條件分離原理、整體與部分分離原理四條分離原理來創(chuàng)造性的問題求解，但由于4條分離原理的啟發(fā)性及操作性有限，導(dǎo)致了操作性存在一定的不足。但由于TRIZ中的40條發(fā)明原理更加具有操作性及明確性，英國bath大學(xué)的Mann在對TRIZ的分離原理及發(fā)明原理深入的研究，研究提出了四條分離原理與40條發(fā)明原理之間存在的關(guān)系，見表1[10]。

表1 分離原理與發(fā)明原理的對應(yīng)關(guān)系

具體應(yīng)用分離原理與發(fā)明原理的問題求解過程如下：

首先，設(shè)計人員在確定物理矛盾及可以用于求解的某條分離原理，并遍歷分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理，找出可以應(yīng)用的原理。然后，設(shè)計人員在該分離原理及對應(yīng)的發(fā)明原理的啟發(fā)下，得到初步局部的設(shè)計方案。

其次，以上一步的初步局部的設(shè)計方案為基礎(chǔ)，挖掘形態(tài)中可能新出現(xiàn)或仍舊存在的矛盾，并選擇可用的分離原理及發(fā)明原理，設(shè)計人員在該分離原理及對應(yīng)的發(fā)明原理的啟發(fā)下，得到更進(jìn)一步的設(shè)計方案。

最后，設(shè)計人員將方案進(jìn)行綜合，得到最終的全局創(chuàng)新解，并予以評價，如果符合設(shè)計要求，則到了創(chuàng)新方案，如果不符合設(shè)計要求，則重新對問題分析與思考，直到得到創(chuàng)新設(shè)計方案。具體的問題求解流程見圖2所示。

2、創(chuàng)新實例分析

重型商用汽車前橋是汽車底盤的重要組成部分，而前軸是前橋的主要子系統(tǒng)之一，承擔(dān)著前橋其它子系統(tǒng)的支撐、固定及汽車部分載荷的承載等功能。當(dāng)前汽車前橋的前軸主要為拳式鍛造工字型結(jié)構(gòu)，見圖3所示，這對于輪距與板簧距變化極小的卡車而言，具有結(jié)構(gòu)緊湊，一致性好，成本低廉等優(yōu)點，但對于輪距與板簧距變化較大，且多品種、少批量的工程車而言鍛造工字型前軸卻由于開發(fā)成本高而難以滿足市場要求。

2.1 問題分析與求解

針對當(dāng)前問題，前軸由于使用的需求，將某一常用的主銷中心距設(shè)為A，板簧中心距設(shè)為B。由于汽車底盤及輪距的需要，前軸需要適應(yīng)既大于A也小于A的主銷中心距，也需要既大于B也小于B的板簧中心距，以滿足不同車型的要求。

根據(jù)物理矛盾的定義，如果在問題求解過程中，使一個子系統(tǒng)或組件應(yīng)具有某種有用功能特性，但該有用功能特性的出現(xiàn)將導(dǎo)致另一功能特性出現(xiàn)與此相反的不利或有害后果，則此時系統(tǒng)中存在物理矛盾。

根據(jù)空間分離原理的內(nèi)涵：在技術(shù)子系統(tǒng)中，如果存在物理矛盾且需求是相互獨立的，并且需求在某一空間中存在（或需求量很大或具有“正”參數(shù)）而在另一空間中不存在（或需求量很小或具有“負(fù)”參數(shù)），在此情況下從空間上可對物理矛盾分離。

對當(dāng)前的創(chuàng)新設(shè)計問題進(jìn)行分析，前軸在某一車型時需要大于A的主銷中心距來滿足使用需求，而針對另外一種車型，則主銷中心距則需小于A，板簧中心距與此問題類似，因此可以用空間分離原理來求解。

因而可應(yīng)用空間分離原理進(jìn)行問題求解，遍歷空間分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理，可得，發(fā)明原理“1， 2，7，17，24”可有效進(jìn)行問題求解。

由于在實際應(yīng)用TRIZ物理矛盾的分離原理進(jìn)行問題創(chuàng)造性求解時，僅應(yīng)用單個原理進(jìn)行問題求解往往是不科學(xué)的[11]。因而，為了使創(chuàng)新解的創(chuàng)新性更強，方案更加完善，往往需要應(yīng)用多個分離原理共同進(jìn)行創(chuàng)新求解，以減少解在空間及時間上的漏洞。

再次對當(dāng)前問題進(jìn)行分析，根據(jù)時間分離原理內(nèi)涵：在發(fā)生矛盾的子系統(tǒng)中，若需求是相對唯一的，當(dāng)需求在一個時間域存在（或變大或具有“正”參數(shù)）并在另一個時間域可能不需要（或變得很小或具有“負(fù)”參數(shù)）時，則可進(jìn)行時間分離。

即無論主銷中心距或板簧中心距的大小，在某一車型使用時是需要的，而在另一車型使用時則不需要（或需求量很?。貏e在輪距或板簧距變化時。因而，該問題也可結(jié)合時間分離原理予以解決。查詢時間分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理，可得發(fā)明原理“15”可有效進(jìn)行問題求解。

在發(fā)明原理 “1分離原理，2 抽取原理，15動態(tài)化原理”的啟示下，將前軸設(shè)計為四部分，即2個彎梁，中間鋼管梁，及彈簧墊板與彈簧壓板，見圖4所示。這四部分最終通過焊接予以連接。

其中，彎梁為鍛造件，其結(jié)構(gòu)緊湊，抗彎抗扭能力強，其拳部尺寸與圖2所示的鍛造工字梁保持不變，可保持車橋輪邊結(jié)構(gòu)不變。

當(dāng)輪距發(fā)生變化時，通過改變中間鋼管梁的長度來適應(yīng)不同輪距的變化。

當(dāng)板簧中心距或騎馬螺栓孔發(fā)生變化時，可通過改變件3的位置或結(jié)構(gòu)來適應(yīng)變化。

在發(fā)明原理“7 嵌套原理”及“24 中介原理”的啟示下，在件1與件2焊接處的內(nèi)部，增加嵌入環(huán)，該嵌入環(huán)不僅增加了焊接處的可靠性，也增加了可操作性，即在焊接時起到了定位作用。

最后，將在各原理啟示下得到的創(chuàng)新方案進(jìn)行整合，得到了圖5所示的創(chuàng)新方案。對該方案進(jìn)行創(chuàng)新評價，該方案采用，降低了成本，提高了工藝性及產(chǎn)品的適應(yīng)性，增加了產(chǎn)品的理想化水平。

3、總結(jié)

對于當(dāng)前知識爆炸，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，創(chuàng)新將直接決定企業(yè)的未來，但創(chuàng)新需要方法的支持，只有高層次的創(chuàng)新方法才能快速高效的輔助產(chǎn)品創(chuàng)新，本文通過對物理矛盾的研究與分析，借助TRIZ的分離原理與發(fā)明原理相結(jié)合的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程模型進(jìn)行高質(zhì)量高效率的創(chuàng)新問題求解，使產(chǎn)品能夠以更高的創(chuàng)新度來滿足用戶需求，獲得市場競爭力。

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Automotive Front Axle Innovation Design based on TRIZ

Guo Feihang, Li Pingping, Hu Xuanhua
( Shaanxi han DE axle Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710201 )

To solve the problem of low innovation and long develop period due to lack of high level innovation method in vehicle axle design, research and analysis the TRIZ theory, apply the solving process model of sequent problem which composed from separate principle and invention principle to solve the specific problem in innovation design. Moreover, use this method mentioned above in the vehicle front axle design to obtain high quality of design scheme, verify the rationalization and effectiveness as well.

TRIZ; physical conflicts; conceptual design; front axle

TH122

A

1671-7988(2016)10-40-03

郭飛航（1980—),男，中級工程師，就職于陜西漢德車橋有限公司技術(shù)中心，從事車橋技術(shù)研究與開發(fā)。