基于TRIZ理論對(duì)汽車板簧支架的輕量化設(shè)計(jì)

周福庚 李海波

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

基于TRIZ理論對(duì)汽車板簧支架的輕量化設(shè)計(jì)

周福庚 李海波

安徽江淮汽車股份有限公司 安徽合肥 230601

闡述了TRIZ理論的概念，其核心思想是對(duì)矛盾問題的完全解決，獲得最終的理想解。介紹了40條創(chuàng)新原理和39個(gè)通用工程參數(shù)及矛盾矩陣，并介紹了利用TRIZ理論解決產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)問題的流程。用此理論對(duì)某載貨車的板簧后固定支架及板簧吊耳進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以其實(shí)際問題抽象為工程技術(shù)參數(shù)，并確定了優(yōu)化的參數(shù)與惡化的參數(shù)以及二者之間的矛盾，應(yīng)用矛盾矩陣找到解決問題的發(fā)明原理。通過拓?fù)鋬?yōu)化和材料的改變，獲得了理想的結(jié)果，并用有限元法定量分析和最終理想解的四個(gè)重要特征來定性分析，說明優(yōu)化結(jié)果的合理性。

TRIZ理論 矛盾矩陣 拓?fù)鋬?yōu)化 支架 吊耳

1 前言

隨著國(guó)家對(duì)超載治理的日趨嚴(yán)格，汽車輕量化技術(shù)越來越受到人們的重視。本文以汽車板簧支架及吊耳為例，運(yùn)用TRIZ理論進(jìn)行分析，以其實(shí)際問題抽象為工程技術(shù)參數(shù)，確定優(yōu)化的參數(shù)與惡化的參數(shù)以及二者之間的矛盾，應(yīng)用矛盾矩陣找到解決問題的相關(guān)發(fā)明原理，提出對(duì)其輕量化化設(shè)計(jì)的思路。使用TRIZ理論，可通過對(duì)設(shè)計(jì)中遇到的問題進(jìn)行抽象及模型化，引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，快速得出相應(yīng)的解決方案，節(jié)約了大量試驗(yàn)和探索的時(shí)間。

2 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ是俄文“發(fā)明問題解決理論”單詞的詞頭縮寫，英文縮寫為TIPS（theory of inventive problem solving)[1]。TRIZ理論總結(jié)出了解決技術(shù)沖突的40條發(fā)明原理（如表1），和表示技術(shù)矛盾常用的39個(gè)通用工程參數(shù)（見表2）[2,3]，通用工程參數(shù)是TRIZ理論通過抽象得出的描述矛盾的參數(shù)。40條發(fā)明原理和39個(gè)通用工程參數(shù)的序號(hào)與它們的名稱一一對(duì)應(yīng)，且是固定不變的。

表1 40條發(fā)明原理

表2 39個(gè)通用工程參數(shù)表

在產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)技術(shù)矛盾，所謂技術(shù)矛盾是指一作用同時(shí)導(dǎo)致有用及有害兩種結(jié)果。經(jīng)過多年的研究、分析、比較，阿奇舒勒發(fā)明了解決技術(shù)問題的矛盾矩陣（見表3）[2]，該矩陣將40條發(fā)明原理和39個(gè)通用工程參數(shù)建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好地解決了設(shè)計(jì)過程中選擇發(fā)明原理的難題。

應(yīng)用TRIZ理論解決問題流程大致分為4步：

a. 對(duì)待解決的實(shí)際問題作詳盡的分析并提取存在的技術(shù)矛盾；

b. 將該矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ法中的通用問題模型；

c. 利用TRIZ理論矛盾矩陣等得到TRIZ法提供的通用形式的解；

表3 TRIZ矛盾矩陣表（部分）

d. 把TRIZ解具體化為針對(duì)該實(shí)際問題的具體解。

TRIZ理論解決問題的流程圖如圖1所示[6]。

圖1 TRIZ理論解決問題流程

3 汽車板簧支架及吊耳優(yōu)化設(shè)計(jì)的矛盾問題建立

某載貨車前懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其主要由車架總成、前鋼板彈簧、前板簧前后支架、板簧吊耳、騎馬螺栓、前減振器及減振器支架等組成。

圖2 某載貨車前懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

其中，板簧的前、后支架分別鉚接在車架上，該支架承受載荷和各種沖擊力，為了保證其具有較強(qiáng)的承載和受沖擊能力，往往將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得十分結(jié)實(shí)，過于保守，如圖3所示。

圖3 板簧后固定支架及吊耳

為降低板簧質(zhì)量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以板簧的后固定支架（前固定支架也可）及板簧吊耳為例，對(duì)其在實(shí)際使用中的工況進(jìn)行分析，將其涉及的相關(guān)參數(shù)按TRIZ理論的通用工程參數(shù)進(jìn)行描述，并轉(zhuǎn)換為技術(shù)矛盾，即確定受載荷及沖擊時(shí)，哪些通用工程參數(shù)需要改善，同時(shí)哪些通用工程參數(shù)發(fā)生了惡化。對(duì)板簧的后固定支架及吊耳進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，主要是減小其質(zhì)量和改變其形狀結(jié)構(gòu)。用TRIZ理論的通用工程參數(shù)描述，分兩個(gè)方面：

a. “運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”(No.1)改善，相應(yīng)的其所受的“應(yīng)力”(No.11)、“強(qiáng)度”(No.14)將會(huì)變得惡化；

b. 物體的“形狀”(No.12)改善，同樣地其“應(yīng)力”(No.11)、“強(qiáng)度”(No.14)將會(huì)發(fā)生惡化。

應(yīng)用TRIZ矛盾矩陣表可以找到解決此技術(shù)矛盾的思路和方法，矛盾矩陣表如表4所示。

表4 矛盾矩陣表（部分）

4 基于 TRIZ理論對(duì)支架及吊耳優(yōu)化設(shè)計(jì)

從TRIZ矛盾矩陣表查出“運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量”(No.1)改善，導(dǎo)致“應(yīng)力和壓力”(No.11)、“強(qiáng)度”(No.14)惡化的發(fā)明原理序號(hào)為：（10、36、37、40）和（28、27、10、40）；“形狀”(No.12)改善，導(dǎo)致“應(yīng)力和壓力”(No.11)、“強(qiáng)度”(No.14)惡化的發(fā)明原理序號(hào)為：（34、15、10、14）和（30、14、10、40），將四組發(fā)明原理整理得：10、14、15、18、27、30、36、37、40共9個(gè)。對(duì)得到的9個(gè)發(fā)明原理的釋義如表5所示。

表5 發(fā)明原理及釋義

根據(jù)板簧后固定支架及吊耳的使用工況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)圖3(a)、(b)的9個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行分析，其中(a)只有第“40”條發(fā)明原理能滿足要求，改善物體的材料，可使用機(jī)械性能更好的材料；對(duì)于(b)有第“14”和“40”條發(fā)明原理滿足要求，將前固定支架及吊耳外形進(jìn)行曲面化等。綜合發(fā)明原理的第“14”和“40”條，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行曲面化設(shè)計(jì)和改變其使用的材料，是有效可行的方案，其他發(fā)明原理不可用。

曲面化設(shè)計(jì)就是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以安裝及配合等尺寸不變?yōu)榧s束條件，將支架和吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治觯Y(jié)合有限元分析，經(jīng)過多輪優(yōu)化，去掉不必要部分，通過對(duì)其形狀和結(jié)構(gòu)的變化，最終得出比較理想的結(jié)構(gòu)件，如圖4所示。

圖4 板簧后固定支架及吊耳優(yōu)化前后對(duì)比

優(yōu)化前后的板簧后固定支架及吊耳質(zhì)量如表6，可見降重效果良好。

表6 優(yōu)化前后的質(zhì)量對(duì)比

筆者理解的復(fù)合材料包括：非金屬組合、非金屬和金屬組合、金屬中含有其他材料的合金材料等各類復(fù)合材料。原設(shè)計(jì)的支架及吊耳材料采用的是球墨鑄鐵QT450-10，筆者將其改為鑄鋼材料ZGD650-830，使支架及吊耳的機(jī)械性能得到較大提高，如表7所示。

表7 材料及性能指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制造可行性，對(duì)零部件的鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，由原結(jié)構(gòu)的砂型鑄造改為精密熔模鑄造，在提高了零部件鑄造精度、表面質(zhì)量的同時(shí)，也減少了鑄造余量，降低了機(jī)加工量，使零部件成本比原成本降低了20%左右。

5 優(yōu)化后結(jié)果分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化后板簧后固定支架及吊耳是否滿足承載能力和使用要求，對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行加載，對(duì)板簧后固定支架施加垂向載荷、縱向載荷以及側(cè)向載荷的復(fù)合工況載荷，對(duì)吊耳施加垂向載荷和側(cè)向載荷的復(fù)合工況載荷，載荷約束施加如圖5所示。

圖5 載荷施加示意圖

優(yōu)化前后的CAE分析應(yīng)力及安全系數(shù)對(duì)比，如圖6和表8所示。

最大主應(yīng)力，MPa 安全系數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化前優(yōu)化后板簧后固定支架89.09156.413.484.15吊耳89.39197.603.463.29名稱

由表8可知，經(jīng)過有限元分析，優(yōu)化后的板簧后固定支架及吊耳能夠滿足使用要求。

前面通過有限元法定量分析優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)件是否滿足設(shè)計(jì)要求，也可以定性地分析構(gòu)件優(yōu)化的合理性。在TRIZ理論中提出了“最終理想解(IFR)”的概念，在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解（ideal final result，IFR），以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中，沿著此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解。一般遵循兩個(gè)步驟：a. 想象理想最終結(jié)果，b. 考慮如何得到理想最終結(jié)果。

最終理想解有4個(gè)重要特征[2]：

a. 保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；

b. 消除了原系統(tǒng)的不足：

c. 沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；

d. 沒有引入新的缺陷等。

可以用最終理想解的4個(gè)特征作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，來判定板簧后固定支架及吊耳優(yōu)化的合理性，優(yōu)化后的板簧后固定支架及吊耳保持了其原有的功能，減輕了質(zhì)量，消除了臃腫的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)沒有變得復(fù)雜，與其他件裝配和連接也沒有改變。經(jīng)過有限元分析，沒有產(chǎn)生使其安全系數(shù)變得偏小等新的缺陷。由此可知，優(yōu)化后的零件達(dá)到了“最終理想解”，是合理的。將優(yōu)化后的板簧后固定支架及吊耳裝車后，在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的產(chǎn)品完全能夠滿足使用要求，現(xiàn)已大批量裝車投入使用，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

以板簧后固定支架及吊耳作為分析對(duì)象，用TRIZ理論針對(duì)設(shè)計(jì)的輕量化問題能夠快速準(zhǔn)確地得出解決方案，即結(jié)構(gòu)的曲面化和采用復(fù)合材料。通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和調(diào)整零件使用的材料，可以取得很好的輕量化效果?？梢姡肨RIZ理論能夠很好地解決工程中一些技術(shù)矛盾，為設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或創(chuàng)新中提供了一種行之有效的思路和方法，能有效地輔助產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前這種創(chuàng)新的方法在其他行業(yè)中已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用，在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，也得到了推廣和使用[4-5,7-8]。

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[2] 趙敏,胡鈺.創(chuàng)新的方法[M].北京:當(dāng)代中國(guó)出版社,2008.

[3] 趙新軍.技術(shù)創(chuàng)新理論(TRIZ)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

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Lightweight Design of Automobile Suspension Bracket Based on TRIZ Theory

ZHOU Fu-geng et al

The concept of TRIZ theory was expounded, which core theory was to completely solve the contradiction problem and achieve the finally ideal solution. The 40 innovation elements, 39 general engineering parameters and contradiction matrix was introduced , and the process of solving the innovation and design problem used the TRIZ theory. A truck suspension rear bracket and shackle was lightweight designed by the theory. Abstracted the engineering technique parameters from the actual questions, obtained the optimized and the worsen parameters and the confliction between the each other, and then, found the invent principle of the problem solving by the used of the contradiction matrix. The optimized result was reasonable to the ideal result, which was obtained by the topology optimization and the material change, the quantitative analysis of FEA and the qualitative analysis of the four important characters of the final ideal result.

TRIZ theory; contradiction matrix; topology optimization;bracket; shackle

周福庚，男，1964年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和研究工作。

U469.2 03

A

1004-0226(2017)01-0084-04

2016-10-28