基于TRIZ理論的端面密封型連接器設計改進

王永安，王武軍

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

汽車密封型連接器和汽車非密封型連接器是按照密封性能來劃分的。易浸水的汽車發(fā)動機艙等部位一般選擇密封型連接器，而不易浸水的駕駛艙等部位則選擇非密封型連接器［1］。衡量密封型連接器的重要指標之一就是密封型連接器的密封可靠性，因為密封可靠性直接影響了電器部件的功能實現。密封型連接器在設計和使用過程中經常會有密封失效的情況，而實際情況下，人們不容易快速有效地解決該問題。

本文將使用TRIZ理論中的矛盾問題解決方法進行該類密封問題的解決。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是蘇聯(lián)人根里奇·阿奇舒勒 （Genrich S.Altshuler）在研究了大量的世界范圍內的專利后提出的發(fā)明問題解決辦法［2］。TRIZ理論廣泛應用于軍事［3］、航空［4］、高鐵［5］等多個領域，是來自于專利又能幫助產生專利的創(chuàng)新利器［6］。該理論將解決發(fā)明問題的過程進行了具體化，提出了技術進化曲線、矛盾矩陣和物質-場分析等解決發(fā)明問題的標準工具和方法。這些工具和方法能幫助人們克服原有的思維慣性，使人們能正確有效地分析及解決問題。

以下是使用TRIZ理論來解決工程技術問題的步驟：①第1步，針對待解決的問題進行技術分析和技術定義；②第2步，將問題轉換為TRIZ問題模型；③第3步，使用TRIZ工具形成解決方案模型；④第4步，使用解決方案模型得出最終方案。整個過程的流程如圖1所示。

圖1 使用TRIZ解決問題的邏輯圖

在人們解決問題的過程中首先要保證或提高產品的某些內部性能，但這種提高往往導致產品其他內部性能的降低，這就是矛盾。TRIZ中矛盾分為兩種形式，一種稱為技術矛盾，另一種稱為物理矛盾。在技術系統(tǒng)中，如果提高一個參數的性能，卻使得另一個參數的性能下降，這樣兩個參數之間的矛盾，稱為技術矛盾；如果在技術系統(tǒng)中針對同一個參數，有不同方向的兩種期望，這樣的針對同一參數的矛盾，稱為物理矛盾。物理矛盾相對于技術矛盾，對技術系統(tǒng)的理解層次更深刻，技術矛盾可以轉換為物理矛盾來解決問題［7］。要解決矛盾問題，需要先對矛盾進行分析定義，然后判斷該矛盾屬于技術矛盾還是物理矛盾；技術矛盾使用矛盾矩陣求解，物理矛盾使用分離原理求解，然后轉化為最終方案。圖2給出了TRIZ解決矛盾問題的流程。

2 端面密封型連接器的設計改進

2.1 端面密封型連接器使用情況分析

汽車用密封型連接器一般由插頭護套 （5）、插座護套（7）、插頭端子 （3）、插座端子 （4）、密封圈 （密封墊）（6）、密封堵 （2）組成，見圖3。使用時插頭端子、插座端子與導線、密封堵壓接后分別裝配在插頭護套、插座護套內。汽車線束中電路的導通和斷開是通過插頭護套、插座護套的插接和分離來實現的。護套與護套之間的密封靠密封圈（密封墊）和護套過盈實現；護套和導線之間的密封靠密封堵和護套、導線過盈實現。

圖2 解決矛盾問題的流程圖

汽車用密封連接器的密封型式，一般分為側面密封和端面密封［8］。端面密封型連接器是通過插頭護套、插座護套擠壓密封墊來保證密封的。如圖3所示的端面密封連接器，該連接器連接發(fā)動機和汽車BCM，負責把發(fā)動機的各種介質溫度、轉速、運轉工況等信息傳遞給BCM，以便通過BCM協(xié)調，使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)。汽車發(fā)動機相當于汽車的心臟，是為汽車提供動力的裝置，汽車的動力性能、經濟性能和環(huán)保性能直接由汽車發(fā)動機運行的穩(wěn)定性決定，所以該連接器穩(wěn)定可靠的連接對整車性能起到了關鍵的作用。由于發(fā)動機在汽車的發(fā)動機艙放置，環(huán)境惡劣，需要很好的抗震性能及優(yōu)良的密封性能。目前該產品對配后10kPa就有漏氣現象，嚴重影響產品的密封性能，且插頭護套和插座護套配合力為100N，不利于工人操作。

圖3 端面密封型連接器示意圖

為了達到密封要求，需要49kPa無漏氣現象，且能實現各端子孔獨立密封，即使一個端子孔失效，不至于影響其它功能的實現。解決該問題的常規(guī)方案需要增大插頭護套、插座護套擠壓密封墊的過盈量，但這樣使插頭護套和插座護套的配合力進一步增加，使客戶使用困難。

2.2 矛盾定義及TRIZ分析

通過我們對端面密封連接器的分析發(fā)現，關鍵問題在密封墊和護套結構的設計上，即尋求一種設計，使密封可靠性好而且插頭護套和插座護套的配合力也很小，方便客戶使用。對密封和護套結構進行分析：如果希望密封效果良好，可以增加密封墊和插頭護套、插座護套的過盈量，但其缺點是：插頭護套和插座護套的配合力增加，客戶使用困難。如果希望客戶使用方便，可以減小密封墊和插頭護套、插座護套的過盈量，但其缺點是：密封效果差，影響性能。系統(tǒng)中的矛盾為：提高系統(tǒng)密封可靠性，卻惡化了配合力。經判斷該矛盾屬于技術矛盾。

根據TRIZ理論，改善的參數為可靠性，惡化的參數為力，據此查找矛盾矩陣表，見表1。

表1 矛盾矩陣簡表

經過查詢矛盾矩陣，創(chuàng)新原理3、8、10、28可以用于解決該矛盾，這幾種創(chuàng)新原理如下。

1）原理3局部質量原理

①將物體、環(huán)境或外部作用的均勻結構變?yōu)椴痪鶆虻摹?/p>

②讓物體的不同部分各具有不同功能。

③讓物體的各部分處于完成各自功能的最佳狀態(tài)。

2）原理8質量補償原理

3）原理10預先作用原理

4）原理28機械系統(tǒng)替代

經分析發(fā)現，創(chuàng)新原理3中的③項可以用于解決目前的矛盾問題。

2.3 改進設計方案

為解決端面密封連接器配合力大的問題，根據TRIZ理論中的矛盾矩陣得到的創(chuàng)新原理3中的③項進行設計改進，將插頭護套、插座護套和密封墊配合的面設計為凸筋結構 （圖4）。

針對插頭護套、插座護套和密封墊配合的面進行了凸筋結構的設計，使凸筋和密封墊過盈，而插頭護套、插座護套的端面不會和密封墊過盈 （圖5），這樣能顯著提高密封性能，而不增加配合力。為了達到各端子孔獨立密封的要求，設計凸筋結構包圍每一個需要密封的端子孔，當插頭護套、插座護套配合時只有凸筋和密封堵過盈，這樣既能保證密封性能，又不會使配合力過大。

圖4 凸筋改進示意圖

圖5 改進后配合示意圖

對上述改進后的產品做了密封試驗和配合力試驗，該產品可以保證在98kPa的氣壓下沒有氣泡產生，滿足汽車行業(yè)標準要求。該產品配合力為75N，優(yōu)于該產品原來的配合力。

3 設計方案對比分析

和原方案相比，改進設計后的方案提高了可靠性，配合力也有所降低，表2列出了方案改進前后參數上的對比分析。

表2 設計方案對比分析

4 結束語

利用TRIZ理論的創(chuàng)新工具，解決端面密封型連接器中密封可靠性和連接器配合力之間的矛盾問題，在不增大配合力的基礎上解決端面密封可靠性的問題，從而證明TRIZ是一種非常有效的發(fā)明問題解決工具。

當人們遇到工程技術難題時，TRIZ理論能通過一種固定的流程給人們提出TRIZ解決方案，使人們能快速、有效地通過TRIZ解決方案得到最終解決方案。