基于TRIZ理論的平衡軸密封改進(jìn)設(shè)計(jì)

重汽（濟(jì)南）汽車部件有限公司 山東濟(jì)南 250200

重載貨車的平衡懸架系統(tǒng)一般由彈性元件（板簧、空氣、橡膠）、導(dǎo)向元件（推力桿）、平衡軸帶軸殼總成以及固定元件（騎馬螺栓、螺孔）等部分組成。根據(jù)該系統(tǒng)降低振動(dòng)的形式，可以分為板簧懸架，橡膠懸架以及空氣懸架[1]。

TRIZ理論是發(fā)明問題解決理論，使用該理論改進(jìn)現(xiàn)有的工作，可以在很大程度上改進(jìn)工作的效率和質(zhì)量[2-5]。

針對(duì)本公司現(xiàn)有的某型號(hào)的平衡軸，應(yīng)用TRIZ理論，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析和因果分析，找出了懸架系統(tǒng)漏油的根本原因，利用矛盾分析獲得了TRIZ解決方案模型，找到了解決方案。

問題描述

1.技術(shù)系統(tǒng)功能

通過TRIZ理論中對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)功能[5]的定義與概念，得到了懸架系統(tǒng)的SVOP：技術(shù)系統(tǒng)S為懸架系統(tǒng)，動(dòng)作V吸收，作用對(duì)象O為車輪，參數(shù)P為振動(dòng)。

因此，本技術(shù)系統(tǒng)的功能可以表述為“懸架系統(tǒng)吸收車輪在不平地面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)”。

2.技術(shù)系統(tǒng)工作原理

重型貨車的懸架系統(tǒng)主要是由板簧、平衡軸總成、推力桿以及U形螺栓組成。車輪通過不平地面時(shí)，位于不同水平位置的車橋會(huì)導(dǎo)致車架位置受到力的作用，尤其在載貨狀態(tài)下，通過懸架系統(tǒng)平衡軸總成的大支架與芯軸之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，使得車架平行于地面，不受到除正常荷載以外的其他因位置變化而產(chǎn)生的力的作用。

3.問題現(xiàn)狀描述

通過對(duì)該技術(shù)系統(tǒng)的功能和工作原理的闡述可知，懸架系統(tǒng)的主要作用是承擔(dān)車輪在不同地面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，而懸架系統(tǒng)中的芯軸與大支架之間良好的運(yùn)轉(zhuǎn)是懸架系統(tǒng)正常工作的前提。

但是車輛在涉水工況或環(huán)境惡劣（如泥沙飛揚(yáng)等）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致懸架系統(tǒng)的大支架與芯軸安裝的部位槽有大量泥沙堆積的現(xiàn)象。而在車輛繼續(xù)行駛過程中，由于懸架系統(tǒng)在車輛整體運(yùn)動(dòng)的作用下，泥沙與芯軸軸套會(huì)有一定的磨損，長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致懸架系統(tǒng)內(nèi)的軸承密封性不良，產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致懸架系統(tǒng)出現(xiàn)故障，車輛無法實(shí)現(xiàn)減振作用，主要表現(xiàn)為軸承進(jìn)水后油脂失效或油液泄漏。油液泄漏后，車輛經(jīng)過不平整路面時(shí)懸架系統(tǒng)會(huì)發(fā)出異響，需要更換平衡軸總成，嚴(yán)重時(shí)懸架系統(tǒng)的減振作用完全失效，車架車橋整體受損，只能進(jìn)行大修。如圖1所示為懸架系統(tǒng)故障圖。

圖1 懸架系統(tǒng)磨損漏油

問題分析

1.懸架系統(tǒng)功能分析

懸架系統(tǒng)的主要功能為吸收車輪振動(dòng)，其系統(tǒng)組件，見表1。

表1 懸架系統(tǒng)系統(tǒng)組件表

通過各系統(tǒng)組件的相互作用繪制功能模型圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模型

通過構(gòu)建系統(tǒng)功能模型圖[6]進(jìn)行分析，描述懸架系統(tǒng)組件及其之間的相互關(guān)系，確定了導(dǎo)致問題存在的功能因素。

系統(tǒng)中所有的負(fù)面功能如下：積累的泥沙與軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致密封件損壞——有害作用；密封件和芯軸對(duì)油液的密封作用不足——不足作用。

2.問題分析

通過系統(tǒng)組件的相互作用繪制的功能模型圖僅能發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的負(fù)面功能，為了研究系統(tǒng)發(fā)展變化的因果關(guān)系，抓住系統(tǒng)發(fā)展變化的主要矛盾（內(nèi)因）和次要矛盾（外因/條件）的關(guān)系，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行因果分析（見圖3）。

圖3 懸架系統(tǒng)因果分析

通過因果分析，確定了本系統(tǒng)問題產(chǎn)生的根本原因是：

1）設(shè)計(jì)想法欠缺。

2）提高油液黏油特性研發(fā)成本高。

3）工作環(huán)境溫度高。

4）設(shè)計(jì)研發(fā)少。

5）供應(yīng)商加工能力不足。通過系統(tǒng)的功能分析和因果分析，在一定程度上發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致該懸架系統(tǒng)的失效的原因，為下面的問題解決提供了前提。

問題解決

1.物-場模型及標(biāo)準(zhǔn)解

根據(jù)TRIZ理論，一般認(rèn)為兩個(gè)物體之間的作用都可用兩個(gè)物質(zhì)（對(duì)象物質(zhì)和工具物質(zhì)）和一個(gè)基本場的形式來描述。針對(duì)問題分析得出的結(jié)論，構(gòu)建懸架系統(tǒng)的初始物-場模型，如圖4所示。

圖4 物-場分析模型

根據(jù)系統(tǒng)初始物-場模型，確定系統(tǒng)的物-場模型為有害的完整模型。對(duì)于此類型系統(tǒng)，必須保留或進(jìn)一步擴(kuò)大有益作用，并對(duì)有害作用設(shè)法予以消除。

一般以下方法：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解中的S1.2.1引入第二個(gè)場來抵抗有害作用，在泥沙堆積的平衡軸總成位置增加一個(gè)場，使得泥沙無法作用于密封件上，如圖5所示。

圖5 物-場分析解決方案

2.運(yùn)用科學(xué)效應(yīng)及知識(shí)庫

科學(xué)效應(yīng)是在科學(xué)理論的指導(dǎo)下，實(shí)施科學(xué)現(xiàn)象的結(jié)果，簡單來說就是按照已有的科學(xué)知識(shí)規(guī)定的原理將輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量，用以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。根據(jù)問題分析，確定了系統(tǒng)最主要的負(fù)面功能為泥沙和密封件的磨損，想要消除負(fù)面功能，需要實(shí)現(xiàn)的功能為消除接觸。提煉欲改變的系統(tǒng)功能：提高使用壽命和可靠性。查詢知識(shí)庫并獲得結(jié)果：莫比烏斯環(huán)、改變接觸面積和選擇特殊形狀。

運(yùn)用以上的發(fā)明原理，可以得到如下概念方案：

方案1：利用改變接觸面積效應(yīng)，在平衡軸最外端加上防護(hù)套，使得泥沙不能直接落入平衡軸與密封圈接觸位置。

方案2：利用選擇特殊形狀效應(yīng)，改變平衡軸整體形狀，使得泥沙不易堆積。

3.技術(shù)矛盾與矛盾矩陣

對(duì)于TRIZ來說，矛盾是發(fā)明問題的核心，實(shí)現(xiàn)發(fā)明就必須抽取矛盾，將一個(gè)多樣化的具體問題轉(zhuǎn)化為規(guī)范的典型問題。

本系統(tǒng)的存在的技術(shù)矛盾可以表述為：為了改善“泥沙等外來有害物質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的影響”，導(dǎo)致“系統(tǒng)的使用壽命降低”。

選擇技術(shù)矛盾參數(shù)組合以及查詢所得發(fā)明原理見表3。

表3 技術(shù)矛盾解決方案

根據(jù)矛盾矩陣，得到了對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理，并運(yùn)用以上的發(fā)明原理，可以得到如下的概念方案：

方案1：運(yùn)用發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)性原理），得到新方案，即：在平衡軸總成上添加一個(gè)保護(hù)罩，在工作環(huán)境惡劣（泥沙飛揚(yáng)等工作場合）條件下，對(duì)平衡軸總成部位進(jìn)行保護(hù)，防止泥沙在平衡軸總成的密封件累積。

方案2：運(yùn)用發(fā)明原理35（狀態(tài)和參數(shù)變化），得到新方案，即：通過對(duì)密封件進(jìn)行硫化，提高密封件的強(qiáng)度和耐久性，改善整體性能。

方案3：運(yùn)用發(fā)明原理24（中介原理），得到新方案，即：在軸承上面開槽，在凹槽位置添加一個(gè)材料為丁腈橡膠的O形圈，使泥沙與平衡軸總成分離。

方案4：運(yùn)用發(fā)明原理21（急速作用原理），得到新方案，即：在平衡軸總成易累計(jì)泥沙的位置，安裝一個(gè)小型的高壓噴水裝置，在車輛熄火停下時(shí)，對(duì)該位置進(jìn)行高壓噴水，清除該位置的泥沙。

方案5：運(yùn)用發(fā)明原理4（不對(duì)稱原理），得到新方案，即：在平衡軸總成的上部，不采用與下部一樣的結(jié)構(gòu)。采用的結(jié)構(gòu)使得總成安裝完成后，該位置沒有縫隙使得泥沙落下。

方案6：運(yùn)用發(fā)明原理3（局部特性原理），得到新方案，即：對(duì)于平衡軸總成的密封件外部（與泥沙接觸的位置）進(jìn)行特殊材料處理，使其有著更好的材料特性。

4.物理矛盾

通常在TRIZ中，認(rèn)為技術(shù)矛盾和物理矛盾是兩個(gè)分類。物理矛盾是指為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某種功能，對(duì)同一個(gè)對(duì)象的同一個(gè)工程參數(shù)提出了互斥的要求[7]。

在對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析中，發(fā)現(xiàn)密封件的物理屬性存在物理矛盾。當(dāng)密封件外部的強(qiáng)度和剛度增加時(shí)，密封件不容易被磨損失效，由于現(xiàn)在重載車輛的輕量化發(fā)展，密封件強(qiáng)度和剛度的增加，會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量也增加。因此本系統(tǒng)存在“質(zhì)量”的相反要求，轉(zhuǎn)化為參數(shù)語言可以描述為：密封件既要耐磨，也要質(zhì)量輕。4個(gè)分離原理與40條發(fā)明創(chuàng)新原理的對(duì)應(yīng)見表4。

表4 物理矛盾與發(fā)明原理的對(duì)應(yīng)關(guān)系

結(jié)語

通過對(duì)技術(shù)可行性、成本以及技術(shù)矛盾與物理矛盾的分析，確定了發(fā)明原理24（中介原理）為基礎(chǔ)的方案3作為最終實(shí)現(xiàn)方案：在軸承上面開槽，在凹槽位置添加一個(gè)材料為丁腈橡膠的O形圈，使泥沙與平衡軸總成分離。通過公司數(shù)據(jù)分析，改進(jìn)之后的懸架系統(tǒng)性能穩(wěn)定，售后維修顯著減少。