裝載機(jī)自動變速系統(tǒng)進(jìn)化路線分析

張 娜， 于振環(huán)， 張 燕

（1.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130011；2.一汽東機(jī)工減振器有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，吉林 長春 130011）

0 引 言

裝載機(jī)是一種適應(yīng)性強(qiáng)、用途非常廣闊的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中。由于裝載機(jī)在性能方面具有操作輕便、動力性好、作業(yè)速度快等優(yōu)點，因而發(fā)展很快，成為工程建設(shè)中的主要機(jī)械。自動換擋控制方法已廣泛應(yīng)用于國外的裝載機(jī)技術(shù)，而國內(nèi)除部分變速箱采用半自動換擋外，其余均采用手動換擋技術(shù)。

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，裝載機(jī)企業(yè)面臨著巨大的市場壓力，技術(shù)研發(fā)人員必須對市場進(jìn)行深入透徹的了解，才能更準(zhǔn)確地定位新產(chǎn)品的研發(fā)方向。企業(yè)在制定發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)改革時往往無從下手，TRIZ理論的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論將提供重要的參考手段。企業(yè)若想在市場上占有先機(jī)，需要準(zhǔn)確及時的預(yù)測技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)方向，并且在第一時間開發(fā)出新的核心技術(shù)。文中對裝載機(jī)自動變速方法做了初步分析，并利用TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論對其進(jìn)行研究，初步設(shè)想出技術(shù)研發(fā)方向。

1 TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論

TRIZ理論是由俄國學(xué)者G.S.Altshuller以及他的同事通過對大量的專利進(jìn)行研究，總結(jié)出的一整套解決發(fā)明問題的有效方法。G.S.Altshuller經(jīng)多年研究，于20世紀(jì)七八十年代提出了TRIZ技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論（Theory of Technological System Evolution，TTSE），該理論認(rèn)為，不同產(chǎn)品技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化都具有可傳遞性，存在著相似的客觀規(guī)律，即同一種技術(shù)進(jìn)化規(guī)律適用于不同的工程領(lǐng)域。該理論主要包括：利用S－曲線對產(chǎn)品的技術(shù)成熟度進(jìn)行分析、10種技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式以及相應(yīng)的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線等。對于產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢，可以利用技術(shù)進(jìn)化模式和進(jìn)化路線進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而把握新產(chǎn)品的開發(fā)方向；企業(yè)若想快速、準(zhǔn)確地把握產(chǎn)品的技術(shù)走向，還要對產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)化潛力進(jìn)行分析。

1.1 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式與進(jìn)化路線

TRIZ研究人員通過對世界專利庫的統(tǒng)計分析，對產(chǎn)品技術(shù)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行研究，總結(jié)了其進(jìn)化趨勢，即技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式和技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式為產(chǎn)品技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新指明了方向［1］。其中包括G.S.Altshuller提出的10種進(jìn)化模式、Zusman［2］提出的8種進(jìn)化模式以及Mann Darrell［3］提出的11種進(jìn)化模式。企業(yè)若想對產(chǎn)品進(jìn)行新技術(shù)的開發(fā)，前兩種進(jìn)化模式使用方法比較模糊，后一種進(jìn)化模式操作簡便，并且對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)問題考慮全面。因此，文中利用Mann Darrell的11種進(jìn)化模式對裝載機(jī)的自動變速方法進(jìn)行研究，該模式具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 11種技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化模式

對于不同的進(jìn)化層次，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式也有分別，具體內(nèi)容如圖2所示［4］。

圖2 進(jìn)化模式層次圖

系統(tǒng)的理性化水平?jīng)Q定了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線。

技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式只是對產(chǎn)品進(jìn)化的大概進(jìn)化方向進(jìn)行了闡述，產(chǎn)品技術(shù)的具體進(jìn)化細(xì)節(jié)并沒有涉及。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線是在不改變產(chǎn)品核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，定性地指出了技術(shù)系統(tǒng)舊的技術(shù)被新技術(shù)代替的過程［5］。因此，技術(shù)進(jìn)化路線的分析可以提供產(chǎn)品技術(shù)的具體革新思路。

1.2 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化潛力

TRIZ理論中有一種S－曲線，該曲線可以對產(chǎn)品的技術(shù)成熟度進(jìn)行評價，這種方法比較便于操作，但是通過S－曲線的分析無法預(yù)測技術(shù)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，更不能同時處理多種進(jìn)化模式。著名的TRIZ研究專家Mann D針對S－曲線的這一問題提出了一個產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)化潛力（Evolutionary Potential Mapping，EPM）的新概念，即技術(shù)系統(tǒng)現(xiàn)階段的技術(shù)指標(biāo)與其能夠達(dá)到的進(jìn)化極限之間的差距。技術(shù)研發(fā)人員可以通過本方法了解產(chǎn)品新技術(shù)的進(jìn)化程度以及未來的發(fā)展方向，為將來更好地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)立項奠定基礎(chǔ)［6］。

2 裝載機(jī)改進(jìn)方案的設(shè)想（工程實例）

2.1 裝載機(jī)進(jìn)化模式與進(jìn)化路線

中國裝載機(jī)行業(yè)經(jīng)過近50年的發(fā)展，特別是近10來年的超高速發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量已經(jīng)有了很大的提高，與世界先進(jìn)水平的差距越來越小，已得到世界市場、包括最苛刻的歐美市場的廣泛認(rèn)可。裝載機(jī)企業(yè)若想永遠(yuǎn)保持技術(shù)的最前沿，必須及時的對原有技術(shù)進(jìn)行革新。文中查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)專利，對裝載機(jī)自動變速方法的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路線進(jìn)行了總結(jié)。

2.1.1 換擋參數(shù)的升級

2.1.1.1 單參數(shù)換擋規(guī)律

工程車輛的的發(fā)展落后于汽車車輛，所以在發(fā)展的初期，借鑒了汽車的技術(shù)，僅選擇了車速為換擋參數(shù)，但是這種方法只是作為參考，并沒有進(jìn)行裝車使用。

缺點：僅選擇車速作為換擋參數(shù)無法保證變速點隨油門開度的變化而變化。由于換擋點不受駕駛員控制，所以車輛的經(jīng)濟(jì)性與動力性無法保證。

2.1.1.2 二參數(shù)換擋規(guī)律

到現(xiàn)在為止，應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)最成熟的二參數(shù)換擋規(guī)律是由彼得羅夫于1963年提出的，具體參數(shù)為車速和油門開度。此外還有一種以泵輪和渦輪轉(zhuǎn)速作為換擋參數(shù)的二參數(shù)換擋規(guī)律，裝載機(jī)在工作過程中可以通過擋位的變換，使變矩器獲得最佳的工作狀態(tài)，從而提高車輛的牽引特性和動力特性。

缺點：裝載機(jī)在作業(yè)工況下，負(fù)載會經(jīng)常發(fā)生變化，這種換擋規(guī)律視油門開度固定，所以駕駛員的工作意圖經(jīng)常不能被正確理解，從而造成換擋的不可預(yù)見性。

2.1.1.3 三參數(shù)換擋規(guī)律

在二參數(shù)的基礎(chǔ)上三參數(shù)換擋規(guī)律考慮了發(fā)動機(jī)的油門開度，增強(qiáng)了裝載機(jī)的實際操縱性能。油門開度這一參數(shù)的增加，可以使裝載機(jī)在不同的油門開度下，都獲得良好的牽引力性能，進(jìn)而提高車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性［7］。

缺點：裝載機(jī)在鏟掘作業(yè)工況時裝置會消耗較大的發(fā)動機(jī)力矩，同時，變矩器吸收的力矩變化較大，因此，對于裝載機(jī)的實際作業(yè)工況三參數(shù)換擋規(guī)律考慮的不夠完善［7］。

2.1.1.4 四參數(shù)換擋規(guī)律

考慮到三參數(shù)換擋規(guī)律出現(xiàn)的問題，四參數(shù)換擋規(guī)律在其基礎(chǔ)上增加了一個參數(shù)：裝載機(jī)工作液壓系統(tǒng)消耗的功率。

缺點：四參數(shù)換擋規(guī)律設(shè)置的參數(shù)較多，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有所增加。

2.1.2 操作方法的升級

2.1.2.1 手動換擋

傳統(tǒng)的裝載機(jī)的操作和駕駛主要是由駕駛員直接掌握的，均為手動操作。這樣的作業(yè)方式存在較大的缺點：裝載機(jī)的駕駛是一直循環(huán)操作，作業(yè)的過程中駕駛員需要頻繁的換擋，每小時近千次的換擋會使駕駛員極易感到疲勞致使作業(yè)效率低下，不安全因素也會相應(yīng)增加；換擋點不好掌控，駕駛?cè)藛T如果操作不當(dāng)，會使液力變矩器的工作效率大大降低；手動換擋的沖擊力較大，造成換擋時的平穩(wěn)性很差。

2.1.2.2 人機(jī)協(xié)同配合

作業(yè)工況和運行工況是裝載機(jī)在運行過程中存在的兩種工況，人機(jī)協(xié)同配合控制方式將兩種工況結(jié)合在一起，充分利用智能技術(shù)。這種配合方式使駕駛?cè)藛T的勞動強(qiáng)度大大減輕，駕駛員只負(fù)責(zé)工況模式，其它工作由智能化軟件實現(xiàn)。

缺點：人機(jī)協(xié)同配合雖然減輕了駕駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度，但是還沒有完全實現(xiàn)自動化的程度，因為裝載機(jī)在作業(yè)工況時還不能缺少人的參與，完全的自動變速還沒有實現(xiàn)。

2.1.2.3 全自動

國內(nèi)的裝載機(jī)廠家均沒有使用全自動換擋變速箱。

2.2 裝載機(jī)進(jìn)化潛力描述

2.2.1 向增加可控性方向進(jìn)化模式

1）向增加可控性方向進(jìn)化路線：對作用物體的直接控制→通過中介物對作用物體的控制→對作用物體具有反饋的控制→智能反饋的控制。

2）裝載機(jī)進(jìn)化路線：手動換擋→人機(jī)協(xié)同配合。

裝載機(jī)自動變速技術(shù)在向可控性方向只進(jìn)化到通過中介物對作用物體的控制階段，沒有進(jìn)化完全，還有很大的進(jìn)化潛力。接下來，研發(fā)人員應(yīng)考慮使裝載機(jī)自動變速技術(shù)向具有反饋的控制方向進(jìn)展。

2.2.2 向系統(tǒng)理想化方向進(jìn)化模式

一個絕對理想化的系統(tǒng)定義為，在不需要消耗任何動力、材料、能量和信息的狀態(tài)下，在所要求的時間和空間范圍內(nèi)能100%完成所有可能的功能，這樣一個系統(tǒng)并不存在。

1）向系統(tǒng)理想化方向進(jìn)化路線：人→人＋動力工具→人＋半自動工具→人＋自動工具→全自動工具。

2）裝載機(jī)現(xiàn)階段進(jìn)化路線：手動換擋→人機(jī)協(xié)同配合。

將裝載機(jī)自動變速技術(shù)現(xiàn)階段進(jìn)化路線與標(biāo)準(zhǔn)路線進(jìn)行對比，該技術(shù)在這一進(jìn)化路線中沒有進(jìn)化完全，只進(jìn)化到人＋自動工具部分。因此，智能化、自動化是裝載機(jī)變速控制系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

2.2.3 向超系統(tǒng)方向進(jìn)化模式

系統(tǒng)開始時逐漸變得復(fù)雜化，之后向簡單化方向發(fā)展。

1）超系統(tǒng)的進(jìn)化路線：單一功能→兩個功能→多個功能→功能的集合→多個功能→兩個功能→單一功能。

2）裝載機(jī)現(xiàn)階段進(jìn)化路線：單參數(shù)換擋規(guī)律→二參數(shù)換擋規(guī)律→三參數(shù)換擋規(guī)律→四參數(shù)換擋規(guī)律。

將兩個進(jìn)化路線進(jìn)行比較，在向超系統(tǒng)方向進(jìn)化這一路線中，裝載機(jī)自動變速換擋規(guī)律還沒有進(jìn)化完全，具有一定潛力。接下來應(yīng)向減少控制參數(shù)的方向研究，不應(yīng)再增加參數(shù)，這樣可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化。即將一個復(fù)雜的系統(tǒng)用一個可以實現(xiàn)同樣功能的簡單化的系統(tǒng)取代［8］。

2.2.4 向增加系統(tǒng)空間分割方向進(jìn)化模式

1）向增加系統(tǒng)空間分割方向進(jìn)化路線：零維→一維→二維→三維。

2）裝載機(jī)現(xiàn)階段進(jìn)化路線：單參數(shù)換擋規(guī)律→二參數(shù)換擋規(guī)律→三參數(shù)換擋規(guī)律→四參數(shù)換擋規(guī)律。

將兩個進(jìn)化路線進(jìn)行比較，在向增加系統(tǒng)空間分割方向進(jìn)化這一進(jìn)化路線中裝載機(jī)自動變速換擋規(guī)律已進(jìn)化至最后階段，無進(jìn)化潛力。

3 結(jié) 語

通過運用TRIZ技術(shù)進(jìn)化理論對裝載機(jī)自動變速系統(tǒng)進(jìn)化模式、進(jìn)化路線以及進(jìn)化潛力進(jìn)行分析，確定了該項技術(shù)現(xiàn)在所處的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對裝載機(jī)技術(shù)的進(jìn)化路線做了評估。得出結(jié)論：在向增加系統(tǒng)空間分割的進(jìn)化方向中，裝載機(jī)自動變速系統(tǒng)已無進(jìn)化潛力，研發(fā)人員無需在這個方向上繼續(xù)研究；而向增加可控性方向、超系統(tǒng)方向以及向系統(tǒng)理想化方向的進(jìn)化路線，裝載機(jī)自動變速技術(shù)都具有很大的進(jìn)化潛力。因此，這3個進(jìn)化方向?qū)⑹茄b載機(jī)自動變速系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。

［1］劉飛，張強(qiáng)，沈曦，等.蝶閥密封結(jié)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)化理論分析［J］.閥門，2007（6）：8－11.

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［4］張青華.基于TRIZ的技術(shù)進(jìn)化理論研究及工程應(yīng)用［D］：［碩士學(xué)位論文］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2003.

［5］檀潤華，苑彩云，張瑞紅，等.基于技術(shù)進(jìn)化的產(chǎn)品設(shè)計過程研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2002，38（12）：60－65.

［6］張建輝，檀潤華，楊伯軍，等.產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)化潛力預(yù)測研究［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2008，15（3）：157－163.

［7］劉更新.裝載機(jī)自動變速換擋規(guī)律研究［D］：［碩士學(xué)位論文］.長春：吉林大學(xué)，2005.

［8］張娜.基于TRIZ創(chuàng)新理論的工程機(jī)械自動變速方法的研究［D］］：［碩士學(xué)位論文］.長春：吉林大學(xué)，2011.