基于TRIZ理論的汽車制動器創(chuàng)新設計

高天才，李平平，李靜

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

基于TRIZ理論的汽車制動器創(chuàng)新設計

高天才，李平平，李靜

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710200）

為了克服傳統(tǒng)設計方法在解決工程設計問題過程中的不足，將發(fā)明問題解決理論(TRIZ)引入汽車制動器的創(chuàng)新設計過程中。在對當前汽車車橋用楔式制動器存在問題的分析基礎上，采用TRIZ理論分析方法，確定了改良創(chuàng)新設計中遇到的技術(shù)沖突及其對應的發(fā)明原理，并運用發(fā)明原理所提供的思路與線索，對楔式制動器的結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新設計，以此驗證了TRIZ理論在汽車領域創(chuàng)新設計階段的可行性與有效性。

TRIZ；概念設計；車橋；汽車制動器

CLC NO.:TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-60-04

引言

產(chǎn)品的創(chuàng)新主要集中于概念設計階段[1-2]，在此階段，5%的產(chǎn)品總開發(fā)成本將決定產(chǎn)品約70%-80%[3]的性能、價值及效益。而TRIZ理論則可借助成熟的沖突矩陣與發(fā)明原理等工具，幫助設計人員通過對以往的知識與經(jīng)驗進行重新組合、修改、聯(lián)想、推理抽象等，形成創(chuàng)造性思維體系及設計概念，解決產(chǎn)品開發(fā)設計中的關鍵問題，以完成產(chǎn)品創(chuàng)新設計，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，減少市場響應時間。

汽車車橋用楔式制動器具有制動力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、維修簡單、成本低廉等優(yōu)點，因而廣泛應用于工程機械(如汽車起重機等)及商用車上。但目前的楔式制動器由于自身結(jié)構(gòu)特點和制造誤差，存在制動力輸出不穩(wěn)定、制動拖磨等問題而難以滿足市場需求。

因此，改進當前楔式制動器存在的問題即成為了迫切需要關注和解決的問題。而應用TRIZ理論中的沖突解決原理對楔式制動器的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設計，將會有效的解決當前問題，實現(xiàn)設計方案的創(chuàng)新，得到性能優(yōu)良、成本低廉的設計方案。

1、TRIZ理論

以TRIZ理論為核心的概念設計方法和工具，是從世界高質(zhì)量專利中總結(jié)出的人類解決技術(shù)難題進行發(fā)明創(chuàng)造所遵循的理論和方法[4-5]，是以各學科領域知識與工具為基礎的產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論，可有效的通過解決創(chuàng)新設計中的關鍵問題而得到高層次的創(chuàng)新概念解[6-7]。

TRIZ理論主要由技術(shù)系統(tǒng)演變的8個法則、39個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、76個標準解等構(gòu)成的理論與方法體系[8]。TRIZ理論認為，產(chǎn)品創(chuàng)新及更新?lián)Q代的實質(zhì)就是不斷地發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品沖突的過程[9]。因此，利用TRIZ的沖突矩陣及發(fā)明原理解決產(chǎn)品設計中的沖突，將推動產(chǎn)品向理想化方向進化。TRIZ理論解決問題的一般流程及應用技術(shù)沖突解決工程實際問題的一般過程見圖1、2所示。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程

圖2 技術(shù)沖突解決工程實際問題的一般過程

2、應用實例

2.1 問題分析

目前，汽車楔式制動器結(jié)構(gòu)多為浮蹄式（制動蹄與支撐點有相對滑動），該結(jié)構(gòu)如圖3所示，該種制動器通常包括制動底板、設置在制動底板上的擴張器、兩個制動蹄、回位彈簧、回位支座等。制動蹄的一端與擴張器抵接，另一端與設置在制動底板上的回位支座抵接，該回位支座形狀與擴張器相似，或者直接用不工作的擴張器代替（圖中的回位支座即為一個不工作的擴張器），兩個制動蹄之間通過回位彈簧連接。在設計制動蹄時，制動蹄的兩端結(jié)構(gòu)相同，均為矩形端面，一端嵌入到擴張器端部的卡槽中，另一端直接與回位支座的端部抵接。

圖3 傳統(tǒng)浮蹄式楔式制動器結(jié)構(gòu)

制動器工作時，在促動力(氣壓或油壓)的作用下，如圖3所示，制動促動裝置(即擴張器)向兩側(cè)張開，推動兩側(cè)制動蹄壓靠在制動鼓內(nèi)圓面，由于制動蹄與回位支座采用矩形槽抵接的結(jié)構(gòu)，制動蹄在向外張開的同時沿矩形槽向下滑動，直至制動蹄下方外圓面與制動鼓內(nèi)圓面接觸并壓緊。利用兩制動蹄與制動鼓工作表面摩擦產(chǎn)生制動力矩實現(xiàn)制動。

制動促動裝置卸載后，兩側(cè)制動蹄在回位彈簧的作用下復位，制動解除。

制動器在不工作的原始位置時，其摩擦片與制動鼓之間應該保持合適的間隙，其設定值一般由汽車制造廠規(guī)定。但是在制動器工作過程中，摩擦片的不斷磨損必然將導致制動器間隙逐漸增大。因此，任何形式的制動器在結(jié)構(gòu)上必須保證有檢查調(diào)整其間隙的可能。

對于楔式制動器，間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)設置在擴張器內(nèi)部，在擴張器張開時可以識別制動器間隙值，通過對擴張器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的設定，使得當制動器間隙大于規(guī)定值時可自動進行調(diào)整。在實際使用過程中，楔式制動器由于自身結(jié)構(gòu)特點和制造誤差，制動蹄在張開后很難回到原始位置。使得擴張器識別的制動器間隙值不準確，制動器間隙不能及時自動調(diào)整，最終導致制動器制動力輸出不穩(wěn)定。

2.2 沖突的確定及問題求解

對當前問題應用TRIZ的沖突分析方法進行系統(tǒng)分析，對于當前結(jié)構(gòu)的楔式制動器，在不考慮擴張器自身調(diào)整精度的前提下，制動蹄在張開后能否回到原始位置是影響制動器調(diào)整精度的主要因素。

針對當前問題，往往需改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或通過復雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)來消除制動蹄在向外張開的同時沿矩形槽向下的滑移，以提高制動系統(tǒng)精確回位功能，使制動蹄在張開后可精確回位。提高零件的制造精度或改進制動蹄回位形式或許可以改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但將帶來較高的制造成本及加工難度并降低了可制造性。

將問題泛化為改善的工程參數(shù)“可操作性”及“形狀”，惡化的工程參數(shù)“可制造性”。通過查詢沖突矩陣表，得到解決沖突問題對應的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表1。

對表1中各發(fā)明原理進行分析，原理“5 聯(lián)合原理”及“17 維數(shù)變化原理”對解決問題具有啟發(fā)性。

制動蹄在向外張開的同時沿擴張器和回位支座上的矩形槽向下滑動，制動蹄回到原始位置的過程中，存在向上滑動和向內(nèi)移動的過程。

根據(jù)原理5及原理17得到啟示，提出解決方案：每個制動蹄的一端卡接在擴張器端部的卡槽中，即與原結(jié)構(gòu)保持不變。在制動蹄另一端，即制動蹄底部與回位支座抵接處設計成半圓弧凸臺結(jié)構(gòu)。取消原結(jié)構(gòu)中的回位支座，在制動底板端部對應位置設計與凸臺相對應的半圓形凹槽。

具體結(jié)構(gòu)見圖4所示：制動蹄底部的半圓弧凸臺嵌入制動底板上的半圓弧凹槽中。在制動器工作時，即制動蹄張開和復位的過程中，制動蹄僅繞圓弧中心擺動，沒有相對滑動。制動蹄張開后可以回到理論位置，間隙調(diào)整可靠，制動性能穩(wěn)定。

圖4 制動蹄、制動底板結(jié)構(gòu)

改進后的制動器總成進行試驗驗證，制動器間隙調(diào)整功能明顯改善，但仍會出現(xiàn)制動拖磨的現(xiàn)象。

對改進后的制動器進一步分析，制動拖磨一般是由“制動器初始間隙過小”或“制動器使用后間隙變小”這兩個因素造成的，通過分析，發(fā)現(xiàn)改進后的制動蹄雖然在制動蹄精確回位方面明顯改善，但由于本身結(jié)構(gòu)的原因，制動蹄的支撐剛性較差，制動器工作時，制動蹄將產(chǎn)生較大的變形，尤其是半圓弧凸臺支撐端，導致制動器間隙變小。為提高制動蹄支撐剛性，往往導致制動蹄重量及體積的變大。

將問題泛化為改善的工程參數(shù)“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”及惡化的工程參數(shù)“靜止物體的重量”與改善的工程參數(shù)“強度”及惡化的工程參數(shù)“物質(zhì)的量”。通過查詢沖突矩陣表，得到解決沖突問題對應的發(fā)明原理，即TRIZ特解，見表2。

表2

對表2中發(fā)明各原理進行分析，原理 “10 預先作用原理”及“26 復制原理”對解決問題具有啟發(fā)性。

根據(jù)原理10及原理26得到啟示：削減制動蹄主腹板厚度，并在主腹板的兩側(cè)分別增加一條縱向加強筋，加強筋與制動蹄翼板、半圓弧凸臺通過焊縫連接，通過焊接縱向加強筋提高制動蹄整體支撐剛性，尤其是半圓弧支撐端的剛性，這樣在既不過多增加質(zhì)量的同時，也有效改善制動拖磨的問題。具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 改善后的制動蹄結(jié)構(gòu)

綜上所述，得到最終的制動器改進方案：擴張器張開端結(jié)構(gòu)不變，仍然為矩形卡槽結(jié)構(gòu)，在制動蹄的端部增加半圓弧凸臺，在制動底板端部增加對應的半圓弧凹槽，代替回位支座，制動蹄繞圓弧中心擺動實現(xiàn)制動蹄張開和復位過程。制動蹄張開后可以回到初始位置，間隙調(diào)整可靠。同時制動蹄增加縱向加強筋提高支撐剛性。最終的制動器具體結(jié)構(gòu)見圖6所示。

圖6 改進后的制動器結(jié)構(gòu)

3、結(jié)論

在產(chǎn)品創(chuàng)新求解過程中，應用高層次的概念設計方法TRIZ可以幫助設計者克服思維慣性，避免以往的“盲目嘗試”，同時也是尋求關鍵技術(shù)瓶頸、創(chuàng)造性的解決技術(shù)壁壘、尋找跨行業(yè)解決方案，建立現(xiàn)代知識工程理念等的基礎性工具。

本文旨在將TRIZ理論應用于汽車領域的創(chuàng)新設計階段。通過建立技術(shù)沖突，找出對應的發(fā)明原理，并結(jié)合設計人員自身或群體的知識經(jīng)驗，最終得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的設計方案。

[1] 李彥,王杰,李翔龍,等.創(chuàng)造性思維及計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設計研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2003,9（12):1092-1096．

[2] 張建輝,檀潤華,張鵬,等.計算機輔助創(chuàng)新驅(qū)動的產(chǎn)品概念設計創(chuàng)新設想產(chǎn)生過程模型[J].計算機集成制造系統(tǒng),2013,19(2):284-291.

[3] 蔡軍.產(chǎn)品設計階段的成本管理研究[D].長沙：中南大學,2011．

[4] Altshuller G S. The Innovation Algorithm, TRIZ systematic innova -tion and technical creativity [M]. Technical Innovation Center, INC., Worcester, 1999:37-89．

[5] 盧希美,張付英,張青青.基于TRIZ理論和功能分析的產(chǎn)品創(chuàng)新設計[J].機械設計與制造.2010,(12):255-257．

[6] 任工昌,劉永紅,張優(yōu)云.產(chǎn)品創(chuàng)新中點狀問題的解決原理及輔助設計系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].機械工程學報,41(3):32-37．

[7] 馬力輝.面向多沖突問題的TRIZ關鍵技術(shù)研究[D].天津:河北工業(yè)大學,2007．

[8] 陳光.創(chuàng)新思維與方法.TRIZ的理論與應用[M].北京:科學出版社,2011．

[9] 韓立芳,張明勤,李海青等.基于TRIZ的新型立體車庫創(chuàng)新設計[J].工程設計學報. 2008,15(2):86-89.

Automotive Brake Innovation Design based on TRIZ

Gao Tiancai, Li Pingping, Li Jing
( Shaanxi hande axle Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

In order to overcome the shortcomings of the traditional design method to solve engineering design problems, the theory of inventive problem solving (TRIZ) is introduced in the innovation design process of the automotive brake. On the basis of the analysis of the problems exist in the automotive brake, the technical conflict encountered in the work and the corresponding principles of invention were determined by using the TRIZ innovation and theoretical analysis method, and the old brake structure is improved with some TRIZ ideas and clues provided by the principles of the invention. The effectiveness and feasibility of TRIZ in the innovative design phase in the automotive sector is verified.

TRIZ; Conceptual Design; Axle; Automobile Brake

TH122

A

1671-7988(2016)07-60-04

高天才，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.019