劉春萌，董娟，薛冰洋，馮印，魏嘉成

（1.長(zhǎng)春一汽富晟李爾汽車座椅系統(tǒng)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130013；2.吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

前言

目前轎車座椅高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)一般采用高調(diào)器鎖止，原理是利用摩擦力鎖止。但卡車路況較為惡劣，采用轎車的高調(diào)器有下沉的風(fēng)險(xiǎn)，因此需設(shè)計(jì)一種更為可靠的高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及鎖止裝置。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上有兩大類卡車座椅高調(diào)機(jī)構(gòu)，一種是由多個(gè)小連桿構(gòu)成的高調(diào)機(jī)構(gòu)（如圖1、圖2），一種是利用剪刀支架構(gòu)成的高調(diào)機(jī)構(gòu)（如圖3、圖4）。

小連桿式高調(diào)機(jī)構(gòu)，需通過(guò)兩個(gè)手柄分別調(diào)節(jié)座椅的前部和后部，必須經(jīng)過(guò)兩次調(diào)節(jié)才能到達(dá)指定高度，操作過(guò)程較復(fù)雜。

剪刀支架式高調(diào)機(jī)構(gòu)，僅需調(diào)節(jié)一次即可到達(dá)指定高度，操作便捷；并且可借用卡車懸浮座椅已有的成熟剪刀支架結(jié)構(gòu)。即高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以通用，僅需重新設(shè)計(jì)鎖止裝置即可，既可節(jié)省工裝投入，又可降低設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述調(diào)查，在現(xiàn)有剪刀支架結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)了一套高調(diào)機(jī)構(gòu)的鎖止裝置，如圖5所示。此方案工作原理是利用剪刀支架的運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)座椅高度，到達(dá)想要的高度后，利用解鎖銷和限位孔進(jìn)行鎖止。

圖1 小連桿式高調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)舉例

圖2 小連桿式高調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

圖3 剪刀支架式高調(diào)機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 剪刀支架式高調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

但圖5所示鎖止裝置的檔位間距過(guò)大，每調(diào)節(jié)一檔，高度變化15mm以上，原因是強(qiáng)度要求限制了限位銷、限位孔間距的尺寸。目前的檔位間距，使得乘員不易找到最舒適的高度。類似產(chǎn)品對(duì)比結(jié)果顯示，檔位間距若降低到10mm以下，比較容易被消費(fèi)者接受。

圖5 高調(diào)及鎖止裝置示意圖

由上可知，檔位間距過(guò)大和強(qiáng)度之間產(chǎn)生沖突，常規(guī)設(shè)計(jì)往往不能很好的解決此類沖突，但應(yīng)用 TRIZ[1-3]可以很好的解決上述問(wèn)題。

TRIZ（發(fā)明問(wèn)題解決理論），能有效解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的設(shè)計(jì)沖突和方案難以獲取等問(wèn)題，已在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用[4-9]。

1 TRIZ理論基本工具

TRIZ理論在項(xiàng)目中的應(yīng)用，有多種TRIZ工具[1]可以輔助分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，各工具的應(yīng)用流程可參考圖6。

圖6 TRIZ工具應(yīng)用參考流程

本文中，僅應(yīng)用了部分 TRIZ工具，如 IFR、系統(tǒng)功能分析及裁剪、因果分析、沖突分析、物-場(chǎng)分析、進(jìn)化分析等；未涉及資源分析、效應(yīng)知識(shí)庫(kù)等TRIZ工具。

2 利用TRIZ理論優(yōu)化高調(diào)鎖止裝置

2.1 問(wèn)題描述

首先定義技術(shù)系統(tǒng)為“高調(diào)鎖止裝置”。技術(shù)系統(tǒng)的功能是“限制高調(diào)系統(tǒng)高度”；技術(shù)系統(tǒng)當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是：每一檔調(diào)節(jié)行程過(guò)大（≥15mm）；對(duì)新系統(tǒng)的技術(shù)要求是：減小檔位間距（＜10mm）。

2.2 IFR

運(yùn)用 TRIZ解決問(wèn)題，在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行具體分析之前，首先應(yīng)當(dāng)理解并應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)的 IFR，即最終理想結(jié)果（Ideal Final Result），來(lái)打破思維定勢(shì)。

本研究中，技術(shù)系統(tǒng)的IFR是：不需要鎖止裝置，高調(diào)系統(tǒng)可自行停留在任意高度位置。對(duì)阻止技術(shù)系統(tǒng)達(dá)到 IFR的障礙進(jìn)行分析，按照 TRIZ的分析方法，尋找相關(guān)資源使障礙消失，最終得到以下三個(gè)方案，如圖7所示：

圖7 IFR方案

方案1：采用可任意位置鎖止的氣撐替代現(xiàn)有機(jī)械彈簧；

方案2：用電機(jī)驅(qū)動(dòng)替代替機(jī)械彈簧驅(qū)動(dòng)；

方案 3：用氣缸驅(qū)動(dòng)代替機(jī)械彈簧驅(qū)動(dòng)，同時(shí)增加氣閥控制氣體通斷。

2.3 系統(tǒng)功能分析及裁剪

對(duì)系統(tǒng)的組件及組件間的作用關(guān)系，進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)限位孔、限位銷、限位孔間距、限位支架等組件之間存在相互破壞作用，產(chǎn)生強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)，建立組件模型，如下圖8所示。

圖8 組件模型

系統(tǒng)分析后，可對(duì)有害作用處進(jìn)行裁剪，得到新的組件模型，如圖9；通過(guò)新的組件模型，得到一個(gè)裁剪后的方案，但此方案強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)大，因此未列舉。

圖9 裁剪后的組件模型

2.4 因果分析

分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，用標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言表述，如圖10。

此處找到三個(gè)入手點(diǎn)，通過(guò)改變解鎖銷材料、限位支架材料、用機(jī)加工藝代替沖壓工藝制造限位支架等方案，可改善檔位間距，但僅實(shí)施這些方案效果有限，因此不一一列舉。

2.5 沖突分析

2.5.1 技術(shù)沖突

技術(shù)沖突 1：通過(guò)因果分析得知，若不改變材料，而將板材厚度從3mm增加到5mm可以增加板材的強(qiáng)度，但是帶來(lái)的問(wèn)題是，沖壓工藝難以制造。即改進(jìn)了強(qiáng)度，惡化了制造工藝。

圖10 原因鏈

用TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)描述，改善的參數(shù)是：強(qiáng)度；惡化的參數(shù)是：可制造性。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創(chuàng)新原理：NO.11事先防范、NO.3局部質(zhì)量、NO.10預(yù)先作用、NO.32顏色改變。在NO.3局部質(zhì)量原理的提示下，得到以下方案：

方案 4：限位支架厚度不變，仍然用沖壓工藝生產(chǎn)，但是針對(duì)有孔的部位，通過(guò)焊接使其變成兩層板材，增加局部強(qiáng)度。

技術(shù)沖突 2：通過(guò)因果分析得知，若不改變材料，可通過(guò)減小解鎖銷直徑來(lái)減小檔位間距，但是帶來(lái)的問(wèn)題是，強(qiáng)度不足。即改進(jìn)了直徑，惡化了強(qiáng)度。

用TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)描述，改善的參數(shù)是：靜止物體的長(zhǎng)度；惡化的參數(shù)是：強(qiáng)度。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創(chuàng)新原理：NO.15動(dòng)態(tài)特性、NO.14曲面化、NO.28機(jī)械系統(tǒng)替代；NO.26復(fù)制。在NO.26復(fù)制原理的提示下，得到以下方案。

方案 5：將兩個(gè)直徑較小的解鎖銷焊接，替代目前的解鎖銷，如圖11；

方案 6：用帶有兩個(gè)腳的沖壓件，替代目前的解鎖銷，如圖12。

圖11 方案5

圖12 方案6

技術(shù)沖突 3：通過(guò)因果分析得知，若不改變材料，可通過(guò)減小限位孔間距減小檔位間距，但是帶來(lái)的問(wèn)題是，強(qiáng)度不足。即改進(jìn)了檔位間距，惡化了強(qiáng)度。

用TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)描述，改善的參數(shù)是：靜止物體的長(zhǎng)度；惡化的參數(shù)是：強(qiáng)度。查詢矛盾矩陣，找到推薦的創(chuàng)新原理：NO.15動(dòng)態(tài)特性、NO.14曲面化、NO.28機(jī)械系統(tǒng)替代、NO.26復(fù)制。在NO.26復(fù)制原理的提示下，得到以下方案：

方案 7：限位孔及限位支架從一列增加到兩列，錯(cuò)位排列，分布在定位銷的兩側(cè)；同時(shí)，限位銷從一個(gè)增加到兩個(gè)，使其總有一個(gè)可以進(jìn)入孔里，如圖13。

方案8：與方案7類似，但不復(fù)制限位支架，如圖14。

圖13 方案7

圖14 方案8

通過(guò)分析并解決限位支架強(qiáng)度和可制造性、解鎖銷的直徑和強(qiáng)度、限位孔間距和強(qiáng)度等3個(gè)技術(shù)沖突，得到了5個(gè)方案，均可減小鎖止裝置的檔位間距，并且不惡化可制造性，或強(qiáng)度。

2.5.2 物理沖突

物理沖突：通過(guò)原因分析得知，若不改變材料，減小檔位間距要求減小解鎖銷直徑，增加解鎖銷強(qiáng)度又要求增加解鎖銷直徑。要求解鎖銷直徑既大又小，為物理矛盾。

圖15 方案9

對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)高度時(shí)，要求檔位間距小、解鎖銷直徑小，而鎖止時(shí)，要求強(qiáng)度高，此時(shí)解鎖銷直徑需要大。調(diào)節(jié)和鎖止的時(shí)間段不同，可以應(yīng)用時(shí)間分離原理。時(shí)間分離原理常用的創(chuàng)新原理如下：NO.15動(dòng)態(tài)特性、NO.10預(yù)先作用、NO.19周期性動(dòng)作、NO.21減少有害作用的時(shí)間、NO.9預(yù)先反作用等。在NO.15動(dòng)態(tài)特性原理的提示下，得到以下方案。

方案9：在方案7所示的兩排限位孔之間，設(shè)計(jì)小尺寸軌道；限位銷做成臺(tái)階狀，直徑小的部位可以在軌道中運(yùn)動(dòng)，到達(dá)鎖止孔處后，由直徑大的部位鎖止。

通過(guò)分析并解決解鎖銷直徑既大又小的物理沖突，根據(jù)時(shí)間分離常用的創(chuàng)新原理，得到1個(gè)方案，可以減小檔位間距。

2.6 物-場(chǎng)分析

從整體來(lái)看，鎖止裝置，通過(guò)機(jī)械場(chǎng)限制了高調(diào)系統(tǒng)的位置，但間距過(guò)大，控制性不足，可建立組件模型 2，如圖16所示。

圖16 組件模型2

圖17 物-場(chǎng)模型及方案10、11

依據(jù)組件模型2的作用關(guān)系，建立物-場(chǎng)模型1。通過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解 2.4.2-應(yīng)用更可控的場(chǎng)、應(yīng)用鐵磁材料，增強(qiáng)原有物-場(chǎng)模型的可控性，得到改進(jìn)的物-場(chǎng)模型2。另外，還可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解2.2.1-應(yīng)用更可控的場(chǎng)，代替原來(lái)不容易控制的場(chǎng)，應(yīng)用氣動(dòng)控制，得到新的物-場(chǎng)模型3。對(duì)應(yīng)的方案如下所示。

方案 10：采用電磁鐵銷+限位支架，通過(guò)電流通斷控制磁場(chǎng)作用，可以使檔位間距為0mm，達(dá)到無(wú)級(jí)鎖止。

方案 11：采用真空吸盤(pán)+真空泵，可以使檔位間距為0mm，達(dá)到無(wú)級(jí)鎖止。

通過(guò)物-場(chǎng)分析，得到方案10、方案11兩個(gè)方案，均可以消除檔位間距，達(dá)到無(wú)級(jí)鎖止。

2.7 進(jìn)化分析

原方案為一個(gè)直徑較大的銷，方案7為2個(gè)較小的銷，方案11為氣體控制，方案10為場(chǎng)控制，符合向微觀級(jí)進(jìn)化路線[1]。根據(jù)此進(jìn)化路線的特征，找到了以下方案。

圖18 向微觀級(jí)進(jìn)化路線

方案 12：在 “多個(gè)部分”提示下，得到多齒嚙合的方案。按壓手柄，原解鎖銷部分向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，與原限位孔部分脫離，解鎖；釋放手柄，兩部分重新嚙合，鎖止。

表1 方案匯總及評(píng)價(jià)

方案 13：在 “液體”提示下，得到液壓頂桿的方案。解鎖銷和限位支架表面做成粗糙表面，液壓頂桿提供的力足夠大，可利用摩擦力實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)鎖止。

通過(guò)進(jìn)化分析，得到2個(gè)方案，其中方案12可減小檔位間距，方案13可消除檔位間距。

2.8 方案評(píng)價(jià)

對(duì)上述方案從改進(jìn)效果、強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)、制造可行性、工裝成本、產(chǎn)品成本進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各項(xiàng)分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，結(jié)果如下圖所示。方案8評(píng)分最高，方案5、6、1、9次之。

3 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)方案8進(jìn)行優(yōu)化后，完整結(jié)構(gòu)如圖19所示，其檔位間距可以達(dá)到7.5mm，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，在市場(chǎng)上可找到與方案1、方案3原理相同的產(chǎn)品，均為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，即檔位間距為0mm。

圖19 優(yōu)化后的方案8

4 結(jié)論

運(yùn)用TRIZ工具對(duì)高調(diào)鎖止裝置檔位間距過(guò)度的問(wèn)題進(jìn)行分析后，在其提示下找到了13個(gè)解決方案，其中有3個(gè)方案（方案1、3、8）已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以滿足目標(biāo)，另有2個(gè)方案（方案6、9）值得進(jìn)一步優(yōu)化。