劉春萌,董娟,薛冰洋,馮印,魏嘉成
(1.長春一汽富晟李爾汽車座椅系統(tǒng)有限公司,吉林 長春 130013;2.吉林大學材料科學與工程學院,吉林 長春 130025)
目前轎車座椅高度調節(jié)機構一般采用高調器鎖止,原理是利用摩擦力鎖止。但卡車路況較為惡劣,采用轎車的高調器有下沉的風險,因此需設計一種更為可靠的高度調節(jié)機構及鎖止裝置。
通過調查發(fā)現(xiàn),目前市場上有兩大類卡車座椅高調機構,一種是由多個小連桿構成的高調機構(如圖1、圖2),一種是利用剪刀支架構成的高調機構(如圖3、圖4)。
小連桿式高調機構,需通過兩個手柄分別調節(jié)座椅的前部和后部,必須經(jīng)過兩次調節(jié)才能到達指定高度,操作過程較復雜。
剪刀支架式高調機構,僅需調節(jié)一次即可到達指定高度,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構。即高度調節(jié)機構可以通用,僅需重新設計鎖止裝置即可,既可節(jié)省工裝投入,又可降低設計及生產(chǎn)的風險。
基于上述調查,在現(xiàn)有剪刀支架結構上,設計了一套高調機構的鎖止裝置,如圖5所示。此方案工作原理是利用剪刀支架的運動軌跡調節(jié)座椅高度,到達想要的高度后,利用解鎖銷和限位孔進行鎖止。
圖1 小連桿式高調機構結構舉例
圖2 小連桿式高調機構運動原理
圖3 剪刀支架式高調機構示意圖
圖4 剪刀支架式高調機構運動原理
但圖5所示鎖止裝置的檔位間距過大,每調節(jié)一檔,高度變化15mm以上,原因是強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)品對比結果顯示,檔位間距若降低到10mm以下,比較容易被消費者接受。
圖5 高調及鎖止裝置示意圖
由上可知,檔位間距過大和強度之間產(chǎn)生沖突,常規(guī)設計往往不能很好的解決此類沖突,但應用 TRIZ[1-3]可以很好的解決上述問題。
TRIZ(發(fā)明問題解決理論),能有效解決設計過程中遇到的設計沖突和方案難以獲取等問題,已在產(chǎn)品設計過程中得到了廣泛的應用[4-9]。
TRIZ理論在項目中的應用,有多種TRIZ工具[1]可以輔助分析問題、解決問題,各工具的應用流程可參考圖6。
圖6 TRIZ工具應用參考流程
本文中,僅應用了部分 TRIZ工具,如 IFR、系統(tǒng)功能分析及裁剪、因果分析、沖突分析、物-場分析、進化分析等;未涉及資源分析、效應知識庫等TRIZ工具。
首先定義技術系統(tǒng)為“高調鎖止裝置”。技術系統(tǒng)的功能是“限制高調系統(tǒng)高度”;技術系統(tǒng)當前存在的主要問題是:每一檔調節(jié)行程過大(≥15mm);對新系統(tǒng)的技術要求是:減小檔位間距(<10mm)。
運用 TRIZ解決問題,在對問題進行具體分析之前,首先應當理解并應用技術系統(tǒng)的 IFR,即最終理想結果(Ideal Final Result),來打破思維定勢。
本研究中,技術系統(tǒng)的IFR是:不需要鎖止裝置,高調系統(tǒng)可自行停留在任意高度位置。對阻止技術系統(tǒng)達到 IFR的障礙進行分析,按照 TRIZ的分析方法,尋找相關資源使障礙消失,最終得到以下三個方案,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)有機械彈簧;
方案2:用電機驅動替代替機械彈簧驅動;
方案 3:用氣缸驅動代替機械彈簧驅動,同時增加氣閥控制氣體通斷。
對系統(tǒng)的組件及組件間的作用關系,進行分析,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)生強度風險,建立組件模型,如下圖8所示。
圖8 組件模型
系統(tǒng)分析后,可對有害作用處進行裁剪,得到新的組件模型,如圖9;通過新的組件模型,得到一個裁剪后的方案,但此方案強度風險大,因此未列舉。
圖9 裁剪后的組件模型
分析問題產(chǎn)生的原因,用標準語言表述,如圖10。
此處找到三個入手點,通過改變解鎖銷材料、限位支架材料、用機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,但僅實施這些方案效果有限,因此不一一列舉。
2.5.1 技術沖突
技術沖突 1:通過因果分析得知,若不改變材料,而將板材厚度從3mm增加到5mm可以增加板材的強度,但是帶來的問題是,沖壓工藝難以制造。即改進了強度,惡化了制造工藝。
圖10 原因鏈
用TRIZ的通用技術參數(shù)描述,改善的參數(shù)是:強度;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局部質量、NO.10預先作用、NO.32顏色改變。在NO.3局部質量原理的提示下,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),但是針對有孔的部位,通過焊接使其變成兩層板材,增加局部強度。
技術沖突 2:通過因果分析得知,若不改變材料,可通過減小解鎖銷直徑來減小檔位間距,但是帶來的問題是,強度不足。即改進了直徑,惡化了強度。
用TRIZ的通用技術參數(shù)描述,改善的參數(shù)是:靜止物體的長度;惡化的參數(shù)是:強度。查詢矛盾矩陣,找到推薦的創(chuàng)新原理:NO.15動態(tài)特性、NO.14曲面化、NO.28機械系統(tǒng)替代;NO.26復制。在NO.26復制原理的提示下,得到以下方案。
方案 5:將兩個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
技術沖突 3:通過因果分析得知,若不改變材料,可通過減小限位孔間距減小檔位間距,但是帶來的問題是,強度不足。即改進了檔位間距,惡化了強度。
用TRIZ的通用技術參數(shù)描述,改善的參數(shù)是:靜止物體的長度;惡化的參數(shù)是:強度。查詢矛盾矩陣,找到推薦的創(chuàng)新原理:NO.15動態(tài)特性、NO.14曲面化、NO.28機械系統(tǒng)替代、NO.26復制。在NO.26復制原理的提示下,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,錯位排列,分布在定位銷的兩側;同時,限位銷從一個增加到兩個,使其總有一個可以進入孔里,如圖13。
方案8:與方案7類似,但不復制限位支架,如圖14。
圖13 方案7
圖14 方案8
通過分析并解決限位支架強度和可制造性、解鎖銷的直徑和強度、限位孔間距和強度等3個技術沖突,得到了5個方案,均可減小鎖止裝置的檔位間距,并且不惡化可制造性,或強度。
2.5.2 物理沖突
物理沖突:通過原因分析得知,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
對其進行分析,發(fā)現(xiàn)調節(jié)高度時,要求檔位間距小、解鎖銷直徑小,而鎖止時,要求強度高,此時解鎖銷直徑需要大。調節(jié)和鎖止的時間段不同,可以應用時間分離原理。時間分離原理常用的創(chuàng)新原理如下:NO.15動態(tài)特性、NO.10預先作用、NO.19周期性動作、NO.21減少有害作用的時間、NO.9預先反作用等。在NO.15動態(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,設計小尺寸軌道;限位銷做成臺階狀,直徑小的部位可以在軌道中運動,到達鎖止孔處后,由直徑大的部位鎖止。
通過分析并解決解鎖銷直徑既大又小的物理沖突,根據(jù)時間分離常用的創(chuàng)新原理,得到1個方案,可以減小檔位間距。
從整體來看,鎖止裝置,通過機械場限制了高調系統(tǒng)的位置,但間距過大,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-場模型及方案10、11
依據(jù)組件模型2的作用關系,建立物-場模型1。通過應用標準解 2.4.2-應用更可控的場、應用鐵磁材料,增強原有物-場模型的可控性,得到改進的物-場模型2。另外,還可應用標準解2.2.1-應用更可控的場,代替原來不容易控制的場,應用氣動控制,得到新的物-場模型3。對應的方案如下所示。
方案 10:采用電磁鐵銷+限位支架,通過電流通斷控制磁場作用,可以使檔位間距為0mm,達到無級鎖止。
方案 11:采用真空吸盤+真空泵,可以使檔位間距為0mm,達到無級鎖止。
通過物-場分析,得到方案10、方案11兩個方案,均可以消除檔位間距,達到無級鎖止。
原方案為一個直徑較大的銷,方案7為2個較小的銷,方案11為氣體控制,方案10為場控制,符合向微觀級進化路線[1]。根據(jù)此進化路線的特征,找到了以下方案。
圖18 向微觀級進化路線
方案 12:在 “多個部分”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旋轉,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 方案匯總及評價
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,可利用摩擦力實現(xiàn)無級鎖止。
通過進化分析,得到2個方案,其中方案12可減小檔位間距,方案13可消除檔位間距。
對上述方案從改進效果、強度風險、制造可行性、工裝成本、產(chǎn)品成本進行評分,根據(jù)實際情況對各項分數(shù)進行加權計算,結果如下圖所示。方案8評分最高,方案5、6、1、9次之。
對方案8進行優(yōu)化后,完整結構如圖19所示,其檔位間距可以達到7.5mm,滿足設計要求。另外,在市場上可找到與方案1、方案3原理相同的產(chǎn)品,均為無級調節(jié),即檔位間距為0mm。
圖19 優(yōu)化后的方案8
運用TRIZ工具對高調鎖止裝置檔位間距過度的問題進行分析后,在其提示下找到了13個解決方案,其中有3個方案(方案1、3、8)已經(jīng)過驗證可以滿足目標,另有2個方案(方案6、9)值得進一步優(yōu)化。