康金燦，夏瑞陽，崔海領(lǐng)，范文濤

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

電器盒是汽車上的標(biāo)準(zhǔn)配置，也是眾多電氣系統(tǒng)中的一個核心部件，其主要作用是完成車輛上用電設(shè)備的電源分配及回路的保護(hù)。通常由電器盒殼體、電源分配單元（PCB板、熔斷絲、繼電器、匯流條、端子）、電器盒蓋等部件組成，見圖1。電器盒內(nèi)發(fā)熱元件的增多，密封的結(jié)構(gòu)以及狹小的空間等多方面因素導(dǎo)致了現(xiàn)有項(xiàng)目前艙電器盒的溫升超標(biāo)（55℃）。本文在現(xiàn)有電器盒設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將電器盒溫升超標(biāo)的問題轉(zhuǎn)化為TRIZ 問題，利用TRIZ理論進(jìn)行分析，解決設(shè)計(jì)過程中的各種問題，以便能得到最終的設(shè)計(jì)方案。

圖1 電器盒結(jié)構(gòu)示意圖

1 TRIZ理論簡介

TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving，發(fā)明問題解決理論）在1946 年由俄國學(xué)者根里奇阿奇舒勒（G.S.Altshuller）與他的同事共同提出，通過分析、整理、歸納大量的專利與科技文獻(xiàn)資料，針對發(fā)明創(chuàng)新問題，發(fā)現(xiàn)解決依據(jù)，并得出解決問題需要遵循的相關(guān)理論與方法[1]。利用TRIZ理論解決問題的思路是：首先將專業(yè)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，利用TRIZ工具，得到TRIZ理論中的普適解，然后再將普適解轉(zhuǎn)化為專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的真實(shí)解。

2 基于TRIZ理論的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 問題描述

在電器盒工作時，電流流過電器盒內(nèi)的電源分配單元時會產(chǎn)生熱量，而隨著整車功能的增多，電源分配單元中的熔斷絲、繼電器使用數(shù)量也相應(yīng)增加，即電器盒內(nèi)發(fā)熱源增多。因?yàn)槭艿诫娖骱兄苓呍贾玫挠绊?，電器盒的體積受到限制，使電器盒內(nèi)發(fā)熱單元更加集中。當(dāng)電器盒布置在發(fā)動機(jī)艙，使用時需要防塵防水，從而采用具有一定密封性的結(jié)構(gòu)，也不利于散熱。而為了保證電器盒的穩(wěn)定工作，電器盒內(nèi)的溫升一般不能超過55℃。目前有的項(xiàng)目為了增強(qiáng)電器盒的散熱能力，使用了金屬殼體，但這樣做極大地增加了成本。為了控制電器盒的溫升，解決汽車電器盒的溫升超標(biāo)的問題越來越受到電器盒生產(chǎn)企業(yè)及主機(jī)廠的重視。

2.2 功能分析

功能分析可以從功能的角度找到工程系統(tǒng)中的功能缺點(diǎn)或者存在問題的組件[2]。將電器盒作為擁有完整功能的系統(tǒng)進(jìn)行分析，其制品是電流，系統(tǒng)元件有電源分配單元（熔斷絲、繼電器、匯流條、端子、PCB板）、電器盒上下殼體、電器盒上下蓋，超系統(tǒng)有發(fā)動機(jī)、線束、鈑金、空氣等。組件間的作用關(guān)系分析如表1所示，“+”表示有相互作用，“-”表示無相互作用。

建立已有系統(tǒng)的功能模型，如圖2所示。通過功能模型分析，可以直觀地了解系統(tǒng)元件之間的相互關(guān)系，并得到導(dǎo)致汽車電器盒溫升超標(biāo)問題的原因。首先是電流流過電源分配單元會產(chǎn)生熱量，其次電器盒的上下蓋會阻擋空氣的流動，影響散熱。另外就是電器盒內(nèi)的空氣不能及時把電源分配單元上產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到蓋子上。

圖2 電器盒系統(tǒng)功能模型

2.3 因果鏈分析

應(yīng)用因果鏈分析法確認(rèn)系統(tǒng)問題產(chǎn)生的根本原因[3]，為解決問題提供切入點(diǎn)。因果鏈分析如圖3所示，可見導(dǎo)致電器盒溫升超標(biāo)的原因是由電源分配單元產(chǎn)生熱量、電器盒內(nèi)空氣流通不暢、電器盒上下蓋散熱慢等多個因素共同導(dǎo)致的。而其根本原因分別是電源分配單元阻抗大、電器盒上下蓋密封間隙小、導(dǎo)熱率低以及空氣熱導(dǎo)率低等。空氣及電器盒上下蓋熱導(dǎo)率低可以通過更換材料的方法來解決，但會帶來成本的明顯增加，并不是很好的解決方案。

圖3 因果鏈分析

2.4 問題解決

以“電源分配單元阻抗大”為入手點(diǎn)進(jìn)行TRIZ分析。首先使用沖突解決理論進(jìn)行分析。沖突描述為：為了改善電源分配單元的能量消耗，需要增加電源分配單元PCB上覆銅寬度，降低電源分配單元電路的阻抗，但會導(dǎo)致電源分配單元電路布板面積變大。轉(zhuǎn)換為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，改善的參數(shù)是No.22能量損失，惡化的參數(shù)是No.6靜止物體面積。通過查找沖突矩陣，找到No.17維數(shù)變化發(fā)明原理，見表2，再回歸到實(shí)際問題中，得到優(yōu)化方案1。優(yōu)化方案1，選擇No.17維數(shù)變化發(fā)明原理的第1條，將物體從一維變到二維或三維空間[4]。原來平面布板僅保留小電流回路，將大電流回路拆分出來，單獨(dú)走匯流條回路，既不增加面積，又降低了發(fā)熱量，如圖4所示。

表2 技術(shù)矛盾及對應(yīng)的發(fā)明原理

圖4 增加回流條后的PCB板

使用裁剪進(jìn)行問題的解決。通過電源分配單元的功能分析，發(fā)現(xiàn)熔斷絲、繼電器、導(dǎo)線是通過端子與PCB板相連接的，根據(jù)裁剪的方法第1條：原來元件實(shí)現(xiàn)的功能由其他元件或超系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[5]，為了降低電源分配電路中的電阻，可以考慮將端子裁剪掉，熔斷絲、繼電器及導(dǎo)線直接與PCB板連接。優(yōu)化方案2，考慮后期零部件維修的便利性，確定了繼電器直接焊接到PCB板上，熔斷絲、導(dǎo)線繼續(xù)使用端子連接的方案，如圖5、圖6所示。

圖5 裁剪后電源分配單元功能模型

圖6 繼電器焊裝在PCB板上

以“電器盒上下蓋密封間隙小”為入手點(diǎn)進(jìn)行TRIZ分析。使用沖突解決理論進(jìn)行分析，沖突描述為：為了改善電器盒內(nèi)空氣流通速度，需要增加電器盒上下蓋的密封間隙，但會導(dǎo)致電器盒防塵、防水性能降低。轉(zhuǎn)換為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，改善的參數(shù)是No.9速度，惡化的參數(shù)是No.35適合性/適應(yīng)性。通過查找沖突矩陣，找到No.15動態(tài)化發(fā)明原理，見表3，再回歸到實(shí)際問題中，得到優(yōu)化方案3。優(yōu)化方案3，選擇No.15動態(tài)化發(fā)明原理的第2條，劃分一個物體成具有相互關(guān)系的元件，元件之間可以改變相對位置[6]。結(jié)合項(xiàng)目中電器盒的實(shí)際情況，將電器盒內(nèi)發(fā)熱大的元件拆離出來，移至駕駛艙或其他環(huán)境較好處，使用縫隙較大的蓋子進(jìn)行防護(hù)，如圖7所示。

表3 技術(shù)矛盾及對應(yīng)的發(fā)明原理

圖7 大縫隙蓋子

3 優(yōu)化方案匯總

通過TRIZ創(chuàng)新理論的分析，使用沖突解決理論、裁剪等工具對現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，得到3種創(chuàng)新優(yōu)化方案。方案1在沒有增加PCB板面積前提下，高效利用了現(xiàn)有的空間，降低了發(fā)熱量，綜合成本沒有增加，具有強(qiáng)可用性；方案2裁剪掉了電源分配單元中繼電器的接觸電阻，也能降低電源分配單元的發(fā)熱量，并且綜合成本也沒有增加，具有強(qiáng)可用性；方案3雖然可以降低電器盒的溫升，但會導(dǎo)致項(xiàng)目中線束成本增加，綜合評估可用性較弱，為其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了一種創(chuàng)新思路。

最終的優(yōu)化方案是將方案1、方案2相結(jié)合，如圖8所示。原來的平面布板僅保留小電流回路，將大電流回路拆分出來，單獨(dú)走匯流條回路，既不增加面積，又降低了發(fā)熱量。同時，將繼電器控制回路更換為焊裝繼電器，減少回路電阻，降低發(fā)熱量。

圖8 最終優(yōu)化方案

4 結(jié)語

本文針對汽車電器盒溫升超標(biāo)的問題，應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論進(jìn)行研究分析使問題簡化，利用TRIZ工具中的沖突解決理論、裁剪等方法，在不增加電器盒成本及體積的前提下，快速找到?jīng)_突所在，并得到優(yōu)化改進(jìn)方案。該項(xiàng)目問題的解決驗(yàn)證了TRIZ創(chuàng)新理論在汽車電器盒設(shè)計(jì)領(lǐng)域的可行性，為該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作提供了一種思路，同時也證明TRIZ創(chuàng)新理論是一種高效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。