基于TRIZ理论优化卡车座椅高调锁止装置

刘春萌，董娟，薛冰洋，冯印，魏嘉成

（1.长春一汽富晟李尔汽车座椅系统有限公司，吉林 长春 130013；2.吉林大学材料科学与工程学院，吉林 长春 130025）

前言

目前轿车座椅高度调节机构一般采用高调器锁止，原理是利用摩擦力锁止。但卡车路况较为恶劣，采用轿车的高调器有下沉的风险，因此需设计一种更为可靠的高度调节机构及锁止装置。

通过调查发现，目前市场上有两大类卡车座椅高调机构，一种是由多个小连杆构成的高调机构（如图1、图2），一种是利用剪刀支架构成的高调机构（如图3、图4）。

小连杆式高调机构，需通过两个手柄分别调节座椅的前部和后部，必须经过两次调节才能到达指定高度，操作过程较复杂。

剪刀支架式高调机构，仅需调节一次即可到达指定高度，操作便捷；并且可借用卡车悬浮座椅已有的成熟剪刀支架结构。即高度调节机构可以通用，仅需重新设计锁止装置即可，既可节省工装投入，又可降低设计及生产的风险。

基于上述调查，在现有剪刀支架结构上，设计了一套高调机构的锁止装置，如图5所示。此方案工作原理是利用剪刀支架的运动轨迹调节座椅高度，到达想要的高度后，利用解锁销和限位孔进行锁止。

图1 小连杆式高调机构结构举例

图2 小连杆式高调机构运动原理

图3 剪刀支架式高调机构示意图

图4 剪刀支架式高调机构运动原理

但图5所示锁止装置的档位间距过大，每调节一档，高度变化15mm以上，原因是强度要求限制了限位销、限位孔间距的尺寸。目前的档位间距，使得乘员不易找到最舒适的高度。类似产品对比结果显示，档位间距若降低到10mm以下，比较容易被消费者接受。

图5 高调及锁止装置示意图

由上可知，档位间距过大和强度之间产生冲突，常规设计往往不能很好的解决此类冲突，但应用 TRIZ[1-3]可以很好的解决上述问题。

TRIZ（发明问题解决理论），能有效解决设计过程中遇到的设计冲突和方案难以获取等问题，已在产品设计过程中得到了广泛的应用[4-9]。

1 TRIZ理论基本工具

TRIZ理论在项目中的应用，有多种TRIZ工具[1]可以辅助分析问题、解决问题，各工具的应用流程可参考图6。

图6 TRIZ工具应用参考流程

本文中，仅应用了部分 TRIZ工具，如 IFR、系统功能分析及裁剪、因果分析、冲突分析、物-场分析、进化分析等；未涉及资源分析、效应知识库等TRIZ工具。

2 利用TRIZ理论优化高调锁止装置

2.1 问题描述

首先定义技术系统为“高调锁止装置”。技术系统的功能是“限制高调系统高度”；技术系统当前存在的主要问题是：每一档调节行程过大（≥15mm）；对新系统的技术要求是：减小档位间距（＜10mm）。

2.2 IFR

运用 TRIZ解决问题，在对问题进行具体分析之前，首先应当理解并应用技术系统的 IFR，即最终理想结果（Ideal Final Result），来打破思维定势。

本研究中，技术系统的IFR是：不需要锁止装置，高调系统可自行停留在任意高度位置。对阻止技术系统达到 IFR的障碍进行分析，按照 TRIZ的分析方法，寻找相关资源使障碍消失，最终得到以下三个方案，如图7所示：

图7 IFR方案

方案1：采用可任意位置锁止的气撑替代现有机械弹簧；

方案2：用电机驱动替代替机械弹簧驱动；

方案 3：用气缸驱动代替机械弹簧驱动，同时增加气阀控制气体通断。

2.3 系统功能分析及裁剪

对系统的组件及组件间的作用关系，进行分析，发现限位孔、限位销、限位孔间距、限位支架等组件之间存在相互破坏作用，产生强度风险，建立组件模型，如下图8所示。

图8 组件模型

系统分析后，可对有害作用处进行裁剪，得到新的组件模型，如图9；通过新的组件模型，得到一个裁剪后的方案，但此方案强度风险大，因此未列举。

图9 裁剪后的组件模型

2.4 因果分析

分析问题产生的原因，用标准语言表述，如图10。

此处找到三个入手点，通过改变解锁销材料、限位支架材料、用机加工艺代替冲压工艺制造限位支架等方案，可改善档位间距，但仅实施这些方案效果有限，因此不一一列举。

2.5 冲突分析

2.5.1 技术冲突

技术冲突 1：通过因果分析得知，若不改变材料，而将板材厚度从3mm增加到5mm可以增加板材的强度，但是带来的问题是，冲压工艺难以制造。即改进了强度，恶化了制造工艺。

图10 原因链

用TRIZ的通用技术参数描述，改善的参数是：强度；恶化的参数是：可制造性。查询矛盾矩阵，找到推荐的创新原理：NO.11事先防范、NO.3局部质量、NO.10预先作用、NO.32颜色改变。在NO.3局部质量原理的提示下，得到以下方案：

方案 4：限位支架厚度不变，仍然用冲压工艺生产，但是针对有孔的部位，通过焊接使其变成两层板材，增加局部强度。

技术冲突 2：通过因果分析得知，若不改变材料，可通过减小解锁销直径来减小档位间距，但是带来的问题是，强度不足。即改进了直径，恶化了强度。

用TRIZ的通用技术参数描述，改善的参数是：静止物体的长度；恶化的参数是：强度。查询矛盾矩阵，找到推荐的创新原理：NO.15动态特性、NO.14曲面化、NO.28机械系统替代；NO.26复制。在NO.26复制原理的提示下，得到以下方案。

方案 5：将两个直径较小的解锁销焊接，替代目前的解锁销，如图11；

方案 6：用带有两个脚的冲压件，替代目前的解锁销，如图12。

图11 方案5

图12 方案6

技术冲突 3：通过因果分析得知，若不改变材料，可通过减小限位孔间距减小档位间距，但是带来的问题是，强度不足。即改进了档位间距，恶化了强度。

用TRIZ的通用技术参数描述，改善的参数是：静止物体的长度；恶化的参数是：强度。查询矛盾矩阵，找到推荐的创新原理：NO.15动态特性、NO.14曲面化、NO.28机械系统替代、NO.26复制。在NO.26复制原理的提示下，得到以下方案：

方案 7：限位孔及限位支架从一列增加到两列，错位排列，分布在定位销的两侧；同时，限位销从一个增加到两个，使其总有一个可以进入孔里，如图13。

方案8：与方案7类似，但不复制限位支架，如图14。

图13 方案7

图14 方案8

通过分析并解决限位支架强度和可制造性、解锁销的直径和强度、限位孔间距和强度等3个技术冲突，得到了5个方案，均可减小锁止装置的档位间距，并且不恶化可制造性，或强度。

2.5.2 物理冲突

物理冲突：通过原因分析得知，若不改变材料，减小档位间距要求减小解锁销直径，增加解锁销强度又要求增加解锁销直径。要求解锁销直径既大又小，为物理矛盾。

图15 方案9

对其进行分析，发现调节高度时，要求档位间距小、解锁销直径小，而锁止时，要求强度高，此时解锁销直径需要大。调节和锁止的时间段不同，可以应用时间分离原理。时间分离原理常用的创新原理如下：NO.15动态特性、NO.10预先作用、NO.19周期性动作、NO.21减少有害作用的时间、NO.9预先反作用等。在NO.15动态特性原理的提示下，得到以下方案。

方案9：在方案7所示的两排限位孔之间，设计小尺寸轨道；限位销做成台阶状，直径小的部位可以在轨道中运动，到达锁止孔处后，由直径大的部位锁止。

通过分析并解决解锁销直径既大又小的物理冲突，根据时间分离常用的创新原理，得到1个方案，可以减小档位间距。

2.6 物-场分析

从整体来看，锁止装置，通过机械场限制了高调系统的位置，但间距过大，控制性不足，可建立组件模型 2，如图16所示。

图16 组件模型2

图17 物-场模型及方案10、11

依据组件模型2的作用关系，建立物-场模型1。通过应用标准解 2.4.2-应用更可控的场、应用铁磁材料，增强原有物-场模型的可控性，得到改进的物-场模型2。另外，还可应用标准解2.2.1-应用更可控的场，代替原来不容易控制的场，应用气动控制，得到新的物-场模型3。对应的方案如下所示。

方案 10：采用电磁铁销+限位支架，通过电流通断控制磁场作用，可以使档位间距为0mm，达到无级锁止。

方案 11：采用真空吸盘+真空泵，可以使档位间距为0mm，达到无级锁止。

通过物-场分析，得到方案10、方案11两个方案，均可以消除档位间距，达到无级锁止。

2.7 进化分析

原方案为一个直径较大的销，方案7为2个较小的销，方案11为气体控制，方案10为场控制，符合向微观级进化路线[1]。根据此进化路线的特征，找到了以下方案。

图18 向微观级进化路线

方案 12：在 “多个部分”提示下，得到多齿啮合的方案。按压手柄，原解锁销部分向外侧旋转，与原限位孔部分脱离，解锁；释放手柄，两部分重新啮合，锁止。

表1 方案汇总及评价

方案 13：在 “液体”提示下，得到液压顶杆的方案。解锁销和限位支架表面做成粗糙表面，液压顶杆提供的力足够大，可利用摩擦力实现无级锁止。

通过进化分析，得到2个方案，其中方案12可减小档位间距，方案13可消除档位间距。

2.8 方案评价

对上述方案从改进效果、强度风险、制造可行性、工装成本、产品成本进行评分，根据实际情况对各项分数进行加权计算，结果如下图所示。方案8评分最高，方案5、6、1、9次之。

3 应用实例

对方案8进行优化后，完整结构如图19所示，其档位间距可以达到7.5mm，满足设计要求。另外，在市场上可找到与方案1、方案3原理相同的产品，均为无级调节，即档位间距为0mm。

图19 优化后的方案8

4 结论

运用TRIZ工具对高调锁止装置档位间距过度的问题进行分析后，在其提示下找到了13个解决方案，其中有3个方案（方案1、3、8）已经过验证可以满足目标，另有2个方案（方案6、9）值得进一步优化。