基于TRIZ冲突和物场模型的挡位选择器信号识别模块设计

赵志远，韩嘉骅，徐 锐，张宁宁

(四川大学机械工程学院，四川 成都 610065)

国内市场上现有的挡位选择器主要以德国采埃孚公司生产的ZF系列的产品为主，在装载机、平地机、挖掘机等工程机械和各类小型轿车上均有着广泛应用。其次捷斯曼(Gessmann)和国内的徐工在挡位选择器的创新设计上也有着很深的造诣。[1]捷斯曼有限公司致力于工业控制手柄的研发和生产制造，研发的工业控制手柄采用灵活先进的模块化设计，实现多种不同工况的多元化组合应用，经过70年的研发设计，积累了丰富的实践经验，积淀出诸多经久耐用、结构合理的工业手柄。其当前研发的手柄系列主要有起重卷扬控制手柄、电液控制技术手柄、脚踏开关系列、船用控制系列、控制手柄握把、联动台座椅系列和司机控制器，其中考虑到汽车行驶条件的不同，同时为了乘坐舒适性、良好动力性与经济性[2]，捷斯曼制定了相应模式的换挡规律，其联动台座椅是根据人体工程学设计的。

一般来讲，驾驶员根据自身的实际操作意图通过电信号传递给ECU，然后再利用电信号传递给控制机构，控制机构发出指令，使得执行部件进行换挡操纵。可见挡位选择器是整个环节中不可或缺的一部分，它的可靠性也直接影响了整个变速器的运作。电信号传递给控制机构的部分至关重要，其正常工作影响着整个操纵机构系统。为此，信号识别模块的合理布置，参数的正确选择以及散热机构的合理设计显得尤为重要。本文主要利用TRIZ冲突解决理论对其结构进行了改进，运用TRIZ解决冲突的流程提出了几种不同的解决方案，最后利用ANSYS ICEPAK对不同的方案进行了验证分析，得出最终结论，优化结果显示PCB板的最高温度为75.02 ℃，相关零部件的温度均在合理温度范围内。

1 TRIZ冲突解决理论与物场分析原理

1.1 TRIZ冲突解决理论

TRIZ理论主要是将实际生产中的矛盾进行规范化分类处理，用通用工程参数来提炼和表达技术矛盾，将解决问题的发明原理采用矩阵的形式进行分类，不同的技术矛盾即可从矩阵中找到相应的解决方法[3]。

1.1.1 技术冲突

当系统存在着两个参数之间相互制约的技术矛盾时，可运用矛盾矩阵予以解决。技术矛盾可应用40条创新原理中的部分予以解决[2]，矛盾矩阵表某行和某列对应相应的某些创新原理，提供了解决技术问题的最有可能的探索方向，在求解实际技术问题时，要选择合适的创新原理解决相关技术矛盾。

1.1.2 物理冲突

当冲突中欲改善的参数与被恶化的正、反两个工程参数是同一个参数时，这就属于同一类冲突，TRIZ中称为物理冲突，可运用分离原理予以解决。

实际上，解决物理冲突即将待解决的问题转化为技术冲突，根据实际情况使用4种分离原理中的一种，然后运用如表1所示的分离原理和发明原理的对应关系，找出相应的发明原理予以解决。

1.2 TRIZ物场分析原理

作为TRIZ的基础，G.S.Altshuller通过对功能的研究发现1个存在的功能必定有3个基本元件构成，即F-场，S1-物质1，S2-物质2[3]。其意义为：场F通过物质S2作用于物质S1并改变S1，物质-场分析模型如图1所示，物质-场分析的基础是用图形表示待设计的系统[4]。

图1 物场分析模型

基于TRIZ物场模型-冲突解决理论的改进设计流程主要包含以下几个步骤：

1)分析检测模块存在的问题；

2)根据存在的问题定义设计需求；

3)建立检测的物场模型；

4)求解，生成解决方案[5]。

2 挡位操纵机构的工作原理及存在的相关问题

2.1 挡位操纵机构的信号识别模块的市场状况

目前杭州前进齿轮箱集团公司进行多次研究并生产了SG-6/A等型号的换挡操纵机构产品。如图2所示为SG-6/A的产品内部结构示意图，SG-6/A是前六后三型的挡位选择器。图3为对应产品。

1—操作摇杆；2—转动内芯；3—PCB电路板；4—外壳；5—感应器；6—销

图2 杭州前进齿轮箱集团公司产品SG-6/A结构示意图

图3 杭州前进齿轮箱集团公司产品SG-6/A

但与此同时该机构存在着很多缺陷与不足。如：此挡位选择器由于电路板设计结构要求，集成了很多光电开关对挡位进行识别，使得整个结构体积偏大，安装较复杂；此挡位选择器没有集成更多的电控按钮开关，通用性能较差。

2.2 挡位信号识别功能模块创新设计

现阶段挡位选择器的设计要求向着小型化、集成化的方向发展。目前市场上内部电路板结构多为一块长方形电路板，为了缩小挡位选择器的总体尺寸，同时又能使电路板正常工作，利用TRIZ冲突理论与物场模型分析方法来解决。

将上述冲突转化为TRIZ的通用技术参数，改进的特性：形状。恶化的特性：物质损失，适应性及多用性，装置的复杂性。查询TRIZ冲突矩阵表[2]，根据上述相关改善特性和恶化特性，得出表1(部分表格)，可得发明原理如表中着色位置。

表1 部分冲突矩阵表

其中： NO1，分割；NO3，局部质量；NO5，组合；NO15，动态化；NO16，未达到或者超过作用；NO28，机械系统的替代；NO29，气压与液压结构；NO35，物理或化学参数改变。由于该挡位选择器的卡位与挡位锁定功能均集成在圆周内，空间狭小，若改变局部质量、动态化未达到或者超过作用，其并未改变整体空间尺寸，因此排除。对于原理N028、N029和N035，出于组合体的灵活、便捷性，不予考虑。因此，选择NO1分割原理与NO5组合原理进行改进。方案如图4所示：把方形的集成电路板分割成很多圆形PCB电路板，在每个PCB电路板上布置不同的元器件并加以组合。这样不仅保留了挡位识别的功能，同时缩小了挡位选择器的体积，使整个装置安装起来更加灵活方便。

1—手柄；2—定位针；3—操作杆；4—操作杆按钮；5—弹簧；6—走线套筒；7—端盖薄片；8—端盖；9—塑料件左；10—外圈末端；11—内芯；12—主轴；13—塑料件右；14—编码盘；15—金属垫片；16—电路板；17—外圈初端；18—固定环

图4 挡位选择器内部元器件组合方式

但是当多个PCB小圆板集中在一个密闭的小空间时，集成电路板会产生高温以及发生短路，因此继续运用TRIZ冲突理论来解决：1)集成电路板安装得越多，则温度上升得越快，可靠性降低；2)集成电路板安装得越少，则信息损失越多，系统的适用性及通用性降低。因此，找出4个通用参数，分别是温度、信息损失、系统可靠性、系统的适应性及通用性。系统需要改进的特性：信息损失，系统的适应性及通用性。系统恶化的特性：温度，可靠性。查询冲突矩阵表[2]如表2所示，可得发明原理如表中着色位置。

表2 冲突矩阵表(节选)

其中：NO2，分离；NO3，局部质量；NO8，重量补偿；NO10，预先作用；NO13，反向作用；NO23，反馈原理；NO24，借助中介物；NO27，廉价替代品；NO28，机械系统替代；NO35，物理或化学参数改变。

结合本问题，与上述分析相似，出于组合体的灵活、便捷性，不考虑运用原理NO28和N035，又因为空间有限，故排除原理NO2、NO3和NO8，而NO13、NO23和NO27对于解决问题无太大关系，因此，考虑用方案NO10(预先作用原理)和NO24(借助中介物原理)来解决最为合适。由于连接PCB小圆板的零件可为塑料件也可为金属件，因此考虑到散热问题，该结构采用两种方案解决此问题：1)使用铜金属连接件，连接件不仅可以把每个PCB板串接起来，同时还能与金属外壳固定连接，此做法一是为了固定整个集成电路板的控制部分和光电编码盘的识别部分，二是加快热传导；2)增加连接件的个数，加大散热途径。

3 方案关键参数的分析与计算

为进一步验证方案的可行性，利用ICEPAK软件对挡位识别部分的PCB电路板的工作温度进行验证分析，并通过实验加以证明，从而保证方案的可行性，以下是方案验证分析的具体操作以及优化设计。

3.1 问题描述

此挡位选择器中的电路板含有8个功率放大器与1个稳压芯片，如图5所示。这些电子元件控制着换挡机构中的调压阀，从而控制换挡离合器的压力和流量，实现缓冲调压。具体示意结构为：PCB板上放置一层0.05 mm厚的金箔。电子元件通过金箔、PCB板、金属垫片，将热量传导到外圈初端，从而将热量散发出去。其间，将外圈初端的两侧进行密闭，以求得最差情况下的热仿真情况。具体模型散热条件如下：

1)环境温度设置为40 ℃，PCB板上有三极管PC817和稳压芯片LM2575S-12，前者耗散功率为0.25 W，一共8个，后者耗散功率为12 W，持续发热；

2)散热方式为自然对流；

3)工作功率是否受温度影响忽略不计。

根据以上的工况条件，分析并且不断改进使得PCB板的最高温度小于100 ℃。

图5 PCB电路板实物图

3.2 外圈末端数值模型

3.2.1 物理模型

以该外圈末端，即金属外壳为研究对象，该外圈末端的主要尺寸为：外径55 mm，总长81 mm。发热元件，即三极管PC817的尺寸为：长6 mm，宽4 mm，高1.5 mm，共8个。稳压芯片LM2575S-12的尺寸为：长10 mm，宽8 mm，高3 mm。外圈末端内部近乎密闭，空气自然对流，热量通过金箔、金属垫片以及外圈末端的外部表面传递到外部空间[6]。

3.2.2 数学模型

外圈末端内的空气流动满足连续性方程以及动量方程，分别用式(1)和式(2)表示。

(1)

(2)

式中:t为时间；x为坐标分量；ρ为气体密度；ui为速度矢量；P为流体微元上的压力；τij为应力张量；ρgi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力。

虽然有多种湍流模型进行选择，但一般以k-ε两方程模型为主要模型。其中k-ε两方程模型可以用式(3)和式(4)表示。

(3)

(4)

式中：k为湍动能；ε为湍动耗散率；μ为流体动力黏度；μt为湍动黏度；Gb为由浮力产生的湍流动能；Gk为由平均速度梯度产生的湍流动能；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；Sk和Sε为用户定义的原项；C1ε、C2ε、C3ε为常数；σk和σε为k方程和ε方程的Prandtl数，可由试验确定。

除此之外，外圈末端内还存在包括辐射在内的复杂热交换，为此下列能量方程即可求解外圈末端内的温度分布。

(5)

式中:E为流体能量；keff为有效热传导系数；hj′为组分j′显焓；Jj′为组分j′扩散流量；Sh为源项，考虑辐射传热时Sh则包含了辐射源项，具体数值由所使用的辐射模型计算得到[7]。

3.3 初始条件及边界条件设置

发热元件功率放大器的简化模型为小长方体，通过查阅资料，获取了其尺寸、材料以及功率的大小，如表3所示。在选择材料时，一般要选择导热系数较高的材料，比如铝合金，价廉、质量轻、容易加工、应用比较广泛[8-9]。除此之外，铜的导热系数也很高，但是铜的硬度以及其他工程参数比铝合金差一些。一般将铜片贴在PCB板上使用，这样也可以起到很好的导热效果。另外，查阅资料后取电子元件的工作效率为80%。当然各材料都有不同的传热特性参数，通过查阅资料，找出各材料的特性参数如表4所示。

表3 发热元件特征参数

表4 各材料特性参数

其余针对气流、材料、辐射、重力、环境温度、求解域等具体设置如下。

1)气流：湍流；2)材料：除了金箔片，其余材料均为铝合金；3)考虑辐射、重力影响；4)环境温度：40 ℃；5)求解域：370 mm×330 mm×260 mm(六面均为openning)；6)环境压力：101 325 Pa；7)热分析类型：稳态；8)迭代步数：200步[10]。

3.4 计算结果

通过ICEPAK自带的FLUENT求解器一系列计算，得出当功率元件工作到第150个步长时，温度监测点为91.46 ℃，且保持不变，温度变化曲线如图6所示。

图6 温度检测点变化曲线

图7 PCB板温度分布图

图7是PCB板在平衡时的温度分布图。模型整体温度分布如图8所示。除此之外，利用plane cut操作处理，得出PCB板的径向切面的温度流向分布，如图9所示。由此可知，温度较高的气流集中在外圈初端上方，后期改善散热时，可以针对外圈初端上方进行冷却处理。另一目的是，避免在这一区域安装重要元器件，以免影响整个装置的可靠性。

图8 模型整体温度分布图

图9 PCB板的径向切面温度流向图

3.5 设计改进

由上述结果显示，PCB板的最高温度可达到91.46 ℃。该温度虽然满足条件(低于100 ℃)，但是仍对PCB电路板的工作有很大的影响，因此利用第二节得出的解决方案：1)使用铜金属(纯铜)连接件，将每个PCB板串接起来，与金属外壳固定连接，加快了热传导；2)增加连接件的个数，使其连接件的数量为2个，从而增加散热途径，再次进行求解计算，得出以下结果(见图10和图11)。图10为挡位选择器部分零部件工作温度，均在合理温度范围以内。图11为PCB板温度分布图。结果显示，利用TRIZ得出方案的优化设计验证表明PCB板的温度可降低至75.02 ℃，效果显著，说明方案设计合理。

图10 挡位选择器部分零部件工作温度

图11 改进后PCB板温度分布图

4 结论

1)为了减小大部分挡位选择器的体积，同时又要保证能够实现其功能，利用TRIZ理论将PCB电路板分割开来，并且重新布置不同的元器件，使整个装置变得灵活。其次，针对由此带来的电子散热问题，根据冲突矩阵表，利用预先作用原理和借助中介物原理，将金属垫片的材料改为导热系数更大的纯铜，并且增加了金属垫片的数量，从而增加了散热途径，很大程度上解决了散热问题。

2)通过ANSYS ICEPAK软件，检验了改进的信号识别模块的合理性，验证了优化方案的准确性和可行性，避免了因结构创新设计带来的散热问题。

综上，基于TRIZ的挡位操纵机构的产品设计方案是可行的，体积小、功能全、操作灵活便捷是该产品的最大特点，完善了市场的缺陷。