基于TRIZ理论的汽车制动器创新设计

高天才，李平平，李静

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

基于TRIZ理论的汽车制动器创新设计

高天才，李平平，李静

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710200）

为了克服传统设计方法在解决工程设计问题过程中的不足，将发明问题解决理论(TRIZ)引入汽车制动器的创新设计过程中。在对当前汽车车桥用楔式制动器存在问题的分析基础上，采用TRIZ理论分析方法，确定了改良创新设计中遇到的技术冲突及其对应的发明原理，并运用发明原理所提供的思路与线索，对楔式制动器的结构进行了创新设计，以此验证了TRIZ理论在汽车领域创新设计阶段的可行性与有效性。

TRIZ；概念设计；车桥；汽车制动器

CLC NO.:TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-60-04

引言

产品的创新主要集中于概念设计阶段[1-2]，在此阶段，5%的产品总开发成本将决定产品约70%-80%[3]的性能、价值及效益。而TRIZ理论则可借助成熟的冲突矩阵与发明原理等工具，帮助设计人员通过对以往的知识与经验进行重新组合、修改、联想、推理抽象等，形成创造性思维体系及设计概念，解决产品开发设计中的关键问题，以完成产品创新设计，提高产品质量，降低产品开发成本，减少市场响应时间。

汽车车桥用楔式制动器具有制动力矩大、结构紧凑、维修简单、成本低廉等优点，因而广泛应用于工程机械(如汽车起重机等)及商用车上。但目前的楔式制动器由于自身结构特点和制造误差，存在制动力输出不稳定、制动拖磨等问题而难以满足市场需求。

因此，改进当前楔式制动器存在的问题即成为了迫切需要关注和解决的问题。而应用TRIZ理论中的冲突解决原理对楔式制动器的结构进行创新设计，将会有效的解决当前问题，实现设计方案的创新，得到性能优良、成本低廉的设计方案。

1、TRIZ理论

以TRIZ理论为核心的概念设计方法和工具，是从世界高质量专利中总结出的人类解决技术难题进行发明创造所遵循的理论和方法[4-5]，是以各学科领域知识与工具为基础的产品创新设计理论，可有效的通过解决创新设计中的关键问题而得到高层次的创新概念解[6-7]。

TRIZ理论主要由技术系统演变的8个法则、39个通用工程参数、40条发明原理、76个标准解等构成的理论与方法体系[8]。TRIZ理论认为，产品创新及更新换代的实质就是不断地发现并解决产品冲突的过程[9]。因此，利用TRIZ的冲突矩阵及发明原理解决产品设计中的冲突，将推动产品向理想化方向进化。TRIZ理论解决问题的一般流程及应用技术冲突解决工程实际问题的一般过程见图1、2所示。

图1 TRIZ理论解决问题的一般流程

图2 技术冲突解决工程实际问题的一般过程

2、应用实例

2.1 问题分析

目前，汽车楔式制动器结构多为浮蹄式（制动蹄与支撑点有相对滑动），该结构如图3所示，该种制动器通常包括制动底板、设置在制动底板上的扩张器、两个制动蹄、回位弹簧、回位支座等。制动蹄的一端与扩张器抵接，另一端与设置在制动底板上的回位支座抵接，该回位支座形状与扩张器相似，或者直接用不工作的扩张器代替（图中的回位支座即为一个不工作的扩张器），两个制动蹄之间通过回位弹簧连接。在设计制动蹄时，制动蹄的两端结构相同，均为矩形端面，一端嵌入到扩张器端部的卡槽中，另一端直接与回位支座的端部抵接。

图3 传统浮蹄式楔式制动器结构

制动器工作时，在促动力(气压或油压)的作用下，如图3所示，制动促动装置(即扩张器)向两侧张开，推动两侧制动蹄压靠在制动鼓内圆面，由于制动蹄与回位支座采用矩形槽抵接的结构，制动蹄在向外张开的同时沿矩形槽向下滑动，直至制动蹄下方外圆面与制动鼓内圆面接触并压紧。利用两制动蹄与制动鼓工作表面摩擦产生制动力矩实现制动。

制动促动装置卸载后，两侧制动蹄在回位弹簧的作用下复位，制动解除。

制动器在不工作的原始位置时，其摩擦片与制动鼓之间应该保持合适的间隙，其设定值一般由汽车制造厂规定。但是在制动器工作过程中，摩擦片的不断磨损必然将导致制动器间隙逐渐增大。因此，任何形式的制动器在结构上必须保证有检查调整其间隙的可能。

对于楔式制动器，间隙调整结构设置在扩张器内部，在扩张器张开时可以识别制动器间隙值，通过对扩张器内部结构参数的设定，使得当制动器间隙大于规定值时可自动进行调整。在实际使用过程中，楔式制动器由于自身结构特点和制造误差，制动蹄在张开后很难回到原始位置。使得扩张器识别的制动器间隙值不准确，制动器间隙不能及时自动调整，最终导致制动器制动力输出不稳定。

2.2 冲突的确定及问题求解

对当前问题应用TRIZ的冲突分析方法进行系统分析，对于当前结构的楔式制动器，在不考虑扩张器自身调整精度的前提下，制动蹄在张开后能否回到原始位置是影响制动器调整精度的主要因素。

针对当前问题，往往需改善系统结构或通过复杂的结构形态来消除制动蹄在向外张开的同时沿矩形槽向下的滑移，以提高制动系统精确回位功能，使制动蹄在张开后可精确回位。提高零件的制造精度或改进制动蹄回位形式或许可以改善系统结构，但将带来较高的制造成本及加工难度并降低了可制造性。

将问题泛化为改善的工程参数“可操作性”及“形状”，恶化的工程参数“可制造性”。通过查询冲突矩阵表，得到解决冲突问题对应的发明原理，即TRIZ特解，见表1。

对表1中各发明原理进行分析，原理“5 联合原理”及“17 维数变化原理”对解决问题具有启发性。

制动蹄在向外张开的同时沿扩张器和回位支座上的矩形槽向下滑动，制动蹄回到原始位置的过程中，存在向上滑动和向内移动的过程。

根据原理5及原理17得到启示，提出解决方案：每个制动蹄的一端卡接在扩张器端部的卡槽中，即与原结构保持不变。在制动蹄另一端，即制动蹄底部与回位支座抵接处设计成半圆弧凸台结构。取消原结构中的回位支座，在制动底板端部对应位置设计与凸台相对应的半圆形凹槽。

具体结构见图4所示：制动蹄底部的半圆弧凸台嵌入制动底板上的半圆弧凹槽中。在制动器工作时，即制动蹄张开和复位的过程中，制动蹄仅绕圆弧中心摆动，没有相对滑动。制动蹄张开后可以回到理论位置，间隙调整可靠，制动性能稳定。

图4 制动蹄、制动底板结构

改进后的制动器总成进行试验验证，制动器间隙调整功能明显改善，但仍会出现制动拖磨的现象。

对改进后的制动器进一步分析，制动拖磨一般是由“制动器初始间隙过小”或“制动器使用后间隙变小”这两个因素造成的，通过分析，发现改进后的制动蹄虽然在制动蹄精确回位方面明显改善，但由于本身结构的原因，制动蹄的支撑刚性较差，制动器工作时，制动蹄将产生较大的变形，尤其是半圆弧凸台支撑端，导致制动器间隙变小。为提高制动蹄支撑刚性，往往导致制动蹄重量及体积的变大。

将问题泛化为改善的工程参数“结构稳定性”及恶化的工程参数“静止物体的重量”与改善的工程参数“强度”及恶化的工程参数“物质的量”。通过查询冲突矩阵表，得到解决冲突问题对应的发明原理，即TRIZ特解，见表2。

表2

对表2中发明各原理进行分析，原理 “10 预先作用原理”及“26 复制原理”对解决问题具有启发性。

根据原理10及原理26得到启示：削减制动蹄主腹板厚度，并在主腹板的两侧分别增加一条纵向加强筋，加强筋与制动蹄翼板、半圆弧凸台通过焊缝连接，通过焊接纵向加强筋提高制动蹄整体支撑刚性，尤其是半圆弧支撑端的刚性，这样在既不过多增加质量的同时，也有效改善制动拖磨的问题。具体结构见图5。

图5 改善后的制动蹄结构

综上所述，得到最终的制动器改进方案：扩张器张开端结构不变，仍然为矩形卡槽结构，在制动蹄的端部增加半圆弧凸台，在制动底板端部增加对应的半圆弧凹槽，代替回位支座，制动蹄绕圆弧中心摆动实现制动蹄张开和复位过程。制动蹄张开后可以回到初始位置，间隙调整可靠。同时制动蹄增加纵向加强筋提高支撑刚性。最终的制动器具体结构见图6所示。

图6 改进后的制动器结构

3、结论

在产品创新求解过程中，应用高层次的概念设计方法TRIZ可以帮助设计者克服思维惯性，避免以往的“盲目尝试”，同时也是寻求关键技术瓶颈、创造性的解决技术壁垒、寻找跨行业解决方案，建立现代知识工程理念等的基础性工具。

本文旨在将TRIZ理论应用于汽车领域的创新设计阶段。通过建立技术冲突，找出对应的发明原理，并结合设计人员自身或群体的知识经验，最终得到结构优良的设计方案。

[1] 李彦,王杰,李翔龙,等.创造性思维及计算机辅助产品创新设计研究[J].计算机集成制造系统，2003,9（12):1092-1096．

[2] 张建辉,檀润华,张鹏,等.计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型[J].计算机集成制造系统,2013,19(2):284-291.

[3] 蔡军.产品设计阶段的成本管理研究[D].长沙：中南大学,2011．

[4] Altshuller G S. The Innovation Algorithm, TRIZ systematic innova -tion and technical creativity [M]. Technical Innovation Center, INC., Worcester, 1999:37-89．

[5] 卢希美,张付英,张青青.基于TRIZ理论和功能分析的产品创新设计[J].机械设计与制造.2010,(12):255-257．

[6] 任工昌,刘永红,张优云.产品创新中点状问题的解决原理及辅助设计系统的实现[J].机械工程学报,41(3):32-37．

[7] 马力辉.面向多冲突问题的TRIZ关键技术研究[D].天津:河北工业大学,2007．

[8] 陈光.创新思维与方法.TRIZ的理论与应用[M].北京:科学出版社,2011．

[9] 韩立芳,张明勤,李海青等.基于TRIZ的新型立体车库创新设计[J].工程设计学报. 2008,15(2):86-89.

Automotive Brake Innovation Design based on TRIZ

Gao Tiancai, Li Pingping, Li Jing
( Shaanxi hande axle Co. Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

In order to overcome the shortcomings of the traditional design method to solve engineering design problems, the theory of inventive problem solving (TRIZ) is introduced in the innovation design process of the automotive brake. On the basis of the analysis of the problems exist in the automotive brake, the technical conflict encountered in the work and the corresponding principles of invention were determined by using the TRIZ innovation and theoretical analysis method, and the old brake structure is improved with some TRIZ ideas and clues provided by the principles of the invention. The effectiveness and feasibility of TRIZ in the innovative design phase in the automotive sector is verified.

TRIZ; Conceptual Design; Axle; Automobile Brake

TH122

A

1671-7988(2016)07-60-04

高天才，就职于陕西汉德车桥有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.019