基于TRIZ物理矛盾的汽车前轴创新设计

郭飞航，李平平，胡烜华

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

基于TRIZ物理矛盾的汽车前轴创新设计

郭飞航，李平平，胡烜华

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

针对当前汽车车桥设计中由于缺乏高层次的创新方法支持而导致创新性低下、产品开发周期长等问题。通过对TRIZ理论的研究分析，将TRIZ理论的各分离原理与发明原理组成串联的问题求解过程模型，用于解决创新设计中的具体问题。并将该方法应用于汽车前桥的创新设计中，获得了高质量的产品创新设计方案，也进一步验证了该理论方法在车桥设计中的合理性及有效性。

TRIZ；物理矛盾；概念设计；车桥；前轴

CLC NO.: TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-40-03

引言

当前，我国汽车行业在全球化的市场环境中往往处于弱势，究其原因，皆因我国的技术创新能力相对低下，产品的创新研发能力不足，这也直接导致了我国汽车行业创新能力及市场竞争力的落后，因此，我国必须提高自主创新能力，以提高产品的创新性及竞争性，依靠科技创新推动国家富强[1]。

但对于产品的创新性而言，关键在于产品开发过程中的概念设计阶段[2-3]，在此阶段，5%的产品总开发成本决定了产品约70%-80%的性能、价值及效益[4-5]。但概念设计阶段的创新过程是一种集多种思维的反复迭代与思维建模的复杂过程，因而在该阶段的创新往往需要高效、可操作性型强的产品创新设计理论与方法的支持，而国际上积极开展研究的TRIZ理论则是可以有效辅助产品创新的高层次创新设计方法。

1、TRIZ理论简介

TRIZ理论是G.S.Altshuller及其团队自1946年开始，通过对世界专利库中约250万件世界高水平专利的分析与研究，提出的以逻辑思维为主的现代创新理论方法，主要包括了技术系统演变与进化的8个模式（定律）、用于进行产品矛盾求解的39个通用工程参数、矛盾解决矩阵及40条发明原理等理论与方法体系[6]。G.S.Altshuller等TRIZ专家坚信，产品的创新与发明是遵循一种客观存在的基本规律，通过分析研究及归纳，这些客观规律可使发明问题明确化及规律化，同时也使发明问题的创新解更具客观预见性，TRIZ解决设计问题的方法论见图1所示[8]。

1.1 TRIZ理论中的矛盾

矛盾是TRIZ理论的核心部分，是解决工程实际问题的最成熟且最高效的工具之一。TRIZ理论研究的矛盾在工程实际问题上主要分为物理矛盾与技术矛盾。实际工程问题中的技术矛盾主要是针对两个子系统存在的矛盾，而物理矛盾通常是为了满足设计需求，系统或子系统本身存在矛盾。TRIZ理论认为产品以满足技术进化及需求进化而更新换代的过程，就是解决或消除产品矛盾的过程[9]，在解决实际的矛盾问题中，矛盾矩阵、分离原理及发明原理是设计人员解决设计矛盾的几大核心工具。

1.1.2 TRIZ的物理矛盾与问题求解过程

TRIZ理论中的物理矛盾与技术矛盾通常都存在一定的关联性，通常，为了解决问题的快捷性与方便性及概念解的完善与准确性，往往需要进行问题间的相互转化。但对于工程设计问题中的两种矛盾而言，物理矛盾由于针对的是同一系统或子系统，其矛盾的尖锐性较技术矛盾更强，在实际的问题求解过程中，可以优先选择物理矛盾进行问题的创造性求解，其创新解的创新性将会更强，更加符合产品进化的要求。

通常TRIZ的物理矛盾主要应用TRIZ理论提供的空间分离原理、时间分离原理、条件分离原理、整体与部分分离原理四条分离原理来创造性的问题求解，但由于4条分离原理的启发性及操作性有限，导致了操作性存在一定的不足。但由于TRIZ中的40条发明原理更加具有操作性及明确性，英国bath大学的Mann在对TRIZ的分离原理及发明原理深入的研究，研究提出了四条分离原理与40条发明原理之间存在的关系，见表1[10]。

表1 分离原理与发明原理的对应关系

具体应用分离原理与发明原理的问题求解过程如下：

首先，设计人员在确定物理矛盾及可以用于求解的某条分离原理，并遍历分离原理对应的发明原理，找出可以应用的原理。然后，设计人员在该分离原理及对应的发明原理的启发下，得到初步局部的设计方案。

其次，以上一步的初步局部的设计方案为基础，挖掘形态中可能新出现或仍旧存在的矛盾，并选择可用的分离原理及发明原理，设计人员在该分离原理及对应的发明原理的启发下，得到更进一步的设计方案。

最后，设计人员将方案进行综合，得到最终的全局创新解，并予以评价，如果符合设计要求，则到了创新方案，如果不符合设计要求，则重新对问题分析与思考，直到得到创新设计方案。具体的问题求解流程见图2所示。

2、创新实例分析

重型商用汽车前桥是汽车底盘的重要组成部分，而前轴是前桥的主要子系统之一，承担着前桥其它子系统的支撑、固定及汽车部分载荷的承载等功能。当前汽车前桥的前轴主要为拳式锻造工字型结构，见图3所示，这对于轮距与板簧距变化极小的卡车而言，具有结构紧凑，一致性好，成本低廉等优点，但对于轮距与板簧距变化较大，且多品种、少批量的工程车而言锻造工字型前轴却由于开发成本高而难以满足市场要求。

2.1 问题分析与求解

针对当前问题，前轴由于使用的需求，将某一常用的主销中心距设为A，板簧中心距设为B。由于汽车底盘及轮距的需要，前轴需要适应既大于A也小于A的主销中心距，也需要既大于B也小于B的板簧中心距，以满足不同车型的要求。

根据物理矛盾的定义，如果在问题求解过程中，使一个子系统或组件应具有某种有用功能特性，但该有用功能特性的出现将导致另一功能特性出现与此相反的不利或有害后果，则此时系统中存在物理矛盾。

根据空间分离原理的内涵：在技术子系统中，如果存在物理矛盾且需求是相互独立的，并且需求在某一空间中存在（或需求量很大或具有“正”参数）而在另一空间中不存在（或需求量很小或具有“负”参数），在此情况下从空间上可对物理矛盾分离。

对当前的创新设计问题进行分析，前轴在某一车型时需要大于A的主销中心距来满足使用需求，而针对另外一种车型，则主销中心距则需小于A，板簧中心距与此问题类似，因此可以用空间分离原理来求解。

因而可应用空间分离原理进行问题求解，遍历空间分离原理对应的发明原理，可得，发明原理“1， 2，7，17，24”可有效进行问题求解。

由于在实际应用TRIZ物理矛盾的分离原理进行问题创造性求解时，仅应用单个原理进行问题求解往往是不科学的[11]。因而，为了使创新解的创新性更强，方案更加完善，往往需要应用多个分离原理共同进行创新求解，以减少解在空间及时间上的漏洞。

再次对当前问题进行分析，根据时间分离原理内涵：在发生矛盾的子系统中，若需求是相对唯一的，当需求在一个时间域存在（或变大或具有“正”参数）并在另一个时间域可能不需要（或变得很小或具有“负”参数）时，则可进行时间分离。

即无论主销中心距或板簧中心距的大小，在某一车型使用时是需要的，而在另一车型使用时则不需要（或需求量很小），特别在轮距或板簧距变化时。因而，该问题也可结合时间分离原理予以解决。查询时间分离原理对应的发明原理，可得发明原理“15”可有效进行问题求解。

在发明原理 “1分离原理，2 抽取原理，15动态化原理”的启示下，将前轴设计为四部分，即2个弯梁，中间钢管梁，及弹簧垫板与弹簧压板，见图4所示。这四部分最终通过焊接予以连接。

其中，弯梁为锻造件，其结构紧凑，抗弯抗扭能力强，其拳部尺寸与图2所示的锻造工字梁保持不变，可保持车桥轮边结构不变。

当轮距发生变化时，通过改变中间钢管梁的长度来适应不同轮距的变化。

当板簧中心距或骑马螺栓孔发生变化时，可通过改变件3的位置或结构来适应变化。

在发明原理“7 嵌套原理”及“24 中介原理”的启示下，在件1与件2焊接处的内部，增加嵌入环，该嵌入环不仅增加了焊接处的可靠性，也增加了可操作性，即在焊接时起到了定位作用。

最后，将在各原理启示下得到的创新方案进行整合，得到了图5所示的创新方案。对该方案进行创新评价，该方案采用，降低了成本，提高了工艺性及产品的适应性，增加了产品的理想化水平。

3、总结

对于当前知识爆炸，经济快速发展的今天，创新将直接决定企业的未来，但创新需要方法的支持，只有高层次的创新方法才能快速高效的辅助产品创新，本文通过对物理矛盾的研究与分析，借助TRIZ的分离原理与发明原理相结合的产品创新设计过程模型进行高质量高效率的创新问题求解，使产品能够以更高的创新度来满足用户需求，获得市场竞争力。

[1] 安小凡.基于TRIZ的机械产品创新方法研究[D].天津:天津大学硕士学位论文,2007.

[2] 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(13):1092-1096.

[3] 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.

[4] 檀润华,王庆禹.产品设计过程模型、策略与方法综述[J].机械设计.2000.17(11):1-3.

[5] 蔡军.产品设计阶段的成本管理研究[D].中南大学,2011.

[6] 檀润华,张瑞红,刘芳,等.基于TRIZ的二级类比概念设计研究[J].计算机集成制造系统.2006,12(3):328-333.

[8] 檀润华.TRIZ及应用:技术创新过程与方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

[9] 高常青,黄克正,张勇.TRIZ理论在产品创新设计中的应用[J].机械科学与技术.2006.25(4):501-504.

[10] 崔玉莲,吴纬.基于TRIZ矛盾解决原理的产品设计解耦[J].机械设计与研究,2010,26(6)：19-22.

[11] 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.2005.41(3）:32-37.

Automotive Front Axle Innovation Design based on TRIZ

Guo Feihang, Li Pingping, Hu Xuanhua
( Shaanxi han DE axle Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710201 )

To solve the problem of low innovation and long develop period due to lack of high level innovation method in vehicle axle design, research and analysis the TRIZ theory, apply the solving process model of sequent problem which composed from separate principle and invention principle to solve the specific problem in innovation design. Moreover, use this method mentioned above in the vehicle front axle design to obtain high quality of design scheme, verify the rationalization and effectiveness as well.

TRIZ; physical conflicts; conceptual design; front axle

TH122

A

1671-7988(2016)10-40-03

郭飞航（1980—),男，中级工程师，就职于陕西汉德车桥有限公司技术中心，从事车桥技术研究与开发。