基于TRIZ理论的端面密封型连接器设计改进

王永安，王武军

（河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030）

汽车密封型连接器和汽车非密封型连接器是按照密封性能来划分的。易浸水的汽车发动机舱等部位一般选择密封型连接器，而不易浸水的驾驶舱等部位则选择非密封型连接器［1］。衡量密封型连接器的重要指标之一就是密封型连接器的密封可靠性，因为密封可靠性直接影响了电器部件的功能实现。密封型连接器在设计和使用过程中经常会有密封失效的情况，而实际情况下，人们不容易快速有效地解决该问题。

本文将使用TRIZ理论中的矛盾问题解决方法进行该类密封问题的解决。

1 TRIZ理论

TRIZ理论是苏联人根里奇·阿奇舒勒 （Genrich S.Altshuler）在研究了大量的世界范围内的专利后提出的发明问题解决办法［2］。TRIZ理论广泛应用于军事［3］、航空［4］、高铁［5］等多个领域，是来自于专利又能帮助产生专利的创新利器［6］。该理论将解决发明问题的过程进行了具体化，提出了技术进化曲线、矛盾矩阵和物质-场分析等解决发明问题的标准工具和方法。这些工具和方法能帮助人们克服原有的思维惯性，使人们能正确有效地分析及解决问题。

以下是使用TRIZ理论来解决工程技术问题的步骤：①第1步，针对待解决的问题进行技术分析和技术定义；②第2步，将问题转换为TRIZ问题模型；③第3步，使用TRIZ工具形成解决方案模型；④第4步，使用解决方案模型得出最终方案。整个过程的流程如图1所示。

图1 使用TRIZ解决问题的逻辑图

在人们解决问题的过程中首先要保证或提高产品的某些内部性能，但这种提高往往导致产品其他内部性能的降低，这就是矛盾。TRIZ中矛盾分为两种形式，一种称为技术矛盾，另一种称为物理矛盾。在技术系统中，如果提高一个参数的性能，却使得另一个参数的性能下降，这样两个参数之间的矛盾，称为技术矛盾；如果在技术系统中针对同一个参数，有不同方向的两种期望，这样的针对同一参数的矛盾，称为物理矛盾。物理矛盾相对于技术矛盾，对技术系统的理解层次更深刻，技术矛盾可以转换为物理矛盾来解决问题［7］。要解决矛盾问题，需要先对矛盾进行分析定义，然后判断该矛盾属于技术矛盾还是物理矛盾；技术矛盾使用矛盾矩阵求解，物理矛盾使用分离原理求解，然后转化为最终方案。图2给出了TRIZ解决矛盾问题的流程。

2 端面密封型连接器的设计改进

2.1 端面密封型连接器使用情况分析

汽车用密封型连接器一般由插头护套 （5）、插座护套（7）、插头端子 （3）、插座端子 （4）、密封圈 （密封垫）（6）、密封堵 （2）组成，见图3。使用时插头端子、插座端子与导线、密封堵压接后分别装配在插头护套、插座护套内。汽车线束中电路的导通和断开是通过插头护套、插座护套的插接和分离来实现的。护套与护套之间的密封靠密封圈（密封垫）和护套过盈实现；护套和导线之间的密封靠密封堵和护套、导线过盈实现。

图2 解决矛盾问题的流程图

汽车用密封连接器的密封型式，一般分为侧面密封和端面密封［8］。端面密封型连接器是通过插头护套、插座护套挤压密封垫来保证密封的。如图3所示的端面密封连接器，该连接器连接发动机和汽车BCM，负责把发动机的各种介质温度、转速、运转工况等信息传递给BCM，以便通过BCM协调，使发动机处于最佳工作状态。汽车发动机相当于汽车的心脏，是为汽车提供动力的装置，汽车的动力性能、经济性能和环保性能直接由汽车发动机运行的稳定性决定，所以该连接器稳定可靠的连接对整车性能起到了关键的作用。由于发动机在汽车的发动机舱放置，环境恶劣，需要很好的抗震性能及优良的密封性能。目前该产品对配后10kPa就有漏气现象，严重影响产品的密封性能，且插头护套和插座护套配合力为100N，不利于工人操作。

图3 端面密封型连接器示意图

为了达到密封要求，需要49kPa无漏气现象，且能实现各端子孔独立密封，即使一个端子孔失效，不至于影响其它功能的实现。解决该问题的常规方案需要增大插头护套、插座护套挤压密封垫的过盈量，但这样使插头护套和插座护套的配合力进一步增加，使客户使用困难。

2.2 矛盾定义及TRIZ分析

通过我们对端面密封连接器的分析发现，关键问题在密封垫和护套结构的设计上，即寻求一种设计，使密封可靠性好而且插头护套和插座护套的配合力也很小，方便客户使用。对密封和护套结构进行分析：如果希望密封效果良好，可以增加密封垫和插头护套、插座护套的过盈量，但其缺点是：插头护套和插座护套的配合力增加，客户使用困难。如果希望客户使用方便，可以减小密封垫和插头护套、插座护套的过盈量，但其缺点是：密封效果差，影响性能。系统中的矛盾为：提高系统密封可靠性，却恶化了配合力。经判断该矛盾属于技术矛盾。

根据TRIZ理论，改善的参数为可靠性，恶化的参数为力，据此查找矛盾矩阵表，见表1。

表1 矛盾矩阵简表

经过查询矛盾矩阵，创新原理3、8、10、28可以用于解决该矛盾，这几种创新原理如下。

1）原理3局部质量原理

①将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的。

②让物体的不同部分各具有不同功能。

③让物体的各部分处于完成各自功能的最佳状态。

2）原理8质量补偿原理

3）原理10预先作用原理

4）原理28机械系统替代

经分析发现，创新原理3中的③项可以用于解决目前的矛盾问题。

2.3 改进设计方案

为解决端面密封连接器配合力大的问题，根据TRIZ理论中的矛盾矩阵得到的创新原理3中的③项进行设计改进，将插头护套、插座护套和密封垫配合的面设计为凸筋结构 （图4）。

针对插头护套、插座护套和密封垫配合的面进行了凸筋结构的设计，使凸筋和密封垫过盈，而插头护套、插座护套的端面不会和密封垫过盈 （图5），这样能显著提高密封性能，而不增加配合力。为了达到各端子孔独立密封的要求，设计凸筋结构包围每一个需要密封的端子孔，当插头护套、插座护套配合时只有凸筋和密封堵过盈，这样既能保证密封性能，又不会使配合力过大。

图4 凸筋改进示意图

图5 改进后配合示意图

对上述改进后的产品做了密封试验和配合力试验，该产品可以保证在98kPa的气压下没有气泡产生，满足汽车行业标准要求。该产品配合力为75N，优于该产品原来的配合力。

3 设计方案对比分析

和原方案相比，改进设计后的方案提高了可靠性，配合力也有所降低，表2列出了方案改进前后参数上的对比分析。

表2 设计方案对比分析

4 结束语

利用TRIZ理论的创新工具，解决端面密封型连接器中密封可靠性和连接器配合力之间的矛盾问题，在不增大配合力的基础上解决端面密封可靠性的问题，从而证明TRIZ是一种非常有效的发明问题解决工具。

当人们遇到工程技术难题时，TRIZ理论能通过一种固定的流程给人们提出TRIZ解决方案，使人们能快速、有效地通过TRIZ解决方案得到最终解决方案。