基于TRIZ理论的平衡轴密封改进设计

2021-03-25

汽车工艺师 2021年3期

关键词：密封件泥沙悬架

重汽（济南）汽车部件有限公司山东济南 250200

重载货车的平衡悬架系统一般由弹性元件（板簧、空气、橡胶）、导向元件（推力杆）、平衡轴带轴壳总成以及固定元件（骑马螺栓、螺孔）等部分组成。根据该系统降低振动的形式，可以分为板簧悬架，橡胶悬架以及空气悬架[1]。

TRIZ理论是发明问题解决理论，使用该理论改进现有的工作，可以在很大程度上改进工作的效率和质量[2-5]。

针对本公司现有的某型号的平衡轴，应用TRIZ理论，对系统进行了功能分析和因果分析，找出了悬架系统漏油的根本原因，利用矛盾分析获得了TRIZ解决方案模型，找到了解决方案。

问题描述

1.技术系统功能

通过TRIZ理论中对于技术系统功能[5]的定义与概念，得到了悬架系统的SVOP：技术系统S为悬架系统，动作V吸收，作用对象O为车轮，参数P为振动。

因此，本技术系统的功能可以表述为“悬架系统吸收车轮在不平地面运动时产生的振动”。

2.技术系统工作原理

重型货车的悬架系统主要是由板簧、平衡轴总成、推力杆以及U形螺栓组成。车轮通过不平地面时，位于不同水平位置的车桥会导致车架位置受到力的作用，尤其在载货状态下，通过悬架系统平衡轴总成的大支架与芯轴之间的相对旋转，使得车架平行于地面，不受到除正常荷载以外的其他因位置变化而产生的力的作用。

3.问题现状描述

通过对该技术系统的功能和工作原理的阐述可知，悬架系统的主要作用是承担车轮在不同地面运动时产生的振动，而悬架系统中的芯轴与大支架之间良好的运转是悬架系统正常工作的前提。

但是车辆在涉水工况或环境恶劣（如泥沙飞扬等）时，会导致悬架系统的大支架与芯轴安装的部位槽有大量泥沙堆积的现象。而在车辆继续行驶过程中，由于悬架系统在车辆整体运动的作用下，泥沙与芯轴轴套会有一定的磨损，长时间会导致悬架系统内的轴承密封性不良，产生磨损，导致悬架系统出现故障，车辆无法实现减振作用，主要表现为轴承进水后油脂失效或油液泄漏。油液泄漏后，车辆经过不平整路面时悬架系统会发出异响，需要更换平衡轴总成，严重时悬架系统的减振作用完全失效，车架车桥整体受损，只能进行大修。如图1所示为悬架系统故障图。

图1 悬架系统磨损漏油

问题分析

1.悬架系统功能分析

悬架系统的主要功能为吸收车轮振动，其系统组件，见表1。

表1 悬架系统系统组件表

通过各系统组件的相互作用绘制功能模型图，如图2所示。

图2 系统功能模型

通过构建系统功能模型图[6]进行分析，描述悬架系统组件及其之间的相互关系，确定了导致问题存在的功能因素。

系统中所有的负面功能如下：积累的泥沙与轴承的相对运动，导致密封件损坏——有害作用；密封件和芯轴对油液的密封作用不足——不足作用。

2.问题分析

通过系统组件的相互作用绘制的功能模型图仅能发现该系统的负面功能，为了研究系统发展变化的因果关系，抓住系统发展变化的主要矛盾（内因）和次要矛盾（外因/条件）的关系，还需对系统进行因果分析（见图3）。

图3 悬架系统因果分析

通过因果分析，确定了本系统问题产生的根本原因是：

1）设计想法欠缺。

2）提高油液黏油特性研发成本高。

3）工作环境温度高。

4）设计研发少。

5）供应商加工能力不足。通过系统的功能分析和因果分析，在一定程度上发现了导致该悬架系统的失效的原因，为下面的问题解决提供了前提。

问题解决

1.物-场模型及标准解

根据TRIZ理论，一般认为两个物体之间的作用都可用两个物质（对象物质和工具物质）和一个基本场的形式来描述。针对问题分析得出的结论，构建悬架系统的初始物-场模型，如图4所示。

图4 物-场分析模型

根据系统初始物-场模型，确定系统的物-场模型为有害的完整模型。对于此类型系统，必须保留或进一步扩大有益作用，并对有害作用设法予以消除。

一般以下方法：根据标准解中的S1.2.1引入第二个场来抵抗有害作用，在泥沙堆积的平衡轴总成位置增加一个场，使得泥沙无法作用于密封件上，如图5所示。

图5 物-场分析解决方案

2.运用科学效应及知识库

科学效应是在科学理论的指导下，实施科学现象的结果，简单来说就是按照已有的科学知识规定的原理将输入量转化为输出量，用以实现相应的功能。根据问题分析，确定了系统最主要的负面功能为泥沙和密封件的磨损，想要消除负面功能，需要实现的功能为消除接触。提炼欲改变的系统功能：提高使用寿命和可靠性。查询知识库并获得结果：莫比乌斯环、改变接触面积和选择特殊形状。

运用以上的发明原理，可以得到如下概念方案：

方案1：利用改变接触面积效应，在平衡轴最外端加上防护套，使得泥沙不能直接落入平衡轴与密封圈接触位置。

方案2：利用选择特殊形状效应，改变平衡轴整体形状，使得泥沙不易堆积。

3.技术矛盾与矛盾矩阵

对于TRIZ来说，矛盾是发明问题的核心，实现发明就必须抽取矛盾，将一个多样化的具体问题转化为规范的典型问题。

本系统的存在的技术矛盾可以表述为：为了改善“泥沙等外来有害物质对系统的影响”，导致“系统的使用寿命降低”。

选择技术矛盾参数组合以及查询所得发明原理见表3。

表3 技术矛盾解决方案

根据矛盾矩阵，得到了对应的发明原理，并运用以上的发明原理，可以得到如下的概念方案：

方案1：运用发明原理15（动态性原理），得到新方案，即：在平衡轴总成上添加一个保护罩，在工作环境恶劣（泥沙飞扬等工作场合）条件下，对平衡轴总成部位进行保护，防止泥沙在平衡轴总成的密封件累积。

方案2：运用发明原理35（状态和参数变化），得到新方案，即：通过对密封件进行硫化，提高密封件的强度和耐久性，改善整体性能。

方案3：运用发明原理24（中介原理），得到新方案，即：在轴承上面开槽，在凹槽位置添加一个材料为丁腈橡胶的O形圈，使泥沙与平衡轴总成分离。

方案4：运用发明原理21（急速作用原理），得到新方案，即：在平衡轴总成易累计泥沙的位置，安装一个小型的高压喷水装置，在车辆熄火停下时，对该位置进行高压喷水，清除该位置的泥沙。

方案5：运用发明原理4（不对称原理），得到新方案，即：在平衡轴总成的上部，不采用与下部一样的结构。采用的结构使得总成安装完成后，该位置没有缝隙使得泥沙落下。

方案6：运用发明原理3（局部特性原理），得到新方案，即：对于平衡轴总成的密封件外部（与泥沙接触的位置）进行特殊材料处理，使其有着更好的材料特性。

4.物理矛盾

通常在TRIZ中，认为技术矛盾和物理矛盾是两个分类。物理矛盾是指为了实现系统的某种功能，对同一个对象的同一个工程参数提出了互斥的要求[7]。

在对系统的进一步分析中，发现密封件的物理属性存在物理矛盾。当密封件外部的强度和刚度增加时，密封件不容易被磨损失效，由于现在重载车辆的轻量化发展，密封件强度和刚度的增加，会导致其质量也增加。因此本系统存在“质量”的相反要求，转化为参数语言可以描述为：密封件既要耐磨，也要质量轻。4个分离原理与40条发明创新原理的对应见表4。