基于TRIZ的商用车转向系统优化设计

张 勤

（四川绵阳德鑫机械有限公司，绵阳 621000）

1 TRIZ概述

发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S. Altshuler）创立的。该理论是从250万份专利中仔细研究、寻找规律、总结分析而得出，其本质是“萃智”。该理论揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，获得最终的理想解。该理论提示许多技术问题可以利用其他领域或相似问题的原理和方法得到解决，在解决发明问题时可以寻求TRIZ的标准解。

2 商用车转向系统的现状

商用车转向系统是驾驶员实现方向控制的传动系统。转向功能的实现是通过驾驶员操纵方向盘，将力矩传递给转向管柱，转向管柱通过转向传动轴将转向力输送给转向器，转向器将转向力放大并传递给转向垂臂，转向垂臂通过拉杆将转向力传递给转向节，转向节带动车轮转向。为了方向盘的操纵轻便、舒适，一般转向器上采用了助力。转向器上的助力目前采用液压助力为主，带有储油罐、管路等系统。在实际的车辆运行中，经常存在转向器的液压油路渗漏现象，极不环保；少部分的轻微卡也有在转向管柱上采用电动助力。路面的激励通过转向系统路径逆向传递给方向盘，使驾驶员在感知路面状况的同时，感受到车辆的抖动、异响、噪声。而且当车辆发生碰撞时，转向系统将碰撞力通过转向系统给方向盘，方向盘的后移与冲击力将直接给驾驶员带来安全的隐患[1]。所以，在转向系统的吸能与溃缩、方向盘的抖动、转向系统的异响与噪声是转向系统的研究设计、制造、调试、维护保养以及驾驶等诸多环节努力与关注的重点。

3 商用车转向系统的功能分析

商用车转向系统包括方向盘、转向调节机构、转向传动轴、转向器、转向垂臂、转向直拉杆、转向节与转向轮胎。在传动系统中，各零部件组通过机械的连接方式，逐级将驾驶员的操作力传递给转向轮，实施车辆的转向意图。方向盘搭载在转向调节机构上，为了满足不同驾驶员在操纵方向盘时的舒适性需求，调节机构能够调节方向盘的位置。为了满足转向需求，传动系统中还加载了许多相关的部件系统：在转向调节机构上搭载了转向灯光控制的组合开关，车辆启动的点火锁装置，为实现转向角度监控的角度传感器，转向系统部件的防护与装饰用的附罩；在转向传动轴上加载有防止驾驶室外的灰尘、泥水等进入的防尘胶囊；为了驾驶员操作方向盘的轻便，一般转向器采用液压助力，需要从发动机上搭载转向油泵、油路管线、储油罐以及转向助力油等助力系统；为了实现转向车轮的同步工作，在转向垂臂的输出端要同步连接横拉杆，横拉杆带动另一侧的转向节与轮胎，从而实现两侧的转向轮同步工作[2]。

从方向盘到转向轮的连接传动，在实现驾驶员对车辆转向的同时，将路面的激励通过转向传动系统传导给方向盘。驾驶员在感知路面情况时，会收到关于路面的振动、抖动以及驾驶室外噪声等不良反馈。特别是在车辆发生意外情况时，驾驶室受到撞击，转向传动系统将撞击的位移与撞击力传导给方向盘，将直接影响驾驶室的安全。为此，国家标准《防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定》（GB 11557—2011）要求：不装人体模块的整备车辆以48.3～53.1 km·h-1的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，但其窜动量不得大于127 mm（在动态下测量）；人体模块以24.1 km·h-1的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11 123 N[3]。为充分保证驾乘人员的安全，转向传动系统的设计、制造均必须按此规定严格执行。

从以上两个方面看，在整个转向系统的正逆向传动中，通过完整的机械连接系统实现。整个传动系统转向力的传递路径长，零件众多，设计、制造、调试复杂烦琐。商用车转向系统的功能见图1。

4 商用车转向系统优化设计

依据TRIZ，通过对商用车转向系统现状的分析与功能分析，对商用车转向系统进行优化设计。基本思路是确立系统的目标，按照功能链图确定驱动与执行机构；运用系统裁剪工具，实施作用功能的嫁接与转移，保留原有系统有用的组件与功能，去除不利的组件与作用特性，达到系统理想的解[4]。

转向系统的目标是转向轮的转向控制。驾驶员对车辆方向的控制是通过方向盘的操纵实现，其方向盘就是转向系统的驱动源；车辆的转向是转向轮变动方向的结果，其转向轮就是系统的目标执行机构。在转向系统功能链图中，执行与驱动之间的组件是实施裁剪优化的组件。转向调节机构既是方向盘的传动直接作用对象与载体，也是方向盘位置调节的实现者，又是搭载转向灯操控、点火锁、灯光操控、传感器以及防护罩必备组件的载体，是直接保留的组件；从转向传动轴、转向器、转向垂壁、直拉杆到横拉杆等部件裁剪掉；从转向传动轴到横拉杆的功能采用线控技术控制伺服电动缸来替代。在车辆的控制系统中增加转向电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）的模块，将传感器（角度与力矩）信号作为ECU的输入。ECU依据转向算法控制两个伺服电动缸，从而分别驱动转向节与轮胎的转向运动。在转向传动系统中，由全机械传动链改为机械与线控系统加伺服电动缸的方式执行。纯粹的机械传动链脱离，将原传动系统中逆向的路面激励造成的冲击、抖动、异响以及噪声等缺陷完全阻断。特别是当车辆发生撞击时，原传动链的逆向传导撞击彻底阻断，可有效保证驾乘人员的安全。

新转向传动系统将原有的驾驶员对路面的感知传动链同步阻断，因此需要在转向调节机构上增加阻力器。其路感的控制需要依据转向的角度传感器与伺服电动缸的反馈，经过ECU算法控制阻力来实现[5]。

优化后的转向传动系统如图2所示。优化后的转向传动系统没有直接传递力矩，将转向变得轻便。布局设计使得整个转向的路径简短，转向系统结构简单。系统保证转向功能，保有路面感知优点，阻断了路面激励引起的振动、抖动、噪声等缺陷。减少车辆碰撞时，方向盘撞击驾乘人员的可能性，达到了商用车转向系统优化设计最理想解。

5 结语

新能源汽车的结构变化对传统的商用车也是一次技术的革新，对于商用车转向系统全机械链式的传导与液压模式的助力均提出了结构性的挑战。随着现代传感器与电控技术可靠性的提升与普及的运用，依据TRIZ，运用机械、传感器与电控技术相结合对商用车转向系统的优化设计，实现了理想的满意度。今后无人驾驶的转向系统可以充分借鉴与采用本文提出的新技术。