基于TRIZ沖突和物場模型的擋位選擇器信號識別模塊設計

趙志遠，韓嘉驊，徐 銳，張寧寧

(四川大學機械工程學院，四川 成都 610065)

國內市場上現有的擋位選擇器主要以德國采埃孚公司生產的ZF系列的產品為主，在裝載機、平地機、挖掘機等工程機械和各類小型轎車上均有著廣泛應用。其次捷斯曼(Gessmann)和國內的徐工在擋位選擇器的創新設計上也有著很深的造詣。[1]捷斯曼有限公司致力于工業控制手柄的研發和生產制造，研發的工業控制手柄采用靈活先進的模塊化設計，實現多種不同工況的多元化組合應用，經過70年的研發設計，積累了豐富的實踐經驗，積淀出諸多經久耐用、結構合理的工業手柄。其當前研發的手柄系列主要有起重卷揚控制手柄、電液控制技術手柄、腳踏開關系列、船用控制系列、控制手柄握把、聯動臺座椅系列和司機控制器，其中考慮到汽車行駛條件的不同，同時為了乘坐舒適性、良好動力性與經濟性[2]，捷斯曼制定了相應模式的換擋規律，其聯動臺座椅是根據人體工程學設計的。

一般來講，駕駛員根據自身的實際操作意圖通過電信號傳遞給ECU，然后再利用電信號傳遞給控制機構，控制機構發出指令，使得執行部件進行換擋操縱。可見擋位選擇器是整個環節中不可或缺的一部分，它的可靠性也直接影響了整個變速器的運作。電信號傳遞給控制機構的部分至關重要，其正常工作影響著整個操縱機構系統。為此，信號識別模塊的合理布置，參數的正確選擇以及散熱機構的合理設計顯得尤為重要。本文主要利用TRIZ沖突解決理論對其結構進行了改進，運用TRIZ解決沖突的流程提出了幾種不同的解決方案，最后利用ANSYS ICEPAK對不同的方案進行了驗證分析，得出最終結論，優化結果顯示PCB板的最高溫度為75.02 ℃，相關零部件的溫度均在合理溫度范圍內。

1 TRIZ沖突解決理論與物場分析原理

1.1 TRIZ沖突解決理論

TRIZ理論主要是將實際生產中的矛盾進行規范化分類處理，用通用工程參數來提煉和表達技術矛盾，將解決問題的發明原理采用矩陣的形式進行分類，不同的技術矛盾即可從矩陣中找到相應的解決方法[3]。

1.1.1 技術沖突

當系統存在著兩個參數之間相互制約的技術矛盾時，可運用矛盾矩陣予以解決。技術矛盾可應用40條創新原理中的部分予以解決[2]，矛盾矩陣表某行和某列對應相應的某些創新原理，提供了解決技術問題的最有可能的探索方向，在求解實際技術問題時，要選擇合適的創新原理解決相關技術矛盾。

1.1.2 物理沖突

當沖突中欲改善的參數與被惡化的正、反兩個工程參數是同一個參數時，這就屬于同一類沖突，TRIZ中稱為物理沖突，可運用分離原理予以解決。

實際上，解決物理沖突即將待解決的問題轉化為技術沖突，根據實際情況使用4種分離原理中的一種，然后運用如表1所示的分離原理和發明原理的對應關系，找出相應的發明原理予以解決。

1.2 TRIZ物場分析原理

作為TRIZ的基礎，G.S.Altshuller通過對功能的研究發現1個存在的功能必定有3個基本元件構成，即F-場，S1-物質1，S2-物質2[3]。其意義為：場F通過物質S2作用于物質S1并改變S1，物質-場分析模型如圖1所示，物質-場分析的基礎是用圖形表示待設計的系統[4]。

圖1 物場分析模型

基于TRIZ物場模型-沖突解決理論的改進設計流程主要包含以下幾個步驟：

1)分析檢測模塊存在的問題；

2)根據存在的問題定義設計需求；

3)建立檢測的物場模型；

4)求解，生成解決方案[5]。

2 擋位操縱機構的工作原理及存在的相關問題

2.1 擋位操縱機構的信號識別模塊的市場狀況

目前杭州前進齒輪箱集團公司進行多次研究并生產了SG-6/A等型號的換擋操縱機構產品。如圖2所示為SG-6/A的產品內部結構示意圖，SG-6/A是前六后三型的擋位選擇器。圖3為對應產品。

1—操作搖桿；2—轉動內芯；3—PCB電路板；4—外殼；5—感應器；6—銷

圖2 杭州前進齒輪箱集團公司產品SG-6/A結構示意圖

圖3 杭州前進齒輪箱集團公司產品SG-6/A

但與此同時該機構存在著很多缺陷與不足。如：此擋位選擇器由于電路板設計結構要求，集成了很多光電開關對擋位進行識別，使得整個結構體積偏大，安裝較復雜；此擋位選擇器沒有集成更多的電控按鈕開關，通用性能較差。

2.2 擋位信號識別功能模塊創新設計

現階段擋位選擇器的設計要求向著小型化、集成化的方向發展。目前市場上內部電路板結構多為一塊長方形電路板，為了縮小擋位選擇器的總體尺寸，同時又能使電路板正常工作，利用TRIZ沖突理論與物場模型分析方法來解決。

將上述沖突轉化為TRIZ的通用技術參數，改進的特性：形狀。惡化的特性：物質損失，適應性及多用性，裝置的復雜性。查詢TRIZ沖突矩陣表[2]，根據上述相關改善特性和惡化特性，得出表1(部分表格)，可得發明原理如表中著色位置。

表1 部分沖突矩陣表

其中： NO1，分割；NO3，局部質量；NO5，組合；NO15，動態化；NO16，未達到或者超過作用；NO28，機械系統的替代；NO29，氣壓與液壓結構；NO35，物理或化學參數改變。由于該擋位選擇器的卡位與擋位鎖定功能均集成在圓周內，空間狹小，若改變局部質量、動態化未達到或者超過作用，其并未改變整體空間尺寸，因此排除。對于原理N028、N029和N035，出于組合體的靈活、便捷性，不予考慮。因此，選擇NO1分割原理與NO5組合原理進行改進。方案如圖4所示：把方形的集成電路板分割成很多圓形PCB電路板，在每個PCB電路板上布置不同的元器件并加以組合。這樣不僅保留了擋位識別的功能，同時縮小了擋位選擇器的體積，使整個裝置安裝起來更加靈活方便。

1—手柄；2—定位針；3—操作桿；4—操作桿按鈕；5—彈簧；6—走線套筒；7—端蓋薄片；8—端蓋；9—塑料件左；10—外圈末端；11—內芯；12—主軸；13—塑料件右；14—編碼盤；15—金屬墊片；16—電路板；17—外圈初端；18—固定環

圖4 擋位選擇器內部元器件組合方式

但是當多個PCB小圓板集中在一個密閉的小空間時，集成電路板會產生高溫以及發生短路，因此繼續運用TRIZ沖突理論來解決：1)集成電路板安裝得越多，則溫度上升得越快，可靠性降低；2)集成電路板安裝得越少，則信息損失越多，系統的適用性及通用性降低。因此，找出4個通用參數，分別是溫度、信息損失、系統可靠性、系統的適應性及通用性。系統需要改進的特性：信息損失，系統的適應性及通用性。系統惡化的特性：溫度，可靠性。查詢沖突矩陣表[2]如表2所示，可得發明原理如表中著色位置。

表2 沖突矩陣表(節選)

其中：NO2，分離；NO3，局部質量；NO8，重量補償；NO10，預先作用；NO13，反向作用；NO23，反饋原理；NO24，借助中介物；NO27，廉價替代品；NO28，機械系統替代；NO35，物理或化學參數改變。

結合本問題，與上述分析相似，出于組合體的靈活、便捷性，不考慮運用原理NO28和N035，又因為空間有限，故排除原理NO2、NO3和NO8，而NO13、NO23和NO27對于解決問題無太大關系，因此，考慮用方案NO10(預先作用原理)和NO24(借助中介物原理)來解決最為合適。由于連接PCB小圓板的零件可為塑料件也可為金屬件，因此考慮到散熱問題，該結構采用兩種方案解決此問題：1)使用銅金屬連接件，連接件不僅可以把每個PCB板串接起來，同時還能與金屬外殼固定連接，此做法一是為了固定整個集成電路板的控制部分和光電編碼盤的識別部分，二是加快熱傳導；2)增加連接件的個數，加大散熱途徑。

3 方案關鍵參數的分析與計算

為進一步驗證方案的可行性，利用ICEPAK軟件對擋位識別部分的PCB電路板的工作溫度進行驗證分析，并通過實驗加以證明，從而保證方案的可行性，以下是方案驗證分析的具體操作以及優化設計。

3.1 問題描述

此擋位選擇器中的電路板含有8個功率放大器與1個穩壓芯片，如圖5所示。這些電子元件控制著換擋機構中的調壓閥，從而控制換擋離合器的壓力和流量，實現緩沖調壓。具體示意結構為：PCB板上放置一層0.05 mm厚的金箔。電子元件通過金箔、PCB板、金屬墊片，將熱量傳導到外圈初端，從而將熱量散發出去。其間，將外圈初端的兩側進行密閉，以求得最差情況下的熱仿真情況。具體模型散熱條件如下：

1)環境溫度設置為40 ℃，PCB板上有三極管PC817和穩壓芯片LM2575S-12，前者耗散功率為0.25 W，一共8個，后者耗散功率為12 W，持續發熱；

2)散熱方式為自然對流；

3)工作功率是否受溫度影響忽略不計。

根據以上的工況條件，分析并且不斷改進使得PCB板的最高溫度小于100 ℃。

圖5 PCB電路板實物圖

3.2 外圈末端數值模型

3.2.1 物理模型

以該外圈末端，即金屬外殼為研究對象，該外圈末端的主要尺寸為：外徑55 mm，總長81 mm。發熱元件，即三極管PC817的尺寸為：長6 mm，寬4 mm，高1.5 mm，共8個。穩壓芯片LM2575S-12的尺寸為：長10 mm，寬8 mm，高3 mm。外圈末端內部近乎密閉，空氣自然對流，熱量通過金箔、金屬墊片以及外圈末端的外部表面傳遞到外部空間[6]。

3.2.2 數學模型

外圈末端內的空氣流動滿足連續性方程以及動量方程，分別用式(1)和式(2)表示。

(1)

(2)

式中:t為時間；x為坐標分量；ρ為氣體密度；ui為速度矢量；P為流體微元上的壓力；τij為應力張量；ρgi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

雖然有多種湍流模型進行選擇，但一般以k-ε兩方程模型為主要模型。其中k-ε兩方程模型可以用式(3)和式(4)表示。

(3)

(4)

式中：k為湍動能；ε為湍動耗散率；μ為流體動力黏度；μt為湍動黏度；Gb為由浮力產生的湍流動能；Gk為由平均速度梯度產生的湍流動能；YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻；Sk和Sε為用戶定義的原項；C1ε、C2ε、C3ε為常數；σk和σε為k方程和ε方程的Prandtl數，可由試驗確定。

除此之外，外圈末端內還存在包括輻射在內的復雜熱交換，為此下列能量方程即可求解外圈末端內的溫度分布。

(5)

式中:E為流體能量；keff為有效熱傳導系數；hj′為組分j′顯焓；Jj′為組分j′擴散流量；Sh為源項，考慮輻射傳熱時Sh則包含了輻射源項，具體數值由所使用的輻射模型計算得到[7]。

3.3 初始條件及邊界條件設置

發熱元件功率放大器的簡化模型為小長方體，通過查閱資料，獲取了其尺寸、材料以及功率的大小，如表3所示。在選擇材料時，一般要選擇導熱系數較高的材料，比如鋁合金，價廉、質量輕、容易加工、應用比較廣泛[8-9]。除此之外，銅的導熱系數也很高，但是銅的硬度以及其他工程參數比鋁合金差一些。一般將銅片貼在PCB板上使用，這樣也可以起到很好的導熱效果。另外，查閱資料后取電子元件的工作效率為80%。當然各材料都有不同的傳熱特性參數，通過查閱資料，找出各材料的特性參數如表4所示。

表3 發熱元件特征參數

表4 各材料特性參數

其余針對氣流、材料、輻射、重力、環境溫度、求解域等具體設置如下。

1)氣流：湍流；2)材料：除了金箔片，其余材料均為鋁合金；3)考慮輻射、重力影響；4)環境溫度：40 ℃；5)求解域：370 mm×330 mm×260 mm(六面均為openning)；6)環境壓力：101 325 Pa；7)熱分析類型：穩態；8)迭代步數：200步[10]。

3.4 計算結果

通過ICEPAK自帶的FLUENT求解器一系列計算，得出當功率元件工作到第150個步長時，溫度監測點為91.46 ℃，且保持不變，溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 溫度檢測點變化曲線

圖7 PCB板溫度分布圖

圖7是PCB板在平衡時的溫度分布圖。模型整體溫度分布如圖8所示。除此之外，利用plane cut操作處理，得出PCB板的徑向切面的溫度流向分布，如圖9所示。由此可知，溫度較高的氣流集中在外圈初端上方，后期改善散熱時，可以針對外圈初端上方進行冷卻處理。另一目的是，避免在這一區域安裝重要元器件，以免影響整個裝置的可靠性。

圖8 模型整體溫度分布圖

圖9 PCB板的徑向切面溫度流向圖

3.5 設計改進

由上述結果顯示，PCB板的最高溫度可達到91.46 ℃。該溫度雖然滿足條件(低于100 ℃)，但是仍對PCB電路板的工作有很大的影響，因此利用第二節得出的解決方案：1)使用銅金屬(純銅)連接件，將每個PCB板串接起來，與金屬外殼固定連接，加快了熱傳導；2)增加連接件的個數，使其連接件的數量為2個，從而增加散熱途徑，再次進行求解計算，得出以下結果(見圖10和圖11)。圖10為擋位選擇器部分零部件工作溫度，均在合理溫度范圍以內。圖11為PCB板溫度分布圖。結果顯示，利用TRIZ得出方案的優化設計驗證表明PCB板的溫度可降低至75.02 ℃，效果顯著，說明方案設計合理。

圖10 擋位選擇器部分零部件工作溫度

圖11 改進后PCB板溫度分布圖

4 結論

1)為了減小大部分擋位選擇器的體積，同時又要保證能夠實現其功能，利用TRIZ理論將PCB電路板分割開來，并且重新布置不同的元器件，使整個裝置變得靈活。其次，針對由此帶來的電子散熱問題，根據沖突矩陣表，利用預先作用原理和借助中介物原理，將金屬墊片的材料改為導熱系數更大的純銅，并且增加了金屬墊片的數量，從而增加了散熱途徑，很大程度上解決了散熱問題。

2)通過ANSYS ICEPAK軟件，檢驗了改進的信號識別模塊的合理性，驗證了優化方案的準確性和可行性，避免了因結構創新設計帶來的散熱問題。

綜上，基于TRIZ的擋位操縱機構的產品設計方案是可行的，體積小、功能全、操作靈活便捷是該產品的最大特點，完善了市場的缺陷。