基于TRIZ的商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 勤

（四川綿陽德鑫機(jī)械有限公司，綿陽 621000）

1 TRIZ概述

發(fā)明問題解決理論（Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ）是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S. Altshuler）創(chuàng)立的。該理論是從250萬份專利中仔細(xì)研究、尋找規(guī)律、總結(jié)分析而得出，其本質(zhì)是“萃智”。該理論揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。該理論提示許多技術(shù)問題可以利用其他領(lǐng)域或相似問題的原理和方法得到解決，在解決發(fā)明問題時(shí)可以尋求TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)解。

2 商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀

商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是駕駛員實(shí)現(xiàn)方向控制的傳動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向功能的實(shí)現(xiàn)是通過駕駛員操縱方向盤，將力矩傳遞給轉(zhuǎn)向管柱，轉(zhuǎn)向管柱通過轉(zhuǎn)向傳動軸將轉(zhuǎn)向力輸送給轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器將轉(zhuǎn)向力放大并傳遞給轉(zhuǎn)向垂臂，轉(zhuǎn)向垂臂通過拉桿將轉(zhuǎn)向力傳遞給轉(zhuǎn)向節(jié)，轉(zhuǎn)向節(jié)帶動車輪轉(zhuǎn)向。為了方向盤的操縱輕便、舒適，一般轉(zhuǎn)向器上采用了助力。轉(zhuǎn)向器上的助力目前采用液壓助力為主，帶有儲油罐、管路等系統(tǒng)。在實(shí)際的車輛運(yùn)行中，經(jīng)常存在轉(zhuǎn)向器的液壓油路滲漏現(xiàn)象，極不環(huán)保；少部分的輕微卡也有在轉(zhuǎn)向管柱上采用電動助力。路面的激勵通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)路徑逆向傳遞給方向盤，使駕駛員在感知路面狀況的同時(shí)，感受到車輛的抖動、異響、噪聲。而且當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將碰撞力通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)給方向盤，方向盤的后移與沖擊力將直接給駕駛員帶來安全的隱患[1]。所以，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的吸能與潰縮、方向盤的抖動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響與噪聲是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、維護(hù)保養(yǎng)以及駕駛等諸多環(huán)節(jié)努力與關(guān)注的重點(diǎn)。

3 商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能分析

商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括方向盤、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向輪胎。在傳動系統(tǒng)中，各零部件組通過機(jī)械的連接方式，逐級將駕駛員的操作力傳遞給轉(zhuǎn)向輪，實(shí)施車輛的轉(zhuǎn)向意圖。方向盤搭載在轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上，為了滿足不同駕駛員在操縱方向盤時(shí)的舒適性需求，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)方向盤的位置。為了滿足轉(zhuǎn)向需求，傳動系統(tǒng)中還加載了許多相關(guān)的部件系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上搭載了轉(zhuǎn)向燈光控制的組合開關(guān)，車輛啟動的點(diǎn)火鎖裝置，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角度監(jiān)控的角度傳感器，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件的防護(hù)與裝飾用的附罩；在轉(zhuǎn)向傳動軸上加載有防止駕駛室外的灰塵、泥水等進(jìn)入的防塵膠囊；為了駕駛員操作方向盤的輕便，一般轉(zhuǎn)向器采用液壓助力，需要從發(fā)動機(jī)上搭載轉(zhuǎn)向油泵、油路管線、儲油罐以及轉(zhuǎn)向助力油等助力系統(tǒng)；為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向車輪的同步工作，在轉(zhuǎn)向垂臂的輸出端要同步連接橫拉桿，橫拉桿帶動另一側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)與輪胎，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)的轉(zhuǎn)向輪同步工作[2]。

從方向盤到轉(zhuǎn)向輪的連接傳動，在實(shí)現(xiàn)駕駛員對車輛轉(zhuǎn)向的同時(shí)，將路面的激勵通過轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)傳導(dǎo)給方向盤。駕駛員在感知路面情況時(shí)，會收到關(guān)于路面的振動、抖動以及駕駛室外噪聲等不良反饋。特別是在車輛發(fā)生意外情況時(shí)，駕駛室受到撞擊，轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)將撞擊的位移與撞擊力傳導(dǎo)給方向盤，將直接影響駕駛室的安全。為此，國家標(biāo)準(zhǔn)《防止汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對駕駛員傷害的規(guī)定》（GB 11557—2011）要求：不裝人體模塊的整備車輛以48.3～53.1 km·h-1的車速正面撞擊障礙壁時(shí)，轉(zhuǎn)向柱管和轉(zhuǎn)向軸的上端允許沿著平行于汽車縱向中心線的水平方向向后竄動，但其竄動量不得大于127 mm（在動態(tài)下測量）；人體模塊以24.1 km·h-1的速度水平撞擊轉(zhuǎn)向盤時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤上的水平力不得大于11 123 N[3]。為充分保證駕乘人員的安全，轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造均必須按此規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。

從以上兩個方面看，在整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的正逆向傳動中，通過完整的機(jī)械連接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。整個傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向力的傳遞路徑長，零件眾多，設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試復(fù)雜煩瑣。商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能見圖1。

4 商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)TRIZ，通過對商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析與功能分析，對商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基本思路是確立系統(tǒng)的目標(biāo)，按照功能鏈圖確定驅(qū)動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)；運(yùn)用系統(tǒng)裁剪工具，實(shí)施作用功能的嫁接與轉(zhuǎn)移，保留原有系統(tǒng)有用的組件與功能，去除不利的組件與作用特性，達(dá)到系統(tǒng)理想的解[4]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的目標(biāo)是轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向控制。駕駛員對車輛方向的控制是通過方向盤的操縱實(shí)現(xiàn)，其方向盤就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的驅(qū)動源；車輛的轉(zhuǎn)向是轉(zhuǎn)向輪變動方向的結(jié)果，其轉(zhuǎn)向輪就是系統(tǒng)的目標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功能鏈圖中，執(zhí)行與驅(qū)動之間的組件是實(shí)施裁剪優(yōu)化的組件。轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)既是方向盤的傳動直接作用對象與載體，也是方向盤位置調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)者，又是搭載轉(zhuǎn)向燈操控、點(diǎn)火鎖、燈光操控、傳感器以及防護(hù)罩必備組件的載體，是直接保留的組件；從轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向垂壁、直拉桿到橫拉桿等部件裁剪掉；從轉(zhuǎn)向傳動軸到橫拉桿的功能采用線控技術(shù)控制伺服電動缸來替代。在車輛的控制系統(tǒng)中增加轉(zhuǎn)向電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）的模塊，將傳感器（角度與力矩）信號作為ECU的輸入。ECU依據(jù)轉(zhuǎn)向算法控制兩個伺服電動缸，從而分別驅(qū)動轉(zhuǎn)向節(jié)與輪胎的轉(zhuǎn)向運(yùn)動。在轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)中，由全機(jī)械傳動鏈改為機(jī)械與線控系統(tǒng)加伺服電動缸的方式執(zhí)行。純粹的機(jī)械傳動鏈脫離，將原傳動系統(tǒng)中逆向的路面激勵造成的沖擊、抖動、異響以及噪聲等缺陷完全阻斷。特別是當(dāng)車輛發(fā)生撞擊時(shí)，原傳動鏈的逆向傳導(dǎo)撞擊徹底阻斷，可有效保證駕乘人員的安全。

新轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)將原有的駕駛員對路面的感知傳動鏈同步阻斷，因此需要在轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上增加阻力器。其路感的控制需要依據(jù)轉(zhuǎn)向的角度傳感器與伺服電動缸的反饋，經(jīng)過ECU算法控制阻力來實(shí)現(xiàn)[5]。

優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)如圖2所示。優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)沒有直接傳遞力矩，將轉(zhuǎn)向變得輕便。布局設(shè)計(jì)使得整個轉(zhuǎn)向的路徑簡短，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)保證轉(zhuǎn)向功能，保有路面感知優(yōu)點(diǎn)，阻斷了路面激勵引起的振動、抖動、噪聲等缺陷。減少車輛碰撞時(shí)，方向盤撞擊駕乘人員的可能性，達(dá)到了商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)最理想解。

5 結(jié)語

新能源汽車的結(jié)構(gòu)變化對傳統(tǒng)的商用車也是一次技術(shù)的革新，對于商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全機(jī)械鏈?zhǔn)降膫鲗?dǎo)與液壓模式的助力均提出了結(jié)構(gòu)性的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代傳感器與電控技術(shù)可靠性的提升與普及的運(yùn)用，依據(jù)TRIZ，運(yùn)用機(jī)械、傳感器與電控技術(shù)相結(jié)合對商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了理想的滿意度。今后無人駕駛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以充分借鑒與采用本文提出的新技術(shù)。