史 进 华
（荆州恒隆汽车零部件制造有限公司 湖北 荆州 ４３４０００）
摘 要：应用ＴＲＩＺ理论的解题模式和工具，分析齿轮齿条式机械转向器的噪音异响产生的有害作用因素，定义技术矛盾，并将其用３９个技术参数进行描述，通过矛盾矩阵查询发明创新原理。再结合创新原理的启示，形成新的技术改进方案。最终得到最好的解决机械转向器噪音改进衬套方案。
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关键词 ：ＴＲＩＺ；齿轮齿条机械转向器；衬套改进
中图分类号：DG61 文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．04．０47
0 引言
汽车在正常行驶中，为保证汽车平稳行驶，适应复杂多变的路况，汽车转向轮之间有一套机构来完成汽车行驶轨迹，这套完成汽车灵活改变行驶方向的机构称为汽车的转向系统，它通过刚性或柔性方式连接到汽车驾驶室的方向盘，直接由驾驶员控制。在国内，商用车、大巴车、工程车辆多采用的循环球式液压助力转向器。轻型客车、商务车、轿车、微车多采用齿轮齿条助力转向器。齿轮齿条助力转向器根据助力型式又有较详细的分类，如纯液压助力的ＨＰＳ、液压助力带电控元件的Ｅ－ＨＰＳ、纯电动管柱式助力的Ｃ－ＥＰＳ、纯电动齿轮式助力的Ｐ－ＥＰＳ、纯电动齿条式助力的Ｒ－ＥＰＳ、以及纯手动无助力的机械转向器ＭＳ等。以上转向器系统均是以齿轮齿条机械传动为原型，在此基础上增加不同助力型式，改变其助力结构的不同品种的转向系统。机械转向器本身工作原理简单、结构简单。转向器工作时，齿条是需要相对于转向器主体外壳进行轴向往复运动，以此推动车轮进行转向。
在当今以人为本的社会中，提供舒适的驾驶感受已经是汽车设计的基本要素。因此，对于汽车转向器的噪音性能的要求也是随之不断提高。为此，应用先进的创新设计方法－ＴＲＩＺ理论，针对齿轮齿条式机械转向器衬套噪音问题，进行深入剖析，以寻求解决衬套噪音的抑制解决方案为目的，对改进噪音的衬套进行创新设计。
1 ＴＲＩＺ理论
1.1 IRIZ理论
ＴＲＩＺ理论是由前苏联发明家阿奇舒勒（Ｇ． Ｓ． Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ）在１９４６年创立的， Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ也被尊称为ＴＲＩＺ之父。１９４６年，Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ开始了发明问题解决理论的研究工作。当时Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ在前苏联里海海军的专利局工作，在处理世界各国著名的发明专利过程中， Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可循的。如果这些规律被人们掌握，就能主动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。以后数十年中，Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ从近２５０万份高质量专利中加以研究、归纳、总结，建立起一整套体系化、实用的解决发明问题的理论方法体系。其８大技术系统进化法则，４０个发明原理、３９个技术参数、７６个标准解是ＴＲＩＺ中不可缺少的最重要的组成部分。Ａｌｔｓｈｕｌｌｅｒ穷其毕生的精力致力于ＴＲＩＺ理论的研究和完善，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立一个由解决技术，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起ＴＲＩＺ理论体系。
1．２ ＴＲＩＺ核心思想
ＴＲＩＺ理论的核心思想包括三个方面：
第一，无论是一个简单的产品还是复杂的技术系统，其核心技术都是遵循客观规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式；
第二，各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力；
第三，技术系统发展的理想状态是用最少的资源实现最大数目的功能。
1．３ ＴＩＲＺ解题模式（见图1）
1．４ 形成方案
阿奇舒勒将３９个通用工程参数与４０条发明原理有机地联系起来，建立起对应关系，整理成３９*３９的矛盾矩阵表。矛盾矩阵表是阿奇舒勒对２５０万份专利进行研究后所取得的精炼提取成果索引，矩阵的构成非常紧密，而且自成体系。使用者可以根据系统中产生矛盾的２个通用工程参数，从矩阵表中直接查找出化解矛盾的发明原理，并以此使用这些原理启发人们来找到解决问题所形成方案。
2 基于ＴＲＩＺ的衬套优化设计
2．１ 问题描述
对于汽车机械转向器而言，噪音的产生，是来自本身运动零件之间约束的间隙不合理，而造成的零件异常磨损、松旷、干摩擦，通常出现上述情况后，转向器在工作过程中会伴随有声音产生，这种异常的声音，被称为转向系统机械噪音。噪音直接影响汽车驾驶者的操作舒适性。
待解决问题：解决机械转向器的噪音问题。
2．２ 问题分析
在机械转向器使用过程中最容易产生的机械噪音的位置是支撑齿条运动和齿形啮合传动的三个位置。其中，衬套零件是支撑齿条轴向运动的零件，它的功能是提供齿条轴向运动支撑（见图2）。
功能上衬套既要具有足够支撑强度，也要求耐磨性和自润滑性较好，同时也要考虑轻量化和成本需求。强度要求是为了更好地适应汽车在行驶过程中的复杂路况；耐磨和自润滑性要求是为了提高衬套零件在与齿条的配合支撑过程中的磨损量小，提升零件使用寿命，控制间隙的产生，间接约束产品噪音产生；轻量化要求是为了让转向器更具有节能环保效益。
目前常用到的衬套材料多以聚甲醛、尼龙等塑性材料为主，也有金属基体复合材料，但在产品中使用的相对较少。从目前老式的衬套设计来看，很难抑制产品在使用过程中的噪音产生。因为衬套在使用过程中，内孔始终与金属齿条保持有相对运动，在产品使用一段时间后，衬套内孔容易被金属齿条磨损，因衬套内孔为定尺寸孔，衬套与齿条的配合间隙在设计时就被确定。而被磨损后，衬套与齿条的约束间隙会逐渐增大，最终导致转向器在使用过程中衬套部位噪音产生。
2．３ 问题转化
根据以上问题描述和分析，将衬套及相关的零件建立单独的技术系统，利用ＴＲＩＺ工具九屏幕分析法，它帮助我们从多角度去分析噪音问题和系统资源分析，进行超常规思考，克服惯性思维弊端，多方面的寻找可以利用的系统资源。利用系统组件分析、功能分析、三轴分析等工具查找到产衬套位置噪音问题的根本原因—齿条与衬套之间的配合间隙。
因衬套内孔与齿条直径为定尺寸孔和孔，衬套与齿条的配合间隙是在设计和生产中被保证的，通过ＴＲＩＺ工具的应用，可得到噪音问题产生的主要原因可能有以下几点：
（1）齿条与衬套之间润滑不充分导致衬套内孔过渡磨损，直接造成配合间隙变大导致噪音产生。
（2）受外部温度影响导致衬套材料特性发生变化，间接造成配合间隙变大导致噪音产生。
根据以上可能原因，将其转化成待解决的问题点：如何保证润滑性？如何保证衬套材料对温度的稳定性？针对两个问题在保持成本变化不大的基础上实际上不难解决。可以在衬套壁设计一个或多个凹坑，使得衬套具有储油功能。在转向器使用的过程中，润滑脂逐渐的被释放到齿条衬套之间，起到延长润滑时间的目的。设计衬套位置时，尽可能的远离热源，或者在衬套与热源之间加设一个隔热装置，阻碍热源迅速传递。
其实以上所形成的方案并没有从根本上解决噪音问题。在衬套技术系统中，噪音产生的根本因素是衬套与齿条之间的间隙。两个相对运动物体所产生的相对磨损是自然规律，无法避免。根据ＴＲＩＺ ＩＦＲ最终理想解进行分析，衬套系统如果让系统自动补偿消除系统在使用过程中所产生的间隙，这样即使衬套和齿条右磨损存在，衬套与齿条之间就永远不会产生噪音，这是衬套系统的最终理想结果。
因此，又得到这样一个待解决的问题：如何让系统自动补偿衬套磨损间隙？
通过对系统的资源挖掘，得到能够进行利用的资源有：衬套、壳体、齿条、挡圈、润滑脂、齿条轴向运动时所产生的力场等。
2．４ 矛盾定义
根据ＩＦＲ中得到的理想解思路，假设如果要让系统进行高程度的自服务，主动的消除转向器在使用过程中衬套因磨损所产生的间隙，那么噪声就能得到有效抑制。但是系统组件可能要变复杂，成本上升，总成装配和零件加工性可能变差。根据３９个技术参数，我们可以得到改善系统自动间隙补偿功能的技术矛盾应该定义为：①改善的参数：自动化程度。②恶化的参数：操作流程的方便性。
2．５ 创新原理查询
根据矛盾定义，查询矛盾矩阵得到分割原理等势原理、抛弃或再生原理以及局部质量原理。
2．６ 方案形成
根据以上推荐的创新原理，笔者发现３局部质量原理能够得到利用，可以通过改变衬套的形状使得衬套在保持原有支撑强度的前提下具有收缩特性，但是，如果衬套只是仅仅具有收缩特性，不足以完成衬套的自动间隙补偿功能。需要引入新的组件完成衬套的主动收紧动作，通过矛盾矩阵中的自服务原理，得到将衬套外圆原有的直线柱面改变成锥面，通过弹簧所产生的预紧力将衬套在锥孔中发生位移，使得锥面压缩改变衬套内控直径，达到消除衬套与齿条配合间隙的目的。又因为锥形衬套所支撑的齿条，在功能展现上需要进行左右往复运动，当齿条向着锥形大端运动时，受摩擦阻力的影响，衬套有可能被一起带出锥套外壁， 产生支撑间隙。如此， 锥形衬套的支撑存在一个单有效支撑的有害因素， 根据矛盾分析，引用创新原理中的复制原理解决此问题。将锥形衬套堆成镜像布置，不管齿条的运动动作是向左移动还是向右移动， 始终都有一个衬套能够有效地支撑齿条进行轴向运动（见图３）。
3 结语
本文简述了ＴＲＩＺ理论的基本体系及它所建立的核心思想。ＴＲＩＺ不是一个简单的工具，而是一套较为详细的理论。运用ＴＲＩＺ理论，能快速的帮助企业或个人解决身边工程类难题，可大大加快人们创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品。ＴＲＩＺ起源于工程类专利，但它所涵盖的应用面不绝仅限于工程。随着ＴＲＩＺ的发展，它不断的被人们应用到管理、医疗、商业、营销等不同领域，具有广阔的应用前景，它在世界上被越来越来的企业或个人所熟知。它是人类智慧的结晶，是整个人类的一笔巨大财富。
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（责任编辑 亢婷婷）