现代设计方法大作业

机电工程学院现代设计方法大作业基于汽车噪声的 TRIZ 分析学号：S4专业：机械工程学生姓名：*任课教师：* 教授2015年 1 月基于汽车噪声的TRIZ分析一对技术系统进行初步分析1 .选择系统。我所选择的系统是汽车。2 .系统的三维图，如图1所示。图1汽车的三维图汽车工作原理：汽车的行驶主要靠发动机来带动，以四冲程汽油机为例，四 冲程汽油机是将空气与汽油或柴油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞 顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四 冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。图2四冲程汽油机工作循环图（ 1）进气行程化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合， 然后再吸入气缸。进气行程中，进气门打开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移动， 活塞上方的气缸容积增大， 从而气缸内的压力降低到大气压力以下， 即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。（ 2）压缩行程为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧， 以产生较大的压力， 从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程称为压缩行程。（ 3）作功行程在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花， 点燃被压缩的可燃混合气。 可燃混合气被燃烧后， 放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约为3-5Mpa,相应的温度则为2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动， 通过连杆使曲轴旋转并输出机械能， 除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。（ 4）排气行程可燃混合气燃烧后生成的废气， 必须从气缸中排除， 以便进行下一个进气行程。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。汽车的执行机构：轮胎。作用对象：路面。3 . 汽车系统的黑箱图。汽车的黑箱图如图 3 所示。天声r汽车町魅温食气转向灯.j椁 表,近光运光 灯等仪表灯路面潮日成凹四不T图3汽车系统黑箱图4 .确定系统主要有益功能和其它功能。汽车主要有益功能：载运客、货物和牵引客、货挂车。汽车其他功能如下：(1)作业型专用汽车：是指在汽车上安装各种特殊设备进行特定作业的汽 车。包括救护车、消防车、环卫车、电视广播车、机场作业车、市政建设工程作 业车及矿山、机场、工地等专用汽车(2)运输型专用汽车：是指车身经过改装，用来运输专门货物的汽车。包 括垃圾运输车、冷藏车厢货车、运输沙土的自卸汽车、混凝土运输车、罐车等。(3)特殊用途汽车：是指竞赛汽车和娱乐汽车：房车、高尔夫球场专用车、 海滩游乐汽车等。5 .系统的结构模型、组件模型和功能模型。汽车的结构模型如表1所示，图中+为有益状态。表1汽车的结构模型电动机底盘轮胎操纵装置传动轴转向机制动器排气装置电气设备车身电动机+底盘+轮胎+操纵装置+传动轴+转向机+制动器+排气装置+电气设备+车身+汽车的组件模型如表2所示表2汽车组件模型系统名称汽车主要功能运输人或物超系统级别系统级别子系统级别子子系统级别（组件）手汽车车身车门车窗底盘电动机轮胎脚排气管传动系统传动轴制动器方向盘路面转向机电气设备耗电设备电源设备仪表盘系统的功能模型如图4所示。图4汽车的功能模型图6.系统的九屏图。汽车系统的九屏图如图5所示人机交互自动拄制汽T图5汽车系统九屏图7. 说明系统是如何符合工业设计准则和可持续发展观的。可持续发展作为一种新的发展思想和发展战略， 其显著特点是将增长、 发展与资源、 环境的对立观变为和谐观， 它的目标是保证社会具有长时期持续发展的能力。进入 21 世纪后，中国汽车工业面临着越来越严峻的能源、资源、环境约束。因此，全球汽车工业的社会资源环境可持续发展问题已经迫在眉睫。（ 1）通过开发清洁能源、新能源汽车节约能源，改变汽车能源结构。由单一能源体系转向多元化能源体系。为节约能源，保证能源安全，降低能源使用成本， 保护环境， 中国汽车工业要把逐步推动能源多元化， 形成适应能源多元化的生产体制、产品结构作为重要战略任务。（ 2）通过开发新材料，加速产品轻量化，提高燃油效率，改善和减少能源、环境方面的约束。（ 3）通过研究与开发材料应用的综合技术，促进汽车用原材料回收利用。随着中国汽车保有量的迅速增加， 汽车更新换代加速， 报废汽车可能对环境造成污染。 因此， 必须通过研究与开发材料应用的综合技术， 形成汽车制造与使用的资源循环利用链条，逐步推进汽车的清洁制造与清洁使用。（ 4）加速淘汰落后产品、落后装备与落后工艺。中国汽车工业中， 落后生产装备、 落后工艺的应用还比较普遍， 要通过政府政策加速这些陈旧装备、 落后工艺的淘汰， 从而在生产过程中减少能源、 资源消耗， 减少污染。 提高强制性技术标准， 淘汰生产工艺落后、 产品水平低、 能耗大、污染环境的汽车生产厂。 通过严格执行产品技术标准和有关环境保护法规， 加速汽车厂的兼并、重组，从源头上减少能源、原材料的浪费，减少环境污染，使低水平、高污染、高能耗的汽车加速退出市场。（ 5）汽车工业从区域布局到生产装备、工艺的采用，都要从清洁生产、循环经济的角度予以考虑。汽车工业在生产过程中，要注意环境保护，减少废水、废汽、废渣的排放；汽车厂的建设要与周围环境相协调，高效利用土地资源。8. 用关键路径分析法给出该系统管理的网络图。汽车系统的关键路径图如图6所示。图6汽车系统的关键路径图图中各个序号表示的含义如下：1点火开关，2蓄电池，3控制计算机，4 燃油泵，5电动机，6引擎曲轴，7变速箱，8传动轴，9车轮，10制动器，11 空调、音乐、导航等电气设备。二按照技术系统进化法则分析系统的进化。1.使用提高理想度法则（运用资源）和S曲线进化法则。选择法则的一个工作原 理和生命周期的一个阶段，对系统在该阶段的特性进行分析。1）提高理想度法则随着中国汽车市场的高速发展，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高。 生 产安静、舒适的汽车产品，是汽车制造商不断追求的目标，噪声、振动、舒适性， 是衡量汽车质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。据研究显示，整车约有1/3的故障和车辆的噪声、振动、舒适性有关，减小汽车 振动与噪声是十分有必要的。我认为的理想的技术系统是：汽车在行驶过程中，汽车系统本身可以消除产 生的噪声和振动，人体舒适度达到最大。根据问题产生的来源可以分为发动机， 车身和底盘三个部分，进一步可细分 为空气动力、空调系统、道路行驶、制动系统等。因此提高理想度可以从以下 4 个方向予以考虑。（1）对动力装置进行改进，以来减小汽车系统的振动。即对汽油机、柴油 机等能量转换装置进行改进。(2)对传输装置进行改进，如改进传动轴的结构，使不平衡质量得以平衡, 减小其离心惯性力，达到动平衡。(3)对执行装置进行改进，汽车系统的执行装置主要是轮胎，可以对轮胎 各个参数进行改良，使其因摩擦所产生的噪声大大减小。(4)对控制装置进行改进。汽车的1控制装置有制动装置、驻车装置、转 向系统装置、减震装置、消声装置、清洗装置、电气设备等等，对这些部件进行 改进可以在一定程度上减少振动的产生和传播。2) S曲线进化法则。系统S曲线进化法则如图7所示。*I图7系统S曲线进化法则它描述了技术系统的完整生命周期，描述了技术系统一般发展规律；帮助创 造者确定系统的发展阶段，指导产品或技术设计和研发的方向；指导创造者在产 品的各个阶段决策制定；引导人们在各个领域预见并解决新的任务。S-曲线对应的专利数量、发明级别和利润曲线如图8所示。从图中我们可以 看出，婴儿期和成长期时，汽车专利数量及利润较少，发明级别较高，人们对产 品多处于探索阶段，性能参数不断提高，随之进入成熟期，达到发展的顶峰，进 入衰退期后，专利数量已经饱和，利润也不断下降。所以当产品处于婴儿期或成 长期时，我们应对产品的性能参数进行探索和改进， 发表专利，以抢占市场先机； 产品已处于成熟期或退出期时，创新格外重要，对系统部位的改动多为微小的改 进，应探索用新技术新发明代替原有旧的产品， 或者进行行业的转型，转到其它 新兴行业中发展。现阶段汽车已经处于成熟期，不论是外型、舒适度、耗油量，还是性能参数、 安全性等指标均达到较高的水平，现今所进行的大部分工作只是对系统进行局部 改进和完善。如对车身结构轻量化的设计，车身材料的更替，以及本次讨论的汽 车振动、噪声的减小和改进等等。图8 S-曲线对应的专利数量、发明级别和利润曲线2 .根据工作原理选择在哪个方向优化或允许改善技术系统。1）技术系统的所有部件。汽车的系统的部件包括发动机及其配件 （点火装置、火花塞等）、传动装置、 冷却装置、底盘、车灯、行驶装置（轮胎等）、制动装置、驻车装置、车身、转 向系统装置、减震装置、防尘装置、消声装置、清洗装置、过滤装置、电气设备（仪表盘、车载空调、影音等）、维修配件、防盗装置、安全装置等。2）完成主要功能的部件。主要由发动机及其配件、底盘、传动装置、行驶装置、车身来完成主要功能。3）完成辅助功能的部件。主要有冷却装置、车灯、制动装置、驻车装置、转向系统装置、减震装置、防尘装置、消声装置、清洗装置、过滤装置、电气设备（仪表盘、车载空调、影音等）、维修配件、防盗装置、安全装置等。4）分析造成系统不足的相关部件。发动机及其配件和行驶装置中的轮胎有所不足，难以消除振动及噪声。5）分析主要完成功能的部件。发动机是汽车的动力源， 其作用是将燃料燃烧产生的化学能转变成带动系统运动的机械能。而底盘则起到支撑的作用，可以支撑诸如传动装置、制动装置、发动机、 车身等重要部件。 电动机产生的动力经由传动装置传递到行驶装置， 使汽车启动、停车。6）采用矛盾的形式描述问题（物理矛盾）。发动机的功率应该加大，以能满足足够高的速度。发动机的功率应该减小，以能减小高速运转所带来的振动。轮胎与地面的摩擦应该加大，以能保证汽车在潮湿路面行驶的安全性。轮胎与地面的摩擦应该减小，以能减小轮胎与地面的摩擦所产生的噪声。7）对技术系统提出以后的发展方向。汽车产生噪声的声源有多种，如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、轮胎、车厢、 喇叭等， 这些噪声有的是被动产生的有的是主动产生的， 但主要来源只有发动机和轮胎。 对发动机进行改良， 从根源处解决振动问题。 调整轮胎形状花纹，以达到最佳。采用较好的隔音装置。3 . 运用提高动态性法则和向微观级进化法则。1）对整个技术系统进行分析。动态性进化法则是从构成系统的元件材质和功能完备性两个方面来进行技术系统的改进和完善。 向微观级进化法则揭示的是技术系统或者其子系统一般是朝着尺寸减小方向进化的。 可以对汽车系统的车身或者部分零部件的材料进行改进，或者减小其尺寸大小，进行车身轻量化的设计。2）确定系统需要改善的部位或者零部件。轮胎、车身、传动装置（传送带、曲轴、离合器等） 、连接件3）找出系统中应该改善的动态参数。强度、摩擦系数、数目、尺寸（长度、宽度）4）问题以矛盾形式表示出来，表述的矛盾应该考虑到法则的工作原理。零部件采用低密度材料替换高密度材料，以能减轻重量，使车身轻量化。零部件采用高密度材料替换低密度材料，以能满足强度和刚度要求。减小系统连接件的数目，减小零件的厚度，以减小系统的振动及其传递。增加系统连接件的数目，增加零件的厚度，以增加系统的安全性能。5）选择的工作原理应该考虑到上一步分析的结果。采用局部质量法， 对受力薄弱的地方加大其质量或者改变其材料， 以满足其强度和刚度的要求。 利用复合材料原理， 既能减小连接件的厚度和数目， 也能增加性能。利用机械振动原理，避开零部件的共振频率区间，减小零部件的振动。6）对改善技术系统提出以后希望的发展方向。首先， 从噪声的源头上想办法， 对发动机、 悬置及车架等车身结构进行结构调整和优化，才能从根本上解决问题。其次， 优化车身的空间拓扑结构形式， 使各种工作载荷产生的碰撞冲击能有效地减小乃至消除，进行车身轻量化的设计。最后， 可以对汽车系统中的一些系统及零部件进行改进。 系统的各个零部件改进的相加可以得到一个可观的结果。如对传动轴、传动带、发动机、轮胎、差速器等等。三 系统的矛盾及解决原理的运用1. 详细分析系统需要改善的部位或者零部件的参数，列出原因。（ 1）部位：轮胎。改善原因：轮胎在路面上滚动产生的噪声也是很大的，尤其是在干燥的路面上，因此有必要对轮胎进行改进。（ 2）部位：零部件材料、尺寸。改善原因：零部件尺寸的大了，载重增加，汽车运动时容易有冲击振动现象。材料的种类性能也与振动有着密切关系。（ 3）部位：发动机及其配件，车身。改善原因：有些汽车行驶时车厢噪声大， 发动机造成的噪声占很大一部分， 这个噪声问题就可能涉及三个部分： 一个是发动机本身的噪声大， 一个是发动机悬置部件减震效果差， 一个是车厢前围和地板的隔音效果不好。因此应该对这些部位进行改进。2 .列出运行的技术系统的不足之处和有益之处。汽车运行中的不足之处就是有时产生的噪声较大， 有益之处是越来越多的新 技术在汽车领域得以应用，使得汽车的各种性能不断地得到提升，改善系统振动 特性的途径也越来越多。3 .分析对系统进行改善时，系统存在问题的根本原因。汽车的噪声声源有多种，但是主要来源只有两个方面：一个是发动机，另一 个是轮胎，它们都是被动发生的，只要车辆行驶就会产生噪声。在发动机的各种 噪声中，发动机表面的辐射噪声是最主要的， 发动机表面辐射噪声由燃烧噪声和 机械噪声两大类组成，是发动机内部燃烧及机械振动所产生的噪声， 两者密切相 关，相互影响。而轮胎噪声来自泵气效应和轮胎振动， 泵气效应是轮胎高速运动 时引起轮胎变形，使得轮胎表面花纹与地面空气受挤， 随着轮胎振动，空气不断 挤压与释放，就会迸发出噪声。4 .对改善技术系统提出问题，增加有效功能的问题，缩减有害功能的问题。怎样既能提高发动机的动力，又能减小发动机的振动噪声怎样使轮胎与地面有一定的摩擦，又能减小摩擦所产生的噪声5 .根据技术矛盾索引表，列出所有涉及到的创新原理。通过对问题进行分析，技术矛盾表述如下：(1)如果轮胎的摩擦减小，那么轮胎的形状应该改变，但是轮胎的稳定性 可能变差。(2)如果发动机的噪声减小，那么发动机部件的材料、燃料等物质的量应 该改变，但是其功率会发生变化。根据上述技术矛盾，得到系统矛盾矩阵表，如表 3所示。表3系统矛盾矩阵表将要变差的特性13对象的21功率善 的需 改12形状33, 1一26物质的一35从表中可以看出，涉及到的创新原理有 1.分割原理；4.不对称原理；18.机械振动原理;33.同质性原理；35.状态和属性参数变化原理。6 .对涉及到的创新原理进行分析，确定最终解决矛盾的原理方案；配有简图说明各创新方法及其相应解决技术冲突的原理及措施如表4所示。表4解决技术冲突原理的具体描述及措施序号创新原理解决技术冲突原理的具体描述解决措施A.将物体分割成相互独立的部分；通过提高物体的分割程度分散程度，轮胎内1分割原理B.将一个物体分成可组合的几部分；C.提高物体的分割程度和分散程度。部不同层面采用多种材料，内部材料介质分布均匀连续，轮胎内部刚度就得以均匀， 运转时振动减小。如图 9所示。A.将对称物体变为不对称；轮胎胎面可以采用多种花纹节距，如图104不对称原理B.已经是不对称的物体，增强其不对称的程度。所示。轮胎的左侧和右侧表面具有不同形状、不同节距的花纹，花纹间音频排列组合，可以有效地降低噪音。而且胎面与地面接触 面积大，抓地力较大，运动稳定。18机械振动原理A.使物体处于振动状态 B.已振动物体，提高其振动频率C.利用共振现象D.用压电振动替代机械振动E.超声波振动和电磁场耦利用机械共振的原理，在设计汽车连接轮胎的零部件时避开导致共振的固有频率，达到一个最优解。用压电振动代替机械振动。表4解决技术冲突原理的具体描述及措施33同质性原理把主要物体及与其相互作用的其它物体用同一材料或特性相近的材料制成。可以改变轮胎材料，使连接轮胎的零部件与 轮胎材料性质近似。以减小振动在不同部件 间的传递。A.(特性改变)性质转变：可调式、浓缩式、(1)可以对发动机、悬置及车架等进行结名片型、超大型、迷你型构调整和优化，以改变发动机的结构刚度和B.改变物理物理、化学状态(固态、液态、阻尼，减小振动。气态)(2)可以改变发动机使用的燃料，研究新状态和属C.改变浓度或密度型能源，如采用电能、太阳能、核能等新能35性参数变D.改变弹性(伸缩性、弯曲性、可挠度)的程源，以减小气缸内的燃烧噪声，如图 11。化原理度(3)调整活塞、齿轮、配气机构等运动件E.改变温度的型号大小、长度体积等属性参数，以减小F.改变压力零部件之间机械撞击产生的振动噪声。G.改变长度、体积H.改变其他属性参数图9轮胎内部材料分布和射林性我坟内M外恻图10轮胎及其表面花纹图11新能源电动汽车7 .描述排除矛盾后的技术系统。通过对发动机及其配件的尺寸改进，和其燃料的变换，大大减小了发动机在 运转过程中所产生的表面辐射噪声， 提高了发动机的结构刚度和阻尼。对轮胎的 改进调整好了轮胎与连接轴的负载平衡， 达到了动平衡。对轮胎表面的花纹改进 则增加了轮胎的阻尼，既能增加轮胎与地面接触时产生的摩擦，提升了抓地力； 又可以通过轮胎表面的非对称不等节距花纹来减小噪声的产生及传递，两全其 美。四物一场分析的运用。本文选择汽车轮胎与地面的接触来进行物一场分析。轮胎与地面分别是相互 作用的两个物体，它们之间的作用物场是机械场，这个机械场对轮胎产生有害作10所图10轮胎与地面接触的物一场模型用，产生了噪声，通过添加第三种物质减轻有害场作用。物一场模型如图 示。其中，F表示机械场；S1表示地面；S2表示汽车；S3表示改变轮胎材料， 改变表面花纹，均匀轮胎内部介质分布，利用共振原理，改变发动机及其配件性 能参数，采用以风能，电能，核能等新能源为发动机能源的汽车。五总结汽车作为一种代步和运输工具已经发展了很长一段时间，不同品牌汽车的使用性能和安全性能之间的差别越来越小。相比之下，汽车的舒适性就常常成为区 分汽车品牌好坏的重要因素之一。 因此，汽车厂非常重视提高噪声振动性能， 并 把它作为汽车的亮点。噪声、振动、舒适性，是衡量汽车制造质量的一个综合性 问题。本文运用TRIZ理论对汽车振动特性进行了的分析和设计，通过对汽车的黑 箱模型、组件功能图、高理想度法则、物理矛盾和技术矛盾分析方法，还应用了 40条发明原理和物-场分析原理等方法的使用，熟悉了 TRIZ的基本设计步骤， 受益匪浅。