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摘要：采用ARIZ-85C理论，对汽车后排安全带卷收器脱落失效问题开展创新设计。依据ARIZ理论最小定义问题方法，锁定该问题的技术矛盾——乘员佩戴空间与卷收器受Y向载荷的矛盾。并通过矛盾矩阵及发明原理、标准解、时空分析、最终理想解及物场资源，围绕技术矛盾寻找创新设计方案，共计获得11种概念设计方案，经工程可行性评估，锁定两种可工程运用的设计方案。该研究表明，ARIZ-85C理在处理汽车实际工程问题时，面对复杂问题时有清晰的创新设计逻辑及可直接使用的创新工具，具备高效、全面、系统、有迹可循等特点，为汽车工程问题的创新设计开拓了思路，提供了方法。
关键词：ARIZ理论；汽车后排安全带；卷收器；创新设计
Innovative Design of the Car Rear Seat Belt Based on ARIZ-85C Theory
Guo Fei1，Huang Saijun2，Zhang Aimin1
(1.GAC Automotive Engineering Institute,Guangzhou 511434,China;2.Helicopter Detachment of the First Mobile Corps of the Armed Police,Jinzhong,Shanxi 030600,China)
Abstract:The ARIZ-85C theory was adopted to carry out an innovative design for the failure of the rear seat belt retractor.According to the minimum definition problem method of ARIZ theory,the technical contradiction of the problem-the contradiction between the occupant´s wearing space and the Y-direction load of the retractor was locked.Through the contradiction matrix and principle of invention,standard solution,space-time analysis,final ideal solution and object field resources,innovative design solutions were found around technical contradictions,and a total of 11 conceptual design solutions were obtained.After engineering feasibility assessment,two design schemes that could be used in engineering were locked.The research shows that ARIZ-85C has clear innovative design logic and directly usable innovative tools when dealing with complex problems when dealing with actual automotive engineering problems.It is efficient,comprehensive, systematic,and traceable.It opens up ideas and provides methods for the innovative design of automotive engineering problems.
Key words:ARIZ theory;car rear seat belt;retractor;innovative design
0引言
ARIZ(Algorithm for Inventive-Problem Solving)发明问题解决算法，是TRIZ理论中用于解决复杂创新问题的重要思维方法之一，并集成多个TRIZ工具，提供从问题识别，到方案制定与评价的一整套创新设计流程。经过多次改进和发展，ARIZ-85C版本应用最为普遍[1-4]。
ARIZ-85C版本共计9个关键步骤，如图1所示。其中步骤1、7、8、9是常规性步骤，其余步骤则根据该问题是否获得了解决方案循环推进。当进行到某一步骤获得问题解决方案即可跳出循环。其处理问题的关键在于聚焦最小问题，抓住主要矛盾，同时利用多个TRIZ理论工具，如发明原理、物场原理、技术矛盾、物理矛盾等，获得该问题的创新设计方案[5-8]。
汽车安全带是指汽车在发生碰撞时，对乘员进行约束，避免乘员伤亡的安全装置[9-10]。由卷收器、织带、锁舌、左侧安装点、插扣锁组成[11]。当车辆发生碰撞时，乘员因惯性对织带施加了很大的作用力，而织带则由卷收器、左侧安装点、插扣锁3点约束。由于乘员佩戴安全带时会给卷收器施加Y向作用力，当Y向作用力超过卷收器强度时，就会导致卷收器脱落，以至于安全带失效。
然而，应用ARIZ-85C在汽车安全带领域鲜有研究，对于安全带卷收器Y向脱落问题的创新设计未见报道。ARIZ-85C具有完整性、实用性、可操作性，能够对解决实际问题提供新思路[12]。本文运用ARIZ-85C(图1)对安全带卷收器脱落问题进行分析及创新设计。
1问题描述
1.1安全带存在的主要问题
人体佩戴安全带后，卷收器及插扣锁间的织带走向与卷收器X轴构成了一个角度θ，使得织带对卷收器产生了Y向分力，如图2所示。当车辆发生碰撞时，随着乘员对安全带冲击力逐渐增大，安全带对卷收器Y向分力也逐渐变大，当数值超过卷收器Y向额定载荷后，则会使得卷收器框架解体，内部零件结构损坏，最终安全带失效，影响乘员安全，如图3所示。
本文中主要问题是安全带在车辆碰撞事故中，因乘员佩戴空间产生θ角，导致卷收器失效。
1.2初步解决方案及缺点
初步解决思路：由受力分析可知，卷收器失效是由于织带产生了Y向作用力，因此改变织带的走向，使得织带对卷收器仅施加X向作用力，无Y向作用力。
该方案存在缺陷：织带对卷收器的作用力方向受到乘员佩戴空间的影响，如果减小织带对卷收器Y向作用力(减小θ值)，则乘员的乘坐空间会减小。
2基于ARIZ的问题分析和创新设计
2.1问题分析
2.1.1技术系统定义
技术系统名称为汽车后排安全带系统，其主要功能在于保护乘员。该系统主要组件有卷收器、织带、左侧安装点、锁舌、插扣锁。超系统组件包括卷收器安装支架、车身、乘员、座椅、车辆。
2.1.2定义最小问题
根据织带未佩戴及佩戴状态对比分析可知，因乘员佩戴空间需要，当锁舌插入插扣锁后，织带作用力方向与X轴形成了θ角，使得卷收器受Y向拉出力。因此最小问题是：对系统做最小改变，保证乘员佩戴空间的情况下，降低卷收器的Y向载荷。
2.1.3技术矛盾
最小问题所构成的技术矛盾如表1所示。在该技术矛盾模型中，工具为织带，产品为卷收器，织带两个状态分别为织带拉出角度小和织带拉出角度大。
通过技术矛盾图形化分析，选用技术矛盾1作为基本矛盾，即维持织带拉出角度(θ)，保证乘员佩戴空间，但是会增加卷收器的Y向载荷(F2)。进一步激化基本矛盾1，即持续增加织带拉出角度(θ)，则乘员佩戴空间越充足，同时织带对卷收器施加的Y向载荷越大。
2.1.4运用矛盾矩阵及发明原理设计
在本次构建的技术矛盾中，乘员佩戴空间(形状)是改善的参数，Y向载荷(力)是恶化的参数，根据矛盾矩阵及发明原理列表可获得两个创新设计方案。
方案1，基于发明原理——预先作用：卷收器内部结构加强，使得卷收器Y向耐载荷强度增强，当织带因拉出角度对卷收器施加Y向载荷时，卷收器不会因此失效。
方案2，基于发明原理——预先作用：预先将卷收器布置位置设计为受力的位置，待织带佩戴时，织带与卷收器Y向方向垂直，避免织带对卷收器施加轴向载荷，如图4所示。
2.1.5应用标准解设计
织带与卷收器构成力学物场模型，可考虑应用第1级标准解中的拆解物场模型来设计方案。
方案3，用场F´抵消有害作用：采用F´力场作用抵消织带对卷收器产生的Y向载荷(F2)，F´=F2，使得卷收器仅受X向载荷，如图5(a)所示。
方案4，引入S3消除有害作用：当前织带与卷收器构成的轴向力物场对于卷收器是有害的。引入物质S3改变织带佩戴路径，消除了织带对卷收器的Y向作用力，如图5(b)及图6所示。
2.2分析问题模型
2.2.1系统工作空间/时间分析
根据技术矛盾TC1和TC2确定操作区域和操作时间，分析空间条件、时间长短、物质组成等构成条件用于解决问题[13]。可知乘员佩戴织带区域与卷收器受力区域在空间上不存在重叠，两者之间的冲突可以尝试进行空间分离；乘员佩戴织带区域与卷收器受力区域在时间上是重叠，都发生在同一个时间，因此该冲突无法在时间上进行分离。
2.2.2物质场资源(SFR)分析
依据物质场资源分析方法，罗列本技术矛盾操作空间的系统物质场资源/环境物质场资源，以及超系统中的物质场资源[14]，如表2所示。
2.3定义最终理想解IFR和物理矛盾
2.3.1描述最终理想解IFR
引入X元素，使得保证织带佩戴空间前提下，并可在操作时间内(织带佩戴前/后)，在操作空间内消除织带对卷收器Y向作用力，而不增加系统的复杂程度，并且不产生任何有害作用。根据表3中的物质和场，可获得以下方案。
方案5，引入卷收器安装支架空间：将卷收器安装支架的空间设计小一点，当卷收器受到Y向载荷时，卷收器安装支架可以锁住卷收器，使得受力后的卷收器避免脱落，如图7(a)所示。
方案6，引入卷收器安装支架的形状：将卷收器安装支架的形状延长一些，使得织带拉出的路径通过卷收器安装支架来改变，即织带在Y向的作用力施加在卷收器安装支架，如图7(b)所示。
2.3.2从宏观层面定义物理矛盾
卷收器受到Y向载荷及成员佩戴空间都是与织带拉出角度θ值有关。其物理矛盾可视为织带的拉出角度既要大，又要小。角度大，满足成员佩戴空间；角度小，减小织带对卷收器的Y向作用力。
方案7，利用织带走势的几何关系，改变织带在卷收器拉出区域的走向，使得织带在满足乘员佩戴空间的同时，减小对卷收器的Y向作用力。
2.3.3识别微观层面的物理矛盾
如前所述，织带拉出角度θ值在微观层面的问题可描述为织带的约束力既要求大，又要求小。力大，约束乘员，避免乘员伤亡；力小，减小织带对卷收器的Y向作用力，避免卷收器失效。
方案8，利用锁舌固定织带的力学关系。即当发生碰撞时，锁舌两侧的织带不能自由活动，锁死，则腹部对织带的载荷不会传递至胸部织带(F腹不会与F胸叠加)，那么胸部织带整体的受力就会更小，由此织带对卷收器的作用力也会更小，如图8所示。图中原先锁舌不具备固定两侧织带的功能，而改良锁舌具备固定两侧织带，使其两侧织带不能自由活动。
2.4运用扩展物场资源(SFR)
2.4.1聪明小人法
将卷收器视为黑色小人，织带视为白色小人，当乘员佩戴织带后，织带拉住卷收器，即黑色小人被白色小人抓住。而在这个过程中，白色小人会改变路径，但黑色小人的位置维持不变，导致白色小人对黑色小人产生了Y向载荷。
方案9，卷收器可以设计成旋转结构，在受力过程中，会沿着织带佩戴的角度进行调整，即卷收器的黑色小人可以沿着织带的白色小人进行旋转；使得织带对卷收器的压力始终维持竖直方向，如图9(a)所示。
方案10，提高织带的刚度，即织带佩戴之后，织带与卷收器附近区域的织带形状不会随着织带佩戴变化，即卷收器的黑色小人与织带白色小人的关系不随织带佩戴变化而变化，如图9(b)所示。
2.4.2其他分析方法
方案11，利用车辆碰撞能量及大气压力，将卷收器自损锁死结构，形成封闭强度超高结构，牢牢拉住织带，不论织带力有多大，何种走向，在织带不拉断的前提下，都能保证卷收器不失效，能够承受织带的Y向作用力。
3创新设计方案可行性评估
结合工程实际情况，从技术可行性及成本、经济效益对上述11个概念方案进行评估，分别如下。
方案1、11，主要集中在加强卷收器内部结构，但卷收器属于平台件，不宜调整，同时卷首内部零件较多，增加强度会带来结构复杂性及成本提高，故该方案宜在平台升级时使用。
方案2、3，将卷收器位置朝织带拉出方向布置或卷收器端产生F´力，来抵消卷收器Y向载荷。但前者会导致织带未佩戴时，整体路径扭曲，非常不美观，影响内饰整体协调性，后者根本无法在碰撞是瞬间产生力F´，因此此类该方案仅供设计参考。
方案5、6，利用缩小卷收器安装支架与卷收器的间隙或利用卷收器安装支架形状特征来改变织带拉出路径，提高卷收器抗Y向作用力或避免。都将导致装配工艺困难，影响生产节拍或无法生产。
方案7、10，调整织带走向，使得织带在承受乘员压力情况下，织带拉出方向亦不会改变。该方案可用于织带材质换代升级，如织带刚度提升，形状改变等。
方案9，通过将卷收器布置在旋转结构上，使得在碰撞过程中卷收器的X方向与织带拉出方向一致。但该装置会导致卷收器固定点强度不足，无法满足安全带固定点试验要求，该方案仅做参考。
方案4，引入物质S3改变织带佩戴路径，避免织带对卷收器产生了Y向作用力。可在座椅靠垫上方增加一个导向结构，如图6所示，当织带佩戴时，织带在卷收器与导向结构间的走向正好是X向，未对卷收器施加Y向作用力，同时在织带未佩戴时,亦不会扭曲织带,整体协调美观，因此该方案工程可行性较高，对该问题处理大有帮助。
方案8，利用锁舌固定织带的力学关系，使得人体对织带施加的作用力不会传导至织带对卷收器的施加力，由此化解织带约束力既要大又要小的矛盾关系。而且用于固定织带的锁舌在工程上可实现，同时还能提升安全带碰撞性能，因此该方案工程可行性较高，对该问题处理大有帮助。
4结束语
本文基于ARIZ-85C理论创新方法对汽车后排安全带失效问题做了全面剖析，从问题的核心矛盾点出发，对矛盾点各相关方及物场资源分别探索了创新设计方案，并结合工程实际情况，对概念设计方案进行了工程可行性评估。主要结论如下。
(1)ARIZ-85C理论创新方法揭示了汽车后排安全带失效问题核心矛盾点，清晰地指出该问题的根源及系统内各种资源(含环境因素及其他客观因素)的相互作用关系，有助于问题解决思路的扩展。
(2)ARIZ-85C理论创新方法提供多种处理复杂问题的工具方法，随着矛盾点逐渐解析，可尝试使用不同的处理工具，获得不同的创新设计方案，直至问题获得较为理想的设计方案，在本文汽车后排安全带失效问题中，已获得两个工程实施方案。
(3)ARIZ-85C理在处理汽车实际工程问题时，面对复杂问题时有清晰的创新设计逻辑及可直接使用的创新工具，具备高效、全面、系统、有迹可循等特点，为工程问题的创新设计开拓了思路，提供了方法。
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