基于TRIZ和专利规避设计的产品创新方法*

王浩伦

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)

基于TRIZ和专利规避设计的产品创新方法*

王浩伦

(华东交通大学 机电工程学院，南昌 330013)

在当前知识经济时代企业进入市场所面临的专利壁垒越来越多，其技术发展的空间越来越小。因此企业需要系统化创新方法来指导专利规避设计，在保证不侵犯现有专利权的前提下，利用现有专利技术的优势，高效、快速地开辟新技术市场。文中提出了一种集成TRIZ和专利规避设计的产品创新方法，以专利侵权判定为依据，结合TRIZ创新设计方法，形成了专利规避创新设计流程。以湿式制动器创新设计为例，对所提方法进行了应用。实例表明，该方法可以提高产品创新设计的效率。

TRIZ；专利规避设计；产品创新；湿式制动器

0 引言

在日益激烈的市场竞争中，企业间竞争的核心是产品间的竞争，而产品竞争归根到底是企业产品创新能力的竞争。而我国企业目前的产品研发现状是：处于全球制造链的末端，依靠模仿先进企业产品；缺乏创新方法理论指导，依赖个人、企业等领域经验，常采用折中设计方法；缺乏知识产权技术的有效利用，在模仿的同时常陷入竞争对手的专利保护范围，对手以专利为利器对企业进行制裁造成重大损失。

专利是产品创新、促进企业发展的重要知识资源，是目前产品创新设计的重要研究领域[1-3]。其中，专利规避设计是企业为了避开其他竞争对手的专利权利要求的阻碍或者袭击而进行的新设计绕道发展的设计过程[4]。通过专利规避设计重新对技术方案的改进来实现与现有专利的保护范围不同的新技术[5-6]。在专利规避设计过程中集成TRIZ方法为创新设计理论提供了新的发展方向。

1 TRIZ与专利分析集成

TRIZ理论方法是 G. S. Altshuller领导的研究人员分析了世界上近250万件发明专利，综合多个学科领域的原理和法则形成的理论体系。该理论主要包括效应、分离原理、冲突矩阵(40条发明创造原理、39个技术特性)、理想解、物质-场分析、ARIZ算法和技术进化理论等内容[7-9]，这些内容作为创新工具在实际创新发明中发挥了强大的力量。

专利知识包含了产品创新所需的大量创新原理知识。通过专利知识的分析及提取，能为解决具体领域产品创新问题提供大量启发原理、效应、结构等。有效集成TRIZ创新方法与专利知识融合能更加有效的解决具体领域的产品概念创新问题。图1给出了TRIZ与专利分析集成的工具体系。

对技术系统功能分解为各分功能，进入寻找作用原理解阶段。根据求解过程，结合TRIZ及专利创新分析阶段，将该阶段分解为问题模型、模型求解工具、求得原理解阶段。功能分解后，根据技术问题的不同情境，当两个子系统功能本身或者相互之间出现矛盾，如技术矛盾、物理矛盾、物-场模型、非标准问题等，采用矛盾矩阵、分离原理、物-场模型、ARIZ等求解工具，进而采用一系列TRIZ求解工具及知识库等得到概念原理解。专利规避方法结合目标专利，进行规避设计能合理规避竞争对手保护范围，同领域专利提取出功能层、效应层、原理层、结构层等知识可有效支持原理解求解过程。

图1 TRIZ与专利集成创新工具体系

2 TRIZ专利规避创新方法与流程分析

本文将结合TRIZ对已有专利进行专利规避的流程体系框架，如图2所示。专利规避的流程大致可以分为四个阶段。

图2 集成TRIZ专利规避的流程体系框架

2.1 专利检索

首先根据产品开发目标，确定检索主题、关键词及专利数据库，通过筛选得到与设计目标功能结构等的目标专利，并查询目标专利的法律状态及剩余保护期限。另外对于专利保护期内的专利也需要进行价值分析，分析专利是否仍在保护期内及短期是否会失效。分析其是否符合专利申请新颖性及创造性等条件，专利整体或者部分权利要求是否可以无效等。

2.2 专利分析

对专利权利要求进行结构分析，分析独立权利要求与从属权利要求，从属权利要求对独立权利要求进一步限定[9-10]。在此基础上，寻找其保护范围最宽的权项分析，结合说明书和相关审查文件，确认该权利要求字面含义及其等同的范围。技术特征分解至关重要，直接关系到专利规避的成功与否，需要具备相关专业背景知识和法律相关知识。判断技术特征的新颖性及创造性，分析其相关价值，以便对其进行裁剪、组合、替换、分解等。

2.3 规避设计

对目标专利建立功能结构，并分析专利功效矩阵，寻找可以规避的对象并定义问题，根据问题情境的不同，采用TRIZ的不同工具进行问题转化，寻找解决问题的作用原理，并生成原理解。在技术特征分解基础上从功能、原理效应和结构三个层次上进行规避分析。

表1 规避设计的四种方法

根据专利侵权判定原则，表1总结和给出了四种规避设计方法：裁剪法、替换法、组合法和分解。事实上，由于专利的复杂程度差异，往往需要多种方法组合才能有效规避原有专利，如裁剪与替换结合，裁剪与组合相结合等，必须灵活运用上述一种或多种方法。

2.4 侵权评估

需要对生成的概念方案，从全面覆盖、等同原则、禁止反悔原则等方面重新进行专利侵权分析评估。

3 案例分析

目前，轮式装载机的轮边湿式制动器是通过油道的高压油推动活塞，将湿式制动器的动、静摩擦片压紧结合而中断扭矩传递，制动半轴；卸除油压后，依靠制动器内复位弹簧的拉回活塞使动、静摩擦片脱离解除制动。驱动桥半轴是装载机传动机构中重要的承力构件，承受扭转力矩的作用。如图3所示，为某公司湿式驱动桥轮边制动结构。

1.螺栓垫圈 2.垫片 3.挡圈 4.滚针 5.行星轮架 6.动摩擦片 7.静摩擦片 8.内齿圈 9.垫片 10.活塞 11.半轴

图3 轮边湿式制动器结构图

当遇到如下一些极限工况时将超出半轴30CrMnTi材料的服屈服强度和扭转疲劳强度极限，从而发生断裂。半轴一般受到三种载荷冲击：冲击性载荷、不规则脉动载荷、反向冲击载荷。半轴断裂的原因一般有两种情况：①零件本身的断裂强度符合设计要求，其受力超过设计值发生过载断裂，如载荷过载，不当的人为操作，满载条件下急速刹车，超出正常使用工况范围等。②零件本身的断裂强度低于设计值，则在正常使用载荷下也会发生断裂，这个缺陷主要由两种情况产生，一是在锻造和加工过程中出现材料的缺陷，二是热处理工艺过程中产生不良。而半轴断裂将导致紧急状态无法制动，造成重大事故等。

3.1 专利分析及知识提取

以“湿式制动器”为关键词，截至2012年9月，检索出国内41项专利，筛选出同领域专利16项。针对较为创新的国外湿式制动器，湿式制动器原理结构对比分析。如卡特彼勒公司专利4667784采用多级半轴结构，制动时，即使两段半轴连接处断裂，制动转矩也能通过部分半轴传递，避免应力集中，安全型较高；又如Clark公司专利4173269制动器结构采用制动轮毂的原理，制动转矩不经过半轴传递，属于较为安全制动结构，但对于密封性要求较高。

3.2 TRIZ功能裁剪

通过已有功能结构的组合，产生了已有专利的一些技术方案，而列举专利功能形态图有助于了解已有技术方案，并针对其改进且避免落入已有的专利技术陷阱之中。针对湿式驱动桥功能分解为若干子功能如转矩换向及增大、转矩分配、转矩导通、转矩增大、转矩控制等功能。其中德国ZF公司分段半轴导通及制动与美国卡特彼勒公司多级半轴传动，可以有效避免应力集中，属于较为创新专利。通过功能分析，制动只需制动动力传递路径的功能组件即可，而专利知识分析为创新提供了较大的知识空间，已有功能结构，湿式制动器主要集中在制动轮毂、半轴齿轮端半轴、分段连接等方式。经分析制动行星架与制动轮毂均可达到半轴断裂也能有效制动的目的，有效保证行车安全。

图4 创新方案功能结构模型

通过系统功能分析，进行TRIZ功能裁剪，支架的功能是支撑动摩擦片，采用功能转移原理，裁剪支架功能转移至行星架，建立创新方案功能结构模型如图4所示。与原有功能结构模型相比较，其动力传递路径为主传动-差速器-半轴-太阳轮-行星轮-行星轮架-轮毂，而制动方式则改为通过动静摩擦片的挤压，制动行星轮架，从而阻止动力的传递达到有效制动的目的。与已有专利方案形态图对比，新的功能结构分析没有相同技术方案，因此专利侵权评估方面也可以得出结论，新的功能结构是较为创新的方案，通过有效功能结构的组合，可以实施申请新的知识产权，以便保护创新的成果。

3.3 创新设计

1.螺栓垫圈 2.垫片 3.挡圈 4.滚针 5.行星轮架 6.动摩擦片 7.静摩擦片 8.内齿圈 9.垫片 10.活塞 11.半轴

图5 方案1湿式制动器结构示意图

图5所示，为方案湿式制动器结构示意图。动力传递扭矩路径为输入轴—半轴—太阳轮—行星轮—行星轮架—轮壳，从而带动轮壳和车辆转动。静摩擦片7通过花键与内齿圈8连接，动摩擦片6通过花键与行星轮架5一端凸起处外花键连接。制动时，通过液压油推动活塞的轴向运动，将静摩擦片和动摩擦片压合在一起，并抵压至行星轮架，由多盘摩擦片产生摩擦制动力矩制动行星轮架5实现制动；卸除油压后，活塞和齿圈支架之间的回位弹簧将活塞拉回原位，消除动摩擦片和静摩擦片之间的摩擦力，解除制动状态。

可以看出，与原始方案相比新方案设计新式行星轮架结构，简化原有设计结构及加强行星轮架强度，有效减少一般通过制动半轴制动车辆对半轴的冲击载荷，减少半轴疲劳断裂的可能性。即使半轴在极端工况下断裂，也能通过制动行星轮架实现安全制动。该方案制造简单、承载能力强、维修方便、制动高效、安全性能好。另外，新方案通过制动行星轮架，在相同的载荷下，行星轮架能获得很大的抗扭截面系数，较大的降低了剪切应力，有效减少通过制动半轴制动车辆对半轴的冲击载荷，减少半轴疲劳断裂的可能性。即使半轴由于极端条件断裂，也能制动行星轮架实现安全制动。

4 总结

集成TRIZ和专利规避设计的产品创新方法是以专利侵权判定为依据，并将TRIZ方法作为突破专利壁垒的有效工具，解决专利规避设计过程中的具体问题。应用集成TRIZ的专利规避设计流程对湿式制动器产品进行创新设计，通过建立功能结构模型，并按照专利规避原则利用TRIZ功能裁剪进行湿式制动器的结构改进设计。在专利知识数据库的基础上，深入研究TRIZ方法与专利规避设计集成化、智能化和自动化是以后创新设计理论方法的研究重点，实现CAI软件辅助产品创新设计有着重要的意义。

[1] Gaetano Cascini, Davide Russo. Computer-aided analysis of patents and search for TRIZ contradictions [J]. International Journal of Product Development, 2007, 4(1-2): 52-67.

[2] He Cong, Loh Han Tong. Grouping of TRIZ inventive principles to facilitate automatic patent classification [J]. Expert Systems with Applications, 2008, 34(1): 788-795.

[3] 梁艳红. 基于专利挖掘的创新设计关键技术研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2011.

[4] Schechter R.E. Intellectual property: The law of copyrights, patents and trademarks [M]. Minnesota: Thomson West, 2003.

[5] 江屏, 罗平亚, 孙建广, 等. 基于功能裁剪的专利规避设计[J]. 机械工程学报, 2012, 48(11): 46-54.

[6] 周炜程. 整合TRIZ的解题技术与专利回避概念于产品发展之研究[D]. 中国台湾：树德科技大学, 2006.

[7] 谭润华. 创新设计-TRIZ: 发明问题解决理论[M]. 北京：机械工业出版社, 2002.

[8] 张士林,林岳. TRIZ创新理论研究与理论[M]. 北京：华龄出版社, 2010.

[9] Stratton R., Mann D. Systematic innovation and the underlying principles behind TRIZ and TOC [J]. Journal of Materials Processing Technology 2003,13(9):120-126

[10] 施炳轩. 专利回避设计策略研究[D]. 杭州：浙江大学, 2006.

[11] 程永顺, 罗李华. 专利权利判定—中美法条与案例比较研究[M]. 北京：专利文献出版社, 1998.

(编辑 李秀敏)

A Methodology of Product Innovation Based on TRIZ and Patent Design Round

WANG Hao-lun

(School of Mechanical & Electronical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In the era of knowledge-based economy, the patent barriers are getting more and more serious for enterprise when they enter the market; the space for the development of their technology is getting smaller and smaller. Therefore systematical innovative methods are badly needed to guide the enterprises to design around patents and achieve better technology market without infringement on the basis of existing patents’ technology advantages. The process for designing around patents and innovative design was presented according to rules of patent infringement judgment and TRIZ methods. The wet brake is analyzed as a case study by above integrated process. The results indicate that the proposed methods can effectively improve the efficiency of the product innovation design.

TRIZ; patent design round; product innovation; wet brake

1001-2265(2014)05-0066-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.017

2013-09-21；

2013-10-15

国家自然科学基金资助项目(51165007, 71172055); 江西省教育厅科技研究项目(GJJ13313)

王浩伦(1981—), 男, 浙江金华人, 华东交通大学讲师, 博士, 主要从事大规模定制设计，现代设计方法及理论，(E-mail)haolun123@163.com。

TH122；TG65

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