基于TRIZ 理论新型双动力健身洗衣机的开发

冯金鹤 李小海 岳文斌 王晓霞 王新荣 曹务园

佳木斯大学机械工程学院

概述

随着科技信息等技术的迅速发展，电器产品日益增多，对电能的需求量迅速增加，并且“十二五”规划提到的“坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式”。洗衣机是家庭常用的一种耗电电器，开发节能环保洗衣机是一个紧迫任务。健身是一种体育项目，它可以增强力量和柔韧性，增加耐力，提高协调，控制身体各部分的能力，从而使身体强健，而健身器材在功能开发方面呈现出功能单一而且不易携带，很难家庭化。面对当今的社会模式，大胆地将洗衣和健身结合起来，使得洗衣机在利用健身时的能量也能完成做家务的需要。本文提出的新型双动力健身洗衣机能使人们在日常健身锻炼的同时合理利用锻炼时未被利用的能量，以人体能量作为能量来源，合理利用能量不依靠电能，在洗衣时，能够达到健身的效果，在健身的同时完成洗衣，实现了健身与洗衣机的洗脱一体化，低碳环保，提高对时间的利用率，节约电能，节省空间。

结构设计

目前主流洗衣机的分类：波轮式洗衣机、滚筒式洗衣机和搅拌式洗衣机，在国内波轮式洗衣机比其他两款更为广泛使用，这里对波轮式洗衣机进行改造。根据上述所描述，该新型双动力洗衣机必须具备以下两点：

（1）可由人力驱动，健身与洗衣同时进行，节能环保。

（2）当有需要时可转化为电力驱动，实现双动力传动，更加人性化。

实现新型洗衣机整体设计的技术关键是：在不改变洗衣机主要结构的前提下，设计一个什么样的机械结构来连接自行车与洗衣机，实现动力传递，该机械结构如何工作？

运用创新工具--TRIZ 理论分析

运用发明原理

问题描述 ：在不改变洗衣机主要结构的前提下，设计一款新型双动力洗衣机，由人力驱动，使得健身与洗衣同时实现，洗衣机在由电力变为人力驱动时，可能会使得洗衣效率下降。

问题模型：动力←→效率

查阅TRIZ 理论的40 个发明原理，一一进行比较，最后综合考虑，对所有解决方法进行筛选，得到3、5、7 号发明原理更具有价值 。

得出解决方案模型：

03、局部质量原理

05、组合原理

07、嵌套原理

原理03：局部质量（使组成物体的不同部分完成不同功能）用机械控制箱连接自行车与洗衣机，同时完成健身与洗涤的不同功能

原理05：组合原理（把时间上相同或类似的操作联合起来）由一个人驱动，健身与洗衣同时进行。

原理07 嵌套原理（使一个物体穿过另一个物体的空腔）将脱水桶嵌套在波轮内，使得实现洗涤与脱水，增加洗衣效率。

系统分析与资源分析

完备性法则：一个完整的系统必须由四部分组成：动力装置、执行装置、传动装置和控制装置。在该新型双动力洗衣机中，各系统组成有：

动力装置-----人脚

执行装置-----波轮、滚筒

传动装置-----链条

控制装置-----人脑

功能分析：该新型洗衣机系统的组成部件有：健身自行车、机械控制箱、波轮、滚筒、洗衣机。

物-场分析

物场分析是TRIZ 理论中一种重要的问题描述和分析工具，用以建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型，根据物场模型所描述的问题，来查找TRIZ理论相对应的一般解法和标准解法，物场分析法将所有功能都看作是由二个物质和一个场组成的。

传统的洗衣机的物场模型由图1 左图所示，S1-------波轮、滚筒、S2------电机、F------机械场，该系统属于物-场模型第一种类型-----有害效应的完整模型，3 个元素齐全，但是，不能实现想要的功能，在实现洗涤的同时不能实现健身的目的。所以根据该新型健身洗衣机的预期功能，应创立双、多场系统或多重的场和物质的系统，最简单的进化模式是：组合2 个或多个物质S1 或S2，建立一个双物质或多物质的物场模型，以此获得增强系统功能和特性。新型洗衣机的应用物-场分析的一般解法：加入一个机械控制箱（S3）来传动，连接洗衣机与自行车，来实现健身与洗衣同时进行。建立物-场分析模型如图1 所示。

确定最终方案

图1 物-场分析模型

图2 新型双动力健身洗衣机的设计路线图

新型双动力洗衣机结构主要由自行车、机械控制箱、曲柄连杆、差速器、波轮、滚筒等几部分组成。在使用时，首先由人力驱动健身自行车运动，然后通过自行车的链传动将机械能传递给机械控制箱内的输入轴端，接着传递给差速器，当需要洗涤时，差速器将动力通过曲柄连杆、齿轮机构传递给洗涤输出轴，使得波轮正反转，脱水桶不动，从而达到洗涤的目的；当需要脱水时，差速器将动力通过齿轮、皮带机构传递给脱水输出轴，使得脱水桶转动，而波轮不动，从而达到脱水的目的。为了更加体现人性化设计，当需要改变为电力动力驱动方式时，只需将洗衣机滚筒的输入轴端与其本身电动机输出轴相连接即可，最后使得洗衣机完成洗涤过程。

健身洗衣机传动设计

技术路线设计

如图2 所示，用pro/E、3DSMAX、AUTOCAD 等设计平台，对产品进行概念设计、系统设计、零部件详细设计以及装配仿真、运动仿真等全过程的设计，并对重要受力零部件进行校核计算，优化设计，对主要部件进行相关计算与校核，对传动装置的功率、传动比等进行计算，并对重要部件进行了受力的校核。

机械传动计算

洗衣机的洗涤功率为0.2KW，脱水功率为0.135KW，为了使洗衣机正常工作，本设计传动部分的齿轮齿条均采用模数m=2，洗涤传动比i1=1/5，脱水传动比i2=1/10。初步确定的工作方案如图3 上图，图3 下图所示为新型双动力健身洗衣机的机械传动结构简图。

1-健身自行车 2-链传动 3-机械控制箱 4-波轮5-滚筒 6-健身洗衣机7-差速器 8-电机 9-链条 10-曲柄连杆 11-动力输入轴

新型双动力健身洗衣机的工作过程

1）新型双动力健身洗衣机可以在电力的驱动下正常运行。

2）当在人力驱动时，人健身蹬动踏板，通过链条、万向节传动，使差速器运动。进行洗涤需要控制差速器连接的曲柄滑块机构，直齿条等机构做往复运动，将动力传给洗涤机构；而完成脱水则控制差速器使阶梯齿轮传动，经变速器驱动脱水桶。

新型双动力健身洗衣机整体设计

整体尺寸

图3 健身洗衣机结构件图与机械控制箱结构简图

图4 三维立体图

新型双动力健身洗衣机高90cm，宽41cm，长120cm。为了便于存放，减小所占的空间，可以将自行车与机械控制箱随意拆卸。

动力部分尺寸

提供动力部分结构采用普通自行车，其结构尺寸均为人最舒适的尺寸。

新型双动力健身洗衣机的整体装配

如图4 所示，利用PRO/E，3DSMAX 等软件，对本设计进行了运动仿真，新型双动力健身洗衣机可以顺畅的运动。

结语

本文在创新方法TRIZ 理论的指导下，利用TRIZ 理论中的40 个发明原理、系统分析与资源分析和物-场分析等工具，将洗衣和健身结合起来，设计出一款新型双动力洗衣机总体设计和关键部件的设计，使得洗衣机在利用健身时的能量也能完成做家务的需要，从而也进一步说明了TRIZ 理论是解决发明问题的一个利器。