基于TRIZ的轴承弹性挡圈安全拆装工具的创新设计

王寿斌

（苏州工业园区职业技术学院 机电工程系，江苏 苏州 215123）

0 引言

弹性挡圈是机械设备中用于零部件轴向定位的重要元件，一般有孔用和轴用两种。通常与轴承、轴、孔、齿轮、圆盘（飞轮）等旋转部件密切接触，套在轴上的叫做轴用弹性挡圈，嵌于孔中的称为孔用弹性挡圈。在机械设备的装配、维修过程中，经常需要频繁地将弹性挡圈从轴上（或孔里）拆下，再安装到轴上（孔里）。这就必须要用专门的拆装工具——弹性挡圈钳。相应地，根据使用对象不同，弹性挡圈钳也分轴用和孔用两种。

1 基于TRIZ 的弹性挡圈钳问题分析

由图1 和图2 可知，无论孔用或轴用弹性挡圈，均为扁平结构，挡圈的径向尺寸往往是其厚度的15～25倍。装拆挡圈时，需要将弹性挡圈钳的钳尖插入弹性挡圈的两个耳孔中，通过对钳柄施加夹力而使弹性挡圈变形，装入（套入）弹性挡圈槽中，外力松开后挡圈恢复原形卡入槽中，发挥轴向定位功能；拆卸时的步骤相反，先施力变形，后安全取出。实际操作中，人手施力于弹性挡圈钳，因为无法中途随意停留，极易出现过松或过紧现象而难于顺利装拆；同时，由于弹性挡圈片薄而性刚，在非稳定的外力作用下极易出现扭曲，导致弹蹦伤人。多年来，因拆装弹性挡圈而伤眼的学生、工人为数不少。

为此，迫切需要设计一种使用平稳、安全、省力且比较便宜的弹性挡圈拆装工具。

图1 轴用弹性挡圈和孔用弹性挡圈Fig.1 Shaft with elastic ring and hole with elastic ring

1.1 现有弹性挡圈钳冲突问题描述

图2 轴用弹性挡圈钳和孔用弹性挡圈钳Fig.2 Shaft with elastic ring clamp and hole with elastic ring clamp

冲突是TRIZ 理论的重要核心之一。冲突可分为技术冲突和物理冲突两种[1]。技术冲突指的是技术系统里某种作用的结果常常利弊并存，有用与有害同时出现。比如，子系统A （功能、参数、特性等） 得到改善时，子系统B 却随之被恶化[2]。

现有弹性挡圈钳的不足在于使用时比较费力，且由于两钳尖在工作过程中处于非平行、非平衡状态，容易导致弹性挡圈因打滑而飞蹦，产生安全隐患，操作空间受限时更不易夹紧，难于工作；使用过程中，两钳尖之间的距离不能随意固定在某一位置，不便于进行过程控制。

显然，现有弹性挡圈钳的 “操作简单” 和 “稳定性” 是一对符合上述特性的技术冲突： 有用特性 “操作简单” 的提高，直接导致有害特性 “稳定性” 的降低。同理，现有弹性挡圈钳的 “可制造性” 分别与 “装置的复杂性”、“适应性”、“可靠性”、“生产率” 等有害特性也存在技术冲突。

1.2 新型弹性挡圈拆装工具的技术冲突

（1）技术冲突矩阵的建立。TRIZ 理论对于发明创新的突出贡献，在于通过分析和解决冲突问题，简单快捷地找到改进方法[3]。TRIZ 解决问题的主要工具是矩阵表。它从对250 万个高质量专利的统计分析，得出39 个参数和40 个发明原理。以这39 个参数依次作为横坐标和纵坐标，分别对应恶化特性和改善特性，共同组成技术冲突矩阵。在纵横坐标相交叉的方格里，提供了针对冲突的发明原理解决方案。发明原理是TRIZ 解决问题的秘密武器，以编号形式嵌入在矩阵的方格里，以供制定解决方案时参考。为了避免原理过多而使问题趋向复杂，每个方格中的发明原理通常不多于4 条。

将弹性挡圈钳希望改进的特性 “可靠性” 和 “力”及其可能随之产生的负面特性 “操作流程的方便性”、“设备复杂度” 等共同组成TRIZ 技术冲突矩阵，如表1所示。其中，改善的参数与恶化的参数交汇处方格里的数字，即为解决相应冲突所适用的发明原理的编号。

表1 弹性挡圈拆装工具的阿奇舒勒技术冲突矩阵Tab.1 Elastic ring disassembling tool of archie schuler technology conflict matrix

通过查阅《40 个发明原理对照表》[4]，可从各自原理的解释中得到激发创新思维的启迪。见表2。

（2）技术冲突的解决。表1 矩阵所列出的原理，旨在使冲突朝着有利于改进的方向发展，给人们提供最有可能让问题得到解决的思维搜索方向。但这仅是带有普遍指导意义的一般解，而不是直接解决问题的特定解[5]。设计者需要在熟悉原理内涵的基础上，结合特定问题和自己的实践经验，剔除那些明显无助问题解决的原理，再把可行性较强的原理运用到设计目标中，从而得到所需要的特定解。

表2 技术冲突的解决原理及其释义Tab.2 Technical conflict solution principle and its meaning

通过综合分析，创新原理中的1、3、25、26、27、28、35 均有利于解决系统中的冲突，尤其是出现频度较高的1 和35 两条原理，对于弹性挡圈拆装工具的优化设计具有针对性较强的指导意义。

根据分割原理1，可尝试把物体分成独立的部分，本拆装工具将改变原有弹性挡圈钳的一体化设计，而由Y 型支架、双头螺柱、旋轮和两个槽钩四大部分组成[6]。其中，针对传统弹性挡圈钳的两个尖头在长时间使用之后会出现磨损、弯曲或折断的不足，特地在叉杆的两端设计了可拆卸的槽钩，以便在损坏后及时更换。

根据改变参数原理35，针对传统弹性挡圈钳在夹紧过程中不易控制作用力方向，容易导致弹性挡圈弹蹦伤人的不足，本设计大胆地改变了系统的几何结构，通过整体架构上的三角形来增加稳定性。

根据廉价替代品原理27，本设计降低了传统弹性挡圈钳对专用金属材料的特殊要求，除两个槽钩采用耐磨金属制作外，Y 型支架、双头螺柱、旋轮等均可用相对廉价的常用金属或耐磨非金属代替，在不降低使用性能的前提下，尽量节约成本。

根据复制原理26 和机械系统替代原理28，本产品在设计过程中排除了多种形式实现两叉杆相对或相向运动的传动机构，而采取了常见的、传统的、标准化的螺纹传动机构，既简化了设计、方便了生产，又节约了成本。

在冲突矩阵中，也有一些原理，如预先作用10、反向作用13、空间维数变化17 等没有用到，其原因在于根据实际条件没有找到相应的特殊解。这充分说明，在具体设计过程中，TRIZ 原理的运用必须与实际问题、与相关专业知识有机融合，才能得到比较有价值的解决方案[7]。这是每个设计人员应当了解的常识，也是应当具备的专业迁移能力。

1.3 弹性挡圈钳的物理冲突

（1）物理冲突的描述。TRIZ 理论中的物理冲突，是指技术系统中的同一个工程参数具有相反的要求。物理冲突的表现形式之一是，系统或关键子系统出现某一参数以获得某个有用功能[8]，但在单系统或子系统的汇总中却不能出现，以免产生有害功能。如在弹性挡圈拆装工具的设计中，快与慢就是一对功能性矛盾，我们既希望出现传统弹性挡圈钳那样快速的施力、简便的拆装，但又担心过于简便之中出现挡圈 “弹蹦” 等不安全的有害因素。同时，在本设计中，弹性挡圈拆装工具体积的大与小也是一对物理冲突。

（2）物理冲突的解决。通过综合分析，为了解决弹性挡圈拆装工具在工作过程中的快慢问题，本设计在张紧（松解）弹性挡圈的子系统中使用双头螺纹传动，在螺柱的两端设置反向螺纹，以尽可能地提高工作效度。为了控制产品的体积，本设计将支架1 设计成Y 型，避免采用U 型或长方型等占据过大空间，在不影响性能的基础上兼顾了物理冲突的化解。

2 弹性挡圈安全拆装工具的最优设计方案

在有效解决上述技术冲突和物理冲突的基础上，我们可以得到弹性挡圈安全拆装工具的多个设计方案。经综合比较，得出了最优设计方案，见图3。其中，1 为Y 型支架，2 为双头螺柱，3 为旋轮，4 为槽钩，5 为螺纹孔，6 为方形通孔，7 为长方体柱，8 为叉杆[6]。

Y 型支架1 包括两根叉杆，两根叉杆的下端相互平行，两根叉杆的上端连接成一体，两根叉杆的下端分别设置有一螺纹孔，双头螺柱2 穿过所述螺纹孔，旋轮3套在双头螺柱的中部，两个槽钩4 分别位于两根叉杆的底端，双头螺柱的两端为圆柱并分别设置有外螺纹，与螺纹孔构成螺纹副。使用过程中，两个槽钩4 始终卡紧弹性挡圈的孔壁，能防止弹性挡圈打滑；而因为是通过螺纹转动使两槽钩4 保持平移，着力平稳，不会出现弹性挡圈弹蹦伤人的情况，保证操作的安全；两槽钩4 之间的距离由旋轮3 的转动来控制，可以使两槽钩4 随时停留在想要的位置，轻松控制工具的拆装动作；而且操作省力，螺纹副对旋轮3 上的着力有放大效应，可以用较小的旋力得到两槽钩4 之间较大的夹紧拉力，轻松地将弹性挡圈夹紧[6]。

图3 弹性挡圈安全拆装工具结构示意图Fig.3 Elastic ring safe dismantling device structure diagram

3 结论

实践证明，TRIZ 创新理论对于解决实际问题可以起到事半功倍之效[9]。根据TRIZ 理论，分析现有弹性挡圈钳的技术冲突及物理冲突，运用冲突矩阵工具，在多项解决原理的指导下，编制出弹性挡圈安全拆装工具的最优设计方案。该方案设计出的弹性挡圈安全拆装工具，具有使用平稳、安全、省力且比较便宜的特点，实际使用效果良好，具有较高的推广价值。

[1] 颜惠庚，李耀中.创新方法入门——TRIZ 基础[M].北京:化学工业出版社，2011.

[2] JANTSCHGI J, FRESNER J. Linking TRIZ & sustain ability(training and consulting models)[C/CD]//The Fourth European TRIZ Symposium ，June30-July1,2005,Frankfurt/Main,2005.

[3] 陈国强.产品设计程序与方法[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 王申亮，等.TRIZ 创新理论与应用原理[M].北京:科学出版社，2010.

[5] 张春林.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6] 王寿斌.一种轴用弹性挡圈的安全拆装工具[P].ZL 2012 2 0664234.2

[7] 檀润华.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] 檀润华.产品设计中的冲突确定方法及解决过程[J].机械设计，2003，10.

[9] Altsuller G. The Innovation Algorithm，TRIZ，Systematic Innovation and Technical Creativity[R].Worcester:Technical Innovation Center，1999.