基于TRIZ的试验机创新设计

王　琳，孙德志，王　民，黄　斌

(1.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103；2.长春光华学院，吉林 长春 130033)

基于TRIZ的试验机创新设计

王琳1，孙德志2，王民1，黄斌1

(1.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103；2.长春光华学院，吉林 长春 130033)

摘要：本文运用TRIZ理论进行车锁疲劳试验机的创新设计，旨在克服惯性思维，解决设计中的技术矛盾和物理矛盾，获得简化和高效的方案，说明TRIZ对机械创新设计工作有很大的促进作用。

关键词：TRIZ；创新设计；疲劳试验机

1引言

在试验机行业，对于一个新的设计任务，往往采用成熟的功能模块组合。这样具有开发速度快、质量相对有保障的优势，但也存在着机构较为复杂、效率较低等缺点，并且形成了一种思维惯性，阻碍了技术创新。

有些试验设备，由于试验任务的特殊性，往往可以进行优化设计，以达到简化结构、提高效率的目的。本文尝试利用TRIZ这一创新设计方法，以车锁疲劳试验机的设计为例，介绍一种创新设计的思路。

2TRIZ简介

TRIZ(发明问题解决理论)：前苏联发明家G.S.Altshuller带领一批研究人员，在分析和研究世界上大量高水平专利的基础上，发现了产品技术进化定律，提出了物理冲突、技术冲突解决理论、物-场分析及76个标准解、基于效应的功能设计、ARIZ算法等，来帮助实现创新设计，使设计者可以运用前人在不同领域创新的知识和经验，快速、高效地解决设计问题。

目前，TRIZ已被认为是一种世界级的创新方法，被很多大公司所采用，促进了产品的创新，取得了很好的经济效益，提高了企业在世界市场上的竞争力。

3车锁疲劳试验机的设计需求及传统方案

钥匙插入车锁孔中，左旋转至极限位置，右旋至极限位置，返回初始位置，拨出钥匙。往复循环，直至10000次或车锁、钥匙一方失效。针对这样的设计需求，采用传统的设计方法是比较容易满足的。例如，可采用如下方案：

(1)钥匙的进给运动由气缸实现；

(2)钥匙的旋转运动由步进(伺服电机)实现；

(3)控制和协调钥匙的进给和旋转运动。

此方案的优点是，各部分功能相对独立，都是成熟技术，可以快速实现并有较好的可靠性和适应性。但也存在着一些缺点，如机构比较复杂、成本较高、需要气源、工作噪声和能耗较大等。

4基于TRIZ的创新设计

TRIZ提出了理想解及最终理想解的概念。理想解是指产品具有低成本、高效能、高可靠性、无污染等特性。系统或产品是不断进化的，进化的极限状态称为最终理想解。系统和产品的设计就是不断追求理想解的过程。

理想解具有4个特点，分别是：(1)消除了原系统的不足之处；(2)保持原系统的优点；(3)没有使系统变得更复杂(采用无成本或可用资源)；(4)没有引入新的缺陷。

要想办法提高该系统的理想程度，对于本系统来说，就是结构简化、减少输入源、性能可靠、节能环保等。

TRIZ理论中，对于提高系统理想度，提出应对系统进行资源分析。Boris Zlotin等将资源分为发明资源和进化资源，发明资源又分为直接应用资源、导出资源和差动资源。差动资源又分为差动物质资源和差动场资源。差动物质资源主要指物质的各向异性，如压电晶体；不同材料，如双金属片等。利用这些差异，可以实现某种设计需求。差动场资源是指场在系统中的不均匀性可以在设计中实现某些新的功能。

由此想到了电子技术中的差动放大器、差动式传感器，由输入端信号的差值而产生差模放大、共模抑制等特有功能。差动在机械行业中的典型应用是汽车上的差速器，其功能是将一个转速输入，分配到左右两个车轮，而左右两轮的转速根据直行或转弯而相同或者不同，这可以看作差动资源原理的反向应用。

此设计任务中，输出的运动具有严格的规律性，由直线运动、对称的旋转运动组成。参考汽车差速器的运动规律，想到利用差动原理，给机构两个位移输入x1和x2，输出为两个输入的合成。当x1=x2(同向)的时候，输出为直线运动。当输入x1=-x2(反向)的时候，输出为旋转运动(如表1所示)。

表1　输入输出运动关系

两个输入的相对关系是固定的，所以可以合并用一个输入源，由电机带动两个凸轮来实现，机构原理如图1所示。

图1　机构原理图

根据齿条运动的位移、速度、加速度要求设计凸轮，凸轮轮廓设计如图2所示。

图2　凸轮轮廓设计

通过机构设计并进行Adams运动仿真(如图3所示)，证实该方案是可行的。

图3　Adams运动仿真

对此方案进行评估，会发现新方案结构简化，由两对齿轮、齿条、一对凸轮和3个锥齿轮组合而成；输入源只有一个电动机；机构体积小，运动连贯，提高了生产效率；无需气源、节能环保。

但此方案也有一定的缺点，如过度强调了输入源的简化而导致适应性的恶化。即由于凸轮轮廓决定输出的运动规律，当钥匙-锁系统改变时，不得不更换新的凸轮。这说明新方案向理想解进化过程中引入了新的缺陷，即结构简化的同时，系统的适用性、多用性变差，这是一对矛盾(冲突)，应想办法解决。

怎样解决这样的冲突呢？TRIZ认为，创新的核心是解决设计中的冲突，并提出了冲突解决理论。TRIZ中的冲突分为3类，即管理冲突、物理冲突、技术冲突。本例中，结构简化的同时，系统的适用性多用性变差，是一对技术冲突。

TRIZ认为，一个好的设计能完全解决技术冲突，而不是采取一种妥协和折衷的方案。TRIZ提出九屏幕法、DTC法和聪明小人法等帮助人们在解决问题过程中克服思维惯性，同时总结出冲突解决矩阵帮助人们解决技术冲突。

TRIZ用39个通用工程参数来描述冲突，同时总结出了40个发明原理，并列出冲突解决矩阵。矩阵将39个通用工程参数作为行头和列头，行头代表改善的参数，列头代表恶化的参数，行列交叉的位置为40个发明原理的编号，代表当参数冲突时，可参考使用该发明原理来解决。

在此例中，改善的参数可选为：36装置的复杂性、39生产率；恶化的参数为35适用性及多用性。查冲突矩阵，得到对应的发明原理分别为29、15、28、37和1、35、28、37。对于每个发明原理，参照案例，通过类比获得启发，以求应用到本问题的求解中。

通过对以上发明原理的分析，将29号、37号35号原理舍去。而应用原理15动态化原理、原理28机械系统替代原理和原理1分割原理，可以考虑将两个输入的连接断开，分别由步进电动机输入；凸轮安装设计成快换结构；采用平面槽凸轮代替盘凸轮等方案。

经过以上措施，机构的适用性得到很大提高，并且没有对系统其它性能产生较大影响，问题得到比较圆满解决。

TRIZ提出的物理冲突，是指对一子系统提出相反的要求。本例中，系统体积有限制时，要求凸轮要小，而钥匙孔的深度及旋转角度又要求凸轮不能太小，即对凸轮提出即要小又要大的需求，这是一对物理冲突。TRIZ提出了物理冲突的解决方法，这里不做阐述。

以上只是作者采用TRIZ在试验机机械设计方面进行的一次尝试。由于对TRIZ掌握不熟，理解偏颇、处理不当之处在所难免，这里只是希望起到一个抛砖引玉的作用，使人们对这一创新技法有一个初步的了解，在今后的设计中能起到一定的帮助作用。

5结论

本文运用TRIZ理论进行了车锁疲劳试验机的创新设计，所得方案是简化和高效的，说明TRIZ对克服惯性思维、解决设计中的技术矛盾和物理矛盾、对机械创新设计工作有很大的促进作用。

参考文献

[1]王三民,等.机械原理与设计[M].机械工业出版社.

[2]檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].高等教育出版社.

[3]刘训涛,等.TRIZ理论及应用[M].北京大学出版社.

[4]陈文华,等.ADAMS2007机构设计与分析范例[M].机械工业出版社.

Innovative Design of Testing Machine based on TRIZ

Wang Lin1,Sun Dezhi2,Wang Min1,Huang Bin1

(1.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China; 2.Changchun Guanghua University,Changchun 130033,Jilin,China)

Abstract：The innovative design on vehicle lock fatigue testing machine based on TRIZ theory is introduced in the paper.The aims are to overcome the inertial thinking,to solve the technical and physical contradictions,and to get simplified and efficient solution.It is illustrated that the TRIZ is helpful for the mechanical innovative design.

Keywords:TRIZ;innovative design;fatigue testing machine

[收稿日期]2016-03-09

[作者简介]王琳(1980—)，女，工程师，主要研究方向：仪器设备检测校准。

中图分类号：TH87

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.021