产品设计中的资源分析方法

曹 贺，刘训涛，赵存有，徐 鹏

(黑龙江科技大学 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

资源是一切可被人类开发和利用的物质、能量和信息的总称。充分分析现有资源，开发新资源才能更好地改善或设计新的技术系统。解决问题的实质就是对资源的合理应用。TRIZ理论要求问题解决者在解决问题时，要全面细致地考察并列出系统涉及的所有资源。任何系统，只要还没有达到理想解，就应该具有可用资源。对资源进行分类，详细分析，深刻理解，对设计人员十分必要[1]。

1 资源分类

设计中的产品是一个技术系统，任何技术系统都是超系统或自然的一部分。系统在特定的空间与时间中存在，由物质构成，要应用场来完成某种特定的功能。因此，资源通常按照物质、能量/场、信息、时间、空间和功能等来划分，将资源分为6类，并对各类资源的意义及应用建议进行了概况(见表1)。

2 资源的考察

为了便于寻找和利用资源，可以利用图1所示的资源寻找路径。寻找资源优先操作区、系统内寻找，只有系统内部的所有资源都不能解决问题时，才考虑从外部引入新的资源。选择资源时，应优先选择免费、有害、无限、成品。如能利用有害物质、场和有害功能作为资源，则解决问题会更有成效，避免损失，额外赢利。

表1 资源分类

图1 资源寻找路径

3 多屏幕资源分析法

设计过程中所用到的资源很多是隐形的，需要认真挖掘，将隐形资源显性化，才能成为有用资源。在设计中认真考虑各种资源有助于开阔设计者的眼界，使其能跳出问题本身，这对于将全部精力都集中于特定的子系统、工作区间、特定的空间与时间的设计者解决问题特别重要。

多屏幕法是TRIZ理论用于进行系统分析的重要工具，可以很好地帮助使用者进行超常规思维，克服思维惯性，能够帮助我们从结构、时间以及因果关系等多维度对问题进行全面、系统的分析，使用该方法分析和解决问题时，不仅应考虑当前系统，还应考虑它的超系统和子系统；不仅应考虑当前系统的过去和未来，还应考虑超系统和子系统的过去和未来。

简单地说，多屏幕法就是以空间为纵轴，来考察“当前系统”及其“组成(子系统)”和“系统的环境与归属(超系统)”；以时间为横轴，来考察上述3种状态的“过去”“现在”和“未来”，从而将被考察系统构建成至少9个屏幕的图解模型。多屏幕法如图2所示。

图2 多屏幕法

多屏幕法资源分析见表2[2]。可以利用多屏幕资源分析表，充分挖掘系统、子系统、超系统中的资源，系统地从内向外、从上至下挖掘可用资源，体现资源价值，从而得到创新设计方案。

表2 多屏幕法资源列表

4 拖拉机动力输出总成方案设计分析

本文以拖拉机为例，拖拉机中动力输出总成是大功率轮式拖拉机的重要组成部分，可将发动机动力输出给后挂的农机具，起到调整农机具工作速度和牵引力的作用[3]。动力输出总成由动力输入轴、齿轮、同步器、动力输出轴和轴承等组成(见图3)。

4.1 多屏幕法的动力输出总成资源分析

考虑当前系统及其超系统和子系统，填写资源列表(见表3)。

图3 动力输出总成

表3 多屏幕法资源列表

4.2 多屏幕法的动力输出总成方案分析

4.2.1 系统的多屏幕分析

系统的多屏幕分析见表4，当前系统是运用动力输出总成的驱动型耕作系统，当前系统的过去是牵引型耕作系统，当前系统的未来是自适应的动力输出总成的驱动型耕作系统。

表4 动力输出总成的多屏幕法

当前系统的子系统包含多个零件，这里侧重分析动力输出轴，因为动力输出轴所受负荷比较复杂，在工作过程中会出现断裂，目前对该问题的改进大多是改进动力输出轴的热处理工艺[4-6]。因而子系统的过去是未进行热处理的动力输出轴，当前子系统是热处理的动力输出轴，子系统的未来是改进热处理工艺的动力输出轴。

当前系统的超系统考虑与动力输出总成相关联的变速箱、离合器及农机具。动力输出总成的功能是将发动机的动力输出给后挂的农机具，因而有必要充分发掘超系统中的资源。当前系统的过去是牵引型耕作系统，因而对于超系统的过去，动力输出总成与变速箱没有关联，离合器是单输出，超系统中的资源没有有效利用。通过资源分析，发现超系统中资源较多，提示动力输出总成方案设计可以尽可能利用超系统中的资源。

1)超系统中的离合器。

系统分析的目的是实现动力的同步传递，因而考虑将离合器设计成双输出形式，分别驱动变速箱输入轴和动力输出总成中的动力输入轴，实现同步传递动力。

2)超系统中的变速箱。

拖拉机变速箱的传动比一般较大，因而变速箱由至少3根轴(输入轴、中间轴、输出轴)及若干齿轮组成。考虑将变速箱输入轴制成中空，以容纳动力输入轴从中穿过。但是，一般情况下，变速箱输入轴轴径较小，若制成中空，则容纳的动力输入轴轴径尺寸受限，难以满足强度要求，若要满足动力输入轴的尺寸及强度要求，就必须增大变速箱输入轴轴径，这又会导致变速箱整体体积增加，这就产生了矛盾，要求变速箱输入轴轴径既要大又要小，是针对系统中的某一参数提出2种不同的要求，这是一对物理矛盾[7-8]。TRIZ理论认为，不断解决矛盾是技术系统进化的动力，而有效利用资源是解决矛盾的重要途经[9-11]。一般来说，变速箱的中间轴和输出轴的轴径相比输入轴轴径要大一些，而变速箱的输出轴需要通过万向节连接驱动桥，所以考虑将变速箱的中间轴制成中空，容纳动力输入轴。这就需要借助能量资源，外加一对齿轮传动，所以超系统的未来考虑在离合器输出后，添加一对齿轮啮合来传递动力，这样就可以使动力输入轴从变速箱的中间轴的空腔中穿过，实现动力的传递。

4.2.2 系统传动方案初探

通过上述分析，结合动力输出总成，设计2个传动方案。图4所示为双输出离合器，变速箱输入轴中空，将动力传至动力输出总成的方案。该方案实现了动力的同步传递，但需结合生产实际适当增大变速箱输入轴轴径。图5所示为双输出离合器，借助一对常啮合齿轮将动力传至变速箱中间轴位置，变速箱中间轴中空，动力输入轴从变速箱的中间轴中穿过的方案。该方案不改变变速箱的设计，但需要另外增加一对齿轮传动。

图4 变速箱输入轴中空的动力传动方案

图5 变速箱中间轴中空的动力传动方案

上述是运用多屏幕资源分析方法获得的2个动力传动方案，但不局限于此。在此方法指导下，结合变速箱具体传动路线，充分挖掘和利用资源，可以开发出多种方案。

5 结语

解决技术问题的实质就是对资源的挖掘和合理利用，资源分析就是要发掘系统、子系统和超系统中资源的有机联系。多屏幕法按照空间和时间2个维度，探索系统内部和超系统中的资源，系统过去和未来的资源。通过对拖拉机动力输出总成进行多屏幕资源分析，充分挖掘利用超系统中的资源，得到2种动力传动方案，验证了多屏幕资源分析的有效性。