基于TRIZ理论的多头式螺丝刀设计

文/张同瓒 何祎文 卢绍田 王成军（安徽理工大学人工智能学院）

在安装拆卸操作中常用到螺丝刀，螺丝刀由于具有便捷、易携带的特点，成了装修、机械维护、组装等操作中不可或缺的工具。但传统的螺丝刀在一些工作环境中仍有缺点。比如，本研究团队在备战“中国大学生工程实践与创新能力大赛”期间，需要对不同类型模块不同型号的螺丝刀孔进行拆卸、松紧工作，需要随身携带螺丝刀收纳盒与螺丝刀配合使用，操作中不停更换螺丝刀头，十分不方便，而且在携带的过程中容易出现丢失的现象。

一些学者对传统螺丝刀的缺点开展了研究，如杨晨团队基于TRIZ 理论（发明问题解决理论）针对“一”字形和“十”字形螺丝刀做出了改进，提出了一种创新结构，可以让螺丝刀头在“一”字形和“十”字形螺丝刀头之间来回切换，满足了两种螺丝刀类型的需求，而且有效地控制了成本。TRIZ 理论在产品设计中具有独特的优势，它已经被成功应用到轻量化破壁机、爬梯式行李箱、粮食收集机及无人机技术态势研究等领域。为解决传统螺丝刀的缺陷，本文应用TRIZ 理论中的物场分析理论并利用技术矛盾矩阵找到问题的突破口，提出了相应的改进措施。

一、TRIZ 理论概述及基于TRIZ 理论的产品创新设计流程

1.TRIZ 理论概述

TRIZ 理论是一种用于解决矛盾的创新原理和法则，采用系统性思维方式与标准化思维工具，把特定问题抽象化为标准的或一般性的问题，然后采用标准的思维工具，最终得到有针对性的解决方案。

2.基于TRIZ 理论的产品创新设计流程

本文根据TRIZ 理论的矛盾分析解决流程找到问题的突破口，如图1 所示，从“技术矛盾”“物理矛盾”“物场模型”依次来确定是否具有改进的解法，第四步通过需求功能分析，经过多次重新分析问题，确定最终的具体方案。

图1 创新设计流程

二、多头式螺丝刀设计案例

根据TRIZ 理论相应的分析流程寻找问题的突破口，从“产品缺点”“产品在市场上的普及程度”入手来确定是否具有改进的必要，并从“加工成本”“性能提升比例”“是否可以规模化生产”三个角度综合考虑是否具有改进的必要，并通过TRIZ 理论确定最终修改方案。

1.技术矛盾分析

技术矛盾包括以下两个方面：

（1）提高使用方便性（可操作性）和降低生产率之间的矛盾。

（2）提高适应性多样性与降低生产率之间的矛盾。

通过查询39×39 矛盾矩阵，整理得到如表1 所示的解集。

表1 矛盾矩阵解集

由表1 可知，利用“28.机械系统的代替”可以有效解决存在的两种矛盾。本文通过使用Soildworks 进行建模，设计出新的机械系统来优化传统的机械结构。

2.确定解决方案

市面上的螺丝刀可分为手动螺丝刀与电动螺丝刀两种类型。根据其他学者的数据分析可知，手动螺丝刀相对于电动螺丝刀，占据绝对的市场优势，有92%的人表示在日常生活场景中会使用手动螺丝刀进行维修工作，可见对手动螺丝刀的改进工作更有必要。此外，数据显示有60%的用户心理可承受螺丝刀的价格在50 元以下。市场调研显示，螺丝刀的价格集中在30～60 元范围内，可见与用户的预期价格大致重合。

基于以上数据收集与市场调研，本研究对手动螺丝刀的机械结构进行了改进，如图2、图3 所示。

图2 基础外观结构

图3 内部透视结构

本研究设计的多头式螺丝刀整体分为四个部分，如图4 所示，即：1- 磁吸式扳手芯、2- 塑料刀柄、3- 储存单元、4- 磁吸式螺丝刀芯。

图4 多头式螺丝刀结构分析

其中，“磁吸式扳手芯”与“磁吸式螺丝刀芯”使用金属材料制造，并设计出可作用于不同型号螺丝与螺母的刀芯；在“塑料刀柄”末端和“储存单元”安装刀芯的底部用磁铁进行制造，用于固定住磁吸刀芯与扳手芯。

塑料刀柄根据人体手部拧螺丝刀的工作结构，采用人体工学设计，如图5 所示，在进行紧固螺丝刀的工作时，主要是通过拇指和食指的第二关节发力，提供一个向前的推力F1，并提供一个旋转力F2，从而完成螺丝的紧固工作。通过多种结构的反复测试，螺丝刀柄采用如图4 所示的“葫芦形”设计方案，表现为“两头粗，中间细”的结构特点，整体使用橡胶材料，不仅可以让使用者在工作中更加舒适，而且可以提高工作效率。该方案可以有效增加推力F1，提供更大的旋转力F2，不让手指滑动，而且中间较细部分的橡胶带有一定的纹路，能进一步增加旋转摩擦力F2，并采用一定的特殊弧度设计，可以有效抵住拇指和食指的第二关节。在使用者反向握取螺丝刀柄时，可有效地契合在塑料刀柄尾部加装的“磁吸式扳手芯”的人体工学设计，并进一步增加向前的推力F1。

图5 紧固螺丝手握方式

接下来是主体部分的原理介绍，其内部结构如图6 所示，主要包括：5- 小径圆柱、6- 大径圆柱、7- 下拉按钮、8- 固定弹簧、9- 螺丝刀芯固定处、10- 螺丝刀芯使用处。

图6 主体部分零件介绍

其中，“小径圆柱”与“大径圆柱”采用空心结构设计，可以在一定程度上节省原材料。二者的作用：储存单元中小径圆柱与塑料刀柄进行组装，小径圆柱穿过螺丝刀柄，并进行固定，使二者不会分离（此处的“固定”是笼统上的定义，具体固定方式以实物为准），并让大径圆柱抵住螺丝刀柄，其目的是留出充足的空间，将磁吸式螺丝刀芯从下拉按钮上侧装入螺丝刀芯固定处。

下拉按钮结构如图7、图8 所示，整体采用塑料结构进行加工，图示中的弹簧与扭簧采用市面普遍使用的上高碳钢材质进行组装。

图7 下拉按钮结构图一

图8 下拉按钮结构图二

图7 中的结构包括：11- 按钮、12- 弹簧、13- 移动卡槽、14- 旋转卡槽。

图8 中的结构包括：15- 扭簧、16- 扭簧固定装置、17- 弹簧末端固定孔。

图9 为“塑料套”与“磁吸式螺丝刀芯”的装配体。

图9 螺丝刀芯与塑料套装配体

图9 中的结构包括：18- 塑料突起、19- 塑料套。

塑料套上的“18- 塑料突起”是用来固定螺丝刀芯的，与“7- 下拉按钮”相固定。其中塑料套采用聚丙烯塑料作为加工原料，这种材质具有优良的耐腐蚀性、耐磨性，并可以适应多种环境。

在下拉按钮进行工作时：将“磁吸式螺丝刀芯”从上侧装入“螺丝刀固定处”，按下按钮，在拉杆的作用下，移动卡槽会被收起，向一侧移动，螺丝刀芯在重力的作用下，使得图9 中所示的“18- 塑料突起”卡入移动卡槽与旋转卡槽中间，完成螺丝刀芯的装载。

在需要取出“磁吸式螺丝刀芯”放置在“螺丝刀芯使用处”时：松开按住的按钮，向下拉动按钮，在两个卡槽的带动作用下，使得装入的“磁吸式螺丝刀芯”可以从“螺丝刀固定处”的下侧露出，操作者从“储存单元”中拔出“磁吸式螺丝刀芯”，同时“塑料突起”带动“旋转卡槽”克服“扭簧”的旋转力作用，最终被拔出。最后将“磁吸式螺丝刀芯”放置在“刀芯使用处”即可使用。

然后扭簧会带动旋转卡槽恢复到原位，与此同时，“8- 固定弹簧”作用下拉按钮的“16- 弹簧末端固定孔”，使之恢复到“刀芯固定处”的最上端的初始位置。

除了螺丝刀可携带多个磁吸式螺丝刀芯，外加如图10 所示的磁吸式刀芯收纳排，可以在工作中需要携带更多型号的扳手或者螺丝刀芯时携带更多数量的“1- 磁吸式扳手芯”和“4- 磁吸式螺丝刀芯”，且可用“20- 挂钩”挂扣在钥匙扣等上面，起到随身携带的作用。

图10 磁吸式刀芯收纳排

图10 中的结构包括：1- 磁吸式扳手芯、4- 磁吸式螺丝刀芯、20- 挂钩。

三、方案检验与细化

矛盾矩阵有一个缺点：在技术系统“参数属性”不明显的情况下，矛盾矩阵表无法有效发挥作用。因为在有些情况下，矛盾是不可见的，但问题仍然存在，需要得到解决。此时，技术系统问题的“结构属性”比较明显，适合使用另一种方法——物场分析法进行再次分析。

1.物场分析法概述

物场分析法是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论与方法。它建立在现有产品的功能分析的基础上，是TRIZ 中一种重要的问题描述和分析工具。表2 是关于物场模型的6 个一般解法。在实际问题的解决中，系统的作用是非常复杂的，各功能相互交错，有利效应和有害效应共存。灵活运用物场分析方法，将实际工作需要解决的问题用物场模型进行描述，有助于将需要解决的问题格式化。

表2 物场分析法的6 个一般解法

利用物场模型对上述“多头式螺丝刀”进行分析，如图11 所示，左侧为未经过改造的传统手动螺丝刀，在缺少S3 的情况下，可以看出S2 对S1 的作用是“效应不足”。由表2 可知，由“一般解法4，5 或6”来解决此问题，经过综合考虑，在此采用“一般解法6”进行解答。经过改造后的机械结构加入一个新的储存单元S3，并引入新的机械场，使得S2 对S1 的作用更加充分，即图11 右侧的物场模型。

图11 物场模型

2.细化改进

原产品为直接在“磁吸式螺丝刀芯”增加“塑料突起”的结构，但考虑到螺丝刀芯的加工成本，需要对原有的生产线进行升级改造，这将使企业的负担加重。本研究对其设计进行改进，采用一种外加塑料套的方法来固定刀芯，从而可以直接利用市面上已经成型的规模化生产的“磁吸式螺丝刀芯”用于本产品的组装，大大降低产品的生产成本，更有利于产品打入市场。

3.改进优点

可以一次性携带至少7 枚螺丝刀芯，在日常生活中螺钉类型使用较少的情况下，只需要携带一个螺丝刀即可，省去了螺丝刀芯收纳盒。这在一定程度上起到了避免“螺丝刀芯”放丢失的作用。

塑料刀柄末端的“磁吸式扳手芯”，可以代替扳手的功能，起到拧螺母的作用，可以用来紧固M1.4—M5型号的螺母。

塑料刀柄采用塑料材质进行加工，并与人体工学设计相结合，可以在很大程度上增大摩擦力，并可以让使用者有更加舒适的体验。

四、完整的工作流程

在工作中执行拆卸和组装任务时，提前选好需要使用的螺丝刀芯类型（最多支持携带7 个螺丝刀芯）与需要用到的扳手型号。将“磁吸式扳手芯”安装在“塑料刀柄”末端的凹槽中，确保磁铁将其吸住。

然后进行“磁吸式螺丝刀芯”的安装，按住下拉按钮，把螺丝刀芯从“刀芯固定处”的上侧装入，确保“塑料突起”卡入卡槽之中，在需要更换螺丝刀芯时，从“刀芯固定处”的下侧取出，取替“螺丝刀芯使用处”的刀芯即可完成更换。

在使用扳手紧固螺母时，只需要将“多头式螺丝刀”反向拿取，即可对螺母进行松紧操作。

五、结论

为克服同一类型传统螺丝刀、螺丝刀芯容易丢失、在高空作业时不便更换刀芯，以及在拧螺母时需要另外携带扳手工具的问题，基于TRIZ 理论设计了一种新型螺丝刀，具体结论如下：

（1）通过分析现有螺丝刀的缺点，结合产品在市场中的普及程度，通过技术矛盾分析并结合39×39矛盾矩阵表，发现问题所在，并合理提出问题的解决方法——使用机械系统代替。经过物场模型再次进行分析，可以有效解决发现的问题。同时，基于TRIZ 理论设计的螺丝刀可为同类作品提供设计参考。

（2）所设计的多头式螺丝刀结构简单，加工成本低，环境通用性强，可以广泛地应用于零件组装中，从而节省工作时间，提升工作效率。