1、基于 TRIZ 理论的离合器机构的创新设计第 21 卷第 5 期2008 年 9 月机电产品开发与崭DevelopmentInnovationofMachineryElectricalProductsVo1.21,No.5Sep.,2008基于 TRIZ 理论的离合器机构的创新设计刘明忠,王家海(同济大学机械工程学院,上海 200092)摘要:以某自动线机械式离合器机构的创新设计为例 ,介绍了 TRIZ 理论解决产品创新问题的一般过程.说明了如何将实际问题抽象为工程技术参数,如何利用“原理“ 指导设计过程等应用问题.重点阐述了冲突矩阵在产品创新过程中的具体应用.关键词:TRIZ;创新设计;机械
2、式离合器中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:10026673(2008)05014020 引言在某一自动生产线上有一套离合器装置,可以通过人工手动操作方式,实现主从动部分在同轴线上传递运动和动力时来实现接合和分离功能.在实际生产过程中.操作的工人脱开离合器时要用很大的力气才能将其脱开,严重时会将扳动用的手柄扳断.由于结构限制,不允许做过多修改.为迅速解决问题,必须采用快速有效解决方法.1TR 亿理论创新设计理论 TRIZ(theoryofinventiveproblemsolving)是俄文中解决发明理论的词头,该理论是前苏联 G.S.Altshuler 等人从 1946 年开始
3、.在研究了 250 万件专利的基础上提出的.TRIZ 是一种基于知识的,面向人的,系统化的解决发明问题的理论.它将产品创新的核心一产生新的工作原理过程具体化,提出了许多规则,算法和发明原理供人们使用,现已成为一种较完善的设计理论.TRIZ 解决问题的一般过程:概括的说,应用 TRIZ 的第一步是对给定的问题进行分析,如果发现存在冲突,则应用“原理“ 去解决;如果问题明确,但不知道该怎么做,则应用“效应“ 去解决:如果是对系统的进化过程进行分析,就应用“预测“ 去解决 .在对设计结果进行评价后,如果发现新问题,则要求对问题继续分析,直到不出现新问题为止.最后是执行.收稿日期:2008 一 O62
4、8作者简介:刘明忠(1977-),男 ,硕士研究生.142 设计过程2.1 分析问题问题描述:离合器结构如图 1 所示.当操作人员用手柄将旋转的离合器脱开时,离合器不容易脱开.此离合器为机械式离合器,静止或低速时脱开较容易.但紧急脱开时,机器正运行于相对较高的速度中.抽象后的描述为:旋转时离合器的脱开力大于或接近于人的操纵力.冲突区域:由分析问题及抽象后的结果,我们很容易发现主要的冲突发生在速度和力的关系之间.X图 1 离合器结构即脱开力的改善的同时速度降低了.表 1 冲突矩阵冲突确定降低脱开力速度不减少标准工程参力速度数描述冲突12 等势原理:在势能场中.避免物体位置的改变.13 逆向思维:
5、A 颠倒过去解决问题的办法.B 使物体的活动部分改变为固定的.让固定的部分变为活动的,C 翻转物体(或过程).15 动态化:A 使物体或其环境自动调节.以使其在相应原理每个动作阶段的性能到最佳,B 把物体分成几个部分,各部分之间可相对改变位置,C 将不动的物体改变为可动的,或具有自适应性.28 机械系统的替代:A 用感官刺激的方法代替机械手段,B 采用与物体相互作用的电,磁或电磁场,C场的替代,D 将场和铁磁离子组合使用.2.2 拟订设计方案根据由冲突矩阵得出的原理,初步拟订设计方案:?开发与创新?根据原理:l2 等势原理,经分析与本问题无关,予以剔除.15 动态化,相信可以根据此原理解决问题
6、,但解决成本会相应上升,暂不考虑.28 机械系统的替代 B采用与物体相互作用的电,磁或电磁场.电磁离合器是利用励磁线圈电流产生的电磁力来操纵接合元件,使离合器接合或脱开,其动作反应快,离合迅速的特点使电磁离合器已经得到广泛的应用.在本案中,要增加一些电气控制.没有找到其他解决办法之前不失为一个好的解决方案.13 逆向思维是否能找到一个奇妙的方案呢,以下将做详细分析.2.3 逆向思维创造方法(1)功能逆向法.就是指从已有事物的相反功能,去设想和寻求解决问题的新途径.从而获得新的创造发明.从已有事物的相反功能去设想和寻求解决问题的新途径,获得新的创造发明的思维方式即为功能反转.(2)对立归纳法.就
7、是指在相互对立的事物里找出共同的本质特征或功能.从已有事物的相反结构形式去设想和寻求解决问题的新途径的创造性思维方式属结构反转.相互对立的事物绝不会没有任何共同之处,对立面在一定条件下能够相互转化,就证明它们存在着同一性.(3)状态反转法.就是指人们根据事物的某一属性(如动与静) 的反转来认识事物和引发创造发明的一种方法.从已有事物的因果关系,反过来由“果“ 去发现新的“ 因 “(现象,规律),寻找解决问题的方法就是因果反转.(4)换位法.从已有事物的另一属性,反转过来,发现或创造一种新的产品或技术的方法称作状态反转.就是将考察的命题颠倒过来.发明新事物的创造方法.总之,当思考的问题用常规方法
8、得不到解决时,应考虑转换思考角度,缺点逆用等思维方式来重新思考,这是人们在发明创造时常用的方法.原离合器设计采用压嵌式离合器.考虑到在轴转动时离合器啮合牙齿不自动脱开,两啮合牙齿稍微有 2.倒勾.当离合器具有一定速度时,离合器牙齿间产生的压力沿水平方向的力会促使啮合齿轮具有一个更加抱紧的趋势.再加上摩擦力的影响,此时脱开离合器的脱开力=水平方向的分力+ 摩擦力 .根据以上的逆向思维思路.能否将此牙型角改为相反的方向呢.基于以上设想,现将牙型角改为没有倒勾的角度8,如图 2 所示,驱动力 P 使从动离合器产生运动的有效分力为水平分力 P,即:P1=Psinp=Pntgp,垂直分力 Pn 使从动离
9、合器所受的最大摩擦阻力为:F 一=PnlgP3 实践与验证一般当工作面的倾斜角 B=20_8o,产生的轴向分力就不会使离合器自动脱开.在本案例中,只需稍许降低脱开力即可,保守采用 2.倾斜角,将原有离合器拆下,修改完倾斜角后,在驱动速度在最快情况下,手动接合和脱开离合器均感觉轻松.4 结论TRIZ 的冲突解决理论是产品创新的有效工具.它能帮助工程设计人员迅速发现主要问题并提供解决问题的相应原理,对工程实际问题非常有指导意义.TRIZ理论将难以琢磨的发明创造过程通过一种相对简单的逻辑思维展现在人们眼前,使创新设计过程得以简化.利用 TRIZ 理论重新设计改造的离合器机构原理更加简单.在众方案中最
10、简单最快捷的解决了实际问题,再一次证明了 TRIZ 理论在创新设计中的重要作用.因此,TRIZ理论是一种非常有效的程式化的创新设计方法.参考文献:【1】檀润华,王庆禹,苑彩云,等.发明问题解决理论:TRIZ 过程,工具及发展趋势J】.机械设计,2007,7.【2】杨清亮.发明是这样诞生的 fM】.北京机械工业出版社 ,2006,7.【3】机械设计手册编委会.机械设计手册【M】.北京 :机械工业出版社,2007.TheInnovationDesignforClutchMachineryBasedonTRIZTheoryLIUMing-Zhong,WANGJia-Hai(CollegeofMech
11、anicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:TheprocessforsolvingtheinnovationdesignofproducubasedonTklZtheorywasintroducedwiththeexampleofinnovationdesignforclutchmachinery.Theapplicationproblemhowtoabstractengineeringparametersfrompracticalityandhowtousetheinventiveprinciplestodirectthedesignwasexplained.Apphcationofcontradictingmatricesamongtheprocessofproductinnovationwasemphasized.Keywords:TRIZ;innovadondesign;clutchmachinery15