基于TRIZ理論的無碳小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘要：文章通過對(duì)無碳小車進(jìn)行能量分析、運(yùn)動(dòng)特性分析以及整體結(jié)構(gòu)分析，找出設(shè)計(jì)存在的問題，建立問題模型；結(jié)合TRIZ理論的矛盾矩陣，確定所要研究的技術(shù)參數(shù)；通過矛盾矩陣，找出適應(yīng)于無碳小車具體設(shè)計(jì)的發(fā)明原理；對(duì)無碳小車進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)出一款具有穩(wěn)定可靠、運(yùn)動(dòng)性能更佳的無碳小車。

關(guān)鍵詞：無碳小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)；TRIZ理論；矛盾矩陣；技術(shù)參數(shù)；機(jī)械化設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP235 文章編號(hào)：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

第三屆全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的主題是設(shè)計(jì)一種通過重力勢(shì)能為驅(qū)動(dòng)的具有方向自行控制的無碳小車。給定重力勢(shì)能為4焦耳由質(zhì)量為1kg的重塊（普通碳鋼Ф50*65mm）鉛垂下降來獲得，落差，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運(yùn)動(dòng)，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖：

圖1 小車示意圖

本文將采用TRIZ理論，對(duì)無碳小車的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行問題分析，找出適合設(shè)計(jì)要求的解決方案，設(shè)計(jì)并完成無碳小車的整車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以使無碳小車能夠具有更好的適應(yīng)性以及可靠性。

TRIZ是由俄文中“發(fā)明問題的解決理論”的字頭得來，是以前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）為代表的科研人員于1946年開始了有關(guān)TRIZ理論和實(shí)踐的研究，主要目的是研究人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則。為此，阿奇舒勒歷經(jīng)多年結(jié)合原蘇聯(lián)研究所組成的數(shù)百人的研究團(tuán)隊(duì)分析研究了全世界近250萬件發(fā)明專利，綜合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的原理、法則，形成了TRIZ的理論體系。

1 建立TRIZ理論問題解決模型

TRIZ理論包含了創(chuàng)新的理念，現(xiàn)在廣泛運(yùn)用在創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中。現(xiàn)代TRIZ理論的核心思想主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）無論是一個(gè)簡(jiǎn)單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式；（2）各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動(dòng)這種進(jìn)化過程的動(dòng)力；（3）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)盡量多的功能。

在運(yùn)用TRIZ理論的過程中，首先對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，通過TRIZ理論的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行描述，并找出TRIZ問題表述的矛盾解決矩陣。利用TRIZ理論所給出的TRIZ工具，其中包括40條發(fā)明原理、分離原理、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解以及ARIZ方法等。得到解決問題的標(biāo)準(zhǔn)解。然后，根據(jù)實(shí)際情況以及經(jīng)驗(yàn)公式將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的特定解，也就是所謂的實(shí)際解決方案。在無碳小車的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)以上的TRIZ解決問題的方法。首先，需要對(duì)能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析。進(jìn)一步了解無碳小車的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系以及相應(yīng)的損失。其次，對(duì)無碳小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，得到需要優(yōu)化的技術(shù)參數(shù)。最后，根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)的矛盾關(guān)系。采用TRIZ理論中工具——矛盾矩陣，找到可以解決問題的標(biāo)準(zhǔn)解。再根據(jù)實(shí)際情況的描述，找到具體的特定解。最終得到具備更好穩(wěn)定性以及適應(yīng)能力更好的參賽小車。

2 能量及運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 能量分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求。無碳小車的初始總能量為4焦耳，即重錘在小車最高點(diǎn)的位置時(shí)，在理想狀態(tài)下，根據(jù)機(jī)械能守恒定律。即：

（1）

由于在初始狀態(tài)下，重錘高度為0.4m（默認(rèn)重錘達(dá)到最低點(diǎn)的為零），無碳小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，即速度為。當(dāng)重錘落下至最低點(diǎn)的時(shí)候，重錘高度為0m，此時(shí)，小車的速度達(dá)到最大為（）：

（2）

此時(shí)，由于小車速度不為零，在慣性的作用下。小車還將繼續(xù)行駛，直至速度為零。

由于在實(shí)際情況下。首先，無碳小車本身有重量，且與地面接觸有摩擦，會(huì)有一部分的能量摩擦生熱而損失，并且這部分能力損失與小車的重量成正比。其次，無碳小車中各個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)作過程也會(huì)有能量損失，且與機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度成正比。最后，無碳小車在實(shí)際行駛過程不會(huì)遵守機(jī)械能守恒定律，將會(huì)出現(xiàn)能量損失，即：

（3）

2.2 運(yùn)動(dòng)特性的分析

由能量分析中機(jī)械能守恒定律得知：初始時(shí)，無碳小車的速度；當(dāng)重錘高度降為一半時(shí)，無碳小車的速度為：

（4）

小車隨著重錘的下降，將繼續(xù)行進(jìn)，達(dá)到速度的最大值重錘到了最低點(diǎn)，直至速度降為零。

由于小車在實(shí)際行走過程中，受摩擦力以及機(jī)構(gòu)運(yùn)作阻力的影響。在重錘達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，小車的速度會(huì)小于。無碳小車最終能完成的路程也就小于理想狀態(tài)下所行走的路程。

3 無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 TRIZ理論問題解決

根據(jù)對(duì)無碳小車的能量分析以及運(yùn)動(dòng)特性的分析。得知由于無碳小車的總能量為定值，而且受實(shí)際情況的影響。首先，無碳小車在行走時(shí)，會(huì)出現(xiàn)能量損失，而且能量損失與無碳小車的自身重要有關(guān)。其次，為了讓無碳小車在行走過程中不會(huì)出現(xiàn)翻車的現(xiàn)象，所以無碳小車自身要有良好的穩(wěn)定性，并且無碳小車的穩(wěn)定性與自身重量有關(guān)，其自身重量大、穩(wěn)定性好。由此可知，根據(jù)TRIZ理論所給出的解決問題的工具——39個(gè)技術(shù)參數(shù)。

無碳小車需要解決的就是運(yùn)動(dòng)物體的重量、能量損失以及穩(wěn)定性之間的關(guān)系。通過TRIZ理論所給出的矛盾矩陣，如表1，找出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解。求得標(biāo)準(zhǔn)解之后，根據(jù)實(shí)際情況，為了既能保證無碳小車的穩(wěn)定性，又能避免造成過多的能量損失，決定在材料的選擇以及結(jié)構(gòu)上找出相應(yīng)的特定的解決方案。

3.2 材料的選型

根據(jù)TRIZ理論中40個(gè)發(fā)明原理的標(biāo)準(zhǔn)解。在材料的選擇方面，要求是重量輕，并且具有良好的機(jī)械性能的材料。傳統(tǒng)用的大多數(shù)以鋼材為主，以45號(hào)鋼為例。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》這種鋼材根據(jù)國(guó)家中國(guó)牌號(hào)45編號(hào)UNS標(biāo)準(zhǔn)號(hào)GB 699-88化學(xué)成分（%）0.42～0.50C，0.17～0.37Si，0.50～0.80Mn，0.035P，0.035S，0.25Ni，0.25Cr，0.25Cu形態(tài)錠、坯、條、管、板、帶狀態(tài)不熱處理、退火、正火、高溫回火，其抗拉強(qiáng)度600Mpa屈服強(qiáng)度355Mpa伸長(zhǎng)率16%密度7.85；鋼材的密度過大，在單位體積下，重量大，不適宜制作無碳小車。由此，找出適合無碳小車的制作材料密度較小的鋁合金。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，5052鋁合金，材料名稱：鋁及鋁合金擠壓棒料（小于150mm，H112、T6、O）標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3880-2006；力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度173～244MPa，條件屈服強(qiáng)度大于70MPa，密度2.71；由于無碳小車載荷不大，鋁合金的強(qiáng)度滿足其要求，并且鋁合金遠(yuǎn)小于鋼材的密度，鋁合金為最佳選擇。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械創(chuàng)新性設(shè)計(jì)中，有一部分創(chuàng)造性的思維是源于觀察動(dòng)物身上的某個(gè)功能得來的，就好比將某個(gè)功能從動(dòng)物身上抽取下來。由這一創(chuàng)新思維的方法進(jìn)一步聯(lián)想到，爬行動(dòng)物在行走的過程中十分穩(wěn)重，其原因是腹部遇地面的距離很近，幾乎和地面相接觸，使得動(dòng)物本身重心低，在行走過程能夠很好地保持其平穩(wěn)性。在無碳小車整體設(shè)計(jì)中，由于無碳小車受到自身重量的限制，為了更好地保證無碳小車的穩(wěn)定性。在整車的結(jié)構(gòu)布局方面，抽取爬行動(dòng)物的重心低的功能，將采取盡可能降低整車的重心，并且保證整車的結(jié)構(gòu)要緊湊。在底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將底盤與地面的距離選擇最小值。最終方案得到一種低底盤整體車架結(jié)構(gòu)的無碳小車，該結(jié)構(gòu)在行走過程中提高了整車的穩(wěn)定，避免無碳小車在行走過程中的翻車現(xiàn)象。圖2為無碳小車整體車架結(jié)構(gòu)：

圖2 無碳小車整體車架結(jié)構(gòu)

3.3.1 動(dòng)力轉(zhuǎn)化：采用定滑輪結(jié)構(gòu)將重錘的通過線繩連接到輸入軸端。將重錘的下落時(shí)的動(dòng)力傳遞給輸入軸，然后通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力分別輸入給驅(qū)動(dòng)輪以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

3.3.2 后輪驅(qū)動(dòng)：后輪中，將左輪采用與軸過盈配合，實(shí)現(xiàn)左輪驅(qū)動(dòng)。而后，將右輪與軸用軸承連接，實(shí)現(xiàn)右輪與軸可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過將左輪驅(qū)動(dòng)右輪空轉(zhuǎn)這種結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)無碳小車在轉(zhuǎn)向過程的差速過程。

3.3.3 前輪的轉(zhuǎn)向：將動(dòng)力通過摩擦輪傳遞給凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)再將動(dòng)力傳遞給與前輪相連的四連桿機(jī)構(gòu)。以此實(shí)前輪的轉(zhuǎn)向。為了能使無碳小車準(zhǔn)確走出“8”字，在凸輪的設(shè)計(jì)方面采用UG三維軟件進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，精確地設(shè)計(jì)出凸輪的形狀尺寸。在前輪的四連桿機(jī)構(gòu)中分別加裝橫向縱向螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)前輪的轉(zhuǎn)彎半徑。

3.3.4 整車安裝：將無碳小車設(shè)計(jì)出的各個(gè)機(jī)構(gòu)首先通過銷釘定位的方式確定好各個(gè)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確位置，這樣做的目的是方便無碳小車在比賽的過程中二次拆解安裝后還能準(zhǔn)確找到零件位置，減輕不必要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。最后再通過螺紋聯(lián)接將各個(gè)零件進(jìn)行固定。在有些易松動(dòng)變形的位置直接采用鉚釘聯(lián)接，防止再次拆解。

4 結(jié)語(yǔ)

無碳小車的設(shè)計(jì)制作過程是大學(xué)生綜合能力素質(zhì)的具體表現(xiàn)，也是檢驗(yàn)大學(xué)生在工程訓(xùn)練中學(xué)習(xí)成績(jī)的過程。在方案設(shè)計(jì)過程中，如何正確運(yùn)用合理的設(shè)計(jì)方法，在無碳小車制作過程中起到了提綱挈領(lǐng)的作用。本文通過運(yùn)用TRIZ理論設(shè)計(jì)方法，讓學(xué)生了解到這種設(shè)計(jì)方法在現(xiàn)在創(chuàng)新性設(shè)計(jì)應(yīng)用的廣泛性。TRIZ理論打破的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維模式，通過多方面的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)工具，解決設(shè)計(jì)過程中的疑難雜癥，使設(shè)計(jì)過程變得更加高效合理，也為機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更好的設(shè)計(jì)理念。

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作者簡(jiǎn)介：郭剛（1989-），男，廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械裝配鉗工及鑄造技術(shù)工程實(shí)訓(xùn)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）