TRIZ 理論在自行小車優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

彭開元,葉際隆,方春平,于源

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029)

0 引言

自行小車是一種利用重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)的具有方向控制功能的自行小車,小車在前行時(shí)能夠自動(dòng)避開前方一字排布的障礙物,前行過(guò)程中完成的所有動(dòng)作所需的能量均由重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換獲得。自行小車的設(shè)計(jì)目的是節(jié)能環(huán)保,設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于小車路線的精確控制與較高的能量轉(zhuǎn)化率,但目前各大高校的學(xué)生所設(shè)計(jì)的自行小車結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)化率普遍較低,小車的行進(jìn)路線也無(wú)法精確的控制,缺少自行小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的建模與分析[1]。利用TRIZ理論對(duì)自行小車的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化,對(duì)自行小車的設(shè)計(jì)與建模工作具有較大的意義。

1 TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論,即“發(fā)明解決問(wèn)題理論”,是由蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller及一批研究人員在分析了世界各國(guó)250萬(wàn)件專利的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。他們從這些最有效的解中抽象出TRIZ解決發(fā)明問(wèn)題的基本方法,這些方法又可以普遍地適用于新出現(xiàn)的發(fā)明問(wèn)題,協(xié)助人們獲得這些發(fā)明問(wèn)題的最有效的解。[2]用TRIZ理論解決發(fā)明問(wèn)題的核心就是將要解決的問(wèn)題抽象化,轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題得出標(biāo)準(zhǔn)解,并最終得到最佳方案。TRIZ理論解決問(wèn)題的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問(wèn)題的流程圖

在TRIZ理論中,出發(fā)點(diǎn)是借助于經(jīng)驗(yàn),對(duì)問(wèn)題定性描述來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的矛盾。矛盾是一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾,為了改善技術(shù)系統(tǒng)中的某個(gè)參數(shù),導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)中的另一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化,這兩個(gè)參數(shù)就被稱為是改善參數(shù)與惡化參數(shù),即為TRIZ理論中的一組矛盾[3]。

在TRIZ理論中,通過(guò)大量的工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出48個(gè)通用工程參數(shù),不同設(shè)計(jì)問(wèn)題的改善參數(shù)與惡化參數(shù)都包含在48個(gè)通用工程參數(shù)中,改善參數(shù)與惡化參數(shù)的不同組合即形成了矛盾矩陣。矛盾矩陣中的種種矛盾又對(duì)應(yīng)了40條創(chuàng)新原理。工程領(lǐng)域中的絕大多數(shù)問(wèn)題都可以從40條創(chuàng)新原理中得到啟發(fā)。48個(gè)通用參數(shù)與40條發(fā)明原理如表1、表2所示。

表1 48個(gè)通用技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

表2 40條發(fā)明原理

續(xù)表2_

當(dāng)所要解決的問(wèn)題難以找到明確的矛盾,從而無(wú)法使用矛盾矩陣時(shí),用TRIZ理論中的物－場(chǎng)分析也能夠解決某些問(wèn)題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中用文字對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述,造成問(wèn)題描述的歧義,而物－場(chǎng)分析法通過(guò)圖形描述問(wèn)題,將要解決的問(wèn)題分解為物質(zhì)和場(chǎng)[4]。物－場(chǎng)分析理論認(rèn)為所有的功能都可分解為3個(gè)基本要素:兩個(gè)物質(zhì)和一個(gè)場(chǎng)。物質(zhì)或場(chǎng)的增添和減少可以改變?cè)泄δ?達(dá)到對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行改進(jìn)的目的。

2 利用矛盾矩陣對(duì)小車進(jìn)行優(yōu)化

2.1 小車穩(wěn)定性的優(yōu)化方案

要使小車能夠平穩(wěn)行駛,小車重心應(yīng)處于低位。一般通過(guò)增加小車底板質(zhì)量來(lái)降低小車重心,以此提高小車的穩(wěn)定性。但小車質(zhì)量的增加會(huì)使小車行駛路程縮短,分析得出其改善參數(shù)和惡化參數(shù)。

改善參數(shù):穩(wěn)定性(No.21);

惡化參數(shù):運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量(No.1)。

結(jié)合矛盾矩陣,得到4條發(fā)明原理可以用來(lái)解決此矛盾,分別為:動(dòng)態(tài)特性原理(No.15)、抽取(No.2)、一維變多維(No.17)、復(fù)合材料原理(No.40)。

動(dòng)態(tài)特性原理是通過(guò)分割物體或調(diào)整物體的性能,使其在工作的各個(gè)階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。運(yùn)用動(dòng)態(tài)特性原理,在不增加小車質(zhì)量的前提下,為了提高小車在行走過(guò)程中的穩(wěn)定性,可在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中改變小車重心,使其一直處于較低位置。檢索美國(guó)國(guó)家專利庫(kù),將魚餌的可移動(dòng)重心原理運(yùn)用在自行小車重心降低上。

圖2 可移動(dòng)重心的結(jié)構(gòu)原理圖

得到改進(jìn)方法:將自行小車的底板中部開一曲線型空腔,將重物置于空腔中,并增加一限位裝置,在小車轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中,通過(guò)重物的移動(dòng)降低小車的重心,使小車的穩(wěn)定性提高。

2.2 小車轉(zhuǎn)彎可靠性的優(yōu)化方案

在自行小車的設(shè)計(jì)過(guò)程中,如何提高小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的可靠性是關(guān)鍵問(wèn)題之一。小車轉(zhuǎn)彎時(shí),一般使用單輪驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎所需的速度差,但這種設(shè)計(jì)的可靠性不高;用一些復(fù)雜的機(jī)構(gòu)或零件雖能提高小車的可靠性,但給制造加工帶來(lái)了困難。分析得出其改善參數(shù)和惡化參數(shù)。

改善參數(shù):可靠性(No.35);

惡化參數(shù):可制造性(No.41)。

運(yùn)用矛盾矩陣,可以得到5條發(fā)明原理,分別為:機(jī)械系統(tǒng)替代(No.28)、復(fù)合材料(No.40)、預(yù)先作用(No.10)、增加不對(duì)稱性(No.04)和物理或化學(xué)參數(shù)變化(No.35)。

機(jī)械系統(tǒng)替代原理是利用新的機(jī)械系統(tǒng)或非機(jī)械系統(tǒng)替代原有的機(jī)械系統(tǒng)。運(yùn)用機(jī)械系統(tǒng)替代原理,使用簡(jiǎn)單的差速器提高小車轉(zhuǎn)彎可靠性。如圖3所示,當(dāng)小車直線行進(jìn)時(shí),由于兩輪所受阻力一致,因此中間的兩個(gè)行星齒輪跟著兩邊的半軸齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生自傳。當(dāng)小車轉(zhuǎn)彎時(shí),由于一側(cè)車輪行駛的距離會(huì)比另一側(cè)的要短,產(chǎn)生的阻力變得比另一側(cè)要大,行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)這一側(cè)后輪時(shí)會(huì)更加費(fèi)力,使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn),從而外側(cè)后輪轉(zhuǎn)速加快,自行小車轉(zhuǎn)彎的可靠性提高[5]。

圖3 改進(jìn)差速器的原理圖

2.3 齒輪定位的優(yōu)化方案

在制作自行小車的過(guò)程中,齒輪的定位精度要求較高。若兩齒輪未精確定位,造成了自行小車行駛過(guò)程中能量損失及路徑的不精確。所以,提高齒輪的定位精度,對(duì)自行小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很大的意義。

在美國(guó)國(guó)家專利庫(kù)中檢索Gear installation,發(fā)現(xiàn)可以利用非對(duì)稱雙排滾珠來(lái)安裝齒輪,解決齒輪安裝過(guò)程中需要精確定位的問(wèn)題(如圖4所示)。在自行小車需要安裝軸承的地方,采用非對(duì)稱雙排滾珠來(lái)安裝齒輪。雙排滾珠的直徑大小不一,每排滾珠都有其內(nèi)座圈和隔離圈,兩排滾珠有一個(gè)共同的外座圈,外座圈上有帶鉆孔的凸緣和用于將其安裝到軸承套上。滾珠、座圈和隔離圈構(gòu)成一個(gè)非對(duì)稱的雙排角接觸滾珠軸承。螺旋傘齒輪呈懸臂安裝在軸承上,軸承滾珠排之間的間隙在安裝螺旋傘齒輪時(shí)增大。如果緊密程度正常,則螺母的預(yù)負(fù)荷力會(huì)減小該間隙。然后通過(guò)外座圈的凸緣上的鉆孔把軸承及其齒輪固定在軸承套上。齒輪嚙合時(shí)產(chǎn)生徑向力和軸向力。較大滾珠排距離輪齒較近。滾珠的大小對(duì)應(yīng)于所施加的負(fù)荷。[6]因而,非對(duì)稱雙排滾珠可以安裝齒輪。

通過(guò)上述方法,選用兩種不同型號(hào)的軸承,進(jìn)行非對(duì)稱安裝,可以使齒輪在無(wú)需特別精確安裝的條件下,減少很大一部分齒輪接觸應(yīng)力與齒間摩擦,使自行小車的傳動(dòng)部分得以優(yōu)化。

圖4 齒輪安裝方案的結(jié)構(gòu)原理圖

2.4 重物勢(shì)能轉(zhuǎn)化的優(yōu)化方案

自行小車所有動(dòng)力均來(lái)自重物下落的重力勢(shì)能。小車行駛過(guò)程中,重物下落速度要保持均勻,避免沖擊造成能量損失。分析可得改善參數(shù)與惡化參數(shù)。

改善參數(shù):能量損失(No.27);

惡化參數(shù):有害的副作用(No.31)。

運(yùn)用矛盾矩陣,得到6條發(fā)明原理,分別為:復(fù)合材料(No.40)、組合合并(No.5)、借助中介物(No.24)、增加不對(duì)稱性(No.04)、減少有害作用時(shí)間(No.21)和抽取(No.2)。

借助中介物是利用中介物實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作[7]。運(yùn)用借助中介物原理,將重物下落的勢(shì)能首先儲(chǔ)存到儲(chǔ)能緩釋器中(如渦卷彈簧儲(chǔ)能器),再將儲(chǔ)存的能量緩慢釋放,驅(qū)動(dòng)小車平穩(wěn)前進(jìn)。

3 利用物－場(chǎng)模型的標(biāo)準(zhǔn)解法改進(jìn)設(shè)計(jì)

物－場(chǎng)分析理論認(rèn)為,任何一個(gè)具有特定功能的技術(shù)體系(如設(shè)備、裝置)都包含物質(zhì)、場(chǎng)和相互作用。對(duì)自行小車建立物－場(chǎng)模型(如圖5(a)所示)。

假設(shè)S2代表自行小車中的導(dǎo)向連桿,導(dǎo)向連桿的前后移動(dòng)作用于前輪的導(dǎo)向固定裝置(S1),控制前輪的行進(jìn)方向(如圖6(a))。但當(dāng)前輪的固定裝置剛度不好時(shí),如使用塑料材料制作自行小車,固定裝置易發(fā)生彎曲,這使前輪承受一額外向下的壓力,從而在前輪處產(chǎn)生較大的摩擦力(如圖6(b)),因此利用物－場(chǎng)分析的標(biāo)準(zhǔn)解對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解答。

由圖5(b)可知,引入一外加物質(zhì)可以改善這個(gè)問(wèn)題,所以引入與原導(dǎo)向連桿相平行的另一導(dǎo)向連桿(S3),并且用機(jī)械連鎖機(jī)構(gòu)將兩連桿相連。在對(duì)前輪導(dǎo)向裝置的受力分析中,此時(shí)有兩個(gè)平行的力同時(shí)作用于前輪的導(dǎo)向固定裝置上(如圖6(c)),這樣使前輪的固定裝置不易發(fā)生彎曲,從而減小了前輪與地面的摩擦力,同時(shí)提高了前輪的導(dǎo)向精度。

圖5 自行小車導(dǎo)向部分物－場(chǎng)分析模型的建立

圖6 小車前輪的受力分析圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于TRIZ理論,對(duì)自行小車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入地分析,利用矛盾矩陣、發(fā)明原理給出了小車穩(wěn)定性、可靠性、齒輪安裝等方面的優(yōu)化方案;利用物－場(chǎng)分析給出了減小導(dǎo)向輪摩擦力的優(yōu)化方案。這些方案為以后的自行小車研究提供了參考,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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