基于TRIZ 理論新型雙動力健身洗衣機的開發

馮金鶴 李小海 岳文斌 王曉霞 王新榮 曹務園

佳木斯大學機械工程學院

概述

隨著科技信息等技術的迅速發展，電器產品日益增多，對電能的需求量迅速增加，并且“十二五”規劃提到的“堅持把建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式”。洗衣機是家庭常用的一種耗電電器，開發節能環保洗衣機是一個緊迫任務。健身是一種體育項目，它可以增強力量和柔韌性，增加耐力，提高協調，控制身體各部分的能力，從而使身體強健，而健身器材在功能開發方面呈現出功能單一而且不易攜帶，很難家庭化。面對當今的社會模式，大膽地將洗衣和健身結合起來，使得洗衣機在利用健身時的能量也能完成做家務的需要。本文提出的新型雙動力健身洗衣機能使人們在日常健身鍛煉的同時合理利用鍛煉時未被利用的能量，以人體能量作為能量來源，合理利用能量不依靠電能，在洗衣時，能夠達到健身的效果，在健身的同時完成洗衣，實現了健身與洗衣機的洗脫一體化，低碳環保，提高對時間的利用率，節約電能，節省空間。

結構設計

目前主流洗衣機的分類：波輪式洗衣機、滾筒式洗衣機和攪拌式洗衣機，在國內波輪式洗衣機比其他兩款更為廣泛使用，這里對波輪式洗衣機進行改造。根據上述所描述，該新型雙動力洗衣機必須具備以下兩點：

（1）可由人力驅動，健身與洗衣同時進行，節能環保。

（2）當有需要時可轉化為電力驅動，實現雙動力傳動，更加人性化。

實現新型洗衣機整體設計的技術關鍵是：在不改變洗衣機主要結構的前提下，設計一個什么樣的機械結構來連接自行車與洗衣機，實現動力傳遞，該機械結構如何工作？

運用創新工具--TRIZ 理論分析

運用發明原理

問題描述 ：在不改變洗衣機主要結構的前提下，設計一款新型雙動力洗衣機，由人力驅動，使得健身與洗衣同時實現，洗衣機在由電力變為人力驅動時，可能會使得洗衣效率下降。

問題模型：動力←→效率

查閱TRIZ 理論的40 個發明原理，一一進行比較，最后綜合考慮，對所有解決方法進行篩選，得到3、5、7 號發明原理更具有價值 。

得出解決方案模型：

03、局部質量原理

05、組合原理

07、嵌套原理

原理03：局部質量（使組成物體的不同部分完成不同功能）用機械控制箱連接自行車與洗衣機，同時完成健身與洗滌的不同功能

原理05：組合原理（把時間上相同或類似的操作聯合起來）由一個人驅動，健身與洗衣同時進行。

原理07 嵌套原理（使一個物體穿過另一個物體的空腔）將脫水桶嵌套在波輪內，使得實現洗滌與脫水，增加洗衣效率。

系統分析與資源分析

完備性法則：一個完整的系統必須由四部分組成：動力裝置、執行裝置、傳動裝置和控制裝置。在該新型雙動力洗衣機中，各系統組成有：

動力裝置-----人腳

執行裝置-----波輪、滾筒

傳動裝置-----鏈條

控制裝置-----人腦

功能分析：該新型洗衣機系統的組成部件有：健身自行車、機械控制箱、波輪、滾筒、洗衣機。

物-場分析

物場分析是TRIZ 理論中一種重要的問題描述和分析工具，用以建立與已存在的系統或新技術系統問題相聯系的功能模型，根據物場模型所描述的問題，來查找TRIZ理論相對應的一般解法和標準解法，物場分析法將所有功能都看作是由二個物質和一個場組成的。

傳統的洗衣機的物場模型由圖1 左圖所示，S1-------波輪、滾筒、S2------電機、F------機械場，該系統屬于物-場模型第一種類型-----有害效應的完整模型，3 個元素齊全，但是，不能實現想要的功能，在實現洗滌的同時不能實現健身的目的。所以根據該新型健身洗衣機的預期功能，應創立雙、多場系統或多重的場和物質的系統，最簡單的進化模式是：組合2 個或多個物質S1 或S2，建立一個雙物質或多物質的物場模型，以此獲得增強系統功能和特性。新型洗衣機的應用物-場分析的一般解法：加入一個機械控制箱（S3）來傳動，連接洗衣機與自行車，來實現健身與洗衣同時進行。建立物-場分析模型如圖1 所示。

確定最終方案

圖1 物-場分析模型

圖2 新型雙動力健身洗衣機的設計路線圖

新型雙動力洗衣機結構主要由自行車、機械控制箱、曲柄連桿、差速器、波輪、滾筒等幾部分組成。在使用時，首先由人力驅動健身自行車運動，然后通過自行車的鏈傳動將機械能傳遞給機械控制箱內的輸入軸端，接著傳遞給差速器，當需要洗滌時，差速器將動力通過曲柄連桿、齒輪機構傳遞給洗滌輸出軸，使得波輪正反轉，脫水桶不動，從而達到洗滌的目的；當需要脫水時，差速器將動力通過齒輪、皮帶機構傳遞給脫水輸出軸，使得脫水桶轉動，而波輪不動，從而達到脫水的目的。為了更加體現人性化設計，當需要改變為電力動力驅動方式時，只需將洗衣機滾筒的輸入軸端與其本身電動機輸出軸相連接即可，最后使得洗衣機完成洗滌過程。

健身洗衣機傳動設計

技術路線設計

如圖2 所示，用pro/E、3DSMAX、AUTOCAD 等設計平臺，對產品進行概念設計、系統設計、零部件詳細設計以及裝配仿真、運動仿真等全過程的設計，并對重要受力零部件進行校核計算，優化設計，對主要部件進行相關計算與校核，對傳動裝置的功率、傳動比等進行計算，并對重要部件進行了受力的校核。

機械傳動計算

洗衣機的洗滌功率為0.2KW，脫水功率為0.135KW，為了使洗衣機正常工作，本設計傳動部分的齒輪齒條均采用模數m=2，洗滌傳動比i1=1/5，脫水傳動比i2=1/10。初步確定的工作方案如圖3 上圖，圖3 下圖所示為新型雙動力健身洗衣機的機械傳動結構簡圖。

1-健身自行車 2-鏈傳動 3-機械控制箱 4-波輪5-滾筒 6-健身洗衣機7-差速器 8-電機 9-鏈條 10-曲柄連桿 11-動力輸入軸

新型雙動力健身洗衣機的工作過程

1）新型雙動力健身洗衣機可以在電力的驅動下正常運行。

2）當在人力驅動時，人健身蹬動踏板，通過鏈條、萬向節傳動，使差速器運動。進行洗滌需要控制差速器連接的曲柄滑塊機構，直齒條等機構做往復運動，將動力傳給洗滌機構；而完成脫水則控制差速器使階梯齒輪傳動，經變速器驅動脫水桶。

新型雙動力健身洗衣機整體設計

整體尺寸

圖3 健身洗衣機結構件圖與機械控制箱結構簡圖

圖4 三維立體圖

新型雙動力健身洗衣機高90cm，寬41cm，長120cm。為了便于存放，減小所占的空間，可以將自行車與機械控制箱隨意拆卸。

動力部分尺寸

提供動力部分結構采用普通自行車，其結構尺寸均為人最舒適的尺寸。

新型雙動力健身洗衣機的整體裝配

如圖4 所示，利用PRO/E，3DSMAX 等軟件，對本設計進行了運動仿真，新型雙動力健身洗衣機可以順暢的運動。

結語

本文在創新方法TRIZ 理論的指導下，利用TRIZ 理論中的40 個發明原理、系統分析與資源分析和物-場分析等工具，將洗衣和健身結合起來，設計出一款新型雙動力洗衣機總體設計和關鍵部件的設計，使得洗衣機在利用健身時的能量也能完成做家務的需要，從而也進一步說明了TRIZ 理論是解決發明問題的一個利器。