基于TRIZ理論的自行車停車裝置創新設計與試制

祝志芳，袁斯賓，張志杰，萬 超

(1.南昌工程學院，江西省精密驅動與控制重點實驗室，江西 南昌 330099；2.南昌工程學院，機械與電氣工程學院，江西 南昌 330099)

1 引言

隨著交通擁擠和環境污染等問題日益凸顯，自行車作為一種綠色環保的交通方式，受到人們的青睞[1]。我國自行車數量眾多，但是自行車停放設施還相對緊缺，帶來了很多隨意停放自行車的現象[2]。目前我國自行車停放裝置主要有卡位式停車架、雙層停車架及立式停車架3種，如圖1所示?？ㄎ皇酵＼嚰苁褂脮r需將自行車前輪置于卡槽中，但車架之間的距離設計不合理，不能充分利用停車空間。立式停車架雖然能夠使自行車處于直立狀態停放，節省停車空間，但是需要操作者耗費一定的體力抬起自行車，停車效率低、操作過程復雜[3]。雙層停車架上層存取步驟繁瑣，存取困難[4]。因此，利用TRIZ創新理論和矛盾矩陣，設計出一種直立式自行車停車裝置，對縮短時間、降低耗能、節省空間和簡化操作有一定的必要性。

圖1 現有停車裝置Fig.1 Existing Parking Device

2 TRIZ理論

TRIZ理論是“發明問題解決理論”的俄文縮寫，由根里奇·阿奇舒勒在1946年創立的，阿奇舒勒和他所領導的研究機構研究了世界各地250萬份高水平專利，并綜合多學科領域的創新原理和法則而創造出來的綜合理論體系[5]，是基于多學科領域知識的產品創新設計理論及發明問題解決方法學[6]。TRIZ理論主要用于解決實現產品功能設計過程中遇到的矛盾沖突問題[7]。對現有產品進行功能分析，確定其實際技術沖突，利用TRIZ通用工程參數對實際技術沖突的一對技術參數進行描述，再查詢沖突矩陣對TRIZ沖突問題進行求解[8]。TRIZ解決技術沖突的流程，如圖2所示。

圖2 TRIZ解決技術沖突的流程圖Fig.2 The Flow Diagram of TRIZ to Solve Technical Conflict

3 停車裝置初步方案概述

3.1 立式停車架停車過程分析

利用立式停車架進行停車時，通過將自行車前輪抬高放入上方的卡槽，再將后輪卡入下方的卡槽中，從而使自行車處于直立狀態，可節省停車空間。

為實現自行車停車為機械化停放，必須將立式停車架停車過程中的人為動作轉化為機械動作，找到相應的機構完成指定動作，分析其中存在的矛盾問題，利用TRIZ理論矛盾沖突矩陣找到相應的創新原理進行創新設計。自行車直立停放包括兩個基本動作：(1)抬升自行車前輪；(2)固定自行車前后輪。

3.2 升降機構設計

產品設計過程中的沖突可根據TRIZ沖突解決原理轉化為標準的沖突，再查詢沖突矩陣表，得到解決沖突的發明原理[9]。自行車直立停放過程中，車輪抬升動作為往復移動，且抬升車輪時，手部需要握緊自行車龍頭。因此采用一種助力裝置抬升車輪，置輪槽放置自行車前輪。助力裝置主要由普通螺旋彈簧、導軌和滑塊組成，置輪槽與滑塊剛性連接。普通螺旋彈簧作為助力裝置的動力源，可以實現對車輪抬升的助力，但普通螺旋彈簧提供的拉力為線性拉力，車輪在抬升過程時，速度變化不穩定。在車輪抬升至最高點時，彈簧仍需要保持一定的形變，進而增加裝置的體積。為解決這一問題，采用TRIZ理論的矛盾沖突矩陣，以普通螺旋彈簧提供的力為改善因素，形狀為惡化因素。查詢矛盾沖突矩陣，選取相應的發明原理，進而對現有的升降機構的結構進行創新設計。

表1 矛盾矩陣表Tab.1 Matrix of Contradiction

根據文獻[10]查詢TRIZ矛盾矩陣表得到可供選擇的發明原理有：10(預先作用)，35(物理或者化學參數變化)，37(熱膨脹)，40(復合材料)。選取發明原理35(物理或者化學參數變化)：從中得到啟發，改變彈簧的物理參數，采用C型恒力彈簧[11]作為升降機構的動力源。C型恒力彈簧不僅可以提供穩定的拉力，并且完全收縮時仍然可以保持穩定的拉力，減小裝置體積。

3.3 夾緊機構設計

自行車直立停放過程中的另一個基本動作為車輪固定動作。在平板式抓取機構的基礎上增加新的輔助部件，可以實現對車輪的固定，在增加了平板式抓取機構可制造性的同時，也會增加裝置的復雜程度。為解決這一問題，采用TRIZ理論的矛盾沖突矩陣，夾緊機構的可制造性為改善因素，復雜性為惡化因素。查詢矛盾沖突矩陣，選取相應的發明原理，進而對現有的平板式抓取機構的結構進行創新設計。

根據文獻[10]查詢TRIZ矛盾矩陣表得到可供選擇的發明原理有：1(分割)，13(反向作用)，26(復制)，27(廉價替代品)。選取發明原理13(反向作用)：從中得到啟發，在現有的機構中加入普通螺旋彈簧。當車輪的重力作用在機構上時，彈簧壓縮，夾緊機構正常工作，完成夾持車輪的動作。車輪退出置輪裝置時，重力作用失效，彈簧的反作用力致使夾緊機構松開車輪。新加入的普通螺旋彈簧與平板式抓取機構組成的夾緊機構在沒有增加裝置的復雜程度的情況下，依然能夠滿足該部分所需功能。

4 具體方案設計

4.1 升降機構的設計

升降機構包括設置在機架上的豎直導軌，機架的頂部通過軸承座和軸承來固定恒力彈簧，C型恒力彈簧的自由端通過螺絲與滑塊相連接，置輪槽也通過螺絲與滑塊相連接?；瑝K在導軌上滑動時，C型彈簧固定端繞軸旋轉，其整體結構，如圖3所示。本停車裝置只需要將自行車的前輪抬升，根據裝置的設計情況，自行車前輪加上裝置部分零件的總質量大約為10kg，故彈簧需要10kgf的拉力。C型彈簧的受力簡圖，如圖4所示。

圖3 升降機構結構圖Fig.3 Structure Diagram Elevator Machine

圖4 C型彈簧受力簡圖Fig.4 Structure Diagram Type C Spring Parameters Table Force

C型彈簧的拉力確定公式為：

其中各參數介紹，如表2所示。C型彈簧的各參數確定，C型彈簧選用304不銹鋼作為材料，則彈性模量E為186Gpa。根據彈簧配合的滑塊的尺寸確定彈簧寬度b為40mm，厚度t為0.5mm，由經驗公式R1=1.15～1.20R，得出R=18.5mm，R1=22mm。

表2 C型彈簧參數表Tab.2 Type C Spring Parameters Table

4.2 夾緊機構的設計

圖5 夾緊機構結構圖Fig.5 Structure Diagram Clamp Machine Structural

夾緊機構中的承重柱體通過連桿與左右夾緊臂組成一對平行四邊形結構，保證承重柱體下降的同時，左右夾緊臂向中部平行移動，如圖5所示。

停車時，車輪進入置輪槽中，在車輪重力的作用下，夾緊機構的承重柱擠壓彈簧向下運動，彈簧擠壓后儲存彈性勢能，同時夾緊臂向內側運動，車輪固定。取車時，車輪退出置輪槽，承重柱體受到的作用力失效，彈簧釋放儲存的彈性勢能，夾緊臂向外側運動，車輪松開。

4.3 總體設計方案

TRIZ理論很好地揭示了發明的內在規律和原理，能夠充分地打開創新思路，縮短新產品研發的周期[12]。按照前面所述的設計方案，利用Pro/E軟件建立了該直立式自行車停車裝置的三維模型，如圖6所示。該裝置主要由機架、助力裝置、置輪裝置和自鎖裝置四部分組成。

圖6 三維模型Fig.6 Three-Dimensional Model

停車時，將自行車推入置輪槽，車輪重力作用在夾緊機構的主體部分，完成車輪固定。自行車前輪前端觸碰鎖舌，解除自鎖裝置，升降機構帶動車輪緩緩上升至裝置頂部，完成自行車直立停放。取車時，向后輕拉自行車座椅，自行車緩緩下降至地面，鎖舌插入鎖口，裝置自鎖，將車輪退出置輪槽，取車完畢。

5 實物制作及試驗

在所建立三維模型的基礎上，完成實物制作，整體實物圖，如圖7所示。其外形尺寸為：750mm(長)×650mm(寬)×1750mm(高)。

圖7 整體實物圖Fig.7 The Diagram of Overall Physical

通過市場調查，普通山地自行車的結構尺寸主要有：車座離地面的距離為0.95m、車把離地面的距離0.95m、車把寬度為0.63m和車身長度為1.68m。根據上述的尺寸參數可計算自行車立式停放與自行車正常停放時的占地面積。計算式：

式中：S1—自行車立式停放時的占地面積，m2；A—車把寬度，m2；B—車把離地面的距離，m2。

式中：S2—自行車正常停放時的占地面積，m2；A—車把寬度，m2；C—車身長度，m2。

式中：n—節省的占地面積百分比。

圖8 自行車尺寸參數Fig.8 Bicycle Size Parameter

利用本裝置進行停車能夠減少使用者體力的消耗，節省的能量等于助力機構對自行車所做的有用功，其中升降機構和置輪裝置的質量約為1kg，滑塊上行距離為1m。計算式為：

式中：W—C型恒力彈簧所做的有用功，J；F—C型恒力彈簧輸出的拉力，N；m—升降機構和置輪裝置的質量，kg；s—滑塊上升距離，m。

對直立式自行車停車裝置進行停車試驗，以普通山地自行車為實驗對象。按照文中提到的存取車步驟，進行停車試驗，實際存放效果，如圖8所示。通過實物進行多次停車試驗，試驗結果表明，存車過程耗時為(3～5)s，比使用現有的立式停車架相比可節省(2～3)s。本裝置采用了升降機構助力，通過計算可知停放過程可節省能量88.2J，并可節省44%的停車空間。通過上述的停車過程試驗和計算，證明了本裝置設計的可行性和工作的可靠性。

圖9 實際存放效果Fig.9 Actual Storage Effect

6 結論

本研究對現有的停車裝置進行分析，找到其中需要改進的地方，并基于TRIZ理論的沖突解決原理，再利用39個通用工程參數和40條創新發明原理所構成的矛盾沖突矩陣，對立式停車架進行創新設計，設計出一種停車時間短、耗能低、節省空間及操作簡便的直立式自行車停車裝置。通過實物制作并進行實驗，實驗結果表明通過試驗表明該裝置停車時間為3-5s，能節省44%的空間，可減少人體消耗能量88.2 J。