產品設計中的資源分析方法

曹 賀，劉訓濤，趙存有，徐 鵬

(黑龍江科技大學 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

資源是一切可被人類開發和利用的物質、能量和信息的總稱。充分分析現有資源，開發新資源才能更好地改善或設計新的技術系統。解決問題的實質就是對資源的合理應用。TRIZ理論要求問題解決者在解決問題時，要全面細致地考察并列出系統涉及的所有資源。任何系統，只要還沒有達到理想解，就應該具有可用資源。對資源進行分類，詳細分析，深刻理解，對設計人員十分必要[1]。

1 資源分類

設計中的產品是一個技術系統，任何技術系統都是超系統或自然的一部分。系統在特定的空間與時間中存在，由物質構成，要應用場來完成某種特定的功能。因此，資源通常按照物質、能量/場、信息、時間、空間和功能等來劃分，將資源分為6類，并對各類資源的意義及應用建議進行了概況(見表1)。

2 資源的考察

為了便于尋找和利用資源，可以利用圖1所示的資源尋找路徑。尋找資源優先操作區、系統內尋找，只有系統內部的所有資源都不能解決問題時，才考慮從外部引入新的資源。選擇資源時，應優先選擇免費、有害、無限、成品。如能利用有害物質、場和有害功能作為資源，則解決問題會更有成效，避免損失，額外贏利。

表1 資源分類

圖1 資源尋找路徑

3 多屏幕資源分析法

設計過程中所用到的資源很多是隱形的，需要認真挖掘，將隱形資源顯性化，才能成為有用資源。在設計中認真考慮各種資源有助于開闊設計者的眼界，使其能跳出問題本身，這對于將全部精力都集中于特定的子系統、工作區間、特定的空間與時間的設計者解決問題特別重要。

多屏幕法是TRIZ理論用于進行系統分析的重要工具，可以很好地幫助使用者進行超常規思維，克服思維慣性，能夠幫助我們從結構、時間以及因果關系等多維度對問題進行全面、系統的分析，使用該方法分析和解決問題時，不僅應考慮當前系統，還應考慮它的超系統和子系統；不僅應考慮當前系統的過去和未來，還應考慮超系統和子系統的過去和未來。

簡單地說，多屏幕法就是以空間為縱軸，來考察“當前系統”及其“組成(子系統)”和“系統的環境與歸屬(超系統)”；以時間為橫軸，來考察上述3種狀態的“過去”“現在”和“未來”，從而將被考察系統構建成至少9個屏幕的圖解模型。多屏幕法如圖2所示。

圖2 多屏幕法

多屏幕法資源分析見表2[2]。可以利用多屏幕資源分析表，充分挖掘系統、子系統、超系統中的資源，系統地從內向外、從上至下挖掘可用資源，體現資源價值，從而得到創新設計方案。

表2 多屏幕法資源列表

4 拖拉機動力輸出總成方案設計分析

本文以拖拉機為例，拖拉機中動力輸出總成是大功率輪式拖拉機的重要組成部分，可將發動機動力輸出給后掛的農機具，起到調整農機具工作速度和牽引力的作用[3]。動力輸出總成由動力輸入軸、齒輪、同步器、動力輸出軸和軸承等組成(見圖3)。

4.1 多屏幕法的動力輸出總成資源分析

考慮當前系統及其超系統和子系統，填寫資源列表(見表3)。

圖3 動力輸出總成

表3 多屏幕法資源列表

4.2 多屏幕法的動力輸出總成方案分析

4.2.1 系統的多屏幕分析

系統的多屏幕分析見表4，當前系統是運用動力輸出總成的驅動型耕作系統，當前系統的過去是牽引型耕作系統，當前系統的未來是自適應的動力輸出總成的驅動型耕作系統。

表4 動力輸出總成的多屏幕法

當前系統的子系統包含多個零件，這里側重分析動力輸出軸，因為動力輸出軸所受負荷比較復雜，在工作過程中會出現斷裂，目前對該問題的改進大多是改進動力輸出軸的熱處理工藝[4-6]。因而子系統的過去是未進行熱處理的動力輸出軸，當前子系統是熱處理的動力輸出軸，子系統的未來是改進熱處理工藝的動力輸出軸。

當前系統的超系統考慮與動力輸出總成相關聯的變速箱、離合器及農機具。動力輸出總成的功能是將發動機的動力輸出給后掛的農機具，因而有必要充分發掘超系統中的資源。當前系統的過去是牽引型耕作系統，因而對于超系統的過去，動力輸出總成與變速箱沒有關聯，離合器是單輸出，超系統中的資源沒有有效利用。通過資源分析，發現超系統中資源較多，提示動力輸出總成方案設計可以盡可能利用超系統中的資源。

1)超系統中的離合器。

系統分析的目的是實現動力的同步傳遞，因而考慮將離合器設計成雙輸出形式，分別驅動變速箱輸入軸和動力輸出總成中的動力輸入軸，實現同步傳遞動力。

2)超系統中的變速箱。

拖拉機變速箱的傳動比一般較大，因而變速箱由至少3根軸(輸入軸、中間軸、輸出軸)及若干齒輪組成。考慮將變速箱輸入軸制成中空，以容納動力輸入軸從中穿過。但是，一般情況下，變速箱輸入軸軸徑較小，若制成中空，則容納的動力輸入軸軸徑尺寸受限，難以滿足強度要求，若要滿足動力輸入軸的尺寸及強度要求，就必須增大變速箱輸入軸軸徑，這又會導致變速箱整體體積增加，這就產生了矛盾，要求變速箱輸入軸軸徑既要大又要小，是針對系統中的某一參數提出2種不同的要求，這是一對物理矛盾[7-8]。TRIZ理論認為，不斷解決矛盾是技術系統進化的動力，而有效利用資源是解決矛盾的重要途經[9-11]。一般來說，變速箱的中間軸和輸出軸的軸徑相比輸入軸軸徑要大一些，而變速箱的輸出軸需要通過萬向節連接驅動橋，所以考慮將變速箱的中間軸制成中空，容納動力輸入軸。這就需要借助能量資源，外加一對齒輪傳動，所以超系統的未來考慮在離合器輸出后，添加一對齒輪嚙合來傳遞動力，這樣就可以使動力輸入軸從變速箱的中間軸的空腔中穿過，實現動力的傳遞。

4.2.2 系統傳動方案初探

通過上述分析，結合動力輸出總成，設計2個傳動方案。圖4所示為雙輸出離合器，變速箱輸入軸中空，將動力傳至動力輸出總成的方案。該方案實現了動力的同步傳遞，但需結合生產實際適當增大變速箱輸入軸軸徑。圖5所示為雙輸出離合器，借助一對常嚙合齒輪將動力傳至變速箱中間軸位置，變速箱中間軸中空，動力輸入軸從變速箱的中間軸中穿過的方案。該方案不改變變速箱的設計，但需要另外增加一對齒輪傳動。

圖4 變速箱輸入軸中空的動力傳動方案

圖5 變速箱中間軸中空的動力傳動方案

上述是運用多屏幕資源分析方法獲得的2個動力傳動方案，但不局限于此。在此方法指導下，結合變速箱具體傳動路線，充分挖掘和利用資源，可以開發出多種方案。

5 結語

解決技術問題的實質就是對資源的挖掘和合理利用，資源分析就是要發掘系統、子系統和超系統中資源的有機聯系。多屏幕法按照空間和時間2個維度，探索系統內部和超系統中的資源，系統過去和未來的資源。通過對拖拉機動力輸出總成進行多屏幕資源分析，充分挖掘利用超系統中的資源，得到2種動力傳動方案，驗證了多屏幕資源分析的有效性。