基于TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計的產(chǎn)品創(chuàng)新方法*

王浩倫

(華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330013)

基于TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計的產(chǎn)品創(chuàng)新方法*

王浩倫

(華東交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330013)

在當(dāng)前知識經(jīng)濟(jì)時代企業(yè)進(jìn)入市場所面臨的專利壁壘越來越多，其技術(shù)發(fā)展的空間越來越小。因此企業(yè)需要系統(tǒng)化創(chuàng)新方法來指導(dǎo)專利規(guī)避設(shè)計，在保證不侵犯現(xiàn)有專利權(quán)的前提下，利用現(xiàn)有專利技術(shù)的優(yōu)勢，高效、快速地開辟新技術(shù)市場。文中提出了一種集成TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計的產(chǎn)品創(chuàng)新方法，以專利侵權(quán)判定為依據(jù)，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新設(shè)計方法，形成了專利規(guī)避創(chuàng)新設(shè)計流程。以濕式制動器創(chuàng)新設(shè)計為例，對所提方法進(jìn)行了應(yīng)用。實例表明，該方法可以提高產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的效率。

TRIZ；專利規(guī)避設(shè)計；產(chǎn)品創(chuàng)新；濕式制動器

0 引言

在日益激烈的市場競爭中，企業(yè)間競爭的核心是產(chǎn)品間的競爭，而產(chǎn)品競爭歸根到底是企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新能力的競爭。而我國企業(yè)目前的產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀是：處于全球制造鏈的末端，依靠模仿先進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品；缺乏創(chuàng)新方法理論指導(dǎo)，依賴個人、企業(yè)等領(lǐng)域經(jīng)驗，常采用折中設(shè)計方法；缺乏知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)的有效利用，在模仿的同時常陷入競爭對手的專利保護(hù)范圍，對手以專利為利器對企業(yè)進(jìn)行制裁造成重大損失。

專利是產(chǎn)品創(chuàng)新、促進(jìn)企業(yè)發(fā)展的重要知識資源，是目前產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要研究領(lǐng)域[1-3]。其中，專利規(guī)避設(shè)計是企業(yè)為了避開其他競爭對手的專利權(quán)利要求的阻礙或者襲擊而進(jìn)行的新設(shè)計繞道發(fā)展的設(shè)計過程[4]。通過專利規(guī)避設(shè)計重新對技術(shù)方案的改進(jìn)來實現(xiàn)與現(xiàn)有專利的保護(hù)范圍不同的新技術(shù)[5-6]。在專利規(guī)避設(shè)計過程中集成TRIZ方法為創(chuàng)新設(shè)計理論提供了新的發(fā)展方向。

1 TRIZ與專利分析集成

TRIZ理論方法是 G. S. Altshuller領(lǐng)導(dǎo)的研究人員分析了世界上近250萬件發(fā)明專利，綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則形成的理論體系。該理論主要包括效應(yīng)、分離原理、沖突矩陣(40條發(fā)明創(chuàng)造原理、39個技術(shù)特性)、理想解、物質(zhì)-場分析、ARIZ算法和技術(shù)進(jìn)化理論等內(nèi)容[7-9]，這些內(nèi)容作為創(chuàng)新工具在實際創(chuàng)新發(fā)明中發(fā)揮了強大的力量。

專利知識包含了產(chǎn)品創(chuàng)新所需的大量創(chuàng)新原理知識。通過專利知識的分析及提取，能為解決具體領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新問題提供大量啟發(fā)原理、效應(yīng)、結(jié)構(gòu)等。有效集成TRIZ創(chuàng)新方法與專利知識融合能更加有效的解決具體領(lǐng)域的產(chǎn)品概念創(chuàng)新問題。圖1給出了TRIZ與專利分析集成的工具體系。

對技術(shù)系統(tǒng)功能分解為各分功能，進(jìn)入尋找作用原理解階段。根據(jù)求解過程，結(jié)合TRIZ及專利創(chuàng)新分析階段，將該階段分解為問題模型、模型求解工具、求得原理解階段。功能分解后，根據(jù)技術(shù)問題的不同情境，當(dāng)兩個子系統(tǒng)功能本身或者相互之間出現(xiàn)矛盾，如技術(shù)矛盾、物理矛盾、物-場模型、非標(biāo)準(zhǔn)問題等，采用矛盾矩陣、分離原理、物-場模型、ARIZ等求解工具，進(jìn)而采用一系列TRIZ求解工具及知識庫等得到概念原理解。專利規(guī)避方法結(jié)合目標(biāo)專利，進(jìn)行規(guī)避設(shè)計能合理規(guī)避競爭對手保護(hù)范圍，同領(lǐng)域?qū)＠崛〕龉δ軐印⑿?yīng)層、原理層、結(jié)構(gòu)層等知識可有效支持原理解求解過程。

圖1 TRIZ與專利集成創(chuàng)新工具體系

2 TRIZ專利規(guī)避創(chuàng)新方法與流程分析

本文將結(jié)合TRIZ對已有專利進(jìn)行專利規(guī)避的流程體系框架，如圖2所示。專利規(guī)避的流程大致可以分為四個階段。

圖2 集成TRIZ專利規(guī)避的流程體系框架

2.1 專利檢索

首先根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)，確定檢索主題、關(guān)鍵詞及專利數(shù)據(jù)庫，通過篩選得到與設(shè)計目標(biāo)功能結(jié)構(gòu)等的目標(biāo)專利，并查詢目標(biāo)專利的法律狀態(tài)及剩余保護(hù)期限。另外對于專利保護(hù)期內(nèi)的專利也需要進(jìn)行價值分析，分析專利是否仍在保護(hù)期內(nèi)及短期是否會失效。分析其是否符合專利申請新穎性及創(chuàng)造性等條件，專利整體或者部分權(quán)利要求是否可以無效等。

2.2 專利分析

對專利權(quán)利要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析獨立權(quán)利要求與從屬權(quán)利要求，從屬權(quán)利要求對獨立權(quán)利要求進(jìn)一步限定[9-10]。在此基礎(chǔ)上，尋找其保護(hù)范圍最寬的權(quán)項分析，結(jié)合說明書和相關(guān)審查文件，確認(rèn)該權(quán)利要求字面含義及其等同的范圍。技術(shù)特征分解至關(guān)重要，直接關(guān)系到專利規(guī)避的成功與否，需要具備相關(guān)專業(yè)背景知識和法律相關(guān)知識。判斷技術(shù)特征的新穎性及創(chuàng)造性，分析其相關(guān)價值，以便對其進(jìn)行裁剪、組合、替換、分解等。

2.3 規(guī)避設(shè)計

對目標(biāo)專利建立功能結(jié)構(gòu)，并分析專利功效矩陣，尋找可以規(guī)避的對象并定義問題，根據(jù)問題情境的不同，采用TRIZ的不同工具進(jìn)行問題轉(zhuǎn)化，尋找解決問題的作用原理，并生成原理解。在技術(shù)特征分解基礎(chǔ)上從功能、原理效應(yīng)和結(jié)構(gòu)三個層次上進(jìn)行規(guī)避分析。

表1 規(guī)避設(shè)計的四種方法

根據(jù)專利侵權(quán)判定原則，表1總結(jié)和給出了四種規(guī)避設(shè)計方法：裁剪法、替換法、組合法和分解。事實上，由于專利的復(fù)雜程度差異，往往需要多種方法組合才能有效規(guī)避原有專利，如裁剪與替換結(jié)合，裁剪與組合相結(jié)合等，必須靈活運用上述一種或多種方法。

2.4 侵權(quán)評估

需要對生成的概念方案，從全面覆蓋、等同原則、禁止反悔原則等方面重新進(jìn)行專利侵權(quán)分析評估。

3 案例分析

目前，輪式裝載機的輪邊濕式制動器是通過油道的高壓油推動活塞，將濕式制動器的動、靜摩擦片壓緊結(jié)合而中斷扭矩傳遞，制動半軸；卸除油壓后，依靠制動器內(nèi)復(fù)位彈簧的拉回活塞使動、靜摩擦片脫離解除制動。驅(qū)動橋半軸是裝載機傳動機構(gòu)中重要的承力構(gòu)件，承受扭轉(zhuǎn)力矩的作用。如圖3所示，為某公司濕式驅(qū)動橋輪邊制動結(jié)構(gòu)。

1.螺栓墊圈 2.墊片 3.擋圈 4.滾針 5.行星輪架 6.動摩擦片 7.靜摩擦片 8.內(nèi)齒圈 9.墊片 10.活塞 11.半軸

圖3 輪邊濕式制動器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)遇到如下一些極限工況時將超出半軸30CrMnTi材料的服屈服強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度極限，從而發(fā)生斷裂。半軸一般受到三種載荷沖擊：沖擊性載荷、不規(guī)則脈動載荷、反向沖擊載荷。半軸斷裂的原因一般有兩種情況：①零件本身的斷裂強度符合設(shè)計要求，其受力超過設(shè)計值發(fā)生過載斷裂，如載荷過載，不當(dāng)?shù)娜藶椴僮鳎瑵M載條件下急速剎車，超出正常使用工況范圍等。②零件本身的斷裂強度低于設(shè)計值，則在正常使用載荷下也會發(fā)生斷裂，這個缺陷主要由兩種情況產(chǎn)生，一是在鍛造和加工過程中出現(xiàn)材料的缺陷，二是熱處理工藝過程中產(chǎn)生不良。而半軸斷裂將導(dǎo)致緊急狀態(tài)無法制動，造成重大事故等。

3.1 專利分析及知識提取

以“濕式制動器”為關(guān)鍵詞，截至2012年9月，檢索出國內(nèi)41項專利，篩選出同領(lǐng)域?qū)＠?6項。針對較為創(chuàng)新的國外濕式制動器，濕式制動器原理結(jié)構(gòu)對比分析。如卡特彼勒公司專利4667784采用多級半軸結(jié)構(gòu)，制動時，即使兩段半軸連接處斷裂，制動轉(zhuǎn)矩也能通過部分半軸傳遞，避免應(yīng)力集中，安全型較高；又如Clark公司專利4173269制動器結(jié)構(gòu)采用制動輪轂的原理，制動轉(zhuǎn)矩不經(jīng)過半軸傳遞，屬于較為安全制動結(jié)構(gòu)，但對于密封性要求較高。

3.2 TRIZ功能裁剪

通過已有功能結(jié)構(gòu)的組合，產(chǎn)生了已有專利的一些技術(shù)方案，而列舉專利功能形態(tài)圖有助于了解已有技術(shù)方案，并針對其改進(jìn)且避免落入已有的專利技術(shù)陷阱之中。針對濕式驅(qū)動橋功能分解為若干子功能如轉(zhuǎn)矩?fù)Q向及增大、轉(zhuǎn)矩分配、轉(zhuǎn)矩導(dǎo)通、轉(zhuǎn)矩增大、轉(zhuǎn)矩控制等功能。其中德國ZF公司分段半軸導(dǎo)通及制動與美國卡特彼勒公司多級半軸傳動，可以有效避免應(yīng)力集中，屬于較為創(chuàng)新專利。通過功能分析，制動只需制動動力傳遞路徑的功能組件即可，而專利知識分析為創(chuàng)新提供了較大的知識空間，已有功能結(jié)構(gòu)，濕式制動器主要集中在制動輪轂、半軸齒輪端半軸、分段連接等方式。經(jīng)分析制動行星架與制動輪轂均可達(dá)到半軸斷裂也能有效制動的目的，有效保證行車安全。

圖4 創(chuàng)新方案功能結(jié)構(gòu)模型

通過系統(tǒng)功能分析，進(jìn)行TRIZ功能裁剪，支架的功能是支撐動摩擦片，采用功能轉(zhuǎn)移原理，裁剪支架功能轉(zhuǎn)移至行星架，建立創(chuàng)新方案功能結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。與原有功能結(jié)構(gòu)模型相比較，其動力傳遞路徑為主傳動-差速器-半軸-太陽輪-行星輪-行星輪架-輪轂，而制動方式則改為通過動靜摩擦片的擠壓，制動行星輪架，從而阻止動力的傳遞達(dá)到有效制動的目的。與已有專利方案形態(tài)圖對比，新的功能結(jié)構(gòu)分析沒有相同技術(shù)方案，因此專利侵權(quán)評估方面也可以得出結(jié)論，新的功能結(jié)構(gòu)是較為創(chuàng)新的方案，通過有效功能結(jié)構(gòu)的組合，可以實施申請新的知識產(chǎn)權(quán)，以便保護(hù)創(chuàng)新的成果。

3.3 創(chuàng)新設(shè)計

1.螺栓墊圈 2.墊片 3.擋圈 4.滾針 5.行星輪架 6.動摩擦片 7.靜摩擦片 8.內(nèi)齒圈 9.墊片 10.活塞 11.半軸

圖5 方案1濕式制動器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5所示，為方案濕式制動器結(jié)構(gòu)示意圖。動力傳遞扭矩路徑為輸入軸—半軸—太陽輪—行星輪—行星輪架—輪殼，從而帶動輪殼和車輛轉(zhuǎn)動。靜摩擦片7通過花鍵與內(nèi)齒圈8連接，動摩擦片6通過花鍵與行星輪架5一端凸起處外花鍵連接。制動時，通過液壓油推動活塞的軸向運動，將靜摩擦片和動摩擦片壓合在一起，并抵壓至行星輪架，由多盤摩擦片產(chǎn)生摩擦制動力矩制動行星輪架5實現(xiàn)制動；卸除油壓后，活塞和齒圈支架之間的回位彈簧將活塞拉回原位，消除動摩擦片和靜摩擦片之間的摩擦力，解除制動狀態(tài)。

可以看出，與原始方案相比新方案設(shè)計新式行星輪架結(jié)構(gòu)，簡化原有設(shè)計結(jié)構(gòu)及加強行星輪架強度，有效減少一般通過制動半軸制動車輛對半軸的沖擊載荷，減少半軸疲勞斷裂的可能性。即使半軸在極端工況下斷裂，也能通過制動行星輪架實現(xiàn)安全制動。該方案制造簡單、承載能力強、維修方便、制動高效、安全性能好。另外，新方案通過制動行星輪架，在相同的載荷下，行星輪架能獲得很大的抗扭截面系數(shù)，較大的降低了剪切應(yīng)力，有效減少通過制動半軸制動車輛對半軸的沖擊載荷，減少半軸疲勞斷裂的可能性。即使半軸由于極端條件斷裂，也能制動行星輪架實現(xiàn)安全制動。

4 總結(jié)

集成TRIZ和專利規(guī)避設(shè)計的產(chǎn)品創(chuàng)新方法是以專利侵權(quán)判定為依據(jù)，并將TRIZ方法作為突破專利壁壘的有效工具，解決專利規(guī)避設(shè)計過程中的具體問題。應(yīng)用集成TRIZ的專利規(guī)避設(shè)計流程對濕式制動器產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，通過建立功能結(jié)構(gòu)模型，并按照專利規(guī)避原則利用TRIZ功能裁剪進(jìn)行濕式制動器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計。在專利知識數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，深入研究TRIZ方法與專利規(guī)避設(shè)計集成化、智能化和自動化是以后創(chuàng)新設(shè)計理論方法的研究重點，實現(xiàn)CAI軟件輔助產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計有著重要的意義。

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(編輯 李秀敏)

A Methodology of Product Innovation Based on TRIZ and Patent Design Round

WANG Hao-lun

(School of Mechanical & Electronical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

In the era of knowledge-based economy, the patent barriers are getting more and more serious for enterprise when they enter the market; the space for the development of their technology is getting smaller and smaller. Therefore systematical innovative methods are badly needed to guide the enterprises to design around patents and achieve better technology market without infringement on the basis of existing patents’ technology advantages. The process for designing around patents and innovative design was presented according to rules of patent infringement judgment and TRIZ methods. The wet brake is analyzed as a case study by above integrated process. The results indicate that the proposed methods can effectively improve the efficiency of the product innovation design.

TRIZ; patent design round; product innovation; wet brake

1001-2265(2014)05-0066-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.017

2013-09-21；

2013-10-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51165007, 71172055); 江西省教育廳科技研究項目(GJJ13313)

王浩倫(1981—), 男, 浙江金華人, 華東交通大學(xué)講師, 博士, 主要從事大規(guī)模定制設(shè)計，現(xiàn)代設(shè)計方法及理論，(E-mail)haolun123@163.com。

TH122；TG65

A