基于TRIZ 理論雙人腳踏車的創新設計

張東生，張璐，孫偉，閆坤

（陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723000）

0 引言

目前腳踏車所采用的傳動機構主要是簡單的鏈傳動機構和齒輪傳動機構等，這些傳動機構自身的結構和性能限制了自行車使用性能和力的轉換效率的進一步提高。針對腳踏車傳動機構的創新問題，檢索結果表明，在雙人腳踏車傳動機構的研究中，多年未見重大的突破，車體結構也多年來也沒有重大創新［1］。

TRIZ 是俄文中“發明問題解決理論”的縮寫，它是前蘇聯專家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）從1946 年開始帶領一批研究人員，在查看并研究分析全世界近250萬件專利后，提出的一套系統的產品創新設計問題解決理論［2］。該理論現已廣泛應用于產品的創新設計中。所以將TRIZ 理論應用于對雙人腳踏車進行技術改造，以提高能量轉化率和娛樂性，為我們的技術改造工作提供了新的思想和方法。

1 TRIZ 理論解決問題模型

TRIZ 理論作為一種創新原理，它的核心是技術進化原理，而發現和消除產品中的矛盾是產品進化和發展的主導力量，解決問題的核心是解決矛盾［3］。在利用TRIZ理論解決問題的過程中，首先用39 個通用技術參數將實際遇到的問題表述為TRIZ 問題描述的矛盾解決矩陣，然后利用TRIZ 工具，如發明原理、標準解等，求出問題的標準解。最后再根據實際經驗把標準解轉化為相關專業領域的特定的解，即實際解決方案。圖1 為TRIZ 解決問題的過程圖。

圖1 TRIZ 求解問題的解決過程模型圖

在機械創新設計中，創造性的思維只有在創新原理的約束和導向下才能得到有效的創造性結果［2］。類比移植是創造性思維的一種模式，指依據兩實物之間的相關性，從已知一對象的某種性質推出另一對象具有某種相應的性質的推理過程。例如人造金剛石制做刀具時會存在一些肉眼看不見的裂縫，這是由于傳統的金剛石切割方法會導致裂縫的產生，這些看不見的裂縫要到使用中才能被發現。那么需要解決的是沿著金剛石的自然裂縫進行切割，而不產生新的破壞的方法。新的方法取自于一種在食品罐裝行業中去除辣椒籽的方法，辣椒首先被放在密封容器中，加壓至8 個大氣壓，辣椒皮在莖干處被壓破，接著急速減壓，辣椒籽就會從壓破處噴出來。這種方法被用到金剛石上就是把它沿著自然裂縫處分割開。本文在腳踏車傳動系統的創新中也將應用這種思想。

2 雙人腳踏車的創新設計

2.1 問題的描述和分析

傳統雙人腳踏車車體結構可以分為2 種，一種是一前一后的線性連接結構，如果駕駛的兩個人配合不好，常常會使腳蹬速度慢的一方有種踏空感，行駛過程也是走走停停，駕駛起來也比較費力，能量利用率低，配合性也較差。并且這種結構車身冗長，不能為駕駛者提供并排交流的空間，使駕駛者減少了駕駛的樂趣。

另一種是將兩輛普通自行車通過剛性軸連接，這種結構轉向不夠靈活，同時運用的是傳統自行車的原理，兩人間的相互配合性很差，創新不夠。因此運用TRIZ 理論對雙人腳踏車傳動系統和車體結構所存在的問題進行分析，是對雙人腳踏車創新設計的基本思路。

2.2 傳動系統的改進

2.2.1 工具的選擇

針對傳統雙人腳踏車工作時，駕駛者常常有“踏空感”以及能量轉化率低的問題，在優化系統能量損失的同時，勢必會影響到整個系統的傳動力矩以及速度。將系統的技術參數抽象為39 個通用參數中的參數，得出問題的技術矛盾如下：改善的參數為22－能量損失；惡化的參數為10－力；查詢矛盾矩陣表得到推薦的發明創新原理序號為14、15，其中原理14 為圓球化，原理15 為動態特性。經過分析上述兩種發明原理的解釋，以及所需改善腳踏車傳動系統的結構，決定采用15 號發明原理作為解決問題的工具，它的解釋如下：1）在物體變化的每個階段讓物體或者環境自動調整到最優狀態；2）把物體分為幾個元素，使各元素間可以相互轉換；3）物體不動則讓其動起來，反之亦然。

2.2.2 解決方案

用15 號發明原理的解釋，讓駕駛者在駕駛過程中能量的轉化率達到最高，即2 個駕駛者不管腳蹬的力大小差距很大，都能讓其轉化為驅動力，將能量都能有效利用，傳動系統自動調整到最優狀態，利用原理類比移植的方法，將速度和力矩合成的裝置——差速器，應用到雙人腳踏車的傳動系統中，通過左右半軸輸入大小不同的動力，合成后的合動力作為輸出動力。這就解決了傳統雙人腳踏車因為兩名駕駛者腳蹬速度大小不同產生踏空感的問題，使其達到最優的工作狀態。

如果在駕駛過程中，其中一名駕駛者需要休息，只需一名駕駛者駕駛，運用單向軸承的自鎖功能，在左右半軸分別加上單向軸承，實現一個駕駛者腳蹬時另一邊鎖死，使單獨輸入速度合成裝置速度時另一邊不會造成干擾。這種設計利用差速器、超越離合器等機構的特性組成速度合成器，使機構在各種狀態下都能實現良好的工作效果，從而實現速度合成，提高能量的轉化率，也提高了雙人腳踏車的休閑性和娛樂性。如圖2 所示為速度合成器裝置Pro/E 視圖。

圖2 速度合成器Pro/E 視圖

2.2.3 從原理上分析速度合成器

圖3 普通錐齒輪式速度合成裝置示意圖

機構自由度的計算公式為F=3n-（2p1+ph）。式中，n 為活動構件，p1為低副，ph為高副。計算得F＝2，即速度合成器中的差動輪系有2 個自由度，故可以獨立輸入兩個主動運動，輸出運動即為此兩運動的合成。

所以ω1－ωH＝-（ω3－ωH）得即ω1－ω3＝2ωH即n1+n2=2nH，速度合成器兩端輸入的速度合成，左右半軸的轉速可以在0～2ω0之間任意分配。

同時根據力矩守恒T1+T3=TH，即兩端輸入轉矩之和等于輸出的行星架的轉矩。

其中：

T1、T3分別為左右半軸上施加的轉矩，F 為殼體上承受的作用力，T1、T3為相應的作用力。

殼體輸出力矩為半軸輸出力矩之和，即TH＝T1＋T3，達到合成速度和合成力的目的［6］。

2.3 車體結構的改進

2.3.1 工具選擇

針對分析中車體結構出現沖突需要改變的參數為外形，可操作性，配合性。但在改善的同時整個系統的可制造性肯定受到影響，查沖突解決矩陣表，得到矩陣表中優先推薦的2、5、13、16 發明原理，即抽取、組合、反向作用、過渡作用。其中組合原理描述為將相同的物體或者完全類似的操作的物體聯合起來，或將時間上相同或類似的操作聯合起來。

2.3.2 解決方案

傳統雙人腳踏車都是前后線性組合或者剛性連接的結構，操作性、配合性和休閑性都不高。我們已經設計出通過左右半軸輸入的速度合成裝置，由于2 名駕駛者駕駛過程具有一致性，考慮到傳統腳踏車結構上一前一后的缺陷，我們采用這種并排結構，最終方案得到一種雙人并排柔性連接的整體結構，大大提高了騎行者的配合性，也提高了駕駛的娛樂性。速度合成雙人腳踏車整體結構件如圖4 所示。速度合成雙人休閑腳踏車，符合“環保、休閑”的時代主題，可作為大型觀光景區及展會等的游覽設備，具有極高的市場開發潛力，圖5 所示為速度合成雙人腳踏車的實物圖。

圖4 速度合成雙人腳踏車結構示意圖

圖5 雙人腳踏車實物圖

3 結語

將TRIZ 理論應用于雙人腳踏車的機構創新設計中，針對傳統雙人腳踏車在傳動機構和車體上存在的問題，通過TRIZ 理論建立問題模型，然后由TRIZ 工具表找出符合的發明原理并得出解決問題的思路，從而設計出具有速度合成功能、休閑性更高的雙人腳踏車。所以將TRIZ 理論應用于機械在產品開發過程中，用系統的方法和工具來解決通常難以解決的問題，打破傳統的思維定勢，使工作更加快速高效，為機械產品設計創新和優化設計提供一條新的方法。

［1］鄢超，孫巧雷.一種新型雙人騎自行車的創新設計［J］.科技資訊，2012（26）：189-192.

［2］唐志航.基于TRIZ 的機械產品創新設計研究［D］.天津：天津理工大學，2011.

［3］熊高云，劉國發，趙瀟，等.基于TRIZ 理論的煙葉除麻設備技術改進［J］.機械制造與自動化，2013，42（3）：82-85.

［4］張簡一，郭艷玲，楊樹財，等.基于TRIZ 理論的產品創新設計［J］.機械設計，2009，26（2）：35-37.

［5］楊琦.自行車創新設計的仿真研究及其實現［D］.大連：大連理工大學，2000.

［6］崔群.雙人自行車基本結構設計［J］.鞍山師范大學學報，1996，17（4）：78-79.

［7］劉志崗.差速器左右半軸轉速關系的三種分析方法［J］.研究與開發，2001（12）：88-92.