基于TRIZ的軸承彈性擋圈安全拆裝工具的創新設計

王壽斌

（蘇州工業園區職業技術學院 機電工程系，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

彈性擋圈是機械設備中用于零部件軸向定位的重要元件，一般有孔用和軸用兩種。通常與軸承、軸、孔、齒輪、圓盤（飛輪）等旋轉部件密切接觸，套在軸上的叫做軸用彈性擋圈，嵌于孔中的稱為孔用彈性擋圈。在機械設備的裝配、維修過程中，經常需要頻繁地將彈性擋圈從軸上（或孔里）拆下，再安裝到軸上（孔里）。這就必須要用專門的拆裝工具——彈性擋圈鉗。相應地，根據使用對象不同，彈性擋圈鉗也分軸用和孔用兩種。

1 基于TRIZ 的彈性擋圈鉗問題分析

由圖1 和圖2 可知，無論孔用或軸用彈性擋圈，均為扁平結構，擋圈的徑向尺寸往往是其厚度的15～25倍。裝拆擋圈時，需要將彈性擋圈鉗的鉗尖插入彈性擋圈的兩個耳孔中，通過對鉗柄施加夾力而使彈性擋圈變形，裝入（套入）彈性擋圈槽中，外力松開后擋圈恢復原形卡入槽中，發揮軸向定位功能；拆卸時的步驟相反，先施力變形，后安全取出。實際操作中，人手施力于彈性擋圈鉗，因為無法中途隨意停留，極易出現過松或過緊現象而難于順利裝拆；同時，由于彈性擋圈片薄而性剛，在非穩定的外力作用下極易出現扭曲，導致彈蹦傷人。多年來，因拆裝彈性擋圈而傷眼的學生、工人為數不少。

為此，迫切需要設計一種使用平穩、安全、省力且比較便宜的彈性擋圈拆裝工具。

圖1 軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈Fig.1 Shaft with elastic ring and hole with elastic ring

1.1 現有彈性擋圈鉗沖突問題描述

圖2 軸用彈性擋圈鉗和孔用彈性擋圈鉗Fig.2 Shaft with elastic ring clamp and hole with elastic ring clamp

沖突是TRIZ 理論的重要核心之一。沖突可分為技術沖突和物理沖突兩種[1]。技術沖突指的是技術系統里某種作用的結果常常利弊并存，有用與有害同時出現。比如，子系統A （功能、參數、特性等） 得到改善時，子系統B 卻隨之被惡化[2]。

現有彈性擋圈鉗的不足在于使用時比較費力，且由于兩鉗尖在工作過程中處于非平行、非平衡狀態，容易導致彈性擋圈因打滑而飛蹦，產生安全隱患，操作空間受限時更不易夾緊，難于工作；使用過程中，兩鉗尖之間的距離不能隨意固定在某一位置，不便于進行過程控制。

顯然，現有彈性擋圈鉗的 “操作簡單” 和 “穩定性” 是一對符合上述特性的技術沖突： 有用特性 “操作簡單” 的提高，直接導致有害特性 “穩定性” 的降低。同理，現有彈性擋圈鉗的 “可制造性” 分別與 “裝置的復雜性”、“適應性”、“可靠性”、“生產率” 等有害特性也存在技術沖突。

1.2 新型彈性擋圈拆裝工具的技術沖突

（1）技術沖突矩陣的建立。TRIZ 理論對于發明創新的突出貢獻，在于通過分析和解決沖突問題，簡單快捷地找到改進方法[3]。TRIZ 解決問題的主要工具是矩陣表。它從對250 萬個高質量專利的統計分析，得出39 個參數和40 個發明原理。以這39 個參數依次作為橫坐標和縱坐標，分別對應惡化特性和改善特性，共同組成技術沖突矩陣。在縱橫坐標相交叉的方格里，提供了針對沖突的發明原理解決方案。發明原理是TRIZ 解決問題的秘密武器，以編號形式嵌入在矩陣的方格里，以供制定解決方案時參考。為了避免原理過多而使問題趨向復雜，每個方格中的發明原理通常不多于4 條。

將彈性擋圈鉗希望改進的特性 “可靠性” 和 “力”及其可能隨之產生的負面特性 “操作流程的方便性”、“設備復雜度” 等共同組成TRIZ 技術沖突矩陣，如表1所示。其中，改善的參數與惡化的參數交匯處方格里的數字，即為解決相應沖突所適用的發明原理的編號。

表1 彈性擋圈拆裝工具的阿奇舒勒技術沖突矩陣Tab.1 Elastic ring disassembling tool of archie schuler technology conflict matrix

通過查閱《40 個發明原理對照表》[4]，可從各自原理的解釋中得到激發創新思維的啟迪。見表2。

（2）技術沖突的解決。表1 矩陣所列出的原理，旨在使沖突朝著有利于改進的方向發展，給人們提供最有可能讓問題得到解決的思維搜索方向。但這僅是帶有普遍指導意義的一般解，而不是直接解決問題的特定解[5]。設計者需要在熟悉原理內涵的基礎上，結合特定問題和自己的實踐經驗，剔除那些明顯無助問題解決的原理，再把可行性較強的原理運用到設計目標中，從而得到所需要的特定解。

表2 技術沖突的解決原理及其釋義Tab.2 Technical conflict solution principle and its meaning

通過綜合分析，創新原理中的1、3、25、26、27、28、35 均有利于解決系統中的沖突，尤其是出現頻度較高的1 和35 兩條原理，對于彈性擋圈拆裝工具的優化設計具有針對性較強的指導意義。

根據分割原理1，可嘗試把物體分成獨立的部分，本拆裝工具將改變原有彈性擋圈鉗的一體化設計，而由Y 型支架、雙頭螺柱、旋輪和兩個槽鉤四大部分組成[6]。其中，針對傳統彈性擋圈鉗的兩個尖頭在長時間使用之后會出現磨損、彎曲或折斷的不足，特地在叉桿的兩端設計了可拆卸的槽鉤，以便在損壞后及時更換。

根據改變參數原理35，針對傳統彈性擋圈鉗在夾緊過程中不易控制作用力方向，容易導致彈性擋圈彈蹦傷人的不足，本設計大膽地改變了系統的幾何結構，通過整體架構上的三角形來增加穩定性。

根據廉價替代品原理27，本設計降低了傳統彈性擋圈鉗對專用金屬材料的特殊要求，除兩個槽鉤采用耐磨金屬制作外，Y 型支架、雙頭螺柱、旋輪等均可用相對廉價的常用金屬或耐磨非金屬代替，在不降低使用性能的前提下，盡量節約成本。

根據復制原理26 和機械系統替代原理28，本產品在設計過程中排除了多種形式實現兩叉桿相對或相向運動的傳動機構，而采取了常見的、傳統的、標準化的螺紋傳動機構，既簡化了設計、方便了生產，又節約了成本。

在沖突矩陣中，也有一些原理，如預先作用10、反向作用13、空間維數變化17 等沒有用到，其原因在于根據實際條件沒有找到相應的特殊解。這充分說明，在具體設計過程中，TRIZ 原理的運用必須與實際問題、與相關專業知識有機融合，才能得到比較有價值的解決方案[7]。這是每個設計人員應當了解的常識，也是應當具備的專業遷移能力。

1.3 彈性擋圈鉗的物理沖突

（1）物理沖突的描述。TRIZ 理論中的物理沖突，是指技術系統中的同一個工程參數具有相反的要求。物理沖突的表現形式之一是，系統或關鍵子系統出現某一參數以獲得某個有用功能[8]，但在單系統或子系統的匯總中卻不能出現，以免產生有害功能。如在彈性擋圈拆裝工具的設計中，快與慢就是一對功能性矛盾，我們既希望出現傳統彈性擋圈鉗那樣快速的施力、簡便的拆裝，但又擔心過于簡便之中出現擋圈 “彈蹦” 等不安全的有害因素。同時，在本設計中，彈性擋圈拆裝工具體積的大與小也是一對物理沖突。

（2）物理沖突的解決。通過綜合分析，為了解決彈性擋圈拆裝工具在工作過程中的快慢問題，本設計在張緊（松解）彈性擋圈的子系統中使用雙頭螺紋傳動，在螺柱的兩端設置反向螺紋，以盡可能地提高工作效度。為了控制產品的體積，本設計將支架1 設計成Y 型，避免采用U 型或長方型等占據過大空間，在不影響性能的基礎上兼顧了物理沖突的化解。

2 彈性擋圈安全拆裝工具的最優設計方案

在有效解決上述技術沖突和物理沖突的基礎上，我們可以得到彈性擋圈安全拆裝工具的多個設計方案。經綜合比較，得出了最優設計方案，見圖3。其中，1 為Y 型支架，2 為雙頭螺柱，3 為旋輪，4 為槽鉤，5 為螺紋孔，6 為方形通孔，7 為長方體柱，8 為叉桿[6]。

Y 型支架1 包括兩根叉桿，兩根叉桿的下端相互平行，兩根叉桿的上端連接成一體，兩根叉桿的下端分別設置有一螺紋孔，雙頭螺柱2 穿過所述螺紋孔，旋輪3套在雙頭螺柱的中部，兩個槽鉤4 分別位于兩根叉桿的底端，雙頭螺柱的兩端為圓柱并分別設置有外螺紋，與螺紋孔構成螺紋副。使用過程中，兩個槽鉤4 始終卡緊彈性擋圈的孔壁，能防止彈性擋圈打滑；而因為是通過螺紋轉動使兩槽鉤4 保持平移，著力平穩，不會出現彈性擋圈彈蹦傷人的情況，保證操作的安全；兩槽鉤4 之間的距離由旋輪3 的轉動來控制，可以使兩槽鉤4 隨時停留在想要的位置，輕松控制工具的拆裝動作；而且操作省力，螺紋副對旋輪3 上的著力有放大效應，可以用較小的旋力得到兩槽鉤4 之間較大的夾緊拉力，輕松地將彈性擋圈夾緊[6]。

圖3 彈性擋圈安全拆裝工具結構示意圖Fig.3 Elastic ring safe dismantling device structure diagram

3 結論

實踐證明，TRIZ 創新理論對于解決實際問題可以起到事半功倍之效[9]。根據TRIZ 理論，分析現有彈性擋圈鉗的技術沖突及物理沖突，運用沖突矩陣工具，在多項解決原理的指導下，編制出彈性擋圈安全拆裝工具的最優設計方案。該方案設計出的彈性擋圈安全拆裝工具，具有使用平穩、安全、省力且比較便宜的特點，實際使用效果良好，具有較高的推廣價值。

[1] 顏惠庚，李耀中.創新方法入門——TRIZ 基礎[M].北京:化學工業出版社，2011.

[2] JANTSCHGI J, FRESNER J. Linking TRIZ & sustain ability(training and consulting models)[C/CD]//The Fourth European TRIZ Symposium ，June30-July1,2005,Frankfurt/Main,2005.

[3] 陳國強.產品設計程序與方法[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4] 王申亮，等.TRIZ 創新理論與應用原理[M].北京:科學出版社，2010.

[5] 張春林.機械創新設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6] 王壽斌.一種軸用彈性擋圈的安全拆裝工具[P].ZL 2012 2 0664234.2

[7] 檀潤華.創新設計—TRIZ: 發明問題解決理論[M].北京: 機械工業出版社，2002.

[8] 檀潤華.產品設計中的沖突確定方法及解決過程[J].機械設計，2003，10.

[9] Altsuller G. The Innovation Algorithm，TRIZ，Systematic Innovation and Technical Creativity[R].Worcester:Technical Innovation Center，1999.