基于TRIZ理論的無碳小車創新設計

摘要：文章通過對無碳小車進行能量分析、運動特性分析以及整體結構分析，找出設計存在的問題，建立問題模型；結合TRIZ理論的矛盾矩陣，確定所要研究的技術參數；通過矛盾矩陣，找出適應于無碳小車具體設計的發明原理；對無碳小車進行創新設計，并設計出一款具有穩定可靠、運動性能更佳的無碳小車。

關鍵詞：無碳小車創新設計；TRIZ理論；矛盾矩陣；技術參數；機械化設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP235 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

第三屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽的主題是設計一種通過重力勢能為驅動的具有方向自行控制的無碳小車。給定重力勢能為4焦耳由質量為1kg的重塊（普通碳鋼Ф50*65mm）鉛垂下降來獲得，落差，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖：

圖1 小車示意圖

本文將采用TRIZ理論，對無碳小車的設計要求進行問題分析，找出適合設計要求的解決方案，設計并完成無碳小車的整車的創新設計，以使無碳小車能夠具有更好的適應性以及可靠性。

TRIZ是由俄文中“發明問題的解決理論”的字頭得來，是以前蘇聯科學家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）為代表的科研人員于1946年開始了有關TRIZ理論和實踐的研究，主要目的是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則。為此，阿奇舒勒歷經多年結合原蘇聯研究所組成的數百人的研究團隊分析研究了全世界近250萬件發明專利，綜合多個學科領域的原理、法則，形成了TRIZ的理論體系。

1 建立TRIZ理論問題解決模型

TRIZ理論包含了創新的理念，現在廣泛運用在創新優化設計當中。現代TRIZ理論的核心思想主要體現在以下三個方面：（1）無論是一個簡單產品還是復雜的技術系統，其核心技術的發展都是遵循著客觀的規律發展演變的，即具有客觀的進化規律和模式；（2）各種技術難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力；（3）技術系統發展的理想狀態是用盡量少的資源實現盡量多的功能。

在運用TRIZ理論的過程中，首先對實際設計要求進行分析，通過TRIZ理論的39個通用技術參數對實際問題進行描述，并找出TRIZ問題表述的矛盾解決矩陣。利用TRIZ理論所給出的TRIZ工具，其中包括40條發明原理、分離原理、76個標準解以及ARIZ方法等。得到解決問題的標準解。然后，根據實際情況以及經驗公式將標準解轉化為相應技術領域的特定解，也就是所謂的實際解決方案。在無碳小車的設計當中，根據以上的TRIZ解決問題的方法。首先，需要對能量轉化進行分析。進一步了解無碳小車的能量轉化關系以及相應的損失。其次，對無碳小車進行運動特性分析，得到需要優化的技術參數。最后，根據相應的技術參數的矛盾關系。采用TRIZ理論中工具——矛盾矩陣，找到可以解決問題的標準解。再根據實際情況的描述，找到具體的特定解。最終得到具備更好穩定性以及適應能力更好的參賽小車。

2 能量及運動特性分析

2.1 能量分析

根據設計要求。無碳小車的初始總能量為4焦耳，即重錘在小車最高點的位置時，在理想狀態下，根據機械能守恒定律。即：

（1）

由于在初始狀態下，重錘高度為0.4m（默認重錘達到最低點的為零），無碳小車處于靜止狀態，即速度為。當重錘落下至最低點的時候，重錘高度為0m，此時，小車的速度達到最大為（）：

（2）

此時，由于小車速度不為零，在慣性的作用下。小車還將繼續行駛，直至速度為零。

由于在實際情況下。首先，無碳小車本身有重量，且與地面接觸有摩擦，會有一部分的能量摩擦生熱而損失，并且這部分能力損失與小車的重量成正比。其次，無碳小車中各個機構在運作過程也會有能量損失，且與機構的復雜程度成正比。最后，無碳小車在實際行駛過程不會遵守機械能守恒定律，將會出現能量損失，即：

（3）

2.2 運動特性的分析

由能量分析中機械能守恒定律得知：初始時，無碳小車的速度；當重錘高度降為一半時，無碳小車的速度為：

（4）

小車隨著重錘的下降，將繼續行進，達到速度的最大值重錘到了最低點，直至速度降為零。

由于小車在實際行走過程中，受摩擦力以及機構運作阻力的影響。在重錘達到最低點時，小車的速度會小于。無碳小車最終能完成的路程也就小于理想狀態下所行走的路程。

3 無碳小車的創新設計

3.1 TRIZ理論問題解決

根據對無碳小車的能量分析以及運動特性的分析。得知由于無碳小車的總能量為定值，而且受實際情況的影響。首先，無碳小車在行走時，會出現能量損失，而且能量損失與無碳小車的自身重要有關。其次，為了讓無碳小車在行走過程中不會出現翻車的現象，所以無碳小車自身要有良好的穩定性，并且無碳小車的穩定性與自身重量有關，其自身重量大、穩定性好。由此可知，根據TRIZ理論所給出的解決問題的工具——39個技術參數。

無碳小車需要解決的就是運動物體的重量、能量損失以及穩定性之間的關系。通過TRIZ理論所給出的矛盾矩陣，如表1，找出相應的標準解。求得標準解之后，根據實際情況，為了既能保證無碳小車的穩定性，又能避免造成過多的能量損失，決定在材料的選擇以及結構上找出相應的特定的解決方案。

3.2 材料的選型

根據TRIZ理論中40個發明原理的標準解。在材料的選擇方面，要求是重量輕，并且具有良好的機械性能的材料。傳統用的大多數以鋼材為主，以45號鋼為例。由《機械設計手冊》這種鋼材根據國家中國牌號45編號UNS標準號GB 699-88化學成分（%）0.42～0.50C，0.17～0.37Si，0.50～0.80Mn，0.035P，0.035S，0.25Ni，0.25Cr，0.25Cu形態錠、坯、條、管、板、帶狀態不熱處理、退火、正火、高溫回火，其抗拉強度600Mpa屈服強度355Mpa伸長率16%密度7.85；鋼材的密度過大，在單位體積下，重量大，不適宜制作無碳小車。由此，找出適合無碳小車的制作材料密度較小的鋁合金。查《機械設計手冊》，5052鋁合金，材料名稱：鋁及鋁合金擠壓棒料（小于150mm，H112、T6、O）標準：GB/T3880-2006；力學性能：抗拉強度173～244MPa，條件屈服強度大于70MPa，密度2.71；由于無碳小車載荷不大，鋁合金的強度滿足其要求，并且鋁合金遠小于鋼材的密度，鋁合金為最佳選擇。

3.3 結構設計

在機械創新性設計中，有一部分創造性的思維是源于觀察動物身上的某個功能得來的，就好比將某個功能從動物身上抽取下來。由這一創新思維的方法進一步聯想到，爬行動物在行走的過程中十分穩重，其原因是腹部遇地面的距離很近，幾乎和地面相接觸，使得動物本身重心低，在行走過程能夠很好地保持其平穩性。在無碳小車整體設計中，由于無碳小車受到自身重量的限制，為了更好地保證無碳小車的穩定性。在整車的結構布局方面，抽取爬行動物的重心低的功能，將采取盡可能降低整車的重心，并且保證整車的結構要緊湊。在底盤的結構設計中，將底盤與地面的距離選擇最小值。最終方案得到一種低底盤整體車架結構的無碳小車，該結構在行走過程中提高了整車的穩定，避免無碳小車在行走過程中的翻車現象。圖2為無碳小車整體車架結構：

圖2 無碳小車整體車架結構

3.3.1 動力轉化：采用定滑輪結構將重錘的通過線繩連接到輸入軸端。將重錘的下落時的動力傳遞給輸入軸，然后通過齒輪傳動機構將動力分別輸入給驅動輪以及轉向機構。

3.3.2 后輪驅動：后輪中，將左輪采用與軸過盈配合，實現左輪驅動。而后，將右輪與軸用軸承連接，實現右輪與軸可以相對轉動。通過將左輪驅動右輪空轉這種結構以實現無碳小車在轉向過程的差速過程。

3.3.3 前輪的轉向：將動力通過摩擦輪傳遞給凸輪機構，凸輪機構再將動力傳遞給與前輪相連的四連桿機構。以此實前輪的轉向。為了能使無碳小車準確走出“8”字，在凸輪的設計方面采用UG三維軟件進行模擬設計，精確地設計出凸輪的形狀尺寸。在前輪的四連桿機構中分別加裝橫向縱向螺紋調節機構，用來調節前輪的轉彎半徑。

3.3.4 整車安裝：將無碳小車設計出的各個機構首先通過銷釘定位的方式確定好各個機構的準確位置，這樣做的目的是方便無碳小車在比賽的過程中二次拆解安裝后還能準確找到零件位置，減輕不必要的調節環節。最后再通過螺紋聯接將各個零件進行固定。在有些易松動變形的位置直接采用鉚釘聯接，防止再次拆解。

4 結語

無碳小車的設計制作過程是大學生綜合能力素質的具體表現，也是檢驗大學生在工程訓練中學習成績的過程。在方案設計過程中，如何正確運用合理的設計方法，在無碳小車制作過程中起到了提綱挈領的作用。本文通過運用TRIZ理論設計方法，讓學生了解到這種設計方法在現在創新性設計應用的廣泛性。TRIZ理論打破的傳統的設計思維模式，通過多方面的設計原理以及設計工具，解決設計過程中的疑難雜癥，使設計過程變得更加高效合理，也為機械優化設計提供更好的設計理念。

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作者簡介：郭剛（1989-），男，廣東工業大學實驗教學部助理實驗師，研究方向：機械裝配鉗工及鑄造技術工程實訓。

（責任編輯：周 瓊）