基于TRIZ 理論的擦玻璃器創(chuàng)新設(shè)計

李雪姣

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

TRIZ 譯成中文是“發(fā)明問題解決理論”。1946年，以蘇聯(lián)海軍專利部阿奇舒勒為首的專家開始對數(shù)以百萬的專利文獻加以研究，進行收集整理、歸納提煉，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并在此基礎(chǔ)上建立了一套系統(tǒng)化的、實用的解決創(chuàng)新發(fā)明問題的方法[1]。本文基于TRIZ 創(chuàng)新方法對擦玻璃器易脫落的問題進行研究并提出解決問題的方案。

1 問題背景和描述

1.1 問題背景

磁吸式擦玻璃器分為2 個模塊，工作過程中分別清潔玻璃的2 個面。主要是利用內(nèi)置于擦玻璃器2 個模塊中的磁鐵將其固定在玻璃的兩面，通過移動玻璃內(nèi)部模塊帶動玻璃外部的模塊，從而實現(xiàn)在玻璃一側(cè)移動擦玻璃器可以同時清潔玻璃2 個面的功能。

但是由于擦玻璃器2 個模塊中的磁鐵在移動過程中的吸力不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)致目前市面上的磁吸式擦玻璃器在使用過程中出現(xiàn)容易脫落、容易夾手等問題。在產(chǎn)品設(shè)計的過程中，設(shè)計師通常使用的設(shè)計方法大多相對來說比較隨意，很難全面地去解決一個系統(tǒng)問題。而TRIZ 創(chuàng)新方法是一套全面且系統(tǒng)的分析問題、解決問題的創(chuàng)新方法。因此針對于這2 個問題，本文利用TRIZ 理論進行分析、解決和評估，得出最終的解決方案。

1.2 問題的描述

1.2.1 定義技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

所在的技術(shù)系統(tǒng)是磁吸式擦玻璃器。該技術(shù)系統(tǒng)的功能是分離玻璃上的灰塵等微小顆粒。實現(xiàn)該功能的約束是只能按規(guī)定路線擦玻璃。

1.2.2 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的工作原理

擦玻璃器通過磁鐵將擦玻璃器的2 個部分固定在玻璃的內(nèi)外兩側(cè)，人手動移動玻璃內(nèi)側(cè)模塊，磁鐵吸附帶動玻璃外側(cè)模塊移動。擦玻璃器內(nèi)外兩部分貼合玻璃的地方都裝有清潔棉，通過移動擦玻璃器，帶動清潔棉分離玻璃上的污漬。

1.2.3 當(dāng)前系統(tǒng)存在的問題

在擦玻璃的過程中吸力不穩(wěn)定，容易脫落。問題出現(xiàn)的條件和時間：①在玻璃很臟且灰塵干燥時擦玻璃器易脫落；②擦玻璃器開始移動時加速度快擦玻璃器易脫落；③用戶在沒有按照規(guī)定路線擦玻璃時擦玻璃器易脫落。上述問題都出現(xiàn)在擦玻璃的過程中。

1.2.4 問題或類似問題的現(xiàn)有解決方案及其缺點

針對于擦玻璃器易脫落，部分廠家在擦玻璃器內(nèi)側(cè)添加了小吸盤，但是由于磁鐵重力大，小吸盤無法在脫落瞬間把擦玻璃器吸附在玻璃上。有的商家準備了可調(diào)控磁鐵，但由于無法確定玻璃厚度，因此沒有磁吸力度調(diào)節(jié)的依據(jù)，在擦玻璃時依然會易脫落。

1.2.5 新系統(tǒng)的要求

新系統(tǒng)要能夠在擦玻璃的過程中使擦玻璃器時刻都穩(wěn)定地吸附在玻璃上。擦玻璃過程要簡單，減少復(fù)雜路線和軌跡的設(shè)定，符合人們常規(guī)擦玻璃的習(xí)慣。

2 問題分析

2.1 功能分析

針對上述問題，利用TRIZ 理論的功能分析對組件作用關(guān)系進行分析，利用系統(tǒng)功能列表建立已有系統(tǒng)的功能模型，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能模型

功能缺陷描述：首先防夾手柱對玻璃有損害，增大摩擦力是有害功能；使灰塵附著于玻璃上是有害功能；磁鐵A、B 形成的磁場的吸力不穩(wěn)定是不足功能。

2.2 因果鏈分析

利用因果鏈分析對問題進行分析，如圖2 所示。

圖2 因果鏈分析圖

2.3 資源分析

對整個系統(tǒng)的可用資源進行分析[2]，如表1 所示。

表1 可用資源分析

2.4 確立問題解決突破點

通過開展系統(tǒng)三大分析，明確系統(tǒng)中組件之間的相互關(guān)系及存在的負面功能，綜合考慮系統(tǒng)可用資源，得出問題解決的突破點如下。

關(guān)鍵突破點1：如何提前軟化灰塵？

關(guān)鍵突破點2：如何通過磁鐵形態(tài)改變來保證磁吸力的穩(wěn)定？

關(guān)鍵突破點3：如何精準調(diào)節(jié)磁吸力？

關(guān)鍵突破點4：如何減小玻璃和擦玻璃器間摩擦力？

3 問題求解

3.1 系統(tǒng)裁剪

根據(jù)功能組件價值計算，防夾手柱的價值最低，一個有用功能是支撐殼體B，使殼體A、B 間有縫隙，防止殼體夾手。另一個功能是有害功能，因此裁掉防夾手柱，采用可開關(guān)磁結(jié)構(gòu)取代防夾手柱防止夾手的功能。對功能分析中的功能模型進行裁剪建立新的功能模型，如圖3 所示。

圖3 新的功能模型

裁剪掉防夾手柱，把磁鐵A、B 中的磁鐵A 改成可以開關(guān)的磁鐵結(jié)構(gòu)。可開關(guān)磁鐵結(jié)構(gòu)使用垂直齒輪結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)齒輪，使磁鐵A 的N 極、S 極改變方向，從而控制擦玻璃器的磁場，來避免擦玻璃器夾手，取代防夾手柱功能。

3.2 技術(shù)矛盾

以“如何提前軟化灰塵”為突破點解決問題。利用技術(shù)矛盾進行問題解決。

矛盾描述：為了提前軟化灰塵，需要改善擦玻璃器的可靠性，但這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)的另一個性能參數(shù)設(shè)備的復(fù)雜性惡化。

以技術(shù)矛盾方式闡述問題：如果增加提前軟化的部件，那么就能改善擦玻璃器的可靠性，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)裝置復(fù)雜性變大。

用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾并查找矛盾矩陣，得出對應(yīng)的發(fā)明原理，如表2 所示。

表2 技術(shù)矛盾

描述形成的概念方案：依據(jù)發(fā)明原理1 分割，把磁吸部分和清潔棉分開以支桿連接，清潔棉1 在上，磁鐵在中間，清潔棉2 和刮條在下，實現(xiàn)先軟化清潔后移動，減小玻璃和擦玻璃器之間的摩擦力。

以“如何精準調(diào)節(jié)磁吸力”為突破點解決問題。

矛盾描述：為了精準調(diào)節(jié)磁吸力，需要改善擦玻璃器可靠性參數(shù)，但這樣做了會導(dǎo)致系統(tǒng)的另一個參數(shù)設(shè)備復(fù)雜性惡化。

以技術(shù)矛盾方式闡述問題：如果在系統(tǒng)中增加精準調(diào)節(jié)磁吸力的裝置，那么就能改善擦玻璃器的可靠性，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)裝置復(fù)雜性變大。

用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾并查找矛盾矩陣，得出對應(yīng)的發(fā)明原理，如表3 所示。

表3 技術(shù)矛盾

描述形成的概念方案：依據(jù)發(fā)明原理1 分割，將磁鐵A 分割成磁顆粒，設(shè)置大小不一的過濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加鐵粉的可操控性。

以“如何精準調(diào)節(jié)磁吸力”為入突破點解決問題。

矛盾描述：為了精準調(diào)節(jié)磁吸力，需要改善測量精度參數(shù)，但這樣做了會導(dǎo)致系統(tǒng)的另一個參數(shù)設(shè)備復(fù)雜性惡化。

以技術(shù)矛盾方式闡述問題：如果在系統(tǒng)中增加精準調(diào)節(jié)磁吸力的裝置，那么就能改善測量精度參數(shù)，但是會導(dǎo)致系統(tǒng)裝置復(fù)雜性變大。

用工程參數(shù)描述技術(shù)矛盾并查找矛盾矩陣，得出對應(yīng)的發(fā)明原理，如表4 所示。

表4 技術(shù)矛盾

描述形成的概念方案依據(jù)發(fā)明原理10 預(yù)先作用，設(shè)計一款便捷測量玻璃厚度產(chǎn)品，在擦玻璃前測量，根據(jù)玻璃實際厚度調(diào)節(jié)磁吸力。

3.3 物理矛盾

以“如何通過改變磁鐵形態(tài)來保證磁吸力穩(wěn)定”為突破點解決問題。

描述關(guān)鍵問題：擦玻璃器的磁鐵質(zhì)量增大，因為需要保證擦玻璃器磁吸力穩(wěn)定，但又需要磁鐵質(zhì)量小來方便移動擦玻璃器。

加入導(dǎo)向關(guān)鍵詞描述物理矛盾。矛盾描述：為了“保證磁鐵加速度時磁力不變”，需要參數(shù)“磁鐵的質(zhì)量”為“大”，但又為了“保證磁鐵相對減速度時磁力不變”，需要參數(shù)“磁鐵質(zhì)量”為“小”，即，磁鐵的質(zhì)量既要“大”又要“小”。

確定所使用的分離原理。考慮到參數(shù)“磁鐵質(zhì)量”在不同的“時間級別上”具有不同的特性，因此該矛盾可以從“時間級別”上進行分離。

選擇對應(yīng)的發(fā)明原理。選用5 條分離原理當(dāng)中的“時間級別上的”原理，得到解決方案。系統(tǒng)級別分離原理可嘗試使用9 預(yù)先反作用，10 預(yù)先作用，11 事先預(yù)防，15 動態(tài)特性，34 拋棄或再生。

產(chǎn)生具體的解決方案。發(fā)明原理15動態(tài)特性原理，把在殼體中固定不變的磁鐵改成角度可調(diào)的磁鐵，以此來改變磁鐵和玻璃間的角度，使2 塊磁鐵間角度在運動過程中穩(wěn)定不變。

以“如何通過改變磁鐵形態(tài)來保證磁吸力穩(wěn)定”為突破點解決問題。

描述關(guān)鍵問題：擦玻璃器的磁鐵質(zhì)量增大，因為需要保證擦玻璃器磁吸力穩(wěn)定，但又需要磁鐵質(zhì)量減小來方便移動擦玻璃器。

加入導(dǎo)向關(guān)鍵詞描述物理矛盾。矛盾描述：為了“保證磁鐵吸力穩(wěn)定”，需要參數(shù)“磁鐵的質(zhì)量”為“大”，但又為了“方便操作擦玻璃器”，需要參數(shù)“磁鐵的質(zhì)量”為“小”，即擦玻璃器磁鐵的質(zhì)量既要“大”又要“小”。

確定所使用的分離原則。考慮到參數(shù)“磁鐵的質(zhì)量”在不同的“關(guān)系級別上”具有不同的特性，因此該矛盾可以從“關(guān)系級別”上進行分離。

選擇對應(yīng)的發(fā)明原理。選用5 條分離原理當(dāng)中的“關(guān)系級別”原理，得到解決方案。系統(tǒng)級別分離原理可嘗試使用3 局部質(zhì)量，17 空間維數(shù)變化，19 周期性作用，31 多孔材料，40 符合材料。

產(chǎn)生具體解決方案。依據(jù)發(fā)明原理3 局部質(zhì)量，加大磁鐵B 的面積和上下兩端厚度，當(dāng)磁鐵A 收到機械向下的力移動那一瞬間，磁鐵B 一旦脫落，磁鐵A可以重新吸附到磁鐵B 的下半部分。

以“如何減小擦玻璃器和玻璃之間的摩擦面積”為突破點解決問題。

描述關(guān)鍵問題：擦玻璃器和玻璃的接觸面積需要減少，因為要減少摩擦力，但是又需要增大來提高擦玻璃的效率。

加入導(dǎo)向關(guān)鍵詞描述物理矛盾。矛盾描述：為了“減少玻璃和擦玻璃器間的摩擦力”，需要參數(shù)“擦玻璃器和玻璃的接觸面積”為“小”，但又為了“增加擦玻璃器的工作效率”，需要參數(shù)“擦玻璃器和玻璃的接觸面積”為“大”，即，擦玻璃器和玻璃的接觸面積既要“小”又要“大”。

確定所使用的分離原理。考慮到參數(shù)“擦玻璃器和玻璃間的接觸面積”在不同的“空間”（空間、時間、關(guān)系、方向或系統(tǒng)級別上）具有不同的特性，因此該矛盾可以從“空間”（空間、時間、關(guān)系、方向或系統(tǒng)級別上）上進行分離。

選擇對應(yīng)的發(fā)明原理。選用5 條分離原理（空間、時間、關(guān)系、方向或系統(tǒng)級別上分離）當(dāng)中的“空間”原理，得到解決方案。空間分離原理可嘗試使用1 分割，2 抽取，3 局部質(zhì)量，7 嵌套，4 非對稱，17 空間維數(shù)變化。

產(chǎn)生具體解決方案。依據(jù)發(fā)明原理17 空間維數(shù)變化，第1 條把擦玻璃器磁鐵A 的形狀設(shè)計成半環(huán)形，把磁鐵B 的形狀設(shè)計成圓柱形，從而在不影響磁吸力的同時減少摩擦面積。

3.4 物質(zhì)-場分析及76 個標準解

針對關(guān)鍵問題，構(gòu)件系統(tǒng)初始物-場模型圖，如圖4 所示。

圖4 初始物-場模型圖

系統(tǒng)因為擦拭玻璃過程中，加速度影響磁場穩(wěn)定性，故不能滿足期望效應(yīng)的要求。效應(yīng)不足，選擇第2級1 子級強化完善物-場模型如圖5 所示[3]。

圖5 新物-場模型

依據(jù)2.1.2添加重力場標準解，得到問題的解如下。把擦玻璃器設(shè)計成上中下3 個部分，增大上半部分的質(zhì)量，使物體脫落時反轉(zhuǎn)，讓擦玻璃器下半部分吸附在玻璃上，來減少脫落風(fēng)險，如圖6 所示。

圖6 增加重力場方案

3.5 效應(yīng)求解

確定問題要實現(xiàn)的功能為“F11 穩(wěn)定物體位移”。查找效應(yīng)知識庫，得到可用的效應(yīng)為“磁性液體”[4]。依據(jù)該效應(yīng)得到問題的解決方案：把磁鐵B 換成磁性液體，當(dāng)磁鐵A 收到向上或者向下的機械力時，磁鐵B 也會在磁吸力的作用下向上或者向下運動，在慣性力的作用下，磁性液體會集中在運動方向，增加磁力，避免脫落。

3.6 曲線及進化法則

依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的進化發(fā)展過程，選擇技術(shù)進化路線“多個鉸鏈”。把磁鐵和清潔棉分開，以鏈條連接。從而減少擦玻璃過程中加速度對磁力造成的破壞[5]，如圖7 所示。

圖7 增加鉸鏈方案

4 方案評估

初步概念方案匯總?cè)绫? 所示。

表5 初步概念方案匯總

最終方案結(jié)合了以下方面：首先增加水箱，通過分割把系統(tǒng)的軟化、磁吸和分離污漬的2 個功能分開，實現(xiàn)先軟化后分離；給磁鐵增加軸，讓磁鐵根據(jù)運動角度發(fā)生變化，保證磁鐵間的角度不變；將產(chǎn)品分成上中下3 個部分，增加系統(tǒng)上半部分重力，添加鉸鏈，將磁鐵和清潔部分分開，允許清潔部分小角度的晃動，從而減少系統(tǒng)脫落風(fēng)險。

方案效果圖如圖8 所示。

圖8 效果圖

5 結(jié)論

此次使用TRIZ 工具進行問題分析和求解后得到了10 個創(chuàng)新概念方案，針對這10 個解決問題的方案進行評估，最終確定了一種組合解，設(shè)計了一款新型磁吸式擦玻璃器，減少系統(tǒng)脫落給生活造成的麻煩，提高了擦玻璃的效率。希望此次研究設(shè)計能給TRIZ理論和擦玻璃器的發(fā)展提供參考。