基于TRIZ理论的无碳小车创新设计

摘要：文章通过对无碳小车进行能量分析、运动特性分析以及整体结构分析，找出设计存在的问题，建立问题模型；结合TRIZ理论的矛盾矩阵，确定所要研究的技术参数；通过矛盾矩阵，找出适应于无碳小车具体设计的发明原理；对无碳小车进行创新设计，并设计出一款具有稳定可靠、运动性能更佳的无碳小车。

关键词：无碳小车创新设计；TRIZ理论；矛盾矩阵；技术参数；机械化设计 文献标识码：A

中图分类号：TP235 文章编号：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

第三届全国大学生工程训练综合能力竞赛的主题是设计一种通过重力势能为驱动的具有方向自行控制的无碳小车。给定重力势能为4焦耳由质量为1kg的重块（普通碳钢Ф50*65mm）铅垂下降来获得，落差，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许从小车上掉落。图1为小车示意图：

图1 小车示意图

本文将采用TRIZ理论，对无碳小车的设计要求进行问题分析，找出适合设计要求的解决方案，设计并完成无碳小车的整车的创新设计，以使无碳小车能够具有更好的适应性以及可靠性。

TRIZ是由俄文中“发明问题的解决理论”的字头得来，是以前苏联科学家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）为代表的科研人员于1946年开始了有关TRIZ理论和实践的研究，主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。为此，阿奇舒勒历经多年结合原苏联研究所组成的数百人的研究团队分析研究了全世界近250万件发明专利，综合多个学科领域的原理、法则，形成了TRIZ的理论体系。

1 建立TRIZ理论问题解决模型

TRIZ理论包含了创新的理念，现在广泛运用在创新优化设计当中。现代TRIZ理论的核心思想主要体现在以下三个方面：（1）无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式；（2）各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力；（3）技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。

在运用TRIZ理论的过程中，首先对实际设计要求进行分析，通过TRIZ理论的39个通用技术参数对实际问题进行描述，并找出TRIZ问题表述的矛盾解决矩阵。利用TRIZ理论所给出的TRIZ工具，其中包括40条发明原理、分离原理、76个标准解以及ARIZ方法等。得到解决问题的标准解。然后，根据实际情况以及经验公式将标准解转化为相应技术领域的特定解，也就是所谓的实际解决方案。在无碳小车的设计当中，根据以上的TRIZ解决问题的方法。首先，需要对能量转化进行分析。进一步了解无碳小车的能量转化关系以及相应的损失。其次，对无碳小车进行运动特性分析，得到需要优化的技术参数。最后，根据相应的技术参数的矛盾关系。采用TRIZ理论中工具——矛盾矩阵，找到可以解决问题的标准解。再根据实际情况的描述，找到具体的特定解。最终得到具备更好稳定性以及适应能力更好的参赛小车。

2 能量及运动特性分析

2.1 能量分析

根据设计要求。无碳小车的初始总能量为4焦耳，即重锤在小车最高点的位置时，在理想状态下，根据机械能守恒定律。即：

（1）

由于在初始状态下，重锤高度为0.4m（默认重锤达到最低点的为零），无碳小车处于静止状态，即速度为。当重锤落下至最低点的时候，重锤高度为0m，此时，小车的速度达到最大为（）：

（2）

此时，由于小车速度不为零，在惯性的作用下。小车还将继续行驶，直至速度为零。

由于在实际情况下。首先，无碳小车本身有重量，且与地面接触有摩擦，会有一部分的能量摩擦生热而损失，并且这部分能力损失与小车的重量成正比。其次，无碳小车中各个机构在运作过程也会有能量损失，且与机构的复杂程度成正比。最后，无碳小车在实际行驶过程不会遵守机械能守恒定律，将会出现能量损失，即：

（3）

2.2 运动特性的分析

由能量分析中机械能守恒定律得知：初始时，无碳小车的速度；当重锤高度降为一半时，无碳小车的速度为：

（4）

小车随着重锤的下降，将继续行进，达到速度的最大值重锤到了最低点，直至速度降为零。

由于小车在实际行走过程中，受摩擦力以及机构运作阻力的影响。在重锤达到最低点时，小车的速度会小于。无碳小车最终能完成的路程也就小于理想状态下所行走的路程。

3 无碳小车的创新设计

3.1 TRIZ理论问题解决

根据对无碳小车的能量分析以及运动特性的分析。得知由于无碳小车的总能量为定值，而且受实际情况的影响。首先，无碳小车在行走时，会出现能量损失，而且能量损失与无碳小车的自身重要有关。其次，为了让无碳小车在行走过程中不会出现翻车的现象，所以无碳小车自身要有良好的稳定性，并且无碳小车的稳定性与自身重量有关，其自身重量大、稳定性好。由此可知，根据TRIZ理论所给出的解决问题的工具——39个技术参数。

无碳小车需要解决的就是运动物体的重量、能量损失以及稳定性之间的关系。通过TRIZ理论所给出的矛盾矩阵，如表1，找出相应的标准解。求得标准解之后，根据实际情况，为了既能保证无碳小车的稳定性，又能避免造成过多的能量损失，决定在材料的选择以及结构上找出相应的特定的解决方案。

3.2 材料的选型

根据TRIZ理论中40个发明原理的标准解。在材料的选择方面，要求是重量轻，并且具有良好的机械性能的材料。传统用的大多数以钢材为主，以45号钢为例。由《机械设计手册》这种钢材根据国家中国牌号45编号UNS标准号GB 699-88化学成分（%）0.42～0.50C，0.17～0.37Si，0.50～0.80Mn，0.035P，0.035S，0.25Ni，0.25Cr，0.25Cu形态锭、坯、条、管、板、带状态不热处理、退火、正火、高温回火，其抗拉强度600Mpa屈服强度355Mpa伸长率16%密度7.85；钢材的密度过大，在单位体积下，重量大，不适宜制作无碳小车。由此，找出适合无碳小车的制作材料密度较小的铝合金。查《机械设计手册》，5052铝合金，材料名称：铝及铝合金挤压棒料（小于150mm，H112、T6、O）标准：GB/T3880-2006；力学性能：抗拉强度173～244MPa，条件屈服强度大于70MPa，密度2.71；由于无碳小车载荷不大，铝合金的强度满足其要求，并且铝合金远小于钢材的密度，铝合金为最佳选择。

3.3 结构设计

在机械创新性设计中，有一部分创造性的思维是源于观察动物身上的某个功能得来的，就好比将某个功能从动物身上抽取下来。由这一创新思维的方法进一步联想到，爬行动物在行走的过程中十分稳重，其原因是腹部遇地面的距离很近，几乎和地面相接触，使得动物本身重心低，在行走过程能够很好地保持其平稳性。在无碳小车整体设计中，由于无碳小车受到自身重量的限制，为了更好地保证无碳小车的稳定性。在整车的结构布局方面，抽取爬行动物的重心低的功能，将采取尽可能降低整车的重心，并且保证整车的结构要紧凑。在底盘的结构设计中，将底盘与地面的距离选择最小值。最终方案得到一种低底盘整体车架结构的无碳小车，该结构在行走过程中提高了整车的稳定，避免无碳小车在行走过程中的翻车现象。图2为无碳小车整体车架结构：

图2 无碳小车整体车架结构

3.3.1 动力转化：采用定滑轮结构将重锤的通过线绳连接到输入轴端。将重锤的下落时的动力传递给输入轴，然后通过齿轮传动机构将动力分别输入给驱动轮以及转向机构。

3.3.2 后轮驱动：后轮中，将左轮采用与轴过盈配合，实现左轮驱动。而后，将右轮与轴用轴承连接，实现右轮与轴可以相对转动。通过将左轮驱动右轮空转这种结构以实现无碳小车在转向过程的差速过程。

3.3.3 前轮的转向：将动力通过摩擦轮传递给凸轮机构，凸轮机构再将动力传递给与前轮相连的四连杆机构。以此实前轮的转向。为了能使无碳小车准确走出“8”字，在凸轮的设计方面采用UG三维软件进行模拟设计，精确地设计出凸轮的形状尺寸。在前轮的四连杆机构中分别加装横向纵向螺纹调节机构，用来调节前轮的转弯半径。

3.3.4 整车安装：将无碳小车设计出的各个机构首先通过销钉定位的方式确定好各个机构的准确位置，这样做的目的是方便无碳小车在比赛的过程中二次拆解安装后还能准确找到零件位置，减轻不必要的调节环节。最后再通过螺纹联接将各个零件进行固定。在有些易松动变形的位置直接采用铆钉联接，防止再次拆解。

4 结语

无碳小车的设计制作过程是大学生综合能力素质的具体表现，也是检验大学生在工程训练中学习成绩的过程。在方案设计过程中，如何正确运用合理的设计方法，在无碳小车制作过程中起到了提纲挈领的作用。本文通过运用TRIZ理论设计方法，让学生了解到这种设计方法在现在创新性设计应用的广泛性。TRIZ理论打破的传统的设计思维模式，通过多方面的设计原理以及设计工具，解决设计过程中的疑难杂症，使设计过程变得更加高效合理，也为机械优化设计提供更好的设计理念。

参考文献

[1] 刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2] 米粮川，刘尚，莫菲.解析TRIZ理论在创新设计中的应用[J].齐齐哈尔大学学报，2013，29（6）.

[3] 张东生，张璐，孙伟，闫坤.基于TRIZ理论双人脚踏车的创新设计[J].学术交流，2014，（8）.

[4] 武青艳，陈瑞三，罗玲玲.TRIZ理论的优势特点及其局限性[J].辽宁教育行政学院学报，2013，（4）.

[5] 胡越铭，高德文，张瑞，张欣，高轩.基于凸轮组合机构的“8”字形无碳小车创新设计[J].北方工业大学，2014，26（1）.

作者简介：郭刚（1989-），男，广东工业大学实验教学部助理实验师，研究方向：机械装配钳工及铸造技术工程实训。

（责任编辑：周 琼）