基于TRIZ 理论的擦玻璃器创新设计

2023-03-15李雪姣

科技与创新 2023年5期

李雪姣

（河北工程大学，河北邯郸 056038）

TRIZ 译成中文是“发明问题解决理论”。1946年，以苏联海军专利部阿奇舒勒为首的专家开始对数以百万的专利文献加以研究，进行收集整理、归纳提炼，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一套系统化的、实用的解决创新发明问题的方法[1]。本文基于TRIZ 创新方法对擦玻璃器易脱落的问题进行研究并提出解决问题的方案。

1 问题背景和描述

1.1 问题背景

磁吸式擦玻璃器分为2 个模块，工作过程中分别清洁玻璃的2 个面。主要是利用内置于擦玻璃器2 个模块中的磁铁将其固定在玻璃的两面，通过移动玻璃内部模块带动玻璃外部的模块，从而实现在玻璃一侧移动擦玻璃器可以同时清洁玻璃2 个面的功能。

但是由于擦玻璃器2 个模块中的磁铁在移动过程中的吸力不稳定等原因，导致目前市面上的磁吸式擦玻璃器在使用过程中出现容易脱落、容易夹手等问题。在产品设计的过程中，设计师通常使用的设计方法大多相对来说比较随意，很难全面地去解决一个系统问题。而TRIZ 创新方法是一套全面且系统的分析问题、解决问题的创新方法。因此针对于这2 个问题，本文利用TRIZ 理论进行分析、解决和评估，得出最终的解决方案。

1.2 问题的描述

1.2.1 定义技术系统实现的功能

所在的技术系统是磁吸式擦玻璃器。该技术系统的功能是分离玻璃上的灰尘等微小颗粒。实现该功能的约束是只能按规定路线擦玻璃。

1.2.2 现有技术系统的工作原理

擦玻璃器通过磁铁将擦玻璃器的2 个部分固定在玻璃的内外两侧，人手动移动玻璃内侧模块，磁铁吸附带动玻璃外侧模块移动。擦玻璃器内外两部分贴合玻璃的地方都装有清洁棉，通过移动擦玻璃器，带动清洁棉分离玻璃上的污渍。

1.2.3 当前系统存在的问题

在擦玻璃的过程中吸力不稳定，容易脱落。问题出现的条件和时间：①在玻璃很脏且灰尘干燥时擦玻璃器易脱落；②擦玻璃器开始移动时加速度快擦玻璃器易脱落；③用户在没有按照规定路线擦玻璃时擦玻璃器易脱落。上述问题都出现在擦玻璃的过程中。

1.2.4 问题或类似问题的现有解决方案及其缺点

针对于擦玻璃器易脱落，部分厂家在擦玻璃器内侧添加了小吸盘，但是由于磁铁重力大，小吸盘无法在脱落瞬间把擦玻璃器吸附在玻璃上。有的商家准备了可调控磁铁，但由于无法确定玻璃厚度，因此没有磁吸力度调节的依据，在擦玻璃时依然会易脱落。

1.2.5 新系统的要求

新系统要能够在擦玻璃的过程中使擦玻璃器时刻都稳定地吸附在玻璃上。擦玻璃过程要简单，减少复杂路线和轨迹的设定，符合人们常规擦玻璃的习惯。

2 问题分析

2.1 功能分析

针对上述问题，利用TRIZ 理论的功能分析对组件作用关系进行分析，利用系统功能列表建立已有系统的功能模型，如图1 所示。

图1 系统功能模型

功能缺陷描述：首先防夹手柱对玻璃有损害，增大摩擦力是有害功能；使灰尘附着于玻璃上是有害功能；磁铁A、B 形成的磁场的吸力不稳定是不足功能。

2.2 因果链分析

利用因果链分析对问题进行分析，如图2 所示。

图2 因果链分析图

2.3 资源分析

对整个系统的可用资源进行分析[2]，如表1 所示。

表1 可用资源分析

2.4 确立问题解决突破点

通过开展系统三大分析，明确系统中组件之间的相互关系及存在的负面功能，综合考虑系统可用资源，得出问题解决的突破点如下。

关键突破点1：如何提前软化灰尘？

关键突破点2：如何通过磁铁形态改变来保证磁吸力的稳定？

关键突破点3：如何精准调节磁吸力？

关键突破点4：如何减小玻璃和擦玻璃器间摩擦力？

3 问题求解

3.1 系统裁剪

根据功能组件价值计算，防夹手柱的价值最低，一个有用功能是支撑壳体B，使壳体A、B 间有缝隙，防止壳体夹手。另一个功能是有害功能，因此裁掉防夹手柱，采用可开关磁结构取代防夹手柱防止夹手的功能。对功能分析中的功能模型进行裁剪建立新的功能模型，如图3 所示。

图3 新的功能模型

裁剪掉防夹手柱，把磁铁A、B 中的磁铁A 改成可以开关的磁铁结构。可开关磁铁结构使用垂直齿轮结构，通过旋转开关齿轮，使磁铁A 的N 极、S 极改变方向，从而控制擦玻璃器的磁场，来避免擦玻璃器夹手，取代防夹手柱功能。

3.2 技术矛盾

以“如何提前软化灰尘”为突破点解决问题。利用技术矛盾进行问题解决。

矛盾描述：为了提前软化灰尘，需要改善擦玻璃器的可靠性，但这样会导致系统的另一个性能参数设备的复杂性恶化。

以技术矛盾方式阐述问题：如果增加提前软化的部件，那么就能改善擦玻璃器的可靠性，但是会导致系统装置复杂性变大。

用工程参数描述技术矛盾并查找矛盾矩阵，得出对应的发明原理，如表2 所示。

表2 技术矛盾

描述形成的概念方案：依据发明原理1 分割，把磁吸部分和清洁棉分开以支杆连接，清洁棉1 在上，磁铁在中间，清洁棉2 和刮条在下，实现先软化清洁后移动，减小玻璃和擦玻璃器之间的摩擦力。

以“如何精准调节磁吸力”为突破点解决问题。

矛盾描述：为了精准调节磁吸力，需要改善擦玻璃器可靠性参数，但这样做了会导致系统的另一个参数设备复杂性恶化。

以技术矛盾方式阐述问题：如果在系统中增加精准调节磁吸力的装置，那么就能改善擦玻璃器的可靠性，但是会导致系统装置复杂性变大。

用工程参数描述技术矛盾并查找矛盾矩阵，得出对应的发明原理，如表3 所示。

表3 技术矛盾

描述形成的概念方案：依据发明原理1 分割，将磁铁A 分割成磁颗粒，设置大小不一的过滤网结构，增加铁粉的可操控性。

以“如何精准调节磁吸力”为入突破点解决问题。

矛盾描述：为了精准调节磁吸力，需要改善测量精度参数，但这样做了会导致系统的另一个参数设备复杂性恶化。

以技术矛盾方式阐述问题：如果在系统中增加精准调节磁吸力的装置，那么就能改善测量精度参数，但是会导致系统装置复杂性变大。

用工程参数描述技术矛盾并查找矛盾矩阵，得出对应的发明原理，如表4 所示。

表4 技术矛盾

描述形成的概念方案依据发明原理10 预先作用，设计一款便捷测量玻璃厚度产品，在擦玻璃前测量，根据玻璃实际厚度调节磁吸力。

3.3 物理矛盾

以“如何通过改变磁铁形态来保证磁吸力稳定”为突破点解决问题。

描述关键问题：擦玻璃器的磁铁质量增大，因为需要保证擦玻璃器磁吸力稳定，但又需要磁铁质量小来方便移动擦玻璃器。

加入导向关键词描述物理矛盾。矛盾描述：为了“保证磁铁加速度时磁力不变”，需要参数“磁铁的质量”为“大”，但又为了“保证磁铁相对减速度时磁力不变”，需要参数“磁铁质量”为“小”，即，磁铁的质量既要“大”又要“小”。

确定所使用的分离原理。考虑到参数“磁铁质量”在不同的“时间级别上”具有不同的特性，因此该矛盾可以从“时间级别”上进行分离。

选择对应的发明原理。选用5 条分离原理当中的“时间级别上的”原理，得到解决方案。系统级别分离原理可尝试使用9 预先反作用，10 预先作用，11 事先预防，15 动态特性，34 抛弃或再生。

产生具体的解决方案。发明原理15动态特性原理，把在壳体中固定不变的磁铁改成角度可调的磁铁，以此来改变磁铁和玻璃间的角度，使2 块磁铁间角度在运动过程中稳定不变。

以“如何通过改变磁铁形态来保证磁吸力稳定”为突破点解决问题。

描述关键问题：擦玻璃器的磁铁质量增大，因为需要保证擦玻璃器磁吸力稳定，但又需要磁铁质量减小来方便移动擦玻璃器。

加入导向关键词描述物理矛盾。矛盾描述：为了“保证磁铁吸力稳定”，需要参数“磁铁的质量”为“大”，但又为了“方便操作擦玻璃器”，需要参数“磁铁的质量”为“小”，即擦玻璃器磁铁的质量既要“大”又要“小”。

确定所使用的分离原则。考虑到参数“磁铁的质量”在不同的“关系级别上”具有不同的特性，因此该矛盾可以从“关系级别”上进行分离。

选择对应的发明原理。选用5 条分离原理当中的“关系级别”原理，得到解决方案。系统级别分离原理可尝试使用3 局部质量，17 空间维数变化，19 周期性作用，31 多孔材料，40 符合材料。

产生具体解决方案。依据发明原理3 局部质量，加大磁铁B 的面积和上下两端厚度，当磁铁A 收到机械向下的力移动那一瞬间，磁铁B 一旦脱落，磁铁A可以重新吸附到磁铁B 的下半部分。

以“如何减小擦玻璃器和玻璃之间的摩擦面积”为突破点解决问题。

描述关键问题：擦玻璃器和玻璃的接触面积需要减少，因为要减少摩擦力，但是又需要增大来提高擦玻璃的效率。

加入导向关键词描述物理矛盾。矛盾描述：为了“减少玻璃和擦玻璃器间的摩擦力”，需要参数“擦玻璃器和玻璃的接触面积”为“小”，但又为了“增加擦玻璃器的工作效率”，需要参数“擦玻璃器和玻璃的接触面积”为“大”，即，擦玻璃器和玻璃的接触面积既要“小”又要“大”。

确定所使用的分离原理。考虑到参数“擦玻璃器和玻璃间的接触面积”在不同的“空间”（空间、时间、关系、方向或系统级别上）具有不同的特性，因此该矛盾可以从“空间”（空间、时间、关系、方向或系统级别上）上进行分离。

选择对应的发明原理。选用5 条分离原理（空间、时间、关系、方向或系统级别上分离）当中的“空间”原理，得到解决方案。空间分离原理可尝试使用1 分割，2 抽取，3 局部质量，7 嵌套，4 非对称，17 空间维数变化。

产生具体解决方案。依据发明原理17 空间维数变化，第1 条把擦玻璃器磁铁A 的形状设计成半环形，把磁铁B 的形状设计成圆柱形，从而在不影响磁吸力的同时减少摩擦面积。

3.4 物质-场分析及76 个标准解

针对关键问题，构件系统初始物-场模型图，如图4 所示。

图4 初始物-场模型图

系统因为擦拭玻璃过程中，加速度影响磁场稳定性，故不能满足期望效应的要求。效应不足，选择第2级1 子级强化完善物-场模型如图5 所示[3]。

图5 新物-场模型

依据2.1.2添加重力场标准解，得到问题的解如下。把擦玻璃器设计成上中下3 个部分，增大上半部分的质量，使物体脱落时反转，让擦玻璃器下半部分吸附在玻璃上，来减少脱落风险，如图6 所示。

图6 增加重力场方案

3.5 效应求解

确定问题要实现的功能为“F11 稳定物体位移”。查找效应知识库，得到可用的效应为“磁性液体”[4]。依据该效应得到问题的解决方案：把磁铁B 换成磁性液体，当磁铁A 收到向上或者向下的机械力时，磁铁B 也会在磁吸力的作用下向上或者向下运动，在惯性力的作用下，磁性液体会集中在运动方向，增加磁力，避免脱落。

3.6 曲线及进化法则

依据现有技术系统的进化发展过程，选择技术进化路线“多个铰链”。把磁铁和清洁棉分开，以链条连接。从而减少擦玻璃过程中加速度对磁力造成的破坏[5]，如图7 所示。

图7 增加铰链方案

4 方案评估

初步概念方案汇总如表5 所示。

表5 初步概念方案汇总

最终方案结合了以下方面：首先增加水箱，通过分割把系统的软化、磁吸和分离污渍的2 个功能分开，实现先软化后分离；给磁铁增加轴，让磁铁根据运动角度发生变化，保证磁铁间的角度不变；将产品分成上中下3 个部分，增加系统上半部分重力，添加铰链，将磁铁和清洁部分分开，允许清洁部分小角度的晃动，从而减少系统脱落风险。

方案效果图如图8 所示。