3和4机械创新设计流派及TRIZ理论

第四章、产品创新设计理论——发明问题解决理论（TRIZ）4-1产品的进化过程及进化规律4-2设计中的可用资源4-3发明的级别——新概念分级4-4理想解4-5设计中的冲突4-6技术冲突解决原理4-7物理冲突解决原理4-8概念设计4-2设计中的可用资源设计中的可用资源对创新设计起着重要作用，问题的解越接近理想解(IdealFinalResult)，可用资源就越重要。任何系统，只要还未达到理想解，就应具有可用资源。对资源进行分类，详细分析，深刻理解，对设计人员十分必要。一、资源分类二、资源分析三、资源利用一、资源分类设计中的产品是一个系统。系统在特定的空间与时间中存在，要由物质构成，要应用场以完成某种特定的功能。资源分类自然资源：太阳能电池。时间资源：厨房中米饭、炒菜一起做，节省了时间。空间资源：企业某种食品包装中有企业其它食品的广告。系统资源：扫描与打印的功能结合形成影印功能。物质资源：扫雪车的废气用于被清扫雪的预处理。能量资源：炼钢厂高炉余热发电。信息资源：加工中心正在加工中的零件误差用于在线补偿。功能资源：按时间进行任务规划的软件应用计算机内部的时钟。自然资源时间资源空间资源系统资源物质资源能量/场资源信息资源功能资源太阳能电池米饭、炒菜一起做，节省时间食品包装中印本企业其它食品广告扫描与打印结合形成影印功能扫雪车废气用于被清扫雪的预处理炼钢厂高炉余热发电加工中心在加工的零件误差用于在线补偿按时间进行任务规划的软件应用计算机内部时钟设计过程中，合理地利用资源可使问题的解更容易接近理想解。如果利用了某些资源，还可能取得附加的、未曾设想的效益。二、资源分析资源分为内部与外部资源。内部资源是在冲突发生的时间、区域内存在的资源。资源又分为直接应用资源、导出资源、差动资源。（一）直接应用资源在当前存在状态下可被应用的资源。如物质、场(能量)、空间和时间资源都是可被多数系统直接应用的资源。物质资源：木柴可用作燃料。能量资源：汽车发动机既驱动后轮或前轮，又驱动液压泵，使液压系统工作。场资源：地球上的重力场及电磁场。信息资源：汽车运行时所排废气中的油或其它颗粒，表明发动机的性能信息。空间资源：仓库中多层货架中的高层货架。时间资源：双向打印机。功能资源：人站在椅子上更换屋顶的灯泡时，椅子的高度是一种辅助功能的利用。木柴可用作燃料汽车发动机既驱动后轮或前轮，又驱动液压泵地球上的重力场及电磁场汽车运行时所排废气中的油或其它颗粒，表明发动机的性能信息仓库中多层货架中的高层货架双向打印机人站在椅子上更换屋顶的灯泡，椅子高度是一种辅助功能的利用物质资源能量资源场资源信息资源空间资源时间资源功能资源（二）导出资源通过某种变换，使不能利用的资源成为可利用的资源，称为导出资源。原材料、废弃物、空气、水等，经过处理或变换都可在设计的产品中采用，变成有用资源。在变成有用资源的过程中，必要的物理状态变化或化学反应也是需要的。导出物质资源：由直接应用资源，如物质或原材料变换或施加作用得到的物质。如毛坯是通过铸造得到的材料，相对于铸造的原材料是导出资源。导出能量资源：通过对直接应用能量资源的变换或改变其作用的强度、方向及其它特性得到的能量资源。如变压器将高压变为低压，这种低电压的电能为导出资源。导出场资源：通过对直接应用场资源的变换或改变其作用的强度、方向及其它特性所得到的场资源。导出信息资源：通过变换设计不相关的信息，使之与设计相关。如地球表面电磁场的微小变化可用于发现矿藏。导出空间资源：由于几何形状或效应的变化所得到的额外空间。双面磁盘比单面磁盘存储信息的容量更大。导出时间资源：由于加速、减速或中断获得的时间间隔。被压缩的数据在较短的时间内可传递完毕。导出功能资源：经过合理变化后，系统完成辅助功能的能力。锻模适当修改后，锻件本身可带有企业商标；带原产地商标的土特产品。（三）差动资源通常，物质与场的不同特性是一种可形成某种技术的资源，称为差动资源。1．差动物质资源：结构各向异性不同的材料特性2．差动场资源1．差动物质资源（1）结构各向异性物质在不同的方向上物理性能不同。这种特性有时是设计中实现某种功能的需要。光学特性：金刚石只有沿对称面做出的小平面才能显示出其亮度。电特性：石英板只有当晶体沿某一方向被切断时才具有电致伸缩的性能。声学特性：一个零件内部由于其结构有所不同，表现出不同的声学性能，使超声探伤成为可能。机械特性：劈木柴时沿最省力的方向劈。化学性能：晶体的腐蚀往往在有缺陷的点处首先发生。几何性能：只有球形表面符合要求的药丸才能通过药机的分检装置。（2）不同的材料特性可在设计中用于实现有用功能。2．差动场资源场在系统中的不均匀可以在设计中实现某些新的功能。（1）场梯度的利用在烟囱的帮助下，地球表面与3200米高空中的压力差，使炉子中的空气流动。（2）空间不均匀场的利用为了改善工作条件，工作地点应处于声场强度低的位置。（3）利用场的值与标准值的偏差病人的脉搏与正常人不同，医生通过对这种不同的分析为病人看病。三、资源利用设计过程中用到的资源不一定明显，需认真挖掘才能成为有用资源。一些通用的建议（1）将所有的资源首先集中于最重要的动作或子系统。（2）合理、有效地利用资源，避免资源损失、浪费。（3）将资源集中到特定的空间与时间。（4）利用其它过程中损失或浪费的资源。（5）与其它子系统分享有用资源，动态调节这些子系统。（6）根据子系统隐含的功能，利用其它资源。（7）对其它资源进行变换，使其成为有用资源。不同类型资源（空间、时间、材料、能量等）的特殊性能帮助设计者克服资源的限制。空间资源（1）选择最重要的子系统，将其它子系统放在空间不十分重要的位置上。（2）最大限度地利用闲置空间。（3）利用相邻子系统的某些表面，或一表面的反面。（4）利用空间中的某些点、线、或体积。（5）利用紧凑的几何形状，如螺旋线。（6）利用暂时闲置的空间。时间资源（1）在最有价值的工作阶段，最大限度地利用时间。（2）使过程连续，消除停顿、空行程。（3）变换顺序动作为并行动作，节省时间。材料资源（1）利用薄膜、粉末、蒸汽，将少量物质扩大到一个较大的空间。（2）利用与子系统混合的环境中的材料。（3）将环境中的材料如水、空气等，转变成有用的材料。能量资源（1）尽可能提高核心部件的能量利用率。（2）限制利用成本高的能量，尽可能采用低廉的能量。（3）利用最近的能量。（4）利用附近系统浪费的能量。（5）利用环境提供的能量。在设计中认真考虑各种资源有助于设计者开阔眼界，跳出问题本身。这对于将全部精力集中于特定子系统、工作区间、特定空间与时间的设计者解决问题特别重要。第五讲开始4-3发明的级别——TRIZ新概念分级人类的新设想，仅有极少数经过不断完善构成一种新概念，经过后续的实现变成一种新产品。机械工程领域所谓的新概念是指新的工作原理，按照该原理工作的机器、设备、仪器具有市场竞争力，能为生产企业带来效益，能为用户提高生产效率、或降低生产成本、或减少生产周期。传统的设计方法产生新的工作原理的过程，为试凑法或试验纠错法。第一个新的工作原理往往不一定采用，需要不断产生新工作原理的设想，最终选定一种工作原理。复杂程度不同、技术含量不同的产品所需的设想数也不同。传统设计方法的一项成功的设计往往历时较长、花费较多，且主要取决于设计人员的经验和素质等因素。TRIZ根据产生工作原理的设想数对产品进行分级。TRIZ的新概念分级TRIZ的一个重要成果是认为产品有级别，产品由低级向高级的方向发展。由于这种发展，产品才一直占领老市场或又赢得新市场。Altshuller通过研究表明，问题的解或概念分为5个级别。设计人员采用试凑法，从产生最初的工作原理，到最终选定工作原理，根据所产生工作原理的个数，即解的个数决定解的级别。产品从低级向高级进化的过程中，高级别解的产生需要更多的知识。产品的级别还与问题的难易程度、知识来源等有密切关系。通常的设计问题，或对已有系统的简单改进。凭设计人员自身经验即可解决，不需要创新。大约32%的解属于该范围。如用厚隔热层减少热量损失，用载重量更大的卡车改善运输的成本与效益比。(1)1级（Level1）如小型混凝土搅拌机的滾筒转速较低，如果搅拌机采用电动机驱动，电动机转速较高，需要将电动机的转速降低到与滾筒的转速相匹配。试解决该问题。该例中设计需要解决的问题是如何实现减速。根据经验及已有的研究成果可知，减速器就是该问题的解，设计人员可以借助手册或机械设计教材完成减速器的设计，也可向有关减速器生产企业直接定购与该设计相匹配的产品。该例所示问题求解过程的每一步都是已知的，问题本身是常规问题，设计也属于常规设计。(2)2级通过解决一个技术冲突对已有系统进行少量的改进。采用行业中已有的方法即可完成。解决该类问题的传统方法是折衷法。大约有45%的解属于该范围。如Boeing737飞机发动机罩的改进。(3)3级对已有系统有根本性的改进。要采用本行业以外已有的方法解决，设计过程中要解决冲突。大约有18%的解属于该范围。如计算机鼠标，山地自行车。(4)4级采用全新的原理完成已有系统基本功能的新解。解的发现主要是从科学的角度而不是从工程的角度出发。大约有4%的解属于该类。如内燃机，集成电路，个人计算机，充气轮胎，虚拟现实。如飞行汽车：世界各大城市，特别是亚洲某些国家的大城市，交通拥挤是常见的问题，需要一种能在公路上起飞的汽车，以躲过塞车带。莫勒正在开发飞行汽车M400，该型号汽车能垂直起降，能运载4名乘客，时速达500公里，爬高10000米，使用普通的汽油。该产品在世界首次开发，设计制造过程中要遇到很多世界上从未解决的问题。(5)5级罕见的科学原理导致一种新系统的发明。大约有1%属于该类。如飞机，计算机，形状记忆合金，蒸汽机。解的级别越高，获得该解所需知识越多，知识所处的领域越宽，搜索有用知识的时间就越长。产品设计中所遇到的绝大多数问题或相似问题已被前人在其它地方或领域解决了。假如设计人员能按正确路径，从低级开始，依据自身的知识与经验，向高级方向努力，可从本企业、本行业及其它行业已存在的知识与经验中获得大量的解，有意识地去发现这些解，将节省大量时间，降低产品开发成本。例1为压缩空气的储气罐设计一新型防护罩。目前的防护罩是金属制成的，成本高。新罩在满足安全性要求的前提下，要降低成本。——1级例2波音公司改进737的设计时，需要将发动机改为功率更大的发动机。发动机功率越大，工作时需要的空气越多，发动机罩的直径相应要增大。发动机罩增大，机置离地面的距离就会减小，而距离的减小是不允许的。增加发动机功率产生了技术冲突，要求解决该问题。——2级例3自行车链条必须做环行运动，又必须有足够的刚度以传递来自脚蹬的力。——3级例4制造金刚石刀具时，不希望金刚石内部有微小裂纹。需设计一种设备，将大块金刚石沿已存在的微小裂纹的方向将其分解为小块。——4级半主动悬架例5Karnopp于20世纪70年代提出汽车半主动悬架的概念。该悬架主要由弹簧及可控减振器组成，可控减振器按某种控制律输出控制力。与传统的被动悬架相比，该类悬架可以提高汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性、减少车轮动载。经过近30年的努力，基于该原理的半主动悬架已成功用于高档商品轿车、赛车、重要的载重汽车之中。该原理属于5级，它的提出对汽车工业的发展起了重要的作用。