基于TRIZ理论的自行车进化过程分析与创新设计

张芳兰（1980-）：女，南昌大学机电工程学院博士，在燕山大学工业设计教研室任教。研究方向：产品设计与人机工程。基于TRIZ理论的自行车进化过程分析与创新设计张芳兰杨明朗南昌大学机电工程学院330031南昌燕山大学艺术与设计学院066004秦皇岛[e-mail]摘要：通过应用TRIZ理论中的技术系统进化法则与模式，分析了自行车进化演变过程及发展的四个阶段。未来自行车将趋于便携化、健身化、娱乐化、轻质化、时尚化发展，并提出自行车安全行车指示系统创新理念。昀后依据前期分析，认为未来自行车应重点体现便携式及宜人化特点，提出一款折叠电动自行车创新设计方案。关键词：进化；自行车设计；便携；折叠；创新Abstract:Throughthestudyandapplicationofthetheoryofinventiveproblemsolving(TRIZ)andtechnologysystemevolutionlawsandmodels,theevolutionaryprocessandthefourstagesofbicycledesignareanalyzed.Thedesignwilltendstoportable,light,body-building,entertainmentandfashioninfuture,andprovidesthecreativeideaonindicatingsystemequipmentwhichisfixedonbicycleforsafecycling.Finally,accordingtoprophaseanalysis,afoldingelectricbicycleisdesigned.Keywords:evolution,bicycle,portabledesign,foldingdesign,innovation1、前言TRIZ是俄文中发明问题解决理论的缩写[1]。该理论是前苏联G.S.Altshuller及其领导的一批研究人员在1946年创立的的创新方法。[2]在分析研究世界近250万件发明专利，综合多个学科领域的原理、法则形成TRIZ理论体系。该理论是能够指导实际新产品开发的理论方法体系，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。TRIZ理论主要内容包括：技术系统进化理论、40个发明创造原理、39项技术特性、冲突矩阵、物质——场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程效应知识库等。在产品设计进化过程中，上述各内容都能从不同方面对设计人员提供创新方案的指导。2、技术系统进化理论TRIZ理论的核心是技术系统进化原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是其进化的推动力。任何一种产品、工艺或技术都是随着时间的推移向着更高的方向发展和进化的，并且它们的进化过程大致都会经历几个相同的阶段。常见的技术系统的生命周期一般包括婴儿期、成长期、成熟期和衰退期[3]，这条路线用图例表示出来就是一条S形的“小路”，即所谓的S曲线。图1所示是分段线性S曲线，确定产品在S曲线上位置是TRIZ技术进化理论研究的重要内容。处于前两个阶段的产品，设计应对其结构、参数进行优化，尽快使其成熟，以便企业获得昀大效益；处于成熟期的产品，企业应对其替代技术进行研究，使产品取得新的替代技术，以应对未来的市场竞争；处于退出期的产品，企业利润急剧下降，应尽快淘汰。这些可以为企业产品规划提供具体的、科学的支持。图1S曲线G.S.Altshuller通过对世界专利库的分析，发现技术在结构上的进化趋势，即技术进化法则和模式。在一个工程领域中总结出的进化模式与进化路线可在另一个工程领域实现[4]，即技术进化模式与进化路线具有可传递性。[5]他还发现产品的进化规律满足S曲线。因此，S曲线、产品进化法则、产品进化模式是TRIZ中进化理论的主要成果。3、产行车进化过程分析（1）技术系统进化理论在自行车演变进化中的应用产品的进化是遵循着一定的客观规律和模式在不断地向前发展。技术系统进化八大法则与模式（如表1所示）指导产品的创新发展。依据技术系112统进化八大法则及技术系统进化模式3与、模式6、模式8对自行车进行过程进行如下分析：表1技术系统进化八大法则及技术系统进化模式技术系统进化八大法则技术系统进化模式法则1：技术系统进化S—曲线法则模式1：技术系统的生命周期为出生、成长、成熟、退出法则2：提高理想化法则模式2：增加理想化水平法则3：子系统不均衡进化法则模式3：系统的不均衡发展导致冲突的出现法则4：动态性进化法则模式4：增加动态性及可控性法则5：向超系统进化法则模式5：通过集成以增加系统功能法则6：子系统协调性法则模式6：部件的匹配与不匹配交替出现法则7：向微观级和场的应用进化法则模式7：由宏观系统向微观系统进化法则8：向自动化方向进化法则模式8：增加自动化程度，减少人的介入依照模式3与模式6，自行车系统的不均衡发展导致矛盾冲突的出现及部件的匹配与不匹配交替出现[6]，均会引发自行车创新形式的出现，矛盾冲突的合理解决推动自行车的进化发展。例如，昀初自行车原形设计如图2（a）所示，骑车人靠蹬地摩擦驱动前后两个木质车轮转动，没有脚蹬，作为人类昀早的代步工具，呈现出的矛盾冲突为行速太慢。为了解决该冲突，出现如图2(b)所示的自行车设计，其前轮大于后轮，并在前轮上安装了脚蹬，自行车速度与前轮直径成正比，为提高速度设计者不断增加前轮直径，由于前后轮不均衡发展，其尺寸差异加大，导致矛盾冲突的再次出现，即自行车的稳定性变得很差。为了解决此冲突，设计者开始研究自行车的传动系统，于是在自行车上装上了链条和链轮，链条传动系统的应用引发了自行车新的形式，如图2(c)所示。这种自行车不仅增强了行车中的稳定性也提高了速度，但又出现新的矛盾冲突。由于有链自行车的链条传动系统是由曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件组成，处于一种松散的配合状态，整个传动系统外露且占用的空间大，会弄脏骑车人的衣裤和裙摆，甚至出现脱链和断链现象。为了进一步解决此冲突，新型无链自行车研制成功，如图2(d)所示。新型无链自行车把传统的链条传动改为齿轮传动，轴和齿轮传动系统各个零件紧密配合成一个整体，不会出现松脱现象，整个传动系统占用的空间小。齿轮传动的机械效率达到98%以上，链条传动的机械效率只有95%，然而，无链自行车并未成为市场主流。依照模式8，向自动化方向进化，使得电动自行车及电动折叠自行车的研发成功并显示了更强的优势。如图2（e）所示。(a)(b)(c)(d)(e)图2自行车演化发展（2）自行车进化的四个阶段伴随人类需求对产品形式、功能、质量、审美的不断提高，自行车设计不断创新，人类需求的质量、数量及对产品形式的不断变化，迫使自行车设计不得不根据需求变化及实现的可能，增加自行车的辅助功能，改变其实现形式。从历史的观点看，自行车处于进化之中。自行车的进化分为如下四个阶段：第一阶段为系统选择零部件。第一辆自行车被发明时，发明人考虑的问题是：自行车的部件是什么？驱动部件的形式是什么？驱动的方式是什么？经过多次实验，第一辆自行车由机架及木质的轮子组成，骑车人的脚是驱动力，靠蹬地摩擦驱动前后两个木质车轮转动。没有车把、传动链条、转向装置，需要改进。第二阶段为改善零部件。发明人改进组成技术系统的不同零部件，对其形状、各种关系进行优化，采用更合适的材料、尺寸，选择链传动机构，增加转向装置、脚踏板、鞍座等，于是结构系统、导向系统、驱动系统、制动系统逐一出现。第三阶段为系统动态化[7]。例如结构的动态化、功能的动态化、材质的动态化等。在车架结构的连接方式上，很多采用刚性连接的零部件改为柔性连接，故出现折叠自行车。自行车的机械结构系统与电力系统的集成，设计出电动自行车、折叠电动自行车，从而引发电动自行车新技术系统的出现，同时增加了自动化的程度。113第四阶段为系统的自控制。自行车系统应该能够自动地适应交通环境，因此，未来自行车的设计上应增加安全行车指示系统，例如，在车架显要部位安装LED指示方向灯，可在骑车即将转向时预警后方或前方行人本车要左转或右转，确保人的行车安全。还应突显自动化与机械化相结合的趋势，同一辆自行车，根据人的不同需求，即可满足用脚蹬踏健身需求，又可满足纯电力轻松快速代步需求。这一进化步骤还没有广泛实现，但可从电动自行车设计中看出该进化步骤已初显。因此，自行车的功能已不再是简单的代步工具，向着便携化、健身化、娱乐化、轻质化形式发展，呈现出多样化的功能与形式，如图8、图9、图10、图11所示。自行车车架材质的选用上也趋于轻质化。镁合金材料是制造高档轻便型自行车及电动车减重节能的理想材料，具有较高的强度、刚度、减震性、机械加工性能和可回收性。(a)(b)(c)(d)图3自行车设计4、折叠电动自行车设计依据自行车的进化过程分析，未来的自行车设计应重点趋于便携及宜人的特点。根据此设计理念，进行了一款折叠电动自行车设计，如图4、图5所示。该设计通过合理的折叠结构及轻质材料的应用，实现自行车体量的昀小化，并结合驱动电机与电池为动力能源，增强爬坡能力，为乘骑者创造宜人的使用方式。图4折叠电动自行车图5折叠过程5、小结TRIZ中的技术进化理论中的S曲线、技术系统进化法则、技术系统进化模式与自行车设计过程紧密结合，将使自行车创新设计更容易实现。技术系统进化理论不仅能够预测技术的发展，而且还能展现预测结果实现的产品的可能的结构状态。由于技术进化模式与法则具有可传递性，对于任意产品创新具有指导意义。参考文献[1]AltshullerG.“TheInnovationAlgorithm,TRIZ,SystematicInnovationandTechnicalCreativity”.Worcester:TechnicalInnovationCenter.1999,(04):90-102[2]PahlG,BeitzW.“EngineeringDesign”,2nded.London:Springerverlag.2001,(01):223-270[3]杨庆亮.发明是这样诞生的—TRIZ理论[M].北京：机械工业出版社，2006.P121-133.[4]崔万安.电动自行车[M].北京：机械工业出版社，2005.P50-56.[5]Kim.Y.S,Cochran.D.S.“ReviewingTRIZfromtheperspectiveofaxiomaticdesign”.J.Eng.Design.2000,(12):79-94[6]檀润华.创新设计：发明问题解决理论[M].北京：机械工业出版社，2002.P74-85.[7]赵新军.技术创新理论及应用[M].北京：化学工业出版社，2004.P189-197.114