摘要：文章通過對無碳小車進行能量分析、運動特性分析以及整體結(jié)構(gòu)分析，找出設(shè)計存在的問題，建立問題模型；結(jié)合TRIZ理論的矛盾矩陣，確定所要研究的技術(shù)參數(shù)；通過矛盾矩陣，找出適應(yīng)于無碳小車具體設(shè)計的發(fā)明原理；對無碳小車進行創(chuàng)新設(shè)計，并設(shè)計出一款具有穩(wěn)定可靠、運動性能更佳的無碳小車。

關(guān)鍵詞：無碳小車創(chuàng)新設(shè)計；TRIZ理論；矛盾矩陣；技術(shù)參數(shù)；機械化設(shè)計 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP235 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

第三屆全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽的主題是設(shè)計一種通過重力勢能為驅(qū)動的具有方向自行控制的無碳小車。給定重力勢能為4焦耳由質(zhì)量為1kg的重塊（普通碳鋼Ф50*65mm）鉛垂下降來獲得，落差，重塊落下后，須被小車承載并同小車一起運動，不允許從小車上掉落。圖1為小車示意圖：

圖1 小車示意圖

本文將采用TRIZ理論，對無碳小車的設(shè)計要求進行問題分析，找出適合設(shè)計要求的解決方案，設(shè)計并完成無碳小車的整車的創(chuàng)新設(shè)計，以使無碳小車能夠具有更好的適應(yīng)性以及可靠性。

TRIZ是由俄文中“發(fā)明問題的解決理論”的字頭得來，是以前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuller（根里奇·阿奇舒勒）為代表的科研人員于1946年開始了有關(guān)TRIZ理論和實踐的研究，主要目的是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則。為此，阿奇舒勒歷經(jīng)多年結(jié)合原蘇聯(lián)研究所組成的數(shù)百人的研究團隊分析研究了全世界近250萬件發(fā)明專利，綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的原理、法則，形成了TRIZ的理論體系。

1 建立TRIZ理論問題解決模型

TRIZ理論包含了創(chuàng)新的理念，現(xiàn)在廣泛運用在創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中?，F(xiàn)代TRIZ理論的核心思想主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進化規(guī)律和模式；（2）各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力；（3）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實現(xiàn)盡量多的功能。

在運用TRIZ理論的過程中，首先對實際設(shè)計要求進行分析，通過TRIZ理論的39個通用技術(shù)參數(shù)對實際問題進行描述，并找出TRIZ問題表述的矛盾解決矩陣。利用TRIZ理論所給出的TRIZ工具，其中包括40條發(fā)明原理、分離原理、76個標(biāo)準(zhǔn)解以及ARIZ方法等。得到解決問題的標(biāo)準(zhǔn)解。然后，根據(jù)實際情況以及經(jīng)驗公式將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域的特定解，也就是所謂的實際解決方案。在無碳小車的設(shè)計當(dāng)中，根據(jù)以上的TRIZ解決問題的方法。首先，需要對能量轉(zhuǎn)化進行分析。進一步了解無碳小車的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系以及相應(yīng)的損失。其次，對無碳小車進行運動特性分析，得到需要優(yōu)化的技術(shù)參數(shù)。最后，根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)的矛盾關(guān)系。采用TRIZ理論中工具——矛盾矩陣，找到可以解決問題的標(biāo)準(zhǔn)解。再根據(jù)實際情況的描述，找到具體的特定解。最終得到具備更好穩(wěn)定性以及適應(yīng)能力更好的參賽小車。

2 能量及運動特性分析

2.1 能量分析

根據(jù)設(shè)計要求。無碳小車的初始總能量為4焦耳，即重錘在小車最高點的位置時，在理想狀態(tài)下，根據(jù)機械能守恒定律。即：

（1）

由于在初始狀態(tài)下，重錘高度為0.4m（默認(rèn)重錘達到最低點的為零），無碳小車處于靜止?fàn)顟B(tài)，即速度為。當(dāng)重錘落下至最低點的時候，重錘高度為0m，此時，小車的速度達到最大為（）：

（2）

此時，由于小車速度不為零，在慣性的作用下。小車還將繼續(xù)行駛，直至速度為零。

由于在實際情況下。首先，無碳小車本身有重量，且與地面接觸有摩擦，會有一部分的能量摩擦生熱而損失，并且這部分能力損失與小車的重量成正比。其次，無碳小車中各個機構(gòu)在運作過程也會有能量損失，且與機構(gòu)的復(fù)雜程度成正比。最后，無碳小車在實際行駛過程不會遵守機械能守恒定律，將會出現(xiàn)能量損失，即：

（3）

2.2 運動特性的分析

由能量分析中機械能守恒定律得知：初始時，無碳小車的速度；當(dāng)重錘高度降為一半時，無碳小車的速度為：

（4）

小車隨著重錘的下降，將繼續(xù)行進，達到速度的最大值重錘到了最低點，直至速度降為零。

由于小車在實際行走過程中，受摩擦力以及機構(gòu)運作阻力的影響。在重錘達到最低點時，小車的速度會小于。無碳小車最終能完成的路程也就小于理想狀態(tài)下所行走的路程。

3 無碳小車的創(chuàng)新設(shè)計

3.1 TRIZ理論問題解決

根據(jù)對無碳小車的能量分析以及運動特性的分析。得知由于無碳小車的總能量為定值，而且受實際情況的影響。首先，無碳小車在行走時，會出現(xiàn)能量損失，而且能量損失與無碳小車的自身重要有關(guān)。其次，為了讓無碳小車在行走過程中不會出現(xiàn)翻車的現(xiàn)象，所以無碳小車自身要有良好的穩(wěn)定性，并且無碳小車的穩(wěn)定性與自身重量有關(guān)，其自身重量大、穩(wěn)定性好。由此可知，根據(jù)TRIZ理論所給出的解決問題的工具——39個技術(shù)參數(shù)。

無碳小車需要解決的就是運動物體的重量、能量損失以及穩(wěn)定性之間的關(guān)系。通過TRIZ理論所給出的矛盾矩陣，如表1，找出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解。求得標(biāo)準(zhǔn)解之后，根據(jù)實際情況，為了既能保證無碳小車的穩(wěn)定性，又能避免造成過多的能量損失，決定在材料的選擇以及結(jié)構(gòu)上找出相應(yīng)的特定的解決方案。

3.2 材料的選型

根據(jù)TRIZ理論中40個發(fā)明原理的標(biāo)準(zhǔn)解。在材料的選擇方面，要求是重量輕，并且具有良好的機械性能的材料。傳統(tǒng)用的大多數(shù)以鋼材為主，以45號鋼為例。由《機械設(shè)計手冊》這種鋼材根據(jù)國家中國牌號45編號UNS標(biāo)準(zhǔn)號GB 699-88化學(xué)成分（%）0.42～0.50C，0.17～0.37Si，0.50～0.80Mn，0.035P，0.035S，0.25Ni，0.25Cr，0.25Cu形態(tài)錠、坯、條、管、板、帶狀態(tài)不熱處理、退火、正火、高溫回火，其抗拉強度600Mpa屈服強度355Mpa伸長率16%密度7.85；鋼材的密度過大，在單位體積下，重量大，不適宜制作無碳小車。由此，找出適合無碳小車的制作材料密度較小的鋁合金。查《機械設(shè)計手冊》，5052鋁合金，材料名稱：鋁及鋁合金擠壓棒料（小于150mm，H112、T6、O）標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3880-2006；力學(xué)性能：抗拉強度173～244MPa，條件屈服強度大于70MPa，密度2.71；由于無碳小車載荷不大，鋁合金的強度滿足其要求，并且鋁合金遠小于鋼材的密度，鋁合金為最佳選擇。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在機械創(chuàng)新性設(shè)計中，有一部分創(chuàng)造性的思維是源于觀察動物身上的某個功能得來的，就好比將某個功能從動物身上抽取下來。由這一創(chuàng)新思維的方法進一步聯(lián)想到，爬行動物在行走的過程中十分穩(wěn)重，其原因是腹部遇地面的距離很近，幾乎和地面相接觸，使得動物本身重心低，在行走過程能夠很好地保持其平穩(wěn)性。在無碳小車整體設(shè)計中，由于無碳小車受到自身重量的限制，為了更好地保證無碳小車的穩(wěn)定性。在整車的結(jié)構(gòu)布局方面，抽取爬行動物的重心低的功能，將采取盡可能降低整車的重心，并且保證整車的結(jié)構(gòu)要緊湊。在底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將底盤與地面的距離選擇最小值。最終方案得到一種低底盤整體車架結(jié)構(gòu)的無碳小車，該結(jié)構(gòu)在行走過程中提高了整車的穩(wěn)定，避免無碳小車在行走過程中的翻車現(xiàn)象。圖2為無碳小車整體車架結(jié)構(gòu)：

圖2 無碳小車整體車架結(jié)構(gòu)

3.3.1 動力轉(zhuǎn)化：采用定滑輪結(jié)構(gòu)將重錘的通過線繩連接到輸入軸端。將重錘的下落時的動力傳遞給輸入軸，然后通過齒輪傳動機構(gòu)將動力分別輸入給驅(qū)動輪以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

3.3.2 后輪驅(qū)動：后輪中，將左輪采用與軸過盈配合，實現(xiàn)左輪驅(qū)動。而后，將右輪與軸用軸承連接，實現(xiàn)右輪與軸可以相對轉(zhuǎn)動。通過將左輪驅(qū)動右輪空轉(zhuǎn)這種結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)無碳小車在轉(zhuǎn)向過程的差速過程。

3.3.3 前輪的轉(zhuǎn)向：將動力通過摩擦輪傳遞給凸輪機構(gòu)，凸輪機構(gòu)再將動力傳遞給與前輪相連的四連桿機構(gòu)。以此實前輪的轉(zhuǎn)向。為了能使無碳小車準(zhǔn)確走出“8”字，在凸輪的設(shè)計方面采用UG三維軟件進行模擬設(shè)計，精確地設(shè)計出凸輪的形狀尺寸。在前輪的四連桿機構(gòu)中分別加裝橫向縱向螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)，用來調(diào)節(jié)前輪的轉(zhuǎn)彎半徑。

3.3.4 整車安裝：將無碳小車設(shè)計出的各個機構(gòu)首先通過銷釘定位的方式確定好各個機構(gòu)的準(zhǔn)確位置，這樣做的目的是方便無碳小車在比賽的過程中二次拆解安裝后還能準(zhǔn)確找到零件位置，減輕不必要的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。最后再通過螺紋聯(lián)接將各個零件進行固定。在有些易松動變形的位置直接采用鉚釘聯(lián)接，防止再次拆解。

4 結(jié)語

無碳小車的設(shè)計制作過程是大學(xué)生綜合能力素質(zhì)的具體表現(xiàn)，也是檢驗大學(xué)生在工程訓(xùn)練中學(xué)習(xí)成績的過程。在方案設(shè)計過程中，如何正確運用合理的設(shè)計方法，在無碳小車制作過程中起到了提綱挈領(lǐng)的作用。本文通過運用TRIZ理論設(shè)計方法，讓學(xué)生了解到這種設(shè)計方法在現(xiàn)在創(chuàng)新性設(shè)計應(yīng)用的廣泛性。TRIZ理論打破的傳統(tǒng)的設(shè)計思維模式，通過多方面的設(shè)計原理以及設(shè)計工具，解決設(shè)計過程中的疑難雜癥，使設(shè)計過程變得更加高效合理，也為機械優(yōu)化設(shè)計提供更好的設(shè)計理念。

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作者簡介：郭剛（1989-），男，廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部助理實驗師，研究方向：機械裝配鉗工及鑄造技術(shù)工程實訓(xùn)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）