彭开元,叶际隆,方春平,于源

(北京化工大学机电工程学院,北京100029)

0 引言

自行小车是一种利用重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车,小车在前行时能够自动避开前方一字排布的障碍物,前行过程中完成的所有动作所需的能量均由重力势能转换获得。自行小车的设计目的是节能环保,设计关键在于小车路线的精确控制与较高的能量转化率,但目前各大高校的学生所设计的自行小车结构能量转化率普遍较低,小车的行进路线也无法精确的控制,缺少自行小车结构设计过程的建模与分析[1]。利用TRIZ理论对自行小车的设计缺陷进行针对性的优化,对自行小车的设计与建模工作具有较大的意义。

1 TRIZ理论简介

TRIZ理论,即“发明解决问题理论”,是由苏联科学家G.S.Altshuller及一批研究人员在分析了世界各国250万件专利的基础上提出来的。他们从这些最有效的解中抽象出TRIZ解决发明问题的基本方法,这些方法又可以普遍地适用于新出现的发明问题,协助人们获得这些发明问题的最有效的解。[2]用TRIZ理论解决发明问题的核心就是将要解决的问题抽象化,转化为标准问题得出标准解,并最终得到最佳方案。TRIZ理论解决问题的流程如图1所示。

图1 TRIZ理论解决问题的流程图

在TRIZ理论中,出发点是借助于经验,对问题定性描述来发现设计中的矛盾。矛盾是一个系统中两个参数之间的矛盾,为了改善技术系统中的某个参数,导致该技术系统中的另一个参数发生变化,这两个参数就被称为是改善参数与恶化参数,即为TRIZ理论中的一组矛盾[3]。

在TRIZ理论中,通过大量的工程经验总结出48个通用工程参数,不同设计问题的改善参数与恶化参数都包含在48个通用工程参数中,改善参数与恶化参数的不同组合即形成了矛盾矩阵。矛盾矩阵中的种种矛盾又对应了40条创新原理。工程领域中的绝大多数问题都可以从40条创新原理中得到启发。48个通用参数与40条发明原理如表1、表2所示。

表1 48个通用技术参数

续表1

表2 40条发明原理

续表2_

当所要解决的问题难以找到明确的矛盾,从而无法使用矛盾矩阵时,用TRIZ理论中的物－场分析也能够解决某些问题。传统的设计方法中用文字对问题进行描述,造成问题描述的歧义,而物－场分析法通过图形描述问题,将要解决的问题分解为物质和场[4]。物－场分析理论认为所有的功能都可分解为3个基本要素:两个物质和一个场。物质或场的增添和减少可以改变原有功能,达到对系统功能进行改进的目的。

2 利用矛盾矩阵对小车进行优化

2.1 小车稳定性的优化方案

要使小车能够平稳行驶,小车重心应处于低位。一般通过增加小车底板质量来降低小车重心,以此提高小车的稳定性。但小车质量的增加会使小车行驶路程缩短,分析得出其改善参数和恶化参数。

改善参数:稳定性(No.21);

恶化参数:运动物体的质量(No.1)。

结合矛盾矩阵,得到4条发明原理可以用来解决此矛盾,分别为:动态特性原理(No.15)、抽取(No.2)、一维变多维(No.17)、复合材料原理(No.40)。

动态特性原理是通过分割物体或调整物体的性能,使其在工作的各个阶段达到最优状态。运用动态特性原理,在不增加小车质量的前提下,为了提高小车在行走过程中的稳定性,可在转弯过程中改变小车重心,使其一直处于较低位置。检索美国国家专利库,将鱼饵的可移动重心原理运用在自行小车重心降低上。

图2 可移动重心的结构原理图

得到改进方法:将自行小车的底板中部开一曲线型空腔,将重物置于空腔中,并增加一限位装置,在小车转弯的过程中,通过重物的移动降低小车的重心,使小车的稳定性提高。

2.2 小车转弯可靠性的优化方案

在自行小车的设计过程中,如何提高小车转弯时的可靠性是关键问题之一。小车转弯时,一般使用单轮驱动,产生转弯所需的速度差,但这种设计的可靠性不高;用一些复杂的机构或零件虽能提高小车的可靠性,但给制造加工带来了困难。分析得出其改善参数和恶化参数。

改善参数:可靠性(No.35);

恶化参数:可制造性(No.41)。

运用矛盾矩阵,可以得到5条发明原理,分别为:机械系统替代(No.28)、复合材料(No.40)、预先作用(No.10)、增加不对称性(No.04)和物理或化学参数变化(No.35)。

机械系统替代原理是利用新的机械系统或非机械系统替代原有的机械系统。运用机械系统替代原理,使用简单的差速器提高小车转弯可靠性。如图3所示,当小车直线行进时,由于两轮所受阻力一致,因此中间的两个行星齿轮跟着两边的半轴齿轮转动而不产生自传。当小车转弯时,由于一侧车轮行驶的距离会比另一侧的要短,产生的阻力变得比另一侧要大,行星齿轮转动这一侧后轮时会更加费力,使行星齿轮产生自转,从而外侧后轮转速加快,自行小车转弯的可靠性提高[5]。

图3 改进差速器的原理图

2.3 齿轮定位的优化方案

在制作自行小车的过程中,齿轮的定位精度要求较高。若两齿轮未精确定位,造成了自行小车行驶过程中能量损失及路径的不精确。所以,提高齿轮的定位精度,对自行小车的优化设计具有很大的意义。

在美国国家专利库中检索Gear installation,发现可以利用非对称双排滚珠来安装齿轮,解决齿轮安装过程中需要精确定位的问题(如图4所示)。在自行小车需要安装轴承的地方,采用非对称双排滚珠来安装齿轮。双排滚珠的直径大小不一,每排滚珠都有其内座圈和隔离圈,两排滚珠有一个共同的外座圈,外座圈上有带钻孔的凸缘和用于将其安装到轴承套上。滚珠、座圈和隔离圈构成一个非对称的双排角接触滚珠轴承。螺旋伞齿轮呈悬臂安装在轴承上,轴承滚珠排之间的间隙在安装螺旋伞齿轮时增大。如果紧密程度正常,则螺母的预负荷力会减小该间隙。然后通过外座圈的凸缘上的钻孔把轴承及其齿轮固定在轴承套上。齿轮啮合时产生径向力和轴向力。较大滚珠排距离轮齿较近。滚珠的大小对应于所施加的负荷。[6]因而,非对称双排滚珠可以安装齿轮。

通过上述方法,选用两种不同型号的轴承,进行非对称安装,可以使齿轮在无需特别精确安装的条件下,减少很大一部分齿轮接触应力与齿间摩擦,使自行小车的传动部分得以优化。

图4 齿轮安装方案的结构原理图

2.4 重物势能转化的优化方案

自行小车所有动力均来自重物下落的重力势能。小车行驶过程中,重物下落速度要保持均匀,避免冲击造成能量损失。分析可得改善参数与恶化参数。

改善参数:能量损失(No.27);

恶化参数:有害的副作用(No.31)。

运用矛盾矩阵,得到6条发明原理,分别为:复合材料(No.40)、组合合并(No.5)、借助中介物(No.24)、增加不对称性(No.04)、减少有害作用时间(No.21)和抽取(No.2)。

借助中介物是利用中介物实现所需动作[7]。运用借助中介物原理,将重物下落的势能首先储存到储能缓释器中(如涡卷弹簧储能器),再将储存的能量缓慢释放,驱动小车平稳前进。

3 利用物－场模型的标准解法改进设计

物－场分析理论认为,任何一个具有特定功能的技术体系(如设备、装置)都包含物质、场和相互作用。对自行小车建立物－场模型(如图5(a)所示)。

假设S2代表自行小车中的导向连杆,导向连杆的前后移动作用于前轮的导向固定装置(S1),控制前轮的行进方向(如图6(a))。但当前轮的固定装置刚度不好时,如使用塑料材料制作自行小车,固定装置易发生弯曲,这使前轮承受一额外向下的压力,从而在前轮处产生较大的摩擦力(如图6(b)),因此利用物－场分析的标准解对问题进行解答。

由图5(b)可知,引入一外加物质可以改善这个问题,所以引入与原导向连杆相平行的另一导向连杆(S3),并且用机械连锁机构将两连杆相连。在对前轮导向装置的受力分析中,此时有两个平行的力同时作用于前轮的导向固定装置上(如图6(c)),这样使前轮的固定装置不易发生弯曲,从而减小了前轮与地面的摩擦力,同时提高了前轮的导向精度。

图5 自行小车导向部分物－场分析模型的建立

图6 小车前轮的受力分析图

4 结语

基于TRIZ理论,对自行小车的结构进行深入地分析,利用矛盾矩阵、发明原理给出了小车稳定性、可靠性、齿轮安装等方面的优化方案;利用物－场分析给出了减小导向轮摩擦力的优化方案。这些方案为以后的自行小车研究提供了参考,具有实际应用价值。

[1]王斌,王衍,李润莲.“无碳小车”的创新性设计[J].山西大同大学学报 (自然科学版),2012,1:022.

[2]赵峰.TRIZ理论及应用教程[M].西安:西北工业大学出版社,2012,8.

[3]聂惠娟,袁峰.创新技法与TRIZ的应用研究[J].机械设计与制造,2007,10:218－219.

[4]檀润华.TRIZ及应用[M].北京:高等教育出版社,2011,11.

[5]孙传祝.轴向滑块凸轮式差速器的设计与分析[J].机械设计与研究, 2007,23(3):32－36.

[6]Maret P.Asymmetric double row angular contact ball bearing,and cantilever mounting of gears on such a bearing:U.S.Patent 6,769,809[P].2004－8－3.10:218－219.).

[7]吕桂志.应用TRIZ理论对钢丝绳电动葫芦导绳器的改进设计[J].工程设计学报,2012,19(1):71－74.