TRIZ理论及其在机械产品设计中的应用

随着市场竞争日益激烈，产品的设计水平越来越受到人们的重视，如何增强产品竞争力成为世界各国争相研究的课题，而创新是增强产品竞争力的根本途径。我国正力争在2020年建设成为创新型国家。那么如何成为创新型国家，仅仅靠引进资金、设备和人才是不够的，还必须引进先进的创新思想、理论方法和工具。先进的创新方法是提升国家自主创新能力的重要武器。TRIZ就是这样一种创新方法学，它起源于前苏联，流行并发展于欧美，被西方国家誉为“神奇的点金术”；它使得创新走上了方法学的道路，克服了传统创新方法随机性、无序性等缺点，使创新走出了盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然；它可以帮助设计人员在方案设计阶段快速地产生具有创造性的概念方案，大大加快创造发明的进程，并且能得到高质量的创新产品。

1 TRIZ理论简介

TRIZ是由前苏联著名发明家G．S．Altshuller领导的研究机构，通过深入分析和研究世界数十万件高水平发明专利的基础上建立起来的发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving)。其两大革命性的成果包括：(1)总结出了技术系统的进化趋势。技术系统的进化和发展并不是随机的，而是遵循着一定的客观规律。(2)提供了一系列分析、解决问题的具体流程、方法和原理。

图1给出了TRIZ的理论体系。TRIZ理论以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学与思维科学的分析及研究成果为根基和支柱；以技术系统进化法则为理论基础和核心思想；以技术系统或工艺流程、矛盾、资源及最终理想解为4大基本概念；同时包括了解决矛盾问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程。

图l TRIZ理论体系

TRIZ解题的一般流程如图2所示。当工程中出现具体的工程问题，即待解决的问题，通过功能分析、物场模型、矛盾分析等可将其转化成为标准的TRIZ问题模型。TRIZ理论中针对不同的问题模型有不同的解题工具，通过解题工具得到初始的解决方案模型，即一般通用解，然后结合问题的工况将其工程化，成为最终的解决方案。由此可见，TRIZ理论的工作主要集中在问题模型到解决方案模型这一部分，这是一个思维发散的过程，有助于拓展设计人员的思路，快速获得创新概念。

2 矛盾及其解决方法

创新的最终极目标是消除矛盾。TRIZ理论中最主要的矛盾为技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾针对一个技术系统的2个不同参数，改善其中一个参数，会导致另一个参数恶化；而物理矛盾是针对一个技术系统的同一个参数有相反的需求。用符号表示，A，B分别代表技术系统中的参数，则技术矛盾为A+，B-或B+，A-；而物理矛盾为A+，A-。

2.1 技术矛盾及其解题工具

定义技术矛盾时，需要先对问题进行因果分析，从因果关系链中寻找问题入手点，针对问题的突破口，想想目前最直接的解决方法是什么，该方法可改善哪些参数，与此同时导致哪些参数恶化(恶化的参数可能不止一个)，这样就找到了一对或几对技术矛盾。

为了解决技术矛盾，TRIZ理论提供了矛盾矩阵(如图3所示)及40条创新原理，应用矛盾矩阵可以得到推荐的创新原理，每条创新原理都有不同的应用方向，并可按其作用不同分为4大类：提高系统效率、消除有害作用、易于操作和控制、提高系统协调性。此外TRIZ理论还规定了39个通用工程技术参数，这样可以将一般的工程技术矛盾转化为TRIZ标准的技术矛盾，更有利于应用矛盾矩阵解题，为工程技术问题转化为TRIZ标准问题建造了桥梁。

图3 矛盾矩阵

2.2 物理矛盾及其解题工具

技术矛盾和物理矛盾在一定条件下可以相互转化，因此定义物理矛盾时首先需要定义一对技术矛盾，然后在这对技术矛盾中找到1个参数及其相反的2个需求。

那么TRIZ理论提供了怎样的工具来解决物理矛盾呢?分离方法和创新原理。TRIZ理论包括4种分离方法：空间分离、时间分离、条件分离以及系统分离。对于出现的物理矛盾，我们需要考虑对同一个参数的相反需求是否是在不同的空间或时间内实现的，如果空间或时间上不交叉，就可以应用空间分离或时间分离去解决；否则需要应用条件分离或系统分离来解决，即考虑同一个参数的相反需求是否可以在不同的条件下实现，或者其中一个需求是否可以分离到系统的超系统或子系统中。另外不同的分离方法，有不同的创新原理相对应，见表1。

表1 分离方法与创新原理的关系

3 机械产品创新设计实例

下面以某解锁装置中矩形扭簧的改进为例，介绍TRIZ理论的应用过程。

3.1 问题描述

矩形扭簧因弹簧丝截面为矩形而得名，当矩形扭簧发生扭转时，其内径会缩小，反向扭转时，则变大。此解锁装置正是利用矩形扭簧内圈包紧芯轴产生摩擦力来传递转矩从而实现解锁的。因此，扭簧是此解锁装置的关键零件，它的使用寿命是衡量该装置可靠性的重要指标。

此解锁装置初始设计中，为满足其功能，扭簧与解锁轮分别设计成图4所示结构，扭簧伸出端A与解锁轮的沟槽B相配合，转动解锁轮时，沟槽B拨动扭簧伸出端A，使其发生扭转，扭簧收紧。

图4 矩形扭簧、解锁轮及其配合

根据解锁装置的使用情况，设计要求扭簧的使用寿命要达到54 750次以上，而实际在做循环扭转试验时平均l万多次扭簧A端转角部分就发生断裂，完全不能满足设计要求。

3.2 定义矛盾及寻求解题思路

对矩形扭簧A端断裂问题进行原因分析，A端强度不足，转角部分产生应力集中，因此考虑适当加大A端转角半径，但是半径加大时，转角与解锁轮沟槽B就会产生干涉，这样技术矛盾就出现了，即A端转角部分的半径与强度，或者A端转角部分的半径与应力、压强。

查询矛盾矩阵，得到推荐的创新原理，如图5所示。

3.3 最终技术方案

将上述经过TRIZ理论分析得出的通用解进行工程化，设计出了消力耳弧结构(如图6所示)的扭簧，原扭簧A端由4处过渡圆弧代替，原A端转角弯矩及应力由R1，R2，R3，R4分担吸收。最终设计结果如图7所示。

图7 最终设计结果：扭簧、解锁轮及其配合

3.4 试验验证

为了验证矩形扭簧设计改进的有效性，对解锁装置解锁的可靠性和矩形扭簧的使用寿命进行了严格的试验测试。试验结果为：在解锁装置有效解锁58638次后矩形扭簧仍未断裂且无明显变形，完全满足设计要求。

4 结束语

TRIZ理论将创新思想进行了科学的整理与提炼，能够为设计问题的解决提供较为成熟的理论体系和方法，使创新设计得以简化，大大缩短产品开发周期。本文介绍的利用TRIZ理论对解锁装置中的矩形扭簧进行优化的案例，其快速简捷地获得解决方案的过程验证了TRIZ理论在机械设计中的重要意义。可见，TRIZ理论确实是一种行之有效的创新设计方法，但并不意味着TRIZ理论是万能的，在利用TRIZ理论获得标准的通用解后，还需要设计人员特定的知识和经验并结合具体的工况将其转化为切实可行的工程技术方案。

为了能够使TRIZ在我国机械制造行业的创新进步中起到重要作用，必须采取有效措施对其加以应用和推广：(1)以点带面，培养企业TRIZ理论带头人；(2)内外结合，加强对外合作，充分利用企业外部TRIZ资源；(3)内部宣传，向设计人员传播TRIZ理论知识，使其对TRIZ理论有一定的认识，并慢慢地将这种思维方式以潜移默化的形式应用到产品的设计中；(4)重点突破，攻克企业几个重大难题，使大家认识到TRIZ在产品快速设计创新下的作用，从而在企业内部形成自觉自愿应用TRIZ的氛围；(5)建立TRIZ团队，具体的项目应该由TRIZ专员和设计人员密切配合完成，TRIZ专员帮助设计人员更规范地应用TRIZ理论对问题进行分析并获得通用解，之后设计人员利用其丰富的专业知识和经验将通用解进行工程化；(6)规范流程，建立健全保障实施制度，像可靠性工程一样，将TRIZ理论的应用作为产品设计的重要一环；(7)引入CAI(计算机辅助创新)软件，使TRIZ的应用更准确、高效。可以预见，随着TRIZ方法学的不断推广与应用深化，我国必将在实现创新型国家的道路上走得更快、更稳、更卓有成效。