基于TRIZ的軸承彈性擋圈安全拆裝工具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王壽斌

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 蘇州 215123）

0 引言

彈性擋圈是機(jī)械設(shè)備中用于零部件軸向定位的重要元件，一般有孔用和軸用兩種。通常與軸承、軸、孔、齒輪、圓盤（飛輪）等旋轉(zhuǎn)部件密切接觸，套在軸上的叫做軸用彈性擋圈，嵌于孔中的稱為孔用彈性擋圈。在機(jī)械設(shè)備的裝配、維修過程中，經(jīng)常需要頻繁地將彈性擋圈從軸上（或孔里）拆下，再安裝到軸上（孔里）。這就必須要用專門的拆裝工具——彈性擋圈鉗。相應(yīng)地，根據(jù)使用對象不同，彈性擋圈鉗也分軸用和孔用兩種。

1 基于TRIZ 的彈性擋圈鉗問題分析

由圖1 和圖2 可知，無論孔用或軸用彈性擋圈，均為扁平結(jié)構(gòu)，擋圈的徑向尺寸往往是其厚度的15～25倍。裝拆擋圈時(shí)，需要將彈性擋圈鉗的鉗尖插入彈性擋圈的兩個(gè)耳孔中，通過對鉗柄施加夾力而使彈性擋圈變形，裝入（套入）彈性擋圈槽中，外力松開后擋圈恢復(fù)原形卡入槽中，發(fā)揮軸向定位功能；拆卸時(shí)的步驟相反，先施力變形，后安全取出。實(shí)際操作中，人手施力于彈性擋圈鉗，因?yàn)闊o法中途隨意停留，極易出現(xiàn)過松或過緊現(xiàn)象而難于順利裝拆；同時(shí)，由于彈性擋圈片薄而性剛，在非穩(wěn)定的外力作用下極易出現(xiàn)扭曲，導(dǎo)致彈蹦傷人。多年來，因拆裝彈性擋圈而傷眼的學(xué)生、工人為數(shù)不少。

為此，迫切需要設(shè)計(jì)一種使用平穩(wěn)、安全、省力且比較便宜的彈性擋圈拆裝工具。

圖1 軸用彈性擋圈和孔用彈性擋圈Fig.1 Shaft with elastic ring and hole with elastic ring

1.1 現(xiàn)有彈性擋圈鉗沖突問題描述

圖2 軸用彈性擋圈鉗和孔用彈性擋圈鉗Fig.2 Shaft with elastic ring clamp and hole with elastic ring clamp

沖突是TRIZ 理論的重要核心之一。沖突可分為技術(shù)沖突和物理沖突兩種[1]。技術(shù)沖突指的是技術(shù)系統(tǒng)里某種作用的結(jié)果常常利弊并存，有用與有害同時(shí)出現(xiàn)。比如，子系統(tǒng)A （功能、參數(shù)、特性等） 得到改善時(shí)，子系統(tǒng)B 卻隨之被惡化[2]。

現(xiàn)有彈性擋圈鉗的不足在于使用時(shí)比較費(fèi)力，且由于兩鉗尖在工作過程中處于非平行、非平衡狀態(tài)，容易導(dǎo)致彈性擋圈因打滑而飛蹦，產(chǎn)生安全隱患，操作空間受限時(shí)更不易夾緊，難于工作；使用過程中，兩鉗尖之間的距離不能隨意固定在某一位置，不便于進(jìn)行過程控制。

顯然，現(xiàn)有彈性擋圈鉗的 “操作簡單” 和 “穩(wěn)定性” 是一對符合上述特性的技術(shù)沖突： 有用特性 “操作簡單” 的提高，直接導(dǎo)致有害特性 “穩(wěn)定性” 的降低。同理，現(xiàn)有彈性擋圈鉗的 “可制造性” 分別與 “裝置的復(fù)雜性”、“適應(yīng)性”、“可靠性”、“生產(chǎn)率” 等有害特性也存在技術(shù)沖突。

1.2 新型彈性擋圈拆裝工具的技術(shù)沖突

（1）技術(shù)沖突矩陣的建立。TRIZ 理論對于發(fā)明創(chuàng)新的突出貢獻(xiàn)，在于通過分析和解決沖突問題，簡單快捷地找到改進(jìn)方法[3]。TRIZ 解決問題的主要工具是矩陣表。它從對250 萬個(gè)高質(zhì)量專利的統(tǒng)計(jì)分析，得出39 個(gè)參數(shù)和40 個(gè)發(fā)明原理。以這39 個(gè)參數(shù)依次作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，分別對應(yīng)惡化特性和改善特性，共同組成技術(shù)沖突矩陣。在縱橫坐標(biāo)相交叉的方格里，提供了針對沖突的發(fā)明原理解決方案。發(fā)明原理是TRIZ 解決問題的秘密武器，以編號形式嵌入在矩陣的方格里，以供制定解決方案時(shí)參考。為了避免原理過多而使問題趨向復(fù)雜，每個(gè)方格中的發(fā)明原理通常不多于4 條。

將彈性擋圈鉗希望改進(jìn)的特性 “可靠性” 和 “力”及其可能隨之產(chǎn)生的負(fù)面特性 “操作流程的方便性”、“設(shè)備復(fù)雜度” 等共同組成TRIZ 技術(shù)沖突矩陣，如表1所示。其中，改善的參數(shù)與惡化的參數(shù)交匯處方格里的數(shù)字，即為解決相應(yīng)沖突所適用的發(fā)明原理的編號。

表1 彈性擋圈拆裝工具的阿奇舒勒技術(shù)沖突矩陣Tab.1 Elastic ring disassembling tool of archie schuler technology conflict matrix

通過查閱《40 個(gè)發(fā)明原理對照表》[4]，可從各自原理的解釋中得到激發(fā)創(chuàng)新思維的啟迪。見表2。

（2）技術(shù)沖突的解決。表1 矩陣所列出的原理，旨在使沖突朝著有利于改進(jìn)的方向發(fā)展，給人們提供最有可能讓問題得到解決的思維搜索方向。但這僅是帶有普遍指導(dǎo)意義的一般解，而不是直接解決問題的特定解[5]。設(shè)計(jì)者需要在熟悉原理內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合特定問題和自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，剔除那些明顯無助問題解決的原理，再把可行性較強(qiáng)的原理運(yùn)用到設(shè)計(jì)目標(biāo)中，從而得到所需要的特定解。

表2 技術(shù)沖突的解決原理及其釋義Tab.2 Technical conflict solution principle and its meaning

通過綜合分析，創(chuàng)新原理中的1、3、25、26、27、28、35 均有利于解決系統(tǒng)中的沖突，尤其是出現(xiàn)頻度較高的1 和35 兩條原理，對于彈性擋圈拆裝工具的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有針對性較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

根據(jù)分割原理1，可嘗試把物體分成獨(dú)立的部分，本拆裝工具將改變原有彈性擋圈鉗的一體化設(shè)計(jì)，而由Y 型支架、雙頭螺柱、旋輪和兩個(gè)槽鉤四大部分組成[6]。其中，針對傳統(tǒng)彈性擋圈鉗的兩個(gè)尖頭在長時(shí)間使用之后會出現(xiàn)磨損、彎曲或折斷的不足，特地在叉桿的兩端設(shè)計(jì)了可拆卸的槽鉤，以便在損壞后及時(shí)更換。

根據(jù)改變參數(shù)原理35，針對傳統(tǒng)彈性擋圈鉗在夾緊過程中不易控制作用力方向，容易導(dǎo)致彈性擋圈彈蹦傷人的不足，本設(shè)計(jì)大膽地改變了系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)，通過整體架構(gòu)上的三角形來增加穩(wěn)定性。

根據(jù)廉價(jià)替代品原理27，本設(shè)計(jì)降低了傳統(tǒng)彈性擋圈鉗對專用金屬材料的特殊要求，除兩個(gè)槽鉤采用耐磨金屬制作外，Y 型支架、雙頭螺柱、旋輪等均可用相對廉價(jià)的常用金屬或耐磨非金屬代替，在不降低使用性能的前提下，盡量節(jié)約成本。

根據(jù)復(fù)制原理26 和機(jī)械系統(tǒng)替代原理28，本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中排除了多種形式實(shí)現(xiàn)兩叉桿相對或相向運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而采取了常見的、傳統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既簡化了設(shè)計(jì)、方便了生產(chǎn)，又節(jié)約了成本。

在沖突矩陣中，也有一些原理，如預(yù)先作用10、反向作用13、空間維數(shù)變化17 等沒有用到，其原因在于根據(jù)實(shí)際條件沒有找到相應(yīng)的特殊解。這充分說明，在具體設(shè)計(jì)過程中，TRIZ 原理的運(yùn)用必須與實(shí)際問題、與相關(guān)專業(yè)知識有機(jī)融合，才能得到比較有價(jià)值的解決方案[7]。這是每個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)了解的常識，也是應(yīng)當(dāng)具備的專業(yè)遷移能力。

1.3 彈性擋圈鉗的物理沖突

（1）物理沖突的描述。TRIZ 理論中的物理沖突，是指技術(shù)系統(tǒng)中的同一個(gè)工程參數(shù)具有相反的要求。物理沖突的表現(xiàn)形式之一是，系統(tǒng)或關(guān)鍵子系統(tǒng)出現(xiàn)某一參數(shù)以獲得某個(gè)有用功能[8]，但在單系統(tǒng)或子系統(tǒng)的匯總中卻不能出現(xiàn)，以免產(chǎn)生有害功能。如在彈性擋圈拆裝工具的設(shè)計(jì)中，快與慢就是一對功能性矛盾，我們既希望出現(xiàn)傳統(tǒng)彈性擋圈鉗那樣快速的施力、簡便的拆裝，但又擔(dān)心過于簡便之中出現(xiàn)擋圈 “彈蹦” 等不安全的有害因素。同時(shí)，在本設(shè)計(jì)中，彈性擋圈拆裝工具體積的大與小也是一對物理沖突。

（2）物理沖突的解決。通過綜合分析，為了解決彈性擋圈拆裝工具在工作過程中的快慢問題，本設(shè)計(jì)在張緊（松解）彈性擋圈的子系統(tǒng)中使用雙頭螺紋傳動(dòng)，在螺柱的兩端設(shè)置反向螺紋，以盡可能地提高工作效度。為了控制產(chǎn)品的體積，本設(shè)計(jì)將支架1 設(shè)計(jì)成Y 型，避免采用U 型或長方型等占據(jù)過大空間，在不影響性能的基礎(chǔ)上兼顧了物理沖突的化解。

2 彈性擋圈安全拆裝工具的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案

在有效解決上述技術(shù)沖突和物理沖突的基礎(chǔ)上，我們可以得到彈性擋圈安全拆裝工具的多個(gè)設(shè)計(jì)方案。經(jīng)綜合比較，得出了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，見圖3。其中，1 為Y 型支架，2 為雙頭螺柱，3 為旋輪，4 為槽鉤，5 為螺紋孔，6 為方形通孔，7 為長方體柱，8 為叉桿[6]。

Y 型支架1 包括兩根叉桿，兩根叉桿的下端相互平行，兩根叉桿的上端連接成一體，兩根叉桿的下端分別設(shè)置有一螺紋孔，雙頭螺柱2 穿過所述螺紋孔，旋輪3套在雙頭螺柱的中部，兩個(gè)槽鉤4 分別位于兩根叉桿的底端，雙頭螺柱的兩端為圓柱并分別設(shè)置有外螺紋，與螺紋孔構(gòu)成螺紋副。使用過程中，兩個(gè)槽鉤4 始終卡緊彈性擋圈的孔壁，能防止彈性擋圈打滑；而因?yàn)槭峭ㄟ^螺紋轉(zhuǎn)動(dòng)使兩槽鉤4 保持平移，著力平穩(wěn)，不會出現(xiàn)彈性擋圈彈蹦傷人的情況，保證操作的安全；兩槽鉤4 之間的距離由旋輪3 的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制，可以使兩槽鉤4 隨時(shí)停留在想要的位置，輕松控制工具的拆裝動(dòng)作；而且操作省力，螺紋副對旋輪3 上的著力有放大效應(yīng)，可以用較小的旋力得到兩槽鉤4 之間較大的夾緊拉力，輕松地將彈性擋圈夾緊[6]。

圖3 彈性擋圈安全拆裝工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Elastic ring safe dismantling device structure diagram

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，TRIZ 創(chuàng)新理論對于解決實(shí)際問題可以起到事半功倍之效[9]。根據(jù)TRIZ 理論，分析現(xiàn)有彈性擋圈鉗的技術(shù)沖突及物理沖突，運(yùn)用沖突矩陣工具，在多項(xiàng)解決原理的指導(dǎo)下，編制出彈性擋圈安全拆裝工具的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。該方案設(shè)計(jì)出的彈性擋圈安全拆裝工具，具有使用平穩(wěn)、安全、省力且比較便宜的特點(diǎn)，實(shí)際使用效果良好，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 顏惠庚，李耀中.創(chuàng)新方法入門——TRIZ 基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2] JANTSCHGI J, FRESNER J. Linking TRIZ & sustain ability(training and consulting models)[C/CD]//The Fourth European TRIZ Symposium ，June30-July1,2005,Frankfurt/Main,2005.

[3] 陳國強(qiáng).產(chǎn)品設(shè)計(jì)程序與方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 王申亮，等.TRIZ 創(chuàng)新理論與應(yīng)用原理[M].北京:科學(xué)出版社，2010.

[5] 張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[6] 王壽斌.一種軸用彈性擋圈的安全拆裝工具[P].ZL 2012 2 0664234.2

[7] 檀潤華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)—TRIZ: 發(fā)明問題解決理論[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[8] 檀潤華.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突確定方法及解決過程[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，10.

[9] Altsuller G. The Innovation Algorithm，TRIZ，Systematic Innovation and Technical Creativity[R].Worcester:Technical Innovation Center，1999.