曹 賀，劉訓(xùn)濤，趙存有，徐 鵬

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

資源是一切可被人類開發(fā)和利用的物質(zhì)、能量和信息的總稱。充分分析現(xiàn)有資源，開發(fā)新資源才能更好地改善或設(shè)計(jì)新的技術(shù)系統(tǒng)。解決問題的實(shí)質(zhì)就是對(duì)資源的合理應(yīng)用。TRIZ理論要求問題解決者在解決問題時(shí)，要全面細(xì)致地考察并列出系統(tǒng)涉及的所有資源。任何系統(tǒng)，只要還沒有達(dá)到理想解，就應(yīng)該具有可用資源。對(duì)資源進(jìn)行分類，詳細(xì)分析，深刻理解，對(duì)設(shè)計(jì)人員十分必要[1]。

1 資源分類

設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，任何技術(shù)系統(tǒng)都是超系統(tǒng)或自然的一部分。系統(tǒng)在特定的空間與時(shí)間中存在，由物質(zhì)構(gòu)成，要應(yīng)用場(chǎng)來完成某種特定的功能。因此，資源通常按照物質(zhì)、能量/場(chǎng)、信息、時(shí)間、空間和功能等來劃分，將資源分為6類，并對(duì)各類資源的意義及應(yīng)用建議進(jìn)行了概況(見表1)。

2 資源的考察

為了便于尋找和利用資源，可以利用圖1所示的資源尋找路徑。尋找資源優(yōu)先操作區(qū)、系統(tǒng)內(nèi)尋找，只有系統(tǒng)內(nèi)部的所有資源都不能解決問題時(shí)，才考慮從外部引入新的資源。選擇資源時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇免費(fèi)、有害、無限、成品。如能利用有害物質(zhì)、場(chǎng)和有害功能作為資源，則解決問題會(huì)更有成效，避免損失，額外贏利。

表1 資源分類

圖1 資源尋找路徑

3 多屏幕資源分析法

設(shè)計(jì)過程中所用到的資源很多是隱形的，需要認(rèn)真挖掘，將隱形資源顯性化，才能成為有用資源。在設(shè)計(jì)中認(rèn)真考慮各種資源有助于開闊設(shè)計(jì)者的眼界，使其能跳出問題本身，這對(duì)于將全部精力都集中于特定的子系統(tǒng)、工作區(qū)間、特定的空間與時(shí)間的設(shè)計(jì)者解決問題特別重要。

多屏幕法是TRIZ理論用于進(jìn)行系統(tǒng)分析的重要工具，可以很好地幫助使用者進(jìn)行超常規(guī)思維，克服思維慣性，能夠幫助我們從結(jié)構(gòu)、時(shí)間以及因果關(guān)系等多維度對(duì)問題進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析，使用該方法分析和解決問題時(shí)，不僅應(yīng)考慮當(dāng)前系統(tǒng)，還應(yīng)考慮它的超系統(tǒng)和子系統(tǒng)；不僅應(yīng)考慮當(dāng)前系統(tǒng)的過去和未來，還應(yīng)考慮超系統(tǒng)和子系統(tǒng)的過去和未來。

簡(jiǎn)單地說，多屏幕法就是以空間為縱軸，來考察“當(dāng)前系統(tǒng)”及其“組成(子系統(tǒng))”和“系統(tǒng)的環(huán)境與歸屬(超系統(tǒng))”；以時(shí)間為橫軸，來考察上述3種狀態(tài)的“過去”“現(xiàn)在”和“未來”，從而將被考察系統(tǒng)構(gòu)建成至少9個(gè)屏幕的圖解模型。多屏幕法如圖2所示。

圖2 多屏幕法

多屏幕法資源分析見表2[2]?？梢岳枚嗥聊毁Y源分析表，充分挖掘系統(tǒng)、子系統(tǒng)、超系統(tǒng)中的資源，系統(tǒng)地從內(nèi)向外、從上至下挖掘可用資源，體現(xiàn)資源價(jià)值，從而得到創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

表2 多屏幕法資源列表

4 拖拉機(jī)動(dòng)力輸出總成方案設(shè)計(jì)分析

本文以拖拉機(jī)為例，拖拉機(jī)中動(dòng)力輸出總成是大功率輪式拖拉機(jī)的重要組成部分，可將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出給后掛的農(nóng)機(jī)具，起到調(diào)整農(nóng)機(jī)具工作速度和牽引力的作用[3]。動(dòng)力輸出總成由動(dòng)力輸入軸、齒輪、同步器、動(dòng)力輸出軸和軸承等組成(見圖3)。

4.1 多屏幕法的動(dòng)力輸出總成資源分析

考慮當(dāng)前系統(tǒng)及其超系統(tǒng)和子系統(tǒng)，填寫資源列表(見表3)。

圖3 動(dòng)力輸出總成

表3 多屏幕法資源列表

4.2 多屏幕法的動(dòng)力輸出總成方案分析

4.2.1 系統(tǒng)的多屏幕分析

系統(tǒng)的多屏幕分析見表4，當(dāng)前系統(tǒng)是運(yùn)用動(dòng)力輸出總成的驅(qū)動(dòng)型耕作系統(tǒng)，當(dāng)前系統(tǒng)的過去是牽引型耕作系統(tǒng)，當(dāng)前系統(tǒng)的未來是自適應(yīng)的動(dòng)力輸出總成的驅(qū)動(dòng)型耕作系統(tǒng)。

表4 動(dòng)力輸出總成的多屏幕法

當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)包含多個(gè)零件，這里側(cè)重分析動(dòng)力輸出軸，因?yàn)閯?dòng)力輸出軸所受負(fù)荷比較復(fù)雜，在工作過程中會(huì)出現(xiàn)斷裂，目前對(duì)該問題的改進(jìn)大多是改進(jìn)動(dòng)力輸出軸的熱處理工藝[4-6]。因而子系統(tǒng)的過去是未進(jìn)行熱處理的動(dòng)力輸出軸，當(dāng)前子系統(tǒng)是熱處理的動(dòng)力輸出軸，子系統(tǒng)的未來是改進(jìn)熱處理工藝的動(dòng)力輸出軸。

當(dāng)前系統(tǒng)的超系統(tǒng)考慮與動(dòng)力輸出總成相關(guān)聯(lián)的變速箱、離合器及農(nóng)機(jī)具。動(dòng)力輸出總成的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出給后掛的農(nóng)機(jī)具，因而有必要充分發(fā)掘超系統(tǒng)中的資源。當(dāng)前系統(tǒng)的過去是牽引型耕作系統(tǒng)，因而對(duì)于超系統(tǒng)的過去，動(dòng)力輸出總成與變速箱沒有關(guān)聯(lián)，離合器是單輸出，超系統(tǒng)中的資源沒有有效利用。通過資源分析，發(fā)現(xiàn)超系統(tǒng)中資源較多，提示動(dòng)力輸出總成方案設(shè)計(jì)可以盡可能利用超系統(tǒng)中的資源。

1)超系統(tǒng)中的離合器。

系統(tǒng)分析的目的是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的同步傳遞，因而考慮將離合器設(shè)計(jì)成雙輸出形式，分別驅(qū)動(dòng)變速箱輸入軸和動(dòng)力輸出總成中的動(dòng)力輸入軸，實(shí)現(xiàn)同步傳遞動(dòng)力。

2)超系統(tǒng)中的變速箱。

拖拉機(jī)變速箱的傳動(dòng)比一般較大，因而變速箱由至少3根軸(輸入軸、中間軸、輸出軸)及若干齒輪組成?？紤]將變速箱輸入軸制成中空，以容納動(dòng)力輸入軸從中穿過。但是，一般情況下，變速箱輸入軸軸徑較小，若制成中空，則容納的動(dòng)力輸入軸軸徑尺寸受限，難以滿足強(qiáng)度要求，若要滿足動(dòng)力輸入軸的尺寸及強(qiáng)度要求，就必須增大變速箱輸入軸軸徑，這又會(huì)導(dǎo)致變速箱整體體積增加，這就產(chǎn)生了矛盾，要求變速箱輸入軸軸徑既要大又要小，是針對(duì)系統(tǒng)中的某一參數(shù)提出2種不同的要求，這是一對(duì)物理矛盾[7-8]。TRIZ理論認(rèn)為，不斷解決矛盾是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的動(dòng)力，而有效利用資源是解決矛盾的重要途經(jīng)[9-11]。一般來說，變速箱的中間軸和輸出軸的軸徑相比輸入軸軸徑要大一些，而變速箱的輸出軸需要通過萬向節(jié)連接驅(qū)動(dòng)橋，所以考慮將變速箱的中間軸制成中空，容納動(dòng)力輸入軸。這就需要借助能量資源，外加一對(duì)齒輪傳動(dòng)，所以超系統(tǒng)的未來考慮在離合器輸出后，添加一對(duì)齒輪嚙合來傳遞動(dòng)力，這樣就可以使動(dòng)力輸入軸從變速箱的中間軸的空腔中穿過，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。

4.2.2 系統(tǒng)傳動(dòng)方案初探

通過上述分析，結(jié)合動(dòng)力輸出總成，設(shè)計(jì)2個(gè)傳動(dòng)方案。圖4所示為雙輸出離合器，變速箱輸入軸中空，將動(dòng)力傳至動(dòng)力輸出總成的方案。該方案實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的同步傳遞，但需結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際適當(dāng)增大變速箱輸入軸軸徑。圖5所示為雙輸出離合器，借助一對(duì)常嚙合齒輪將動(dòng)力傳至變速箱中間軸位置，變速箱中間軸中空，動(dòng)力輸入軸從變速箱的中間軸中穿過的方案。該方案不改變變速箱的設(shè)計(jì)，但需要另外增加一對(duì)齒輪傳動(dòng)。

圖4 變速箱輸入軸中空的動(dòng)力傳動(dòng)方案

圖5 變速箱中間軸中空的動(dòng)力傳動(dòng)方案

上述是運(yùn)用多屏幕資源分析方法獲得的2個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)方案，但不局限于此。在此方法指導(dǎo)下，結(jié)合變速箱具體傳動(dòng)路線，充分挖掘和利用資源，可以開發(fā)出多種方案。

5 結(jié)語

解決技術(shù)問題的實(shí)質(zhì)就是對(duì)資源的挖掘和合理利用，資源分析就是要發(fā)掘系統(tǒng)、子系統(tǒng)和超系統(tǒng)中資源的有機(jī)聯(lián)系。多屏幕法按照空間和時(shí)間2個(gè)維度，探索系統(tǒng)內(nèi)部和超系統(tǒng)中的資源，系統(tǒng)過去和未來的資源。通過對(duì)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出總成進(jìn)行多屏幕資源分析，充分挖掘利用超系統(tǒng)中的資源，得到2種動(dòng)力傳動(dòng)方案，驗(yàn)證了多屏幕資源分析的有效性。