基于TRIZ冲突解决矩阵的新型传动带研究 - 文章

基于TRIZ冲突解决矩阵的新型传动带研究

作者：曹贺池红岩郭竟男

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带传动是机械传动重要的传动形式之一，随着工业技术水平的不断提高以及机械设备向精密化、轻量化、功能性和个性化的发展，带传动的应用范围越来越广，传动形式越来越多。作为带传动中的主体部件—传动带也由原来的易损件向功能件方向转变，在许多场合替代了其他的传动形式。为满足现代工业对传动带品种多样性以及使用性能提出的更高要求，本文将应用TRIZ冲突解决矩阵研发新型的传动带结构。

1 基础理论

无论是新设计还是已有产品的改进设计，设计人员在设计过程中首先要保证或提高产品的某些内部性能，但这种提高往往导致产品其他内部性能的降低，即设计中往往存在冲突。按传统设计中的折衷法，冲突并没有彻底解决，而是在冲突双方取得折衷方案，或称降低冲突的程度。TRIZ(Theoryof Inventive Problem Solving)理论认为，产品创新的标志是解决设计中的冲突，而产生新的有竞争力的解。G.S.Altshuller将冲突分为3类：管理冲突、物理冲突和技术冲突，其中技术冲突是设计中经常出现的一类冲突。技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害2种结果，也可指有用作用的引人或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。

1.1 39个特征参数

为了更好地描述冲突，经过对大量技术冲突的对比研究，Altshuller等提出了冲突的39个特征参数(见表1)。实际应用中，首先要把组成冲突的双方用该39个特征参数中的2个来表示。

表1 39个特征参数
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1.2 40个发明原理

在对全世界专利进行分析研究的基础上，Altshuller等提出了40条发明原理，实践证明这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要的作用。表2是40个发明原理的汇总。

表2 40个发明原理
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1.3 技术冲突解决矩阵

发明原理起着工具的作用，从该工具中选择原理可以对问题提出求解的思路或线索。但这种方法效率不高。通过多年的研究、分析和比较，Altshuller提出了冲突矩阵，该矩阵将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立了对应关系，很好地解决了设计过程中选择发明原理的难题。

冲突解决矩阵为40行40列的一个矩阵，其中第1行或第1列为按顺序排列的39个描述冲突的工程参数序号。矩阵中行所描述的工程参数为冲突中恶化的一方，列所代表的工程参数是改善的一方。除第1行与第1列外，其余39行与39列形成一个矩阵，矩阵元素中或空、或有几个数字，这些数字表示40条发明原理中的推荐采用原理序号。

技术冲突解决矩阵所提供的原理往往不能直接使问题得到解决，而是提供了最有可能解决问题的探索方向。解决问题时，还必须根据所提供的原理及所要解决问题的特定条件，提出解决问题的具体方法。

2 新型传动带设计实例

2.1 确定特征参数

在一般机械传动中，应用最广的是V带传动，V带的截面形状为等腰梯形，工作时带的两侧面是工作面，与带轮的环槽侧面接触，属于楔面摩擦传动。在使用中势必导致带的磨损，缩短带的工作寿命，这是技术系统本身产生的有害作用，即欲改善的特性，因此选择“参数31—物体产生的有害因素”作为改善的参数。在带的磨损这一有害功能减小的同时，导致传动摩擦力减小，即有用功能变坏，因而选择“参数10—力”作为被恶化的参数。

2.2 查找TRIZ冲突矩阵

从矩阵表查找参数31和参数10对应的方格(见表3)，得到方格中推荐的发明原理序号分别是：35—物理／化学状态变化，28—机械系统的替代，1—分割，40—复合材料。

表3 查找冲突矩阵
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2.3 发明原理的分析

原理35为物理／化学状态变化：改变物体的物理／化学状态、浓度／密度、柔性、温度。根据此原理，可以向传动带的制造工艺方向探索开发，如进一步研究橡胶硫化工艺来改变带的柔韧性和耐久性。

原理28为机械系统的替代，原理体现在4个方面：(1)用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统；(2)用电场、磁场及电磁场完成与物体的相互作用；(3)将固定场变为移动场，将静态场变为动态场，将随机场变为确定场；(4)将铁磁粒子用于场的作用之中。罗善明等就将电磁场引入带传动中，设计了磁力金属带传动。磁力金属带传动(如图1所示)由主动磁力带轮、从动磁力带轮、激磁线圈、金属带组成。磁力金属带传动是靠绕在大、小带轮轮辐上的线圈产生磁场力吸引金属带以产生较大的正压力，从而大幅度提高传动带与带轮之间的摩擦力。因此，摩擦力的产生是电磁吸引力与初张力共同作用的结果。磁力带传动具有传动比范围广、弹性滑动小、传动准确、效率高等特点。金属带(如图2所示)采用金属纤维编织而成，以减小其弯曲应力，提高承载能力和使用寿命。

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1 主动磁力带轮，2 激磁线圈，3 金属带，4 从动磁力带轮
图1 磁力金属带传动结构及原理

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1 帆布层，2 普通橡胶，3 钢丝绳，4 磁性橡胶
图2 磁性复合金属带的结构

原理1为分割，原理体现在3个方面：(1)将一个物体分割成相互独立的部分；(2)使物体分成容易组装及拆卸的部分；(3)增加物体被分割的程度。根据此原理，可能的解决方案为，在带传动副表面设置许多楔柱状微结构，由两面的相互啮合与摩擦作用共同传递动力，如图3所示。

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图3 粗糙表面传动带

原理40为复合材料：将材质单一的材料改为复合材料。该原理提示随着材料科学的发展，传动带将采用一种复合材料，增大传动摩擦力，提高耐磨性。

2.4 发明原理的综合应用

TRIZ理论中，通常所选定的发明原理多于1个，这说明前人已采用这几个原理解决了一些特定的技术冲突。这些原理仅仅表明解的可能方向，即应用这些原理过滤掉了很多不太可能的解的方向。因此尽可能将所选定的每条原理都用到待设计过程中去，不要拒绝采用推荐的任何原理。

针对传动带的技术冲突，将“发明原理28—机械系统的替代”与“发明原理l—分割”相结合，在磁力金属带传动的金属带上设置楔柱状微结构，使磁力与啮合及摩擦同时作用，提高带传动的准确性和稳定性。粗糙表面磁力金属带结构如图4所示。

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1—帆布层；2—普通橡胶；3—钢丝绳；4—磁性橡胶
图4 粗糙表面磁力金属带

3 结束语

TRIZ冲突解决原理提供了一系列解决设计冲突的创新原理和方法，对传动带的创新设计提供了重要的思路。本文通过对带传动的问题分析，抽象出其技术冲突，基于TRIZ技术冲突解决矩阵，综合应用创新原理，构思出带传动的解决方案，为传动带设计提供了新的方向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/13/2010)


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