3和4机械创新设计流派及TRIZ理论.ppt

第四章、产品创新设计理论第四章、产品创新设计理论 发明问题解决理论发明问题解决理论（TRIZ）4-1 产品的进化过程及产品的进化过程及进化进化规律规律4-2 设计中的可用设计中的可用资源资源4-3 发明的发明的级别级别新概念分级新概念分级4-4 理想解理想解4-5 设计中的设计中的冲突冲突4-6 技术冲突解决原理技术冲突解决原理4-7 物理冲突解决原理物理冲突解决原理4-8 概念设计概念设计2021/9/2314-2 设计中的可用资源设计中的可用资源设设计计中中的的可可用用资资源源对对创创新新设设计计起起着着重重要要作作用用，问问题题的的解解越接近越接近理想解理想解(Ideal Final Result)，可用资源就越重要。，可用资源就越重要。任何系统，只要还未达到理想解，就应具有可用资源。任何系统，只要还未达到理想解，就应具有可用资源。对对资资源源进进行行分分类类，详详细细分分析析，深深刻刻理理解解，对对设设计计人人员员十十分必要。分必要。一、资源分类一、资源分类二、资源分析二、资源分析三、资源利用三、资源利用2021/9/232一、资源分类一、资源分类设计中的产品是一个设计中的产品是一个系统系统。系系统统在在特特定定的的空空间间与与时时间间中中存存在在，要要由由物物质质构构成成，要要应应用用场场以以完完成成某某种种特特定定的的功能功能。2021/9/233资源分类资源分类2021/9/234自然资源：太阳能电池自然资源：太阳能电池。时间资源：厨房中米饭、炒菜一起做，节省了时间。时间资源：厨房中米饭、炒菜一起做，节省了时间。空间资源：企业某种食品包装中有企业其它食品的广告。空间资源：企业某种食品包装中有企业其它食品的广告。系统资源：扫描与打印的功能结合形成影印功能。系统资源：扫描与打印的功能结合形成影印功能。物质资源：扫雪车的废气用于被清扫雪的预处理。物质资源：扫雪车的废气用于被清扫雪的预处理。能量资源：炼钢厂高炉余热发电。能量资源：炼钢厂高炉余热发电。信息资源：加工中心正在加工中的零件误差用于在线补偿。信息资源：加工中心正在加工中的零件误差用于在线补偿。功功能能资资源源：按按时时间间进进行行任任务务规规划划的的软软件件应应用用计计算算机机内内部部的的时时钟。钟。2021/9/235自然资源自然资源时间资源时间资源空间资源空间资源系统资源系统资源物质资源物质资源能量能量/场资源场资源信息资源信息资源功能资源功能资源太阳能电池太阳能电池米饭、炒菜一起米饭、炒菜一起做，节省时间做，节省时间食品包装中食品包装中印本企业其印本企业其它食品广告它食品广告扫描与打印结合扫描与打印结合形成影印功能形成影印功能扫扫雪雪车车废废气气用用于于被被清清扫扫雪的预处理雪的预处理炼钢厂高炉炼钢厂高炉余热发电余热发电加工中心在加工加工中心在加工的零件误差用于的零件误差用于在线补偿在线补偿按按时时间间进进行行任任务务规规划划的的软软件件应应用用计算机内部时钟计算机内部时钟2021/9/236设设计计过过程程中中，合合理理地地利利用用资资源源可可使使问问题题的解更容易的解更容易接近理想解接近理想解。如如果果利利用用了了某某些些资资源源，还还可可能能取取得得附附加加的、未曾设想的效益。的、未曾设想的效益。2021/9/2372021/9/238二、资源分析二、资源分析资源分为资源分为内部与外部资源内部与外部资源。内内部部资资源源是是在在冲冲突突发发生生的的时时间间、区区域域内内存存在在的资源的资源。资资源源又又分分为为直直接接应应用用资资源源、导导出出资资源源、差差动动资源资源。2021/9/239（一）直接应用资源（一）直接应用资源在当前在当前存在状态下可被应用存在状态下可被应用的资源。的资源。如如物物质质、场场(能能量量)、空空间间和和时时间间资资源源都都是可被多数系统直接应用的资源。是可被多数系统直接应用的资源。2021/9/2310物质资源：物质资源：木柴可用作燃料。木柴可用作燃料。能能量量资资源源：汽汽车车发发动动机机既既驱驱动动后后轮轮或或前前轮轮，又又驱驱动液压泵，使液压系统工作。动液压泵，使液压系统工作。场资源：场资源：地球上的重力场及电磁场。地球上的重力场及电磁场。信信息息资资源源：汽汽车车运运行行时时所所排排废废气气中中的的油油或或其其它它颗颗粒，表明发动机的性能信息。粒，表明发动机的性能信息。空间资源：空间资源：仓库中多层货架中的高层货架。仓库中多层货架中的高层货架。时间资源：时间资源：双向打印机。双向打印机。功功能能资资源源：人人站站在在椅椅子子上上更更换换屋屋顶顶的的灯灯泡泡时时，椅椅子的高度是一种辅助功能的利用。子的高度是一种辅助功能的利用。2021/9/2311木柴可用作木柴可用作燃料燃料汽车发动机既驱汽车发动机既驱动后轮或前轮，动后轮或前轮，又驱动液压泵又驱动液压泵地球上的重力地球上的重力场及电磁场场及电磁场汽车运行时所排汽车运行时所排废气中的油或其废气中的油或其它颗粒，表明发它颗粒，表明发动机的性能信息动机的性能信息仓库中多层仓库中多层货架中的高货架中的高层货架层货架双向打印机双向打印机人人站站在在椅椅子子上上更更换换屋屋顶顶的的灯灯泡泡，椅椅子子高高度度是是一一种种辅助功能的利用辅助功能的利用 物质资源物质资源能量资源能量资源场资源场资源信息资源信息资源空间资源空间资源时间资源时间资源功能资源功能资源2021/9/2312（二）导出资源（二）导出资源通过某种变换通过某种变换，使不能利用的资源成为可利用，使不能利用的资源成为可利用的资源，称为导出资源。的资源，称为导出资源。原材料、废弃物、空气、水等，经过处理或变原材料、废弃物、空气、水等，经过处理或变换都可在设计的产品中采用，变成有用资源。换都可在设计的产品中采用，变成有用资源。在变成有用资源的过程中，在变成有用资源的过程中，必要的物理状态变必要的物理状态变化或化学反应化或化学反应也是需要的。也是需要的。2021/9/2313导导出出物物质质资资源源：由由直直接接应应用用资资源源，如如物物质质或或原原材材料料变变换换或或施施加加作作用用得得到到的的物物质质。如如毛毛坯坯是是通通过过铸铸造造得得到到的的材材料料，相相对对于于铸铸造造的的原原材材料料是是导出资源。导出资源。导导出出能能量量资资源源：通通过过对对直直接接应应用用能能量量资资源源的的变变换换或或改改变变其其作作用用的的强强度度、方方向向及及其其它它特特性性得得到到的的能能量量资资源源。如如变变压压器器将将高高压压变变为为低低压压，这这种低电压的电能为导出资源。种低电压的电能为导出资源。2021/9/2314 导导出出场场资资源源：通通过过对对直直接接应应用用场场资资源源的的变变换换或或改改变变其其作作用用的的强强度度、方方向向及及其其它它特特性性所所得得到到的的场资源。场资源。导导出出信信息息资资源源：通通过过变变换换设设计计不不相相关关的的信信息息，使使之之与与设设计计相相关关。如如地地球球表表面面电电磁磁场场的的微微小小变变化可用于发现矿藏。化可用于发现矿藏。导导出出空空间间资资源源：由由于于几几何何形形状状或或效效应应的的变变化化所所得得到到的的额额外外空空间间。双双面面磁磁盘盘比比单单面面磁磁盘盘存存储储信信息的容量更大。息的容量更大。2021/9/2315导导出出时时间间资资源源：由由于于加加速速、减减速速或或中中断断获获得得的的时时间间间间隔隔。被被压压缩缩的的数数据据在在较较短短的的时时间间内内可可传递完毕。传递完毕。导导出出功功能能资资源源：经经过过合合理理变变化化后后，系系统统完完成成辅辅助助功功能能的的能能力力。锻锻模模适适当当修修改改后后，锻锻件件本本身身可带有企业商标；带原产地商标的土特产品。可带有企业商标；带原产地商标的土特产品。2021/9/2316（三）差动资源（三）差动资源通通常常，物物质质与与场场的的不不同同特特性性是是一一种种可可形形成成某某种种技技术的资源，称为差动资源。术的资源，称为差动资源。1差动物质资源：差动物质资源：结构各向异性结构各向异性 不同的材料特性不同的材料特性 2差动场资源差动场资源2021/9/23171差动物质资源差动物质资源（1）结构各向异性）结构各向异性 物质在不同的方向上物理性能不同。物质在不同的方向上物理性能不同。这这种种特特性性有有时时是是设设计计中中实实现现某某种种功功能能的的需要。需要。2021/9/2318光光学学特特性性：金金刚刚石石只只有有沿沿对对称称面面做做出出的的小小平平面面才才能能显显示示出其亮度。出其亮度。电电特特性性：石石英英板板只只有有当当晶晶体体沿沿某某一一方方向向被被切切断断时时才才具具有有电致伸缩的性能。电致伸缩的性能。声声学学特特性性：一一个个零零件件内内部部由由于于其其结结构构有有所所不不同同，表表现现出出不同的声学性能，使超声探伤成为可能。不同的声学性能，使超声探伤成为可能。机械特性机械特性：劈木柴时沿最省力的方向劈。：劈木柴时沿最省力的方向劈。化学性能化学性能：晶体的腐蚀往往在有缺陷的点处首先发生。：晶体的腐蚀往往在有缺陷的点处首先发生。几几何何性性能能：只只有有球球形形表表面面符符合合要要求求的的药药丸丸才才能能通通过过药药机机的分检装置。的分检装置。2021/9/2319（2）不同的材料特性）不同的材料特性可在设计中用于实现有用功能。可在设计中用于实现有用功能。2021/9/23202差动场资源差动场资源场在系统中的不均匀可以在设计中场在系统中的不均匀可以在设计中实现某些新的功能。实现某些新的功能。2021/9/2321（1）场梯度的利用）场梯度的利用在在烟烟囱囱的的帮帮助助下下，地地球球表表面面与与3200米米高高空空中中的的压压力力差差，使炉子中的空气流动。使炉子中的空气流动。（2）空间不均匀场的利用）空间不均匀场的利用为为了了改改善善工工作作条条件件，工工作作地地点点应应处处于于声声场场强强度度低低的的位位置。置。（3）利用场的值与标准值的偏差）利用场的值与标准值的偏差病病人人的的脉脉搏搏与与正正常常人人不不同同，医医生生通通过过对对这这种种不不同同的的分分析为病人看病。析为病人看病。2021/9/2322三、资源利用三、资源利用设计过程中用到的资源不一定明显，需设计过程中用到的资源不一定明显，需认真挖掘才能成为有用资源。认真挖掘才能成为有用资源。2021/9/2323一些通用的建议一些通用的建议（1）将所有的资源首先集中于最重要的动作或子系统。）将所有的资源首先集中于最重要的动作或子系统。（2）合理、有效地利用资源，避免资源损失、浪费。）合理、有效地利用资源，避免资源损失、浪费。（3）将资源集中到特定的空间与时间。）将资源集中到特定的空间与时间。（4）利用其它过程中损失或浪费的资源。）利用其它过程中损失或浪费的资源。（5）与其它子系统分享有用资源，动态调节这些子系统。）与其它子系统分享有用资源，动态调节这些子系统。（6）根据子系统隐含的功能，利用其它资源。）根据子系统隐含的功能，利用其它资源。（7）对其它资源进行变换，使其成为有用资源。）对其它资源进行变换，使其成为有用资源。2021/9/2324不同类型资源（空间、时间、材料、能不同类型资源（空间、时间、材料、能量等）的量等）的特殊性能特殊性能帮助设计者帮助设计者克服资克服资源的限制源的限制。2021/9/2325空间资源空间资源（1）选选择择最最重重要要的的子子系系统统，将将其其它它子子系系统统放放在空间不十分重要的位置上。在空间不十分重要的位置上。（2）最大限度地利用闲置空间。）最大限度地利用闲置空间。（3）利利用用相相邻邻子子系系统统的的某某些些表表面面，或或一一表表面面的反面。的反面。（4）利用空间中的某些点、线、或体积。）利用空间中的某些点、线、或体积。（5）利用紧凑的几何形状，如螺旋线。）利用紧凑的几何形状，如螺旋线。（6）利用暂时闲置的空间。）利用暂时闲置的空间。2021/9/2326时间资源时间资源（1）在在最最有有价价值值的的工工作作阶阶段段，最最大大限限度度地地利利用用时间。时间。（2）使过程连续，消除停顿、空行程。）使过程连续，消除停顿、空行程。（3）变换顺序动作为并行动作，节省时间。）变换顺序动作为并行动作，节省时间。2021/9/2327材料资源材料资源（1）利利用用薄薄膜膜、粉粉末末、蒸蒸汽汽，将将少少量量物物质质扩扩大大到一个较大的空间。到一个较大的空间。（2）利用与子系统混合的环境中的材料。）利用与子系统混合的环境中的材料。（3）将将环环境境中中的的材材料料如如水水、空空气气等等，转转变变成成有有用的材料。用的材料。2021/9/2328能量资源能量资源（1）尽可能提高核心部件的能量利用率。）尽可能提高核心部件的能量利用率。（2）限限制制利利用用成成本本高高的的能能量量，尽尽可可能能采采用用低低廉的能量。廉的能量。（3）利用最近的能量。）利用最近的能量。（4）利用附近系统浪费的能量。）利用附近系统浪费的能量。（5）利用环境提供的能量。）利用环境提供的能量。2021/9/2329在设计中认真考虑各种资源有助于在设计中认真考虑各种资源有助于设计者开阔眼界，跳出问题本身。设计者开阔眼界，跳出问题本身。这对于将全部精力集中于特定子系这对于将全部精力集中于特定子系统、工作区间、特定空间与时间的统、工作区间、特定空间与时间的设计者解决问题特别重要。设计者解决问题特别重要。2021/9/2330第五讲开始第五讲开始2021/9/23314-3 发明的级别发明的级别 TRIZ新概念分级新概念分级人人类类的的新新设设想想，仅仅有有极极少少数数经经过过不不断断完完善善构构成成一一种种新新概概念念，经过后续的实现变成一种，经过后续的实现变成一种新产品新产品。机机械械工工程程领领域域所所谓谓的的新新概概念念是是指指新新的的工工作作原原理理，按按照照该该原原理理工工作作的的机机器器、设设备备、仪仪器器具具有有市市场场竞竞争争力力，能能为为生生产产企企业业带带来来效效益益，能能为为用用户户提提高高生生产产效效率率、或或降降低低生生产成本、或减少生产周期。产成本、或减少生产周期。2021/9/2332传传统统的的设设计计方方法法产产生生新新的的工工作作原原理理的的过过程程，为为试试凑凑法法或或试试验纠错法验纠错法。第第一一个个新新的的工工作作原原理理往往往往不不一一定定采采用用，需需要要不不断断产产生生新新工工作作原原理理的的设设想想，最最终终选选定定一一种种工工作作原原理理。复复杂杂程程度度不不同同、技术含量不同的产品所需的技术含量不同的产品所需的设想数设想数也不同。也不同。传传统统设设计计方方法法的的一一项项成成功功的的设设计计往往往往历历时时较较长长、花花费费较较多多，且主要取决于设计人员的且主要取决于设计人员的经验和素质经验和素质等因素。等因素。TRIZ根据产生工作原理的设想数对产品进行分级。根据产生工作原理的设想数对产品进行分级。2021/9/2333TRIZ的新概念分级的新概念分级TRIZ的的一一个个重重要要成成果果是是认认为为产产品品有有级级别别，产产品品由由低低级级向向高高级级的的方方向向发发展展。由由于于这这种种发发展展，产产品品才才一一直直占占领领老老市场或又赢得新市场。市场或又赢得新市场。Altshuller通通过过研研究究表表明明，问问题题的的解解或或概概念念分分为为5个个级级别别。设设计计人人员员采采用用试试凑凑法法，从从产产生生最最初初的的工工作作原原理理，到到最最终终选选定定工工作作原原理理，根根据据所所产产生生工工作作原原理理的的个个数数，即解的个数决定解的级别。即解的个数决定解的级别。2021/9/23342021/9/2335产品从低级向高级进化的过程中，产品从低级向高级进化的过程中，高级别解的产生需要更多的知识。高级别解的产生需要更多的知识。产品的级别还与问题的难易程度、产品的级别还与问题的难易程度、知识来源等有密切关系。知识来源等有密切关系。2021/9/2336通常的设计问题，或对已有系统的简单改进。通常的设计问题，或对已有系统的简单改进。凭设计人员自身经验即可解决，不需要创新。凭设计人员自身经验即可解决，不需要创新。大约大约32%的解属于该范围。的解属于该范围。如如用用厚厚隔隔热热层层减减少少热热量量损损失失，用用载载重重量量更更大大的的卡车改善运输的成本与效益比。卡车改善运输的成本与效益比。(1)1级（级（Level 1）2021/9/2337如小型混凝土搅拌机的滾筒转速较低，如果搅拌机采如小型混凝土搅拌机的滾筒转速较低，如果搅拌机采用电动机驱动，电动机转速较高，需要将电动机的转用电动机驱动，电动机转速较高，需要将电动机的转速降低到与滾筒的转速相匹配。试解决该问题。速降低到与滾筒的转速相匹配。试解决该问题。该例中设计需要解决的问题是如何实现减速。根据经该例中设计需要解决的问题是如何实现减速。根据经验及已有的研究成果可知，减速器就是该问题的解，验及已有的研究成果可知，减速器就是该问题的解，设计人员可以借助手册或机械设计教材完成减速器的设计人员可以借助手册或机械设计教材完成减速器的设计，也可向有关减速器生产企业直接定购与该设计设计，也可向有关减速器生产企业直接定购与该设计相匹配的产品。相匹配的产品。该例所示问题求解过程的每一步都是已知的，问题本该例所示问题求解过程的每一步都是已知的，问题本身是常规问题，设计也属于常规设计。身是常规问题，设计也属于常规设计。2021/9/2338(2)2级级通通过过解解决决一一个个技技术术冲冲突突对对已已有有系系统统进进行行少量的改进。少量的改进。采用行业中已有的方法即可完成。采用行业中已有的方法即可完成。解决该类问题的传统方法是折衷法。解决该类问题的传统方法是折衷法。大约有大约有45%的解属于该范围。的解属于该范围。如如Boeing737飞机发动机罩的改进。飞机发动机罩的改进。2021/9/2339(3)3级级对已有系统有根本性的改进。对已有系统有根本性的改进。要采用本行业以外已有的方法解决，设要采用本行业以外已有的方法解决，设计过程中要解决冲突。计过程中要解决冲突。大约有大约有18%的解属于该范围。的解属于该范围。如计算机鼠标，山地自行车。如计算机鼠标，山地自行车。2021/9/2340(4)4级级采用全新的原理完成已有系统基本功能的新解。采用全新的原理完成已有系统基本功能的新解。解的发现主要是从科学的角度而不是从工程的角解的发现主要是从科学的角度而不是从工程的角度出发。度出发。大约有大约有4%的解属于该类。的解属于该类。如内燃机，集成电路，个人计算机，充气轮胎，如内燃机，集成电路，个人计算机，充气轮胎，虚拟现实。虚拟现实。2021/9/2341如飞行汽车：世界各大城市，特别是亚洲某些如飞行汽车：世界各大城市，特别是亚洲某些国家的大城市，交通拥挤是常见的问题，需要国家的大城市，交通拥挤是常见的问题，需要一种能在公路上起飞的汽车，以躲过塞车带。一种能在公路上起飞的汽车，以躲过塞车带。莫勒正在开发飞行汽车莫勒正在开发飞行汽车M400，该型号汽车能，该型号汽车能垂直起降，能运载垂直起降，能运载4名乘客，时速达名乘客，时速达500公里，公里，爬高爬高10000米，使用普通的汽油。米，使用普通的汽油。该产品在世界首次开发，设计制造过程中要遇该产品在世界首次开发，设计制造过程中要遇到很多世界上从未解决的问题。到很多世界上从未解决的问题。2021/9/2342(5)5级级罕见的科学原理导致一种新系统的发明。罕见的科学原理导致一种新系统的发明。大约有大约有1%属于该类。属于该类。如飞机，计算机，形状记忆合金，蒸汽机。如飞机，计算机，形状记忆合金，蒸汽机。2021/9/2343解解的的级级别别越越高高，获获得得该该解解所所需需知知识识越越多多，知知识识所所处处的领域越宽，搜索有用知识的时间就越长。的领域越宽，搜索有用知识的时间就越长。2021/9/2344产产品品设设计计中中所所遇遇到到的的绝绝大大多多数数问问题题或或相相似似问问题题已已被前人在其它地方或领域解决了。被前人在其它地方或领域解决了。假假如如设设计计人人员员能能按按正正确确路路径径，从从低低级级开开始始，依依据据自自身身的的知知识识与与经经验验，向向高高级级方方向向努努力力，可可从从本本企企业业、本本行行业业及及其其它它行行业业已已存存在在的的知知识识与与经经验验中中获获得得大大量量的的解解，有有意意识识地地去去发发现现这这些些解解，将将节节省省大大量时间，降低产品开发成本。量时间，降低产品开发成本。2021/9/2345例例1为为压压缩缩空空气气的的储储气气罐罐设设计计一一新新型型防防护护罩罩。目目前前的防护罩是金属制成的，成本高。的防护罩是金属制成的，成本高。新新罩罩在在满满足足安安全全性性要要求求的的前前提提下下，要要降降低低成成本本。1级级2021/9/2346例例2波波音音公公司司改改进进737的的设设计计时时，需需要要将将发发动动机机改改为功率更大的发动机。为功率更大的发动机。发发动动机机功功率率越越大大，工工作作时时需需要要的的空空气气越越多多，发发动动机机罩罩的的直直径径相相应应要要增增大大。发发动动机机罩罩增增大大，机机置置离离地地面面的的距距离离就就会会减减小小，而而距距离离的的减减小小是不允许的。是不允许的。增增加加发发动动机机功功率率产产生生了了技技术术冲冲突突，要要求求解解决决该问题。该问题。2级级2021/9/23472021/9/23482021/9/2349例例3 自行车链条必须做环行运动，又必须有自行车链条必须做环行运动，又必须有足够的刚度以传递来自脚蹬的力。足够的刚度以传递来自脚蹬的力。3级级例例4制制造造金金刚刚石石刀刀具具时时，不不希希望望金金刚刚石石内内部部有有微微小小裂裂纹。纹。需需设设计计一一种种设设备备，将将大大块块金金刚刚石石沿沿已已存存在在的的微微小小裂纹的方向将其分解为小块。裂纹的方向将其分解为小块。4级级2021/9/2350半主动悬架半主动悬架例例5 Karnopp于于20世世纪纪70年年代代提提出出汽汽车车半半主主动动悬悬架架的的概概念念。该该悬悬架架主主要要由由弹弹簧簧及及可可控控减减振振器器组组成成，可可控控减减振振器器按某种控制律输出控制力。按某种控制律输出控制力。与与传传统统的的被被动动悬悬架架相相比比，该该类类悬悬架架可可以以提提高高汽汽车车的的乘乘坐坐舒舒适适性性、操操纵纵稳稳定定性性、减减少少车轮动载。车轮动载。2021/9/2351经过近经过近30年的努力，基于该原理的半主年的努力，基于该原理的半主动悬架已成功用于高档商品轿车、赛车、动悬架已成功用于高档商品轿车、赛车、重要的载重汽车之中。重要的载重汽车之中。该原理属于该原理属于5级，它的提出对汽车工业级，它的提出对汽车工业的发展起了重要的作用。的发展起了重要的作用。2021/9/2352