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1、第四章 功能原理创新(chungxn)设计第一页，共56页。4.1 功能原理(yunl)设计的意义4.2 工艺(gngy)功能设计方法4.3 综合(zngh)技术功能设计方法4.4 功能组合方法4.5 设计目录方法第四章 功能原理创新设计4.6 发明问题解决理论(TRIZ）4.7 公理化设计方法第二页，共56页。n如何产生的？如何产生的？n基本原理是什么？基本原理是什么？n基本方法如何？基本方法如何？n怎样分类？怎样分类？n技术冲突技术冲突(chngt)的的40条发明原理条发明原理4.6 发明问题解决(jiju)理论(TRIZ）第三页，共56页。如何产生的？如何产生的？前前 苏苏 联联 学学
2、者者 阿阿 利利 特特 舒舒 列列 尔尔（G.S.Altshuler）及及其其领领导导的的一一批批研研究究人人员员，从从1946年年开开始始，花花费费1500人人年年，在在分分析析研研究究世世界界各各国国250万万件件专专利利的的基基础础上上，提提出出了了“发发明明问问题题解解决决理理论论(lln)”。该该理理论论(lln)一一直直对对其其他他国国家家保保密密，直直到到前前苏苏联联解解体体后后，随随着着一一批批原原苏苏联联科科学学家家移移居居国国外外，将将该该理理论论(lln)介介绍绍给给其其他他国国家家，对对全全世世界界的的创创新新设设计领域产生重要影响。计领域产生重要影响。4.6 发明问题
3、解决(jiju)理论(TRIZ）CIA中央(zhngyng)情报局 PK克格勃第四页，共56页。发明问题解决(jiju)理论 基本原理是什么？基本原理是什么？“发发明明问问题题解解决决理理论论”认认为为技技术术系系统统是是不不断断进进化化的的，进进化化的的动动力力是是解解决决冲冲突突。“发发明明问问题题解解决决理理论论”提提出出(t ch)消消除除冲冲突突的的发发明明原原理理，建建立立消消除除冲冲突突的的基基于于知知识识的的逻逻辑辑方方法法。劝劝架架折中折中第五页，共56页。发明问题(wnt)解决理论基本方法如何？基本方法如何？应应用用“发发明明问问题题解解决决理理论论”解解决决设设计计问问题
4、题时时，需需要要首首先先将将待待设设计计的的问问题题表表达达（翻翻译译）为为“发发明明问问题题解解决决理理论论”的的标标准准问问题题，利利用用该该理理论论所所提提供供的的工工具具(gngj)，可可求求得得标标准准解解，将将标标准准解解表表达达（翻翻译译）为为问问题题领领域域的的解解答答，得得到到领领域域解解，可可以以得得到到关关于于消消除除技术冲突的有益提示。技术冲突的有益提示。第六页，共56页。发明问题(wnt)解决理论怎样分类？怎样分类？“发明问题解决理论发明问题解决理论”将工程中的将工程中的冲突冲突(chngt)分为两类，一类称为技分为两类，一类称为技术冲突术冲突(chngt)，另一类称
5、为物理冲，另一类称为物理冲突突(chngt)。技术冲突技术冲突(chngt)指在一个子系指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。子系统中引入有害功能。物理冲突物理冲突(chngt)指对同一个子指对同一个子系统提出相反的要求。系统提出相反的要求。第七页，共56页。发明(fmng)问题解决理论 为表示技术冲突,该理论总结了常用的39个工程参数(cnsh)：通用工程参数(cnsh)名称 七类序号名称序号名称序号名称1运运动动物体的重量物体的重量14强强度度27可靠性可靠性2静止物体的重量静止物体的重量15运运动动物体作用物体作用时间时间28测
6、试测试精度精度3运运动动物体的物体的长长度度16静止物体作用静止物体作用时间时间29制造精度制造精度4静止物体的静止物体的长长度度17温度温度30物体外部有害因素作用的敏感性物体外部有害因素作用的敏感性5运运动动物体的面物体的面积积18光照度光照度31物体物体产产生的有害因素生的有害因素6静止物体的面静止物体的面积积19运运动动物体的能量物体的能量32可制造性可制造性7运运动动物体的体物体的体积积20静止物体的能量静止物体的能量33可操作性可操作性8静止物体的体静止物体的体积积21功率功率34可可维维修性修性9速度速度22能量能量损损失失35适适应应性或多用性性或多用性10力力23物物质损质损
7、失失36装置的复装置的复杂杂性性11应应力或力或压压力力24信息信息损损失失37监监控与控与测试测试的困的困难难程度程度12形状形状25时间损时间损失失38自自动动化程度化程度13结结构的构的稳稳定性定性26物物质质或事物的数量或事物的数量39生生产产率率第八页，共56页。发明问题解决(jiju)理论 并总结了常用来解决技术冲突的40条发明(fmng)原理：发明(fmng)原理序号名称序号名称序号名称序号名称1分割11预补偿21紧急行动31多孔材料2分离12等势性22变有害为有益、32改变颜色3局部质量13反向23反馈33同质性4不对称14曲面化24中介物34抛弃与修复5合并15动态化25自服
8、务35参数变化6多用性16未达到或超过26复制36状态变化7套装17维数变化27低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体37热膨胀8质量补偿18振动28机械系统的替代38加速强氧化9预加反作用19周期性作用29启动与液压结构39惰性环境10预操作20有效作用的连续性30柔性壳体或薄膜40复合材料第九页，共56页。原理1：分割断开独立把一个整体或有联系的事物强行(qingxng)分开 n将一个物体分割成几个独立的部分n 电冰箱冷冻箱+冷藏箱n 货运汽车动力（机车）+装载（拖车）n将一个物体分割成几个容易组装和拆卸的部分n 结构设计构件(gujin)多个独立的零件分别制造n提高物体的可分性n 刀具
9、可拆卸结构刀头+刀杆第十页，共56页。原理2：分离隔开 从混合物中隔离出来 与其他部分或整体(zhngt)、主体分开n将一个物体中的有害部分与整体分离n 家用空调主机+散热器（噪音大移往室外(sh wi)）n将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离n 激光复印机成像功能分离独立功能n 成像功能+扫描仪=复印机n 成像功能+计算机=打印机n 成像功能+通信功能=传真机n打印+复印+扫描+传真一体机第十一页，共56页。原理3：局部(jb)质量区别对待n零件由均匀结构改为非均匀结构n n 局部发挥最佳效能n零件不同部位热处理(chl)方式不同n n 齿轮齿面的表面处理(chl)。面硬心软n 第十二
10、页，共56页。原理4：不对称增加(zngji)范围n机械零件多为对称设计更简单n但是可以采用不对称结构选择范围(fnwi)扩大n轮毂设计的非对称结构n定位n 第十三页，共56页。原理5：合并(hbng)组合n将空间上相同或者相近的物体合并在一起n n 收音机+录音机=收录机n n 多功能手机=电话功能+短信+收音机+n将时间上相关的物体合并n n 铅笔(qinb)+橡皮便于携带n n 制冷+加热夏天制冷冬天加热第十四页，共56页。原理(yunl)6：多用性提高性价比n多种功能集于一身n n 多用工具n n n多功能手机n 电话功能+短信+收音机+mp4+照相+GPS导航(dohng)+蓝牙+n
11、上网 一机多用第十五页，共56页。原理7：套装减小占用(zhn yn)空间n将某个物体放入另一个物体的空降内n n 地铁车门(chmn)嵌入式n n 建筑、装修布线墙内n 地暖地板下n n将第一个物体嵌入第二个物体内，将第二个物体嵌入第三个物体内n n 多层伸缩式天线 n 伸缩式钓鱼竿 n 多层油缸n 第十六页，共56页。原理8：质量(zhling)补偿减小质量(zhling)负载n使一个向上的力与向下的重力相平衡n n 氢气球悬挂广告牌嵌入式n n 电梯、立体车库滑轮起重负载(fzi)配重n n n 精密滑动导轨机械卸载导轨n 滚子分担导轨负载(fzi)导轨导向 n 第十七页，共56页。原理
12、8：质量(zhling)补偿减小质量(zhling)负载n通过物体与环境(hunjng)的作用为物体提供向上的作用力，以平衡重力作用n n 船水的浮力 n n 飞机机翼空气升力 n 第十八页，共56页。原理(yunl)9：预加反作用抵消有害作用n梁预加反载荷n n 机床导轨做成中部凸起(t q)延缓寿命n n 火车铁轨中凸加长寿命 n 第十九页，共56页。原理(yunl)10：预操作预防措施杜绝意外事件n螺栓预紧+放松措施n轴承(zhuchng)预紧n零件装配前的防腐处理n n 第二十页，共56页。原理11：预补偿事先防范(fngfn)提高可靠性n过载保护系统(xtng)n熔断器n安全离合器
13、第二十一页，共56页。原理(yunl)12：等势性减少能量消耗n车辆在平路上行走n零件在流水线中移位时尽量在一个平面上n鹤式起重机吊装物体时做水平直线(zhxin)移动n 第二十二页，共56页。原理(yunl)13：反向逆向思维n采用与通常动作方向相反(xingfn)的动作，达到相同的目的n 配对齿轮的材料不同一软一硬 n n 模具硬材料凸模软材料凹模n 结果软材料塑性对磨损补偿，延长模具寿命n使原来静止的物体运动，原来运动的静止，保持两个物体间原有的相对运动关系n 车床刀具固定工件运动n 改变工件固定刀具运动镗床或铣床 第二十三页，共56页。原理(yunl)14：曲面化圆弧与旋转n用曲线(q
14、xin)代替直线，用曲面代替平面，用球代替立方体n 倒角、圆角减少应力集中n 拱形梁提高强度n 等强度梁特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等n用回转运动取代直线运动n 机械设计旋转运动 更简单n 旋转运动产生的离心力特殊作用n 洗衣机甩干n 离心铸造减少铸件外表面缺陷 第二十四页，共56页。原理(yunl)15：动态化灵活性n使物体各个部分之间、动作之间自动调节，实现最佳工作状态n 形状记忆弹簧随温度变化伸缩开闭(ki b)温室天窗n 柴油机调速器n 像超越离合器n将物体分解为既互相连接n，又可以相对运动的多个部分n 凸缘联轴器刚性连接，要求精度高n 万向节联轴器适应两轴角度误差n 十字滑块联轴器
15、适应两轴径向误差用垫片调节(tioji)轴向间隙第二十五页，共56页。原理16：未达到(d do)或超过放宽问题简化n齿轮设计齿宽一宽一窄解决齿宽装配、加工及累计误差造成(zo chn)的错位n公差不是理想的100%n 第二十六页，共56页。原理17：维数变化(binhu)多维增加n将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动n 计算机储存方式纸带（一维）磁盘/光盘（二维）n 将来三维存储技术飞跃n将单层排列的物体变为多层排列n 光盘库多层叠放光盘方便抓取n 立体车库增加存储量n利用(lyng)给定表面的反面n 磁盘由单面双面第二十七页，共56页。原理(yunl)18：振动n使物体处于振动状态
16、增加振动频率共振n电磁振动或压电振动替代机械振动n 刀具振动切削工艺n 电动剃须刀、电动雕刻刀、振动式电动剪刀n振动上料机均匀(jnyn)定向上料（移动物体）n 筛子筛物料n 电子表石英振荡器更准确第二十八页，共56页。原理(yunl)19：周期性作用周而复始n用周期性动作(dngzu)代替连续动作(dngzu)；已有的改变动作(dngzu)频率n 过盈装配压入法周期性敲击法n 内燃机活塞等周期性工作n 自动装配线上传送带（链）n 周期性装配操作第二十九页，共56页。原理(yunl)20：有效作用连续性提高效率n系统连续性工作(gngzu)所有部件满负荷n 消除动作过程中的间隙连续旋转代替往复
17、直线运动n 计算机打印机打印头连续往复打印n 内燃机爆发行程做功飞轮储能输出保证内燃机持续运动n 卡尔逊复印机平板上布静电+曝光+显影+定影n 现代复印机多个工作(gngzu)头围绕硒鼓复印可以循环进行n n 搓丝滚丝第三十页，共56页。原理(yunl)21：紧急行动减少有害作用时间n以最快速度完成有害操作n 激光焊接法加温时间短，影响范围(fnwi)小n 减少焊接变形n 热处理高频或中频电流加热零件表面第三十一页，共56页。原理(yunl)22：变有害为有益n机器报废零件方便拆卸n垃圾分离设备回收有用物质n高压(goy)容器灌口密封结构外侧消弱内侧加强第三十二页，共56页。原理23：反馈纠正
18、(jizhng)补偿n反馈系统有效纠正偏差(pinch)保证系统工作正常n自行车前轮转向把延长线在轮子与地面接触点前面n 向心力形成回位力矩第三十三页，共56页。原理24：中介物传递(chund)减缓n带（链条）机械传动的中介物长距离传动n复印机布墨粉玻璃球静电吸墨粉n 硒鼓强静电再吸布墨粉到硒鼓上形成墨粉图像n机器安装底座上的减震垫减少振动(zhndng)对环境的影响n大型风机减震问题第三十四页，共56页。原理25：自服务(fw)自我保护意识n自润滑轴承自身材料孔隙含润滑剂随温度应力变化渗出润滑省略了特别的润滑措施.nSF-1 通用型钢基无给油自润滑轴承1 无油润滑或少油润滑，可在使用时不保
19、养或少保养；2 耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长；3 有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上,提高轴承的承载能力；4 静动摩擦系数相近，从而保证机械的工作精度；5 能使机械减少振动，降低噪音，防止污染，改善劳动条件；6 在运转过程中能形成转移膜,起到保护对磨轴的作用；7 对于(duy)磨轴的硬度要求低，从而降低了相关零件的加工难度；8 薄壁结构，质量轻，可减小机械体积；9 钢背面可电镀多种金属,，可在腐蚀介质中使用；目前已广泛应用于各种机械的滑动部位。n铸铁润滑性第三十五页，共56页。原理(yunl)26：复制替代物n用简单、廉价的复制品代替复杂昂贵的物体n虚拟设计动态虚拟仿真虚拟装配
20、干涉检查虚拟应力分析n模拟训练虚拟现实(x n xin sh)n n仿生法（仿生学）人工心脏n 机器人n 机器动物第三十六页，共56页。原理27：低成本、不耐用的物体(wt)代替昂贵、耐用的物体(wt)低替代物n用再生材料木材、农作物茎秆代替木材做家具、建材n 用铁芯包铜代替铜导线n 用塑料模具(mj)代替金属模具(mj)n 钢塑材料代替铝合金等稀有金属材料n 用模型试验代替实物试验第三十七页，共56页。原理(yunl)28：机械系统的替代低替代物n用具有视觉、听觉、味觉或嗅觉(xiju)系统代替机械系统n 用光、声传感器代替机械（位置）传感器n 用电动机调速代替机械变速n 用声、光信号传递机
21、器运行第三十八页，共56页。原理29：气动(q dn)与液压结构n将物体的固态部分用气体或液体替代，利用气压、液压缓冲作用n 表面的润滑(rnhu)高压气体或液体隔开n表面流体静压润滑(rnhu)第三十九页，共56页。原理(yunl)30：柔性壳体或薄膜n用柔软壳体或薄膜替代传统结构n 建筑物或广场顶部柔软壳体（织物(zhw)）或薄膜材料施工方便结构轻巧安全n 机器内部柔软材料隔开成多箱n 各自润滑方案第四十页，共56页。原理(yunl)31：使用多孔材料n失重(sh zhng)铸造或烧结大量孔隙材料含油轴承、流体过滤器、轻质结构零件n 材料上打孔减重n 带孔结构第四十一页，共56页。原理32
22、：改变颜色传达(chund)信息n重要(zhngyo)信息醒目色n危险信息红色n 方便观察透明结构第四十二页，共56页。原理(yunl)33：同质性n相同材料接触不发生化学或电化学反应n 零件热膨胀系数相同温度变化不易错位n 生产备料方便(fngbin)报废时方便(fngbin)处理第四十三页，共56页。原理34：抛弃(poq)与修复减载n抛弃失去功能的部件，补充或修复损耗部分(b fen)n 火箭发射中，抛弃废料箱减轻负载第四十四页，共56页。原理35：参数(cnsh)变化参数(cnsh)控制n季节（温度）决定润滑油类型n电饭煲温控器锅底温度传感器改变铁磁粉性质开关电路n机床设计中，根据被加
23、工件确定(qudng)机床功率、速度n压电材料的逆电效应改变材料尺寸、形状、位置和方向系统的微位移控制第四十五页，共56页。原理36：状态变化(binhu)状态 控制n电冰箱温控器敏感材料状态温控器内部压力制冷温度n根据金属材料受温度影响热处理表面硬度(yngd)和强度n形状记忆合金温度金相组织变化形状n热导管工作介质汽化热传导传到效率提高第四十六页，共56页。原理(yunl)37：热膨胀空间变化n过盈装配热膨胀n温度控制开关两片热膨胀系数不同材料贴合n防止热膨胀铁轨接头处无缝线路轨道n无缝线路轨道安装时有一个安装温度要求(yoqi)，以达到伸缩量平均。无缝线路轨道通过扣件扣紧在混凝土轨枕上，
24、抑制钢轨的伸缩。无缝线路并不是全线都连在一起，根据等级，每隔数千米有断开的一个伸缩段，每到季节变化，铁路养路工人会挑选一个适合温度的时间，松开钢轨扣件，让无缝钢轨自由伸缩，再扣紧，恢复铁路运行。第四十七页，共56页。原理38：加速强氧化环境(hunjng)变化n氧化级别改变空气纯氧离子化氧气、臭氧(chuyng)环境n需要氧气的环境有害气体场所、抢救病人加速化学反应第四十八页，共56页。原理39：惰性环境(hunjng)特定环境(hunjng)n灯泡制造防氧化惰性气体(duxng q t)环境n食品防腐包装中惰性气体(duxng q t)真空n电冰箱保鲜低温+真空n干燥的惰性气体(duxng
25、q t)防止汽雾产生第四十九页，共56页。原理(yunl)40：复合材料多选性n零件不同部位功能不同特性不同n带承受拉力强度在带轮中弯曲弹性弯曲应力小带与轮摩擦耐磨性n V型带多种复合材料n 芯部纤维或细钢丝抗拉强度高n 主体(zht)橡胶弹性好n 表层帆布耐磨性好第五十页，共56页。发明问题(wnt)解决理论 将发明原理与技术冲突(chngt)的对应关系编制成冲突(chngt)问题解决矩阵专用软件查找第五十一页，共56页。发明问题解决(jiju)理论为解决物理冲突，该理论总结(zngji)了24个常见物理冲突问题：常见的物理冲突几何类材料及能量类功能类长与短多与少喷射与卡住对称与不对称密度遇
26、大小推与拉平行与交叉导热率高与低冷与热后与薄温度高与低快与慢圆与非圆时间长与短运动与静止锋利与钝 黏度高与低强与弱窄与宽功率大与小软与硬平行与垂直摩擦系数大与小成本高与低第五十二页，共56页。发明问题(wnt)解决理论该理论总结了用以 解决物理冲突的11种方法：1.冲突特征的空间分离。2.冲突特征的时间分离。3.将不同系统或元件与超系统相连。4.将系统改为反系统，或将系统与反系统相结合。5.系统作为(zuwi)一个整体具有特征B，其子系统具有特征-B。6.微观操作为(zuwi)核心的系统。7.系统中一部分物质的状态交替变化。8.由于工作条件变化使系统从一种状态向另一种状态过渡。9.利用状态变化
27、所伴随的现象。10.用两相物质代替单相物质。11.通过物理作用及化学反应使物质从一种状态过渡到另一种状态。第五十三页，共56页。发明(fmng)问题解决理论发明问题解决理论的研究在总结各种解决物理冲突的方法的基础上，提出了解决物理冲突的分离原理，它包括:1.冲突双方的空间分离2.冲突双方的时间分离3.基于条件的分离4.整体与部分的分离通过(tnggu)将相互的冲突双方分离，可以有效地降低解决冲突的难度。第五十四页，共56页。发明问题解决(jiju)理论解决物理冲突的分离原理和解决技术冲突的发明原理之间存在(cnzi)联系，对于每一条分离原理，有多条发明原理与之对应。发明原理与分离原理的对应关系分离原理发明原理空间分离1，2，3，4，7，13，17，24，26，30时间分离9，10，11，15，16，18，19，20，21，29，34，37基于条件的分离1，5，6，7，8，13，14，22，23，25，27，33，35整体与部分分离12，28，31，32，35，36，38，39，40第五十五页，共56页。发明问题解决(jiju)理论 物理冲突牵涉的对象较少，通常解决方法较简单(jindn)。各个击破 同样的工程问题通常既可以表达为技术冲突，也可以表达为物理冲突。第五十六页，共56页。