基于TRIZ 理論新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)的開發(fā)

馮金鶴 李小海 岳文斌 王曉霞 王新榮 曹務(wù)園

佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

概述

隨著科技信息等技術(shù)的迅速發(fā)展，電器產(chǎn)品日益增多，對電能的需求量迅速增加，并且“十二五”規(guī)劃提到的“堅(jiān)持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式”。洗衣機(jī)是家庭常用的一種耗電電器，開發(fā)節(jié)能環(huán)保洗衣機(jī)是一個(gè)緊迫任務(wù)。健身是一種體育項(xiàng)目，它可以增強(qiáng)力量和柔韌性，增加耐力，提高協(xié)調(diào)，控制身體各部分的能力，從而使身體強(qiáng)健，而健身器材在功能開發(fā)方面呈現(xiàn)出功能單一而且不易攜帶，很難家庭化。面對當(dāng)今的社會(huì)模式，大膽地將洗衣和健身結(jié)合起來，使得洗衣機(jī)在利用健身時(shí)的能量也能完成做家務(wù)的需要。本文提出的新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)能使人們在日常健身鍛煉的同時(shí)合理利用鍛煉時(shí)未被利用的能量，以人體能量作為能量來源，合理利用能量不依靠電能，在洗衣時(shí)，能夠達(dá)到健身的效果，在健身的同時(shí)完成洗衣，實(shí)現(xiàn)了健身與洗衣機(jī)的洗脫一體化，低碳環(huán)保，提高對時(shí)間的利用率，節(jié)約電能，節(jié)省空間。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前主流洗衣機(jī)的分類：波輪式洗衣機(jī)、滾筒式洗衣機(jī)和攪拌式洗衣機(jī)，在國內(nèi)波輪式洗衣機(jī)比其他兩款更為廣泛使用，這里對波輪式洗衣機(jī)進(jìn)行改造。根據(jù)上述所描述，該新型雙動(dòng)力洗衣機(jī)必須具備以下兩點(diǎn)：

（1）可由人力驅(qū)動(dòng)，健身與洗衣同時(shí)進(jìn)行，節(jié)能環(huán)保。

（2）當(dāng)有需要時(shí)可轉(zhuǎn)化為電力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)力傳動(dòng)，更加人性化。

實(shí)現(xiàn)新型洗衣機(jī)整體設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵是：在不改變洗衣機(jī)主要結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)什么樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)來連接自行車與洗衣機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，該機(jī)械結(jié)構(gòu)如何工作？

運(yùn)用創(chuàng)新工具--TRIZ 理論分析

運(yùn)用發(fā)明原理

問題描述 ：在不改變洗衣機(jī)主要結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)一款新型雙動(dòng)力洗衣機(jī)，由人力驅(qū)動(dòng)，使得健身與洗衣同時(shí)實(shí)現(xiàn)，洗衣機(jī)在由電力變?yōu)槿肆︱?qū)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)使得洗衣效率下降。

問題模型：動(dòng)力←→效率

查閱TRIZ 理論的40 個(gè)發(fā)明原理，一一進(jìn)行比較，最后綜合考慮，對所有解決方法進(jìn)行篩選，得到3、5、7 號(hào)發(fā)明原理更具有價(jià)值 。

得出解決方案模型：

03、局部質(zhì)量原理

05、組合原理

07、嵌套原理

原理03：局部質(zhì)量（使組成物體的不同部分完成不同功能）用機(jī)械控制箱連接自行車與洗衣機(jī)，同時(shí)完成健身與洗滌的不同功能

原理05：組合原理（把時(shí)間上相同或類似的操作聯(lián)合起來）由一個(gè)人驅(qū)動(dòng)，健身與洗衣同時(shí)進(jìn)行。

原理07 嵌套原理（使一個(gè)物體穿過另一個(gè)物體的空腔）將脫水桶嵌套在波輪內(nèi)，使得實(shí)現(xiàn)洗滌與脫水，增加洗衣效率。

系統(tǒng)分析與資源分析

完備性法則：一個(gè)完整的系統(tǒng)必須由四部分組成：動(dòng)力裝置、執(zhí)行裝置、傳動(dòng)裝置和控制裝置。在該新型雙動(dòng)力洗衣機(jī)中，各系統(tǒng)組成有：

動(dòng)力裝置-----人腳

執(zhí)行裝置-----波輪、滾筒

傳動(dòng)裝置-----鏈條

控制裝置-----人腦

功能分析：該新型洗衣機(jī)系統(tǒng)的組成部件有：健身自行車、機(jī)械控制箱、波輪、滾筒、洗衣機(jī)。

物-場分析

物場分析是TRIZ 理論中一種重要的問題描述和分析工具，用以建立與已存在的系統(tǒng)或新技術(shù)系統(tǒng)問題相聯(lián)系的功能模型，根據(jù)物場模型所描述的問題，來查找TRIZ理論相對應(yīng)的一般解法和標(biāo)準(zhǔn)解法，物場分析法將所有功能都看作是由二個(gè)物質(zhì)和一個(gè)場組成的。

傳統(tǒng)的洗衣機(jī)的物場模型由圖1 左圖所示，S1-------波輪、滾筒、S2------電機(jī)、F------機(jī)械場，該系統(tǒng)屬于物-場模型第一種類型-----有害效應(yīng)的完整模型，3 個(gè)元素齊全，但是，不能實(shí)現(xiàn)想要的功能，在實(shí)現(xiàn)洗滌的同時(shí)不能實(shí)現(xiàn)健身的目的。所以根據(jù)該新型健身洗衣機(jī)的預(yù)期功能，應(yīng)創(chuàng)立雙、多場系統(tǒng)或多重的場和物質(zhì)的系統(tǒng)，最簡單的進(jìn)化模式是：組合2 個(gè)或多個(gè)物質(zhì)S1 或S2，建立一個(gè)雙物質(zhì)或多物質(zhì)的物場模型，以此獲得增強(qiáng)系統(tǒng)功能和特性。新型洗衣機(jī)的應(yīng)用物-場分析的一般解法：加入一個(gè)機(jī)械控制箱（S3）來傳動(dòng)，連接洗衣機(jī)與自行車，來實(shí)現(xiàn)健身與洗衣同時(shí)進(jìn)行。建立物-場分析模型如圖1 所示。

確定最終方案

圖1 物-場分析模型

圖2 新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)路線圖

新型雙動(dòng)力洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)主要由自行車、機(jī)械控制箱、曲柄連桿、差速器、波輪、滾筒等幾部分組成。在使用時(shí)，首先由人力驅(qū)動(dòng)健身自行車運(yùn)動(dòng)，然后通過自行車的鏈傳動(dòng)將機(jī)械能傳遞給機(jī)械控制箱內(nèi)的輸入軸端，接著傳遞給差速器，當(dāng)需要洗滌時(shí)，差速器將動(dòng)力通過曲柄連桿、齒輪機(jī)構(gòu)傳遞給洗滌輸出軸，使得波輪正反轉(zhuǎn)，脫水桶不動(dòng)，從而達(dá)到洗滌的目的；當(dāng)需要脫水時(shí)，差速器將動(dòng)力通過齒輪、皮帶機(jī)構(gòu)傳遞給脫水輸出軸，使得脫水桶轉(zhuǎn)動(dòng)，而波輪不動(dòng)，從而達(dá)到脫水的目的。為了更加體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，當(dāng)需要改變?yōu)殡娏?dòng)力驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，只需將洗衣機(jī)滾筒的輸入軸端與其本身電動(dòng)機(jī)輸出軸相連接即可，最后使得洗衣機(jī)完成洗滌過程。

健身洗衣機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

技術(shù)路線設(shè)計(jì)

如圖2 所示，用pro/E、3DSMAX、AUTOCAD 等設(shè)計(jì)平臺(tái)，對產(chǎn)品進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)以及裝配仿真、運(yùn)動(dòng)仿真等全過程的設(shè)計(jì)，并對重要受力零部件進(jìn)行校核計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，對主要部件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與校核，對傳動(dòng)裝置的功率、傳動(dòng)比等進(jìn)行計(jì)算，并對重要部件進(jìn)行了受力的校核。

機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算

洗衣機(jī)的洗滌功率為0.2KW，脫水功率為0.135KW，為了使洗衣機(jī)正常工作，本設(shè)計(jì)傳動(dòng)部分的齒輪齒條均采用模數(shù)m=2，洗滌傳動(dòng)比i1=1/5，脫水傳動(dòng)比i2=1/10。初步確定的工作方案如圖3 上圖，圖3 下圖所示為新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖。

1-健身自行車 2-鏈傳動(dòng) 3-機(jī)械控制箱 4-波輪5-滾筒 6-健身洗衣機(jī)7-差速器 8-電機(jī) 9-鏈條 10-曲柄連桿 11-動(dòng)力輸入軸

新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)的工作過程

1）新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)可以在電力的驅(qū)動(dòng)下正常運(yùn)行。

2）當(dāng)在人力驅(qū)動(dòng)時(shí)，人健身蹬動(dòng)踏板，通過鏈條、萬向節(jié)傳動(dòng)，使差速器運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行洗滌需要控制差速器連接的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，直齒條等機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)力傳給洗滌機(jī)構(gòu)；而完成脫水則控制差速器使階梯齒輪傳動(dòng)，經(jīng)變速器驅(qū)動(dòng)脫水桶。

新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)整體設(shè)計(jì)

整體尺寸

圖3 健身洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)件圖與機(jī)械控制箱結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 三維立體圖

新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)高90cm，寬41cm，長120cm。為了便于存放，減小所占的空間，可以將自行車與機(jī)械控制箱隨意拆卸。

動(dòng)力部分尺寸

提供動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)采用普通自行車，其結(jié)構(gòu)尺寸均為人最舒適的尺寸。

新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)的整體裝配

如圖4 所示，利用PRO/E，3DSMAX 等軟件，對本設(shè)計(jì)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，新型雙動(dòng)力健身洗衣機(jī)可以順暢的運(yùn)動(dòng)。

結(jié)語

本文在創(chuàng)新方法TRIZ 理論的指導(dǎo)下，利用TRIZ 理論中的40 個(gè)發(fā)明原理、系統(tǒng)分析與資源分析和物-場分析等工具，將洗衣和健身結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一款新型雙動(dòng)力洗衣機(jī)總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，使得洗衣機(jī)在利用健身時(shí)的能量也能完成做家務(wù)的需要，從而也進(jìn)一步說明了TRIZ 理論是解決發(fā)明問題的一個(gè)利器。