TRIZ下的家用螺絲刀優(yōu)化設(shè)計
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摘要：針對家用螺絲刀的選擇和優(yōu)化問題，提出了一種基于triz理論的設(shè)計流程模型。通過產(chǎn)品分析和用戶需求分析找到貼合家用螺絲刀市場需求的產(chǎn)品類型，通過流程分析找到了原型產(chǎn)品主要存在的問題，并通過系統(tǒng)完備性法則和物場分析，找到解決方案。設(shè)計了一款能適應擰螺絲兩種狀態(tài)下不同需求的家用螺絲刀產(chǎn)品，提供更高的效率和舒適度。
關(guān)鍵詞：家用螺絲刀；TRIZ；物場分析；完備性法則
引言
螺絲刀是每個家庭生活中必備的維修工具，無論是家電維修，家具安裝甚至是玩具裝拆必不可少。目前市場上螺絲刀分為手動螺絲刀和電動螺絲刀，手動螺絲刀價格低廉，但操作費力且低效，用戶在使用過程中感到不舒服；而電動螺絲刀，對電源有依賴性，充電類在使用前需要充電；插電類不便于移動，電線會妨礙操作；且電動螺絲刀怕潮，怕摔。因此如何提高螺絲刀使用效率和舒適性，而不增加其使用限制成了一個亟需解決的問題。文中根據(jù)產(chǎn)品分析和用戶需求分析，選擇以手動螺絲刀進行優(yōu)化設(shè)計，通過流程分析發(fā)現(xiàn)問題，并通過系統(tǒng)完備性法則和物場分析尋找解決方案，設(shè)計了一款能適應擰螺絲兩種狀態(tài)不同需求的家用螺絲刀產(chǎn)品。為同類設(shè)計提供了一種簡便高效的創(chuàng)新設(shè)計思路。
一、TRIZ理論概述及基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程
（一）TRIZ理論概述TRIZ是發(fā)明問題解決理論，該理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家，教育家阿奇舒勒及其團隊通過大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來，解決各種矛盾的創(chuàng)新原理和法則[1]。TRIZ通過系統(tǒng)的思維方式，采用標準的思維工具，將特定的問題抽象成為標準的或一般的問題，然后采用標準的思維工具，最終得到有針對性的解[2]。其理論構(gòu)成包含8大技術(shù)系統(tǒng)進化法則、最終理想解、物-場模型及標準解、技術(shù)矛盾矩陣、物理矛盾和分離原理，技術(shù)進化模式和路線等[3-5]。
（二）TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程TRIZ理論是一種問題解決方法，不僅僅是對某個具體的領(lǐng)域進行研究，而是建立了解決問題的通用模型并指明了發(fā)展方向，目前也在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域被廣泛使用[6]。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程可整理為：尋找問題—分析問題并提出初步解決方案—方案細化（結(jié)構(gòu)，造型，材料等方面）—方案篩選與評價—完成設(shè)計。結(jié)合傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計流程和TRIZ創(chuàng)新理論創(chuàng)建產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程模型，如圖1所示。該流程遵循TRIZ理論解決工程問題的一般步驟，從產(chǎn)品分析入手，發(fā)現(xiàn)問題，問題分析尋求理想解，逐層深入[7]，直至產(chǎn)生可行的解決方案。其產(chǎn)品設(shè)計流程的目標性強，簡潔高效，規(guī)避了傳統(tǒng)設(shè)計方法的盲目性和無效性。
二、家用螺絲刀設(shè)計案例
（一）產(chǎn)品分析與用戶需求分析1.產(chǎn)品分析。通過對市場上現(xiàn)有的螺絲刀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，螺絲刀主要分為手動螺絲刀、充電式螺絲刀、插線式電動螺絲刀3種，不同類別的螺絲刀有著各自的優(yōu)缺點，具體總結(jié)如表1所示。2.用戶需求分析，通過網(wǎng)絡發(fā)放問卷，搜集家庭用戶的螺絲刀使用需求。根據(jù)82份問卷調(diào)研反饋，大部分家庭具有螺絲刀使用需求，但使用螺絲刀的頻次較低，82%的用戶表示只是偶爾使用，且超過60%的用戶心理可承受價格在50元以下，并且家庭使用場景往往是臨時發(fā)現(xiàn)有問題，突然的使用需求。綜合上述因素，手動螺絲刀更貼合家庭用戶真實使用場景，所以在調(diào)研的82份問卷中，有76人使用的是手動螺絲刀，比率高達92%。因此，針對家庭螺絲刀的設(shè)計更應該針對手動螺絲刀進行優(yōu)化。通過對手動螺絲刀的再調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有67%的用戶主要在轉(zhuǎn)動螺絲刀時產(chǎn)生不舒適。
（二）家用螺絲刀使用流程分析針對用戶使用手動螺絲刀的流程進行實地觀察和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)家用螺絲刀最普遍的使用方式是手輕握螺絲刀，手腕不動，手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，將螺絲旋入螺紋孔，如圖2所示。待螺絲刀轉(zhuǎn)不動時，手掌握緊螺絲刀，手腕轉(zhuǎn)動，擰緊螺絲，如圖3所示。通過流程分析發(fā)現(xiàn)，擰螺絲過程可分為兩個過程：前期不需要很大力度，但旋轉(zhuǎn)次數(shù)多，將螺絲快速旋入螺紋孔；后期則需要大的力度將螺絲緊固，防止松落。但現(xiàn)有產(chǎn)品只考慮了第二個過程，導致兩個問題：1.現(xiàn)有螺絲刀為了能擰緊螺釘，螺絲刀手柄尺寸貼合手掌且做了凸起橡膠的防滑設(shè)計，但在前期手指轉(zhuǎn)動工程中，手柄反而會在手中產(chǎn)生較大的摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率和手部舒適度。2.前期手指轉(zhuǎn)動的方式，接觸面積小，在快速轉(zhuǎn)動時，不能提供穩(wěn)定的支持力，無法穩(wěn)定刀身，導致刀頭偏離螺釘，降低使用效率。
（三）系統(tǒng)完備性法則分析在TRIZ理論中將產(chǎn)品視為一個完整的系統(tǒng)，各組件間相互關(guān)聯(lián)，以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為目標的集合體。為了實現(xiàn)產(chǎn)品功能，系統(tǒng)必須具備四個最基本的要素，即執(zhí)行裝置、傳動裝置、動力裝置和控制裝置[8]，各個組件之間存在物資，能量，信息和功能的關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)從外部能源獲取能量，將外部能源轉(zhuǎn)換為能量后傳遞給需要能量的部分，然后作用于對象，即“能源—動力裝置—傳動裝置—執(zhí)行裝置—產(chǎn)品”的工作路線，控制裝置通過改變系統(tǒng)中的能量流來協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)完備性法則的分析，可以幫助我們準確確定現(xiàn)有產(chǎn)品中的組件組裝是否構(gòu)成了完整的技術(shù)系統(tǒng)，并可以有效地實現(xiàn)功能，從而有助于我們更清晰地確定每個裝置（組件）的運行狀態(tài)[9]，找到出現(xiàn)問題的部件和原因。通過流程分析可知，問題主要出現(xiàn)在將螺絲快速旋入螺紋孔的過程，針對該過程進行完備性法則分析，尋找出現(xiàn)問題的部件?，F(xiàn)有螺絲刀以手柄為動力裝置，將使用者的生物能轉(zhuǎn)化為動能，通過傳動裝置（刀身）將動能，傳遞給執(zhí)行裝置（刀頭），并由控制裝置（手柄）進行調(diào)控，完成螺絲刀旋緊的目的，如圖3所示。通過系統(tǒng)完備性法則發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有螺絲刀是完整的系統(tǒng)，能實現(xiàn)功能，需要針對具體問題尋找相關(guān)部件，進行改進。針對問題1.手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，會使橡膠材質(zhì)手柄在手中摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率和舒適度。發(fā)現(xiàn)手指轉(zhuǎn)動螺絲刀，為動力裝置轉(zhuǎn)化外部能源的過程，橡膠在手中摩擦，影響轉(zhuǎn)動效率即動力轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生有害能源，說明現(xiàn)有動力裝置（手柄）轉(zhuǎn)化能源方式應該優(yōu)化。針對問題2.前期手指轉(zhuǎn)動的方式，接觸面積小，在快速轉(zhuǎn)動時，不能提供穩(wěn)定的支持力。手指轉(zhuǎn)動手柄為動力裝置轉(zhuǎn)化能源的過程，提供穩(wěn)定支持力，為控制系統(tǒng)的職能，說明這個過程中，動力裝置和控制裝置（手柄）需要優(yōu)化，如圖4。
（四）物場分析物場分析將問題看作由兩個物質(zhì)和一個場這樣三個元素所構(gòu)成的最小技術(shù)系統(tǒng)，通過分析技術(shù)系統(tǒng)各組成部分及各組成部分之間的相互關(guān)系，并通過物場模型的形式用圖形語言簡潔地展現(xiàn)系統(tǒng)中各種矛盾問題。理想的物場模型（充分有用的完整模型）是場Field（F），通過物質(zhì)2（S2）作用于物質(zhì)1（S1）并改變S1，其中，物質(zhì)（S1和S2）的定義取決于每個具體的應用，S1是系統(tǒng)動作的接受者，S2通過某種形式作用在S1上[10]。但現(xiàn)實中，還有四種非理想狀態(tài)的模型：①不完整模型，②有用但不充分作用的完整模型，③有用但過度作用的完整模型，④有害作用的完整模型[11]，對應共六種一般解法。針對系統(tǒng)中存在的問題1：剛開始擰螺絲刀時，如何消除手柄對手掌產(chǎn)生摩擦，進行物場分析。明確問題發(fā)生部位為S2手柄和S1使用者的手，場F1為力場，其中力場連接S2手柄和S1手，且手柄對手的摩擦屬于有害作用，構(gòu)建了有害作用的完整模型。對應的一般解法有兩種，如圖5所示：1.增添物質(zhì)3（S3），且物質(zhì)3為原始2種物質(zhì)之一的變體；2.增添另一個場（F2），用來調(diào)整引起有害結(jié)果的場，且要考量各類力場。針對系統(tǒng)中存在的問題2：剛開始擰螺絲刀時，如何消除手對螺絲刀產(chǎn)生不穩(wěn)定的力，進行物場分析。明確問題發(fā)生部位為S2使用者的手，S1為螺絲刀手柄，場F1為力場，其中力場連接S2手和S1手柄，且S2手對手柄產(chǎn)生了有害的力，影響轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定，同樣構(gòu)建了有害作用的完整模型。對應的一般解法有兩種：1.增添物質(zhì)3（S3），且物質(zhì)3為原始2種物質(zhì)之一的變體；2.增添另一個場（F2），用來調(diào)整引起有害結(jié)果的場，且要考量各類力場。
（五）方案設(shè)計結(jié)合流程分析，系統(tǒng)完備性法則分析和物場分析，對問題進行逐層解析，并針對問題共提出5解決方案，如表2所示。通過對比分析，考慮可實現(xiàn)性和用戶體驗感受，最終選擇了方案a和方案e進行結(jié)合設(shè)計，針對螺絲刀前期將螺絲快速旋入螺紋孔的過程，對螺絲刀的控制裝置和動力裝置手柄結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，將傳統(tǒng)螺絲刀手柄分為兩個部分，前端和后端，前端起到旋轉(zhuǎn)模塊的作用。在前期螺絲快速旋入螺紋孔階段，手柄前端（旋轉(zhuǎn)模塊）作為動力裝置，手指轉(zhuǎn)動手柄前端，帶動螺絲批頭旋轉(zhuǎn)，而手柄后端作為控制裝置不動，避免了手柄轉(zhuǎn)動對手掌產(chǎn)生摩擦，同時也可以通過把握手柄后端，為螺絲刀提供更加穩(wěn)定的支持力。在后期，需要緊固螺絲時通過轉(zhuǎn)動手柄，提供更大的力，帶動螺絲轉(zhuǎn)動，完成螺絲緊固。前期和后期兩種螺絲刀工作方式的切換，通過類似于圓珠筆的棘輪和彈簧結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，如圖6所示。前期螺絲快速旋入螺紋孔階段，在彈簧作用下，批頭套筒的尾部六棱柱未與后端手柄結(jié)合，中部六棱柱與手柄前端結(jié)合，以至于手柄前端轉(zhuǎn)動不影響手柄后端；在后期，通過向前按壓，通過手柄前端的棘輪銷孔和批頭套筒的棘輪銷鍵配合，使得六棱柱與后端手柄結(jié)合，轉(zhuǎn)動手柄后端能帶動批頭套筒轉(zhuǎn)動。
（六）方案細化結(jié)合人機尺寸和產(chǎn)品材料分析，對產(chǎn)品方案進行細化。1.人機尺寸設(shè)計螺絲刀的尺寸過大或者過小都將直接影響使用者的抓握，影響使用效率和舒適度。參考郭斯永[12]根據(jù)人機工程學設(shè)計準則總結(jié)出的人手尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)定了螺絲刀手柄的詳細尺寸，如圖7所示。其中，手柄長度范圍考慮第5百分位的女性（69mm）和第95百分位的男性（97mm）的掌骨處手掌寬度，結(jié)合手指轉(zhuǎn)動的操作距離，通用性的把手長度范圍為100—125mm，本設(shè)計手柄總長度設(shè)置為110mm，手柄前端長度為35mm。根據(jù)李艷[13]等人對手工具的研究，比較合適著力抓握的手柄直徑為30~40cm，比較合適精密抓握的手柄直徑為8~16cm，本設(shè)計手柄最大直徑為30mm，手柄前端最小直徑為16mm。2.材料分析螺絲刀的材料根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要可分為3部分：1.螺絲刀批頭和批頭套筒；2.手柄（前端和后端）；3.手柄防滑材料。其中螺絲刀的批頭有時需要用于加深螺帽刀口，批頭材料需要有較好的硬度，且螺絲刀有時用于撬東西，螺絲刀批頭和套筒需要有較好的韌性，在對比市場上常用材料后，綜合性能和價格，批頭和套筒選擇鉻釩鋼，在擁有良好的強度和硬度性能的同時，價格相對較低。螺絲刀的手柄材料選擇聚丙烯塑料為手柄主體，手柄防滑材料采用tpr（熱塑性彈性體）二次注塑。聚丙烯塑料具有高強度機械性能，有較強的支撐性，和耐腐蝕性，耐磨性，電絕緣性，能適應多種使用環(huán)境，且通過tpr二次注塑，手掌握住部分提供較大摩擦力，便于螺絲緊固，效果圖如圖8所示.
結(jié)論
文中構(gòu)建了基于TRIZ的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程模型。首先對家用螺絲刀進行產(chǎn)品分析和用戶需求調(diào)研，找到了貼合家用螺絲刀市場需求的產(chǎn)品類型，通過流程分析找到了現(xiàn)有產(chǎn)品主要存在的兩個問題，即在前期螺絲快速旋入螺紋孔的過程中，手柄對手掌產(chǎn)生摩擦，影響工作效率和舒適度；且在快速轉(zhuǎn)動過程中無法提供穩(wěn)定的支持力。運用系統(tǒng)完備性法則和物場分析，尋求可能的解，將傳統(tǒng)螺絲刀的手柄分為兩個部分，在前期螺絲快速旋入螺紋孔的過程中，通過手指旋轉(zhuǎn)手柄前端，帶動批頭套筒及螺絲刀批頭轉(zhuǎn)動。在后期緊固螺絲時，通過彈簧和棘輪結(jié)構(gòu)，將批頭套筒的六棱柱與手柄后端螺紋孔配合，通過轉(zhuǎn)動手柄，提供更大的力。最終通過計算機輔助建模完成設(shè)計方案的效果圖。對家用螺絲刀進行了優(yōu)化，并為同類型產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計流程提供了參考性解決方案。
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作者：房浩南 金信琴 張簡一 單位：哈爾濱理工大學機械動力工程學院