功能原理创新设计PPT课件

1、第三章 功能原理创新设计 基本原理是什么？基本原理是什么？ 基本方法如何？基本方法如何？ 怎样分类？怎样分类？ 技术冲突的4040条发明原理 如何产生的？ 前苏联学者前苏联学者 阿利特舒列尔（阿利特舒列尔（G.S.AltshulerG.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，从）及其领导的一批研究人员，从 19461946年开始，花费年开始，花费15001500人人年，在分析研究世界各国年，在分析研究世界各国250250万件专利的基础上，提出万件专利的基础上，提出 了了“发明问题解决理论发明问题解决理论”。该理论一直对其他国家保密，直到前苏联解体后，。该理论一直对其他国家保密，直到前苏

2、联解体后， 随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新 设计领域产生重要影响。设计领域产生重要影响。 发明问题解决理论(TRIZ） CIA 中央情报局 PK 克格勃 发明问题解决理论发明问题解决理论 基本原理是什么？基本原理是什么？ “发明问题解决理论”认为技术系统是不断进 化的，进化的动力是解决冲突。“发明问题解决理论”提出 消除冲突的发明原理，建立消除冲突的基于知识的逻 辑方法。劝架折中 发明问题解决理论发明问题解决理论 基本方法如何？基本方法如何？ 应用“发明问题解决理论”解决设计问题时，需 要

3、首先将待设计的问题表达（翻译）为“发明问题解决 理论”的标准问题标准问题，利用该理论所提供的工具，可求 得标准解标准解，将标准解表达（翻译）为问题领域的解答， 得到领域解，可以得到关于消除技术冲突的有益提示。 发明问题解决理论发明问题解决理论 怎样分类？怎样分类？ “发明问题解决理论”将工程中的冲突分为两类， 一类称为技术冲突，另一类称为物理冲突。 技术冲突指在一个子系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。 物理冲突指对同一个子系统提出相反的要求。 该理论总结了常用的3939个工程参数： 通用工程参数名称 七类 序号名称 序 号 名称 序 号 名称 1运动物体的重量运动物体的

4、重量14强度强度27可靠性可靠性 2静止物体的重量静止物体的重量15运动物体作用时间运动物体作用时间28测试精度测试精度 3运动物体的长度运动物体的长度16静止物体作用时间静止物体作用时间29制造精度制造精度 4静止物体的长度静止物体的长度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运动物体的面积运动物体的面积18光照度光照度31物体产生的有害因素物体产生的有害因素 6静止物体的面积静止物体的面积19运动物体的能量运动物体的能量32可制造性可制造性 7运动物体的体积运动物体的体积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静止物体的体积静止物体的体积

5、21功率功率34可维修性可维修性 9速度速度22能量损失能量损失35适应性或多用性适应性或多用性 10力力23物质损失物质损失36装置的复杂性装置的复杂性 11应力或压力应力或压力24信息损失信息损失37监控与测试的困难程度监控与测试的困难程度 12形状形状25时间损失时间损失38自动化程度自动化程度 13结构的稳定性结构的稳定性26物质或事物的数量物质或事物的数量39生产率生产率 并总结了常用来解决技术冲突的4040条发明原理： 发明原理 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3

6、3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 原理原理1：分割：分割断开断开独立独立 把一个整体或有联系的事物强行分开把一个整体或有联系的事物强行分开 将一个物体分割成几个独立的部分 电冰箱冷冻箱+冷藏箱 货运汽车动力（机车）+装载（拖车） 将一个物体分割

7、成几个容易组装和拆卸的部分 结构设计构件多个独立的零件分别制造 提高物体的可分性 刀具可拆卸结构刀头+刀杆 原理原理2：分离：分离隔开隔开 从混合物中隔离出来从混合物中隔离出来 与其他部分或整体、主体分开与其他部分或整体、主体分开 将一个物体中的有害部分与整体分离 家用空调主机+散热器（噪音大移往室外） 将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离 激光复印机成像功能分离独立功能 成像功能+扫描仪=复印机 成像功能+计算机=打印机 成像功能+通信功能=传真机 打印+复印+扫描+传真一体机 原理原理3：局部质量：局部质量区别对待区别对待 零件由均匀结构改为非均匀结构 局部发挥最佳效能 零件不同部位

8、热处理方式不同 齿轮齿面的表面处理。面硬心软 原理原理4：不对称：不对称增加范围增加范围 机械零件多为对称设计更简单 但是可以采用不对称结构选择范围扩大 轮毂设计的非对称结构 定位 原理原理5：合并：合并组合组合 将空间上相同或者相近的物体合并在一起 收音机+录音机=收录机 多功能手机=电话功能+短信+收音机+ 将时间上相关的物体合并 铅笔+橡皮便于携带 制冷+加热夏天制冷冬天加热 原理原理6：多用性：多用性提高提高性价比性价比 多种功能集于一身 多用工具 多功能手机 电话功能+短信+收音机+mp4+照相+GPS导航+蓝牙+ 上网 一机多用 原理原理7：套装：套装减小减小占用空间占用空间 将某

9、个物体放入另一个物体的空降内 地铁车门嵌入式 建筑、装修布线墙内 地暖地板下 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 多层伸缩式天线 伸缩式钓鱼竿 多层油缸 原理原理8：质量补偿：质量补偿减小减小质量负载质量负载 使一个向上的力与向下的重力相平衡 氢气球悬挂广告牌嵌入式 电梯、立体车库滑轮起重负载配重 精密滑动导轨机械卸载导轨 滚子分担导轨负载导轨导向 原理原理8：质量补偿：质量补偿减小减小质量负载质量负载 通过物体与环境的作用为物体提供向上的作用力，以平衡重力作用 船水的浮力 飞机机翼空气升力 原理原理9：预加反作用：预加反作用抵消抵消有害作用有害作用 梁预加反载荷 机床

10、导轨做成中部凸起 延缓寿命 火车铁轨中凸加长寿命 原理原理10：预操作：预操作预防措施预防措施杜绝意外事件杜绝意外事件 螺栓预紧+放松措施 轴承预紧 零件装配前的防腐处理 原理原理11：预补偿：预补偿事先防范事先防范提高可靠性提高可靠性 过载保护系统 熔断器 安全离合器 原理原理12：等势性：等势性减少能量消耗减少能量消耗 车辆在平路上行走 零件在流水线中移位时尽量在一个平面上 鹤式起重机吊装物体时做水平直线移动 原理原理13：反向：反向逆向思维逆向思维 采用与通常动作方向相反的动作，达到相同的目的 配对齿轮的材料不同一软一硬一软一硬 模具硬硬材料凸模软软材料凹模 结果软材料塑性塑性对磨损补偿

11、，延长模具寿命 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 车床刀具固定工件运动 改变工件固定刀具运 动镗床或铣床镗床或铣床 原理原理14：曲面化：曲面化圆弧与旋转圆弧与旋转 用曲线代替直线，用曲面代替平面，用球代替立方体 倒角、圆角减少应力集中 拱形梁提高强度 等强度梁特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等 用回转运动取代直线运动 机械设计旋转运动旋转运动 更简单 旋转运动产生的离心力离心力特殊作用特殊作用 洗衣机甩干甩干 离心铸造离心铸造减少铸件外表面缺陷 原理原理15：动态化：动态化灵活性灵活性 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 形状记忆

12、弹簧随温度变化伸缩 开闭温室天窗 柴油机调速器 像超越离合器 将物体分解为既互相连接 ，又可以相对运动的多个部分 凸缘联轴器刚性连接，要求精度高 万向节联轴器适应两轴角度误差 十字滑块联轴器适应两轴径向误差 用垫片调节轴向间 隙 原理原理16：未达到或超过：未达到或超过放宽放宽问题简化问题简化 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的错 位 公差不是理想的100% 原理原理17：维数变化：维数变化多维多维增加增加 将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动 计算机储存方式纸带（一维）磁盘/光盘（二维） 将来三维存储技术飞跃 将单层排列的物体变为多层排列 光盘库多层叠放光盘方便抓

13、取 立体车库增加存储量 利用给定表面的反面 磁盘由单面双面 原理原理18：振动：振动 使物体处于振动状态增加振动频率共振 电磁振动或压电振动替代机械振动 刀具振动切削工艺 电动剃须刀、电动雕刻刀、振动式电动剪刀 振动上料机均匀定向上料（移动物体） 筛子筛物料 电子表石英振荡器更准确 原理原理19：周期性作用：周期性作用周而复始周而复始 用周期性动作代替连续动作；已有 的改变动作频率 过盈装配压入法周期性 敲击法 内燃机活塞等周期性工作 自动装配线上传送带（链） 周期性装配操作 原理原理20：有效作用连续性：有效作用连续性提高效率提高效率 系统连续性工作所有部件满负荷 消除动作过程中的间隙连续旋

14、转代替往复直线运动 计算机打印机打印头连续往复打印 内燃机爆发行程做功飞轮储能输出保证内燃机 持续运动 卡尔逊复印机平板上布静电+曝光+显影+定影 现代复印机多个工作头围绕硒鼓复印可以循环进行 搓丝滚丝 原理原理21：紧急行动：紧急行动减少有害作用时间减少有害作用时间 以最快速度完成有害操作 激光焊接法加温时间短，影响范围小 减少焊接变形 热处理高频或中频电流加热零件表面 原理原理22：变有害为有益：变有害为有益 机器报废零件方便拆卸 垃圾分离设备回收有用物质 高压容器灌口密封结构外侧消弱内侧加强 原理原理23：反馈：反馈纠正纠正 补偿补偿 反馈系统有效纠正偏差保证系统工作正常 自行车前轮转向

15、把延长线在轮子与地面接触点前面 向心力形成回位力矩 原理原理24：中介物：中介物传递传递 减缓减缓 带（链条）机械传动的中介物长距离传动 复印机布墨粉玻璃球静电吸墨粉 硒鼓强静电再吸布墨粉到硒鼓上形成墨粉图像 机器安装底座上的减震垫减少振动对环境的影响 大型风机减震问题 原理原理25：自服务：自服务自我保护意识自我保护意识 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. SF-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

16、；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。 铸铁润滑性 原理原理26：复制：复制替代物替代物 用简单、廉价的复制品代替复杂昂贵的物体 虚拟设计动态虚拟仿真虚拟装配干涉检查虚拟 应力分析 模拟训练虚拟现实 仿生法（仿生学）人工心脏 机器人 机器动物 原理原理27：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的：低

17、成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的 物体物体低替代物低替代物 用再生材料木材、农作物茎秆代替木材做家具、建材 用铁芯包铜代替铜导线 用塑料模具代替金属模具 钢塑材料代替铝合金等稀有金属材料 用模型试验代替实物试验 原理原理28：机械系统的替代：机械系统的替代替代物替代物 用具有视觉、听觉、味觉或嗅觉系统代替机械系统 用光、声传感器代替机械（位置）传感器 用电动机调速代替机械变速 用声、光信号传递机器运行 原理原理29：气动与液压结构：气动与液压结构 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 表面的润滑高压气体或液体隔开 表面流体静压润滑 原理原理30：柔性壳体或薄膜：柔性壳体或

18、薄膜 用柔软壳体或薄膜替代传统结构 建筑物或广场顶部柔软壳体（织物）或薄膜材料 施工方便结构轻巧安全 机器内部柔软材料隔开成多箱 各自润滑方案 原理原理31：使用多孔材料：使用多孔材料 失重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 材料上打孔减重 带孔结构 原理原理32：改变颜色：改变颜色传达信息传达信息 重要信息醒目色 危险信息红色 方便观察透明结构 原理原理33：同质性：同质性 相同材料接触不发生化学或电化学反应 零件热膨胀系数相同温度变化不易错位 生产备料方便报废时方便处理 原理原理34：抛弃与修复：抛弃与修复减载减载 抛弃失去功能的部件，补充或修复损耗部分 火箭发射中

19、，抛弃废料箱减轻负载 原理原理35：参数变化：参数变化参数参数 控制控制 季节（温度）决定润滑油类型 电饭煲温控器锅底温度传感器改变铁磁粉性质开关 电路 机床设计中，根据被加工件确定机床功率、速度 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 原理原理36：状态变化：状态变化状态状态 控制控制 电冰箱温控器敏感材料状态温控器内部压力制冷温度 根据金属材料受温度影响热处理表面硬度和强度 形状记忆合金温度金相组织变化形状 热导管工作介质汽化热传导传到效率提高 原理原理37：热膨胀：热膨胀空间变化空间变化 过盈装配热膨胀 温度控制开关两片热膨胀系数不同材料贴合 防止热膨胀铁轨接

20、头处无缝线路轨道 无缝线路轨道安装时有一个安装温度要求，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，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。 原理原理38：加速强氧化：加速强氧化环境变化环境变化 氧化级别改变空气纯氧离子化氧气、臭氧环境 需要氧气的环境有害气体场所、抢救病人加速化学反应 原理原理39：惰性环境：惰性环境特定环境特定环境 灯泡制造防氧化惰性气体环境 食品防腐包装中惰性气体真空 电冰箱保鲜低温+真空 干

21、燥的惰性气体防止汽雾产生 原理原理40：复合材料：复合材料多选性多选性 零件不同部位功能不同特性不同 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 V型带多种复合材料 芯部纤维或细钢丝抗拉强度高 主体橡胶弹性好 表层帆布耐磨性好 发明问题解决理论发明问题解决理论 为解决物理冲突，该理论总结了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

22、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.系统作为一个整体具有特征B，其子系统具有特征-B。 6.微观操作为核心的系统。 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。 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

23、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 通过将相互的冲突双方分离，可以有效地降低解决冲突的难度。 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 物理冲突牵涉的对象较少，通常解决方法较简单。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。 从发明问题解决理论的角度分析一下日本福岛核事故事件，除了已采用的方法还有什么 有效方法可以解决？ 原理原理1：分割：分割断开断开独立独立 把一个