第二届全国“TRIZ”杯大学生创新方法大赛作品

1、附件3序号： 编码： 第二届全国“TRIZ”杯大学生创新方法大赛作品申报书作品名称： 基于TRIZ理论的健身洗衣机结构设计 申报团队： 在路上 所在院校： 哈尔滨理工大学 类 别：R发明制作类论文创意类 2013年“TRIZ”杯大学生创新设计大赛组委会制说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据项目报名情况填写A表，根据作品类别（科技发明制作、自然科学类学术论文）分别填写B1、B2表，根据TRIZ理论掌握情况自愿填写B3表。所有申报者需详细填写C表。3表内项目填写时一律打印，要求申报者一律按原表复制。4序号、编码由2013年“TRIZ”杯大学

2、生创新设计大赛组委会填写。5所有科技发明制作必须撰写研究报告，并将研究报告打印在表F处，研究报告字数在2000字左右。6学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文，用小四号仿宋体字（正文）打印在A4纸上，附于申报书后，论文字数8000字以内，（文章版面尺寸：上下2.5cm，左右2.5cm）。7作品申报书须按要求由各学校统一报送。8所有参赛作品必须按规定时间报送。9报送地址：哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学11号楼2039办公室 邮 编： 电子版发送到：(邮件题目中注明学校)联系电话：4，（王），（齐）联 系 人：王茜、齐云鹤A团队基本情况团队名称 在路上所在院校哈尔滨理工大学

3、通信地址香坊区林园路4号创新方法导师王广越邮政编码性 别男出生年月1979年6月身份证职 称工程师联系电话联系人王广越E-mailQQ号码专业导师王广越邮政编码性 别男出生年月1979年6月身份证职 称工程师联系电话联系人王广越E-mailQQ号码团队成员姓 名性别年龄专业联系电话E-mail鲍国龙男23材料成型及控制工程邱晨男22金属材料刘谦男24金属材料耿海龙男22金属材料张立功男23材料成型及控制工程资格认定学籍负责部门意见是否为在2012年10月1日前正式注册的在校全日制非成人教育、非在职的各类学生（含专科生、本科生、研究生） 是 否若是，其学号是：负责人签名：部门盖章：年 月 日学校

4、负责部门意见本作品是否为课外非教学学术科技活动成果 是 否负责人签名：部门盖章： 年 月 日B1申报作品情况（科技发明制作）作品全称 基于TRIZ理论的健身洗衣机结构设计作品分类（ 科技发明制作类 ）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标当今社会，人们对环保的要求越来越高，提倡各种形式的节能减排，低碳经济的发展也越来越盛行。与此同时，在人们生活水平逐步提高的情况下，对健康的要求也越来越高，但普通的健身方式单调乏味，人们往往坚持不下来，此外，由于上班族工作时间繁忙，洗衣服占据较多时间，而且在停电的情况下洗衣机无法运行因此需要解决动力问题。在生活中,洗衣机的使用频率是相当的

5、高,其耗电量也很大,如果可以采用某种非能源外力来实现洗衣过程,比如可以合理的利用健身自行车、健身跑步机等健身器具。我们在日常的健身锻炼的同时,合理利用这些资源既完成了洗衣的目的,又节约了电能。因此我们把制造节能、健身、娱乐结合在一起的健身洗衣机的想法应运而生，带给人们诸多方便，所以便于推广使用。创新点：1、把洗衣机和特制健身车巧妙的结合起来，使健身、娱乐、节能有机的结合在一起；2、解决了洗衣机在断电的情况下无法使用的局限性；3、工作过程中产生的噪音得到了进一步消除；4、该产品在正常工作的时候由衣物、水以及各个零部件之间产生的摩擦力将通过传动装置反馈到人体上去，从而实现健身的效果；5、该产品结构

6、简单、外观优美、成本较低； 技术关键：1、健身洗衣机传动系统的稳定性和安全性； 2、健身自行车和洗衣机与传动系统的衔接； 3、速度的有效控制；主要技术指标：1、人在健身的同时能使洗衣机达到正常洗衣和脱水的速度； 2、传动比的设计； 3、轮形飞轮的选择和设计作品发明过程中运用到的“TRIZ”理论（详细说明）研究目前开发出的健身洗衣机，发现普遍两个问题：（1）噪声大，振动剧烈（2）不具备脱水功能对于问题（1），当洗衣机进行洗衣和脱水工作的同时，由于体力下降等原因导致输出力矩不平稳，从而致使滚筒的转速不稳定，产生噪音和振动，即产生有害作用。系统中同时存在有效作用和有害作用，即系统的模型不完善；对于问

7、题（2），造成健身洗衣机不具备脱水功能的原因在于脱水过程的运动状态不同于洗衣过程，即洗衣过程需要间歇的往复运动，而脱水过程需要高速的离心运动。从中可提取出速度的快与慢构成了一组物理冲突。经过分析，问题（1）（2）被转化为TRIZ理论中的不完善物场模型和物理冲突问题。对不完整的物场模型，在进行分析后可得其现在物场模型如下图所示，其中S1为滚筒轴，S2为链轮。针对上图模型中由滚筒产生的振动有害作用，可以引入S3来消除有害效应，即引入飞轮来调节速度波动。引入S3后的物场模型如图1所示。图1：引入S3前后的物场模型对于物理冲突问题，采用空间分离原理进行解决，其对应的发明原理为第1、2、3、4、7、13

8、、17、24、26、30条发明原理。其中，发明原理3局部质量原理的具体描述：（1）将物体或外部环境的同类结构转换成异类结构；（2）使物体的不同部分实现不同的功能；（3）使物体的每一部分处于最有利于其运行的条件下。考虑到要实现洗衣和脱水两个功能，采用离合器将洗衣和脱水两个功能分开来解决速度快-慢的物理矛盾。作品的科学性、先进性（应说明与现有技术相比，该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）和实用性科学性：该作品洗衣部分采用偏心轮曲柄滑块机构，通过摇杆的往复直线运动带动洗衣桶的正反转，从而实现洗衣功能；而脱水部分采用带轮机构来实现脱水过程。人在跑步机上运动

9、以及上述两个部分综合起来即可实现健身洗衣机的整体功能。先进性：健身自行车和洗衣机本来是两个独立的部分，然而该作品将这两个部分通过的简洁的传动系统巧妙的结合起来，实现了能量的再利用，节约了资源。 一般情况下，当人在骑车健身时，自行车车轮在转动从而带动传动系统运动的时候，由于车轮转动的速度变化比较大，会产生洗衣机滚筒转动的波动很大，容易造成传动系统和洗衣机的损坏，从而给用户造成较大的经济损失和安全隐患。而在王建平和王占猛的作品中没有体现这一点，此存在着明显的不足和隐患，我们健身洗衣机的车轮采用轮形飞轮形式，极大程度上弥补了速度的波动程度和系统的安全系数。实用性：经过分析软件以及计算得知，该产品完全

10、可以生产出来，并且可以使人们在健身的同时实现洗衣的功能，也可以使人们的锻炼过程充满乐趣与动力。我们对其进行经济性分析有：一般洗衣机功率在150-300W之间，我们取其平均值225W计算，假设一人一天锻炼2h，则一天可以节约电能0.225*2=0.45（度）。技术性特点和进步：该健身洗衣机是近年来发展起来的一种集健身和洗衣的产品，它迎合了人们娱乐健身的需求，响应了国家节能减排的号召，未来的推广前景值得期待。本产品不能完全替代现有洗衣机，但是对现有洗衣机的一种有益补充，为洗衣机未来的发展提供了一个新的思路。参考文献：【1】新型专利，专利号2.X 王建平;王占猛【2】机械原理（第七版）东南大学机械学

11、学科组，郑文纬 吴克坚主编作品所处阶段（ A ） A.实验室阶段 B.中试阶段 C.生产阶段 D. （自填）技术转让方式专利申请权转让作品可展示的形式实物、产品 R模型 R图纸 磁盘R现场演示 R图片 R录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，请提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测健身洗衣机的工作流程由进水,洗衣,排水,和脱水四个过程组成。是在普通洗衣机的前提下改进，洗衣机工作原理相同。健身洗衣机结构采用卧式滚筒型,洗衣机内筒门盖均装有锁紧机构,外筒门盖上设有行程开关,运转安全可靠在该健身洗衣机工作过程中,充分利用机械控制箱来实现以上工作过程。首先人在健身时启

12、动健身跑步机,通过轮系的传动将动力传递到曲柄滑块中，滑块带动齿条，齿条与洗衣机齿轮机构实现动力传递。达到设计的功率及其所需工作要求转速。图2：健身洗衣机工作原理图如图2所示,首先人在自行车运动机上运动做功,通过健身机的一级链传动传递动力给齿轮机构,齿轮带动轴运动。通过换向机构实现运动的分路。洗衣过程换向到偏心轮一侧与相应齿轮啮合，带动偏心轮机构运动（曲柄滑块机构改装的曲柄齿条机构）实现齿条的往返运动，从而带动洗衣机实现往返运动完成洗涤过程。将换向机构置于左侧与轮系齿轮啮合，带动轮系的运动。轮系（带轮轮系）齿轮机构将动力传到洗衣机，实现单向运动完成脱水过程。技术特点和优势： 1产品结合健身器和洗

13、衣机的主要功能，实现了健身车和洗衣机的优势互补；2以人体能量作为能量来源，实现了能量的有效利用；3内部结构简单，制造成本低。 技术性说明及市场分析：健身洗衣机是近年来发展起来的一种集健身和洗衣的产品，它满足了人们娱乐健身的需求，也响应了国家节能减排的号召，而且制作和生产过程有很大的可操作性，预计不久就可以投入市场。该健身洗衣机是在洗衣机的基础上加上了必要的传动系统和改进的健身车，传动结构较简单，零件损坏后便于更换。与洗衣机和健身车相比，该产品适用范围更广，销售价格相对较低，在一般家庭中能得到广泛应用，因此未来的推广前景值得期待。经济效益预测：一般洗衣机功率在150-300W之间，我们取其平均值

14、225W计算，假设一人一天锻炼2h，则一天可以节约电能0.225*2=0.45（度）。专利申请情况提出专利申请 申请号：申请日期 年 月 日已获专利权批准 批准号：批准日期 年 月 日R未提出专利申请B3申报作品TRIZ理论应用情况项目名称基于TRIZ理论的健身洗衣机结构设计项目来源研究领域洗衣机项目概述健身洗衣机是近年来发展起来的一种集健身和洗衣的产品，它迎合了人们娱乐健身的需求，同时响应了国家节能减排的号召，具有很好的应用前景。针对目前开发出的健身洗衣机存在的不同问题，以基于TRIZ理论的发明问题解决过程模型为步骤指导，并将物质-场分析、物理冲突和发明理论等工具应用于改进设计之中，使改进后

15、的装置在完成进水、洗衣、排水和脱水四个功能要求的基础上，工作过程中产生的噪音和振动得到了进一步消除；基于TRIZ理论得到了健身洗衣机的创新设计方案，并对方案进行了设计计算及相关校核计算；同时运用PROE软件绘制出了健身洗衣机的二维和三维图。 本项目很好的解决了以下三个方面的问题：（1）动力的传动问题，使健身车更有效的被洗衣机使用；（2）速度得到了更有效的控制：（3）实现洗衣机和健身车更好的连接。本项目的创新之处体现在以下三点：（1）把洗衣机和特制健身车巧妙的结合起来，使健身、娱乐、节能有机的结合在一起：（2）解决了洗衣机在断电的情况下无法使用的局限性；（3）工作过程中产生的噪音得到了进一步消除

16、。问题描述大多数健身洗衣机结构单一，工作原理如下：人力驱动健身器械做功，通过健身器械的一级链传动传递给二级和三级带传动，在带传动部分，设计相应的转换装置，实现人力和电力双驱动的装置，需要改变为电力驱动方式时，只需将洗衣机的滚筒输入轴与其本身电机输出轴连接即可，最终使得洗衣机完成洗涤过程。图3表示的是大多数健身洗衣机的工作原理图。健身洗衣机运动传动机构健身器械传动运动做功功洗衣机电动机图3：大多数健身洗衣机工作原理图主要问题：（1）工作过程中速度波动大，得不到有效控制，从而产生较大的振动和噪声，影响他人身心健康；（2）洗衣机和健身自行车不能很好的连接，整个装置不稳定；（3）洗衣效果不太突出。与王

17、建宁1孙永华1谢飞2（1塔里木大学，2长沙理工大学）研发的健身洗衣机（文章编号1009-0568（2010）04-0037-06）相比，本产品一方面通过健身车的一级链传动传递动力给齿轮机构，齿轮带动轴运动，通过换向机构实现运动的分路，从而实现洗衣和脱水两个过程。另一方面，在洗衣机和链轮之间添加起调节速度波动作用的飞轮来减少工作过程中的振动和噪音。因此，洗涤所需时间更长，结构设计更有利于人的整体有氧运动，从而达到了健身、洗衣的双重效果。TRIZ解题流程系统分析洗衣机功能分析：（1） 利用黑箱法确定总功能：图4为健身洗衣机的黑箱示意图，方框左边输入能量、信号、脏衣服、介质等，右边输出干净的衣物和介

18、质。下方为健身洗衣机工作时候对环境产生的影响，输出噪音和热能。通过输入和输出之间的转换，可得知洗衣机的总功能为洗净衣物。洗净衣物（黑箱法）能量控制信号 干净的衣物脏衣物 介质 水&介质 噪音 热 图4 ：健身洗衣机的黑箱示意图（2） 逆推法建立健身洗衣机功能树：为了得到健身洗衣机的功能树，我们使用逆推法，对现有的健身洗衣机进行分析来总结出洗衣机的功能树。先分析总结洗衣机单个零件所实现的功能元，又由于一些功能元需要若干零件配合才能实现，也需要对一些零件进行组合，逐一罗列所有功能元之后，确保所有功能元能够最终组合并且实现健身洗衣机的总功能，然后将各个功能元相互整合，整合为次级分功能，再将分功能整合

19、为总共能，得到洗衣机的动能树，如表1：表1：健身洗衣机功能树总功能第一级分功能第二级分功能第二级分功能能源处理运动做功能源转换机械传动支承与定位机械能传动变向转换运动形式控制促使水与衣物运动产生运动促进运动水循环注水容水脱水防溢排水导流防止逆流防腐分流吸水控制容纳容纳衣物容纳水容纳洗涤液优化减震除噪密封提升洗净度定量控制洗衣液用量控制时间控制水量类别选择开关 造型连接支承防护附加件色彩材料材料人机关系尺寸选择信息传递特性情感化运动（3） 绘制功能结构图根据健身洗衣机的功能树，考虑各个功能元之间的逻辑关系，分级处理功能元，得到健身洗衣机的功能结构图，如图5。调控决策信息 水与衣物的相对运动（黑箱

20、）容纳衣物脏衣物 脱水节水容水 衣物 水排水 储存洗涤剂洗涤剂 水 防溢机械传动能源传输调节速度波动转换控制运动做功优化（减震，除噪，密封）转换为振动 噪音 振动 图5：洗衣机的功能结构图资源分析本项目的资源分析采用三轴分析法，图6是健身洗衣机的资源分析图：超系统：洗衣装置前序操作：人的运动带动链轮转动，通过传动机构将运动传至洗衣机转轴振动场（产生噪音）子系统：洗衣机滚筒、脱水桶振动场后续操作：内桶转动，内桶壁上有突起，可以带动衣物上升，当衣物到达接近顶部时，由于重力作用，衣物跌落至桶底，如此反复摔打。振动场当前系统：洗衣机图6：健身洗衣机的资源分析最终理想解达到理想洗衣效果的同时，工作过程无

21、振动、无噪音，且能实现理想的健身效果。运用TRIZ工具物质场分析：对于问题（1），当洗衣机进行洗衣和脱水工作的同时，由于体力下降等原因导致输出力矩不平稳，从而致使滚筒的转速不稳定，产生噪音和振动，即产生有害作用。系统中同时存在有效作用和有害作用，即系统的模型不完善。如果在物场模型的2个物质间同时存在着有用和有害作用，而且S1及S2不必直接接触，则可以建立拆解物场模型S1.2.1，引入第三种物质S3消除有害效应。在进行分析后可得物场模型如下图所示。物理矛盾：对于问题（2），造成健身洗衣机不具备脱水功能的原因在于脱水过程的运动状态不同于洗衣过程，即洗衣过程需要间歇的往复运动，而脱水过程需要高速的离

22、心运动。从中可提取出速度的快与慢构成了一组物理冲突。经过分析，问题（1）（2）被转化为TRIZ理论中的不完善物场模型和物理冲突问题。解决方案针对上图模型中由滚筒产生的振动有害作用，可以引入S3来消除有害效应。在本设计中通过引入有调节速度波动作用的飞轮来消除有害作用。对于物理冲突问题，采用空间分离原理进行解决，其对应的发明原理为第1、2、3、4、7、13、17、24、26、30条发明原理。查阅TRIZ理论解决矛盾的40个标准方法，得到：发明原理1分割：将物体分割成独立的部分；使物体成为可组合的（易于拆卸和组装）；增加物体被分割的程度。发明原理2抽出： 从物体中抽出产生紊乱的部分或属性；从物体中抽出必要的部分或属性。发明原理3局部质量：将物体或外部环境的同类结构转换成异类结构；使物体的不同部分实现不同的功能；使物体的每一部分处于最有利于其运行