解决发明问题的理论探究

发明问题解决理论（TRIZ）是前苏联的一批科学家提出的一种创新设计理论。

前苏联学者阿利特舒列尔（G.S.Altshuler）及其领导的一批研究人员，从1946年开始，花费了1500人·年的工作量，在分析、研究世界各国的250余万件专利文献的基础上，提出了用于解决创新设计问题的发明问题解决理论。这一理论的提出与传播对全世界的创新设计领域产生了重要的影响。

产品设计问题分为新产品设计问题和已有产品的改进设计问题。发明问题解决理论特别适用于求解已有产品的改进设计问题。

发明问题解决理论认为，所有的技术系统都是不断进化的，技术系统进化的动力是不断地解决出现在系统中的冲突。发明问题解决理论的重点内容在于如何确定出现在技术系统中的冲突种类、如何表达冲突以及如何确定解决冲突的方法。它的基本方法是建立在对已有技术系统中所存在的工程冲突的分析基础之上的。在设计中解决冲突的最一般的方法是折中（互相妥协）。发明问题解决理论提出了消除冲突的发明原理，建立了消除冲突的基于知识的逻辑方法。

发明问题解决理论将工程中遇到的冲突划分为两大类：一类称为技术冲突；另一类称为物理冲突。

技术冲突是指在技术系统的一个子系统中引入有益功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。物理冲突是指对同一个子系统提出相反的要求。

发明问题解决理论是解决进化设计问题的一般性方法，不专门针对某个具体的应用领域。应用该理论解决具体应用领域的设计问题时，需要首先将待解决的设计问题表达（翻译）为发明问题解决理论所能接受的标准问题，然后利用该理论所提供的求解方法，求得针对标准问题的标准解，再将标准解表达（翻译）为具体应用领域的解答，得到领域解。

为了表达技术冲突，发明问题解决理论抽象出表达技术系统冲突常用的39个工程参数，见表2-7。

发明问题解决理论将发明原理与发生技术冲突的工程参数之间的对应关系编制成表，称为冲突问题解决矩阵。

表2-8所示发明问题解决理论提出的40条发明原理介绍如下。

原理1：分割

（1）将一个物体分割为几个独立的部分

例如，不同品牌的家用电冰箱中冷冻箱和冷藏箱的上下位置有不同的安排，有些产品将冷冻箱和冷藏箱设计为两个独立的部分，可以由用户根据喜好自行安排。

货运汽车完成货运功能需要进行装卸和运输。在装卸过程中，车头部分闲置，造成浪费。若将货车分解为动力部分（机车）和装载部分（拖车），在对拖车进行装卸操作的过程中可以使机车去拖动其他拖车，则可使货车各部分发挥更高的使用效率。

表2-7 通用工程参数名称

（续）

表2-8 发明原理

（2）将一个物体分割为几个容易组装和拆卸的部分

机械设计中将独立的运动单元称为构件。在结构设计中，经常需要将一个构件拆分为多个独立的零件，分别制造，这样可以使制造更容易，加工成本更低，或者是为了使装配更容易，或为了使得结构的某个参数可以更方便地调整，或者是为了满足设计功能对同一个构件的不同部位的材料提出的不同要求。

（3）提高物体的可分性

例如，机械切削加工所用刀具的刀头部分会在切削过程中发生磨损，将刀杆和刀头设计为可拆卸结构，既可以方便更换刀具，又有利于提高刀杆的使用效率。

原理2：分离

（1）将一个物体中的有害部分与整体分离

例如，家用空调器的散热器部分工作噪声很大，将散热器从空调器中分离出来，作为一个单独的部件，并安装在室外，可以最大限度地减少噪声对工作和生活环境的干扰。

（2）将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离

例如，将激光复印机中的成像功能从整体中分离出来，作为一项独立的功能，将其与扫描功能组合，可以构成复印机，与计算机组合可以构成打印机，和通信功能组合可以构成传真机。

原理3：局部质量

将零件由均匀结构改为非均匀结构，按照零件不同位置的不同功能设计局部结构，使零件的每个局部都能够发挥出最佳效能。

例如，对零件的不同部位采用不同的热处理方式，或表面处理方式，使其具有特殊的功能特征，以适应设计功能对这个局部的特殊要求。

原理4：不对称

机械零件多为对称结构，对称原则使结构设计更简单。

机械零件可以采用非对称的结构，非对称原则使机械结构设计可以有更多的选择。

机械传动中使用的轮毂结构多为两侧对称的结构。图2-18所示的带轮和链轮的轮毂结构设计中，为解决轮毂与轴、轮毂与轮缘的定位问题，采用了非对称的轮毂结构。

图2-18 非对称的轮毂结构

原理5：合并

（1）将空间上相同或相近的物体合并在一起

例如，在收音机和录音机中有很多子功能可以共用，收录机的设计将二者的功能合并在一起，使总体结构更简单。电子表和电子计算器的合并可以共用电源、晶振、显示器等部件。

（2）将时间上相关的物体合并

例如，将铅笔和橡皮合并在一起，可以使人们使用铅笔写错字时很方便地使用橡皮进行修改；将制冷和加热功能集成在家用空调器中，可以使以前只能在夏季使用的空调在多个季节发挥作用，改善生活质量。

原理6：多用性

图2-19 多用工具

例如，图2-19所示的多用工具集多种常用工具的功能于一身，为旅游和出差人员带来了方便；现在手机设计中将很多功能集成在一起，拓展了用途，性价比得到提升。

原理7：套装

（1）将某个物体放入另一个物体的空腔内

例如，地铁车厢的车门开启时，门体滑入车厢壁中，不占用多余空间；将电线嵌入墙体内；将加热或制冷部件嵌入住房的地板或天花板中；汽车安全带在闲置状态下将带卷入卷收器中。

（2）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……

例如，多层伸缩式天线通过多层嵌套结构极大地减少了对空间的占用。使用相同结构的还有多层伸缩式鱼竿、多层伸缩式液压缸、多层梯子等。

原理8：质量补偿

对于很多机械装置，物体的重力是主要的负载，如果能够用某种力与物体的重力相平衡，就可以减小机械装置的负载。

（1）使一个向上的力与向下的重力相平衡

例如，可以利用氢气球悬挂广告牌。电梯、立体车库等起重类机械装置设计中需要根据最大起重能力选择动力及传动装置，如果通过滑轮为起重负载配置配重，使配重等于轿厢重量与最大载重量的一半，可以将对动力及传动装置的工作能力要求降低很多。

对于精密滑动导轨，为了减小导轨的载荷，提高精度，降低摩擦阻力，可以采用图2-20所示的机械卸载导轨，通过弹性支承的滚子承担大部分载荷，通过精密滑动导轨为零件的直线运动提供精密的引导。

图2-20 导轨卸载结构原理

（2）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

例如，船在水中获得浮力，以平衡重力；飞机在空气中运动，通过机翼与空气的相互作用，为飞机提供升力。

原理9：预加反作用

在有害作用出现之前，预先施加与之相反的作用，以抵消有害作用的影响。

例如，梁受弯矩作用时，受拉伸的一侧材料容易失效。如果在梁承受弯曲应力作用之前，通过某些技术措施对其施加与工作载荷相反的预加载荷，使得梁在受到预加载荷和工作载荷共同作用时应力较小，则有利于避免梁的失效。

机床导轨磨损后中部会下凹，为延长导轨使用寿命，通常将导轨做成中部凸起形状。

原理10：预操作

在正式操作开始之前，为防止某些（不利的）意外事件发生，预先进行某些操作。

例如，为防止被连接件在载荷作用下松动，在施加载荷之前将对螺纹连接进行预紧；为防止螺纹连接在振动作用下发生反转，使连接松动，在预紧的同时对螺纹连接采取防松措施；为提高滚动轴承的支承刚度，可以在工作载荷作用之前对轴承进行预紧；为防止零件受腐蚀，在装配前对零件表面进行防腐处理。

原理11：预补偿（事先防范）

事先准备好应急防范措施，以提高系统的可靠性。

例如，为了在瞬时过载的条件下保护重要零部件不被破坏，可以在机械装置中设置一些低承载能力单元，当系统出现过载时，通过这些单元的破坏使得载荷传递路径中断，起到保护其他零件的作用。电路中的熔断器、机械传动中的安全离合器等就是起这种作用的单元。

原理12：等势性

使物体在传送过程中处于等势面中，不需要升高或降低，可以减少不必要的能量消耗。

例如，电子线路设计中，避免电势差大的线路相邻；在两个不同高度水域之间的运河上的水闸相等等。

原理13：反向

用与原来相反的动作达到相同的目的，即不实现条件规定的作用而实现相反的作用；使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使不动的成为可动的；将物体颠倒。

例如，为了松开粘连在一起的物体，不是加热外部件，而是冷却内部件；为了实现工件和刀具的相对运动，使工件旋转，而刀具固定。

原理14：球形原则

由直线、平面向曲线、球面化方向或功能转变，实现充分利用，提高效率。

例如，把管子焊入管栅的装置具有滚动球形电极。(www.xing528.com)

原理15：动态原则

使不动的物体变成可动的或将物体分成彼此相互移动的几个部分。

例如，用带状电焊条进行自动电弧焊的方法，其特征是，为了能大范围地调节焊池的形状和尺寸，把电焊条沿着母线弯曲，使其在焊接过程中成曲线形状（前苏联发明证书258490）。

原理16：局部作用或过量作用原则

如果难于取得百分之百所要求的功效，则应当取得略小或略大的功效。此时可能把问题大大简化。

例如，测量血压时，先向气袋中充入较多的空气，再慢慢排出：注射器抽取药液时先抽入较多的药液，再排至适量。

原理17：维数原则

如果物体做线性运动（或分布）有困难，则使物体在二维度（即平面）上移动。相应地，在一个平面上的运动（或分布）可以过渡到三维空间；利用多层结构替代单层结构；将物体倾斜或侧置；利用指定面的反面；利用投向相邻面或反面的光流。

例如，越冬圆木在圆形停泊场水中存放，其特征是，为了增大停泊场的单位容积和减小受冻木材的体积，将圆木扎成捆，其横截面的宽和高超过圆木的长度，然后立着放（前苏联发明证书2236318）。

原理18：机械振动原则

使静止的振动，使振动的加强振动或者形成共振，以提高效率。

例如，无锯末断开木材的方法，其特征是，为减少工具进入木材的力，使用脉冲频率与被断开木材的固有振动频率相近的工具（前苏联发明证书307986）。

原理19：周期作用原则

由连接作用过渡到周期作用或改变周期作用。

例如，用热循环自动控制薄零件的触点焊接方法是基于测量温差电动势的原理。其特征是，为提高控制的准确度，用高频率脉冲焊接时，在焊接电流脉冲的间隔测量温差电动势（前苏联发明证书9336120）；警车的警笛利用周期性原理避免噪声过度，并使人更敏感；电锤利用周期性脉冲使钻孔更容易。

原理20：有效作用的连续性

消除空转和间歇运转，连续工作，实现事半功倍的效果。

例如，加工两个相交的圆柱形的孔如加工轴承分离环的槽的方法，其特征是，为提高加工效率，使用在工具的正反行程均可切削的钻头（扩孔器）（前苏联发明证书M262582）。

原理21：紧急行动（快速原理）

缩短执行一个危险或有害作业的时间，减少危害。

例如，生产胶合板时用烘烤法加工木材，其特征是，为保持木材的本性，在生产胶合板的过程中直接用300～600℃的燃气火焰短时作用于烘烤木材（前苏联发明证书338371）：闪光灯采用瞬间闪光，节省能源，同时避免对人造成伤害；焊接元件时，要尽量缩短接触时间，避免过热对元件造成伤害。

原理22：变害为利原则

将有害因素组合来消除有害因素；利用有害的因素得到有益的结果；增加有害因素的幅度直至有害性消失。

例如，恢复冻结材料的颗粒状的方法，其特征是，为加速恢复材料的颗粒和降低劳动强度，使冻结的材料经受超低温作用（前苏联发明证书N409938）；潜水时用氦氧混合气体，避免造成昏迷或中毒；森林灭火有时先炸开火即将通过的地方，防火烧出隔离带，达到阻止火势蔓延的目的。

原理23：反馈

不易掌握的情况可通过信息系统进行反映或控制。

例如，自动调节硫化物沸腾层焙烧温度规范的方法是随温度变化改变所加材料的流量，其特征是，为提高控制指定温度值的动态精度，随废气中硫含量的变化而改变材料的供给量（前苏联发明证书302382）；车上的仪表，钓鱼用的浮标等。

原理24：“中介”原则

把一物体与另一容易去除的物体结合在一起，使用中介物实现所需动作。

例如，校准在稠密介质中测量动态张力仪器的方法是在静态条件下装入介质样品及置入样品中的仪器。其特征是，为提高校准精度，应利用一个柔软的中介元件把样品及其中的仪器装入（前苏联发明证书354135）；化学反映中的催化剂。

原理25：自我服务原则

物体应当为自我服务，完成辅助和修理工作，或将废料（能量的和物质的）再利用。

例如，一般都是利用专门装置供给电焊枪中的电焊条，建议利用电焊电流工作的螺旋管供给电焊条；数码相机中的超声波除尘系统可以自动清除感光元件上的灰尘。

原理26：复制原则

用简单而便宜的复制品代替难以得到的、复杂的、昂贵的、不方便的或易损坏的物体，用光学拷贝（图像）代替物体或物体系统以达到节省时间、资金、便于观察等目的。

例如，医学上用摄影方法“复制”病变部位诊断病情；采用虚拟驾驶系统训练驾驶员。

原理27：替代原理

用廉价的不持久性代替昂贵的持久性原则，用一组廉价物体代替一个昂贵物体，放弃某些品质（如持久性）。

例如，用一次性纸杯替代玻璃杯，以降低成本；用人造金刚石替代钻石制作玻璃刀的刀头，以降低成本。

原理28：机械系统的替代

用新的系统替代现有的系统，用光学、声学、热学、电场等系统替代机械系统。

例如，在热塑材料上涂金属层的方法是将热塑材料同加热到超过它的熔点的金属粉末接触，其特征是，为提高涂层与基底的结合强度及密实性，在电磁场中进行此过程（前苏联发明证书445712）。

原理29：气动液压原理

用气体结构和液体结构代替物体的固体的部分，从而可以用气体、液体产生的膨胀或利用气压和液压起到缓冲作用。

例如，充气和充液的结构（气枕，橡皮艇，电动按摩水床）、静液的和液体反冲的结构。

原理30：利用软壳和薄膜原则

利用软壳和薄膜代替一般的结构或用软壳和薄膜使物体同外部介质隔离。

例如，充气混凝土制品的成型方法是在模型里浇注原料，然后在模中静置成型。其特征是，为提高膨胀程度，在浇注模型里的原料上罩以不透气薄膜（前苏联发明证书339406）。用塑料薄膜替代玻璃建造大棚；水上步行球。

原理31：利用多孔材料原则

把物体做成多孔的或利用附加多孔元件（镶嵌、覆盖等）改变原有特性；如果物体是多孔的，事先用某种物质填充空孔。

例如，电动机蒸发冷却系统的特征是，为了消除给电动机输送冷却剂的麻烦，活动部分和个别结构元件由多孔材料制成，如渗入了液体冷却剂的多孔粉末钢，在机器工作时冷却剂蒸发，因而保证了短时、有力和均匀的冷却；多孔沥青路面，可降噪，渗水性好。

原理32：改变颜色原则

改变物体或外部介质的颜色、透明度、可视性；在难以看清的物体添加有色或发光物质。通过辐射加热改变物体的辐射性。

例如，美国专利3425412，透明绷带不必取掉便可观察伤情；变色眼镜；养路工人的工作服色彩艳丽并有荧光，保证安全；钞票上的荧光防伪图案。

原理33：一致原则

同指定物体相互作用.的物体应当用同一（或性质相近的）材料制成，防止化学反应和一物对另一物的损害。

例如，获得固定铸模的方法是用铸造法按芯模标准件形成铸模的工作腔。其特征是，为了补偿在此铸模中成型的制品的收缩，芯模和铸模用与制品相同的材料制造（前苏联发明证书456679）；焊接用的焊条和焊件为形同的金属；在旧内胎上剪取橡胶片修补自行车内胎。

原理34：抛弃与修复

采用溶解、蒸发等手段废弃已完成功能的零部件，或在工作过程中直接变化；在工作过程中迅速补充消耗或减少的部分。

例如，检查焊接过程的高温区的方法是向高温区加入光导探头。其特征是，为改善在电弧焊和电火花焊接过程中检查高温区的可能性，利用可熔化的探头，它以不低于自己熔化速度的速度被不断地送入检查的高温区（前苏联发明证书N433397）；药物胶囊，自动铅笔，冰灯在过季后不必消除，让其自动融化。

原理35：参数变化

这里包括的不仅是简单的过渡，例如从固态过渡到液态，还有向“假态”（假液态）和中间状态的过渡，比如采用弹性固体，通过这些转变以实现性能的优化和改变。

例如，联邦德国专利1291210，降落跑道的减速地段建成“浴盆”形式，里面充满粘性液体，上面再铺上厚厚一层弹性物质；制作巧克力时，先将酒冷冻成一定形状，再在巧克力中蘸下；铝合金比单质的铝强度更高，更耐用；洗手液代替香皂，浓度更高且易于定量使用。

原理36：相变原则

利用相变时发生的现象（如体积改变、放热或吸热）。

例如，密封横截面形状各异的管道和管口的塞头，其特征是，为了规格统一和简化结构，塞头制成杯状，里面装有低熔点合金。合金凝固时膨胀，从而保证了结合处的密封性（前苏联发明证书319806）。

干冰升华时吸收大量的热，可以用于速冻、灭火、清洗、在舞台上产生云雾等效果；煤气加压后呈现液体状态，便于储存和运输，通过阀门控制，减压呈气体状态，便于使用。

原理37：热膨胀原理

利用材料的热膨胀（或热收缩）或利用一些热膨胀系数不同的材料。

例如，温室盖用铰链连接的空心管制造，管中装有易膨胀液体。温度变化时，管子重心改变，因此管子自动升起和降落（前苏联发明证书463423）；通过加热空气使其膨胀给热气球充气并升空：利用不同金属膨胀系数不同制成双金属片温控开关。

原理38：加速强氧化

利用从一级向更高一级氧化的转换特性防止或加速氧化。

例如，利用在氧化剂媒介中化学输气反应法制取铁箔，其特征是，为了增强氧化和增大镜泊的均一性，该过程在臭氧煤质中进行（前苏联发明证书261859）；中国人发明的风箱是一种鼓风工具，可往灶台中吹入空气助燃；利用臭氧发生器净化空气。

原理39：惰性环境

用惰性气体环境代替通常环境；在物体中添加惰性或中性添加剂；使用真空环境。

例如，用氩气等惰性气体填充灯泡，防止发热的金属灯丝氧化；在粉末状的清洁剂中添加惰性成分，以增加其体积，这样更易于用传统的工具来测量；在真空中完成过程，如，在真空中包装；用松软的吸声板处理演播室、礼堂等的墙壁，并改变反射角，最大限度地消除回声。

原理40：混合材料

利用不同物质的不同构造和特性，根据需要，用几种物质制成一种新的材料而替代单一材料。

例如，在热处理时，为保证规定的冷却速度，采用介质做金属冷却剂，其特征是冷却剂由气体在液体中的悬浮体构成；在瓷器中加入铁胎，既保持了瓷器的优良特性，又克服了其易碎的缺点；用玻璃纤维制成的冲浪板，比木质板更轻，且易于制成各种形状。