TRIZ下的家用螺丝刀优化设计

摘要：针对家用螺丝刀的选择和优化问题，提出了一种基于TRIZ理论的设计流程模型。通过产品分析和用户需求分析找到贴合家用螺丝刀市场需求的产品类型，通过流程分析找到了原型产品主要存在的问题，并通过系统完备性法则和物场分析，找到解决方案。设计了一款能适应拧螺丝两种状态下不同需求的家用螺丝刀产品，提供更高的效率和舒适度。

关键词：家用螺丝刀；TRIZ；物场分析；完备性法则

引言

螺丝刀是每个家庭生活中必备的维修工具，无论是家电维修，家具安装甚至是玩具装拆必不可少。目前市场上螺丝刀分为手动螺丝刀和电动螺丝刀，手动螺丝刀价格低廉，但操作费力且低效，用户在使用过程中感到不舒服；而电动螺丝刀，对电源有依赖性，充电类在使用前需要充电；插电类不便于移动，电线会妨碍操作；且电动螺丝刀怕潮，怕摔。因此如何提高螺丝刀使用效率和舒适性，而不增加其使用限制成了一个亟需解决的问题。文中根据产品分析和用户需求分析，选择以手动螺丝刀进行优化设计，通过流程分析发现问题，并通过系统完备性法则和物场分析寻找解决方案，设计了一款能适应拧螺丝两种状态不同需求的家用螺丝刀产品。为同类设计提供了一种简便高效的创新设计思路。

一、TRIZ理论概述及基于TRIZ的产品创新设计流程

（一）TRIZ理论概述TRIZ是发明问题解决理论，该理论是前苏联发明家，教育家阿奇舒勒及其团队通过大量专利和创新案例总结出来，解决各种矛盾的创新原理和法则[1]。TRIZ通过系统的思维方式，采用标准的思维工具，将特定的问题抽象成为标准的或一般的问题，然后采用标准的思维工具，最终得到有针对性的解[2]。其理论构成包含8大技术系统进化法则、最终理想解、物-场模型及标准解、技术矛盾矩阵、物理矛盾和分离原理，技术进化模式和路线等[3-5]。

（二）TRIZ的产品创新设计流程TRIZ理论是一种问题解决方法，不仅仅是对某个具体的领域进行研究，而是建立了解决问题的通用模型并指明了发展方向，目前也在产品创新设计领域被广泛使用[6]。传统的产品设计流程可整理为：寻找问题—分析问题并提出初步解决方案—方案细化（结构，造型，材料等方面）—方案筛选与评价—完成设计。结合传统产品设计流程和TRIZ创新理论创建产品创新设计流程模型，如图1所示。该流程遵循TRIZ理论解决工程问题的一般步骤，从产品分析入手，发现问题，问题分析寻求理想解，逐层深入[7]，直至产生可行的解决方案。其产品设计流程的目标性强，简洁高效，规避了传统设计方法的盲目性和无效性。

二、家用螺丝刀设计案例

（一）产品分析与用户需求分析1.产品分析。通过对市场上现有的螺丝刀调查发现，螺丝刀主要分为手动螺丝刀、充电式螺丝刀、插线式电动螺丝刀3种，不同类别的螺丝刀有着各自的优缺点，具体总结如表1所示。2.用户需求分析，通过网络发放问卷，搜集家庭用户的螺丝刀使用需求。根据82份问卷调研反馈，大部分家庭具有螺丝刀使用需求，但使用螺丝刀的频次较低，82%的用户表示只是偶尔使用，且超过60%的用户心理可承受价格在50元以下，并且家庭使用场景往往是临时发现有问题，突然的使用需求。综合上述因素，手动螺丝刀更贴合家庭用户真实使用场景，所以在调研的82份问卷中，有76人使用的是手动螺丝刀，比率高达92%。因此，针对家庭螺丝刀的设计更应该针对手动螺丝刀进行优化。通过对手动螺丝刀的再调研，发现有67%的用户主要在转动螺丝刀时产生不舒适。

（二）家用螺丝刀使用流程分析针对用户使用手动螺丝刀的流程进行实地观察和调研，发现家用螺丝刀最普遍的使用方式是手轻握螺丝刀，手腕不动，手指转动螺丝刀，将螺丝旋入螺纹孔，如图2所示。待螺丝刀转不动时，手掌握紧螺丝刀，手腕转动，拧紧螺丝，如图3所示。通过流程分析发现，拧螺丝过程可分为两个过程：前期不需要很大力度，但旋转次数多，将螺丝快速旋入螺纹孔；后期则需要大的力度将螺丝紧固，防止松落。但现有产品只考虑了第二个过程，导致两个问题：1.现有螺丝刀为了能拧紧螺钉，螺丝刀手柄尺寸贴合手掌且做了凸起橡胶的防滑设计，但在前期手指转动工程中，手柄反而会在手中产生较大的摩擦，影响转动效率和手部舒适度。2.前期手指转动的方式，接触面积小，在快速转动时，不能提供稳定的支持力，无法稳定刀身，导致刀头偏离螺钉，降低使用效率。

（三）系统完备性法则分析在TRIZ理论中将产品视为一个完整的系统，各组件间相互关联，以实现产品功能为目标的集合体。为了实现产品功能，系统必须具备四个最基本的要素，即执行装置、传动装置、动力装置和控制装置[8]，各个组件之间存在物资，能量，信息和功能的关联。系统从外部能源获取能量，将外部能源转换为能量后传递给需要能量的部分，然后作用于对象，即“能源—动力装置—传动装置—执行装置—产品”的工作路线，控制装置通过改变系统中的能量流来协调整个系统。通过对系统完备性法则的分析，可以帮助我们准确确定现有产品中的组件组装是否构成了完整的技术系统，并可以有效地实现功能，从而有助于我们更清晰地确定每个装置（组件）的运行状态[9]，找到出现问题的部件和原因。通过流程分析可知，问题主要出现在将螺丝快速旋入螺纹孔的过程，针对该过程进行完备性法则分析，寻找出现问题的部件。现有螺丝刀以手柄为动力装置，将使用者的生物能转化为动能，通过传动装置（刀身）将动能，传递给执行装置（刀头），并由控制装置（手柄）进行调控，完成螺丝刀旋紧的目的，如图3所示。通过系统完备性法则发现现有螺丝刀是完整的系统，能实现功能，需要针对具体问题寻找相关部件，进行改进。针对问题1.手指转动螺丝刀，会使橡胶材质手柄在手中摩擦，影响转动效率和舒适度。发现手指转动螺丝刀，为动力装置转化外部能源的过程，橡胶在手中摩擦，影响转动效率即动力转化过程中产生有害能源，说明现有动力装置（手柄）转化能源方式应该优化。针对问题2.前期手指转动的方式，接触面积小，在快速转动时，不能提供稳定的支持力。手指转动手柄为动力装置转化能源的过程，提供稳定支持力，为控制系统的职能，说明这个过程中，动力装置和控制装置（手柄）需要优化，如图4。

（四）物场分析物场分析将问题看作由两个物质和一个场这样三个元素所构成的最小技术系统，通过分析技术系统各组成部分及各组成部分之间的相互关系，并通过物场模型的形式用图形语言简洁地展现系统中各种矛盾问题。理想的物场模型（充分有用的完整模型）是场Field（F），通过物质2（S2）作用于物质1（S1）并改变S1，其中，物质（S1和S2）的定义取决于每个具体的应用，S1是系统动作的接受者，S2通过某种形式作用在S1上[10]。但现实中，还有四种非理想状态的模型：①不完整模型，②有用但不充分作用的完整模型，③有用但过度作用的完整模型，④有害作用的完整模型[11]，对应共六种一般解法。针对系统中存在的问题1：刚开始拧螺丝刀时，如何消除手柄对手掌产生摩擦，进行物场分析。明确问题发生部位为S2手柄和S1使用者的手，场F1为力场，其中力场连接S2手柄和S1手，且手柄对手的摩擦属于有害作用，构建了有害作用的完整模型。对应的一般解法有两种，如图5所示：1.增添物质3（S3），且物质3为原始2种物质之一的变体；2.增添另一个场（F2），用来调整引起有害结果的场，且要考量各类力场。针对系统中存在的问题2：刚开始拧螺丝刀时，如何消除手对螺丝刀产生不稳定的力，进行物场分析。明确问题发生部位为S2使用者的手，S1为螺丝刀手柄，场F1为力场，其中力场连接S2手和S1手柄，且S2手对手柄产生了有害的力，影响转动的稳定，同样构建了有害作用的完整模型。对应的一般解法有两种：1.增添物质3（S3），且物质3为原始2种物质之一的变体；2.增添另一个场（F2），用来调整引起有害结果的场，且要考量各类力场。

（五）方案设计结合流程分析，系统完备性法则分析和物场分析，对问题进行逐层解析，并针对问题共提出5解决方案，如表2所示。通过对比分析，考虑可实现性和用户体验感受，最终选择了方案a和方案e进行结合设计，针对螺丝刀前期将螺丝快速旋入螺纹孔的过程，对螺丝刀的控制装置和动力装置手柄结构进行优化设计，将传统螺丝刀手柄分为两个部分，前端和后端，前端起到旋转模块的作用。在前期螺丝快速旋入螺纹孔阶段，手柄前端（旋转模块）作为动力装置，手指转动手柄前端，带动螺丝批头旋转，而手柄后端作为控制装置不动，避免了手柄转动对手掌产生摩擦，同时也可以通过把握手柄后端，为螺丝刀提供更加稳定的支持力。在后期，需要紧固螺丝时通过转动手柄，提供更大的力，带动螺丝转动，完成螺丝紧固。前期和后期两种螺丝刀工作方式的切换，通过类似于圆珠笔的棘轮和弹簧结构实现，如图6所示。前期螺丝快速旋入螺纹孔阶段，在弹簧作用下，批头套筒的尾部六棱柱未与后端手柄结合，中部六棱柱与手柄前端结合，以至于手柄前端转动不影响手柄后端；在后期，通过向前按压，通过手柄前端的棘轮销孔和批头套筒的棘轮销键配合，使得六棱柱与后端手柄结合，转动手柄后端能带动批头套筒转动。

（六）方案细化结合人机尺寸和产品材料分析，对产品方案进行细化。1.人机尺寸设计螺丝刀的尺寸过大或者过小都将直接影响使用者的抓握，影响使用效率和舒适度。参考郭斯永[12]根据人机工程学设计准则总结出的人手尺寸数据，设定了螺丝刀手柄的详细尺寸，如图7所示。其中，手柄长度范围考虑第5百分位的女性（69mm）和第95百分位的男性（97mm）的掌骨处手掌宽度，结合手指转动的操作距离，通用性的把手长度范围为100—125mm，本设计手柄总长度设置为110mm，手柄前端长度为35mm。根据李艳[13]等人对手工具的研究，比较合适着力抓握的手柄直径为30~40cm，比较合适精密抓握的手柄直径为8~16cm，本设计手柄最大直径为30mm，手柄前端最小直径为16mm。2.材料分析螺丝刀的材料根据产品结构主要可分为3部分：1.螺丝刀批头和批头套筒；2.手柄（前端和后端）；3.手柄防滑材料。其中螺丝刀的批头有时需要用于加深螺帽刀口，批头材料需要有较好的硬度，且螺丝刀有时用于撬东西，螺丝刀批头和套筒需要有较好的韧性，在对比市场上常用材料后，综合性能和价格，批头和套筒选择铬钒钢，在拥有良好的强度和硬度性能的同时，价格相对较低。螺丝刀的手柄材料选择聚丙烯塑料为手柄主体，手柄防滑材料采用tpr（热塑性弹性体）二次注塑。聚丙烯塑料具有高强度机械性能，有较强的支撑性，和耐腐蚀性，耐磨性，电绝缘性，能适应多种使用环境，且通过tpr二次注塑，手掌握住部分提供较大摩擦力，便于螺丝紧固，效果图如图8所示.

结论

文中构建了基于TRIZ的产品创新设计流程模型。首先对家用螺丝刀进行产品分析和用户需求调研，找到了贴合家用螺丝刀市场需求的产品类型，通过流程分析找到了现有产品主要存在的两个问题，即在前期螺丝快速旋入螺纹孔的过程中，手柄对手掌产生摩擦，影响工作效率和舒适度；且在快速转动过程中无法提供稳定的支持力。运用系统完备性法则和物场分析，寻求可能的解，将传统螺丝刀的手柄分为两个部分，在前期螺丝快速旋入螺纹孔的过程中，通过手指旋转手柄前端，带动批头套筒及螺丝刀批头转动。在后期紧固螺丝时，通过弹簧和棘轮结构，将批头套筒的六棱柱与手柄后端螺纹孔配合，通过转动手柄，提供更大的力。最终通过计算机辅助建模完成设计方案的效果图。对家用螺丝刀进行了优化，并为同类型产品优化设计流程提供了参考性解决方案。

参考文献

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作者：房浩南 金信琴 张简一 单位：哈尔滨理工大学机械动力工程学院