Противоречие безысходности

Каган Эдуард Львович
(Израиль)

Краеугольным камнем ТРИЗ, как известно, является закономерность возникновения и преодоления разного рода противоречий в процессе развития технических систем. В теории отмечено существование Административного , Технического и Физического противоречий. Кроме того, в работах Литвина С.С. и Герасимова В.М. (см. например, журнал ТРИЗ № 1-90) встречается еще одна разновидность - Альтернативное противоречие. Все указанные разновидности противоречий можно считать классическими (теоретическими) и их преодоление средствами ТРИЗ, как правило, не вызывает сомнений. Но жизнь - не простая штука, и время от времени не считаясь с теорией "подбрасывает" задачки, не укладывающиеся в классические рамки. Между тем такого рода задачки должны представлять несомненный интерес для теории.

В решении задачи , о которой пойдет речь, много поучительного во многих аспектах. Сама задача, существуя где-то "в недрах" объекта, остро не стояла до определенного момента, ее просто не было видно, образно говоря, невооруженным глазом.

Задолго до возникновения этой задачи автор этих строк принял участие в качестве ведущего инженера в разработке конструкции бытовой пьезозажигалки по заданию завода пьезокерамических изделий. В то время - начало 80-х годов - завод, производящий пьезокерамику для оборонных нужд, остро нуждался в изделии, которое можно было выдать "на прилавок", как товар народного потребления. Разработке пьезозажигалки придавалось очень большое значение.

К слову сказать, пеьезозажигалка - это наукоемкое изделие, детище высоких технологий второй половины ХХ века .Принцип действия ее механизма основан на прямом пьзоэлектрическом эффекте, а само изделие является своего рода мини- электростанцией … на ладони. В самом деле, не чудо ли, когда нажатие пальца на клавишу силой всего 20-30 Н напрямую преобразуется в высокое напряжение 10-20 тысяч Вольт? Более того, это практически неиссякаемый источник энергии, срок службы пьезоэлементов такого механизма не менее 12 лет!

После солидной патентно-информационной проработки разработчики выяснили, что в этой области мы немало отстали от зарубежных фирм, которые к началу 80-х годов имели 20-летний опыт разработки и производства пьезозажигалок всех мастей. Нам ничего не оставалось как, используя лучшие мировые достижения по функциональным узлам, создать "свою" конструкцию с учетом своих технологических возможностей.

Далее, пойдет речь о собственно технической системе "ПЬЕЗОЗАЖИГАЛКА".

Сердцем ее является механизм возбуждения так называемого пьезогенератора, в котором осуществляется механическое сжатие пары цилиндрических пьезоэлементов, установленных друг за другом в изолирующей обойме с твердыми пробками на торцах..

Типичный механизм (см. рис. 1.2.3 из французского патента) представляет собой жесткий каркас в виде рамы, в котором зафиксирован шарнирно приводной элемент сжатия - металлический цилиндрик с диаметрально противоположными лысками на боковой поверхности, являющийся осью неравноплечевого поворотного рычага, и примкнут к одному из торцов пьезогенератора. Другим торцом пьезогенератор упирается в регулируемый упор в виде винта, выходящего из резьбового отверстия в каркасе. Поворот рычага на некоторый угол приводит к сжатию пьезоэлементов по продольной оси между приводным элементом и регулируемым упором. В момент сжатия имеет место возбуждение высокого электрического напряжения (до 15-20 кВ) - в следствие прямого пьезоэффекта. Нагрузкой пьезогенератора является искровой промежуток, оформленный как запальное устройство зажигалки.

Наш механизм, повторяя известную схему в принципе, отличался от других простотой деталей, их технологичностью . Наша пьезозажигалка под названием "Огниво" завоевала за десятилетие выпуска советский рынок, пользуясь неослабевающим спросом. Время шло, завод исправно выполнял планы, авторы пьезозажигалки давно были заняты новыми более интересными разработками, а в производстве пьезозажигалок "зрела" бомба. Гром грянул на рубеже 1991 и 1992 годов, когда в стране началась Перестройка и завод лишился оборонных заказов, щедро кормивших трудовой коллектив. Пришлось переключаться исключительно на производство товаров народного потребления и пьезозажигалка вышла на первый план, ее производство было увеличено в 10 раз.

В этот момент по нормальной "тризной" логике необходимо было провести полномасштабный ФСА изделия. Однако, находясь в тяжелом финансовом положении, завод перестал оплачивать инженерную поддержку, тем более, что пьезозажигалка считалась весьма благополучным изделием. А все скрытые грехи конструкции и технологии оказались увеличенными пропорционально новому объему выпуска.

К слову сказать, еще в доперестроечный период директор завода запретил совершен ствовать конструкцию этого изделия. Производство механизмов зажигалки было передано … в тюрьму, зэкам и облегчать им работу не желали тюремные власти. Та ковы были гримасы на советском производстве.

Но в чем же грехи благополучного изделия?

В этот период темой директорских планерок и многочисленных технических совещаний стали заурядные винт с гайкой - комплектующие регулируемого упора в механизме сжатия. Как было показано выше, пьезогенератор зафиксирован между приводным элементом рычага и регулируемым упором в виде винта, ввернутого в стенку каркаса (или в гайку, закрепленную в каркасе, как в нашей конструкции). Наличие регулируемого упора очень удобно при сборке, ибо дает возможность, предварительно отпустив винт, вложить пьезогенератор на свое место и зафиксировать его во взведенном для сжатия положении перемещением-поджатием винта. Необходимость винта в этом узле никогда не ставилась под сомнение и больших проблем по этому поводу на производстве не было пока выпуск был небольшой. Но с переходом на многомиллионный выпуск потребовались миллионы винтов и гаек, причем гайка еще и отличалась немного от стандартной. Пришлось организовывать самостоятельное производство винтов и гаек, к которому завод не сумел во всеоружии подготовиться, а купить такие винты в хаосе перестройки было невозможно.

В период таких "героических" будней на заводе, я без отрыва от основной работы, провел мини-ФСА пьезозажигалки с акцентом на узел "винт-гайка".

Функциональный анализ узла неожиданно выявил, что винт с гайкой оказывается необходимы только на период сборки готового изделия, после чего винт становится неподвижным упором на всю оставшуюся жизнь изделия. У потребителя доступа к винту нет. Причем, наличие резьбы в ставшем неподвижным упоре даже нежелательно, ибо в процессе эксплуатации винтовая пара может раскрутиться, расслабив предварительное поджатие, и ухудшить эффективность работы механизма. Вот вам и "благополучное" изделие! Пришлось снова заглянуть в патентный фонд, ведь туда 10 лет не заглядывали. И, как говорится: " на ловца и зверь бежит!", в патентном фонде найдены конструкции механизмов и без регулируемых на резьбе упоров. Наш диагноз оказался правильным, найден был и "живой" образец такого механизма, сработанный в одной из итальянских фирм (см. рис.4).

Рис 4

Детальное исследование такого механизма показало, что итальянские конструкторы решили проблему регулируемого упора весьма своеобразно. Ведь, если разобраться , то регулируемый упор дает еще возможность компенсировать неточности линейных размеров деталей, из которых собран пьезогенератор. А в него входят: приводной элемент с размером между лысками = (4,5 + - 0,2)мм, 2 пъезоэлемента, установленные друг за другом ,размер каждого о длине =(15 + - 0,2)мм, две торцовые пробки, размер по длине каждой = (5 + - 0,2)мм, две электроконтактные прокладки и токосъемник-прокладка, размер по длине каждой = (0,15 + -0,02)мм. Эти детали собраны в последовательную размерную цепь, общая длина которой = (39,65 + -1,26)мм имеет таким образом плавающий размер, все неточности которого компенсирует регулируемый упор. Итальянцы, не мудрствуя лукаво, обеспечили прецизионную точность в изготовлении компонентов пьезогенератора и, тем самым, свели к нулю функции компенсации и регулирования. Но самое главное в этом вопросе то, что такую точность надо обеспечить на массовом многомиллионном выпуске производстве пьезозажигалок. Итальянцы и эту проблему решили за счет привлечения специальных технологий. Итальянская зажигалка в одночасье развеяла миф о благополучности нашей зажигалки. А в условиях нашего завода, да еще в 1992 году о новых спецтехнологиях нечего было и мечтать. Таким образом анализ четко высветил наше отставание от мирового уровня, а также обозначил проблему, которую предстояло решить.

Итак, с одной стороны, наличие регулируемого упора очень удобно при сборке и настройке механизма, но конструкция сложна. Кроме того, после сборки функция регулирования отмирает, а затраты на функцию - изготовление резьбы - оказываются почти бесполезными, т.е. во многом лишние. Между прочим, оказалось, что трудоемкость пары винта с гайкой составляет 30% от всей трудоемкости изделия (исключая трудоемкость пьезоэлементов). Нечего сказать, весьма существенные затраты, да еще лишние!

С другой стороны, (по итальянскому варианту) без регулируемого упора конструкция механизма чрезвычайно упрощается. А требование прецезионной точности изготовления комплектующих - чисто технологическое, обеспечение которого зависит от экономической целесообразности и применения высокопроизводительного оборудования. Итальянцы, используя весьма производительные технологии, например технологию проката узкоспециального профиля, с которого затем нарезаются приводные элементы без отклонений от базового размера, и технологию порошковой металлургии (для пробок в пьезогенераторе) обеспечили необходимую точность.

Но, увы, на родном заводе таких технологий нет, их пришлось бы создавать на пустом месте. Естественно, что предлагать заводу такой вариант было нельзя. Но и оставлять винт с гайкой тоже нельзя. Возникло противоречие безысходности. Было от чего опустить руки.

Для того, чтобы не опускать руки, и начать действовать в сложившейся ситуации, нужно четко представить себе: Чего же мы хотим? С чего начинается анализ по АРИЗу ?

С четкой формулировки МИНИ-ЗАДАЧИ. Но и это пока не просто.

Сразу следует отметить, что попытка применить подход С.С. Литвина, В.М. Герасимова по совершенствованию альтернативных систем не удалась. По их определению альтернативные ТС должны иметь хотя -бы одну пару противоположных достоинств и недостатков, т.е. должны дополнять друг друга. Это скорее альтернативно -дополняющие ТС, чем просто альтернативные. Ничего подобного нельзя сказать об имеющихся в моем анализе системах. Более того, в итальянской конструкции нет функциональных с плохими характеристиками, а в нашей, увы, есть. Поэтому нужно, отвечая на вопрос: "Чего мы хотим?", принять в качестве ИКР итальянский вариант и подтягивать к нему наш. При таком подходе, но с учетом наших технологических возможностей, нужно сохранить функцию регулирования длиной упора, но… без резьбы! Именно в таком ключе нужно формулировать мини -задачу по АРИЗу, согласно формуле: "все остается без изменений или упрощается, но при этом появляется требуемое свойство или исчезает вредное". Самым трудным на данном этапе и был поиск четкой мини-задачи.

Дальше было легче, обозначился свет в конце туннеля. Формулируем технические противоречия (ТП), прямое и обращенное, четко представляя Узловой Компонент.

ТП1: Если упор пьезогенератора в механизме выполнен винтовым (с резьбой), то это улучшает возможность регулирования его длины и удобство сборки механизма, но усложняет (ухудшает) конструкцию.

ТП2: Если упор пьезогенератора выполнен без резьбы ( не винтовой), то это упрощает (улучшает) конструкцию, но ухудшает (не дает) возможность регулировать его длину, ухудшает удобство сборки.

Ясно, что ориентироваться на ТП1 нет смысла, а разрешение ТП2 должно вывести на решение. Выбираем упор без резьбы и переходим к физическому противоречию (ФП).

Посмотрим, что мы имеем в оперативной зоне, с учетом того какими способностями должен обладать безрезьбовый упор. Он должен обладать способностями удлиняться - укорачиваться в небольших пределах и становиться жестким стопором в нужный момент.

Одну такую способность имеет безрезьбовый упор в итальянской зажигалке. Им является ребро (стенка) каркаса, расположенное поперек оси пьезогенератора. Но удлиняться-укорачиваться стенка эта не может, как и стенка нашего каркаса. На аризном языке требования к стенке - упору на уровне физического противоречия таковы.

ФП: "Стенка каркаса должна быть подвижной вдоль продольной оси, чтобы регулировать поджатие пьезогенератора, и должна быть неподвижной, чтобы обеспечить жесткость упора после сборки механизма".

Решение было найдено довольно быстро известным в ТРИЗе способом и мне даже стало немного не по себе от его простоты. Стенка выполняется из 2-х частей, подвижной и неподвижной, каждая из которых представляет собой несимметричный клин, а подвижный клин при перемещении поперек оси пьезогенератора отжимает его по оси, т.е. выполняет функцию винта без резьбы (см. рис.5). Это и была решающая идея!

Но это - голая идея, ее еще нужно "заставить" быть работоспособной, ибо пока не ясно как удержать клин от выскакивания под действием циклически действующего усилия сжатия. Анализ вещественно-полевых ресурсов выявляет существование сил трения между клином и стенкой. Удержать клин в заданном положении, очевидно, можно только в случае превышения силы трения над силой выталкивания клина.. Возможно ли такое? Элементарный расчет показал, что возможно, и была установлена количественно зависимость, определяющая величину угла наклона опорного ребра клина:

0 < A < arctg K, где:

А - угол клина (оптимальный угол для нашего случая = 8 градусам)

К - коэффициент трения соприкасающихся материалов, клина и каркаса.

Таким образом, клиновой упор сохранил функцию винта - регулирование поджатия - при полном отсутствии резьбового соединения. Одним ударом отпали все проблемы и издержки технологии изготовления резьбы. А как же делать клин? В качестве клина была использована прямоугольная пластина с одним скошенным ребром. Изготовление ее методом штамповки не представляет для завода проблем, основные детали механизма, в т.ч. каркас, скобы рычага изготавливаются именно по такой технологии.

Какие выводы следуют из этой истории. 1.

Выводов необходимых для теории ТРИЗ пока маловато. Но ясно одно, разведанными подступами к такого рода задачам теория пока не располагает. Заслуживает пристального внимания выход на МИНИ-ЗАДАЧУ, который оказался не простым. Возможно здесь нужно глубже копать. В вышеописанной жизненной ситуации рассмотрение исходной задачи в том виде как она дана заказчиком не удается (заказчик никак ее не ставил), ибо исходная ТС была признана с точки зрения производителя благополучной. Кроме того, даже после выявленного за счет ФСА недостатка винтового регулируемого упора, формулировка двух ТП "хромает" из-за недостаточной корректности (достоверности), ибо утверждение в ТП2, что "… исключение винтового упора ведет ухудшению удобства сборки", получается лукавым. Такой (лукавый) характер ТП2 обусловлен тем, что нам известна итальянская зажигалка, в которой исключен винтовой упор, а ухудшения удобства сборки нет, и настройка не нужна. Возможно в таких ситуациях следует, не обращая внимания на лукавость одного из ТП, продолжать анализ. 2.

В практическом плане подтверждена азбучная истина, заключающаяся в том, что благополучных ТС видимо нет. В каждом кажущемся благополучии можно отыскать грехи, нужно только воспользоваться ФСА. 3.

Даже для современных технических систем, для их усовершенствования годятся принципы, найденные на заре развития техники. Новое - это хорошо забытое старое! И клин это подтвердил.

Волгоград май-июнь 1993г.

Беер-Шева (Израиль) январь 2004 г.

P.S. На вышеописанную модификацию была подана заявка на изобретение и через 6 месяцев получено положительное решение.