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Chung-Ping Chiang and Ching-Huan Tseng
Department of Mechanical Engineering, National Chiao Tung University
Hsinchu 30056, Taiwan,
E-mail: chtseng@cc.nctu.edu.tw
TEL: 886-3-5726111 EXT. 55155 FAX: 886-3-5717243
* Graduate Student
** Professor
引言
用于阻止或者减慢自行车速度的刹车装置有很多种。从由于经济或者方便的因素，卡钳式或者杠杆式的刹车是最常见的，操作者压下手柄，刹车就卡住自行车轮缘。这样的刹车装置通常包括由安装在刹车构架里面的两块刹皮，相对地安装在轮缘的两侧。刹皮跟轮缘接触，靠摩擦力刹车。（见图一） （图片）
图一 自行车刹车结构 很明显，当潮湿或者表面磨光以后，接触面会有更小的摩擦系数从而有更小的刹车力。卡钳或者杠杆式刹车没有保护装置，受到天气影响容易损坏，另外，水膜或者沙砾都会导致摩擦系数减少。事实上，自行车都是要么以干燥要么以潮湿地面为标准设计的。因而，有必要设计一种适用任意天气，保障安全行驶的刹车。
过去，工程师们尝试各种实验寻找在所有气候条件里面能够提高刹车性能，比如可靠性和稳定性，的材料。铝合金轮缘配上一种特定刹皮材料能够在干燥的时候摩擦系数小，潮湿的时候反而大[1]。这是近年来最常见的方法。不幸的是，如果有沙砾，这些很软的铝就很容易被磨掉，一片片的铝嵌在刹车里面被氧化成Al2O3，然后轮缘就被更快地磨损掉，干燥摩擦系数会降低到一个很危险的水平。对于钢轮缘来说，没有这样的问题。然而，一般用来提高在各种气候下都适用的方法，都会带来不方便。另外的话说，用常规妥协的办法无法克服技术矛盾。这样，就需要TRIZ来解决系统矛盾。
系统冲突的演算
为了得到正确的公式，需要重新分析系统冲突和设计要求。所讨论的系统的要求简单定义如下：
刹皮适用任何气候条件，轮缘的过度磨损被避免。并且，不能对系统本身有过大的更改。
发展适用任何气候条件的自行车刹车问题可以从两个观点角度来考评一下。第一个观点是刹车由适用一种气候条件的材料构成，干或者湿，使用者要在不同天气换不同的刹车。第二，轮缘被水膜或者沙砾覆盖的时候，它又会在干或者湿的条件下有不同的性能。所以，在核心问题找到以前，不容易解决这个问题。然而，通常的解决含有矛盾问题的方法可以简单陈述如下：
1． 通过换或者调整刹车，可靠性在干或者潮湿条件下都有提高。但是使用不方便。
2． 通过调整技术参数，比如刹车、轮缘改善任意条件下的稳定性。
通过使用阿列特殊列尔的矛盾矩阵，以及40条发明原理，人们没有必要去在系统矛盾之中妥协。包含矛盾的问题可以重新用矛盾矩阵的方式陈述如下：
a. 性能“可靠性”导致性能“方便性”的降低。
b. 性能“稳定性”导致性能“有害的副作用”。
从矛盾矩阵“可靠性/方便性”之中，可以看到三条发明原理。如下所示：
1． 便宜的短期使用的物体代替昂贵的持久使用的（27号）
2． 转向另一个维度（17号）
3． 复合材料（40号）
重复上面的步骤，可以得到关于“稳定性/有害副作用”技术矛盾。建议的发明原则如下：
1． 改变物体的物化性能（35号）
2． 媒介（24号）
3． 柔性或者膜（30号）
4． 机械震动（18号）
概念设计
考虑到系统要求，尝试同时使用“复合材料”“媒介”是可行的。
“复合材料”原理是：
“用复合的材料代替均匀的材料”
“媒介”原理是：
“使用中间物体来转移或者执行功能”
“短期将物体同另外一个容易移除的物体相联”。
一种分离式的刹车结构是上面“复合材料”原理的应用。是一种方便地克服“可靠性/方便性”矛盾的方法。美国一个叫Richard C. Everett的申请了此专利并且在1999年得到了通过。装置是由两种不同的弹性橡胶构成，分别适用干燥和潮湿状况。图二展示了切面图。（图片）
图二 专利切面图 组合“复合材料”和“媒介”，可以得到一个理想的设计，可以申请专利。见图三，一个可以移动的软橡胶安装在刹车前端，用弹簧调节倾斜。移动橡胶的面跟轮缘预设一些距离。刹车的时候，移动橡胶先接触轮缘，抹去水膜，沙砾，尘土。刹车皮接触轮缘的时候，任意天气条件下都能有同样的效果。这样，TRIZ就成功解决了这个系统矛盾问题。（图片）
图三 新的刹车概念（美国专利申请中） 结论
在这个研究当中，探讨了自行车刹车的系统要求。正确地建立了解决系统矛盾的公式。图三所示的美国专利所谓研究例子，充分证明了矛盾矩阵给出的结果是一个非常杰出的创新工具。通过对阿列特殊列尔矛盾矩阵给出的不同系统矛盾的发明原理的组合，获得了一个可以在任意气候条件下适用的刹车概念。
引用文献
1. Frank Rowland Whitt and David Gordon Wilson, Bicycling Science, 2nd edition, The MIT Press, 1990.
2. Altshuller, Genrich, 40 Principles: TRIZ Keys to Technical Innovation, 1st edition, Technical Innovation Ceter, Inc., Jan. 1998.
3. John Terninko, Alla Zusman and Boris Zlotin, STEP-by-STEP TRIZ: Creating Innovative Solution Concepts, 3rd edition, Responsible Management Inc., 1996.
4. Victor R. Fey and Eugene I. Rivin, The Science of Innovation, TRIZ Group, 1997.
5. United States Patent, Patent Number: U.S. 5,896,955.
10/18/2005
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