Технология инновационного проектирования Innovative Design Technology Порядок работы над проектом на примере проекта «Cleaner»

Проект «Вакуумный пылесос» SUBMITTED TO THE SANYO Electric Co. Ltd. PRESENTED BY Institute of Innovative Design Terms: Beginning:January Completion:March FINAL PRESENTATION

Вакуумный пылесос SANYO SC-JT8D Вакуумный пылесос SANYO SC-JT8D Объект анализа

Захватывать и двигать пыль потоком воздуха. Главная полезная функция

Главная цель Разработать конструкцию очищающей системы, которая резко уменьшает уровень шума с 62 Дб(A) до 49 Дб(A) или меньше, используя ТРИЗ технологию. Цели проекта

Прогноз – нет никаких ограничений, вплоть до замены физического принципа. Желательный уровень результатов проекта – степень изменений объекта: Уровень E. ОграниченияОграничения

Технология инновационного проектирования ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЭТАП Сбор вспомогательной информации Вспомогательная информация Сбор вспомогательной информации Вспомогательная информация АНАЛИТИЧЕСКИЙ ЭТАП КОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ЭТАП Анализ объекта Функциональная и потоковая модели, Тенденции развития, Ключевые недостатки, Противоречия Анализ объекта Функциональная и потоковая модели, Тенденции развития, Ключевые недостатки, Противоречия Решение задач Инженерные решения Сбор информации Исходная информация Сбор функционально- ориентированной информации Функционально- ориентированная информация, Патентная информация Сбор функционально- ориентированной информации Функционально- ориентированная информация, Патентная информация Обоснование концепций Концепции Идеи для дальнейшего развития Обоснование концепций Концепции Идеи для дальнейшего развития Постановка задач Свертывание задач, Ключевые задачи

ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЭТАП

Информационный ответ Информационный запрос Legend: Концептуальный этап Info 2 Научная (обоснованная) информация Info 1 Исходная информация Info 3 Функциональная информация Info 4 Поддерживающая информация Аналитический этап Ключевые задачи Концепции Обработка информации Информационный этап

Информационный поиск Используемые виды информации ИНФОРМАЦИЯ Info 4 Поддерживающая информация Info 3 Функциональная информация Info 1 Исходная информация ИНФОРМАЦИЯ ПО СПЕЦИФИЧЕСКИМ КОНЦЕПЦИЯМ НАУЧНО ОБОСНОВАННЫЕ РАСЧЕТЫ ПАТЕНТЫ ЛИТЕРАТУРА ВЕДУЩИЕ ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ ИНЖЕНЕРНЫЕ РАЗРАБОТКИ И ИХ КОМПОНЕНТЫ (ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, И Т.Д. ТО ЕСТЬ ДАННЫЕ ДЛЯ ФОРМУЛИРОВАНИ Я ФУНКЦИЙ) РЕСУРСЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ ИСХОДНАЯ ИНФРМАЦИЯ ОТ ЗАКАЗЧИКА (ДИАГРАММЫ, ПРИМЕРЫ, И Т.Д.) ДАННЫЕ О ПРОДУКЦИИ КОНКУРЕНТОВ Научная информация Info 2 ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБЪЕКТА АНАЛИЗА (ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ) ЭВОЛЮЦИЯ ОБЪЕКТА ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИ Е ОБЪЕКТ И ЕГО КОМПОНЕНТЫ

Направления информационного обеспечения проекта Vacuum Сleaner ИНФОРМАЦИЯ АНАЛИЗ ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ЗАКАЗЧИКА ОБ ОБЪЕКТЕ Направление Info1 ГЕНЕТИЧЕСКИЙ, СРУКТУР- НЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТА Направление Info2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОБЪЕКТА Направление Info3 ПОДДЕРЖКА КОНЦЕПЦИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОБЪЕКТА Направление Info4 Информация по конкретным техническим решениям (с научным обоснованием и расчетами). Ссылки на источники, подтверждающие реализуемость предлагаемых решений. Координаты фирм- разработчиков предлагаемого оборудования. Области техники (и конкретные решения в них), где объект функции обладает схожими свойствами и проблемами с объектом анализа и его компонентами. Области техники (и конкретные решения в них), где технические функции нашего объекта реализованы и проблемы решены наилучшим образом. История развития объекта (каким образом данную потребность удовлетворяли раньше). Научные основы принципа действия объекта (физические, химические, биологические). Параметры, характеризующие свойства объекта и его элементов. Патенты и литературные данные о продукции конкурентов (чертежи, затраты, производительность, материалы). Маркетинговая информация (спрос, допустимый уровень цен). Общенаучная информация по проблеме и объекту (оценка достижимости целей проекта) Что искатьДля каких целей

Пример определения ведущих областей науки и техники ИНФОРМАЦИОННЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ Лидирующие области техники, где накоплен наибольший опыт в разработке и проектировании подобных объектов Медицинская реанимация Химическая промышленность Объектный вход Обобщенный объект: Vacuum cleaner Критерии отбора: Способы очистки от пыли Сборка полупроводниковых приборов Функциональный вход Области науки и техники, где накоплен наибольший опыт в устранении рассматриваемых проблем Самолетостроение Автомобилестроение Вентиляторо- строение Компрессоро- строение Насосостроение Проблемы реализации обобщенной функции в существующей технологии: Вредный эффект шума Снижение шума vacuum cleaner Архитектура and town-planning Защита от индустриального шума Электронные устройства защиты от шума Сборка космических аппаратов

Базы патентных данных: 1. Федеральный институт промышленной собственности (ФГУ ФИПС), Росиия Патентная база данных США (USPTO). Патентный поиск информации

Таблица информационного поиска (фрагмент) Направлени е поиска Ведущие области науки и техники Принцип, метод, устройство Возможное применение в проекте 1.Техническая функция : Создавать воздушный поток Обобщенная техническая функция Двигать вещество 1.1. Задача:Высокая скорость воздушного потока формирует турбулентное движение. Это является причиной шума Поглощение звука веществом Вентиляторы Компрессоры Насосы Глушители Установить глушитель в корпус пылесоса. Сделать корпус двойным со звуконепроницаемым материалом внутри (использовать вакуум). 2.Техническая функция: Создавать воздушный поток Обобщенная техническая функция Двигать вещество 2.1. Задача:Двигатели газа генерируют дискретный шум при создании движения вещества Гашение звука антизвуком радиоэлектроникаСистема активного контроля звука (электронная схема) Применить схему активного контроля звука для уменьшения шума акустикаРезонаторы Гельмгольца

Аналитический этап

Структура аналитического этапа ПОСТАНОВКА КЛЮЧЕВЫХ ЗАДАЧ ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОМПОНЕНТНО-СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНО- ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИНТЕГРИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ СИСТЕМ - ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ Задачи Нежелательные эффекты Denotations: ПОСТАНОВКА КЗ НАПРАВЛЕНИЯ РЕШЕНИЯ ПЕРЕМОДЕЛИРОВАНИЕ АНАЛИЗ

Генетический анализ

ПЕРВЫЙ ЭТАП: Ручная чистка Fig. 5 Хлопалки ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССА ЧИСТКИ КОВРОВ ПЕРВЫЙ ЭТАП: Ручная чистка. Первым инструментом для чистки ковров была метелка. Это требовало больших затрат времени и сил и не давало необходимого качества чистки, т.к. размер инструмента (щетинки метелки) значительно больше размера изделия (пыли). Следующий шаг выхлопывание ковра. Инструмент силы инерции. Примеры хлополок представлены на рисунке. Хлопалки

ВТОРОЙ ЭТАП: Ручная- механическая чистка. The Bissell Crystal Sweeper the late 1800's Пыль захватывается и перемещается вращающейся щеткой. Щетка вращается опорными роликами чистильщика. The Dustkiller 1910 Захват и перенос пыли осуществляется воздушным потоком. Воздушный поток создает ручной поршневой компрессор.

Star Vacuum Date of production is unknown. Manufactured in England Distributed by Baxendale and Co. Ltd. Manchester, England Захват и перенос пыли осуществляется воздушным потоком. Воздушный поток создается мехами двигаемыми в ручную. Viking (Friction vacuum cleaners) Примерно 1940 Vital Manufacturing Co., Cleveland, OH Мешок для сбора пыли условно не показан. Захват и перенос пыли осуществляется воздушным потоком. Воздушный поток создается центробежным вентилятором. Центробежный вентилятор вращается опорными роликами чистильщика. Чистильщик двигается в ручную.

ТРЕТИЙ ЭТАП: Синтез классической технической системы «ПЫЛЕСОС» На смену ручным чистильщикам пришел пылесос, он качественнее очищает ковер.Первый пылесос изобрел британский инженер Хуберт Бут в 1901 году. Пылесос, получивший название "Фырчащий Билли", был снабжен вакуумным насосом приводимым в действие бензиновым мотором мощностью в пять лошадиных сил. Этот пылесос пользовалось в Лондоне большой популярностью. Однако шум производимый пылесосом пугал лошадей. Поэтому власти Лондона запретил их использование на улице.

Richmond, 1909 Масса- 20кг. Electrolux V, Уменьшена масса- 14кг. LG V-3644HTV Уменьшен размер- 318x265x218мм Уменьшена масса- 3.8кг. Уменьшение шума- 67дб Увеличена сила всасывания- 350Вт Увеличено качество очистки выпускного воздуха - 5 степеней фильтрации

Надсистема: Система: Подсистема: Окружающий воздухЭлектричество Вакуумный пылесос Пыль Пользователь ТрубаКорпусМотор-вентиляторЩетка (пол)Пылесборник Провод Корпус щетки Щетка Колесики Турбо-щетка Подшипники турбо- щетки Всасывающий канал трубы Рукоятка Шарнир Всасывающий центральный шланг Выходной наружный шланг Соединитель Выходной канал трубы Панель управления Корзина пылесборника Колесо провода Поглощающий фильтр выходного воздуха Выходные окна колес Фильтр защиты двигателя Блок управления Лопатки ротора Статор вентилятора Статор электромотора Ротор электромотора Шариковые подшипники Коллектор Ротор Корпус электромотора Выходной канал Электрические щетки Вилка Электр. провод Оплетка Держатель Мешок Корпус вентилятора Поверхность (пол) Компонентно-структурный анализ Соединительная втулка Входные воздушные окна Провода управления

Функциональный анализ фрагмент функциональной таблицы ЭЛЕМЕНТФУНКЦИЯRank Турбо-щетка To move dustB To generate discrete noiseH Всасывающий центральный шланг To direct sucking airflowA1 To transmit aerodynamic noiseH To transmit discrete noiseH Корпус To direct exhaust airflowA3 To hold exhaust canalA4 To hold power cord reelA2 To direct sucking airflowA1 To transmit aerodynamic noiseH To transmit mechanical noiseH Сборник пыли To collect dustB To decelerate sucking airflowH Лопатки ротора To create discrete noiseH To create exhaust airflowA3

Только 4 элемента обеспечивают выполнение главной полезной функции (ГПФ): Всасывающий поток воздуха Щетка Турбо-щетка Пылесборник Выводы функционального анализа

Вспомогательные функции - 50% Вредные функции - 48% Основные функции - 2% Statistics: Число элементов 39 Основные функции 4 Полезные функции 104 Вредные функции 94 Функционально- параметрический анализ Статистика

28% Результаты процедуры свертывания Решение задач свертывания позволят уменьшить шум без изменения физического принципа работы вакуумного пылесоса. Элемент для свертывания Задача свертывания Выходной поток1. Как охлаждать элементы пылесоса без помощи выходного воздуха? Ротор электромотора2. Как вращать ротор без ротора электромотора? Лопатки ротора3. Как двигать всасывающий поток без лопаток ротора? Коллектор4. Как вращать ротор электромотора без коллектора? Шарикоподшипники5. Как держать ротор электромотора без шарикоподшипников?

Причинно-следственный анализ Mechanical noise Release of air into atmosphere Friction of airflow about surfaces ШУМ Inhomogeneity of airflow Acceleration of airflow Change of airflow direction inside elements of cleaner Creation of turbulent airflow Capture and transfer dust by air Creation of pressure gradient Existing operation principal of cleaner Blades move air Internal friction of airflow Viscosity of air > 0 Rotor rotation Rotation of electric motor rotor Operation principle of electric motor Rigid junction of vibration sources with body Transmission of vibration by body Interaction between electric motor rotor and stator Creation of vibration Ball bearings rotation Deceleration of airflow Blades rotation in the air Turbo-brush rotation Discrete noise Aerodynamic noise Suction of air from atmosphere

Постановка ключевых задач Key problemConcepts solving key problems 1. How to muffle noise in the dust airflow?1 2. How to reduce a discrete component of noise?2 3. How to provide rigid junction of fan-motor with body, which not transmit vibration from fan-motor? 3 4 How to hold rotor of electric motor without ball bearings?4 5. How to rotate rotor of electric motor without collector?6 6. How to move discrete noise into ultra sound region of spectrum?5 7. How to rotate rotor without rotor of electric motor?6 8. How to move sucking airflow without rotor blades?7,8 9. How to cool elements of vacuum cleaner without exhaust airflow?9 10. How to eliminate suction of air from atmosphere and release of air into atmosphere? How to extract from a carpet and to transfer dust by using electric field in weak airflow of low noise vacuum cleaner? How to extract from a carpet, to transfer and collect a dust by using of electric field? 11

Классификация задач Ключевые задачи Направление 1 ГАШЕНИЕ ШУМА БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА _____________ 3 ЗАДАЧИ ИЗМЕНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА _____________ 5 ЗАДАЧ ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМНОГО ПЫЛЕСОСА ___________ 4 ЗАДАЧИ Направление 2 Направление 3

Концептуальный этап Концептуальный этап

Концептуальное направление 1 ГАШЕНИЕ ШУМА БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА The purpose of this direction: reduction of noise level without change of fan- motor. In concepts of the given direction fan-motor does not change, reduction of noise level is achieved by design methods with the minimal changes in system. ГАШЕНИЕ ШУМА БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ВЕНТИЛЯТОРА The purpose of this direction: reduction of noise level without change of fan- motor. In concepts of the given direction fan-motor does not change, reduction of noise level is achieved by design methods with the minimal changes in system.

Концепция 1(A). Гашение шума активными глушителями (резонатор Гельмгольца) 1. Всасывающий трубопровод. 2. Рукоятка. 3. Горловина резонатора Гельмгольца. 4. Резонатор Гельмгольца. 5.Система тонкой настройки резонатора Гельмгольца. 6. Нейтрализующий электрод. 7. Источник высокого напряжения. 8. Провода управления.

Концепция 1(В). Гашение шума активными глушителями (резонатор Гельмгольца) 1. Корпус мотора. 2. Кольцевой вход. 3. Резонаторы. 4. Мотор-вентилятор.

Концепция 2. Уменьшение дискретной компоненты шума вращающимся экраном. 1. Электромотор-вентилятор. 2. Ротор. 3. Лопатки. 4. Корпус 5. Ось. 6. Поддерживающая подушка Решетка.

Концепция 3. Жесткое соединение электромотора с корпусом не передающее вибрацию 1. Электромотор. 2. Электромагнит. 3. Внутренняя обойма соединения. 4. Внешняя обойма соединения. 5. Эластичные подушки 6. Уплотнительный гофр.

Концептуальное направление 2. ГАШЕНИЕ ШУМА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ МОТОРА-ВЕНТИЛЯТОРА. The purpose of this direction: reduction of noise level with change of fan- motor. In concepts of this direction reduction of noise is associated with the change of fan-motor.. ГАШЕНИЕ ШУМА С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕНЕНИЯ МОТОРА-ВЕНТИЛЯТОРА. The purpose of this direction: reduction of noise level with change of fan- motor. In concepts of this direction reduction of noise is associated with the change of fan-motor.

Концепция 4. Подшипники ротора электромотора не создающие вибрацию 1. Внешнее кольцо осевого подшипника. 2. Внутреннее кольцо осевого подшипника. 3. Постоянный магнит осевого подшипника. 4. Постоянные магниты радиального подшипника. 5. Кольцевые прокладки. 6. Вал. 7. Магнитная жидкость.

Концепция 5. Применение ультразвуковой сирены увеличивающей всасывающую способность вентилятора 1. Ротор. 2. Всасывающий статор. 3. Выходной статор. 4. Корпус.

1. Корпус. 2. Выходные окна. 3. Подающая часть ротора вентилятора. 4. Моторная часть ротора вентилятора. 5. Статор вентилятора. 6. Статор электромотора. 7. Тепловые трубы. 8. Оси. Концепция 6. Вращение ротора вентилятора за счет статора электромотора

Концепция 7. Безлопастной дисковый вентилятор 1. Корпус. 2. Диски. 3. Соединяющая решетка. 4. Статор вентилятора. 5. Вал электромотора.

Концепция 8. Эжекционный вакуумный пылесос 1. Патрубок. 2. Отсек для сбора пыли. 3. Эжектор. 4. Баллон с газом. 5. Компрессор. 6.Блок управления. 7. Воздушный фильтр. 8. Воздушные пути высокого давления.

Концептуальное направление 3 ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМНОГО ПЫЛЕСОСА The purpose of the given direction: reduction of noise level associated with change of a design of vacuum cleaner. In concepts of the given direction reduction of noise level is achieved by change of design of a vacuum cleaner. ИЗМЕНЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВАКУУМНОГО ПЫЛЕСОСА The purpose of the given direction: reduction of noise level associated with change of a design of vacuum cleaner. In concepts of the given direction reduction of noise level is achieved by change of design of a vacuum cleaner.

It is offered to change design not changing principle of operation in order to reduce noise of vacuum cleaner. Vacuum cleaner operates without release of air in environmental atmosphere. Air circulates inside the system (a body of vacuum cleaner - an airway - a floor brush - an airway – the body). Концепция 9. Вакуумный пылесос не всасывающий и не выпускающий воздух

Концепция 9(A). Вакуумный пылесос не всасывающий и не выпускающий воздух с активной системой охлаждения 1. Корпус. 2. Радиатор. 3. Термомеханический конвертер. 4. Канал возврата воздуха. 5. Вентилятор. 6. Пылесборник. 7. Провод. 8. Подающий контур воздушного пути. 9. Всасывающий контур воздушного пути. 10. Щетка HEAT 5 7

Концепция 9(B). Вакуумный пылесос не всасывающий и не выпускающий воздух с активной системой охлаждения 1. Щетка. 2. Элементы Пельтье. 3. Охлаждающий вентилятор. 4. Канал возврата воздуха. 5. Вентилятор. 6. Пылесборник. 7. Датчик температуры. 8. Блок управления. 9. Провод. 10. Подающий контур воздушного пути. 11. Всасывающий контур воздушного пути. 12. Щетка HEAT

Удаление потенциальных проблем 1. Всасывающий трубопровод. 2. Коронирующий электрод. 3. Электропроводный пылесборник. 4. Высоковольтный источник.

Вновь появившийся ресурс 1. Корпус. 2. Гибкий соединитель. 3. Внешний уплотнительный манжет. 4. Внешний уплотнительный манжет. 5. Окна возврата воздуха. 6. Всасывающее воздушное окно.

Концепция 10. Электростатический вакуумный пылесос 1. Корпус. 2. Воздушный канал. 3. Провода высокого напряжения. 4. Корпус щетки. 5. Коронирующие электроды. 6. Всасывающая полость.

Концепция 11. Электростатический пылесос 1. Корпус. 2. Роллеры. 3. Щеточный нейтрализатор. 4. Ось. 5. Источник высокого напряжения. 6. Коронирующие электроды. 7. Униполярный электретный пылесборник.

Ранжирование концепций Ранжирование концепций

Результаты ранжирования концепций

ВЫВОДЫВЫВОДЫ В результате выполненных исследований выявлены 3 концептуальных направления и разработаны 11 концепций совершенствования пылесоса, позволяющие в соответствии с требованиями Заказчика уменьшить шум работы пылесоса. 1.Произведено ранжирование разработанных концепций, позволяющее произвести многокритериальную количественную оценку их эффективности. 2.Наиболее перспективным направлением дающее максимальный эффект по цели проекта является Концептуальное направление 3: Изменение конструкции пылесоса. 3.Наиболее перспективной концепцией дающей максимальный эффект по цели проекта является Concept 11. Электростатический уборщик. 4.Проведенный предварительный анализ патентоспособности 1,3,10,11 концепций свидетельствует об их оригинальности и возможности патентования.