关于新型电动毛刷的研究与设计

胡迪

摘 要：文章采用齿轮传动机构与曲柄滑块机构对电动毛刷进行设计。齿轮传动主要是连接电动机与毛刷前端，曲柄滑块机构控制清洗液的流向，设计要求毛刷结构的平稳和清洗液的利用效率的提高。

关键词：电动毛刷；齿轮机构；曲柄滑块机构

中图分类号：U463.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）29-0040-03

1 产品的功能特点

通过旋转的刷毛自动清洗厨房及卫生间的各种水池，同时喷洒由用户自己选择的清洗液以达到针对水池清洗的目的，电动毛刷在使用过程中不需要使用者另外喷洒清洗液。刷头有转向相反的两部分组成，可以使刷洗效果更好。刷头部分可以拆卸跟换不同的刷头满足不同情况下的要求，并且便于更换旧刷头。

2 产品的使用方法

在产品电量充足的时候打开开关，刷毛将开始旋转，将刷头紧挨需清洁的表面轻轻压住至污渍洗净即可。同时可以自行选择喷洒的清洗液，装入把柄处的清洗液瓶并且拧紧即可。使用时在毛刷转动时打开喷洒开关便会在刷头自动喷洒出之前装入的清洗液，如果不需要清洗液也可装入清水提高清洗效果，请不要在液瓶内无水的情况下打开喷洒开关，可能会造成设备的加快老化、减短使用寿命或者直接损坏。

3 产品的构成与功能原理

成品图如图1：

本产品由毛刷旋转机构、清洗液喷洒机构和外壳支架三部分组成。

毛刷旋转机构中主要使用齿轮传动，由电机带动主轴齿轮转动，主轴转动将动力输送到毛刷前端，直接带动毛刷尖端部分转动，同时带动齿轮转动，将动力传送到毛刷侧面部分，使其转动，从而使整个毛刷前端转动，达到清洗的目的。

清洗液喷洒机构中主要使用曲柄滑块机构，由电机带动相当于曲柄的齿轮旋转，使活塞做往复运动，同时由于T型管内的两个单向阀，使清洗液单向得经管道向毛刷头流去，最后经喷口喷到清洁面上。

外壳支架部分主要功能是固定零部件，供清洗液在内部的管道流动。

4 产品的设计

我们希望设计一种方便的清洗装置使我们可以轻松的清洁厨房与卫生间的水池。我们主要参考的是清洗厨房与厕所使用的毛刷与电动牙刷来设计我们的电动毛刷。其主要优点是便捷省力而且附带喷洒清洗液的功能使清洁人员可以快速高效的清洗厨房及卫生间的各种水池，而且可以根据不同的水池自行选择清洗液。

最早是设计了三种传动方案。

方案一：定齿轮传动

方案二：定齿轮传动

方案三：行星轮转动

方案一通过定齿轮将主轴的动力传递给尖端的刷毛罩，方案简洁机构少，但是这样的设计会使清洗液的喷头没有好的位置喷洒清洗液。

方案二通过两个轴很长的定齿轮将主轴的动力传递给尖端的刷毛罩，这样的话中间可以给清洁液管道足够的空间而且不容易出现渗透与泄露的问题，但是会使连接手柄与毛刷头的中间连接部分直径过于巨大，不利于使用而且看起来过于庞大影响美观。

方案三通过将刷毛罩连接在行星齿轮的中心来将主轴的动力传递给刷毛罩，这样连接部分比较细但是有着清洗液管道不好设计的问题。

考虑到实现设计结构所需的尺寸问题、液体管道的密封问题与总体机构的排布问题之后，我们最终选择将方案一和方案二结合起来的新结构作为进一步设计的基础。

最后定型的刷毛罩传动方案如图2所示：

通过主轴上齿轮带动两个定齿轮转动，由内齿轮带动侧面刷毛转动，同时主轴直接连接在尖端刷毛罩上带动其转动。此方案基本上兼顾了一二方案的优点又去掉了部分重大的缺点，连接部分比较细而又给清洗液管道留有空间，整体机构布局比较简洁。

之后设计了清洗液的喷洒装置，我们选择了曲柄滑块机构。

通过主轴上齿轮带动定齿轮转动，同时上面的连杆被带动活塞做直线往复运动，而活塞在一个装了两个单向阀的T型管里做往复运动以实现不断从清洗液瓶中吸水向刷头压水。

但这只是基本的结构，在进一步设计时我们开始考虑一些实际性的问题，比如齿轮所需的模数、电机所需的功率与转速等一系列数据方面的问题。

①齿轮的设计

在设计中的齿轮均采用标准齿轮，据GB 1357-1987，齿轮模数标准值为：

第一系列：

0.1，0.12，0.15，0.2，0.25，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1，1.25，1.5，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40，50

第二系列：

0.35，0.7，0.9，1.75，2.25，2.75，（3.25），3.5，（3.75），4.5，5.5，（6.5），7，9，（11），14，18，22，28，36，45

压力角均取20？觷。

在实际设计中的具体要求是：利用齿轮系的减速比为n1：n3在2～3范围内，而整个轮系所占空间有限，大中心轮的直径约在50～70 mm范围内由齿轮啮合的规律有：

d1=z1×m

d2=z2×m

d3=z3×m

d1+2×d2=d3

又不能产生根切，即z1，z2，z3大于或等于17，综合以上条件，得到一组可行解Z1=20，z2=18，z3=56，m=1

顶部也有一组外啮合齿轮，同理z4=z6=18，z5=36

对于外齿轮d=m*z，da=d+2*m*（ha*），df=d-2*m*（ha*+c*），db=d*cos（alpha）

m=1

齿厚s=？仔*m/2=1.57（mm），具体如表1所示。

②电动机的选择。

由于缺乏实际试验数据，假定毛刷转速为10 r/s，假定毛刷外对物体表面的摩擦力为5 N，毛刷所在圆周直径为80 mm，则电动机提供的有效功率为P=2×？仔×10×5×0.04=12.56 W，查找相近功率的电动机供选择，为安全起见，工作电压设定为低于36 V，电源选择为相应的的直流可充电电源。

最后，我们根据已设计好的部件将相对合理的设计了清洗液管道和毛刷头的清洗液喷头。将清洗液管道设计在连接部分的外壳内，将喷头设计在刷头两层毛刷之间。

至此，我们的理论设计工作基本完成了，之后主要通过各种cad软件进行二维与三维的实际设计。（如图3和图4所示）

5 设计体会

我们在设计中遇到了一些问题和困难，但通过独立思考、联系理论实际以及相互讨论，最后都得到了比较好的解决。

理论中的设计就存在各种各样的问题，付诸实际则问题更多。我们设计的产品从传动原理上没什么特别的困难，但是联系到我们需要设计清洗液的流动和喷洒，一个个问题就接踵而至，首先就是管道的设计，液体的流动性决定了它的管道不能有像一般的轴一样自由旋转的部分，否则就容易出现泄漏等问题，而且管道最好设计在稳定的部分，否则容易使液体随着管道运动而使产品在使用时出现不断摇晃或者重心不稳等问题，极大得影响产品的使用。然后就是喷头的位置，我们认为在刷毛间喷洒清洗液才能最大程度得使清洗液发挥提高清洗效率及质量的效果，于是我们设计成两层毛刷的结构使得中间有位置给圆盘型的喷头。最后就是整体的布局，整个产品只有重心稳固使用起来才不会出现拿不稳或者头重脚轻等各种问题，我们在考虑了材料强度等问题后尽量将产品设计成轴对称的结构使产品在使用时尽可能的平稳。

而在二维设计和数据计算时主要出现的就是对未知事物的处理问题，在一个新产品设计中应该会出现很多问题，但这正些是需要我们通过学习去解决的问题。首先就是毛刷的转速及力矩问题，其实在这个问题上我们没有什么好的现实例子作为参考，我们类比了电动牙刷的数据但是发现它的刷头转速过于大，一般都在每秒100转以上，但是我们的产品需要考虑到水花飞溅等问题最后确定为每秒10转，这样毛刷边缘的水滴的水平加速度正好小于重力加速度，理论上不会出现水花四溅的问题。而清洗力我们假设为5 N。之后的齿轮相关计算则是另一个难题，不过在课堂内所学已经给了我们足够的知识去解决诸如重合度与传动比等一些列问题。

在制作三维模型时，由于三维模型基本体现了实物的外形布局特征，因此此过程有助于我们对之前的布局进行合理地更改。例如在设计电机和压缩机布局时，为使总体的结构更加紧凑我们在原来设计的基础上增加了一个齿轮调整了电机的位置从而使这一部分的总体尺寸减小，避免尺寸过大使产品不美观。另外，在三维设计模型时能很好地利用是否产生干涉判断尺寸设计是否合理，并及时进行更改。总的来说，三维设计能够很好的表现实物特征并能对二维设计的尺寸参数进行校验以及合理得更改，是产品设计过程中很重要的一个环节。

总的来说，虽然这次设计遇到了一些问题，但是最后都成功的解决了。在这次机械原理的课程设计中我受益匪浅，达到了开始时的设计目标，设计出了想象中的产品，也理解了“习比学重要，做比说重要”这一句至理名言，一定可以在之后的学习中更上一层楼。

参考文献：

[1] 杨家军.机械原理（第一版）[M].武汉：华中科技大学出版，2009.

[2] 常明，童秉枢.画法几何及机械制图（第四版）[M].武汉：华中科技大学，2009.

[3] 王霄，刘会霞.CATIA V5R17典型机械零件设计手册（第一版）[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[4] 韩书葵，胡仁喜，刘昌丽.CATIA V5应用教程（第一版）[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2008.

[5] GB 1357-1987，渐开线齿轮模数机械国家标准[S].