多向驱动电动牙刷设计

刘 帅 谭 云 黄显勋 赵雪梅（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）



多向驱动电动牙刷设计

刘 帅 谭 云 黄显勋 赵雪梅
（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

摘 要：本设计所提供的是一种具有旋转运动与径向直线运动，并且可以更换牙刷头的电动牙刷。通过其控制开关的调控，可实现3种不同的工作状态，即单一双向旋转运动、单一径向直线运动、双向旋转及径向直线同步运动。其原理是通过电机驱动偏心曲柄滑块机构来实现径向直线运动；通过单个电机驱动带动牙刷头旋转实现旋转运动。并通过机械动力学仿真软件ADAMS、Solid Works进行仿真设计确实可行，且其设计前身技术已经获得国家实用新型专利授权认证，专利号：ZL 2014 2 0673358.6。

关键词：曲柄滑块；急回特性；电机；牙刷头

电动牙刷是近几年出现的新产品，由于电动牙刷清洁效率高，可以清洁到手工刷牙所清洁不到的盲区，同时其清洁效果好，能够有效地保护牙龈健康，所以目前在欧美许多国家电动牙刷是一款非常流行的日用品。然而由于在我国电动牙刷的价格比较昂贵，且其使用寿命一般为2～3个月，寿命较短，从而导致电动牙刷在我国市场上推广还存在很大的阻碍；而本设计所提供的电动牙刷结构简单、制造成本低、牙刷头可更换的功能大大解决了现有电动牙刷价位高、使用寿命短的缺陷，为后续电动牙刷的市场推广提供便利。

1 一种多向驱动电动牙刷的工作原理

1.1 径向直线驱动机构

电动牙刷径向直线驱动机构示意图如图1所示，通过在其内部设置径向驱动机构，改变电机输出力的方向，使得牙刷头1在导轨2上做往复的直线运动。

1.2 旋转驱动机构

电动牙刷旋转驱动机构示意图如图2所示，通过在其内部设置旋式驱动机构3，使得牙刷头1在旋式驱动机构的驱动下进行旋转运动（包括顺时针转动与逆时针转动两种转动方式）。

1.3 控制开关

以上两种驱动方式分别由两个相对独立的开关所控制，即该电动牙刷的运动方式包含以下3种：径向直线运动、旋转运动、径向运动与旋转运动同步运动等。

2 一种多向驱动电动牙刷的结构介绍

2.1 径向直线驱动机构

电动牙刷的径向直线驱动机构示意图如图3所示。

编号1为牙刷头；

编号2为滑动导轨；

编号4为摇杆（空心塑料圆杆）；

编号5为曲柄（空心塑料圆杆）；

编号6为驱动电机b。

摇杆4和曲柄5之所以设计成空心塑料圆杆是为了减少曲柄滑块机构动力原件与传统件的质量。因为减少连杆质量，可以有效地减少系统的转速波动，减少了系统的负载，减少对电机的功率要求。

图1

图2

图3

工作机理：机构运行工作时：

（1）电机b顺时针转动带动曲柄5也做顺时针转动；

（2）曲柄5的顺时针转动带动摇杆4在一定的角度范围内摆动；

（3）摇杆4在摆动过程中会推动滑块（牙刷头1）在滑块儿导轨2上做往复的直线运动。

此处的曲柄滑块采用偏置曲柄滑块机构，即滑块中心与曲柄5圆周转动的圆心不在同一水平线上。偏置的曲柄滑块机构不仅能够实现将电机的旋转运动转化为滑块的往复直线运动，与此同时还具有急回特性，使得牙刷头在水平向左直线运动，即工作行程速度慢、功率大；在水平向右直线运动，即返回空行程速度快、功率小。

极位夹角：即曲柄5与摇杆4在运动过程中，两杆在一条直线上重合（即死点位置）有两种情况，这两种情况下对应的两条直线的夹角就是极位夹角。

且平面四杆机构在运动过程中出现极位夹角时，机构就具有急回特性，K值

图4

2.2 双向旋转驱动机构

电动牙刷的双向旋转驱动机构示意图如图4所示。编号7为空心滑块。

将电机a安装在空心滑块7中。两者相对固定；牙刷头1与电机b两者安装关系为可拆卸的安装。

工作机理：机构运行工作时：当牙刷的工作状态为单一双向旋转运动时，由电机b带动牙刷头1进行顺时针或者逆时针的转动；

当牙刷的工作状态为双向旋转及径向直线同步运动时，电机b作为动力源驱动右曲柄5、摇杆4以及牙刷头1构成的曲柄滑块机构，从而将电机的扭矩转化为滑块（牙刷头1）往复直线运动的推力；而滑块的往复直线运动带动与其相连接的牙刷头1的运动，与此同时牙刷头也在电机a的驱动下进行顺时针或者逆时针的转动。

电机a采用的是有刷直流电动机，因为有刷直流电机是用电机换向的，电刷换向具有可逆性。可以通过开关控制控制电机a的顺时针或者逆时针转动。

结语

本文在实验与已有专利技术的基础上，进一步分析设计了多向驱动电动牙刷。本文所设计的电动牙刷主要由径向直线驱动机构与旋转驱动机构这两大机构组成，通过其开关控制可实现电动牙刷单一双向旋转运动、单一径向直线运动、双向旋转与径向直线同步运动等3种工作方式，并且其牙刷头可替换的特点，更是大大地延长了电动牙刷的使用寿命，解决了因市场上现有电动牙刷使用寿命较短而难以进一步推广的问题。

参考文献

［1］王尚斌.曲柄滑块机构转速波动与动态静力综合分析［J］.华中科技大学学报，2014，42（1）：28-33.

［2］ 陈国华.机械机构及应用［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［3］刘永平.椭圆齿轮偏置曲柄滑块机构的运动特性研究［J］.机械设计与制造，2014 （12）：37-39.

［4］王跃进.机械原理［M］.北京：北京大学出版社，2009.

［5］张文海.直流电机释疑［J］.微特电机，2012，40（11）：61-62.

中图分类号：R78

文献标识码：A

基金项目：本论文获得“广东石油化工学院”大学生创新创业培育计划项目资助，项目名称：多向驱动电动牙刷；项目编号：2015pyC010。越大，机构的急回特性越显著。

通信作者：谭云。