一种拖把清洁拧干装置的研制

吴新良，吴占轴，吴超，杨嘉欣，黄培腾，邱锦泽

（厦门理工学院现代工程训练中心，福建厦门361024）

一种拖把清洁拧干装置的研制

吴新良，吴占轴，吴超，杨嘉欣，黄培腾，邱锦泽

（厦门理工学院现代工程训练中心，福建厦门361024）

现有的拖把清洁装置大多通过快速旋转的方法清洁和甩干带有旋转头的拖把，不适用于普通拖把。利用曲柄摇杆机构和杠杆增力机构，研制了一种适用于普通拖把的清洁和拧干装置。其中曲柄摇杆机构实现旋转滚筒来清洁拖把的功能，并基于最小传动角的最大值来优化设计曲柄摇杆机构的各杆长。杠杆增力机构实现拖把的拧干功能，并对其增力效果进行了分析。最后的制造实验结果表明，该装置能实现普通拖把的清洁和拧干，具有实际使用价值和一定的创新性。

拖把；曲柄摇杆机构；增力机构

拖把及拖把清洁装置是日常生活中常用物品，现有产品基本以旋转头拖把[1-4]为主，并利用拖把旋转头的旋转，实现杂物的清洁和甩干，使用方便，拖把甩干效果好。但不足之处在于，旋转头拖把布条须分布在旋转头圆周上而使得布条较少，拖地板时清洁效率不高。而普通布条拖把使用较广，特别在农村地区和公共区域如医院等室内清洁。针对普通布条拖把，大多数拖把桶只有提供辅助拧干装置。

本文研制一种集清洁和拧干功能于一体的拖把清洁拧干装置，由“曲柄摇杆旋转机构”和“杆杠滑块挤压机构”分别实现拖把的清洁和拧干。创新在于该清洁方式不同于普通的旋转离心清洁或甩干，而用滚动轮的方法将头发等难清理的东西主动加以清理，并通过挤压拧干拖把，适用于布条式普通拖把，具有较强的实际使用价值和一定的创新性。

1 拖把清洁器结构

如图1所示，现有典型拖把桶内部采用摇杆滑块和齿轮齿条机构组合产生旋转运动，驱动旋转拖把，从而实现基于离心的清洁和甩干。优点在于运动机构成熟可靠，齿轮齿条配合也易于实现高速旋转运动。但其脚踏板（摇杆）的往复往往依靠弹簧拉回，耐用性较差，更主要的不足是该拖把桶须配合专门的旋转式拖把使用。

图1 典型拖把桶及其旋转式拖把

对此本文采用“曲柄摇杆旋转机构”实现普通拖把的清洁功能，配合“杠杆增力挤压机构”实现拖把的挤水，所设计拖把清洁器整体结构如图2所示。

图2 产品设计三维结构图

其中利用四连杆的曲柄摇杆机构，由脚踏板2的往复运动通过连杆3传动，转化为曲柄4的旋转运动。曲柄上设有圆柱形滚筒5，其轴向和径向设有多排多列突起物，使得旋转的滚筒类似梳子对拖把进行“梳理”，从而清洁拖把上的脏物，如头发、碎纸等。对于拖把的拧干功能（可见图3），利用杆杠增力挤压机构，通过脚踏板10下踩驱动杆杠6并通过连杆8驱动滑块9移动，从而实现拖把的拧干，最后利用弹簧使得脚踏板复位。本装置集成清洁和拧干功能于拖把桶中，机构可靠便于使用，适应于各类常用布条拖把。

图3 杠杆增力的挤压机构

2 清洁器机构理论设计

2.1 曲柄摇杆清洁装置的设计

图2中曲柄摇杆旋转机构的简图如图4所示。曲柄摇杆机构设计主要是确定满足使用需要的各机构杆长尺寸。若机构行程速比K（用于衡量机构的急回运动的相对程度，K越大，急回特性性质越显著），摇杆摆角ψ和传动角γ的极值已知，则只需确定曲柄长度a、连杆长度b，摇杆长度c，机架长度d中的某一个数值，则可求其他三个杆长[5]。

图4 曲柄摇杆机构图

现考虑该装置结构需紧凑，外观尺寸在500 mm ×400mm×300mm内，因此根据机构的布置尺寸，首先定义摇杆c=220 mm；其次根据人脚踩的舒适度，定义摇杆摆角ψ=45°；最后本机构不要求过大的急回特性，给定行程速比系数K=1.1，则其余各杆几何尺寸计算如下[6，7]：

极位夹角：

最小传动角：

曲柄长

连杆长度

机架长度

式中：φ=β+θ/2；β为辅助角[6]：

曲柄摇杆机构在运动过程中，其传动角是不断变化的，传动角γ越大，越有利于机构的传动。因此，为使机构的传力性能达到最佳，应按最小传动角γmin的最大值来进行机构的设计。由γmin表达式可知，最小传动角是关于辅助角β的函数，其值域如图5所示。现对γmin寻极值，在β＝8.90°处，最小传动角γmin取极大值51.68°.将z1、z2、z3和该β值代入上述各项式子，可求得最佳传力性能的机构尺寸：a=82.20 mm，b=257.09 mm，c=292.79 mm.

图5 最小传动角变化范围

2.2 杠杆增力挤压机构的设计

通过杠杆增力机构实现拖把的挤压功能，其结构如图3所示。首先摇杆6固定连接于脚踏板10的转动轴上，通过踩动踏板10，由杆杠原理使摇杆6较轻松地转动，从而推动连杆8.进而连杆8推动挤水板9沿着滑块导槽11向前运动，以挤压拖把，并在扭力弹簧7的作用下，去除踏板外力后挤水板9和脚踏板10自动回位。

杆增力的挤压机构的力学分析简图如6所示。设脚作用踏板力为F1，挤水板和扭力弹簧的反作用力F2，踏板杆长为L1，摇杆的杆长为L2，相关夹角如图6所示。

图6 杠杆挤压原理图

将F1和F2分别沿踏板和摇杆的的杆长和垂直方向作分解，由杠杆的力矩平衡方程可得：

现取L1=300 mm，L2=100 mm，则F2＝1.9*F1/sin（180-α），起时位置θ取100°，杠杆挤压力扩大1.9倍；当下踩踏板挤压拖把过程，α不断增大接近180°，增力效果越明显，若极限位置α取170°，则有F2＝11.1*F1，即挤压增力达11余倍。滑块运动行程为

3 拖把清洁拧干器的制造实验

试制了相关实物模型如图7所示，并进行了基本的功能实验。其中在曲柄上加装飞轮以避免死点，且在摇杆上加装弹簧以使得脚踏板外力撤回，踏板最终处在最佳状态。通过脚踩曲柄摇杆机构的摇杆踏板，能有效实现滚筒旋转并梳理拖把，此外杠杆增力作用较明显。

因本装置设计分析集中在运动学方面，对机构旋转运动的动力学如振动和冲击未进行考虑，实验时若脚踩踏速度慢，或拖把用力压住滚筒，易导致滚筒停止旋转，此时需重新用力踩踏启动滚筒以恢复一定的旋转速度。

图7 拖把清洁拧干器实物

4 结束语

所研制的拖把清洁装置清洗拖把不同于普通的旋转离心清理，而采用曲柄摇杆机构实现旋转凸状滚筒来清洁拖把，并配合杠杆增力机构对拖把进行拧干，适用面更广；并基于最小传动角的最大值对曲柄摇杆机构进行了详细设计和对杠杆增力机构进行了相关分析和设计。最后进行了实物模型制作，实现了预定运动功能且拧干增力作用明显，具有一定的实际使用价值和创新性。

但因本装置研制目前主要基于运动学的结构设计，实物模型验证功能的可行性，相关传动的动力学性能未加以详细研究。此外基于人机工程学原理还可进一步研究最适合身体操作舒适度的机构尺寸以进一步提高装置的易用性。

[1]钟任花.一种旋转拖把桶.中国.CN201210492231.X[P]. 2013-3-13.

[2]李军.轻便拖把及其与之配套使用的拖把桶，中国. CN201020569481.5[P].2011-03-23.

[3]赵一美.手压拖把杆驱动拖把头旋转进行清洗或脱水的装置及方法，中国.CN104382542A[P].2015-03-04.

[4]胡雄.一种带旋转机构的拖把清洁器，中国.CN10362 2649A[P].2014-03-12.

[5]尚锐，高虹，张波.按行程速比系数及传动角设计曲柄摇杆机构的解析算法[J].机械设计与制造，1999，（03）：18-19.

[6]陈海文，王忠，赵斐.基于最小传动角最大的曲柄摇杆机构设计方法[J].机械传动，2015，（06）：131-134.

[7]苏有良.按最小传动角最大的曲柄摇杆机构优化设计[J].机械设计，2014，（06）：29-33.

The Reach on Design and Manufacture of Mop Clean Device

WU Xin-liang，WU Zhan-zhou，WU Chao，YANG Jia-xin，HUANG Pei-teng，QIU Jin-ze
（Mordern Engineering Training Center，Xiamen University of Technology，Xiamen Fujiang 361024，China）

Existing mop cleaning device are based on the fast rotating method to cleaning and drying a mop with head spin，which does not apply to ordinary mop. The crank-rocker mechanism and the force amplifier mechanism by lever was applied to developed a kind of mop clean device，which are also suitable to ordinary mop cleaning and screw drying. The crank -rocker mechanism，which driving the roller in the device to clean the mop，was designed based on the maximal value of minimal-transmission-angle . The force amplifier mechanism by lever was designed to squeeze the mop for drying. And the force amplifier effect was analyzed. Then the designed device was manufactured and tested. The results show that the device can realize the common mop cleaning and drying. It can be used in dairy life and has certain product design innovation.

mop；crank-rocker mechanism；force amplifier mechanism

T H122

A

1672-545X（2016）09-0089-04

2016-06-10

福建省教育厅科技项目资助（JB13158）

吴新良（1981-），男，福建仙游人，实验师，硕士，研究方向：数字化设计与制造。