□ 齊歡明 □ 張興中 □ 王長春

1.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院 河北秦皇島 066004

2.濰坊學(xué)院 機電與車輛工程學(xué)院 山東濰坊 261061

新型節(jié)能健身洗衣機的設(shè)計與研究*

□ 齊歡明1□ 張興中1□ 王長春2

1.燕山大學(xué)機械工程學(xué)院 河北秦皇島 066004

2.濰坊學(xué)院 機電與車輛工程學(xué)院 山東濰坊 261061

在節(jié)能環(huán)保的主題下，設(shè)計了一種新型節(jié)能健身洗衣機。將腳蹬驅(qū)動機構(gòu)、拉力驅(qū)動機構(gòu)與洗衣機進行巧妙地結(jié)合，將人體健身鍛煉產(chǎn)生的能量通過傳動系統(tǒng)的傳遞，驅(qū)動洗衣機轉(zhuǎn)動，從而達到健身鍛煉、洗滌衣物的雙重目的。試制了新型節(jié)能健身洗衣機，并對健身效果和洗衣效果進行分析，證明該健身洗衣機節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)合理、操作簡單、實用性強，特別適合在家庭中使用。

健身洗衣機 健身鍛煉 驅(qū)動機構(gòu) 分析

隨著科技、信息技術(shù)的快速發(fā)展，電器類產(chǎn)品的日益增多，使我國的電能、煤炭、石油等能源的消耗量已呈逐年增長的趨勢。因此，節(jié)能環(huán)保成為了社會生活的一大主題，而生活水平的提高和現(xiàn)代生活觀念的轉(zhuǎn)變，健身運動已成為現(xiàn)代生活中的重要組成部分。由于現(xiàn)有的健身洗衣機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，只能通過單方向的運動形式實現(xiàn)洗衣機的洗衣桶或甩干桶的單向旋轉(zhuǎn)運動，無法實現(xiàn)洗衣桶的正反向旋轉(zhuǎn)，因此健身洗衣機的健身方式較為單一，洗衣效果較差［1］-［3］。筆者在健身、洗衣為一體的設(shè)計理念的驅(qū)使下，設(shè)計了一款節(jié)能環(huán)保、操作簡單、實用性強、結(jié)構(gòu)合理、特別適合在家庭中使用的新型節(jié)能健身洗衣機［4］。

1 健身洗衣機的工作原理

新型節(jié)能健身洗衣機的設(shè)計方案如圖1所示，洗衣機的洗衣過程是依靠安裝在洗衣桶底部波輪的正、反旋轉(zhuǎn)來帶動衣物翻轉(zhuǎn)，使衣物在水中進行柔和地摩擦并借助洗滌劑實現(xiàn)去污和清洗。正反旋轉(zhuǎn)運動要由

人體的健身運動來實現(xiàn)，就必須有一個能提供正反旋轉(zhuǎn)運動的系統(tǒng)，因此，筆者設(shè)計了結(jié)構(gòu)原理類似于健身房中重錘滑輪拉力器的拉力驅(qū)動機構(gòu)，提供節(jié)能健身洗衣機的正反旋轉(zhuǎn)運動。

▲圖1 節(jié)能健身洗衣機的設(shè)計方案

洗衣機的甩干過程是利用高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力來甩干衣物的，此轉(zhuǎn)速由電動機帶動比較容易實現(xiàn)，但要通過人體健身運動來實現(xiàn)，必須要有一個穩(wěn)定且有較高速度的動力系統(tǒng)。為此，采用自行車的飛輪系統(tǒng)，設(shè)計了腳蹬驅(qū)動機構(gòu)為節(jié)能健身洗衣機提供較高且穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速［5］。

上述兩部分的動力傳輸是通過兩套獨立的鏈輪、皮帶輪及錐齒輪來實現(xiàn)的，洗衣機內(nèi)部的動力傳輸系統(tǒng)也必須分開，一套是實現(xiàn)洗衣桶的轉(zhuǎn)動，另一套是實現(xiàn)甩干桶的轉(zhuǎn)動。在皮帶輪的運動傳輸終端，采用錐齒輪傳動，兩組90°嚙合的錐齒輪分別與洗衣機內(nèi)部的動力傳輸系統(tǒng)連接，通過傳動軸與洗衣滾筒和甩干滾筒連接，兩部分的運動互不干擾，均可單獨工作。通過洗衣機外部的兩個手柄，分別控制兩組錐齒輪的嚙合狀態(tài)，從而實現(xiàn)洗衣機在人體健身驅(qū)動或電力驅(qū)動狀態(tài)下，均可完成洗滌衣物的目標(biāo)。

結(jié)合圖2中節(jié)能健身洗衣機的結(jié)構(gòu)示意圖，對其工作原理作進一步說明［4］。

▲圖2 節(jié)能健身洗衣機的結(jié)構(gòu)示意

▲圖3 節(jié)能健身洗衣機樣機

1.1 洗衣桶正反向旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)

向下拉動拉柄時，鏈條會隨之同步動作，鏈條驅(qū)動洗衣桶牽引鏈輪、洗衣桶主傳動輪和鏈輪3轉(zhuǎn)動，配重隨之上升。洗衣桶主傳動輪的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動洗衣桶輔助輪轉(zhuǎn)動，這樣就驅(qū)動連接洗衣桶驅(qū)動輪的那組錐齒輪的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)洗衣機洗衣桶的正向旋轉(zhuǎn)。松開拉柄時，鏈條在配重自身重力的作用下反向移動，洗衣桶牽引鏈輪反轉(zhuǎn)，使洗衣桶輔助輪反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了洗衣桶的反向旋轉(zhuǎn)。反復(fù)拉動、松開拉柄，就可以實現(xiàn)洗衣桶的正反向旋轉(zhuǎn)，同時鍛煉了人體的上肢部位。

1.2 甩干桶較高速旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)

腳蹬輪、轉(zhuǎn)軸和甩干桶牽引鏈輪安裝在支撐板上的兩端，甩干桶牽引鏈輪與腳蹬輪通過鏈條連接。連續(xù)蹬動踏板，驅(qū)動腳蹬輪、甩干桶牽引鏈輪、甩干桶主傳

動輪的轉(zhuǎn)動，通過皮帶驅(qū)動甩干桶輔助輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動連接甩干桶驅(qū)動輪的那組錐齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)洗衣機甩干桶的高速旋轉(zhuǎn)，同時鍛煉了人體下肢部位。

支撐板上安裝有扶手和座椅，坐在座椅上手扶扶手、腳蹬踏板，為健身者提供一個較為舒適的運動設(shè)施，有助于延長洗衣和健身鍛煉時間。

根據(jù)設(shè)計方案及工作原理，試制了新型節(jié)能健身洗衣機樣機，如圖3所示。

2 計算與分析

2.1 傳動比的計算

家庭普通雙桶洗衣機的洗衣桶轉(zhuǎn)速在 48～55 r/min時，可提高洗凈比，甩干桶的轉(zhuǎn)速在800～1 000 r/min時，可有效保護電機［7］，傳動比及轉(zhuǎn)速見表1。

表1 傳動比及轉(zhuǎn)速參數(shù)表

洗衣桶和甩干桶的轉(zhuǎn)速根據(jù)洗衣和甩干需要及人體自身的體能狀況均可作適當(dāng)調(diào)整。改變拉力驅(qū)動機構(gòu)中配重的數(shù)目，可以間接調(diào)整洗衣桶的洗衣轉(zhuǎn)速；改變腳蹬驅(qū)動機構(gòu)中飛輪系統(tǒng)鏈輪的大小，可以調(diào)整甩干桶的轉(zhuǎn)速。故表1中給定的輸入轉(zhuǎn)速為平均轉(zhuǎn)速，且參照表1中的傳動比參數(shù)進行設(shè)計，能達到洗衣桶和甩干桶的轉(zhuǎn)速要求。

2.2 健身效果分析

（1）拉力驅(qū)動機構(gòu)主要利用了重錘滑輪拉力器的健身原理，通過反復(fù)拉動拉力驅(qū)動機構(gòu)，可充分鍛煉人體的腕部、肘部、肩部、胸部、背部、腹部等處的肌肉以及關(guān)節(jié)和韌帶。

（2）腳蹬驅(qū)動機構(gòu)主要利用了健身車的健身原理，通過連續(xù)蹬踏踏板使人體的腳踝部位、膝蓋部位、腿部及臀部等處的肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶得到充分鍛煉。

該節(jié)能健身洗衣機的效能分析見表2［6］。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，體重與健身效果相對應(yīng)，只要堅持就能達到健身鍛煉或瘦身的目的。

表2 不同體重使用者每小時健身能耗表

2.3 洗衣效果分析

選擇同一規(guī)格尺寸的純棉淺藍色襯衫作為洗滌試樣，試樣的具體參數(shù)見表3。

表3 純棉襯衫參數(shù)表

洗滌后，將在人體健身驅(qū)動條件下的洗滌效果與電力驅(qū)動條件下的洗滌效果進行對比，對比結(jié)果表明，人體健身驅(qū)動條件下襯衫的水洗尺寸變化、洗后外觀平整度及洗凈比均符合洗滌要求。然后稱重計算出兩種條件下襯衫的最終含水率［8］，計算公式如下：

式中：W0為襯衫洗滌前經(jīng)恒溫恒濕平衡24 h后的質(zhì)量，g；Wt為襯衫洗滌脫水后的質(zhì)量，g。

在電力驅(qū)動條件下襯衫試樣的含水率為73.63%。為保證在人體健身驅(qū)動條件下襯衫試樣最終含水率數(shù)值的準(zhǔn)確性，進行了10次脫水甩干試驗，最終通過計算得出平均含水率約為76.5%。證明在人體健身驅(qū)動條件下的脫水效果能滿足使用要求。

3 結(jié)論

經(jīng)試驗，新型節(jié)能健身洗衣機樣機能夠?qū)崿F(xiàn)洗衣桶的正反旋轉(zhuǎn)運動和甩干桶的高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)運動，并且根據(jù)計算與分析得到的效果可知，新型節(jié)能健身洗衣機具有良好的健身效果和洗衣效果。其結(jié)構(gòu)合理，操作簡單，實用性強，既能洗衣，又能健身鍛煉，契合了社會生活節(jié)能減排、低碳環(huán)保的主題，對于人們的健康生活具有重大意義。

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（編輯 美 華）

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1000-4998（2015）10-0038-03

*河北省引進留學(xué)人員資助項目（編號：C2013005012）

河北省自然科學(xué)基金鋼鐵聯(lián)合類重點資助項目（編號：E2012203080）

2015年4月