劉 帥 譚 云 黃顯勛 趙雪梅（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

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多向驅(qū)動電動牙刷設(shè)計

劉 帥 譚 云 黃顯勛 趙雪梅
（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

摘 要：本設(shè)計所提供的是一種具有旋轉(zhuǎn)運動與徑向直線運動，并且可以更換牙刷頭的電動牙刷。通過其控制開關(guān)的調(diào)控，可實現(xiàn)3種不同的工作狀態(tài)，即單一雙向旋轉(zhuǎn)運動、單一徑向直線運動、雙向旋轉(zhuǎn)及徑向直線同步運動。其原理是通過電機(jī)驅(qū)動偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)徑向直線運動；通過單個電機(jī)驅(qū)動帶動牙刷頭旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。并通過機(jī)械動力學(xué)仿真軟件ADAMS、Solid Works進(jìn)行仿真設(shè)計確實可行，且其設(shè)計前身技術(shù)已經(jīng)獲得國家實用新型專利授權(quán)認(rèn)證，專利號：ZL 2014 2 0673358.6。

關(guān)鍵詞：曲柄滑塊；急回特性；電機(jī)；牙刷頭

電動牙刷是近幾年出現(xiàn)的新產(chǎn)品，由于電動牙刷清潔效率高，可以清潔到手工刷牙所清潔不到的盲區(qū)，同時其清潔效果好，能夠有效地保護(hù)牙齦健康，所以目前在歐美許多國家電動牙刷是一款非常流行的日用品。然而由于在我國電動牙刷的價格比較昂貴，且其使用壽命一般為2～3個月，壽命較短，從而導(dǎo)致電動牙刷在我國市場上推廣還存在很大的阻礙；而本設(shè)計所提供的電動牙刷結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、牙刷頭可更換的功能大大解決了現(xiàn)有電動牙刷價位高、使用壽命短的缺陷，為后續(xù)電動牙刷的市場推廣提供便利。

1 一種多向驅(qū)動電動牙刷的工作原理

1.1 徑向直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)

電動牙刷徑向直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示，通過在其內(nèi)部設(shè)置徑向驅(qū)動機(jī)構(gòu)，改變電機(jī)輸出力的方向，使得牙刷頭1在導(dǎo)軌2上做往復(fù)的直線運動。

1.2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

電動牙刷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，通過在其內(nèi)部設(shè)置旋式驅(qū)動機(jī)構(gòu)3，使得牙刷頭1在旋式驅(qū)動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動（包括順時針轉(zhuǎn)動與逆時針轉(zhuǎn)動兩種轉(zhuǎn)動方式）。

1.3 控制開關(guān)

以上兩種驅(qū)動方式分別由兩個相對獨立的開關(guān)所控制，即該電動牙刷的運動方式包含以下3種：徑向直線運動、旋轉(zhuǎn)運動、徑向運動與旋轉(zhuǎn)運動同步運動等。

2 一種多向驅(qū)動電動牙刷的結(jié)構(gòu)介紹

2.1 徑向直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)

電動牙刷的徑向直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

編號1為牙刷頭；

編號2為滑動導(dǎo)軌；

編號4為搖桿（空心塑料圓桿）；

編號5為曲柄（空心塑料圓桿）；

編號6為驅(qū)動電機(jī)b。

搖桿4和曲柄5之所以設(shè)計成空心塑料圓桿是為了減少曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動力原件與傳統(tǒng)件的質(zhì)量。因為減少連桿質(zhì)量，可以有效地減少系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動，減少了系統(tǒng)的負(fù)載，減少對電機(jī)的功率要求。

圖1

圖2

圖3

工作機(jī)理：機(jī)構(gòu)運行工作時：

（1）電機(jī)b順時針轉(zhuǎn)動帶動曲柄5也做順時針轉(zhuǎn)動；

（2）曲柄5的順時針轉(zhuǎn)動帶動搖桿4在一定的角度范圍內(nèi)擺動；

（3）搖桿4在擺動過程中會推動滑塊（牙刷頭1）在滑塊兒導(dǎo)軌2上做往復(fù)的直線運動。

此處的曲柄滑塊采用偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即滑塊中心與曲柄5圓周轉(zhuǎn)動的圓心不在同一水平線上。偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)直線運動，與此同時還具有急回特性，使得牙刷頭在水平向左直線運動，即工作行程速度慢、功率大；在水平向右直線運動，即返回空行程速度快、功率小。

極位夾角：即曲柄5與搖桿4在運動過程中，兩桿在一條直線上重合（即死點位置）有兩種情況，這兩種情況下對應(yīng)的兩條直線的夾角就是極位夾角。

且平面四桿機(jī)構(gòu)在運動過程中出現(xiàn)極位夾角時，機(jī)構(gòu)就具有急回特性，K值

圖4

2.2 雙向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)

電動牙刷的雙向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。編號7為空心滑塊。

將電機(jī)a安裝在空心滑塊7中。兩者相對固定；牙刷頭1與電機(jī)b兩者安裝關(guān)系為可拆卸的安裝。

工作機(jī)理：機(jī)構(gòu)運行工作時：當(dāng)牙刷的工作狀態(tài)為單一雙向旋轉(zhuǎn)運動時，由電機(jī)b帶動牙刷頭1進(jìn)行順時針或者逆時針的轉(zhuǎn)動；

當(dāng)牙刷的工作狀態(tài)為雙向旋轉(zhuǎn)及徑向直線同步運動時，電機(jī)b作為動力源驅(qū)動右曲柄5、搖桿4以及牙刷頭1構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，從而將電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)化為滑塊（牙刷頭1）往復(fù)直線運動的推力；而滑塊的往復(fù)直線運動帶動與其相連接的牙刷頭1的運動，與此同時牙刷頭也在電機(jī)a的驅(qū)動下進(jìn)行順時針或者逆時針的轉(zhuǎn)動。

電機(jī)a采用的是有刷直流電動機(jī)，因為有刷直流電機(jī)是用電機(jī)換向的，電刷換向具有可逆性?？梢酝ㄟ^開關(guān)控制控制電機(jī)a的順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動。

結(jié)語

本文在實驗與已有專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析設(shè)計了多向驅(qū)動電動牙刷。本文所設(shè)計的電動牙刷主要由徑向直線驅(qū)動機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)這兩大機(jī)構(gòu)組成，通過其開關(guān)控制可實現(xiàn)電動牙刷單一雙向旋轉(zhuǎn)運動、單一徑向直線運動、雙向旋轉(zhuǎn)與徑向直線同步運動等3種工作方式，并且其牙刷頭可替換的特點，更是大大地延長了電動牙刷的使用壽命，解決了因市場上現(xiàn)有電動牙刷使用壽命較短而難以進(jìn)一步推廣的問題。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：R78

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：本論文獲得“廣東石油化工學(xué)院”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培育計劃項目資助，項目名稱：多向驅(qū)動電動牙刷；項目編號：2015pyC010。越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越顯著。

通信作者：譚云。