吳新良，吳占軸，吳超，楊嘉欣，黃培騰，邱錦澤

（廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，福建廈門361024）

一種拖把清潔擰干裝置的研制

吳新良，吳占軸，吳超，楊嘉欣，黃培騰，邱錦澤

（廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心，福建廈門361024）

現(xiàn)有的拖把清潔裝置大多通過快速旋轉(zhuǎn)的方法清潔和甩干帶有旋轉(zhuǎn)頭的拖把，不適用于普通拖把。利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和杠桿增力機(jī)構(gòu)，研制了一種適用于普通拖把的清潔和擰干裝置。其中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)滾筒來清潔拖把的功能，并基于最小傳動角的最大值來優(yōu)化設(shè)計曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的各桿長。杠桿增力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拖把的擰干功能，并對其增力效果進(jìn)行了分析。最后的制造實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)普通拖把的清潔和擰干，具有實(shí)際使用價值和一定的創(chuàng)新性。

拖把；曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；增力機(jī)構(gòu)

拖把及拖把清潔裝置是日常生活中常用物品，現(xiàn)有產(chǎn)品基本以旋轉(zhuǎn)頭拖把[1-4]為主，并利用拖把旋轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雜物的清潔和甩干，使用方便，拖把甩干效果好。但不足之處在于，旋轉(zhuǎn)頭拖把布條須分布在旋轉(zhuǎn)頭圓周上而使得布條較少，拖地板時清潔效率不高。而普通布條拖把使用較廣，特別在農(nóng)村地區(qū)和公共區(qū)域如醫(yī)院等室內(nèi)清潔。針對普通布條拖把，大多數(shù)拖把桶只有提供輔助擰干裝置。

本文研制一種集清潔和擰干功能于一體的拖把清潔擰干裝置，由“曲柄搖桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)”和“桿杠滑塊擠壓機(jī)構(gòu)”分別實(shí)現(xiàn)拖把的清潔和擰干。創(chuàng)新在于該清潔方式不同于普通的旋轉(zhuǎn)離心清潔或甩干，而用滾動輪的方法將頭發(fā)等難清理的東西主動加以清理，并通過擠壓擰干拖把，適用于布條式普通拖把，具有較強(qiáng)的實(shí)際使用價值和一定的創(chuàng)新性。

1 拖把清潔器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，現(xiàn)有典型拖把桶內(nèi)部采用搖桿滑塊和齒輪齒條機(jī)構(gòu)組合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)拖把，從而實(shí)現(xiàn)基于離心的清潔和甩干。優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)動機(jī)構(gòu)成熟可靠，齒輪齒條配合也易于實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但其腳踏板（搖桿）的往復(fù)往往依靠彈簧拉回，耐用性較差，更主要的不足是該拖把桶須配合專門的旋轉(zhuǎn)式拖把使用。

圖1 典型拖把桶及其旋轉(zhuǎn)式拖把

對此本文采用“曲柄搖桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)普通拖把的清潔功能，配合“杠桿增力擠壓機(jī)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)拖把的擠水，所設(shè)計拖把清潔器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品設(shè)計三維結(jié)構(gòu)圖

其中利用四連桿的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，由腳踏板2的往復(fù)運(yùn)動通過連桿3傳動，轉(zhuǎn)化為曲柄4的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。曲柄上設(shè)有圓柱形滾筒5，其軸向和徑向設(shè)有多排多列突起物，使得旋轉(zhuǎn)的滾筒類似梳子對拖把進(jìn)行“梳理”，從而清潔拖把上的臟物，如頭發(fā)、碎紙等。對于拖把的擰干功能（可見圖3），利用桿杠增力擠壓機(jī)構(gòu)，通過腳踏板10下踩驅(qū)動桿杠6并通過連桿8驅(qū)動滑塊9移動，從而實(shí)現(xiàn)拖把的擰干，最后利用彈簧使得腳踏板復(fù)位。本裝置集成清潔和擰干功能于拖把桶中，機(jī)構(gòu)可靠便于使用，適應(yīng)于各類常用布條拖把。

圖3 杠桿增力的擠壓機(jī)構(gòu)

2 清潔器機(jī)構(gòu)理論設(shè)計

2.1 曲柄搖桿清潔裝置的設(shè)計

圖2中曲柄搖桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡圖如圖4所示。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計主要是確定滿足使用需要的各機(jī)構(gòu)桿長尺寸。若機(jī)構(gòu)行程速比K（用于衡量機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動的相對程度，K越大，急回特性性質(zhì)越顯著），搖桿擺角ψ和傳動角γ的極值已知，則只需確定曲柄長度a、連桿長度b，搖桿長度c，機(jī)架長度d中的某一個數(shù)值，則可求其他三個桿長[5]。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖

現(xiàn)考慮該裝置結(jié)構(gòu)需緊湊，外觀尺寸在500 mm ×400mm×300mm內(nèi)，因此根據(jù)機(jī)構(gòu)的布置尺寸，首先定義搖桿c=220 mm；其次根據(jù)人腳踩的舒適度，定義搖桿擺角ψ=45°；最后本機(jī)構(gòu)不要求過大的急回特性，給定行程速比系數(shù)K=1.1，則其余各桿幾何尺寸計算如下[6，7]：

極位夾角：

最小傳動角：

曲柄長

連桿長度

機(jī)架長度

式中：φ=β+θ/2；β為輔助角[6]：

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，其傳動角是不斷變化的，傳動角γ越大，越有利于機(jī)構(gòu)的傳動。因此，為使機(jī)構(gòu)的傳力性能達(dá)到最佳，應(yīng)按最小傳動角γmin的最大值來進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。由γmin表達(dá)式可知，最小傳動角是關(guān)于輔助角β的函數(shù)，其值域如圖5所示?，F(xiàn)對γmin尋極值，在β＝8.90°處，最小傳動角γmin取極大值51.68°.將z1、z2、z3和該β值代入上述各項(xiàng)式子，可求得最佳傳力性能的機(jī)構(gòu)尺寸：a=82.20 mm，b=257.09 mm，c=292.79 mm.

圖5 最小傳動角變化范圍

2.2 杠桿增力擠壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計

通過杠桿增力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拖把的擠壓功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先搖桿6固定連接于腳踏板10的轉(zhuǎn)動軸上，通過踩動踏板10，由桿杠原理使搖桿6較輕松地轉(zhuǎn)動，從而推動連桿8.進(jìn)而連桿8推動擠水板9沿著滑塊導(dǎo)槽11向前運(yùn)動，以擠壓拖把，并在扭力彈簧7的作用下，去除踏板外力后擠水板9和腳踏板10自動回位。

桿增力的擠壓機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析簡圖如6所示。設(shè)腳作用踏板力為F1，擠水板和扭力彈簧的反作用力F2，踏板桿長為L1，搖桿的桿長為L2，相關(guān)夾角如圖6所示。

圖6 杠桿擠壓原理圖

將F1和F2分別沿踏板和搖桿的的桿長和垂直方向作分解，由杠桿的力矩平衡方程可得：

現(xiàn)取L1=300 mm，L2=100 mm，則F2＝1.9*F1/sin（180-α），起時位置θ取100°，杠桿擠壓力擴(kuò)大1.9倍；當(dāng)下踩踏板擠壓拖把過程，α不斷增大接近180°，增力效果越明顯，若極限位置α取170°，則有F2＝11.1*F1，即擠壓增力達(dá)11余倍?；瑝K運(yùn)動行程為

3 拖把清潔擰干器的制造實(shí)驗(yàn)

試制了相關(guān)實(shí)物模型如圖7所示，并進(jìn)行了基本的功能實(shí)驗(yàn)。其中在曲柄上加裝飛輪以避免死點(diǎn)，且在搖桿上加裝彈簧以使得腳踏板外力撤回，踏板最終處在最佳狀態(tài)。通過腳踩曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的搖桿踏板，能有效實(shí)現(xiàn)滾筒旋轉(zhuǎn)并梳理拖把，此外杠桿增力作用較明顯。

因本裝置設(shè)計分析集中在運(yùn)動學(xué)方面，對機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的動力學(xué)如振動和沖擊未進(jìn)行考慮，實(shí)驗(yàn)時若腳踩踏速度慢，或拖把用力壓住滾筒，易導(dǎo)致滾筒停止旋轉(zhuǎn)，此時需重新用力踩踏啟動滾筒以恢復(fù)一定的旋轉(zhuǎn)速度。

圖7 拖把清潔擰干器實(shí)物

4 結(jié)束語

所研制的拖把清潔裝置清洗拖把不同于普通的旋轉(zhuǎn)離心清理，而采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)凸?fàn)顫L筒來清潔拖把，并配合杠桿增力機(jī)構(gòu)對拖把進(jìn)行擰干，適用面更廣；并基于最小傳動角的最大值對曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計和對杠桿增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)分析和設(shè)計。最后進(jìn)行了實(shí)物模型制作，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定運(yùn)動功能且擰干增力作用明顯，具有一定的實(shí)際使用價值和創(chuàng)新性。

但因本裝置研制目前主要基于運(yùn)動學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)物模型驗(yàn)證功能的可行性，相關(guān)傳動的動力學(xué)性能未加以詳細(xì)研究。此外基于人機(jī)工程學(xué)原理還可進(jìn)一步研究最適合身體操作舒適度的機(jī)構(gòu)尺寸以進(jìn)一步提高裝置的易用性。

[1]鐘任花.一種旋轉(zhuǎn)拖把桶.中國.CN201210492231.X[P]. 2013-3-13.

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[3]趙一美.手壓拖把桿驅(qū)動拖把頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行清洗或脫水的裝置及方法，中國.CN104382542A[P].2015-03-04.

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[5]尚銳，高虹，張波.按行程速比系數(shù)及傳動角設(shè)計曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的解析算法[J].機(jī)械設(shè)計與制造，1999，（03）：18-19.

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[7]蘇有良.按最小傳動角最大的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計，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

福建省教育廳科技項(xiàng)目資助（JB13158）

吳新良（1981-），男，福建仙游人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與制造。