多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷設(shè)計(jì)

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

?

多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷設(shè)計(jì)

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(jì)所提供的是一種具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與徑向直線運(yùn)動(dòng)，并且可以更換牙刷頭的電動(dòng)牙刷。通過其控制開關(guān)的調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)3種不同的工作狀態(tài)，即單一雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、單一徑向直線運(yùn)動(dòng)、雙向旋轉(zhuǎn)及徑向直線同步運(yùn)動(dòng)。其原理是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)徑向直線運(yùn)動(dòng)；通過單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)牙刷頭旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。并通過機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS、Solid Works進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)確實(shí)可行，且其設(shè)計(jì)前身技術(shù)已經(jīng)獲得國家實(shí)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(dòng)牙刷是近幾年出現(xiàn)的新產(chǎn)品，由于電動(dòng)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(shí)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(dòng)牙刷是一款非常流行的日用品。然而由于在我國電動(dòng)牙刷的價(jià)格比較昂貴，且其使用壽命一般為2～3個(gè)月，壽命較短，從而導(dǎo)致電動(dòng)牙刷在我國市場上推廣還存在很大的阻礙；而本設(shè)計(jì)所提供的電動(dòng)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(dòng)牙刷價(jià)位高、使用壽命短的缺陷，為后續(xù)電動(dòng)牙刷的市場推廣提供便利。

1 一種多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷的工作原理

1.1 徑向直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)牙刷徑向直線驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)。

1.2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)牙刷旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)3，使得牙刷頭1在旋式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（包括順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)兩種轉(zhuǎn)動(dòng)方式）。

1.3 控制開關(guān)

以上兩種驅(qū)動(dòng)方式分別由兩個(gè)相對獨(dú)立的開關(guān)所控制，即該電動(dòng)牙刷的運(yùn)動(dòng)方式包含以下3種：徑向直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)等。

2 一種多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷的結(jié)構(gòu)介紹

2.1 徑向直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)牙刷的徑向直線驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電機(jī)b。

搖桿4和曲柄5之所以設(shè)計(jì)成空心塑料圓桿是為了減少曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)力原件與傳統(tǒng)件的質(zhì)量。因?yàn)闇p少連桿質(zhì)量，可以有效地減少系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，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(yùn)行工作時(shí)：

（1）電機(jī)b順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄5也做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）曲柄5的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖桿4在一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)；

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

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(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)還具有急回特性，使得牙刷頭在水平向左直線運(yùn)動(dòng)，即工作行程速度慢、功率大；在水平向右直線運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)過程中，兩桿在一條直線上重合（即死點(diǎn)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(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)極位夾角時(shí)，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(dòng)機(jī)構(gòu)

電動(dòng)牙刷的雙向旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行工作時(shí)：當(dāng)牙刷的工作狀態(tài)為單一雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由電機(jī)b帶動(dòng)牙刷頭1進(jìn)行順時(shí)針或者逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)；

當(dāng)牙刷的工作狀態(tài)為雙向旋轉(zhuǎn)及徑向直線同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)b作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的推力；而滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與其相連接的牙刷頭1的運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)牙刷頭也在電機(jī)a的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行順時(shí)針或者逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)。

電機(jī)a采用的是有刷直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(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(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)語

本文在實(shí)驗(yàn)與已有專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)了多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷。本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)牙刷主要由徑向直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)這兩大機(jī)構(gòu)組成，通過其開關(guān)控制可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)牙刷單一雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、單一徑向直線運(yùn)動(dòng)、雙向旋轉(zhuǎn)與徑向直線同步運(yùn)動(dòng)等3種工作方式，并且其牙刷頭可替換的特點(diǎn)，更是大大地延長了電動(dòng)牙刷的使用壽命，解決了因市場上現(xiàn)有電動(dòng)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)

［1］王尚斌.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速波動(dòng)與動(dòng)態(tài)靜力綜合分析［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，42（1）：28-33.

［2］ 陳國華.機(jī)械機(jī)構(gòu)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［3］劉永平.橢圓齒輪偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014 （12）：37-39.

［4］王躍進(jìn).機(jī)械原理［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009.

［5］張文海.直流電機(jī)釋疑［J］.微特電機(jī)，2012，40（11）：61-62.

中圖分類號：R78

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目名稱：多向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)牙刷；項(xiàng)目編號：2015pyC010。越大，機(jī)構(gòu)的急回特性越顯著。

通信作者：譚云。