直流電動(dòng)理發(fā)剪曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

仇高賀

摘 要： 為研究延長(zhǎng)直流電動(dòng)理發(fā)剪充電后使用時(shí)間，提高機(jī)構(gòu)工作效率，通過(guò)分析電動(dòng)理發(fā)剪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，將其簡(jiǎn)化為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過(guò)ADAMS對(duì)理發(fā)剪曲柄滑塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)找出最優(yōu)曲柄值，使理發(fā)剪在工作過(guò)程中電機(jī)消耗功率最小，對(duì)比優(yōu)化前后的理發(fā)剪空載和切削毛發(fā)的時(shí)間，分別比未進(jìn)行優(yōu)化的原型理發(fā)剪長(zhǎng)16 min和17 min，實(shí)驗(yàn)證明優(yōu)化后的理發(fā)剪結(jié)構(gòu)提高理發(fā)剪的工作效率。

關(guān)鍵詞： 直流電動(dòng)理發(fā)剪； 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 仿真

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 128 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2017）01-0091-04

0 引 言

理發(fā)剪是人們生活中必不可少的日常護(hù)理工具，電動(dòng)直流理發(fā)剪噪音小，操作方便，已經(jīng)逐步取得交流理發(fā)剪，成為人們?nèi)粘Ｉ钭o(hù)理的新寵。傳統(tǒng)直流理發(fā)剪設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)法或仿造法，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法沒(méi)有搞清楚直流理發(fā)剪的工作原理，往往無(wú)法找出內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳配合參數(shù)，使得直流理發(fā)剪充電時(shí)間長(zhǎng)而工作使用時(shí)間較短，甚至造成充電一次不能完成一次理發(fā)的任務(wù)，嚴(yán)重影響了理發(fā)的進(jìn)程。影響理發(fā)剪充電后使用時(shí)間因素很多，如電池的性能差異、刀片潤(rùn)滑條件等，為簡(jiǎn)化研究?jī)?nèi)容本文假定理發(fā)剪裝配中同一批次電池具有相同的性能和質(zhì)量，忽略次要因素如刀片潤(rùn)滑條件差異、構(gòu)件質(zhì)量分布不均等因素，單純從機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性方面來(lái)討論如何通過(guò)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化降低電機(jī)功率損耗、延長(zhǎng)理發(fā)剪充電后使用時(shí)間，達(dá)到提高產(chǎn)品性能的目的。

1 理發(fā)剪工作原理

1.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)介

用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)，也稱(chēng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副的構(gòu)件為滑塊，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿。機(jī)構(gòu)動(dòng)動(dòng)時(shí)﹐如鉸鏈中心的軌跡不通過(guò)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，稱(chēng)為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以把曲柄的整周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑塊的往復(fù)直線移動(dòng)，且偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊具有急回特性。

1.2 電動(dòng)直流理發(fā)剪工作原理

直流理發(fā)剪由直流電機(jī)帶動(dòng)偏心輪，偏心輪在動(dòng)刀片固定架槽內(nèi)的圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)可動(dòng)刀刃做左右往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)刀片通過(guò)扭簧壓緊在固定刀刃上，剪刃部通過(guò)梳齒狀的固定刀刃以及滑動(dòng)連接于固定刀刃而受到來(lái)回驅(qū)動(dòng)的可動(dòng)刀刃將毛發(fā)切斷，動(dòng)刀片的左右行程由偏心輪的偏心距確定。直流電動(dòng)理發(fā)剪結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

忽略具體構(gòu)件結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布的差別，單從電動(dòng)直流理發(fā)剪內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特征分析，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，但是此時(shí)的偏距為偏心輪軸線到動(dòng)刀片滑動(dòng)槽中線距離，該款理發(fā)剪偏距為12.1 mm。偏心輪偏心距則為曲柄AB桿長(zhǎng)度。扭簧在機(jī)構(gòu)中起到加緊動(dòng)刀片作用，使得動(dòng)刀片能貼合導(dǎo)軌做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在理發(fā)剪切削頭發(fā)回程中增加動(dòng)能作用。所以可以將扭簧簡(jiǎn)化為兩個(gè)彈簧組成，一個(gè)是作用在于滑塊導(dǎo)軌垂直的法線方向的壓縮螺旋彈簧，設(shè)其彈性系數(shù)為K1，另一個(gè)是作用在滑動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)路方向上，即C1C2連線上，起到增加回程作用力，提高行程速比系數(shù)目的，設(shè)其彈性系數(shù)為K2。連桿BC長(zhǎng)度即為扭簧伸出作用力臂的長(zhǎng)度，即圓柱螺旋軸心到固定端空間長(zhǎng)度，如圖2所示。理發(fā)剪簡(jiǎn)化后曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2 理發(fā)剪曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 曲柄滑塊數(shù)學(xué)極值法設(shè)計(jì)

對(duì)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，建立力平衡方程。首先連桿BC傳遞到滑塊上的作用力F可以分解為沿滑軌導(dǎo)路方向的有效分力Ft及垂直滑軌分力Fn。傳動(dòng)角越大，有效分力越大，傳動(dòng)性能越好，通常傳動(dòng)角不應(yīng)小于許可值，應(yīng)使？酌min>40°。取許用傳動(dòng)角[？酌]=40°，為提高理發(fā)的速度，要求行程速比系數(shù)越大越好，一般要求行程速比系數(shù)至少K≥1.0。

連桿和偏距均可以表達(dá)成曲柄函數(shù)[1～2]，評(píng)價(jià)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)為機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角？酌min是否為最大[3～4]。因此， 建立如下理論尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)：

即：連桿-曲柄>=偏距，從而可以計(jì)算得出曲柄理論最優(yōu)長(zhǎng)度為0.973 mm。但是這種數(shù)學(xué)極值方法并沒(méi)有考慮到滑塊與滑軌的摩擦力，也沒(méi)有考慮理發(fā)剪在剪切頭發(fā)時(shí)候的工作阻力，為更加準(zhǔn)確找到曲柄的最優(yōu)解，需要考慮理發(fā)剪工作阻力。

2.2 曲柄滑塊ADAMS設(shè)計(jì)

理論上偏心距、曲柄長(zhǎng)度和連桿長(zhǎng)度、滑塊行程均可設(shè)定為設(shè)計(jì)變量，但是改變偏心距需要重新設(shè)計(jì)理發(fā)剪模具，改動(dòng)成本最大；改變連桿長(zhǎng)度l需要重新設(shè)計(jì)扭簧，扭簧作用力臂長(zhǎng)度改變將帶來(lái)扭簧彈性系數(shù)的變動(dòng)，改動(dòng)比較困難，而改變偏心輪的偏心距，即改變曲柄長(zhǎng)度比較容易，而且電機(jī)輸出端的空間比較大，完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)空間要求，固曲柄長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)變量x。為保證理發(fā)剪能順利剪斷毛發(fā)，需要保障動(dòng)刀片行程至少超過(guò)固定刀片開(kāi)口的距離，滿(mǎn)足開(kāi)口度要求，C1和C2為滑塊的兩個(gè)極限位置，對(duì)應(yīng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)即行程C1C2≥1.4 mm。該型號(hào)理發(fā)剪扭簧作用力臂長(zhǎng)度l=BC=20.9 mm。

扭簧的材料為65Mn， 密度為7.81 g/cm3，屈服強(qiáng)度785 MPa，質(zhì)量0.3 g。偏心輪材料為鑄造黃銅，密度8.12 g/cm3，質(zhì)量為2.4 g。動(dòng)刀片材料為不銹鋼420J2，密度為7.75 g/cm3，動(dòng)刀片固定架為塑料，將其統(tǒng)一為動(dòng)刀片材料，經(jīng)過(guò)稱(chēng)重動(dòng)刀片及固定架，折算后滑塊質(zhì)量2.01 g。扭簧水平方向彈性系數(shù)k2=0.2 N/mm，不考慮靜摩擦力，動(dòng)摩擦系數(shù)u=0.023，根據(jù)扭簧參數(shù)將滑軌法線壓縮彈簧作用簡(jiǎn)化為集中力Fn1=0.215 N。

2.3 曲柄滑塊ADAMS設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在ADAMS中采用參數(shù)化建模，即建立參數(shù)化的點(diǎn)，使得曲柄的長(zhǎng)度隨參數(shù)化點(diǎn)而改變，將曲柄長(zhǎng)度設(shè)定為變量。建立電動(dòng)理發(fā)剪的簡(jiǎn)化后曲柄滑塊動(dòng)力學(xué)模型，將曲柄和連桿的位置坐標(biāo)使用活動(dòng)點(diǎn)（point）坐標(biāo)量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并將上述已知量輸入。在設(shè)計(jì)評(píng)估工具欄中定義優(yōu)化目標(biāo)為：電機(jī)輸出功率最小，即曲柄的轉(zhuǎn)速乘以轉(zhuǎn)矩最小，選擇“優(yōu)化設(shè)計(jì)”選型。限定條件為曲柄最小長(zhǎng)度為1.4 mm，同時(shí)滿(mǎn)足曲柄存在條件，并設(shè)定結(jié)果偏差小于0.01時(shí)結(jié)束尋找最優(yōu)值，通過(guò)ADAMS進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)[6～8]，仿真優(yōu)化曲線如圖4所示。圖4中，ADAMS仿真將曲柄優(yōu)化最初設(shè)定值為0.97 mm（曲線3），經(jīng)過(guò)10次疊加優(yōu)化，得到優(yōu)化曲線1（1.5613 mm）和曲線2（1.5614 mm）。由圖4可以看出，曲線1和曲線2基本重合，偏差小于設(shè)定值，結(jié)束尋優(yōu)，ADAMS仿真得出優(yōu)化后的曲柄長(zhǎng)度為1.56 mm。

3 測(cè) 試

將ADAMS仿真得出曲柄長(zhǎng)度和幾何極值法求的曲柄的最優(yōu)值作為偏心輪偏心距各做一個(gè)偏心輪，并裝配成理發(fā)剪，其他參數(shù)保持不變與沒(méi)有進(jìn)行任何優(yōu)化的理發(fā)剪進(jìn)行三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。假定理發(fā)剪裝配中使用同一批次的充電電池不存在差異。三組理發(fā)剪充電完成后先做空載運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，然后做毛發(fā)切割測(cè)試，人體毛發(fā)使用20根0.1 mm尼龍絲來(lái)代替，優(yōu)化前后對(duì)比如表1所示。

由表1可以看出， 通過(guò)靜力學(xué)數(shù)值計(jì)算和ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化后理發(fā)剪空載運(yùn)行時(shí)間分別比未進(jìn)行優(yōu)化的理發(fā)剪長(zhǎng)14 min和16 min，切削毛發(fā)運(yùn)行時(shí)間分別長(zhǎng)15和17 min。說(shuō)明ADAMS仿真優(yōu)化的結(jié)果能更好降低電機(jī)功耗，提高行程速比系數(shù)，縮短無(wú)效空行程的時(shí)間，提高理發(fā)剪工作時(shí)間比例，從而提高工作效率。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)直流理發(fā)剪內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性分析將其簡(jiǎn)化成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是比較合理的模型，在ADAMS中充分考慮工作阻力，得出的曲柄最優(yōu)值，能夠提高理發(fā)剪行程速比系數(shù)，降低電機(jī)功率損耗，延長(zhǎng)充電后使用時(shí)間，故考慮到滑軌摩擦力及切削毛發(fā)阻力仿真得出的優(yōu)化結(jié)果能夠更好提高理發(fā)剪的使用效率。今后優(yōu)化理發(fā)剪可以從以下兩方面考慮：一是進(jìn)一步優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如可以通過(guò)在理發(fā)剪動(dòng)刀片和固定刀片之間增加配合的凹凸滑槽，從減少動(dòng)刀片和固定刀片之間摩擦力，進(jìn)一步降低了電動(dòng)機(jī)的功耗，延長(zhǎng)了使用時(shí)間；二是優(yōu)化選配電機(jī)的參數(shù)，提高電機(jī)的輸出功率因數(shù)，從而達(dá)到延長(zhǎng)理發(fā)剪工作時(shí)間的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王海儒，裴如趼，李波，等. 雙偏心擺式飛剪機(jī)構(gòu)優(yōu)化[J]. 重型機(jī)械，2008（2）：22-26.

[2] 金熙哲，王玉新，郭為忠，等. 傳動(dòng)角最優(yōu)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)多變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（4）：561-564.

[3] 劉爭(zhēng)利. 按最小傳動(dòng)角設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的圖解方法[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2015，28（3）：157-159.

[4] 年四甜. 按最佳傳動(dòng)角設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，25（12）：48-50.

[5] 曾昭訓(xùn)，張愛(ài)華. 國(guó)人頭發(fā)直徑的調(diào)查[J]. 泰山醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，12（4）：370-372.

[6] 何毅斌，胡榮博，劉慧，等. 基于ADAMS的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（4）：40-42.

[7] 劉洋，姜吉光. 基于ADAMS的剪叉機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015（3）：89-93.

[8] 田豐果，吳錦行，吳筢英，等. 基于ADAMS、UG的曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)仿真及運(yùn)動(dòng)特性分析[J]. 湖南農(nóng)機(jī)（學(xué)術(shù)版），2011（3）：45-46.

Abstract： This paper introduces the DC electric clipper work principle， the kinematics model is established based on Mechanism Analysis， the clipper can be simplified the slider crank mechanism， the optimal crank can be found by the parameter of design method. Dynamic model of clipper is established in order to find the minimum force of DC motor， the crank parameter can be finding by ADAMS simulation， it can be improve the clipper using efficiency.

Keywords： DC clipper； optimization design； Simulation

（責(zé)任編輯：徐興華）