直流電動理發(fā)剪曲柄滑塊機構的優(yōu)化設計

仇高賀

摘 要： 為研究延長直流電動理發(fā)剪充電后使用時間，提高機構工作效率，通過分析電動理發(fā)剪的內(nèi)部結(jié)構和工作原理，將其簡化為曲柄滑塊機構，通過ADAMS對理發(fā)剪曲柄滑塊進行優(yōu)化設計找出最優(yōu)曲柄值，使理發(fā)剪在工作過程中電機消耗功率最小，對比優(yōu)化前后的理發(fā)剪空載和切削毛發(fā)的時間，分別比未進行優(yōu)化的原型理發(fā)剪長16 min和17 min，實驗證明優(yōu)化后的理發(fā)剪結(jié)構提高理發(fā)剪的工作效率。

關鍵詞： 直流電動理發(fā)剪； 曲柄滑塊機構； 優(yōu)化設計； 仿真

中圖分類號： TH 128 文獻標志碼： A 文章編號： 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理工具，電動直流理發(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理的新寵。傳統(tǒng)直流理發(fā)剪設計采用經(jīng)驗法或仿造法，傳統(tǒng)設計方法沒有搞清楚直流理發(fā)剪的工作原理，往往無法找出內(nèi)部運動機構的最佳配合參數(shù)，使得直流理發(fā)剪充電時間長而工作使用時間較短，甚至造成充電一次不能完成一次理發(fā)的任務，嚴重影響了理發(fā)的進程。影響理發(fā)剪充電后使用時間因素很多，如電池的性能差異、刀片潤滑條件等，為簡化研究內(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滑條件差異、構件質(zhì)量分布不均等因素，單純從機械結(jié)構運動特性方面來討論如何通過機構的優(yōu)化降低電機功率損耗、延長理發(fā)剪充電后使用時間，達到提高產(chǎn)品性能的目的。

1 理發(fā)剪工作原理

1.1 曲柄滑塊機構的簡介

用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構，也稱曲柄連桿機構。曲柄滑塊機構中與機架構成移動副的構件為滑塊，通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接曲柄和滑塊的構件為連桿。機構動動時﹐如鉸鏈中心的軌跡不通過曲柄的轉(zhuǎn)動中心，稱為偏置曲柄滑塊機構。曲柄滑塊機構可以把曲柄的整周轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的往復直線移動，且偏置曲柄滑塊機構的滑塊具有急回特性。

1.2 電動直流理發(fā)剪工作原理

直流理發(fā)剪由直流電機帶動偏心輪，偏心輪在動刀片固定架槽內(nèi)的圓周旋轉(zhuǎn)運動帶動可動刀刃做左右往復直線運動，動刀片通過扭簧壓緊在固定刀刃上，剪刃部通過梳齒狀的固定刀刃以及滑動連接于固定刀刃而受到來回驅(qū)動的可動刀刃將毛發(fā)切斷，動刀片的左右行程由偏心輪的偏心距確定。直流電動理發(fā)剪結(jié)構原理如圖1所示。

忽略具體構件結(jié)構和質(zhì)量分布的差別，單從電動直流理發(fā)剪內(nèi)部構造和運動特征分析，其運動學模型可以簡化為偏心曲柄滑塊機構，但是此時的偏距為偏心輪軸線到動刀片滑動槽中線距離，該款理發(fā)剪偏距為12.1 mm。偏心輪偏心距則為曲柄AB桿長度。扭簧在機構中起到加緊動刀片作用，使得動刀片能貼合導軌做往復直線運動，同時在理發(fā)剪切削頭發(fā)回程中增加動能作用。所以可以將扭簧簡化為兩個彈簧組成，一個是作用在于滑塊導軌垂直的法線方向的壓縮螺旋彈簧，設其彈性系數(shù)為K1，另一個是作用在滑動導軌導路方向上，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，設其彈性系數(shù)為K2。連桿BC長度即為扭簧伸出作用力臂的長度，即圓柱螺旋軸心到固定端空間長度，如圖2所示。理發(fā)剪簡化后曲柄滑塊機構如圖3所示。

2 理發(fā)剪曲柄滑塊機構的優(yōu)化設計

2.1 曲柄滑塊數(shù)學極值法設計

對曲柄滑塊結(jié)構進行受力分析，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路方向的有效分力Ft及垂直滑軌分力Fn。傳動角越大，有效分力越大，傳動性能越好，通常傳動角不應小于許可值，應使？酌min>40°。取許用傳動角[？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成曲柄函數(shù)[1～2]，評價曲柄滑塊機構優(yōu)劣的目標函數(shù)為機構的最小傳動角？酌min是否為最大[3～4]。因此， 建立如下理論尋優(yōu)目標函數(shù)：

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

2.2 曲柄滑塊ADAMS設計

理論上偏心距、曲柄長度和連桿長度、滑塊行程均可設定為設計變量，但是改變偏心距需要重新設計理發(fā)剪模具，改動成本最大；改變連桿長度l需要重新設計扭簧，扭簧作用力臂長度改變將帶來扭簧彈性系數(shù)的變動，改動比較困難，而改變偏心輪的偏心距，即改變曲柄長度比較容易，而且電機輸出端的空間比較大，完全可以滿足設計空間要求，固曲柄長度為設計變量x。為保證理發(fā)剪能順利剪斷毛發(fā)，需要保障動刀片行程至少超過固定刀片開口的距離，滿足開口度要求，C1和C2為滑塊的兩個極限位置，對應曲柄滑塊機構即行程C1C2≥1.4 mm。該型號理發(fā)剪扭簧作用力臂長度l=BC=20.9 mm。

扭簧的材料為65Mn， 密度為7.81 g/cm3，屈服強度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。動刀片材料為不銹鋼420J2，密度為7.75 g/cm3，動刀片固定架為塑料，將其統(tǒng)一為動刀片材料，經(jīng)過稱重動刀片及固定架，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化為集中力Fn1=0.215 N。

2.3 曲柄滑塊ADAMS設計實現(xiàn)

在ADAMS中采用參數(shù)化建模，即建立參數(shù)化的點，使得曲柄的長度隨參數(shù)化點而改變，將曲柄長度設定為變量。建立電動理發(fā)剪的簡化后曲柄滑塊動力學模型，將曲柄和連桿的位置坐標使用活動點（point）坐標量進行參數(shù)化設計，并將上述已知量輸入。在設計評估工具欄中定義優(yōu)化目標為：電機輸出功率最小，即曲柄的轉(zhuǎn)速乘以轉(zhuǎn)矩最小，選擇“優(yōu)化設計”選型。限定條件為曲柄最小長度為1.4 mm，同時滿足曲柄存在條件，并設定結(jié)果偏差小于0.01時結(jié)束尋找最優(yōu)值，通過ADAMS進行參數(shù)化優(yōu)化設計[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)化最初設定值為0.97 mm（曲線3），經(jīng)過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，偏差小于設定值，結(jié)束尋優(yōu)，ADAMS仿真得出優(yōu)化后的曲柄長度為1.56 mm。

3 測 試

將ADAMS仿真得出曲柄長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偏心輪，并裝配成理發(fā)剪，其他參數(shù)保持不變與沒有進行任何優(yōu)化的理發(fā)剪進行三組對比實驗。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行實驗，然后做毛發(fā)切割測試，人體毛發(fā)使用20根0.1 mm尼龍絲來代替，優(yōu)化前后對比如表1所示。

由表1可以看出， 通過靜力學數(shù)值計算和ADAMS動力學仿真優(yōu)化后理發(fā)剪空載運行時間分別比未進行優(yōu)化的理發(fā)剪長14 min和16 min，切削毛發(fā)運行時間分別長15和17 min。說明ADAMS仿真優(yōu)化的結(jié)果能更好降低電機功耗，提高行程速比系數(shù)，縮短無效空行程的時間，提高理發(fā)剪工作時間比例，從而提高工作效率。

4 結(jié) 論

通過對直流理發(fā)剪內(nèi)部結(jié)構和運動特性分析將其簡化成曲柄滑塊機構是比較合理的模型，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)，降低電機功率損耗，延長充電后使用時間，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：一是進一步優(yōu)化傳動機構的內(nèi)部結(jié)構，如可以通過在理發(fā)剪動刀片和固定刀片之間增加配合的凹凸滑槽，從減少動刀片和固定刀片之間摩擦力，進一步降低了電動機的功耗，延長了使用時間；二是優(yōu)化選配電機的參數(shù)，提高電機的輸出功率因數(shù)，從而達到延長理發(fā)剪工作時間的目的。

參考文獻：

[1] 王海儒，裴如趼，李波，等. 雙偏心擺式飛剪機構優(yōu)化[J]. 重型機械，2008（2）：22-26.

[2] 金熙哲，王玉新，郭為忠，等. 傳動角最優(yōu)的曲柄滑塊機構多變量優(yōu)化設計[J]. 上海交通大學學報，2007，41（4）：561-564.

[3] 劉爭利. 按最小傳動角設計曲柄搖桿機構的圖解方法[J]. 機械研究與應用，2015，28（3）：157-159.

[4] 年四甜. 按最佳傳動角設計偏置曲柄滑塊機構[J]. 機械設計，2008，25（12）：48-50.

[5] 曾昭訓，張愛華. 國人頭發(fā)直徑的調(diào)查[J]. 泰山醫(yī)學院學報，1991，12（4）：370-372.

[6] 何毅斌，胡榮博，劉慧，等. 基于ADAMS的曲柄滑塊機構運動仿真研究[J]. 湖北工業(yè)大學學報，2014，29（4）：40-42.

[7] 劉洋，姜吉光. 基于ADAMS的剪叉機構的參數(shù)化建模及優(yōu)化設計[J]. 長春理工大學學報（自然科學版）， 2015（3）：89-93.

[8] 田豐果，吳錦行，吳筢英，等. 基于ADAMS、UG的曲柄滑塊運動仿真及運動特性分析[J]. 湖南農(nóng)機（學術版），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

（責任編輯：徐興華）