差速器在節能洗衣機中的應用設計

玉尖香　王建文　陰錦文　史卓凡　朱俊林

【關鍵詞】衣物衛生；節水；公用洗衣機

一、洗衣機的發展

1874年，美國人比爾·布萊克斯發明了木制手搖洗衣機，給長期從事洗衣作業的人們帶來了福音。這套裝置的問世使人們大受啟發，洗衣機的改進進程開始大大加快。

1880年，美國又出現了蒸汽洗衣機，蒸汽動力開始取代人力。之后，水力洗衣機、內燃機洗衣機也相繼出現。到1911年，美國試制成功世界上第一臺電動洗衣機。

電動洗衣機的問世，標志著人類家務勞動自動化的開端。[1]1922年制造出“攪拌式”洗衣機使洗衣機進化有了新的里程，攪拌式洗衣機由美國瑪伊塔格公司研制成功，直至今日洗衣機已經普及到各個家庭中。[2]

當今時代共享理念深入人心，并且極大地影響了人們的生活方式，使得“共享洗衣機”出現在各個學校、工廠的住宿區。目前，使用公用洗衣機已成為住宿生活的一種常態。

二、設計原由

通過對部分場所公用洗衣機的觀察，例如學校，發現學生常忙于學習和各項事務，他們中的部分人為了節省出更多的時間來工作和學習，因而，把本該分類后進行兩次清洗的衣物和襪子混合，投放于洗衣機中混洗，從而忽略了衛生問題。雖然節省了時間，但此種行為極易造成衣物的交叉污染問題，甚至于導致細菌滋生。[3]為改變此類不衛生現象，計劃將洗衣機結構分層，進行“分類洗衣”。同時，為積極貫徹黨的十八屆五中全會強調的實現“十三五”時期發展目標中的“綠色發展理念”，加強建設資源節約型社會，推進美麗中國建設，提出一種新型洗滌方式。為達成用一次量的水能夠洗滌兩次衣物的要求，實現節約用水的目的，將采取“二次用水”的方式替代現有洗衣機的“一次用水”模式。在模型設計過程中通過對洗衣機外殼的上下分層，下層殼體設一開關門，出水管道置于下層洗衣桶的上端，可將上層利用過的水導入到下層洗衣桶，能夠供下層再利用，從而達到節約用水的目的。上下桶運作時間將相差第一次洗滌時間約十分鐘。針對洗衣機運作時劇烈搖晃產生的磨損或者噪音問題，對機體內部動力系統進行分析，利用差速器控制洗衣機上下桶的轉速，使洗衣機穩定運行。

綜上所述，設計一款新型雙層循環用水的波輪洗衣機，讓上桶首先蓄水洗滌，通過差速器的控制，使得上桶轉動工作，而下桶靜止待機。上桶完成第一次洗滌時，再將水排入下桶，完成二次利用，等待上桶再次蓄滿干凈的水時，兩桶即可開始同時運轉。同理，最后一次洗滌則變為上桶靜止待機，而下桶轉動工作，洗滌結束，再同時運轉甩干衣物，達到綠色節能的目的，同時能解決公用洗衣機因衣物混洗產生的交叉污染問題。

三、設計方案

（一）結構設計

如（圖1）所示，保留傳統波輪洗衣機的基礎結構板塊，即控制電路板、定時器、排水管、水位感應器、排水電機、皮帶機、離合器以及轉動軸。

改進點位于外部結構和內部結構。外部結構是針對洗衣機外殼的分層，即上、下兩層；內部結構是增加雙筒的設計，中心使用一根輪軸進行連接固定，即“一軸驅動雙筒”，以及設計雙筒結構后對應的加裝處理，包括圖1中的輸水管和后文提到的差速器。一根轉動軸驅動雙筒轉動，達到減少電耗的環保目的，進而減少洗衣機使用者的水電費用支出。在轉動軸的設計上，借用差速器調節滾筒轉速以實現雙層滾筒洗衣機平穩工作。下層殼體設有一開關門，出水管道設置在下層洗衣桶的上端，即圖1中的輸水管。另在箱體側壁上設有水位探測器，以監測水位。其與出水管道的出水控制閥相連接，通過水位探測器，在洗衣機上層洗衣桶首次洗衣后，自動將水流輸入下層洗衣桶，對襪子進行洗滌，完成二次用水，節約水資源和洗滌劑。并在洗衣機外放置回收桶，當下層洗衣桶水位達到一定限度時，將桶中的水排至外部。

圖1 新型節水洗衣機設計圖

該新型雙層波輪洗衣機具體使用方法為：上層滾筒用于清洗T恤、襯衣、外套、褲子等日常衣物，下層滾筒用于清洗襪子之類細菌較多的衣物。這樣可以避免衣物的直接接觸，從而減少細菌交叉感染的風險。擴大應用，還可用于同時清洗淺色和掉色的衣物。

（二）優化改進

據調查，市場上現有雙筒洗衣機的衣物取放門都為“同側式”，而“同側式”的雙門設計會使得洗衣機體積大大增加，占空間面積增多，這對于空間狹小的公用洗衣機機房來說，是極不適配的。

因此，為了解決“同側式”雙門設計帶來的洗衣機體積增加的問題，將“同側式”改為“異側式”，即從上、下兩側分裝不同衣物的雙缸設計。減少雙筒洗衣機的總體體積，真正實現洗衣機使用方便、運作可行的目的。為實現上下取放衣物，上門維持傳統波輪洗衣機向上翻起開門方式不變，將下門做成左側軸承接外開門。具體方法為：下層兩桶相接空隙處適當開口作為“門”。下門開口將根據下層滾筒口徑大小確定，下門寬以小于下層滾筒直徑，且大于下層滾筒半徑為宜。該標準也為該方案適用不同洗衣機構架提供參考。通過實際測量以學校常用中型洗衣機（長：55cm寬：55cm高：84cm），改進后雙層洗衣機適宜的下門大小為：30cm正方形位于洗衣機中部。

為確保下門的安全性，減少安全隱患，在右側加裝智能鎖，防止在洗衣過程中下門突然彈開的概率事件發生。同時，為防止使用人員操作不當，在洗衣過程中將手或其他物品伸入洗衣桶，對人員和機器造成傷害，加設固定常用程序系統——只有上下雙門同時為關閉狀態時，洗衣機才可工作運轉。若運作過程中打開機門則發出危險警示，強行打開將中止洗衣機運轉。[4]

根據目前洗衣機發展的歷程來看，洗衣機主要分為波輪式洗衣機、滾筒式洗衣機、攪拌式洗衣機3種，近期又在以上洗衣機類型的基礎上衍生出了雙筒式洗衣機，不同種類的洗衣機有其各自的特點，具體歸納如（表1）所示。[5]

表1 現有洗衣機分類及特點

在本次創新設計前，團隊在各大品牌洗衣機交易平臺（品牌包括）中搜索關鍵詞“創新洗衣機”“新型洗衣機”“分類洗衣”，發現已存在以分類清洗貼身衣物和外衣為出發點的各種雙筒結構洗衣機，但此類洗衣機無論是上下疊落式的波輪洗衣機，還是左右并列式的滾筒洗衣機，都面臨占地面積大、體積質量重或不易檢修等的問題，并不適合推廣使用。

基于上述觀點及思考，本文所提的設計通過利用差速器帶動上下兩桶同運作的方式，優化了內部結構，減小了雙筒式洗衣機的體積，解決了市面上洗衣機的現存問題，同時可以提高洗衣機運行過程中的穩定性，達成延長使用年限的效果。

（三）轉速差處理

1.問題引出

通過向同學們發布問卷調查并得到數據結果，發現日常生活中的多數情況下，洗衣機上下兩層所清潔的衣物種類和質量不一樣。在上下兩個洗衣桶同一角速度的條件下，桶身容易因上下角動量失衡導致不平衡，甚至桶身發生晃動，對洗衣機產生危害，降低洗衣機的使用壽命，同時產生噪音污染。因此，需要對上下兩層洗衣桶的轉速進行調節。

2.差速原理

如（圖2）所示，當汽車轉彎時，由于汽車內外兩側車輪的轉彎半徑不同，因此會導致兩側車輪運動的長度不同，即外側車輪會比內存車輪走過的距離更長。[6]

圖2 汽車在轉彎時車輪運動示意圖

在這種情況下，若左右車輪使用剛性轉軸連接，即同一根轉軸連接的兩側車輪角速度相同，就會導致車輪在路上產生滑動，會對汽車的安全性和使用壽命造成嚴重影響。

為了解決這一問題，汽車行業人員通過給汽車安裝差速器，可以保證汽車兩側車輪在行駛不等的距離時，以不同的轉速運行[7]，即允許兩側車輪存在角速度差。

3.差速器的結構與轉動原理

如（圖3）所示，普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成。發動機的動力經傳動軸進入差速器，直接驅動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別驅動左、右車輪。差速器的設計要求滿足：（左半軸轉速）+（右半軸轉速）=2（行星輪架轉速）。當汽車直行時，左、右車輪與行星輪架三者的轉速相等處于平衡狀態，而在汽車轉彎時三者平衡狀態被破壞，導致內側輪轉速減小，外側輪轉速增加。

圖3 差速器原理圖（摘自百度百科）

當轉彎時，由于外側輪有滑拖的現象，內側輪有滑轉的現象，兩個驅動輪此時就會產生兩個方向相反的附加力，根據“最小能耗原理”，即地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態，必然導致兩邊車輪的轉速不同，從而破壞了三者的平衡關系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產生自轉，使內側半軸轉速減慢，外側半軸轉速加快，從而實現兩邊車輪轉速的差異。[7]

4.解決方案設計

經過對汽車轉彎時，由于汽車內外兩側車輪的轉彎半徑不同，導致外側車輪比內存車輪走過的距離更長的問題研究，將上桶與下桶的轉速之比控制為下桶與上桶的衣物質量之比時，可以解決有關機身穩定性的問題。

通過理論推導，結合實際可知：上桶和下桶的轉速在大多數情況下是不相同的，因此解決桶身不平衡，甚至發生晃動，對洗衣機產生危害，降低洗衣機的使用壽命的問題可以轉化為允許上桶和下桶存在角速度差的問題。

通過對汽車轉彎問題的研究，得出通過使用差速器來滿足上桶和下桶存在角速度差的解決方案。

結束語

在快節奏生活方式逐步形成的背景下，通過對學生衣物囤積洗滌的習慣和行為的分析，總結出了衣物混洗時所帶來的具體問題，并針對問題提出了可一次分類洗滌衣物的新型雙層波輪式洗衣機的設計構想。在對現有不同類型洗衣機的比較研究中，從功能和結構的整合設計出發[5]，給出了具體的設計方案，在能夠實現節約用水用電的前提下，解決衣物交叉污染的安全性問題。最大的特色創新構想在于引入差速器來解決因雙筒轉速不同導致的洗衣機機身穩定性問題，希望能夠給市場帶來借鑒意義。最后，該洗衣機設計方案的具體實現，還需進行各項技術指標、結構參數等的進一步測試研究。