新型節能健身洗衣機的設計與研究*

□ 齊歡明 □ 張興中 □ 王長春

1.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066004

2.濰坊學院 機電與車輛工程學院 山東濰坊 261061

新型節能健身洗衣機的設計與研究*

□ 齊歡明1□ 張興中1□ 王長春2

1.燕山大學機械工程學院 河北秦皇島 066004

2.濰坊學院 機電與車輛工程學院 山東濰坊 261061

在節能環保的主題下，設計了一種新型節能健身洗衣機。將腳蹬驅動機構、拉力驅動機構與洗衣機進行巧妙地結合，將人體健身鍛煉產生的能量通過傳動系統的傳遞，驅動洗衣機轉動，從而達到健身鍛煉、洗滌衣物的雙重目的。試制了新型節能健身洗衣機，并對健身效果和洗衣效果進行分析，證明該健身洗衣機節能環保、結構合理、操作簡單、實用性強，特別適合在家庭中使用。

健身洗衣機 健身鍛煉 驅動機構 分析

隨著科技、信息技術的快速發展，電器類產品的日益增多，使我國的電能、煤炭、石油等能源的消耗量已呈逐年增長的趨勢。因此，節能環保成為了社會生活的一大主題，而生活水平的提高和現代生活觀念的轉變，健身運動已成為現代生活中的重要組成部分。由于現有的健身洗衣機結構復雜，占地面積大，只能通過單方向的運動形式實現洗衣機的洗衣桶或甩干桶的單向旋轉運動，無法實現洗衣桶的正反向旋轉，因此健身洗衣機的健身方式較為單一，洗衣效果較差［1］-［3］。筆者在健身、洗衣為一體的設計理念的驅使下，設計了一款節能環保、操作簡單、實用性強、結構合理、特別適合在家庭中使用的新型節能健身洗衣機［4］。

1 健身洗衣機的工作原理

新型節能健身洗衣機的設計方案如圖1所示，洗衣機的洗衣過程是依靠安裝在洗衣桶底部波輪的正、反旋轉來帶動衣物翻轉，使衣物在水中進行柔和地摩擦并借助洗滌劑實現去污和清洗。正反旋轉運動要由

人體的健身運動來實現，就必須有一個能提供正反旋轉運動的系統，因此，筆者設計了結構原理類似于健身房中重錘滑輪拉力器的拉力驅動機構，提供節能健身洗衣機的正反旋轉運動。

▲圖1 節能健身洗衣機的設計方案

洗衣機的甩干過程是利用高速旋轉時產生的離心力來甩干衣物的，此轉速由電動機帶動比較容易實現，但要通過人體健身運動來實現，必須要有一個穩定且有較高速度的動力系統。為此，采用自行車的飛輪系統，設計了腳蹬驅動機構為節能健身洗衣機提供較高且穩定的轉速［5］。

上述兩部分的動力傳輸是通過兩套獨立的鏈輪、皮帶輪及錐齒輪來實現的，洗衣機內部的動力傳輸系統也必須分開，一套是實現洗衣桶的轉動，另一套是實現甩干桶的轉動。在皮帶輪的運動傳輸終端，采用錐齒輪傳動，兩組90°嚙合的錐齒輪分別與洗衣機內部的動力傳輸系統連接，通過傳動軸與洗衣滾筒和甩干滾筒連接，兩部分的運動互不干擾，均可單獨工作。通過洗衣機外部的兩個手柄，分別控制兩組錐齒輪的嚙合狀態，從而實現洗衣機在人體健身驅動或電力驅動狀態下，均可完成洗滌衣物的目標。

結合圖2中節能健身洗衣機的結構示意圖，對其工作原理作進一步說明［4］。

▲圖2 節能健身洗衣機的結構示意

▲圖3 節能健身洗衣機樣機

1.1 洗衣桶正反向旋轉的實現

向下拉動拉柄時，鏈條會隨之同步動作，鏈條驅動洗衣桶牽引鏈輪、洗衣桶主傳動輪和鏈輪3轉動，配重隨之上升。洗衣桶主傳動輪的轉動，驅動洗衣桶輔助輪轉動，這樣就驅動連接洗衣桶驅動輪的那組錐齒輪的轉動，實現洗衣機洗衣桶的正向旋轉。松開拉柄時，鏈條在配重自身重力的作用下反向移動，洗衣桶牽引鏈輪反轉，使洗衣桶輔助輪反轉，實現了洗衣桶的反向旋轉。反復拉動、松開拉柄，就可以實現洗衣桶的正反向旋轉，同時鍛煉了人體的上肢部位。

1.2 甩干桶較高速旋轉的實現

腳蹬輪、轉軸和甩干桶牽引鏈輪安裝在支撐板上的兩端，甩干桶牽引鏈輪與腳蹬輪通過鏈條連接。連續蹬動踏板，驅動腳蹬輪、甩干桶牽引鏈輪、甩干桶主傳

動輪的轉動，通過皮帶驅動甩干桶輔助輪轉動，從而驅動連接甩干桶驅動輪的那組錐齒輪轉動，實現洗衣機甩干桶的高速旋轉，同時鍛煉了人體下肢部位。

支撐板上安裝有扶手和座椅，坐在座椅上手扶扶手、腳蹬踏板，為健身者提供一個較為舒適的運動設施，有助于延長洗衣和健身鍛煉時間。

根據設計方案及工作原理，試制了新型節能健身洗衣機樣機，如圖3所示。

2 計算與分析

2.1 傳動比的計算

家庭普通雙桶洗衣機的洗衣桶轉速在 48～55 r/min時，可提高洗凈比，甩干桶的轉速在800～1 000 r/min時，可有效保護電機［7］，傳動比及轉速見表1。

表1 傳動比及轉速參數表

洗衣桶和甩干桶的轉速根據洗衣和甩干需要及人體自身的體能狀況均可作適當調整。改變拉力驅動機構中配重的數目，可以間接調整洗衣桶的洗衣轉速；改變腳蹬驅動機構中飛輪系統鏈輪的大小，可以調整甩干桶的轉速。故表1中給定的輸入轉速為平均轉速，且參照表1中的傳動比參數進行設計，能達到洗衣桶和甩干桶的轉速要求。

2.2 健身效果分析

（1）拉力驅動機構主要利用了重錘滑輪拉力器的健身原理，通過反復拉動拉力驅動機構，可充分鍛煉人體的腕部、肘部、肩部、胸部、背部、腹部等處的肌肉以及關節和韌帶。

（2）腳蹬驅動機構主要利用了健身車的健身原理，通過連續蹬踏踏板使人體的腳踝部位、膝蓋部位、腿部及臀部等處的肌肉、關節和韌帶得到充分鍛煉。

該節能健身洗衣機的效能分析見表2［6］。從表2中的數據可以看出，體重與健身效果相對應，只要堅持就能達到健身鍛煉或瘦身的目的。

表2 不同體重使用者每小時健身能耗表

2.3 洗衣效果分析

選擇同一規格尺寸的純棉淺藍色襯衫作為洗滌試樣，試樣的具體參數見表3。

表3 純棉襯衫參數表

洗滌后，將在人體健身驅動條件下的洗滌效果與電力驅動條件下的洗滌效果進行對比，對比結果表明，人體健身驅動條件下襯衫的水洗尺寸變化、洗后外觀平整度及洗凈比均符合洗滌要求。然后稱重計算出兩種條件下襯衫的最終含水率［8］，計算公式如下：

式中：W0為襯衫洗滌前經恒溫恒濕平衡24 h后的質量，g；Wt為襯衫洗滌脫水后的質量，g。

在電力驅動條件下襯衫試樣的含水率為73.63%。為保證在人體健身驅動條件下襯衫試樣最終含水率數值的準確性，進行了10次脫水甩干試驗，最終通過計算得出平均含水率約為76.5%。證明在人體健身驅動條件下的脫水效果能滿足使用要求。

3 結論

經試驗，新型節能健身洗衣機樣機能夠實現洗衣桶的正反旋轉運動和甩干桶的高速穩定旋轉運動，并且根據計算與分析得到的效果可知，新型節能健身洗衣機具有良好的健身效果和洗衣效果。其結構合理，操作簡單，實用性強，既能洗衣，又能健身鍛煉，契合了社會生活節能減排、低碳環保的主題，對于人們的健康生活具有重大意義。

［1］ 朗超男,邢邦圣，徐樂.基于健身車動力的洗衣機的設計研究［J］.科技信息,2013（13）:29-30.

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［3］ 王建寧，孫永華，謝飛.健身洗衣機結構設計［J］.塔里木大學學報,2012,22（4）:37-42.

［4］ 宋泳印，方俊凱，齊歡明，等.健身洗衣機［P］.中國專利：CN202644208U，2013-01-02.

［5］ 邢鋼,徐玉秀.再生能源健身自行車研制及動態分析［J］.天津工業大學學報,2006,25（1）:67-69.

［6］ 王宏臣，黃銀花，胡田田.家用健身清掃多功能電動輪椅的研制［J］.實驗室研究與探索,2014,33（08）:97-100.

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（編輯 美 華）

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1000-4998（2015）10-0038-03

*河北省引進留學人員資助項目（編號：C2013005012）

河北省自然科學基金鋼鐵聯合類重點資助項目（編號：E2012203080）

2015年4月