多向驅動電動牙刷設計

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

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多向驅動電動牙刷設計

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

摘 要：本設計所提供的是一種具有旋轉運動與徑向直線運動，并且可以更換牙刷頭的電動牙刷。通過其控制開關的調控，可實現3種不同的工作狀態，即單一雙向旋轉運動、單一徑向直線運動、雙向旋轉及徑向直線同步運動。其原理是通過電機驅動偏心曲柄滑塊機構來實現徑向直線運動；通過單個電機驅動帶動牙刷頭旋轉實現旋轉運動。并通過機械動力學仿真軟件ADAMS、Solid Works進行仿真設計確實可行，且其設計前身技術已經獲得國家實用新型專利授權認證，專利號：ZL 2014 2 0673358.6。

關鍵詞：曲柄滑塊；急回特性；電機；牙刷頭

電動牙刷是近幾年出現的新產品，由于電動牙刷清潔效率高，可以清潔到手工刷牙所清潔不到的盲區，同時其清潔效果好，能夠有效地保護牙齦健康，所以目前在歐美許多國家電動牙刷是一款非常流行的日用品。然而由于在我國電動牙刷的價格比較昂貴，且其使用壽命一般為2～3個月，壽命較短，從而導致電動牙刷在我國市場上推廣還存在很大的阻礙；而本設計所提供的電動牙刷結構簡單、制造成本低、牙刷頭可更換的功能大大解決了現有電動牙刷價位高、使用壽命短的缺陷，為后續電動牙刷的市場推廣提供便利。

1 一種多向驅動電動牙刷的工作原理

1.1 徑向直線驅動機構

電動牙刷徑向直線驅動機構示意圖如圖1所示，通過在其內部設置徑向驅動機構，改變電機輸出力的方向，使得牙刷頭1在導軌2上做往復的直線運動。

1.2 旋轉驅動機構

電動牙刷旋轉驅動機構示意圖如圖2所示，通過在其內部設置旋式驅動機構3，使得牙刷頭1在旋式驅動機構的驅動下進行旋轉運動（包括順時針轉動與逆時針轉動兩種轉動方式）。

1.3 控制開關

以上兩種驅動方式分別由兩個相對獨立的開關所控制，即該電動牙刷的運動方式包含以下3種：徑向直線運動、旋轉運動、徑向運動與旋轉運動同步運動等。

2 一種多向驅動電動牙刷的結構介紹

2.1 徑向直線驅動機構

電動牙刷的徑向直線驅動機構示意圖如圖3所示。

編號1為牙刷頭；

編號2為滑動導軌；

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為驅動電機b。

搖桿4和曲柄5之所以設計成空心塑料圓桿是為了減少曲柄滑塊機構動力原件與傳統件的質量。因為減少連桿質量，可以有效地減少系統的轉速波動，減少了系統的負載，減少對電機的功率要求。

圖1

圖2

圖3

工作機理：機構運行工作時：

（1）電機b順時針轉動帶動曲柄5也做順時針轉動；

（2）曲柄5的順時針轉動帶動搖桿4在一定的角度范圍內擺動；

（3）搖桿4在擺動過程中會推動滑塊（牙刷頭1）在滑塊兒導軌2上做往復的直線運動。

此處的曲柄滑塊采用偏置曲柄滑塊機構，即滑塊中心與曲柄5圓周轉動的圓心不在同一水平線上。偏置的曲柄滑塊機構不僅能夠實現將電機的旋轉運動轉化為滑塊的往復直線運動，與此同時還具有急回特性，使得牙刷頭在水平向左直線運動，即工作行程速度慢、功率大；在水平向右直線運動，即返回空行程速度快、功率小。

極位夾角：即曲柄5與搖桿4在運動過程中，兩桿在一條直線上重合（即死點位置）有兩種情況，這兩種情況下對應的兩條直線的夾角就是極位夾角。

且平面四桿機構在運動過程中出現極位夾角時，機構就具有急回特性，K值

圖4

2.2 雙向旋轉驅動機構

電動牙刷的雙向旋轉驅動機構示意圖如圖4所示。編號7為空心滑塊。

將電機a安裝在空心滑塊7中。兩者相對固定；牙刷頭1與電機b兩者安裝關系為可拆卸的安裝。

工作機理：機構運行工作時：當牙刷的工作狀態為單一雙向旋轉運動時，由電機b帶動牙刷頭1進行順時針或者逆時針的轉動；

當牙刷的工作狀態為雙向旋轉及徑向直線同步運動時，電機b作為動力源驅動右曲柄5、搖桿4以及牙刷頭1構成的曲柄滑塊機構，從而將電機的扭矩轉化為滑塊（牙刷頭1）往復直線運動的推力；而滑塊的往復直線運動帶動與其相連接的牙刷頭1的運動，與此同時牙刷頭也在電機a的驅動下進行順時針或者逆時針的轉動。

電機a采用的是有刷直流電動機，因為有刷直流電機是用電機換向的，電刷換向具有可逆性。可以通過開關控制控制電機a的順時針或者逆時針轉動。

結語

本文在實驗與已有專利技術的基礎上，進一步分析設計了多向驅動電動牙刷。本文所設計的電動牙刷主要由徑向直線驅動機構與旋轉驅動機構這兩大機構組成，通過其開關控制可實現電動牙刷單一雙向旋轉運動、單一徑向直線運動、雙向旋轉與徑向直線同步運動等3種工作方式，并且其牙刷頭可替換的特點，更是大大地延長了電動牙刷的使用壽命，解決了因市場上現有電動牙刷使用壽命較短而難以進一步推廣的問題。

參考文獻

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

中圖分類號：R78

文獻標識碼：A

基金項目：本論文獲得“廣東石油化工學院”大學生創新創業培育計劃項目資助，項目名稱：多向驅動電動牙刷；項目編號：2015pyC010。越大，機構的急回特性越顯著。

通信作者：譚云。