新型挤水器设计课程设计Word文档下载推荐.docx

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3.1机构设计原则的运用与讨论·

3.2机构的选型·

16

3.3机构方案评价·

23

4结构设计·

26

4.1概述·

4.2结构方案的变异设计·

4.3设计结果介绍·

30

5结论·

33

参考文献·

34

附录·

35

摘要

日常生活中，我们打扫卫生用到的拖把是再普通不过的工具了。

其形状款式也仅仅是长宽形或者圆形。

但随着家居环境的不断提升，其材质却在不断地改进。

由简单的木质杆发展出了不锈钢等金属杆，功能上也由仅能拖地用延伸出了可伸缩可扭转可通水脱水的结构。

但是这些新型的样式大多是为了适应家居环境的简洁轻巧的设计，在一些公共场所这些类型的拖把并不实用。

尤其是在像集体宿舍这样一些地面宽人流多的场合，还依然离不开那些普通的木质拖把。

但是问题也随之而来，这些普通拖把在使用后挤水工作非常不便，为此我们特定地对身边的这种普通圆拖把进行挤水器的设计。

关键词：

挤水装置；

原理方案；

结构设计

1前言

1.1现有产品的分析

由简单的木质杆发展出了不锈钢等金属杆，功能上也由仅能拖地用延伸出了可伸缩可扭转可通水脱水的结构（如图1.1（a、b、c、d））。

但是这些新型的样式大多是为了适应家居环境而设计的，主要体现在简洁轻便小巧多功能等方面，另外设计制造的成本也因其选材的变化有了极大提高，由单纯四五块钱的普通拖把升级为上百元的家用组合套装。

所以很显而易见在一些公共场所这些类型的拖把并不是很实用。

尤其是在像学生集体宿舍楼这样的一些地面宽人流多的生活居住场合保洁工作相对麻烦，目前依然是离不开那些普通木质圆形或长宽形拖把（如图1.2（a、b））。

（a）（b）

（a）（d）

图1.1各种类型的拖把

（a）（b）

图1.2常见普通拖把

1.2创新技法的运用与讨论

通过对现有产品的分析，可以了解到设计的相关背景。

运用创新技法的形式可以对设计进行大体轮廓的勾勒。

设计目的方向收拢在拖把的更好使用方面。

市场的地位为：

集体宿舍楼、中小餐馆、教室、便利店等。

结合实际情况不难发现这些普通拖把用起来灵便，但不足之处就是洗拖把后挤水难，用手拧，不卫生，也拧不干；

用脚踩，提起来还是湿淋淋，只好挂在一边自行凉干。

有时为了不耽误事，有的不得不准备几个拖把轮换，拖把长期使用后由于得不到有效的脱水，以致污渍满身，人们不得不用比地板还脏的拖把来拖地，清洁效果差，难如人意。

我们组检索了很多相关资料，拖把的挤水问题，已经有过许多成形的设计，为什么没有在市场上形成气候呢？

我觉得他们有几个问题没有解决好：

一是设计不够科学、合理，适应性不好，拖把有前述所示圆的、长宽的，还有大有小；

二是需要用手作动力，而且要一个比较大的力，在实际操作中对大多保洁人员来说不是很方便；

三是使用过程中，对拖把有横向或纵向的作用力，这样会让拖把早早散架，大大缩短了拖把的使用寿命。

针对上述关键点，我们组进行了讨论得出以下结论：

普通拖把有面积大适合在较脏乱的环境里使用，成本低等优势。

但是问题也随之而来，运用缺点列举法可以发现，日常我们在使用这些普通拖把的过程中很难对其进行方便的脱水工作，单纯的手拧又极不方便卫生，所以与此相关方面亟待改进。

另外又由于制造上的低成本和自身木质的简单结构，这些普通拖把自身相应的改进必然发生在其制作材料的一些前文叙述的改进上。

目前的技术与认识在拖把自身之上并没有太大的创新空间了。

普通拖把会长期损坏更换，涮洗水桶等容器可以长期使用，运用转向创新的观点，将设计的焦点转向了涮洗拖把用的水桶上。

设想可否在供拖把涮洗用的水桶上加装或改进一些装置，实现更为专业的配套使用。

换而言之设计目的也最终确定成为设计出一种涮洗容器实现普通拖把方便卫生地脱水滤干以及相关工作。

通过查阅资料，可以发现目前如图1.3的设计就是类似的概念，其是运用了离心力的原理得到的设计结果。

本设计亦受其启发并，确定去特定地围绕普通圆拖把进行创新设计。

图1.3脚踏式离心甩干拖把

但是又考虑到最初设定普通拖把的结构是不可改变的，所以离心原理不易在其上应用，需要寻找另外的脱水原理。

本设计以联想类比的观点出发，发现更为普通常见的挤压原理更适合设计初衷（如图1.4）。

于是通过一系列的原理方案的分析，本组确定设计的最终方向为一种可为普通圆拖把进行滚压挤水的容器，详细分析在后文原理方案设计内会做说明。

图1.41862年世博会参展手摇洗衣机

1.3设计的意义

经过讨论得到的设计结果达到了与现实问题相契合目的。

本设计的直接意义便是可以解决了部分普通木质拖把的脱水滤干难进行的问题。

但深究其中，可以发现本次的设计还有着更为宽领域的意义。

不管是在学习知识与运用知识上，这是一种实践的经历也是对生活实践的再实践，通过发现问题、分析讨论、研究决定的几个环节，将自身之前所学的及相关未知的知识系统地编织在一起，是对设计者的一次能力提身。

生活里有很多可以获得灵感的地方，它们也总是有所联系的，本次设计的命名为“一种普通圆拖把挤水器”，但其功能并不局限于此，它同时可用于涮洗，也能用于相对较窄的长宽拖把，甚至是一些织品衣物等。

2原理方案设计

2.1功能设计法的简介

方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思，搜索解决问题的物理效应和工作原理，并利用机构运动简图、液路图、电路图等表达构思内容。

原理方案设计对于产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大的影响。

其是“发散—收敛”的过程。

此过程中，往往是通过功能设计法来入手的。

功能设计法的目的在于，按照能量流、物质流、信息流将产品开发的内容分解，从而在设计的初始阶段明确产品设计所要求的功能。

本组创新设计既是按照功能设计法的一般步骤进行了原理方案设计。

分为总功能分析、工作原理分析与功能描述、功能元求解、系统求解、优化系统解。

2.2总功能分析

总功能分析遵循一些基本原则：

a.能量守恒原则，即任何流入系统的能量等于系统输出和存储的能量。

b.物质守恒原则，即任何流入系统的质量等于系统流出和储存的质量。

c.列出所有与系统相互作用的对象或系统界面。

d.用动词来表达总功能中的能量流、物质流和信息流。

总功能分析常用方法为黑箱法，本设计的黑箱法描述如图2.1所示。

图2.1黑箱法示意图

总功能分析的黑箱法对本组设计的整体概述即是将使用过后的拖把加上水和控制力作用驱使运动，在黑箱里实现拖把的涮洗，同时更侧重实现拖把的脱水滤干。

黑箱内具体的内容将会在功能设计法接下来的步骤中构思出来。

2.3工作原理分析与分功能描述

首先涮洗功能在人力操纵下即可进行并无特异之处，但可以考虑在光滑的容器内壁设计一下改变涮洗时水流形式的结构。

一般在涮洗圆拖把时，水流都是规律的旋动，形成于墩布同速度的涡流，这不利于冲洗掉墩布上的污物，所以上述考虑在容器内壁上加装一些阻隔类的结构，以实现水流形式的改变，实现水流相对的紊乱，增大冲洗效果。

具体可以加装一些简单的肋筋，更可以加装一些像洗衣机里设计的凸起结构（如图2.2）。

但这些是要考虑成本与使用环境是否允许是否有必要的。

图2.2洗衣机内的凸起结构

设计的重点还是在于怎样实现拖把的脱水滤干，即水与拖把分离的功能。

其他功能只是辅助或者有所联系的相关功能。

根据本组设计的思路，拖把脱水滤干功能的实现可以很多方案。

前述已知本组设计就是受到根据离心原理设计的甩干式拖把启发而立的项。

但原理方案中还是有很多其他更简单更综合实际的构思。

分析脱水滤干过程的动作形式，可以同样运用前述离心脱水的原理方案，但不难想象，其动作也可以与挤牙膏的动作类似，这是一种两面挤压的原理，如图2.3所示产品；

也可以像平时拧毛巾一样，采用自身拧挤的原理，如图2.4所示产品。

根据不同形式又会有不同的实现途径来满足相应的原理要求，这时就需要考虑普通圆拖把的结构与特性来选择。

图2.3脚踏挤压挤水器图2.4手拧拖把

其中离心原理的设计，需要有一个多孔的筛桶和能快速旋转的转轴，因此结构上会相对较复杂。

旋转轴方向可以是竖直、倾斜或者水平，这样设计的用于固定支撑的结构也要因此发生变化。

高速、体型不宜过大的条件使其动力结构需要紧凑高效，所以必然考虑采用齿轮齿条的结构。

如果采用挤压原理的设计，其结构可能会相对简单一些，力的输入形式更为直接一些，但可能需要提高一些杆臂的刚度，保证足够的压力传递到拖把墩布上。

另外挤压也不单单只有两个平面咬合这一种形式。

也可以是两个曲面挤压，这样接触面积变小，压强变大，理论上效果会更好，但是摩擦可能会怎大。

综合两者也可以参考滚压机床辊子的动作形式（如图2.5），采用双辊轮滚压作用既增大压力又可以减少摩擦。

已有的产品采用了简单的脚踩式摇臂来实现一个轮子的摆动，达到双轮的靠近与压紧（如图2.6）。

同样实现双轮的相对运动也是有很多形式的，采用如同手钳钳口结构（图2.7）的杠杆原理不但能够实现要求还可以省力。

采用拧挤原理的设计，图2.4所示原理呈现在拖把上。

如果呈现在涮洗容器上，则需要一些类似大型机械加持抓紧的装置（如图2.8）来固定住墩布，才可以实现拧挤操作。

可想在扭矩的作用下虽然能很好的拧干墩布，但是这需要的扭转力过大，夹紧装置的设计会变复杂，整体固定也可能会需要额外的固定手段。

对于拧挤式设计需要考虑稳定与固定的问题。

在使用其他设计原理的产品时，也会要求做到整体稳定，不会在各种控制力的作用下出现不应该的移动、晃动。

图2.5双辊轮滚压示意图2.6脚踩式摇臂挤水拖把

图2.7钳口结构

图2.8抓爪结构

此外整个产品的摆放形式会有所区别，可分为底面触地和滚轮触地（如图2.9（a、b））。

同样是考虑不同使用环境而定的。

而本设计的设计背景是学校学生宿楼等类似环境，考虑到楼道与楼层的空间限制，滚轮触地的摆放形式虽然移动省力方便但并不一定合适。

同时滚轮设计可能不稳定，会产生前述不稳定的滑动。

但另一方面采用底面触地的形式会加重保洁人员的体力支出。

总之这些还需要在之后组合时的权衡。

（a）底面接触（b）滚轮接触

图2.9两种类型的摆放形式

在进行脱水操作时，前述提到的固定控制是很重要的，即保持构件工作状态不发生变化，能够持续处于脱水滤干工作的而不产生卡顿，偏离的状态。

虽然已经考虑到了滚轮触地这一形式在此方面的不足，但是也要考虑底面接触的形式其自身重量是否可以满足保持不发生偏动的惯性，如果无法满足要求，不管什么原理方案都需要另外的固定手段。

最普通可行的方式有脚踩固定、手按固定等。

2.4功能元求解

通过对分功能的大体描述可以获得较详尽的功能元构架（图2.10）。

图2.10功能元求解分析

2.5系统求解

探求各种功能元解并列出形态学矩阵综合表，如表2-1所示。

表2-1挤水器原理方案形态学矩阵综合表

功能元解

功能元

3

A

手动（涮洗方式）

往复转动

往复摆动

垂直按动

B

水流改变

肋筋

凸起结构

凸起转盘

C

脱水滤干（方式）

挤压脱水

拧挤脱水

离心脱水

D

铰接咬合压板

单摆动曲面块

单摆动双辊轮

E

多支抓爪

加持钳

剪切扣

F

摇杆曲柄

齿轮齿条

手摇

G

摆放

底面触地

滚轮触地

H

固定控制

脚踩

手按

机械固定

由此可组成挤压式、拧挤式和离心式各486种方案供选择。

例如：

组合A3-B2-C3-F1-G1-H2既是为图1.3所示的离心式拖把挤水器。

组合A1-B2-C1-D1-G1-H1既是为图2.3所示的挤压式拖把挤水器。

2.6优化系统解

经过功能分析法的我们求得了多个系统解，但这些原理方案并不一定满足最初的设计背景和产品分析结论。

需要对这些系统解进行评价。

首先我们通过对比等手段将那些实际情况不符的设计以及市面上已有的设计进行了删除。

初步按照前述分析选定组合A1-B1-C1-D3-G1-H1的原理方案。

然后设立评价目标对需要进一步评价的系统解进行定量的评价，见表2-2。

表2-2挤水器初定原理方案评价目标

性能参数

脱水度

运行参数

维修性，寿命

经济性

价格

社会性

外观

运用强制判定法制定评价目标加权系数，首先对目标项评分设为：

1、2、3、4四个分数。

当两评价目标项进行比较时，两者同等重要各给2分，某项比另一项重要分别给3分和1分，某项比另一项重要得多则分别给4分和0分。

最后通过计算求出各加权系数gi，见表2-3。

（2.1a）

式中，ki—各评价目标的总分；

n—评价目标数。

表2-3挤水器初定原理方案的加权系数判别表

比较目标

评价目标

维修性

寿命

ki

加权系数

x

0.375

0.275

0.15

0.05

目标树是分析表达评价目标的另一种有效的手段，为便于定性或定量评价，我们对初定原理方案进行分解图示，将评价目标具体化为目标元，绘制出目标树，如图2.11所示。

图2.11评价目标树

通过目标树，我们能够清晰地了解到初定原理方案评定目标的情况。

由于缺乏一手的准确数据，只能对本组初定的原理方案运用评分法进行对最终的定量评定。

评分标准采用10分制。

理想状态为10分，不能用为0分，分数可参考表2-4。

表2-4评分标准（10分制）

7

8

不能用

差

较差

勉强

可用

中

良

较好

好

优

理想

按照分数标准，制定出原理方案评价分值表，见表2-5。

表2-5评价分值表

评价分值

特性参数

大量滴水

两个月

全为特殊零件

200元

9分

四个月

六个月

轻微滴水

八个月

150元

十个月

较多特殊零件

缓慢滴水

一年

复杂零件

100元

两年

轻压滴水

四年

较多简单零件

六年

潮湿可拧出水

八年

简单件、标准件

50元

潮湿拧不出水

十年

本组选定的原理方案在各性能方面分析得到的分值大致为脱水度8分，寿命7分，维修性7分，价格8分。

按加权计分法求方案总分，由式

可求得

N=g1P1+g2P2+g3P3+g4P4+g5P5

=

虽然受到条件限制无法跟现有产品进行比较，但是初选计算得到的总分数已达到7分以上，所以本组讨论认为初选原理方案评定为可行、较好的原理方案。

该原理方案构思的拖把挤水器，设计相对独特，使用方便，此外由于涮洗后脱水的方便，可以起到减少换水次数的效果，具有节水功能。

原理方案具体的工作原理体现如下：

（1）拖把挤水器是通过安装在水桶等涮洗容器两侧的滚轮来实现脱水滤干的。

杠杆式摆臂通过脚踩施力带动一滚轮沿一定圆周移动，与安装在水桶上端的另一滚轮呈一定半径夹角夹紧拖把墩布，用手缓慢向上抽出拖把带水的墩布，从而带动滚轮转动减小摩擦，拖把上移，从上至下对拖把挤水。

（2）脚踏连接两摆臂后端的横杆，由于滚轮曲面对拖把墩布团的作用面积小，夹紧力大，能对拖把有较好的挤水效果，挤干程度视脚踏踏板力气大小可按需控制。

其最大特点是以脚为动力便可轻松完成拖把的挤水。

（3）在挤水操作时，挤水器自身可以借由盛装的水和脚的压力来保持整体的稳定，使其不发生晃动等。

（4）在涮洗拖把时，桶壁内设计选择了加装肋筋，既加强了盛装水桶的强度，又可以在往复旋转拖把时来回激荡水流和墩布，加大冲洗效果。

以上是选定方案组合往复旋转（A1）——肋筋（B1）——挤压脱水（C1）——单摆动双辊轮（D3）——底面触地（G1）——脚踩（H1）具体的描述。

3机构设计

3.1机构设计原则的运用与讨论

通过复杂周密的分析已得到了设计的原理方案，这在理论功能上对设计的产品进行了详尽的描述，但对于怎样反映到现实之中实现相应的功能，这就需要对相应原理配套相应的机构，以求在现实之中对设计的产品进行详尽的描述。

这就需要对机构进行详细的设计。

一个好的机械原理方案能否实现，机构设计是关键。

而机构设计中最富有创造性、最关键的环节是机构形式的设计。

常用的机构形式设计方法有两大类，即机构的选型和机构的构型。

但机构形式的设计具有多样性和复杂性，满足同一原理方案的要求可采用或创造不同的机构类型。

在进行机构形式设计时，除满足运动形式、运动规模或运动轨迹要求外，应遵循以下几项原则。

机构尽可能简化原则，即完成同样运动要求，应优先选用构件数和运动副数较少的机构，这样可以简化机器的构造，从而减小质量、降低成本；

同时也可减少由于零件的制造误差而形成的运动链的累积误差，提高零件加工工艺性，增强机构工作可靠性。

运动链简短还有利于提高机构的刚度，减少产生振动的环节。

另一方面，机构尽可能简化也表现在适当选择运动副上。

在基本机构中，高副机构只有3个构件和3个运动副，低副机构则至少有4个构件和4个运动副。

因此，从减少构件数和运动副数及简化设计等方面考虑，应优先采用高副机构。

但是实际生产中，低副机构元素加工方便、容易保证配合精度以及有效高的承载能力，所以到底选择何种机构应根据具体设计要求，尽可能做到“扬长避短”。

一般情况下，应优先考虑低副机构，而且尽量少采用移动副。

尽量缩小机构尺寸原则，机械的尺寸和质量随所选用的机构类型不同而有很大差别。

例如，众所周知在相同的传动比情况下，周转轮系减速器的尺寸和质量比普通定轴轮系减速器要小的多。

使机构具有较好的动力学特性原则，机构在机械系统中不仅起到传递运动的作用，而且还要起到传递和承受力或力矩的作用，因此要选择有较好的动力学特性的机构。

因此就要求相应机构要采用传动角较大的机构，采用增力机构和对称布置的机构。

通过以上分析可知，本组的设计和选定原理方案的实现都相对较简单明了，没有涉及多少传动传力的复杂情况，更没有联系机电系统的的必要。

所以机构设计不会考虑电动机、运动链、运动副等复杂的情况，更没有必要去刻意加上这些看似能实现高自动化的机构。

创新设计的目的是为了实用，由此本设计机构通过机构选型便可以得到满意结果，而且会相对快速简单，没有必要进行学识要求更高的机构构型来寻找结果。

3.2机构的选型

所谓机构的选型是指利用发散思维的方法，将前人创造发明的各种机构按照运动特性或可实现的功能进行分类，然后根据原理方案确定的执行构件所需要的运动特性或将要实现的功能进行搜索、选择、比较和评价，选出合适的机构形式。

一般机构选型可分为按运动形式要求选择机构和按机构特定功能进行选型。

本组设计的挤水器经分析，确定按照可动滚轮的运动形式要求选择机构。

可动滚轮的运动形式是一个摇杆的往复摆动。

所以查阅资料可知能够实现往复摆动形式的机构有如下几种：

曲柄摇杆机构（如图3.1），例如破碎机；

滑块摇杆机构，例如车门启闭机构；

图3.1曲柄摇杆机构

摆动导杆机构（如图3.2），例如牛头刨床；

图3.2摆动导杆

曲柄摇块机构，例如装卸机构；

摆动凸轮机构（如图3.3），例如印刷机构；

图3.3摆动凸轮机构

齿轮齿条机构（如图3.4），例如机床进刀机构；

图3.4齿轮齿条机构

双摇杆机构（如图3.5）。

图3.5双摇杆机构

由于这些机构是在机械之中经常用到的，不难发现这些典型例子中有很多都是电机驱动的机械机构。

虽然其中提到的车门启闭机构同样是人力控制，但其存在滑块移动副，不适合本设计的选择要求。

换而言之，本设计相对于这些机械是属于那种轻型的准机械产品。

所以需要对这些复