直流电动理发剪曲柄滑块机构的优化设计

仇高贺

摘 要： 为研究延长直流电动理发剪充电后使用时间，提高机构工作效率，通过分析电动理发剪的内部结构和工作原理，将其简化为曲柄滑块机构，通过ADAMS对理发剪曲柄滑块进行优化设计找出最优曲柄值，使理发剪在工作过程中电机消耗功率最小，对比优化前后的理发剪空载和切削毛发的时间，分别比未进行优化的原型理发剪长16 min和17 min，實验证明优化后的理发剪结构提高理发剪的工作效率。

关键词： 直流电动理发剪； 曲柄滑块机构； 优化设计； 仿真

中图分类号： TH 128 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）01-0091-04

0 引 言

理发剪是人们生活中必不可少的日常护理工具，电动直流理发剪噪音小，操作方便，已经逐步取得交流理发剪，成为人们日常生活护理的新宠。传统直流理发剪设计采用经验法或仿造法，传统设计方法没有搞清楚直流理发剪的工作原理，往往无法找出内部运动机构的最佳配合参数，使得直流理发剪充电时间长而工作使用时间较短，甚至造成充电一次不能完成一次理发的任务，严重影响了理发的进程。影响理发剪充电后使用时间因素很多，如电池的性能差异、刀片润滑条件等，为简化研究内容本文假定理发剪装配中同一批次电池具有相同的性能和质量，忽略次要因素如刀片润滑条件差异、构件质量分布不均等因素，单纯从机械结构运动特性方面来讨论如何通过机构的优化降低电机功率损耗、延长理发剪充电后使用时间，达到提高产品性能的目的。

1 理发剪工作原理

1.1 曲柄滑块机构的简介

用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆。机构动动时﹐如铰链中心的轨跡不通过曲柄的转动中心，称为偏置曲柄滑块机构。曲柄滑块机构可以把曲柄的整周转动转换为滑块的往复直线移动，且偏置曲柄滑块机构的滑块具有急回特性。

1.2 电动直流理发剪工作原理

直流理发剪由直流电机带动偏心轮，偏心轮在动刀片固定架槽内的圆周旋转运动带动可动刀刃做左右往复直线运动，动刀片通过扭簧压紧在固定刀刃上，剪刃部通过梳齿状的固定刀刃以及滑动连接于固定刀刃而受到来回驱动的可动刀刃将毛发切断，动刀片的左右行程由偏心轮的偏心距确定。直流电动理发剪结构原理如图1所示。

忽略具体构件结构和质量分布的差别，单从电动直流理发剪内部构造和运动特征分析，其运动学模型可以简化为偏心曲柄滑块机构，但是此时的偏距为偏心轮轴线到动刀片滑动槽中线距离，该款理发剪偏距为12.1 mm。偏心轮偏心距则为曲柄AB杆长度。扭簧在机构中起到加紧动刀片作用，使得动刀片能贴合导轨做往复直线运动，同时在理发剪切削头发回程中增加动能作用。所以可以将扭簧简化为两个弹簧组成，一个是作用在于滑块导轨垂直的法线方向的压缩螺旋弹簧，设其弹性系数为K1，另一个是作用在滑动导轨导路方向上，即C1C2连线上，起到增加回程作用力，提高行程速比系数目的，设其弹性系数为K2。连杆BC长度即为扭簧伸出作用力臂的长度，即圆柱螺旋轴心到固定端空间长度，如图2所示。理发剪简化后曲柄滑块机构如图3所示。

2 理发剪曲柄滑块机构的优化设计

2.1 曲柄滑块数学极值法设计

对曲柄滑块结构进行受力分析，建立力平衡方程。首先连杆BC传递到滑块上的作用力F可以分解为沿滑轨导路方向的有效分力Ft及垂直滑轨分力Fn。传动角越大，有效分力越大，传动性能越好，通常传动角不应小于许可值，应使？酌min>40°。取许用传动角[？酌]=40°，为提高理发的速度，要求行程速比系数越大越好，一般要求行程速比系数至少K≥1.0。

连杆和偏距均可以表达成曲柄函数[1～2]，评价曲柄滑块机构优劣的目标函数为机构的最小传动角？酌min是否为最大[3～4]。因此， 建立如下理论寻优目标函数：

即：连杆-曲柄>=偏距，从而可以计算得出曲柄理论最优长度为0.973 mm。但是这种数学极值方法并没有考虑到滑块与滑轨的摩擦力，也没有考虑理发剪在剪切头发时候的工作阻力，为更加准确找到曲柄的最优解，需要考虑理发剪工作阻力。

2.2 曲柄滑块ADAMS设计

理论上偏心距、曲柄长度和连杆长度、滑块行程均可设定为设计变量，但是改变偏心距需要重新设计理发剪模具，改动成本最大；改变连杆长度l需要重新设计扭簧，扭簧作用力臂长度改变将带来扭簧弹性系数的变动，改动比较困难，而改变偏心轮的偏心距，即改变曲柄长度比较容易，而且电机输出端的空间比较大，完全可以满足设计空间要求，固曲柄长度为设计变量x。为保证理发剪能顺利剪断毛发，需要保障动刀片行程至少超过固定刀片开口的距离，满足开口度要求，C1和C2为滑块的两个极限位置，对应曲柄滑块机构即行程C1C2≥1.4 mm。该型号理发剪扭簧作用力臂长度l=BC=20.9 mm。

扭簧的材料为65Mn， 密度为7.81 g/cm3，屈服强度785 MPa，质量0.3 g。偏心轮材料为铸造黄铜，密度8.12 g/cm3，质量为2.4 g。动刀片材料为不锈钢420J2，密度为7.75 g/cm3，动刀片固定架为塑料，将其统一为动刀片材料，经过称重动刀片及固定架，折算后滑块质量2.01 g。扭簧水平方向弹性系数k2=0.2 N/mm，不考虑静摩擦力，动摩擦系数u=0.023，根据扭簧参数将滑轨法线压缩弹簧作用简化为集中力Fn1=0.215 N。

2.3 曲柄滑块ADAMS设计实现

在ADAMS中采用参数化建模，即建立参数化的点，使得曲柄的长度随参数化点而改变，将曲柄长度设定为变量。建立电动理发剪的简化后曲柄滑块动力学模型，将曲柄和连杆的位置坐标使用活动点（point）坐标量进行参数化设计，并将上述已知量输入。在设计评估工具栏中定义优化目标为：电机输出功率最小，即曲柄的转速乘以转矩最小，选择“优化设计”选型。限定条件为曲柄最小长度为1.4 mm，同时满足曲柄存在条件，并设定结果偏差小于0.01时结束寻找最优值，通过ADAMS进行参数化优化设计[6～8]，仿真优化曲线如图4所示。图4中，ADAMS仿真将曲柄优化最初设定值为0.97 mm（曲线3），经过10次叠加优化，得到优化曲线1（1.5613 mm）和曲线2（1.5614 mm）。由图4可以看出，曲线1和曲线2基本重合，偏差小于设定值，结束寻优，ADAMS仿真得出优化后的曲柄长度为1.56 mm。

3 测 试

将ADAMS仿真得出曲柄长度和几何极值法求的曲柄的最优值作为偏心轮偏心距各做一个偏心轮，并装配成理发剪，其他参数保持不变与没有进行任何优化的理发剪进行三组对比实验。假定理发剪装配中使用同一批次的充电电池不存在差异。三组理发剪充电完成后先做空载运行实验，然后做毛发切割测试，人体毛发使用20根0.1 mm尼龙丝来代替，优化前后对比如表1所示。

由表1可以看出， 通过静力学数值计算和ADAMS动力学仿真优化后理发剪空载运行时间分别比未进行优化的理发剪长14 min和16 min，切削毛发运行时间分别长15和17 min。说明ADAMS仿真优化的结果能更好降低电机功耗，提高行程速比系数，缩短无效空行程的时间，提高理发剪工作时间比例，从而提高工作效率。

4 结 论

通过对直流理发剪内部结构和运动特性分析将其简化成曲柄滑块机构是比较合理的模型，在ADAMS中充分考虑工作阻力，得出的曲柄最优值，能够提高理发剪行程速比系数，降低电机功率损耗，延长充电后使用时间，故考虑到滑轨摩擦力及切削毛发阻力仿真得出的优化结果能够更好提高理发剪的使用效率。今后优化理发剪可以从以下两方面考虑：一是进一步优化传动机构的内部结构，如可以通过在理发剪动刀片和固定刀片之间增加配合的凹凸滑槽，从减少动刀片和固定刀片之间摩擦力，进一步降低了电动机的功耗，延长了使用时间；二是优化选配电机的参数，提高电机的输出功率因数，从而达到延长理发剪工作时间的目的。

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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

（责任编辑：徐兴华）