新型挤水器设计--课程设计.doc

新型挤水器机械创新设计课程作业题 目： 新型挤水器 院 （部）： 机电工程学院 专 业： 机械工程 学 号： 班 级： 姓 名： 指导教师： 完成日期： III新型挤水器1前 言11.1 现有产品的分析11.2 创新技法的运用与讨论21.3 设计的意义42 原理方案设计52.1 功能设计法的简介52.2 总功能分析52.3 工作原理分析与分功能描述62.4 功能元求解92.5 系统求解102.6 优化系统解113 机构设计153.1 机构设计原则的运用与讨论153.2 机构的选型163.3 机构方案评价234 结构设计264.1 概述264.2 结构方案的变异设计264.3 设计结果介绍305 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；结构设计一1前 言1.1现有产品的分析日常生活中，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（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1.4 1862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123A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挤压脱水铰接咬合压板单摆动曲面块单摆动双辊轮E拧挤脱水多支抓爪加持钳剪切扣F离心脱水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 价格脱水度维修性寿命外观ki加权系数价格x3444150.375脱水度1x334110.275维修性01x2360.15寿命012x360.15外观0011x20.05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）012345678910不能用差较差勉强可用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脱水度寿命维修性价格外观0大量滴水两个月全为特殊零件200元9分1四个月2六个月3轻微滴水八个月150元4十个月较多特殊零件5缓慢滴水一年复杂零件100元6两年7轻压滴水四年较多简单零件100元8六年9潮湿可拧出水八年简单件、标准件50元10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。所以需要对这些复杂的电机驱动机构进行删除最初的原动件。另一方面，由于仅是人力的驱动，所以一定要做到相对省力的机构设计，否则也是与设计初衷不相符的。在这些要求下，通过查找资料发现有人设计出了一种多杆结构挤压机构（如图3.6(a)所示）。其在人力的输入形式上与本设计的原理方案非常近似，但运动的转化，采用的工作原理并不相同，所以其设计中人力输入方面算是一种对本设计的启发与确定，我们仅对此单方面予以了采纳。(a) 机构图 (b) 实体图图3.6 多杆结构挤压机构由实物图（图3.6(b)）能够直观的了解到此设计的观念是独立的挤水装置，其相对复杂的结构不适合与其他构件结合连接。而且采用了前述提到的铰接咬合压板的挤水原理与本组设计不同。另外脚踏板上存在移动副，对与本组设计认为这样的情况会使磨损大，运动卡顿。但其输入控制力的脚踏板结构采用了一种两力臂重合的变相杠杆的原理是我组设计可以采纳之处。本着化繁求简的思路来寻找答案，双摇杆机构引起了我们注意和重视。双摇杆机构同样作为非电机旋转驱动的一种参考项，它的形式更为简单，但运动更为准确稳定。于是根据之前的总结我们得到了几个作为具体分析对象的机构形式，他们本质上都是四杆机构或双摇杆机构。一、 一种最基本的双摇杆机构形式，如图3.7所示。 图3.7 基本双摇杆机构该种机构形式在本组设计中的体现为：图示箭头代表脚踏输入力，在这控制力的作用下，从动摇杆会受连杆往下牵拉产生朝下的摇动，与其固接的另一摇杆变回产生左右的摇动，从而带动固定在其上的滚轮实现挤压操作。二、一种主动杆外翻式的双摇杆结构，如图3.8所示。图3.8 主动杆外翻式双摇杆机构该种形式的机构作用效果与基本型的基本上一样的，之所以采用将主动摇杆翻转移至另一侧，主要是考虑到将来实体造型时自上而下空间位置的相互影响。将主动摇杆外置可以大大减少实体中体现这一构件的踏板向两侧外伸的宽度。三、一种从动杆伸长式的双摇杆机构，如图3.9所示。图3.9 从动杆伸长式双摇杆机构该种形式是继续在上一种形式考虑实体造型空间位置的考量上得到的。它的结构特点就是将安装滚轮的摇杆直接省去，将从动摇杆伸出，使滚轮直接安装在其上。这样主动摇杆就不会在位于连杆下方，避开了阻挡。四、一种主动杆伸长式的双摇杆机构，如图3.10所示。图3.10 主动杆伸长式双摇杆机构该形式的表现好像是又回到了第二种形式，但其伸长主动杆的效果亦是很好的解决连杆与主动杆之间空间位置阻挡的问题，脚踏施力只要在伸长杆端进行，参照图3.6(b)的设计可以免去踏板两侧宽度方向伸长的设计需要。对于四杆类机构除了以上四种讨论的设计，应该还有一些通过机构变异等方法而变得又简单又有效的机构，本组分析无法一一详尽。研究过了机构里已是相对简单的四杆机构之后，我们组有人提出来了可否继续简化的建议。众所周知，机构是用来传递运动或改变运动形式的基本组合体。机构通过构件数与运动副数分为几级杆组几级机构。前述讨论的四杆机构基本上全是两构件三低副的二级机构。所以在进行机构简化，其级别可能会变为一级机构，即是单纯的原动件和机架。如果能满足设计需求，一级机构也正是所需要的最简单的机构。于是我们进行了分析。分析过程中，我们明白原动机既是工作件，所以挤水操作在一级机构的形式下几乎是用输入工作力的脚直接去对拖把进行“踩压”挤水。这样就和前述提到的市面上已存在的铰接咬合平面挤压的操作形式差不多了。所以我们必须对我们组设计的产品在空间形式上进行新的布置，在工作情况上进行性能优化。最终，在之前提出一滚轮固定转动的前提下，我们确定出了第五种简单至极的机构设计（如图3.11），其机构形态与手钳（图2.7）或剪刀的一样，同时原理也同样是一种省力杠杆。图3.11 一级杠杆机构 虽然经过复杂繁长的分析得到的结果非常简单。但是还需要进行机构方案评价才能走到严谨的设计路线上。这与我们所学知识后的思维定势有一定联系的，对于这等简单设计可能会显得效率低下，但对于复杂设计，所有步骤是必经的实用之路。3.3机构方案评价在经过机构选型之后下面开始对于机构方案进行评价。首先要确定评价指标和评价体系，然后是典型机构的性能、特点的评价。评价指标和评价体系，满足同一运动形式或功能要求的机构方案有很多，对这些方案应从运动性能、工作性能及动力性能方面进行综合评价，见表3-1。需要指出的是，各项评价指标及其具体项目，是根据机械系统设计的主要性能要求和机械设计专家的意见设定的。对于不同的设计任务，应根据具体情况拟定不同的评价体系。表3-1机构方案评价指标及其具体项目评价目标运动性能A工作性能B动力性能C经济性D结构紧凑E具体项目运动规律、运动轨迹。效率高低承载能力；传力特性。加工难易；维护方便性；能耗尺寸；质量；结构复杂性在确定了评价指标之后开始对典型机构性能、特点进行评价。本组设计亦是如此，所以要具体进行分析，见表3-2。表3-2机构方案评价指标及其具体项目性能指标具体项目评价四杆机构、双摇杆机构一级机构（杠杆）运动性能A运动规律、运动轨迹满足达到需求位置要求满足达到需求位置要求工作性能B效率高低一般较高动力性能C承载能力；传力特性较大一般较大较好经济性D加工难易；维护方便性；能耗较难较方便一般易极方便一般结构紧凑E尺寸；质量；结构复杂性较大较小复杂较小较小简单通过机构方案的评价初步了解了所留意的几种机构的优缺特点。然后本组将前述五种的机构进行了缺点指出进行删选。第一种机构形式最为普通，但确实没有考虑到将来空间位置摆放的问题。连杆可能会阻挡着主动杆受力的路径。为此要将主动杆突出来一部分供脚踏。另外由于其加装在特制水桶之上，需要两边受力均匀，否则仅仅一边踩踏从动杆会引起不稳定。又由于两边同时踩踏对于使用者很难做到，所以这种机构形式首先被最终否决。第二种机构形式是考虑了第一种的不足而改进的形式。将主动杆外翻至另一边可以避免与连杆发生阻挡。主动杆也可设计为一块踏板与水桶两侧同时连接的形式，这样就可以实现一只脚施力且保持受力均匀了。不过最致命的一点便是这种机构形式所占的长度空间会因此变得很大，与结构紧凑，方便移动的使用价值相违背，最终也被否决了。第三种机构形式也是在对之前一种形式的改进，它省去了独立连接滚轮的杆件，于是结构上达到了既满足空间合理避让又能很好的缩短长度的功能。这个方案在看似没有问题之时，本组对其受力假设情况下进行分析，发现此机构在从动杆上连杆的位置施力存在费力杠杆的结构，这样的情况对于设计很不利。于是在讨论中该方案被否决了。第四种机构形式又是一种围绕上一种形式的改进，既然将从动杆伸长会引起费力的问题，那就采用对立的观点反过来将主动杆伸长变形，得到的机构形式对于空间避让和省力问题上有非常好的解决效果。但是再从机构简单性上，包括其在内的以上四种机构组成上都仍然是非常复杂的。存在四个转动副，相对磨损比较大，所以在讨论中也被放弃使用。第五种机构形式回归到了最原始基本的状态。当脚对其进行施力时，就如同第四种机构形式里连杆在对从动杆进行下拉的作用。结构简单无比，同时在尺寸上特定的使脚踏杆的有效长度大于另一端的长度。达到省力的目的。最终通过讨论评定。我们选择了第五种这一简单的一级机构。4结构设计4.1概述机械结构设计的任务是在原理方案设计和机构设计的基础上，确定满足功能要求的结构方案，其内容包括结构的类型和组成，结构中所有零部件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方式和表面状况等，所确定的结构方案除应能够实现原理方案所规定的动作要求，还应能满足设计对结构的强度、钢度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。一般而言，结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。机械结构设计的重要特性之一是设计问题的多解性，既满足同一原理方案要求的机械结构并不是唯一的，通过机构设计得到一个可行的结构方案一般并不难，而机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻找最优方案。现有的数学方法能够根据完整的数学模型从一个可行方案出发，在一个单峰区间内寻求到局部最优解，但是并不能遍历全部的可行区域，找出所有的局部最优解，并从中找出全局最优解。要得到最好的设计方案，就需要发挥创造性思维方法的作用。本组设计结构非常简单，可视为准机械结构体。所以照搬顺序地运用数学模型的方法是一种舍近求远、删简就繁的方法。在机构设计的过程中就已深受教训，所以此环节中我们全部认为按照机构方案的变异设计法来对已有的产品设计概念进行变异引用，最终组合为我们的新设计。4.2结构方案的变异设计所谓的变异设计就是从一个已知的、可行的结构方案出发，通过变换得到新的可行方案。限于知识广度不是非常宽泛，加之结构的简单，所以变异设计得到最优解数量不会有多少，但我们认为只要是能够实现本组创新设计的目标就可以。首先通过查阅信息资料，我们从最基本的各功能结构出发，进行结构的变异。盛装水，实现涮洗拖把的桶形薄壁主箱体结构。这样的一个结构部分使我们很容易想到最为简单的圆形形式（如图4.1所示），但在本组设计的拖把挤水器之中还要起到支撑固定滚轮的功能，所以要考虑定位安装其他结构。因此对于圆形结构进行变异，对光滑薄壁进行变异，实现为安装其他结构的打孔、增设凸台、卡钩等预制处理。最后得到一种带有轴孔和凸台的方形薄壁结构（如图4.2所示）。本组拟定拖把主箱体结构主要零件为注塑件及冲压件，结构简单，生产容易主体塑件拟采用高强度工程塑料，达到美观大方，坚固耐用的效果。 图4.1 普通水桶图4.2 主箱体传力，驱动滚轮摆动的一级机构杠杆结构。这一结构在工作时需要很大的挤压力，所以要预防运动方向上的变形，为提高刚度，对一般杆状力臂进行变异，得到扁平状力臂（如图4.3所示）。图4.3 杠杆臂挤压，直接接触拖把墩布的滚轮结构，这一结构在没有进行细究时不会考虑到其质量和形状的对于整体的影响。一般大的滚压机械（如图4.4所示）的两滚轮都是为了实现大的转动惯量而采用实心结构。又因为大型机械的滚轮一般不会发生移动，所以主动和从动两轮也多为等长且固定相互位置。但是由于本设计的特点，两滚轮必须轻盈，且可摆动的滚轮要长度小一些以便其可以贴近内壁增大两滚轮之间的张开度。所变异设计得到了轮辐形的滚轮（如图4.5所示）。图4.4 一般形式的滚压机图4.5 滚轮固定，连接各个结构件的螺杆、螺柱结构。本设计中这些螺杆螺柱都是支撑转动件的结构，长期使用会有一定的磨损，但考虑本设计的载荷很小没有进行校核的必要。但是滚轮的支撑需要较长的螺杆，为防止固定转动滚轮松落，特此在螺杆非螺纹端加设四方柱体（如图4.6），抑制螺杆随滚轮转动，导致螺母松动。另外，杠杆臂的支点部位采用较短双头螺柱（如图4.7）。螺杆螺纹公称直径M6，螺柱为M10，皆选用45号的普通螺栓材料。(a) 固定滚轮螺杆端部(b) 固定滚轮螺杆整体图4.6 固定滚轮螺杆 图4.7 双头螺柱此外还另增设了踏板结构以便更舒适方便的进行脚踏操作和固定摆臂（见附录图一）。 4.3设计结果介绍对以上结构以变异设计理念进行改变设计之后便可以实现最终的三维实体呈现，形象地描述本组设计的拖把挤水器。之后环节便是最终所谓的造型设计环节，但这需要我们对造型设计有一定的了解与认识。造型设计涉及了工程技术、人机工程学、价值工程和可靠性技术，还涉及生理学、心理学、美学和市场营销学等领域，是将先进的科学技术和现代审美观念有机地结合起来，使产品达到科学和美学、技术和艺术、材料和工艺的高度统一，既不是纯工程设计，也不是纯艺术设计，而是将技术与艺术结合为一体的创造性设计活动。本组人员虽然在一起讨论如何合理的设计造型，由于缺乏一定的