新型节能健身洗衣机的设计与研究*

□ 齐欢明 □ 张兴中 □ 王长春

1.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066004

2.潍坊学院 机电与车辆工程学院 山东潍坊 261061

新型节能健身洗衣机的设计与研究*

□ 齐欢明1□ 张兴中1□ 王长春2

1.燕山大学机械工程学院 河北秦皇岛 066004

2.潍坊学院 机电与车辆工程学院 山东潍坊 261061

在节能环保的主题下，设计了一种新型节能健身洗衣机。将脚蹬驱动机构、拉力驱动机构与洗衣机进行巧妙地结合，将人体健身锻炼产生的能量通过传动系统的传递，驱动洗衣机转动，从而达到健身锻炼、洗涤衣物的双重目的。试制了新型节能健身洗衣机，并对健身效果和洗衣效果进行分析，证明该健身洗衣机节能环保、结构合理、操作简单、实用性强，特别适合在家庭中使用。

健身洗衣机 健身锻炼 驱动机构 分析

随着科技、信息技术的快速发展，电器类产品的日益增多，使我国的电能、煤炭、石油等能源的消耗量已呈逐年增长的趋势。因此，节能环保成为了社会生活的一大主题，而生活水平的提高和现代生活观念的转变，健身运动已成为现代生活中的重要组成部分。由于现有的健身洗衣机结构复杂，占地面积大，只能通过单方向的运动形式实现洗衣机的洗衣桶或甩干桶的单向旋转运动，无法实现洗衣桶的正反向旋转，因此健身洗衣机的健身方式较为单一，洗衣效果较差［1］-［3］。笔者在健身、洗衣为一体的设计理念的驱使下，设计了一款节能环保、操作简单、实用性强、结构合理、特别适合在家庭中使用的新型节能健身洗衣机［4］。

1 健身洗衣机的工作原理

新型节能健身洗衣机的设计方案如图1所示，洗衣机的洗衣过程是依靠安装在洗衣桶底部波轮的正、反旋转来带动衣物翻转，使衣物在水中进行柔和地摩擦并借助洗涤剂实现去污和清洗。正反旋转运动要由

人体的健身运动来实现，就必须有一个能提供正反旋转运动的系统，因此，笔者设计了结构原理类似于健身房中重锤滑轮拉力器的拉力驱动机构，提供节能健身洗衣机的正反旋转运动。

▲图1 节能健身洗衣机的设计方案

洗衣机的甩干过程是利用高速旋转时产生的离心力来甩干衣物的，此转速由电动机带动比较容易实现，但要通过人体健身运动来实现，必须要有一个稳定且有较高速度的动力系统。为此，采用自行车的飞轮系统，设计了脚蹬驱动机构为节能健身洗衣机提供较高且稳定的转速［5］。

上述两部分的动力传输是通过两套独立的链轮、皮带轮及锥齿轮来实现的，洗衣机内部的动力传输系统也必须分开，一套是实现洗衣桶的转动，另一套是实现甩干桶的转动。在皮带轮的运动传输终端，采用锥齿轮传动，两组90°啮合的锥齿轮分别与洗衣机内部的动力传输系统连接，通过传动轴与洗衣滚筒和甩干滚筒连接，两部分的运动互不干扰，均可单独工作。通过洗衣机外部的两个手柄，分别控制两组锥齿轮的啮合状态，从而实现洗衣机在人体健身驱动或电力驱动状态下，均可完成洗涤衣物的目标。

结合图2中节能健身洗衣机的结构示意图，对其工作原理作进一步说明［4］。

▲图2 节能健身洗衣机的结构示意

▲图3 节能健身洗衣机样机

1.1 洗衣桶正反向旋转的实现

向下拉动拉柄时，链条会随之同步动作，链条驱动洗衣桶牵引链轮、洗衣桶主传动轮和链轮3转动，配重随之上升。洗衣桶主传动轮的转动，驱动洗衣桶辅助轮转动，这样就驱动连接洗衣桶驱动轮的那组锥齿轮的转动，实现洗衣机洗衣桶的正向旋转。松开拉柄时，链条在配重自身重力的作用下反向移动，洗衣桶牵引链轮反转，使洗衣桶辅助轮反转，实现了洗衣桶的反向旋转。反复拉动、松开拉柄，就可以实现洗衣桶的正反向旋转，同时锻炼了人体的上肢部位。

1.2 甩干桶较高速旋转的实现

脚蹬轮、转轴和甩干桶牵引链轮安装在支撑板上的两端，甩干桶牵引链轮与脚蹬轮通过链条连接。连续蹬动踏板，驱动脚蹬轮、甩干桶牵引链轮、甩干桶主传

动轮的转动，通过皮带驱动甩干桶辅助轮转动，从而驱动连接甩干桶驱动轮的那组锥齿轮转动，实现洗衣机甩干桶的高速旋转，同时锻炼了人体下肢部位。

支撑板上安装有扶手和座椅，坐在座椅上手扶扶手、脚蹬踏板，为健身者提供一个较为舒适的运动设施，有助于延长洗衣和健身锻炼时间。

根据设计方案及工作原理，试制了新型节能健身洗衣机样机，如图3所示。

2 计算与分析

2.1 传动比的计算

家庭普通双桶洗衣机的洗衣桶转速在 48～55 r/min时，可提高洗净比，甩干桶的转速在800～1 000 r/min时，可有效保护电机［7］，传动比及转速见表1。

表1 传动比及转速参数表

洗衣桶和甩干桶的转速根据洗衣和甩干需要及人体自身的体能状况均可作适当调整。改变拉力驱动机构中配重的数目，可以间接调整洗衣桶的洗衣转速；改变脚蹬驱动机构中飞轮系统链轮的大小，可以调整甩干桶的转速。故表1中给定的输入转速为平均转速，且参照表1中的传动比参数进行设计，能达到洗衣桶和甩干桶的转速要求。

2.2 健身效果分析

（1）拉力驱动机构主要利用了重锤滑轮拉力器的健身原理，通过反复拉动拉力驱动机构，可充分锻炼人体的腕部、肘部、肩部、胸部、背部、腹部等处的肌肉以及关节和韧带。

（2）脚蹬驱动机构主要利用了健身车的健身原理，通过连续蹬踏踏板使人体的脚踝部位、膝盖部位、腿部及臀部等处的肌肉、关节和韧带得到充分锻炼。

该节能健身洗衣机的效能分析见表2［6］。从表2中的数据可以看出，体重与健身效果相对应，只要坚持就能达到健身锻炼或瘦身的目的。

表2 不同体重使用者每小时健身能耗表

2.3 洗衣效果分析

选择同一规格尺寸的纯棉浅蓝色衬衫作为洗涤试样，试样的具体参数见表3。

表3 纯棉衬衫参数表

洗涤后，将在人体健身驱动条件下的洗涤效果与电力驱动条件下的洗涤效果进行对比，对比结果表明，人体健身驱动条件下衬衫的水洗尺寸变化、洗后外观平整度及洗净比均符合洗涤要求。然后称重计算出两种条件下衬衫的最终含水率［8］，计算公式如下：

式中：W0为衬衫洗涤前经恒温恒湿平衡24 h后的质量，g；Wt为衬衫洗涤脱水后的质量，g。

在电力驱动条件下衬衫试样的含水率为73.63%。为保证在人体健身驱动条件下衬衫试样最终含水率数值的准确性，进行了10次脱水甩干试验，最终通过计算得出平均含水率约为76.5%。证明在人体健身驱动条件下的脱水效果能满足使用要求。

3 结论

经试验，新型节能健身洗衣机样机能够实现洗衣桶的正反旋转运动和甩干桶的高速稳定旋转运动，并且根据计算与分析得到的效果可知，新型节能健身洗衣机具有良好的健身效果和洗衣效果。其结构合理，操作简单，实用性强，既能洗衣，又能健身锻炼，契合了社会生活节能减排、低碳环保的主题，对于人们的健康生活具有重大意义。

［1］ 朗超男,邢邦圣，徐乐.基于健身车动力的洗衣机的设计研究［J］.科技信息,2013（13）:29-30.

［2］ 乔维强，吴路路，张恒，等，基于脚踏车的节能健身型洗衣机设计［J］.科技传播，2012（15）:85-87.

［3］ 王建宁，孙永华，谢飞.健身洗衣机结构设计［J］.塔里木大学学报,2012,22（4）:37-42.

［4］ 宋泳印，方俊凯，齐欢明，等.健身洗衣机［P］.中国专利：CN202644208U，2013-01-02.

［5］ 邢钢,徐玉秀.再生能源健身自行车研制及动态分析［J］.天津工业大学学报,2006,25（1）:67-69.

［6］ 王宏臣，黄银花，胡田田.家用健身清扫多功能电动轮椅的研制［J］.实验室研究与探索,2014,33（08）:97-100.

［7］ 王忠卿，石新国.滚筒洗衣机洗涤技术研究［J］.电器，2013（S1）：336-339.

［8］ 袁建荣，李兆君，胡娟，等.家庭滚筒洗衣机脱水转速对纯棉衬衫外观性能的影响研究［J］.中国纤检，2013（16）:79-81.

（编辑 美 华）

TH122

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1000-4998（2015）10-0038-03

*河北省引进留学人员资助项目（编号：C2013005012）

河北省自然科学基金钢铁联合类重点资助项目（编号：E2012203080）

2015年4月