玉尖香　王建文　陰錦文　史卓凡　朱俊林

【關(guān)鍵詞】衣物衛(wèi)生；節(jié)水；公用洗衣機(jī)

一、洗衣機(jī)的發(fā)展

1874年，美國人比爾·布萊克斯發(fā)明了木制手搖洗衣機(jī)，給長(zhǎng)期從事洗衣作業(yè)的人們帶來了福音。這套裝置的問世使人們大受啟發(fā)，洗衣機(jī)的改進(jìn)進(jìn)程開始大大加快。

1880年，美國又出現(xiàn)了蒸汽洗衣機(jī)，蒸汽動(dòng)力開始取代人力。之后，水力洗衣機(jī)、內(nèi)燃機(jī)洗衣機(jī)也相繼出現(xiàn)。到1911年，美國試制成功世界上第一臺(tái)電動(dòng)洗衣機(jī)。

電動(dòng)洗衣機(jī)的問世，標(biāo)志著人類家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化的開端。[1]1922年制造出“攪拌式”洗衣機(jī)使洗衣機(jī)進(jìn)化有了新的里程，攪拌式洗衣機(jī)由美國瑪伊塔格公司研制成功，直至今日洗衣機(jī)已經(jīng)普及到各個(gè)家庭中。[2]

當(dāng)今時(shí)代共享理念深入人心，并且極大地影響了人們的生活方式，使得“共享洗衣機(jī)”出現(xiàn)在各個(gè)學(xué)校、工廠的住宿區(qū)。目前，使用公用洗衣機(jī)已成為住宿生活的一種常態(tài)。

二、設(shè)計(jì)原由

通過對(duì)部分場(chǎng)所公用洗衣機(jī)的觀察，例如學(xué)校，發(fā)現(xiàn)學(xué)生常忙于學(xué)習(xí)和各項(xiàng)事務(wù)，他們中的部分人為了節(jié)省出更多的時(shí)間來工作和學(xué)習(xí)，因而，把本該分類后進(jìn)行兩次清洗的衣物和襪子混合，投放于洗衣機(jī)中混洗，從而忽略了衛(wèi)生問題。雖然節(jié)省了時(shí)間，但此種行為極易造成衣物的交叉污染問題，甚至于導(dǎo)致細(xì)菌滋生。[3]為改變此類不衛(wèi)生現(xiàn)象，計(jì)劃將洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)分層，進(jìn)行“分類洗衣”。同時(shí)，為積極貫徹黨的十八屆五中全會(huì)強(qiáng)調(diào)的實(shí)現(xiàn)“十三五”時(shí)期發(fā)展目標(biāo)中的“綠色發(fā)展理念”，加強(qiáng)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)，推進(jìn)美麗中國建設(shè)，提出一種新型洗滌方式。為達(dá)成用一次量的水能夠洗滌兩次衣物的要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水的目的，將采取“二次用水”的方式替代現(xiàn)有洗衣機(jī)的“一次用水”模式。在模型設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)洗衣機(jī)外殼的上下分層，下層殼體設(shè)一開關(guān)門，出水管道置于下層洗衣桶的上端，可將上層利用過的水導(dǎo)入到下層洗衣桶，能夠供下層再利用，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。上下桶運(yùn)作時(shí)間將相差第一次洗滌時(shí)間約十分鐘。針對(duì)洗衣機(jī)運(yùn)作時(shí)劇烈搖晃產(chǎn)生的磨損或者噪音問題，對(duì)機(jī)體內(nèi)部動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用差速器控制洗衣機(jī)上下桶的轉(zhuǎn)速，使洗衣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，設(shè)計(jì)一款新型雙層循環(huán)用水的波輪洗衣機(jī)，讓上桶首先蓄水洗滌，通過差速器的控制，使得上桶轉(zhuǎn)動(dòng)工作，而下桶靜止待機(jī)。上桶完成第一次洗滌時(shí)，再將水排入下桶，完成二次利用，等待上桶再次蓄滿干凈的水時(shí)，兩桶即可開始同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。同理，最后一次洗滌則變?yōu)樯贤办o止待機(jī)，而下桶轉(zhuǎn)動(dòng)工作，洗滌結(jié)束，再同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)甩干衣物，達(dá)到綠色節(jié)能的目的，同時(shí)能解決公用洗衣機(jī)因衣物混洗產(chǎn)生的交叉污染問題。

三、設(shè)計(jì)方案

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如（圖1）所示，保留傳統(tǒng)波輪洗衣機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)板塊，即控制電路板、定時(shí)器、排水管、水位感應(yīng)器、排水電機(jī)、皮帶機(jī)、離合器以及轉(zhuǎn)動(dòng)軸。

改進(jìn)點(diǎn)位于外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。外部結(jié)構(gòu)是針對(duì)洗衣機(jī)外殼的分層，即上、下兩層；內(nèi)部結(jié)構(gòu)是增加雙筒的設(shè)計(jì)，中心使用一根輪軸進(jìn)行連接固定，即“一軸驅(qū)動(dòng)雙筒”，以及設(shè)計(jì)雙筒結(jié)構(gòu)后對(duì)應(yīng)的加裝處理，包括圖1中的輸水管和后文提到的差速器。一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)雙筒轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到減少電耗的環(huán)保目的，進(jìn)而減少洗衣機(jī)使用者的水電費(fèi)用支出。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)上，借用差速器調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)雙層滾筒洗衣機(jī)平穩(wěn)工作。下層殼體設(shè)有一開關(guān)門，出水管道設(shè)置在下層洗衣桶的上端，即圖1中的輸水管。另在箱體側(cè)壁上設(shè)有水位探測(cè)器，以監(jiān)測(cè)水位。其與出水管道的出水控制閥相連接，通過水位探測(cè)器，在洗衣機(jī)上層洗衣桶首次洗衣后，自動(dòng)將水流輸入下層洗衣桶，對(duì)襪子進(jìn)行洗滌，完成二次用水，節(jié)約水資源和洗滌劑。并在洗衣機(jī)外放置回收桶，當(dāng)下層洗衣桶水位達(dá)到一定限度時(shí)，將桶中的水排至外部。

圖1 新型節(jié)水洗衣機(jī)設(shè)計(jì)圖

該新型雙層波輪洗衣機(jī)具體使用方法為：上層滾筒用于清洗T恤、襯衣、外套、褲子等日常衣物，下層滾筒用于清洗襪子之類細(xì)菌較多的衣物。這樣可以避免衣物的直接接觸，從而減少細(xì)菌交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)大應(yīng)用，還可用于同時(shí)清洗淺色和掉色的衣物。

（二）優(yōu)化改進(jìn)

據(jù)調(diào)查，市場(chǎng)上現(xiàn)有雙筒洗衣機(jī)的衣物取放門都為“同側(cè)式”，而“同側(cè)式”的雙門設(shè)計(jì)會(huì)使得洗衣機(jī)體積大大增加，占空間面積增多，這對(duì)于空間狹小的公用洗衣機(jī)機(jī)房來說，是極不適配的。

因此，為了解決“同側(cè)式”雙門設(shè)計(jì)帶來的洗衣機(jī)體積增加的問題，將“同側(cè)式”改為“異側(cè)式”，即從上、下兩側(cè)分裝不同衣物的雙缸設(shè)計(jì)。減少雙筒洗衣機(jī)的總體體積，真正實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)使用方便、運(yùn)作可行的目的。為實(shí)現(xiàn)上下取放衣物，上門維持傳統(tǒng)波輪洗衣機(jī)向上翻起開門方式不變，將下門做成左側(cè)軸承接外開門。具體方法為：下層兩桶相接空隙處適當(dāng)開口作為“門”。下門開口將根據(jù)下層滾筒口徑大小確定，下門寬以小于下層滾筒直徑，且大于下層滾筒半徑為宜。該標(biāo)準(zhǔn)也為該方案適用不同洗衣機(jī)構(gòu)架提供參考。通過實(shí)際測(cè)量以學(xué)校常用中型洗衣機(jī)（長(zhǎng)：55cm寬：55cm高：84cm），改進(jìn)后雙層洗衣機(jī)適宜的下門大小為：30cm正方形位于洗衣機(jī)中部。

為確保下門的安全性，減少安全隱患，在右側(cè)加裝智能鎖，防止在洗衣過程中下門突然彈開的概率事件發(fā)生。同時(shí)，為防止使用人員操作不當(dāng)，在洗衣過程中將手或其他物品伸入洗衣桶，對(duì)人員和機(jī)器造成傷害，加設(shè)固定常用程序系統(tǒng)——只有上下雙門同時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，洗衣機(jī)才可工作運(yùn)轉(zhuǎn)。若運(yùn)作過程中打開機(jī)門則發(fā)出危險(xiǎn)警示，強(qiáng)行打開將中止洗衣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。[4]

根據(jù)目前洗衣機(jī)發(fā)展的歷程來看，洗衣機(jī)主要分為波輪式洗衣機(jī)、滾筒式洗衣機(jī)、攪拌式洗衣機(jī)3種，近期又在以上洗衣機(jī)類型的基礎(chǔ)上衍生出了雙筒式洗衣機(jī)，不同種類的洗衣機(jī)有其各自的特點(diǎn)，具體歸納如（表1）所示。[5]

表1 現(xiàn)有洗衣機(jī)分類及特點(diǎn)

在本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)前，團(tuán)隊(duì)在各大品牌洗衣機(jī)交易平臺(tái)（品牌包括）中搜索關(guān)鍵詞“創(chuàng)新洗衣機(jī)”“新型洗衣機(jī)”“分類洗衣”，發(fā)現(xiàn)已存在以分類清洗貼身衣物和外衣為出發(fā)點(diǎn)的各種雙筒結(jié)構(gòu)洗衣機(jī)，但此類洗衣機(jī)無論是上下疊落式的波輪洗衣機(jī)，還是左右并列式的滾筒洗衣機(jī)，都面臨占地面積大、體積質(zhì)量重或不易檢修等的問題，并不適合推廣使用。

基于上述觀點(diǎn)及思考，本文所提的設(shè)計(jì)通過利用差速器帶動(dòng)上下兩桶同運(yùn)作的方式，優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小了雙筒式洗衣機(jī)的體積，解決了市面上洗衣機(jī)的現(xiàn)存問題，同時(shí)可以提高洗衣機(jī)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性，達(dá)成延長(zhǎng)使用年限的效果。

（三）轉(zhuǎn)速差處理

1.問題引出

通過向同學(xué)們發(fā)布問卷調(diào)查并得到數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)日常生活中的多數(shù)情況下，洗衣機(jī)上下兩層所清潔的衣物種類和質(zhì)量不一樣。在上下兩個(gè)洗衣桶同一角速度的條件下，桶身容易因上下角動(dòng)量失衡導(dǎo)致不平衡，甚至桶身發(fā)生晃動(dòng)，對(duì)洗衣機(jī)產(chǎn)生危害，降低洗衣機(jī)的使用壽命，同時(shí)產(chǎn)生噪音污染。因此，需要對(duì)上下兩層洗衣桶的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.差速原理

如（圖2）所示，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于汽車內(nèi)外兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，因此會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)車輪運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度不同，即外側(cè)車輪會(huì)比內(nèi)存車輪走過的距離更長(zhǎng)。[6]

圖2 汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)示意圖

在這種情況下，若左右車輪使用剛性轉(zhuǎn)軸連接，即同一根轉(zhuǎn)軸連接的兩側(cè)車輪角速度相同，就會(huì)導(dǎo)致車輪在路上產(chǎn)生滑動(dòng)，會(huì)對(duì)汽車的安全性和使用壽命造成嚴(yán)重影響。

為了解決這一問題，汽車行業(yè)人員通過給汽車安裝差速器，可以保證汽車兩側(cè)車輪在行駛不等的距離時(shí)，以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行[7]，即允許兩側(cè)車輪存在角速度差。

3.差速器的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動(dòng)原理

如（圖3）所示，普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸進(jìn)入差速器，直接驅(qū)動(dòng)行星輪架，再由行星輪帶動(dòng)左、右兩條半軸，分別驅(qū)動(dòng)左、右車輪。差速器的設(shè)計(jì)要求滿足：（左半軸轉(zhuǎn)速）+（右半軸轉(zhuǎn)速）=2（行星輪架轉(zhuǎn)速）。當(dāng)汽車直行時(shí)，左、右車輪與行星輪架三者的轉(zhuǎn)速相等處于平衡狀態(tài)，而在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)三者平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速減小，外側(cè)輪轉(zhuǎn)速增加。

圖3 差速器原理圖（摘自百度百科）

當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，根據(jù)“最小能耗原理”，即地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異。[7]

4.解決方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于汽車內(nèi)外兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)彎半徑不同，導(dǎo)致外側(cè)車輪比內(nèi)存車輪走過的距離更長(zhǎng)的問題研究，將上桶與下桶的轉(zhuǎn)速之比控制為下桶與上桶的衣物質(zhì)量之比時(shí)，可以解決有關(guān)機(jī)身穩(wěn)定性的問題。

通過理論推導(dǎo)，結(jié)合實(shí)際可知：上桶和下桶的轉(zhuǎn)速在大多數(shù)情況下是不相同的，因此解決桶身不平衡，甚至發(fā)生晃動(dòng)，對(duì)洗衣機(jī)產(chǎn)生危害，降低洗衣機(jī)的使用壽命的問題可以轉(zhuǎn)化為允許上桶和下桶存在角速度差的問題。

通過對(duì)汽車轉(zhuǎn)彎問題的研究，得出通過使用差速器來滿足上桶和下桶存在角速度差的解決方案。

結(jié)束語

在快節(jié)奏生活方式逐步形成的背景下，通過對(duì)學(xué)生衣物囤積洗滌的習(xí)慣和行為的分析，總結(jié)出了衣物混洗時(shí)所帶來的具體問題，并針對(duì)問題提出了可一次分類洗滌衣物的新型雙層波輪式洗衣機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想。在對(duì)現(xiàn)有不同類型洗衣機(jī)的比較研究中，從功能和結(jié)構(gòu)的整合設(shè)計(jì)出發(fā)[5]，給出了具體的設(shè)計(jì)方案，在能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約用水用電的前提下，解決衣物交叉污染的安全性問題。最大的特色創(chuàng)新構(gòu)想在于引入差速器來解決因雙筒轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致的洗衣機(jī)機(jī)身穩(wěn)定性問題，希望能夠給市場(chǎng)帶來借鑒意義。最后，該洗衣機(jī)設(shè)計(jì)方案的具體實(shí)現(xiàn)，還需進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等的進(jìn)一步測(cè)試研究。