旋轉調節(jié)式卷發(fā)棒的設計及應用

竇天晨 高矚 路邵珺

關鍵詞：護理小家電 手柄聯動 旋轉調節(jié) 卷發(fā)棒 ansys分析

引言

卷發(fā)棒作為個人護理系列產品的典型代表，主要用戶為女性，產品的使用習慣運用女性設計心理學的研究思路，通過模擬女性卷發(fā)姿勢、手部持握規(guī)律、操作最適角度等方面計算出旋轉裝置的安裝位置。從功能角度上來看，卷發(fā)棒的實質就是發(fā)熱導體通電升溫，通過外部的傳熱裝置使纏繞在產品外部的頭發(fā)彎曲變形。卷發(fā)棒的評價標準在于其發(fā)熱速度、加熱溫度以及定型能力，保證在最短的時間內讓發(fā)熱體溫度迅速升到120℃，然而在這樣一個溫度下對一種旋轉調節(jié)裝置的磨損率是巨大的，可能會因零件間的摩擦力較大而無法正常相互作用，發(fā)熱體體積膨脹導致內部運動件無法貼合，聯動規(guī)律也會發(fā)生改變。因此本文通過ansys軟件分析旋轉調節(jié)結構中零部件的接觸應力，判斷其磨損率，提出了一種旋轉調節(jié)結構的解決方法，在設計的過程中歸納出卷發(fā)棒最適合的手柄旋轉調節(jié)聯動結構。

一、卷發(fā)棒產品設計分析

據數據統(tǒng)計，近十年來個護小家電在各大網站的搜索頻率呈上升趨勢，其中增幅最大的是個護小家電中的美發(fā)系列。這與個人護理小家電的技術升級和功能創(chuàng)新密不可分。眾所周知，小家電存在體積小，功能豐富等優(yōu)勢，往往在同等價位中，功能較多的同類產品更能增加消費者的購買意趣?；诖耍疚囊跃戆l(fā)棒為例，通過功能和使用方式的創(chuàng)新提升企業(yè)在個護行業(yè)的核心競爭力。

（一）卷發(fā)棒的功能分析

卷發(fā)棒，是通過發(fā)熱元件把頭發(fā)加熱，軟化，然后再冷卻，以達到各種卷發(fā)造型的目的。影響卷發(fā)棒銷量的關鍵因素有很多，諸如造型能力、造型速度、市場的營銷及技術、品牌等。國內外卷發(fā)棒價格的層級關系非常清晰，高端市場以戴森為引領者，憑借吸風式卷發(fā)機構、熱風卷發(fā)冷風定型等核心技術遙遙領先眾多個護企業(yè)，而中小型企業(yè)則必須以功能和造型方式的創(chuàng)新謀求自己發(fā)展之道。因此本文以卷發(fā)棒中低端市場的品牌為出發(fā)點，京東為調研平臺，通過分析消費者對不同品牌產品的偏好程度，總結出產品的功能賣點，見圖1。

據調研結果可知，以一頭多用或多頭換用為主要造型方式，配備防燙功能、護發(fā)功能、恒溫控制、安全隔熱頭、預熱指示器、3D浮動夾板、智能斷電等輔助功能成為卷發(fā)棒的主流趨勢。其中多頭替換款常作為中高端產品，同等價位下無法與一頭多用的造型產品進行比較，所以本文以多模式切換為切入點進行設計研究。

（二）卷發(fā)棒的使用方式分析

由于造型器的設計取決于發(fā)型的成型方式，因此本文將2021年沙宣和屈臣氏在夏季時裝周中舉辦的發(fā)型潮流發(fā)布會中所展示的發(fā)型與2021春夏時裝周流行色進行結合，得出2021年的發(fā)型趨勢預測，見圖2。

據以上推測，2021年整體流行風格更偏向于自然風格，在發(fā)型上的體現偏向大波浪、八字劉海兒等自然發(fā)式。此外近年來流行的復古風也會以80后為代表而持續(xù)風靡，在發(fā)型的體現則羊毛卷、玉米燙等小卷發(fā)型，以及鯊魚夾挽發(fā)等“媽媽式”編發(fā)。上述卷發(fā)類型根據直徑不同可分為19mm、25mm、28mm，通過不同的卷發(fā)方式以此來產生多變的卷發(fā)造型。

（三）探究卷發(fā)棒工作原理及設計要素

燙發(fā)就是化學能和物理作用條件的結合，使頭發(fā)的形狀、性質產生變化，并固定這種變化的過程。該過程依次包含：裂變反應、迫使移位、元鍵重組、位置固定。而卷發(fā)棒工作原理則是通過發(fā)熱導體到達能夠改變頭發(fā)形狀、性質發(fā)生變化的溫度后，通過彎曲、擠壓的方式產生新的造型，最后進行定格，將頭發(fā)短暫固定維持形狀。

從頭發(fā)的微觀結構可知，配備發(fā)熱夾板的卷/直發(fā)器會對頭發(fā)造成較大的損傷，而卷直發(fā)梳與頭發(fā)的接觸方式使其對頭發(fā)的損傷大大減小，因此應當以卷/直發(fā)梳為主要的設計方向，并設計新的對頭發(fā)加熱和塑形的部件，以達到不傷發(fā)的目的。此外若從常見質量問題出發(fā)，在設計時還要充分考慮導熱（發(fā)熱體盡量與傳熱裝置貼合）和隔熱（加入隔熱棉或增加隔熱護套等措施）。

二、用戶分析及痛點研究

用戶使用分析目的是從使用者的角度來提高旋轉式可調節(jié)卷發(fā)棒機構的合理性，通過完善使用細節(jié)，增強用戶的體驗感。

（一）用戶使用習慣分析

以構建用戶旅程圖為研究方法，將整個使用過程分為四個階段：卷發(fā)前期準備、加熱卷發(fā)階段、卷發(fā)定型階段以及卷發(fā)結束階段，并模擬用戶的操作行為，從中找到卷發(fā)棒設計的機會點和痛點，見圖3。

如圖3所示，目前卷發(fā)棒使用人群對快速卷發(fā)、使用方便、安全等因素具有較高的要求，而相對應的機會點便在于設計的卷發(fā)棒需要能夠快速滿足用戶對造型的需求，并配備安全保護措施。

（二）用戶操作卷發(fā)棒所存在的問題

通過對用戶的目標統(tǒng)計，可以得出使用者在對購買卷發(fā)棒的時候會對功能是否能滿足需求來評判有無購買價值，因此從功能的角度出發(fā)，尋找用戶對已購買的卷發(fā)棒中理想功能的詞頻進行分析，選取超過10的數據進行統(tǒng)計，見圖4。

從上述數據可以看出，防燙的理想功能和卷發(fā)的功能需求是眾多使用者現有產品中所需要繼續(xù)深入研究的，詞頻分別達到了46和45，針對安全和造型功能為主要問題深入分析，尋求最合理的解決方法。

（三）卷發(fā)棒的用戶需求分析

由于卷發(fā)棒的造型是其主要功能，因此本文將著重針對其快速造型，造型多樣化為設計重心，根據用戶的使用習慣運用5W2H的七問分析法總結出用戶對卷發(fā)棒造型功能的需求是需要一款可以滿足羊毛卷、蛋卷、八字劉海兒等流行發(fā)式的多功能造型器，本文將從調整卷發(fā)筒直徑的方式著手設計。

三、卷發(fā)棒手柄聯動結構應用及概述

在智能手持小家電時代，手柄不僅有著配合手部尺寸，讓用戶操作更舒適的人機功能外，同時也有著充當著調節(jié)、顯示、指示等交互功能。在卷發(fā)棒的結構中需要考慮的是能夠通過手柄的調節(jié)，改變發(fā)熱頭的熱量，直徑，這種聯動結構可以從本質上滿足用戶對各種發(fā)型的需求。根據市場上出現的卷發(fā)棒的手柄使用方式分析出滿足改變直徑的操作方式及聯動結構。

（一）現有卷發(fā)棒手柄聯動結構概述

根據手柄聯動方式的核心動力為分界，可以將卷發(fā)棒分為自動旋轉和手動旋轉兩個方式。

使用自動調節(jié)式卷發(fā)棒在進行卷燙發(fā)時，用戶需要將頭發(fā)拉入發(fā)熱棒后啟動驅動電機，同時傳動齒輪帶動從動輪傳動，帶動卷發(fā)筒在卡環(huán)上旋轉，使頭發(fā)被卷附在發(fā)熱棒上，卷燙發(fā)后，輕松拉開卷發(fā)器便可釋出已卷曲的頭發(fā)。

吸入式卷發(fā)棒是將頭發(fā)放置于固發(fā)凹槽中，控制所述電動裝置驅動所述撥發(fā)部圍繞所述繞發(fā)柱轉動，以便將所述頭發(fā)纏繞在所述繞發(fā)柱上形成紡錘體，為了使得自動卷發(fā)器生成的發(fā)型更加多變，還可以將所述第一發(fā)熱板的表面設置為呈圓滑的波浪狀。或者可以將所述第一發(fā)熱板的表面設置為呈凸出的弧形面。

多軸變速卷發(fā)棒的操作方式為當用戶旋擰把手時，通過驅動軸帶動轉盤轉動，由于軸套與手柄通過定位桿固定連接，所以齒輪帶動次級齒輪發(fā)生轉動，因軸套的直徑大于次級齒輪的直徑，所以能驅動次級齒輪以大于轉盤的轉速轉動，該次級齒輪依次通過蓋板、支座而帶動加熱管轉動，使得加熱管的轉速大于把手，進而實現了提高轉速的功能。

以電機為驅動方式將電能轉換為旋轉的動能，可以極大程度地減輕雙手的負擔，根據調研得出女性的卷發(fā)時間在于10-20分鐘，操作過程中手需要懸空較長的時間，因此將電動代替手動卷發(fā)有一定的必要性，但是從聯動結構分析，電機帶動功能頭旋轉的方式，電機可轉化的形式的只有速度的調節(jié)，而無法同時將直徑調節(jié)結構與轉速同時與電機相匹配，在用戶操作分析中大部分主流發(fā)型都是需要一定的角度和力度來控制的，將造型多樣化作為設計目的，電機的聯動方式并不可取。

圖5為手動調節(jié)卷發(fā)棒，旋轉旋鈕，帶動齒輪旋轉，齒輪與齒條相配合，進行凸輪運動，推動第一殼體和第二殼體向外擴張，當殼體到達第二限位塊的時候將其固定，實現從小直徑向大直徑的調節(jié)。

手動聯動結構的核心在于通過手柄部位的機械運動作為動能，連接軸心柱實現卷發(fā)棒功能頭的變化，這種結構的優(yōu)勢有兩點，一是可以實現局部的微調，滿足本文改變發(fā)熱體直徑的需求，二是可以根據使用者需求通作手柄運動來完成卷發(fā)動作，最后的造型效果會更加自然，上述聯動結構存在手柄調節(jié)旋鈕太小無法較難操作，可變直徑尺寸僅有兩種，無法滿足大部分造型需求。

（二）卷發(fā)棒手柄運動方式研究

根據以上電動調節(jié)和手動調節(jié)的聯動結構可以分析出，在用戶對卷發(fā)棒卷燙的同時，僅有一個發(fā)熱體可變因素的改變，無論是卷發(fā)棒功能頭旋轉還是變化直徑，這其中的因素大致分為三個方向，其一，在于卷發(fā)過程中涉及到溫度容易觸碰皮膚造成較差用戶體驗，同時變換多個參數容易造成手柄運動不受使用者控制，增加燙傷幾率，其二，在于卷發(fā)棒與很多手持類小家電不同，使用對象為用戶頭發(fā)，頭發(fā)作為線性物體常存在纏繞的困擾，一般卷發(fā)時的方向會控制在一個平面內，如果聯動結構牽扯到多個平面方向的運動，頭發(fā)將會纏繞在卷發(fā)棒中無法取出。其三，由于卷發(fā)棒為小型類護理工具，內部空間較小，想要設計聯動結構，只能將一種方式作為驅動力，無論是電動還是手動，都需要軸心進行手柄與功能頭的連接，在轉動時只能滿足一種調節(jié)結構。

因此，將可變因素定位功能頭的直徑尺寸，手動控制聯動結構較合理，這就需要從手動運動的方式和手柄操作的人機來研究什么樣的手柄和操作方式更滿足調節(jié)直徑的聯動結構。

（三）卷發(fā)棒手柄功能所對應的聯動結構分析

1.卷發(fā)棒基礎功能需求

（1）防燙功能：在卷發(fā)過程中最需要的是防燙設計，卷發(fā)棒的防燙設計分三個部分，第一部分為手持功能頭部分，屬于輔助設計，考慮到用戶在卷發(fā)棒操作時由于體積太大，而用戶又普遍為女性群體，使用時必須雙手操作，其中一只手握住手柄部分進行溫度、直徑大小、以及角度調節(jié)，另一只手則起到穩(wěn)定卷發(fā)棒，平坦重量的目的。因此在功能頭部分需設計出能夠固定不會隨傳動結構運動的防燙頭。第二部分為手柄與發(fā)熱功能組建的交界位置，在用戶手持狀態(tài)下，手部位置會偏向手柄的重心位置，這樣可以減少手臂的負擔，而重心位置往往會偏向于材料較重的導體部位，也就是與發(fā)熱體會誤觸，需要格擋層進行防燙。第三部分是與桌面的防燙設計，卷發(fā)棒使用完成后會有120℃左右的余溫，時間持續(xù)在1分鐘，如果放置在桌面上進行降溫，會對桌面有一定的損傷，因此需要將發(fā)熱功能組建進行與桌面的隔熱設計。

（2）微調功能：根據上文的數據統(tǒng)計，不同需求的發(fā)型所對應的卷發(fā)棒直徑在19mm-38mm之間，其中包含卷發(fā)棒直徑為19mm的羊毛卷專用卷發(fā)棒、25mm的蛋卷卷發(fā)棒等，每毫米直徑的改變都會形成一個新的發(fā)型，如何做到精確、可控、具有指示性的調節(jié)旋鈕，其中微調功能必須做到精準的定位到每一個發(fā)型。

2.手柄聯動結構初步構造：在此功能基礎上，以連桿結構為基礎架構，通過旋轉鍵運動帶動發(fā)熱導體做離心運動，將圓柱形導體分型，發(fā)熱導體前后需要用絕熱材料固定，并強制規(guī)定運動軌道，同時，可以通過外觀設計做到防燙設計，注意考慮主板與發(fā)熱導體的接線問題，預留分線結構防止運動過程中的線組纏繞影響操作。

四、旋轉調節(jié)式卷發(fā)棒設計和工作原理構想

（一）旋轉調節(jié)結構的合成原理

針對可旋轉調節(jié)的聯動結構設計，由于卷發(fā)棒本身為圓形柱狀物體，運動規(guī)律則只能繞圓心軸進行，考慮將旋轉作為主動力，采用離心連桿的方式進行結構設計。

靈感來源于一種可旋轉放大的桌子，使用者轉動桌子邊緣帶動內部軸心旋轉，軸心四周固定弧形的鋼片，鋼片另一端安裝扇形補充板，當桌子運動時，原本的扇形沿著圓心向外直線移動，鋼片帶動扇形補充版填充桌面的缺口，如圖6所示。

桌子的旋轉放大原理與卷發(fā)棒相同，區(qū)別在于一種是圓形扁狀物體，以面為分割單位，拼接方式簡單，僅在X與Y軸運動，而卷發(fā)棒是圓形柱狀物體，分割單位為體，在考慮橫向直徑變大的同時，也要注意拼接體能否在圓心方向能夠完美銜接?？紤]到是否能夠保證放大拼接后的圓柱橫切面近似圓形，本文考慮將發(fā)熱導體分成六份，同樣是弧形鋼片連接拼接體，在拼接體收縮的時候需要收納在圓柱形發(fā)熱導體中。

（二）卷發(fā)棒旋轉調節(jié)工作原理

在考慮調節(jié)原理時，發(fā)現了相較于桌面片體而言柱體運動的優(yōu)勢，因為面片厚度有限，在上述旋轉方式中需要同時將原有的扇形面片和連接體與弧形鋼片進行連接，并安置軌道，才能保證旋轉的同時，兩個部件都能運動，卷發(fā)棒內部空間有限，軌道及弧形鋼片的數量和大小都滿足不了上述結構，但是體與體之間有一定的接觸面積，可以通過擠壓，使得兩個部件一個主動，一個從動，就可以解決上述問題。當中心軸旋轉時，弧形鋼片做離心運動，6塊連接體向外擴張，同時發(fā)熱導體受相鄰連接體擠壓，發(fā)生位移，實現橫截面直徑的擴大。

連接體設計為梯形是想讓垂直與連接體與接觸面的F壓可以分成F1、F2，由于在F2方向受連接體的阻攔無法移動，從而轉移為F1方向移動，F1則為軸心與扇形導體延長線方向，因此可以保證導體能夠沿軸心移動，使整個卷發(fā)棒直徑發(fā)生改變，見圖7。

（三）卷發(fā)棒離心連桿運動結構及外觀設計

1.功能頭設計：由于直徑變大時，六塊黑色導體之間會產生縫隙，需要連接體充當填補物的角色，將連接體設計成梳齒狀，可以保證頭發(fā)在纏繞時不會滑落，做到無夾板設計，收縮時，可以填補空隙，見圖8。

2.手柄電路設計：在手柄電路設計中要考慮每個導體的連接線旋轉時避免纏繞，電路板盡量原理發(fā)熱導體，用戶在按鍵操作時要避免與功能頭有接觸，內部安置分線器，分別留有6個扇形孔分割線路，電源為交流電，能夠以最快速度將溫度提升至120°C以上，見圖9。

3.手柄外觀設計：手柄外觀從人機、防滑、防燙、美觀三個角度設計了兩款方案，旋轉鍵都安置在功能頭與握柄交界的位置，防燙設計分為桌面防燙與手部防燙，在旋轉鍵上有一喇叭型的防燙隔層，保證用戶在使用時能夠不觸碰前面的發(fā)熱導體，并且隔層的直徑整體大于卷發(fā)棒直徑，在桌面放置時，隔層充當支點將卷發(fā)棒架起，避免功能頭接觸桌面，功能頭前方設計了可以方便用戶雙手操作的圓形蓋，見圖10。

方案一圖10（左）采用錐形造型，錐形相較于圓形更貼合手部持握姿勢，增加了黑色橡膠套，起到給用戶手握位置暗示以及防滑的作用。

方案二圖10（右）延續(xù)了方案一的錐形造型，增加了棱角以及面片的疊加，具有科技感，外部是紅色塑料套包裹，內部為黑色磨砂塑料。

五、Ansys的接觸應力分析

以卷發(fā)棒的旋轉可調式靜態(tài)態(tài)結構為分析對象，通過接觸面的溫度、壓力、摩擦力等設置參數，運用Ansys的網格分析紅色連接體與黑色發(fā)熱導體之間接觸面的彈性形變輪廓圖 ，驗證該結構的可行性。

（一）基本參數設置

首先設置Ansys分析模式為靜態(tài)結構，如圖一所示，接著將模型的STP格式文件導入Ansys中，，由于卷發(fā)棒功能頭溫度需要120°C，材質則選擇耐高溫的PC塑料，其余零部件為結構鋼，見圖11。

設置接觸面以及接觸面有無摩擦、摩擦系數等，PC材質為聚碳酸酯，根據摩擦系數查詢可得其摩擦系數為0.60，隨后生成網絡，見圖12。

在連接體與發(fā)熱導體進行擠壓時，需要設置固定支撐面，保證卷發(fā)棒外筒直徑和造型不變，在Ansys分析時將發(fā)熱導體外表面和內表面作固定約束，根據離心力公式計算F=mω^2*r，m為單個連接件質量，ω表示非慣性系自身轉動的角速度，r為弧形鋼片兩端固定點之間的直線距離，在不考慮摩擦力的情況下，該離心力等與連接件向上運動的作用力，也就是對扇形發(fā)熱導體單面的作用力，為了保證精確調整直徑，ω為0.8，質量為10g，r為1cm，F為0.64N，在受力面表面加載0.64N的作用力，見圖13。

（二）實驗結果分析

選取單元導體，判斷單一發(fā)熱導體在運動時受連接體擠壓后發(fā)生的彈性形變情況，生成網格受力輪廓圖，觀察其變形程度，判斷方案的可行性，見圖14。

從輪廓圖可以得出，形變最嚴重的為首尾端，中部變形程度最小，整體造型沒有太大變化，因此該結構可以承受旋轉后的離心擠壓力。

結語

經過綜合分析，卷發(fā)棒設計的側重點應當在于其造型功能，通過分析不同發(fā)型所對應的卷發(fā)棒造型規(guī)律，從改變直徑這一源頭入手，構想出旋轉可變直徑的結構，并加以佐證其可行性，實現了卷發(fā)棒功能的優(yōu)化設計，同時，從用戶體驗的角度對其手柄造型和防燙等輔助功能進行改進，在研究過程中發(fā)現，對于手持護理小家電行業(yè)，材料是改變其造型本質的決定性因素，如果能找到可以冷燙的技術，其中熱量所帶來的影響便可以忽略不計。因此在該領域的設計實踐中，設計人員需要著眼于功能和結構的創(chuàng)新。