Анализ конструктивной эволюции зубной щетки

Федеральное агентство  по образованию

 

 

 

 

 

 

 

 

Дисциплина: Техническая эстетика в области технологии машиностроения

 

 

 

 

 

АНАЛИЗ  КОНСТРУКТИВНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗУБНОЙ ЩЕТКИ

 

 

 

 

Студенты группы

 

                                              

Преподаватель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

 

20__

ОПИСАНИЕ  И  АНАЛИЗ  КОНСТРУКТИВНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗУБНОЙ ЩЕТКИ

 

До сих пор еще не придумали более простого и эффективного устройства для ухода за зубами, чем зубная щетка. Еще 300-400 лет до нашей эры народы Азии, Африки, Южной Америки использовали приспособления, отдаленно напоминающие современную зубную щетку.  
 Может быть и вы когда-нибудь задавались вопросом, сколько раз можно заново изобретать зубную щетку. Представьте себе, что по данным статистики, между 1963 и 1998 годом было запатентовано более 3000 моделей зубных щеток!

Первый патент на зубную щетку был выдан в 1895 году в США. Долгие годы там удерживалось лидерство в изобретательстве зубных щеток. За ними следовала Германия, Великобритания и Франция. И лишь в начале 90-х годов в бесспорные лидеры по числу действующих патентов вышла Россия. Русский изобретатель-одиночка без посторонней помощи запатентовал около 200 зубных щеток, установив при этом несколько мировых изобретательских рекордов. Был побит рекорд Великобритании на самый короткий патент и с 1992 года самым коротким в мире является патент на зубную щетку, содержащий всего 17 слов. В том же году установлен новый мировой рекорд по числу изобретений, запатентованных за один день. Он составил 110 патентов, выданных на изобретение зубных щеток.

 Зубная щетка состоит из ручки 4, шейки 3 и рабочей части (головки) 2 с расположенными на ней пучками щетинок 1. Типы зубных щеток отличаются формой, размерами ручек и рабочей части, расположение, густотой, длиной и качеством щетинок.

Рис.1 Общий вид зубной щетки

Для зубных щеток используют натуральную щетину (свиную щетину, конский волос) и синтетическое  волокно (нейлон, сетрон, перлон, дедерлон, полиуретан и др.). По сравнению с синтетическим волокном натуральная щетина обладает рядом недостатков: наличием срединного канала, заполненного микроорганизмами, трудностью содержания щетинок в чистоте, невозможностью идеально ровной обработки концов щетинок и сложностью придания ей определенной жесткости. Производство щеток с натуральной щетиной в мире практически прекращено. 
Существует пять степеней жесткости зубных щеток:

• очень мягкие (тип "сенситив");
• мягкие (тип "софт");
• средние (тип "медиум");
• жесткие (тип "хард");
• очень жесткие (тип "экстра-хард").

Выпускаются зубные щетки с сочетанием щетины разной степени жесткости. 
Рекомендации пациентам по использованию зубной щетки той или иной степени жесткости индивидуальны. Наиболее широко применяются щетки средней степени жесткости. Детские зубные щетки изготавливаются из мягкого или очень мягкого волокна. При заболеваниях пародонта, патологии слизистой оболочки полости рта рекомендуют зубные щетки типа "сенситив" или "софт". Жесткие и очень жесткие зубные щетки можно рекомендовать взрослым людям со здоровыми тканями пародонта. 
По виду выделяют детские, подростковые и взрослые зубные щетки. 
В настоящее время как для взрослых, так и для детей рекомендуется использовать щетки с маленькой головкой, которыми легко манипулировать в полости рта. Ее размеры для детей 18-25 мм, ширина 7-8 мм, для взрослых - не более 30 мм, ширина 7,5-11 мм. При этом волокна организованы в пучки, которые располагаются обычно в 3 или 4 ряда. Существует множество моделей зубных щеток с различными формами рабочей части. 
По характеру размещения пучков и степени обработки щетины выделяют  одноуровневые, двухуровневые, трехуровневые, многоуровневые зубные щетки. 
Все многообразие зубных щеток объединено в 3 основные группы:

• гигиенические;
• профилактические;
• специальные.

Гигиенические зубные щетки  имеют достаточно ограниченные возможности, так как рекомендованы для лиц со здоровой полостью рта. 
Профилактические зубные щетки подразделяются на простые и сложноструктурированные в зависимости от количества уровней расположения щеточного поля, сложностей и разнообразия кутопосадки.

Функция зубной щетки: чистка зубов путем удаления зубного налета и остатков пищи с поверхностей зубов, включая скругленные наружные поверхности зубов и межпроксимальные пространства между зубами, т.е со всего рельефа зуба.

Физическая  операция зубной щетки: вход – энергия; выход – очищение поверхности зубов и полости рта; операция – преобразование.

В табл. 1 и на рис. 1,…, 4 дано описание и показана конструктивная эволюция зубной щетки от простой  конструкции щетки S₀ (1895 г.) до электрической многофункциональной зубной щетки S₄ (1939 г.).

В табл. 2 приведены результаты анализа функций зубной щетки. В табл. 3 дано описание потоковых ФС для всех поколений зубной щетки. В табл. 4 приведено краткое описание физико-технических эффектов.

Анализ табл. 1 позволяет выделить следующие критерии развития зубной щетки:

К₁–  площадь соприкосновения с поверхностью зуба;

К₂ – очистка труднодоступных мест;

К₃ – количество затрачиваемой мускульной энергии человека;

К₄ – эргономичность.

Критерий К₁, К₂ , К₄ – монотонно возрастают с появлением новых конструкций щетки, критерий К₃ — монотонно убывает.

Из табл. 1 можно выделить следующие  показатели качества:

Q₁ – эффективность чистки зубов;

Q₂ – безопасность чистки зубов;

Q₃ – оздоровление полости рта;

Q₄ – себестоимость.

Правила (или  эвристические приемы) получения  улучшенных ТР (технических решений) для каждого перехода S_i S_i+1, а также частные закономерности изменения конструкции приведены в табл. 5, где приемы Р₁, Р₂ в отличие от других, имеют последующие более развернутые формулировки и, кроме краткого правила, включают подвопросы, помогающие найти решение.

Прием Р₁. Сделать по аналогии с другими ТО (техническими объектами):

А – какие ТО могут быть взяты в качестве аналогов;

Б –  можно ли использовать идею решения в аналогичном ТО для устранения

        недостатка в S_i ; 

В –  какие требуются внести изменения в найденный аналог в как лучше это

       сделать.

 

Прием Р₂. Использовать логику и здравый смысл:

Г – какие конструктивные элементы, параметры или факторы обусловливают

        рассматриваемый недостаток в S_i ;

Д –  что нужно сделать и как лучше сделать, чтобы недостаток был устранен

        или уменьшен;

Е –  что мешает устранению недостатка, что нужно и как лучше сделать,

чтобы мешающий фактор был устранен.

 

В табл. 6 приведены примеры использования приемов Р₁ и Р₂.

 

 

 

ЗАКОНОМЕРНОСТИ  РАЗВИТИЯ ЗУБНОЙ ЩЕТКИ

 

В конструктивной эволюции зубной щетки действуют следующие устойчивые закономерности, которые имели место с 1985 г. до настоящего времени и, возможно, будут действовать и дальше:

 

1. Монотонное увеличение эффективности очистки поверхности зуба.

2. Монотонное уменьшение затрачиваемой мускульной энергии.

3. Монотонное увеличение эффективности очистки труднодоступных мест.

4. Повышение эргономичности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица №1

Анализ конструктивной эволюции зубной щетки

Описание поколения зубной щетки(Si)	Главные недостатки поколения(Si)	Критерии  развития и показатели качества чистки зубов	Улучшенные показатели качества в (Si) по сравнению с прототипом
Зубная щетка поколения S0 (1895 г.) содержит (рис. 2) ручку 1, шейку 2 и прямоугольную головку 3 со щетиной 4. Пучки щетины забиваются специальным копиром в отверстия головки и удерживаются в них.	1. Плохое прилегание щетины к  скругленным поверхностям зубов. 2. Отсутствия проникновения в межпроксимальные пространства между зубами.	Повышение эффективности  очистки зубов за счет разной длины щетинок и скругленного среза торца.	_
Зубная щетка поколения S1 (1896 г.) содержит (рис. 3) ручку 1, шейку 2 и продолговатую скругленную головку 3 со щетиной 4. Головка разделена на три секции 5, 6 ,7 двумя рядами пучков щетины, ориентированных в поперечном направлении головки щетки и выступающих по высоте.	1. Недостаточная очистка  труднодоступных мест. 2. Небезопасная и неэргономичная  форма головки и ручки. 3.Отсутствует оздоровление полости  рта(массаж десен,обеззараживающий  эффект и др.)	1.Безопасная очистка труднодоступных мест за счет изогнутой головки щетки. 2.Равномерное распределении чистящего усилия.	Хорошее прилегание щетины к скругленным поверхностям зубов (разная высота щетинок).
Зубная щетка поколения S2 (1898 г.) содержит (рис. 4) содержит рукоятку 1, сочлененную головку 2, присоединенную  к рукоятке и содержащую первую секцию 3 и вторую секцию 4, которые отформованы в одно целое с рукояткой. Щетинки 5, располагающиеся на секциях ортогональны им. Секции сочленяются посредством мостика 6, при этом первая секция присоединена к рукоятке, а вторая расположена под углом к ней. Щетинки имеют плавно изменяющуюся длину. Вдоль боковой поверхности головки расположены эластомерные штырьки 7.	Использование только мускульной энергии  человека.	Минимизировать количество затрачиваемой мускульной энергии человека.	1.Безопасная очистка труднодоступных мест за счет изогнутой головки щетки.   2.Равномерное распределении чистящего усилия.   3.Анатомическая ручка   4.Массаж десен за счет эластомерных штырьков

Таблица №1 (продолжение 2)

Описание поколения зубной щетки (Si)	Главные недостатки поколения (Si)	Критерии развития и показатели качества	Улучшенные показатели качества в (Si) по сравнению с прототипом
Зубная щетка поколения S3 (1899 г.) (рис. 5). При натяжении ручки 1 скоба 2 натягивает цепь 3 перекинутую через блок 4, которая растягивает пружину 5. Сжимаясь пружина приводит в движение блок и прикрепленную к нему круглую головку 6 с щетинками 7.Перечисленные элементы закреплены в корпусе 8.	1. Большая масса 2. Неэргономичная форма зубной щетки.	Улучшить эргономику.	Уменьшилось количество затрачиваемой  мускульной энергии человека.
Зубная щетка поколения S4 (1939 г.) (рис. 6). Зубная щетка включает удлиненную стержневую часть 1, головку щетки 2, прикрепленную к первому концу удлиненной стержневой части, рукоятку 3, прикрепленную ко второму концу удлиненной стрежневой части, которая расположена под углом к головке и рукоятке. Головка состоит из круглой подвижной части 4 и неподвижной части 5. Подвижная часть совершает вращение, повороты вокруг оси. Неподвижная часть включает неподвижные щетинки 6, расположенные на противоположных сторонах от подвижной части. Рукоятка включает полую часть 7, которая содержит двигатель 8. Полая часть включает упрощенный шестерный узел 9 и вал10. Двигатель функционально подсоединен к подвижной части головки щетки и батарейке 11. На корпусе находится выключатель для обеспечения работы устройства, содержащий кнопку приведения в действие 12 и металлический контакт 13.	Отсутствие оздоровления рта.	Совмещение процесса чистки зубов  с их оздоровлением.	Замещение мускульной энергии затрачиваемой  на чистку на электрическую.

 

 

 

 

Таблица №2

Анализ функций зубной щетки

Поколение	Обозначение и наименование элементов зубной щетки	Описание функций элементо, входящих в состав зуной щетки (Фi)
S0	E1 – рукоятка; E2 – головка; E3 –щетинки.	Ф1 ' – осуществляет передачу чистящего усилия (V1) к рукоятке (E1). Ф1" – осуществляет передачу чистящего усилия (V1) к головке (E2). Ф2 – осуществляет крепеж щетинок (E3). Ф3 – очищает поверхность зубов за счет трения скольжения (V2), возникающего между ними и щетинками (E3).
S1	E1 ,…, E3 – описание по S0.	Ф1 ,…, Ф3 – описание по S0
S2	E1 – описание по S0;   E2 – первая секция;   E3 – описание по S0;   E4  – вторая секция;     E5 – переходный мостик.	Ф1 – осуществляет передачу чистящего усилия (V1) к первой секции (E2). Ф2 ' – передает усилие (V1)  переходному мостику (E5). Ф2" - осуществляет крепеж щетинок (E3). Ф3 – описание по S0. Ф4 ' –  обеспечивает проникновение в труднодоступные места. Ф4"- осуществляет крепеж щетинок (E3). Ф5 – распределяет равномерно чистящее усилие (V1)  второй секции (E4).
S3	E1 – рукоятка;   E2 – скоба; E3 – цепь; E4  – пружина; E5 – блок;   E6 – головка;  E7 – щетина.	Ф1 ' – воспринимает силу человека (V1) Ф1" - вращается и передает усилие скобе (E2). Ф2 – (E2) передает усилие натяжения (V1)  цепи (E3). Ф3 – (E3 ) передает усилие (растяжения) пружине (E4). Ф4 – сжимаясь сообщает вращение блоку (E5). Ф5 –  (E5)передает вращение головке (E6). Ф6 –(E6) осуществляет крепеж щетинок (E7). Ф7 – очищает поверхность зубов за счет трения скольжения (V2), возникающего между ними и щетинками (E7).
S4	E1 – выключатель;   E2 – батарея; E3 – двигатель; E4  – шестерный узел;   E5 – вал; E6 – подвижная часть головки; E7 – щетина.	Ф1 – замыкает электрическую цепь между батареей (E2) и двигателем (E3). Ф2 – служит источником энергии для двигателя (E3). Ф3 – приводит в движение шестерный узел (E4). Ф4 –  передает вращательное движение на вал (E5). Ф5 – передает вращение подвижной части головки (E6). Ф6 – осуществляет крепеж щетинок (E7). Ф7 – очищает поверхность зубов за счет трения скольжения (V2), возникающего между ними и щетинками (E7).