鞋架创新设计

1、一、设计背景随着生活水平的提高，鞋子成了时尚生活中不可缺少的一部分，鞋之家鞋柜也成了家里一个引人注目的区域。鞋柜从最初仅仅有存放鞋子功能的架子变成了室内装饰不可缺少的家具。 图1：生活中常见的鞋柜目前市场有许多种鞋柜，从最初的简易鞋架，到各种艺术鞋柜、多功能鞋柜，它们都有或多或少的缺陷：多数是静止的，换鞋时要用手动打开柜门取鞋应对，甚为不便和麻烦；有的由于各层之间的相互遮挡，不能立即找到自己想要的鞋子；有的因柜门太大而需要占用较在空间为解决长期以来人们爱讲究卫生又嫌麻烦的矛盾，避免以往人们登门入室脱鞋、穿鞋、取鞋的不便和麻烦，改变以往门口堆满鞋的不雅景象，我们设计了了自动鞋柜。该鞋柜根据鞋子是

2、否常用分为两个部分，当人们换鞋时，通过电机带动打开常用鞋柜，换鞋完毕，通过传感器检测到人离开而自动关闭鞋柜。当季节变换时，又可控制打开所有鞋柜，进行鞋柜两部分中鞋子更新和替换。该鞋柜用了多种传感器来进行控制，有感应人离开而控制关闭鞋柜的红外传感器，有当盛鞋板移动到最大位置而控制电动机关闭的继电器传感器的添加可以让用户更加方便的使用鞋柜。另外，该鞋柜还可以添加其它装置，具有附加功能，如可在鞋柜中加入杀菌、除臭和烘干装置。二、 传动方案的选择与论证下图为不加传动机构时的鞋柜简图，其中盛鞋板分上下两组，下层存放常用鞋，每次使用都需要打开，上层作为鞋仓，只有在季节变换，下层鞋板内鞋子更新时才需要打开。

3、因此鞋柜的从动件可分为三个部分：下层盛鞋板，上层盛鞋板，鞋柜门。图2：鞋柜简图2.1 盛鞋板水平方向运动盛鞋板的运动是自动鞋柜的主要运动，其运动过程是在轨道移动的过程，该过程可以用曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、丝杆机构来实现，最初我们想到了曲柄滑块机构，它的传力效果较好且易于制造和保证制造精度，但在设计过程中我们发现：若将曲柄滑块机构放在盛鞋板的中央，会造成曲柄与盛鞋板的干涉；如果将该机构放在盛鞋板的一侧，因盛鞋板较宽，会在竖直方向产生力矩，使盛鞋板在水平方向发生转动而使其卡死；如果盛鞋板两边都安装该机构，则会因为机构间的间隙产生累积误差，同样会产生竖直力矩使盛鞋板卡死。若在鞋板两侧安装齿轮齿条

4、结构，就不会产生累积误差，但鞋板是向鞋柜门的方向运动，齿轮必须靠近鞋柜门安装，离鞋柜后侧的动力源较远，传动链过长，不利于设计和安装。最终我们选择了丝杆传动与齿轮齿条结构相结合的方式，只要一个鞋板的下方安装丝杆，两层之间用齿轮齿条传动，就可以解决以上问题。图3：设计过程中画过的齿轮轮廓盛鞋板需要进行前后运动，因此需要用到往复运动机构，我们最初想到了曲柄滑块机构和凸轮机构等在一个周期内进行往复运动的机构，而经过计算，要使鞋板能完成一次往复运动，连杆和凸轮都很大。图3为我们设计过程中画过的凸轮轮廓，其中左图为从动件作匀速运动的轮廓，右图为从动件作匀加匀减运动的轮廓，两图中凸轮基圆直径d均为120mm

5、，从动件行程h均为150mm。左图中凸轮轮廓被底切，滚子运动会发生失真。右图中凸轮太大容易发生偏心而振动，如果做成飞轮，则飞轮直径过大（大于420mm），制造成本过高。经计算，如果在一周期内想实现盛鞋板的进退，则需要的零件体积将很大，加工和生产成本会很高，因此在一个周期内进行往复运动的机构是不能用于盛鞋板的运动。经过查询相关资料，我们发现，普通单相电机可以通过改变电容接线方式来改变转向，最终我们决定通过电动机来改变运动方向。2.2 上层鞋板的运动控制上层盛鞋板是用来作为鞋仓的，平常不打开，只有在季节变换、鞋子更新时用，因此它的运动是人为控制间歇机构。开始时我们开始时想到用齿轮，通过控制齿轮的啮

6、合来控制其传动，结果发现当齿轮间相互靠近时，两齿轮并不会恰好啮合，经常会出现轮齿干涉的现象。图4：摩擦轮机构3D效果图此处应有一拉伸弹簧后来，我们通过离合器的原理想到了通过摩擦来控制传动，为此我们设计了摩擦轮机构。如图4所示，上下两等直径摩擦轮固定在机架上，相互不接触，第三个摩擦通过摇杆滑块机构与机架相连，可以在水平方向移动。平常时，摇杆与竖直方向成一定角度固定在机架上，活动摩擦轮与两固定摩擦轮无接触，上固定摩擦轮由于无驱动力而不会发生运动。当上摩擦轮需要运动时，则松开对摇杆的固定，在拉伸弹簧的作用下，会推动活动摩擦轮向右移动与两固定摩擦轮都接触，受弹力作用而压紧，这样会由于摩擦力使摩擦轮间作

7、相对滚动，因两固定摩擦轮直径相等，因此它们会作同向等速传动，再通过皮带传动和丝杆传动来带动上层盛鞋板运动。2.3 鞋柜门的运动图5：常见鞋柜的柜门普通的鞋柜都不考虑柜门设计，大都采用类似房屋用门的方式，这样在要手动才能打开柜门，并且柜门打开时占用空间较大，需要给鞋柜预留较大空间。也有将柜门与盛鞋板固定在一起做成抽屉的，取鞋时就需要将盛鞋板拉出较长距离。对用户来说这些方式都不方便。图7：柜门结构2图6：柜门结构1因为我们想使下层盛鞋板含有两层鞋板，若在两层分别安装柜门，则在上一层的柜门打开时，会对下一层的鞋遮挡，不方便找鞋和取鞋，因此我们让两层使用一个门。因为门是要随盛鞋板的伸出而打开，我们最初

8、想到了曲柄滑块机构，如右图所示。但这样会带来一个问题，因门是随鞋板伸出而张开一个角度，这个角度太大，刚占用较大空间，若角度太小，则不利于取鞋，经计算在45°左右比较合适。但这时门下端的固定销离鞋板太远，鞋板会离地面太高，即占用空间，又不利于放鞋。为此，我们决定门下端不固定在机架上，而是固定在一个可以在机架上水平滑动的滑快上。如左图所示，当鞋板向右伸出时，则门下端的滑块也会在门的带动下向滑动，而门具有平动和转动两个自由度，而当滑块移动到最大距离位置时，门只能向下转动而张开一定角度。这样就可以减小下层盛鞋板与机构下端的距离，减小了整个鞋柜的占用空间。三、鞋柜的机构运动简图与运动循环图3.

9、1 鞋柜的机构运动简图图8所示为鞋柜的机构运动简图，其中细线框中的内容为鞋柜的各主要运动机构。机构I：电动机与变速机构机构II与机构IV：盛鞋板运动机构机构III：上层盛鞋板的运动控制机构机构V：鞋柜门的打开机构图8：鞋柜的机构运动简图3.2 鞋柜的机械运动循环图图9所示为鞋柜的机构机械运动循环图图9：鞋柜的机械运动循环图说明：1. 盛鞋板以伸出方向为向前运动方向，以退回方向为向后运动方向 2. 活动摩擦轮以向靠近固定摩擦轮运动的方向为向前运动方向，以向远离固定摩擦轮运动的方向为身后运动方向。 3. 鞋柜门的打开与关闭均包含两个动作：平动和转动。四、传动机构设计4.1 盛鞋板运动机构盛鞋板的运

10、动是鞋柜的主要运动，其结构运动简图如右图，根据大部分鞋子的大小，每一组盛鞋板的下面一层只需伸出25cm上一层伸出15cm就可以把鞋子顺利的取出和放入，又不会遮挡人们选鞋的视线。图10：盛鞋板运动简图在每一组鞋板中，下层的盛鞋板采用丝杆传动，常用的丝杆螺纹有矩形螺纹和梯形螺纹两种，而梯形螺纹牙根强度高，螺纹工艺性好，可用高生产率的方法制造，对中性好，不易松动，但效率较低。矩形螺纹传动效率高，但精确制造困难（为便于加工，可制成10的牙倾角），螺纹强度比梯形螺纹低，对中精度低，用于传力螺旋与传动螺旋。因为本设计用于家庭生活中，对精确度较低，根据传动效率，本设计决定采用矩形螺纹（为提高生产率，可制成牙

11、倾角为10°的梯形螺纹）。本设计丝杆的端部结构为一端固定，一端自由，根据螺旋副的临界转速计算公式，设计中用到的丝杆临界转速：式中：1与螺杆端部结构有关的系数，一端固定，一端自由的螺杆1为1.875；d1为螺杆根径，本设计中d1=14mm;lc为螺杆两支承之间的最大距离，本设计中lc=400mm。由转速条件式 由上述计算可知一般钢制丝杆均能满足我们产品设计的要求，结合自动鞋柜的设计目的，经济性，适用性等方面的要求，我们采用的传动的传动比为40：1的滑动螺杆传动，即在两秒钟内转动25圈就使得盛鞋板在规定时间两秒内向外伸出25厘米的距离。实现了下层盛鞋板的运动，下一步就是要实现上层鞋板的运

12、动，上层鞋板要在同样的条件下向外伸出15厘米，以方便取鞋。而齿轮机构就可以实现这样的目的，在上下两层板上再镶上齿条，这样就可将下层鞋板的运动传递到上层鞋板，控制了下层鞋板就控制了上层鞋板。为实现上下两层之间出板距离不同的目的，若采用完整的齿轮齿条啮合，则要至少两层齿轮才能实现，但是这样会占用空间，不实用，因此我们采用的将下层齿条同上层齿条具有相等齿数的结构，齿轮齿条的m=3，齿条中齿的个数均为16，因齿轮齿条以相同线速度运动，当下层盛鞋板推动上层鞋板共同运动15厘米时，下一层鞋板上的齿条就会与齿轮脱离，上层鞋板就会停止运动，而下层鞋板还会在丝杆的带动下继续向前运动10cm，上下层鞋板呈阶梯状分

13、布，这样即便于寻找自己的鞋子，又方便取鞋，如图11所示。图11：鞋板运动的3D效果图4.2 摩擦轮机构设计在2.2上层鞋板的运动控制中已经介绍了使用摩擦轮机构控制的原因，其运动结构简图如图11，3D效果图见图3。图：12 摩擦轮的机构运动简图 根据图13中摩擦轮的传动原理、优缺点及常用范围和图14中摩擦轮材料的摩擦系数，本设计可以采用圆柱摩擦轮，轮面材料为橡胶，这样摩擦系数较大，轮面相对滑动率很小，且摩擦轮重量轻，精度高。图13：摩擦传动原理、优缺点、常用范围及体积、质量与功率比 对外接触摩擦轮，摩擦轮直径（d为轴径，a为两摩擦轮中心距），（为相对滑动率）。本设计中d=14mm，a=90mm，

14、由于采用橡胶作接触轮面，摩擦系数较大，因此较小，i近似为1，可以算出D1=D2=90mm45d=5670mm。图14：摩擦轮材料的力学特性4.3向上皮带传动设计上层盛鞋板的运动是下端丝杆经过摩擦轮向上传到上端丝杆来带动的，因为上摩擦轮离上端丝杆较远，为400mm，且转动方向相同，用齿轮机构、曲柄摇杆机构等来传动制造和设计成本较高，且误差较大，均不适用于本设计，因此本设计选用皮带机构来传动。图15：V带截面示意图因为上下丝杆的转速相等，而摩擦轮机构的传动比约为1，因此皮带轮的传动比约为1。两皮带轮中心距为400mm，为降低设计和生产成本以及降低整体重量，根据图15和图16中给出的皮带截面尺寸，采用Y型普通V带，对应的皮带轮槽也为Y型。图16：V带的截面尺寸因为此对皮带轮的传动比为1，因此可以