畢畢畢業業業設設設計計計（論論論文文文）全全全自自自動動動擦擦擦鞋鞋鞋機機機設設設計計計學學學生生生姓姓姓名名名：學學學號號號：所所所在在在系系系部部部：專專專業業業班班班級級級：指指指導導導教教教師師師：日日日期期期： 2摘摘摘要要要全全全自自自動動動擦擦擦鞋鞋鞋機機機設設設計計計主主主要要要側側側重重重于于于機機機械械械部部部分分分設設設計計計。為為為保保保證證證全全全方方方位位位擦擦擦鞋鞋鞋，其其其中中中用用用到到到了了了齒齒齒輪輪輪轉轉轉動動動、帶帶帶輪輪輪傳傳傳動動動、凸凸凸輪輪輪傳傳傳動動動等等等機機機構構構傳傳傳動動動，具具具體體體有有有以以以下下下內內內容容容：11.齒齒齒輪輪輪系系系組組組成成成的的的減減減速速速機機機構構構負負負責責責將將將轉轉轉速速速為為為11110000rr/mmiinn的的的電電電機機機降降降為為為所所所需需需轉轉轉速速速，同同同時時時也也也實實實現現現外外外側側側擦擦擦鞋鞋鞋馬馬馬達達達的的的牽牽牽引引引。22.皮皮皮帶帶帶輪輪輪組組組成成成的的的旋旋旋轉轉轉機機機構構構通通通過過過二二二次次次帶帶帶輪輪輪變變變速速速，將將將最最最終終終作作作為為為擦擦擦鞋鞋鞋機機機前前前端端端毛毛毛刷刷刷筒筒筒的的的動動動力力力輸輸輸出出出。33.滾滾滾針針針組組組成成成的的的滑滑滑動動動機機機構構構由由由滾滾滾針針針和和和一一一塊塊塊滑滑滑板板板組組組成成成，鞋鞋鞋子子子踏踏踏在在在上上上方方方可可可以以以隨隨隨機機機構構構一一一起起起來來來回回回滑滑滑動動動。44.單單單向向向閥閥閥和和和活活活塞塞塞組組組成成成擠擠擠鞋鞋鞋油油油機機機構構構兩兩兩個個個單單單向向向閥閥閥和和和一一一個個個彈彈彈簧簧簧，可可可以以以實實實現現現鞋鞋鞋油油油的的的單單單向向向擠擠擠壓壓壓。55.廣廣廣告告告燈燈燈箱箱箱簡簡簡單單單的的的手手手動動動換換換廣廣廣告告告牌牌牌。本本本次次次設設設計計計與與與以以以往往往擦擦擦鞋鞋鞋機機機不不不同同同主主主要要要體體體現現現在在在不不不是是是用用用鞋鞋鞋子子子去去去適適適應應應機機機器器器，同同同時時時也也也能能能保保保證證證全全全方方方位位位擦擦擦鞋鞋鞋。摘摘摘要要要：擦擦擦鞋鞋鞋機機機畢畢畢業業業設設設計計計減減減速速速器器器 3AbsttrracttAuuttoomaattiiccShhooeess-Poolliisshhiinnggmaacchhiinneeffooccuusseeddpprriimaarriillyyoonntthheeddeessiiggnnooffmeecchhaanniiccaallppaarrttss.IInnoorrddeerrttooeennssuurreeffuullll-Shhooee,whhiicchhuusseessaarroottaattiinnggggeeaarr,ppuulllleeyyddrriivvee,ddrriivveeccaam,ssuucchhaassiinnssttiittuuttiioonnss,hhaavveetthheeffoolllloowiinnggssppeecciiffiicceelleemeennttss:11.Coomppoosseeddooffaaggeeaarrrreedduucceerrlliinneeiissrreessppoonnssiibblleeffoorrtthheemoottoorrssppeeeeddiissrreedduucceeddttoo11110000rr/miinnssppeeeeddrreeqquuiirreemeennttss,bbuuttaallssootthheeaacchhiieevveemeennttoofftthheettrraaccttiioonnmoottoorrsshhiinniinnggoouuttssiiddee.22.PuulllleeyyccoompprriissiinnggsseeccoonnddaarryyppuulllleeyyrroottaattiioonnssppeeeeddtthhrroouugghhttootthheeeennddaasstthheebbrruusshhccyylliinnddeerrShhooeess-Poolliisshhiinnggmaacchhiinneeffrroonntt-eennddppooweerroouuttppuutt.33.Neeeeddlleesslliiddiinnggmeecchhaanniissm ccoonnssiissttiinnggooffaasskkaatteebbooaarrddbbyytthheenneeeeddlleeaannddtthheeccoomppoossiittiioonnooffTaappsshhooeessccaannbbeeiinntthheettooppsslliiddeessbbaacckkaannddffoorrtthhwiitthhtthheeiinnssttiittuuttiioonnss.44.Onnee-waayyvvaallvveeaannddppiissttoonnsshhooeeppoolliisshhccoomppoossiittiioonnooffbbooddiieessccrroowddeeddtthheettwoooonnee-waayyvvaallvveessaannddaasspprriinnggsshhooeeppoolliisshhccaannbbeeaacchhiieevveeddiinnaaoonnee-waayyssqquueeeezzee.55.Addvveerrttiissiinngglliigghhttbbooxxffoorraassiimpplleebbiillllbbooaarrddmaannuuaallllyy.ThheeddeessiiggnnaannddtthheeppaassttiissmaaiinnllyyeembbooddiieeddiinnddiiffffeerreennttShhooeess-Poolliisshhiinnggmaacchhiinneeiinnsstteeaaddooffsshhooeessttooaaddaappttttootthheemaacchhiinnee,bbuuttaallssoottooeennssuurreeaallll-rroouunnddsshhooee-sshhiinniinngg.Keeyywoorrdss:GrraadduuaatteeddeessiiggnnAuuttoomaattiiccShhooeess-PoolliisshhiinnggmaacchhiinneeReedduucceerr 4目 錄 摘 要 . 2Abstract . 31 緒論 . 52 擦鞋機方案分析 . 722.11問問問題題題提提提出出出.7722.22問問問題題題解解解決決決.7722.33方方方案案案確確確定定定.11003 機械傳動裝置的設計計算 . 1133.11擦擦擦鞋鞋鞋機機機各各各機機機構構構設設設計計計.111133.11.11減減減速速速機機機構構構.111133.11.22鞋鞋鞋刷刷刷套套套旋旋旋轉轉轉機機機構構構.112233.11.33移移移動動動滑滑滑板板板機機機構構構.113333.22傳傳傳動動動零零零件件件設設設計計計計計計算算算.113333.22.11電電電動動動機機機選選選擇擇擇.113333.22.22減減減速速速器器器傳傳傳動動動參參參數數數計計計算算算.114433.22.33減減減速速速器器器各各各部部部分分分零零零件件件尺尺尺寸寸寸設設設計計計計計計算算算.115533.33擦擦擦鞋鞋鞋機機機各各各部部部分分分機機機構構構配配配合合合參參參數數數計計計算算算.223333.33.11前前前端端端鞋鞋鞋刷刷刷筒筒筒運運運動動動分分分析析析.223333.33.22凸凸凸輪輪輪機機機構構構與與與擺擺擺動動動齒齒齒輪輪輪的的的關關關系系系分分分析析析.223333.33.33移移移動動動滑滑滑動動動鞋鞋鞋板板板的的的運運運動動動分分分析析析.22444 其他零部件的選取 . 2544.11支支支架架架.225544.22軸軸軸承承承.225544.33軸軸軸承承承座座座.225544.44皮皮皮帶帶帶.226644.55鞋鞋鞋油油油筒筒筒.226644.66廣廣廣告告告燈燈燈箱箱箱.2277結 論 . 28致 謝 . 29參考文獻 . 30附一： 減速器 A0 31 附附附二二二：鞋鞋鞋刷刷刷套套套A11.。3322附附附三三三：移移移動動動鞋鞋鞋板板板A11。3333附附附四四四：總總總裝裝裝圖圖圖A00。3344 51 緒論 全自動擦鞋機設計是一個實用課題。對皮革行業來講，擦鞋機發展好壞起著舉足輕重的作用。通過參考、對比目前市場上已經研發或投入使用的擦鞋機，我發現很多技術還有待改良更新。皮革機械沒有專門的學術系統支持，從事這方面研究的人才也是屈指可數，在擦鞋機這一塊更是寥寥無幾。目前市場上擦鞋機多采用無變速機構的直流馬達帶動，通過簡單的旋轉運動達到擦鞋的目的。其原理簡單，功能單一，無法真正實現自動化。本次設計通過運用機械原理和機械設計等知識，已經在理論上初步實現了擦鞋機的自動化。與以往擦鞋機的不同之處就在于不需要鞋去適應旋轉馬達，所有機構只有少數地方沿襲之前的風格。本次設計由張道德老師全程指導，主要運動部分設計大多出自張老師的指點。包括關鍵部分的側面擦鞋機構、為適應不同鞋碼的底面滑板機構、擦鞋采用的電動小馬達、所有齒輪采用的軸承座和用角鋼焊接的支架等。整個擦鞋系統機構簡單，制造成本和難度都很低。 擦鞋機的動力系統采用簡單的 XTD 系列直流電機，整個機體若不包括廣告部分高不過 30 公分，體積小。減速部分支架用角鋼焊接，其余部分用薄鐵皮包裹即可，重量在 30kg以內。減速部分齒輪為開式傳動，對灰塵油污都不敏感。再者擦鞋機本身屬于小負載低功率機構，對所選材質強度韌度要求不高。所以本次設計并不是純理想構思，而是確實有實現的可能。 這次設計運用到了大量的曾經所學的機械相關知識。 包括曲柄滑塊機構， 齒輪系傳動，凸輪設計、齒面接觸疲勞強度校核，軸系部分脈動循環許用彎曲應力計算，以及各種鍵、軸承、彈性墊片等零部件的選用原則等等。不僅讓我的設計思維得到了鍛煉，難能可貴的是不知不覺中已經將大學四年的知識鞏固了一遍。即將走上社會，所謂“臨陣磨槍，不亮也光” ，這次設計給我帶來的裨益是不言 而喻的。可惜的是之前磨礪的太少，幾乎都沒有獨立去完成過有關機械設計方面的任務，這次設計也算是可以彌補大學四年的遺憾了。 就實際意義來講，擦鞋行業在中國并不算蕭條。無論是城鄉小鎮、還是繁華都市，隨處都可以看到那些擦鞋者的身影。他們中大多數還無法形成規模和影響力，相反現出表出的是爭鋒相對的排擠和競爭，所以這些擦鞋者的經濟收益并不樂觀。除此之外，還有一部分比較上規模的擦鞋商，比方說翰林擦鞋 。翰林擦鞋有很多的連鎖店，已經具有一定規模， 一般情況下擦拭一雙皮鞋的價格不會低于五元， 當然具體還按鞋油的檔次配合定價。 6事實上翰林擦鞋目前采用的依舊是人力擦鞋，或者采用市面上那種馬達回轉的擦鞋機。我個人覺得這種問題出現的主要原因就是擦鞋機的生產商沒有投入太多精力與成本。本次設計的擦鞋機，我初步估計制造成本不會高于 300 塊，不用到任何非機械原件，原理簡單，操作容易。如果用在擦鞋店，只需把鞋子上方加一個受載裝置即可。平均每十分鐘擦一雙鞋，機器損耗的部分不會超過 5 毛錢。這樣下來，一個擦鞋店在投入成本一樣的情況下，生產效率可能要翻幾倍，因為擦鞋工人可以大量精簡。當然這些也是我的構想，如果真正想投入到大規模的生產中，肯定還有許多地方要完善的，以下將對我的設計作具體分析。 72 擦鞋機方案分析 2.1 問題提出 鞋子屬于不規則形狀物體，擦鞋機若想要達到全方位擦鞋的目的，就一定要解決以下兩個問題： （ 1）鞋子的整個外形為不規則曲面問題 （ 2）鞋碼大小不一的問題 2.2 問題解決 22.22.11鞋鞋鞋子子子側側側面面面和和和上上上表表表面面面為為為不不不規規規則則則曲曲曲面面面問問問題題題解解解決決決方方方案案案：（1）采用毛氈滾動和曲柄滑塊機構方案 將整個機構分解為擦鞋前上端面和側面兩部分機構。上端面可以用滾動毛氈，側面則可以用曲柄滑塊機構和特制的毛刷完成，具體機構示意（圖2-1）如下： 圖2-1毛氈旋轉圖 毛氈用直流電機經皮帶減速帶動，鞋子上表面可以擦到。若要做到全方位擦鞋，還必須有以下機構配合。 8a b 圖2-2 特殊滑槽曲柄滑塊機構 將曲柄滑塊機構作一點改進（圖 2-2.b） ，把導軌改成與鞋外側曲線相似的形狀。但是綜合摩擦系數考慮會發現此機構存在死點（圖2-3） ，即軌道形狀彎折過陡滑塊就會被堵死。 由圖 2-3 可以看出，當角度 a 減小到一定程度的時候，F 產生的分力 F1 會在摩擦系數的作用下而等于或者大于F2，這個時候機構將不再運動。 圖2-3 滑塊受力分析圖 以上機構可能需要特制的毛刷配合。毛刷設計 上除了選擇傳統的尼龍毛刷外，還可以嘗試將毛刷內部用氣囊填充，靠氣壓擠壓鞋面，做到盡可能大的面積接觸。 （ 2）采用旋轉鞋套和聚氨酯高強度毛刷帶方案 圖2-4毛刷帶方案圖 制作一個鞋套將鞋子整個前端面套住，通過鞋 套的旋轉運動可以將整個鞋子前端面擦干凈。毛刷筒的旋轉運動很容易實現，只需用一個電動馬達通過帶傳動即可。毛刷筒內部有很多尼龍毛刷柱，起到擦拭鞋面和側面的作用，這個機構可以完成整個鞋前半部分的擦拭。 剩下鞋子后半部分用皮帶刷完成。如（圖 2-4）所示：皮帶刷外側有刷毛，不足之處在于鞋子與帶刷接觸會存在很大的相互作用力，這個作用力可能會導致兩個問題：一是皮帶輪因負載過大、包角過小而打滑；二是腳站不穩而被迫往前移動。 9（ 3）采用旋轉鞋套和繞軌跡移動的電動小馬達 旋轉鞋套的設計與方案二相同，本方案的主要 不同之處在于鞋子后半部分的擦拭機構設計。設計參考來至于可自動翻帶的磁帶錄音機，如圖 2-5： 圖2-5小馬達來回移動牽引機構 此機構除了可以將速度減至要求速度外，最主 要作用是利用凸輪實現齒輪的左右擺動，從而間歇性與兩個牽引齒輪接觸。最終促使通過鋼絲牽引的小馬達在預定軌道上來回移動。套在鋼絲線上的電動小馬達自轉的同時會隨藍色柱子的牽引作用在預定軌道上來回移動，從而完成鞋子后側面的擦拭。 22.22.22鞋鞋鞋碼碼碼大大大小小小不不不一一一的的的解解解決決決方方方案案案圖2-6 鞋子張緊輪布置示意圖 關于鞋碼大小不一的問題必須與之前的幾個方案聯系起來考慮。 如果選擇毛氈滾動擦拭鞋子前上端面，則鞋子的大小問題由張緊輪來解決。如圖2-6所示： 鞋子兩側的張緊輪必須隨時自動調整到適當位 置，因此位移調整部分可能需要用到傳感器，這樣不斷增加了機構的復雜程度和成本，而 且傳感元件對外界環境的敏感度太高會導致機構的適用環境受限。擦鞋本身不屬于高檔消費行業，投入太大，收益太少這也是 10設計者應該顧及的。所以如果能找到其他更為有效的解決方案，就不應該采用張緊輪。 之后在張老師建議下，我設計了第二種方案- -使用移動滑板。大多數人的鞋碼應該處于 35 碼與 44 碼之間，通過兌換（鞋號*2-10）之后為 22.5cmm28cm 之間，兩者相差只有5.5cm。滑板在這個范圍內移動是容易實現的。如圖2-7所示： 圖2-7 移動滑板設計 滑板與底板之間用圓柱滾軸支撐，摩擦系數在脂潤滑的條件下可以降到 0.15 甚至更低。對于一個80Kg左右的人來說，假設整個人全部壓在上面，最大切向力不會超過120N。而實際擦鞋過程中只有一只腳放在滑板上，此時估算受載只在 30N 左右。所以擦鞋機偏心輪只需要產生30N120N的反作力就可以滿足。結合實際的電機功率（80W）與減速器最后的輸出轉速，產生這個力是完全可行的。 2.3 方案確定 通過結合實際使用中可能出現的問題對以上方 案的分析，最終選定整個擦鞋機構用三部分分開實 現：一是負責鞋子前半部分的旋轉鞋套、二是負責 鞋子后半部分側面的可移動馬達、三是用來解決鞋 子大小不一問題的移動滑板。以上三個機構結合可 以實現腳在不動的情況下全方位擦鞋，第三章將對 具體的機構尺寸設計，數據計算作詳細處理。右圖 為組裝之后的效果圖2-8所示： 圖2-8 擦鞋機效果圖 圖2-8 113 機械傳動裝置的設計計算 3.1 擦鞋機各機構設計 3.1.1 減速機構 減速機構是擦鞋機組成的核心部分，本次設計50%的側重點均在減速機構上。減速機構最大的作用并不是用來減速，而是負責引導擦拭鞋子后半部分的電動小馬達在預定的軌道上移動。同時滑板的動力輸入也依靠此減速機構。具體設計如圖3-1： 圖3-1 減速機構零件布置圖 1.凸輪 2.牽引齒輪 3.擺動齒輪 4.牽引齒輪 5.大帶輪 6.電動機 減速機構大量使用齒輪系減速，總減速比能達到 10 以上。利用不斷旋轉的凸輪 1 與擺動支桿可以使齒輪3左右擺動，間歇性與牽引齒 輪2和4接觸。 凸輪的偏距設計要滿足D與d的比值等于兩支桿長度之比， 并且凸輪內徑不相同的兩部分弧線必須做到長度相等。擺動支桿的中心經過計算之后具體布置如下圖3-2： 圖3-2 凸輪擺動機構簡體 12接下來是滑板動力輸入機構的設計。滑板的前后往復移動用一個偏心輪即可實現，偏心輪在擺動過程中會存在一個偏距 D,滑板移動距離L=2D。 通過圖3-3分析可以直觀得出這一結論:當偏距為D 的偏心輪在如圖所示的軌跡上由 A 點旋轉到 B 點的時候，產生的圓周切向力Ft提供一個分力F1來迫使滑塊移動，F1=Ft*cosaFt的產生由減速器提供，反作用力即鞋子踏在滑板上產生的負載與摩擦系數的乘積。(Ft*L=轉矩T) 圖3-3 3.1.2 鞋刷套旋轉機構 鞋刷套旋轉機構需要完成的動作并不復雜， 單純的旋轉即可完成。鞋刷套做成貼合鞋面的橢圓形（右圖3-4） ，內部有許多尼龍軟毛刷，工作時只需將腳伸進里面即可。毛刷可以適當做長一些，因為尼龍是韌性和耐磨性很好的材料， 所以在鞋子不斷地前伸和退宿時可以不受到破壞。 旋轉部分（圖3-5）的動力機構由兩次帶傳動減 圖3-4 速提供，機構簡單，但是為了減小擦鞋機的體積，此機構的布局也作了一些調整。 圖3-5 上圖中 1、2、3、4 均為皮帶輪，5 為電動機。帶傳動最佳傳動比一般 在2到4之間，此機構最大傳動比可以取到16。 133.1.3 移動滑板機構 移動滑板為解決鞋碼大小不一而設計。動力部分由減速器提供，下面來具體設計此機構的結構布局。之前已經分析過若采用圓柱滾軸和脂潤滑，摩擦系數可以降到 0.15 左右。假想 80Kg 的負載也只能產生 120N 的切向反作用力。對比 35 碼到 45 碼的鞋型，滑板移動距離只有5cm,即偏心輪偏距為2.5cm.下面作圖3-5對此機構做受力分析： 圖3-5 轉矩 T 在經過多級減速以后可以達到一個較大值，而 F 1預計只能在 30N 左右。轉矩 T將遠遠大于F 1*L/COSa。 移動滑板的結構在2.2.2中已經表示出，CAD尺寸圖在零件附圖中。 3.2 傳動零件設計計算 3.2.1 電動機選擇 已經投放市場的擦鞋機功率基本上在40W左右，擦鞋過程中基本上不受太大負載。但是本次設計需要帶動滑板，滑板產生的水平方受力估計為120N，移動速速不能太快，因為總移動距離只有50mm.初步估計應該在0.2m/S左右。一部分功率根據公式P 1=FV 計算得出為 24W。之后是減速機構帶動小馬達往復移動的負載分析，這部分功率損耗在齒輪擺動嚙合和馬達牽引上，估計不會低于30W。減速器帶傳動和齒輪嚙合很多，功率損耗比較嚴重。綜合以上兩部分，可以將電動機功率稍微提高一些。家用電器洗衣機洗碗機等多采用 XTD系列電機，參考市面上的擦鞋機也多采用此系列。鑒于此，我選擇功率80W的XTD系列電機。下面是XTD-80系列電機的基本參數（表3-1）和外形尺寸（圖3-6 ） ： 14圖3-6 發電機尺寸外形圖 電機型號 額定電壓(V/HZ) 額定電流(A) 定功率(KW) 轉速(r/min) XTD-80 220 0.85 0.08 1100 表3-1 發電機技術參數 3.2.2 減速器傳動參數計算 擦鞋機減速器的傳動方案簡圖可以簡化為如下圖 3-7： 圖3-7 減速器機構簡圖 傳動比i推薦取值，帶傳動為24、開始圓柱齒輪傳動為47因為減速器主要是起協調凸輪與擺動齒輪的作用，所以傳動比分開為兩部分，帶傳動比為4，這個部分是共用的。凸輪部分（1、2、3）傳動比為4*4*3=48、減速器部分（1、2、4、5）為4*4*0. 5*0.5=4。 (1)各軸的轉速計算： n1=1100/4=225r/min n2=225/4=56.25r/min n3=56.25/3=18.75r/min 15n4=56.25*2=112.5/min n5=112.5*2=225r/min (2)各軸的輸入功率計算： 查表得傳動效率分別為： V 帶 1=0.98、軸承 2=0.98、齒輪（開式傳動脂潤滑） 3=0.95,則總傳動效率= 0.77490.953*0.985= P1=Pd 1=0.06192KW P2=P1 2 3=0.05764KW P3=P2 2 3=0.05367KW P4=P2 2 3=0.05367KW P5=P4 2 3=0.04996KW （3）各軸的輸入轉矩計算： T1=9550P1/n1=9550*0.06192/225=2.628 Nm T2=9550P2/n2=9550*0.05764/56.25=9.785 Nm T3=9550P3/n3=9550*0.05367/18.75=27.33 Nm T4=9550P4/n4=9550*0.05367/112.5=4.555 Nm T5=9550P5/n5=9550*0.04996/225=2.120Nm 3.2.3 減速器各部分零件尺寸設計計算 （1）帶傳動設計 傳動帶是彈性體，可以起到緩沖吸震的作用，傳動平穩，噪聲小。還有結構比較簡單，成本低廉，裝拆也很方便。對于擦鞋機而言，這些優點都是設計時應當考慮的。而且本次設計加入了滑動鞋板，萬一出現負載過大情況時傳動帶會在帶輪上打滑，不至于損害其他零部件。 考慮擦鞋機的空間布局和受載情況，查表初選帶傳動各部分零件如下規格：(單位：mm) 根據公式d=(11001350) 3nP 16d=45.91,取標準值： 小帶輪d=50 大帶輪D=200 對于小輪d=50（內孔徑為12） ，查表取得 輪緣寬度B取值范圍為2032 取B=25 =0.005d+3=3.25 大帶輪=0.005D+3=4 中心距a=(1.52.0)*（d+D） 圖3-8 帶輪外形圖 取a=375 帶長L=2a+2(d+D)+adD42）（ 、帶入數據得帶長L=750+392.5+15=1157.5 查表傳動帶內周長Li范圍在4501500之間時取標準帶長630，帶厚為2mm (2)齒輪的設計計算 依據之前分配的傳動比和齒輪傳動形式進行設計校核,預計使用壽命為10年， 每天平均工作16小時，一年按300天計算。減速器為開式齒輪傳動，總計有6個齒輪，分為4對嚙合。本次設計只選取軸 2 和軸 3 上的齒輪，因為轉速為 18.75r/min 的齒輪轉速最低，所受轉矩最大，根據校核原則，校核受力最大的齒輪即可。 （以下小齒輪為1、大齒輪為2）