1、一、設(shè)計(jì)背景隨著生活水平的提高，鞋子成了時(shí)尚生活中不可缺少的一部分，鞋之家鞋柜也成了家里一個(gè)引人注目的區(qū)域。鞋柜從最初僅僅有存放鞋子功能的架子變成了室內(nèi)裝飾不可缺少的家具。 圖1：生活中常見的鞋柜目前市場(chǎng)有許多種鞋柜，從最初的簡(jiǎn)易鞋架，到各種藝術(shù)鞋柜、多功能鞋柜，它們都有或多或少的缺陷：多數(shù)是靜止的，換鞋時(shí)要用手動(dòng)打開柜門取鞋應(yīng)對(duì)，甚為不便和麻煩；有的由于各層之間的相互遮擋，不能立即找到自己想要的鞋子；有的因柜門太大而需要占用較在空間為解決長(zhǎng)期以來人們愛講究衛(wèi)生又嫌麻煩的矛盾，避免以往人們登門入室脫鞋、穿鞋、取鞋的不便和麻煩，改變以往門口堆滿鞋的不雅景象，我們?cè)O(shè)計(jì)了了自動(dòng)鞋柜。該鞋柜根據(jù)鞋子是

2、否常用分為兩個(gè)部分，當(dāng)人們換鞋時(shí)，通過電機(jī)帶動(dòng)打開常用鞋柜，換鞋完畢，通過傳感器檢測(cè)到人離開而自動(dòng)關(guān)閉鞋柜。當(dāng)季節(jié)變換時(shí)，又可控制打開所有鞋柜，進(jìn)行鞋柜兩部分中鞋子更新和替換。該鞋柜用了多種傳感器來進(jìn)行控制，有感應(yīng)人離開而控制關(guān)閉鞋柜的紅外傳感器，有當(dāng)盛鞋板移動(dòng)到最大位置而控制電動(dòng)機(jī)關(guān)閉的繼電器傳感器的添加可以讓用戶更加方便的使用鞋柜。另外，該鞋柜還可以添加其它裝置，具有附加功能，如可在鞋柜中加入殺菌、除臭和烘干裝置。二、 傳動(dòng)方案的選擇與論證下圖為不加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)的鞋柜簡(jiǎn)圖，其中盛鞋板分上下兩組，下層存放常用鞋，每次使用都需要打開，上層作為鞋倉(cāng)，只有在季節(jié)變換，下層鞋板內(nèi)鞋子更新時(shí)才需要打開。

3、因此鞋柜的從動(dòng)件可分為三個(gè)部分：下層盛鞋板，上層盛鞋板，鞋柜門。圖2：鞋柜簡(jiǎn)圖2.1 盛鞋板水平方向運(yùn)動(dòng)盛鞋板的運(yùn)動(dòng)是自動(dòng)鞋柜的主要運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程是在軌道移動(dòng)的過程，該過程可以用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，最初我們想到了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，它的傳力效果較好且易于制造和保證制造精度，但在設(shè)計(jì)過程中我們發(fā)現(xiàn)：若將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)放在盛鞋板的中央，會(huì)造成曲柄與盛鞋板的干涉；如果將該機(jī)構(gòu)放在盛鞋板的一側(cè)，因盛鞋板較寬，會(huì)在豎直方向產(chǎn)生力矩，使盛鞋板在水平方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)而使其卡死；如果盛鞋板兩邊都安裝該機(jī)構(gòu)，則會(huì)因?yàn)闄C(jī)構(gòu)間的間隙產(chǎn)生累積誤差，同樣會(huì)產(chǎn)生豎直力矩使盛鞋板卡死。若在鞋板兩側(cè)安裝齒輪齒條

4、結(jié)構(gòu)，就不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，但鞋板是向鞋柜門的方向運(yùn)動(dòng)，齒輪必須靠近鞋柜門安裝，離鞋柜后側(cè)的動(dòng)力源較遠(yuǎn)，傳動(dòng)鏈過長(zhǎng)，不利于設(shè)計(jì)和安裝。最終我們選擇了絲桿傳動(dòng)與齒輪齒條結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，只要一個(gè)鞋板的下方安裝絲桿，兩層之間用齒輪齒條傳動(dòng)，就可以解決以上問題。圖3：設(shè)計(jì)過程中畫過的齒輪輪廓盛鞋板需要進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，因此需要用到往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，我們最初想到了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，而經(jīng)過計(jì)算，要使鞋板能完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿和凸輪都很大。圖3為我們?cè)O(shè)計(jì)過程中畫過的凸輪輪廓，其中左圖為從動(dòng)件作勻速運(yùn)動(dòng)的輪廓，右圖為從動(dòng)件作勻加勻減運(yùn)動(dòng)的輪廓，兩圖中凸輪基圓直徑d均為120mm

5、，從動(dòng)件行程h均為150mm。左圖中凸輪輪廓被底切，滾子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生失真。右圖中凸輪太大容易發(fā)生偏心而振動(dòng)，如果做成飛輪，則飛輪直徑過大（大于420mm），制造成本過高。經(jīng)計(jì)算，如果在一周期內(nèi)想實(shí)現(xiàn)盛鞋板的進(jìn)退，則需要的零件體積將很大，加工和生產(chǎn)成本會(huì)很高，因此在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)是不能用于盛鞋板的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過查詢相關(guān)資料，我們發(fā)現(xiàn)，普通單相電機(jī)可以通過改變電容接線方式來改變轉(zhuǎn)向，最終我們決定通過電動(dòng)機(jī)來改變運(yùn)動(dòng)方向。2.2 上層鞋板的運(yùn)動(dòng)控制上層盛鞋板是用來作為鞋倉(cāng)的，平常不打開，只有在季節(jié)變換、鞋子更新時(shí)用，因此它的運(yùn)動(dòng)是人為控制間歇機(jī)構(gòu)。開始時(shí)我們開始時(shí)想到用齒輪，通過控制齒輪的嚙

6、合來控制其傳動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)齒輪間相互靠近時(shí)，兩齒輪并不會(huì)恰好嚙合，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)輪齒干涉的現(xiàn)象。圖4：摩擦輪機(jī)構(gòu)3D效果圖此處應(yīng)有一拉伸彈簧后來，我們通過離合器的原理想到了通過摩擦來控制傳動(dòng)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了摩擦輪機(jī)構(gòu)。如圖4所示，上下兩等直徑摩擦輪固定在機(jī)架上，相互不接觸，第三個(gè)摩擦通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)與機(jī)架相連，可以在水平方向移動(dòng)。平常時(shí)，搖桿與豎直方向成一定角度固定在機(jī)架上，活動(dòng)摩擦輪與兩固定摩擦輪無接觸，上固定摩擦輪由于無驅(qū)動(dòng)力而不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上摩擦輪需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，則松開對(duì)搖桿的固定，在拉伸彈簧的作用下，會(huì)推動(dòng)活動(dòng)摩擦輪向右移動(dòng)與兩固定摩擦輪都接觸，受彈力作用而壓緊，這樣會(huì)由于摩擦力使摩擦輪間作

7、相對(duì)滾動(dòng)，因兩固定摩擦輪直徑相等，因此它們會(huì)作同向等速傳動(dòng)，再通過皮帶傳動(dòng)和絲桿傳動(dòng)來帶動(dòng)上層盛鞋板運(yùn)動(dòng)。2.3 鞋柜門的運(yùn)動(dòng)圖5：常見鞋柜的柜門普通的鞋柜都不考慮柜門設(shè)計(jì)，大都采用類似房屋用門的方式，這樣在要手動(dòng)才能打開柜門，并且柜門打開時(shí)占用空間較大，需要給鞋柜預(yù)留較大空間。也有將柜門與盛鞋板固定在一起做成抽屜的，取鞋時(shí)就需要將盛鞋板拉出較長(zhǎng)距離。對(duì)用戶來說這些方式都不方便。圖7：柜門結(jié)構(gòu)2圖6：柜門結(jié)構(gòu)1因?yàn)槲覀兿胧瓜聦邮⑿搴袃蓪有?，若在兩層分別安裝柜門，則在上一層的柜門打開時(shí)，會(huì)對(duì)下一層的鞋遮擋，不方便找鞋和取鞋，因此我們讓兩層使用一個(gè)門。因?yàn)殚T是要隨盛鞋板的伸出而打開，我們最初

8、想到了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如右圖所示。但這樣會(huì)帶來一個(gè)問題，因門是隨鞋板伸出而張開一個(gè)角度，這個(gè)角度太大，剛占用較大空間，若角度太小，則不利于取鞋，經(jīng)計(jì)算在45°左右比較合適。但這時(shí)門下端的固定銷離鞋板太遠(yuǎn)，鞋板會(huì)離地面太高，即占用空間，又不利于放鞋。為此，我們決定門下端不固定在機(jī)架上，而是固定在一個(gè)可以在機(jī)架上水平滑動(dòng)的滑快上。如左圖所示，當(dāng)鞋板向右伸出時(shí)，則門下端的滑塊也會(huì)在門的帶動(dòng)下向滑動(dòng)，而門具有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度，而當(dāng)滑塊移動(dòng)到最大距離位置時(shí)，門只能向下轉(zhuǎn)動(dòng)而張開一定角度。這樣就可以減小下層盛鞋板與機(jī)構(gòu)下端的距離，減小了整個(gè)鞋柜的占用空間。三、鞋柜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖與運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖3.

9、1 鞋柜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖8所示為鞋柜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其中細(xì)線框中的內(nèi)容為鞋柜的各主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)I：電動(dòng)機(jī)與變速機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)II與機(jī)構(gòu)IV：盛鞋板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)III：上層盛鞋板的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)V：鞋柜門的打開機(jī)構(gòu)圖8：鞋柜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖3.2 鞋柜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖圖9所示為鞋柜的機(jī)構(gòu)機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖圖9：鞋柜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖說明：1. 盛鞋板以伸出方向?yàn)橄蚯斑\(yùn)動(dòng)方向，以退回方向?yàn)橄蚝筮\(yùn)動(dòng)方向 2. 活動(dòng)摩擦輪以向靠近固定摩擦輪運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)橄蚯斑\(yùn)動(dòng)方向，以向遠(yuǎn)離固定摩擦輪運(yùn)動(dòng)的方向?yàn)樯砗筮\(yùn)動(dòng)方向。 3. 鞋柜門的打開與關(guān)閉均包含兩個(gè)動(dòng)作：平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。四、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 盛鞋板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)盛鞋板的運(yùn)

10、動(dòng)是鞋柜的主要運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如右圖，根據(jù)大部分鞋子的大小，每一組盛鞋板的下面一層只需伸出25cm上一層伸出15cm就可以把鞋子順利的取出和放入，又不會(huì)遮擋人們選鞋的視線。圖10：盛鞋板運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖在每一組鞋板中，下層的盛鞋板采用絲桿傳動(dòng)，常用的絲桿螺紋有矩形螺紋和梯形螺紋兩種，而梯形螺紋牙根強(qiáng)度高，螺紋工藝性好，可用高生產(chǎn)率的方法制造，對(duì)中性好，不易松動(dòng)，但效率較低。矩形螺紋傳動(dòng)效率高，但精確制造困難（為便于加工，可制成10的牙傾角），螺紋強(qiáng)度比梯形螺紋低，對(duì)中精度低，用于傳力螺旋與傳動(dòng)螺旋。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用于家庭生活中，對(duì)精確度較低，根據(jù)傳動(dòng)效率，本設(shè)計(jì)決定采用矩形螺紋（為提高生產(chǎn)率，可制成牙

11、傾角為10°的梯形螺紋）。本設(shè)計(jì)絲桿的端部結(jié)構(gòu)為一端固定，一端自由，根據(jù)螺旋副的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，設(shè)計(jì)中用到的絲桿臨界轉(zhuǎn)速：式中：1與螺桿端部結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，一端固定，一端自由的螺桿1為1.875；d1為螺桿根徑，本設(shè)計(jì)中d1=14mm;lc為螺桿兩支承之間的最大距離，本設(shè)計(jì)中l(wèi)c=400mm。由轉(zhuǎn)速條件式 由上述計(jì)算可知一般鋼制絲桿均能滿足我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合自動(dòng)鞋柜的設(shè)計(jì)目的，經(jīng)濟(jì)性，適用性等方面的要求，我們采用的傳動(dòng)的傳動(dòng)比為40：1的滑動(dòng)螺桿傳動(dòng)，即在兩秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)25圈就使得盛鞋板在規(guī)定時(shí)間兩秒內(nèi)向外伸出25厘米的距離。實(shí)現(xiàn)了下層盛鞋板的運(yùn)動(dòng)，下一步就是要實(shí)現(xiàn)上層鞋板的運(yùn)

12、動(dòng)，上層鞋板要在同樣的條件下向外伸出15厘米，以方便取鞋。而齒輪機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)這樣的目的，在上下兩層板上再鑲上齒條，這樣就可將下層鞋板的運(yùn)動(dòng)傳遞到上層鞋板，控制了下層鞋板就控制了上層鞋板。為實(shí)現(xiàn)上下兩層之間出板距離不同的目的，若采用完整的齒輪齒條嚙合，則要至少兩層齒輪才能實(shí)現(xiàn)，但是這樣會(huì)占用空間，不實(shí)用，因此我們采用的將下層齒條同上層齒條具有相等齒數(shù)的結(jié)構(gòu)，齒輪齒條的m=3，齒條中齒的個(gè)數(shù)均為16，因齒輪齒條以相同線速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下層盛鞋板推動(dòng)上層鞋板共同運(yùn)動(dòng)15厘米時(shí)，下一層鞋板上的齒條就會(huì)與齒輪脫離，上層鞋板就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，而下層鞋板還會(huì)在絲桿的帶動(dòng)下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)10cm，上下層鞋板呈階梯狀分

13、布，這樣即便于尋找自己的鞋子，又方便取鞋，如圖11所示。圖11：鞋板運(yùn)動(dòng)的3D效果圖4.2 摩擦輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在2.2上層鞋板的運(yùn)動(dòng)控制中已經(jīng)介紹了使用摩擦輪機(jī)構(gòu)控制的原因，其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖11，3D效果圖見圖3。圖：12 摩擦輪的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 根據(jù)圖13中摩擦輪的傳動(dòng)原理、優(yōu)缺點(diǎn)及常用范圍和圖14中摩擦輪材料的摩擦系數(shù)，本設(shè)計(jì)可以采用圓柱摩擦輪，輪面材料為橡膠，這樣摩擦系數(shù)較大，輪面相對(duì)滑動(dòng)率很小，且摩擦輪重量輕，精度高。圖13：摩擦傳動(dòng)原理、優(yōu)缺點(diǎn)、常用范圍及體積、質(zhì)量與功率比 對(duì)外接觸摩擦輪，摩擦輪直徑（d為軸徑，a為兩摩擦輪中心距），（為相對(duì)滑動(dòng)率）。本設(shè)計(jì)中d=14mm，a=90mm，

14、由于采用橡膠作接觸輪面，摩擦系數(shù)較大，因此較小，i近似為1，可以算出D1=D2=90mm45d=5670mm。圖14：摩擦輪材料的力學(xué)特性4.3向上皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)上層盛鞋板的運(yùn)動(dòng)是下端絲桿經(jīng)過摩擦輪向上傳到上端絲桿來帶動(dòng)的，因?yàn)樯夏Σ凛嗠x上端絲桿較遠(yuǎn)，為400mm，且轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，用齒輪機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等來傳動(dòng)制造和設(shè)計(jì)成本較高，且誤差較大，均不適用于本設(shè)計(jì)，因此本設(shè)計(jì)選用皮帶機(jī)構(gòu)來傳動(dòng)。圖15：V帶截面示意圖因?yàn)樯舷陆z桿的轉(zhuǎn)速相等，而摩擦輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比約為1，因此皮帶輪的傳動(dòng)比約為1。兩皮帶輪中心距為400mm，為降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本以及降低整體重量，根據(jù)圖15和圖16中給出的皮帶截面尺寸，采用Y型普通V帶，對(duì)應(yīng)的皮帶輪槽也為Y型。圖16：V帶的截面尺寸因?yàn)榇藢?duì)皮帶輪的傳動(dòng)比為1，因此可以