鞋架创新设计.doc

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。
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。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
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,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。
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。
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