劉 寧 隋秀梅 方振龍 于濟(jì)群 王姍珊

(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022)

伴隨社會(huì)進(jìn)步和人們收入增加,傳統(tǒng)鞋柜已經(jīng)滿足不了中高收入家庭對(duì)放鞋空間的需求。此外,根據(jù)艾瑞報(bào)告,一般三口家庭至少擁有30~50雙鞋子的總量。鞋子存放和環(huán)保等問題越來越受到人們的關(guān)注。智能鞋柜是“自動(dòng)智能健康式”的便利式家居產(chǎn)品,以原木材料為主,通過齒輪齒條、絲杠以及剪叉機(jī)構(gòu)等多種傳動(dòng)裝置來確保其功能的順利實(shí)現(xiàn),解決了拿放不方便、功能單一的問題。另外,添加清潔、保養(yǎng)的側(cè)柜可實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子四周刷油等功能,大大提高了鞋柜的功能。薛興虎等[1]基于空間利用低和除臭效率低等問題設(shè)計(jì)了一種插掛式智能鞋柜;卜許輝等[2]基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展設(shè)計(jì)了一種利用臭氧除臭、烘干除濕防霉、自動(dòng)放鞋取鞋的智能鞋柜;李燦霞等[3]利用電子信息技術(shù)以及自適應(yīng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別烘干、自動(dòng)傳輸?shù)闹悄苄瘛?/p>

目前市面上女士鞋柜存在功能單一、占用空間、使用體驗(yàn)效果不佳且易產(chǎn)生二次污染等問題,針對(duì)已有產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行改進(jìn),提出了一種新式多功能智能鞋柜,該產(chǎn)品主要由自動(dòng)拿放主柜、側(cè)柜和剪叉升降機(jī)構(gòu)組成,傳動(dòng)方式采用齒輪齒條、液壓桿和絲杠傳動(dòng)[4]。該產(chǎn)品以功能需求為導(dǎo)向,大大提高了空間的利用率,更方便了人們的居家生活,同時(shí)該設(shè)計(jì)為同類家具的研究提供了借鑒。

1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)參數(shù)和原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

該多功能智能鞋柜整體尺寸為(2.1×0.8×2.6)m,主柜尺寸為(1.5×0.8×2.6)m,如圖1(a、b)所示,內(nèi)設(shè)自動(dòng)換層托盤,主要負(fù)責(zé)對(duì)鞋子進(jìn)行換層與拿放。自動(dòng)換層托盤上下連接絲杠,前后連接齒輪齒條,通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠與齒輪齒條分別實(shí)現(xiàn)托板的豎直與水平運(yùn)動(dòng),接著托板帶動(dòng)水平載鞋板進(jìn)行豎直水平運(yùn)動(dòng),以此來實(shí)現(xiàn)鞋子的換層與拿放[5]。右邊側(cè)柜的高為(0.6×0.6×0.8)m,其主要是用來對(duì)鞋子進(jìn)行除塵、干燥、 刷油以及滅菌,內(nèi)有剪叉機(jī)構(gòu)對(duì)鞋子進(jìn)行升降便于毛刷對(duì)鞋子進(jìn)行護(hù)理刷油,剪叉機(jī)構(gòu)底部連接液壓桿。載鞋板的升降是利用光杠、絲杠和導(dǎo)軌配合完成,鞋子先由固定機(jī)構(gòu)限位,經(jīng)過側(cè)柜處理后,再由自動(dòng)換層機(jī)構(gòu)對(duì)已經(jīng)清潔的鞋子完成換層和拿放。光杠上有一條長(zhǎng)槽,允許帶有鍵的齒輪左右移動(dòng),并能由光杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng),光杠起導(dǎo)向作用,傳動(dòng)靠電機(jī)帶動(dòng)絲杠來完成。

圖1 多功能智能鞋柜示意圖

1.2 工作原理

自動(dòng)拿放主柜主要負(fù)責(zé)對(duì)鞋子進(jìn)行自動(dòng)存放,運(yùn)用絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板的上下移動(dòng);絲杠與托板相連接,經(jīng)電機(jī)帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)托板的豎直方向運(yùn)動(dòng),通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板的水平移動(dòng);齒輪齒條與托板固定,通過電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)托板的前后運(yùn)動(dòng),接著托板再托運(yùn)載鞋板來實(shí)現(xiàn)鞋子的上下與前后運(yùn)動(dòng)[6]。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互配合實(shí)現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放;另外,在自動(dòng)拿放主柜的內(nèi)側(cè)增加紫外線殺毒裝置,可以對(duì)鞋子進(jìn)行消菌殺毒;側(cè)柜通過運(yùn)用齒輪齒條傳動(dòng)對(duì)鞋子進(jìn)行固定,通過運(yùn)用電機(jī)來實(shí)現(xiàn)毛刷的運(yùn)動(dòng)對(duì)鞋子進(jìn)行除塵與刷油,通過運(yùn)用剪叉升降機(jī)構(gòu)和液壓桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)鞋子的升降。此外,清潔保養(yǎng)側(cè)柜內(nèi)側(cè)增加干燥燈對(duì)鞋子進(jìn)行干燥[7]。

2 核心部件設(shè)計(jì)

2.1 自主拿放主柜設(shè)計(jì)

自動(dòng)拿放主柜由絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板在豎直方向的移動(dòng),通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板在水平方向的移動(dòng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互配合實(shí)現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放,如圖2(a)所示。自動(dòng)換層托盤上下連接絲杠,前后連接齒輪齒條,通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠與齒輪齒條分別實(shí)現(xiàn)托板的豎直與水平運(yùn)動(dòng),接著托板帶動(dòng)水平載鞋板進(jìn)行豎直水平運(yùn)動(dòng),以此來實(shí)現(xiàn)鞋子的換層與拿放,如圖2(b)所示。

圖2 載鞋板水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 側(cè)柜設(shè)計(jì)

側(cè)柜主要有縱向清潔(上油)機(jī)構(gòu)、水平清潔機(jī)構(gòu)和剪叉式升降機(jī)構(gòu)組成,側(cè)柜結(jié)構(gòu)如圖3所示。

載鞋板鏈接縱向清潔機(jī)構(gòu)和水平清潔機(jī)構(gòu),其中縱向清潔機(jī)構(gòu)由刷鞋筒支撐裝置、限位模塊、上油毛刷組成,如圖4(a、b)所示。鞋子通過固定機(jī)構(gòu)和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu),齒輪齒條起到限位作用,以防止鞋子在刷油過程中發(fā)生側(cè)移動(dòng)。通過滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)縱向刷鞋筒的前后運(yùn)動(dòng)來對(duì)鞋子的前表面進(jìn)行護(hù)理,經(jīng)過剪叉、齒輪齒條和滾珠絲杠等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刷油的功能。

圖3 側(cè)柜示意圖

圖4 載鞋板縱向裝置示意圖

橫向清潔機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲杠機(jī)構(gòu)和刷鞋筒機(jī)構(gòu)組成,載鞋板的水平移動(dòng)由齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)(如圖5所示),齒條運(yùn)用機(jī)械連接方法與托板連接在一起,與之配合的齒輪通過電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來帶動(dòng)板運(yùn)動(dòng),托板再托運(yùn)載鞋板運(yùn)動(dòng),從而完成載鞋板水平移動(dòng),通過電機(jī)帶動(dòng)液壓桿,液壓桿再帶動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),使鞋子與毛刷相互接觸并相互作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的清潔[8]。最后由齒輪齒條結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的固定以及縱向刷鞋筒對(duì)鞋子進(jìn)行清潔防護(hù)。

圖5 載鞋板橫向裝置示意圖

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪叉式機(jī)構(gòu)(又稱剪式鉸、剪刀撐)是一類具有鮮明特色的可伸展機(jī)構(gòu),具有良好的可折疊性和空間伸展性,還具有運(yùn)動(dòng)單元模塊化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)[9]。因此,在側(cè)柜使用剪叉機(jī)構(gòu)(如圖6)實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子的升降功能。

圖6 剪叉機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 液壓桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)液壓推桿適用于需要復(fù)推、拉直線(或往復(fù)旋轉(zhuǎn)一定角度)的運(yùn)動(dòng),并且具有超負(fù)荷保護(hù)能力,不會(huì)損壞電機(jī)和機(jī)件[10]。同一臺(tái)電液推桿其推、拉力可無線調(diào)速,因而驅(qū)動(dòng)力范圍廣。因此我們采用液壓桿(如圖7)傳動(dòng)來帶動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

3 電機(jī)選型

3.1 齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)

齒輪齒條驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)與托板相固定的齒輪齒條,齒輪齒條帶動(dòng)托板進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng),托板再托起載鞋板。每個(gè)載鞋板的質(zhì)量約為 5 kg,其所能容納鞋子的數(shù)量在6雙左右,其總質(zhì)量大約為10 kg,托板質(zhì)量1 kg ,運(yùn)動(dòng)速度為0.1 m/s,電機(jī)負(fù)載F=156.8 N,軸向負(fù)載為833 N,傳動(dòng)效率η=0.866。

圖7 液壓桿示意圖

電機(jī)輸出功率:

所需電機(jī)功率:

軸的扭矩:

電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算:

因此,齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型為HY-100a。

3.2 絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)

絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)與托板相連接的絲杠,絲杠帶動(dòng)托板進(jìn)行豎直方向運(yùn)動(dòng),托板再托運(yùn)載鞋板進(jìn)行豎直方向運(yùn)動(dòng)。取速度為0.1 m/s,考慮阻力使載荷阻力增大10%,傳動(dòng)效率η=0.877。

電機(jī)輸出功率:

所需電機(jī)功率:

電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算:

因此,絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型為Y90S-6。

3.3 剪叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

設(shè)剪叉機(jī)構(gòu)以及鞋子的總質(zhì)量為10 kg ,剪叉機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度v=0.1m/s,傳動(dòng)總效率η=0.877,考慮其所受運(yùn)動(dòng)阻力。

電機(jī)輸出功率:

所需電機(jī)功率:

電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算:

因此,剪叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型為HY-100a。

4 關(guān)鍵部位有限元分析

4.1 托板應(yīng)力分析

對(duì)托板進(jìn)行有限元分析,其中托板總變形云圖如圖8(a)所示,最大變形量為0.020082 mm,如圖8(b)所示,可知滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 托板水平移動(dòng)處的支撐短軸有限元分析結(jié)果示意圖

4.2 托板水平移動(dòng)處的支撐短軸應(yīng)力分析

對(duì)托板水平移動(dòng)處的支撐短軸進(jìn)行有限元分析,其中托板水平移動(dòng)處的支撐短軸總變形云圖如圖9(a)所示,最大變形量為0.19503 mm,如圖9(b)所示,故滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 托板水平移動(dòng)處的支撐短軸有限元分析結(jié)果示意圖

5 結(jié)論

綜上所述,該智能鞋柜主要采用絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板在豎直方向的移動(dòng),通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)托板在水平方向的移動(dòng),兩個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相互配合實(shí)現(xiàn)多層柜的換層,方便鞋子的拿放。另外在主柜的內(nèi)側(cè)增加紫外線殺毒裝置,可以對(duì)鞋子進(jìn)行消菌殺毒,此外清潔保養(yǎng)側(cè)柜通過運(yùn)用齒輪齒條傳動(dòng)、絲杠傳動(dòng)、剪叉升降機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鞋子四周灰塵的處理以及對(duì)鞋四周刷油、干燥等功能。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求,滿足以多功能需求為前提的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了空間利用率的最大化,同時(shí)該設(shè)計(jì)為同類家具的研究提供了借鑒。