一、設計背景
隨著生活水平的提高，鞋子成了時尚生活中不可缺少的一部分，鞋之家——鞋櫃也成了家裡乙個引人注目的區域。鞋櫃從最初僅僅有存放鞋子功能的架子變成了室內裝飾不可缺少的家具。
目前市場有許多種鞋櫃，從最初的簡易鞋架，到各種藝術鞋櫃、多功能鞋櫃，它們都有或多或少的缺陷：多數是靜止的，換鞋時要用手動開啟櫃門取鞋應對，甚為不便和麻煩；有的由於各層之間的相互遮擋，不能立即找到自己想要的鞋子；有的因櫃門太大而需要占用較在空間……
為解決長期以來人們愛講究衛生又嫌麻煩的矛盾，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**景象，我們設計了了自動鞋櫃。該鞋櫃根據鞋子是否常用分為兩個部分，當人們換鞋時，通過電機帶動開啟常用鞋櫃，換鞋完畢，通過感測器檢測到人離開而自動關閉鞋櫃。當季節變換時，又可控制開啟所有鞋櫃，進行鞋櫃兩部分中鞋子更新和替換。
該鞋櫃用了多種感測器來進行控制，有感應人離開而控制關閉鞋櫃的紅外感測器，有當盛鞋板移動到最大位置而控制電動機關閉的繼電器……感測器的新增可以讓使用者更加方便的使用鞋櫃。
另外，該鞋櫃還可以新增其它裝置，具有附加功能，如可在鞋櫃中加入殺菌、除臭和烘乾裝置。
二、 傳動方案的選擇與論證
下圖為不加傳動機構時的鞋櫃簡圖，其中盛鞋板分上下兩組，下層存放常用鞋，每次使用都需要開啟，上層作為鞋倉，只有在季節變換，下層鞋板內鞋子更新時才需要開啟。因此鞋櫃的從動件可分為三個部分：下層盛鞋板，上層盛鞋板，鞋櫃門。
2.1 盛鞋板水平方向運動
盛鞋板的運動是自動鞋櫃的主要運動，其運動過程是在軌道移動的過程，該過程可以用曲柄滑塊機構、齒輪齒條機構、絲杆機構來實現，最初我們想到了曲柄滑塊機構，它的傳力效果較好且易於製造和保證製造精度，但在設計過程中我們發現：若將曲柄滑塊機構放在盛鞋板的**，會造成曲柄與盛鞋板的干涉；如果將該機構放在盛鞋板的一側，因盛鞋板較寬，會在豎直方向產生力矩，使盛鞋板在水平方向發生轉動而使其卡死；如果盛鞋板兩邊都安裝該機構，則會因為機構間的間隙產生累積誤差，同樣會產生豎直力矩使盛鞋板卡死。若在鞋板兩側安裝齒輪齒條結構，就不會產生累積誤差，但鞋板是向鞋櫃門的方向運動，齒輪必須靠近鞋櫃門安裝，離鞋櫃後側的動力源較遠，傳動鏈過長，不利於設計和安裝。
最終我們選擇了絲杆傳動與齒輪齒條結構相結合的方式，只要乙個鞋板的下方安裝絲杆，兩層之間用齒輪齒條傳動，就可以解決以上問題。
盛鞋板需要進行前後運動，因此需要用到往復運動機構，我們最初想到了曲柄滑塊機構和凸輪機構等在乙個週期內進行往復運動的機構，而經過計算，要使鞋板能完成一次往復運動，連桿和凸輪都很大。圖3為我們設計過程中畫過的凸輪輪廓，其中左圖為從動件作勻速運動的輪廓，右圖為從動件作勻加勻減運動的輪廓，兩圖中凸輪基圓直徑d均為120mm，從動件行程h均為150mm。左圖中凸輪輪廓被底切，滾子運動會發生失真。
右圖中凸輪太大容易發生偏心而振動，如果做成飛輪，則飛輪直徑過大（大於420mm），製造成本過高。經計算，如果在一週期內想實現盛鞋板的進退，則需要的零件體積將很大，加工和生產成本會很高，因此在乙個週期內進行往復運動的機構是不能用於盛鞋板的運動。經過查詢相關資料，我們發現，普通單相電機可以通過改變電容接線方式來改變轉向，最終我們決定通過電動機來改變運動方向。
2.2 上層鞋板的運動控制
上層盛鞋板是用來作為鞋倉的，平常不開啟，只有在季節變換、鞋子更新時用，因此它的運動是人為控制間歇機構。開始時我們開始時想到用齒輪，通過控制齒輪的嚙合來控制其傳動，結果發現當齒輪間相互靠近時，兩齒輪並不會恰好嚙合，經常會出現輪齒干涉的現象。
後來，我們通過離合器的原理想到了通過摩擦來控制傳動，為此我們設計了摩擦輪機構。如圖4所示，上下兩等直徑摩擦輪固定在機架上，相互不接觸，第三個摩擦通過搖桿滑塊機構與機架相連，可以在水平方向移動。平常時，搖桿與豎直方向成一定角度固定在機架上，活動摩擦輪與兩固定摩擦輪無接觸，上固定摩擦輪由於無驅動力而不會發生運動。
當上摩擦輪需要運動時，則鬆開對搖桿的固定，在拉伸彈簧的作用下，會推動活動摩擦輪向右移動與兩固定摩擦輪都接觸，受彈力作用而壓緊，這樣會由於摩擦力使摩擦輪間作相對滾動，因兩固定摩擦輪直徑相等，因此它們會作同向等速傳動，再通過皮帶傳動和絲杆傳動來帶動上層盛鞋板運動。
2.3 鞋櫃門的運動
普通的鞋櫃都不考慮櫃門設計，大都採用類似房屋用門的方式，這樣在要手動才能開啟櫃門，並且櫃門開啟時占用空間較大，需要給鞋櫃預留較大空間。也有將櫃門與盛鞋板固定在一起做成抽屜的，取鞋時就需要將盛鞋板拉出較長距離。對使用者來說這些方式都不方便。
因為我們想使下層盛鞋板含有兩層鞋板，若在兩層分別安裝櫃門，則在上一層的櫃門開啟時，會對下一層的鞋遮擋，不方便找鞋和取鞋，因此我們讓兩層使用乙個門。因為門是要隨盛鞋板的伸出而開啟，我們最初想到了曲柄滑塊機構，如右圖所示。但這樣會帶來乙個問題，因門是隨鞋板伸出而張開乙個角度，這個角度太大，剛占用較大空間，若角度太小，則不利於取鞋，經計算在45°左右比較合適。
但這時門下端的固定銷離鞋板太遠，鞋板會離地面太高，即占用空間，又不利於放鞋。為此，我們決定門下端不固定在機架上，而是固定在乙個可以在機架上水平滑動的滑快上。如左圖所示，當鞋板向右伸出時，則門下端的滑塊也會在門的帶動下向滑動，而門具有平動和轉動兩個自由度，而當滑塊移動到最大距離位置時，門只能向下轉動而張開一定角度。
這樣就可以減小下層盛鞋板與機構下端的距離，減小了整個鞋櫃的占用空間。
三、鞋櫃的機構運動簡圖與運動迴圈圖
3.1 鞋櫃的機構運動簡圖
圖8所示為鞋櫃的機構運動簡圖，其中細線框中的內容為鞋櫃的各主要運動機構。
機構i：電動機與變速機構
機構ii與機構iv：盛鞋板運動機構
機構iii：上層盛鞋板的運動控制機構
機構v：鞋櫃門的開啟機構
3.2 鞋櫃的機械運動迴圈圖
圖9所示為鞋櫃的機構機械運動迴圈圖
說明：1. 盛鞋板以伸出方向為向前運動方向，以退回方向為向後運動方向
2. 活動摩擦輪以向靠近固定摩擦輪運動的方向為向前運動方向，以向遠離固定摩擦輪運動的方向為身後運動方向。
3. 鞋櫃門的開啟與關閉均包含兩個動作：平動和轉動。
四、傳動機構設計
4.1 盛鞋板運動機構
盛鞋板的運動是鞋櫃的主要運動，其結構運動簡圖如右圖，根據大部分鞋子的大小，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，又不會遮擋人們選鞋的視線。
在每一組鞋板中，下層的盛鞋板採用絲杆傳動，常用的絲杆螺紋有矩形螺紋和梯形螺紋兩種，而梯形螺紋牙根強度高，螺紋工藝性好，可用高生產率的方法製造，對中性好，不易鬆動，但效率較低。矩形螺紋傳動效率高，但精確製造困難（為便於加工，可製成10的牙傾角），螺紋強度比梯形螺紋低，對中精度低，用於傳力螺旋與傳動螺旋。因為本設計用於家庭生活中，對精確度較低，根據傳動效率，本設計決定採用矩形螺紋（為提高生產率，可製成牙傾角為10°的梯形螺紋）。
本設計絲杆的端部結構為一端固定，一端自由，根據螺旋副的臨界轉速計算公式，設計中用到的絲杆臨界轉速：
式中：μ1與螺桿端部結構有關的係數，一端固定，一端自由的螺桿μ1為1.875；
d1為螺桿根徑，本設計中d1=14mm;
lc為螺桿兩支承之間的最大距離，本設計中lc=400mm。
由轉速條件式
由上述計算可知一般鋼製絲杆均能滿足我們產品設計的要求，結合自動鞋櫃的設計目的，經濟性，適用性等方面的要求，我們採用的傳動的傳動比為40：1的滑動螺桿傳動，即在兩秒鐘內轉動25圈就使得盛鞋板在規定時間兩秒內向外伸出25厘公尺的距離。
實現了下層盛鞋板的運動，下一步就是要實現上層鞋板的運動，上層鞋板要在同樣的條件下向外伸出15厘公尺，以方便取鞋。而齒輪機構就可以實現這樣的目的，在上下兩層板上再鑲上齒條，這樣就可將下層鞋板的運動傳遞到上層鞋板，控制了下層鞋板就控制了上層鞋板。為實現上下兩層之間出板距離不同的目的，若採用完整的齒輪齒條嚙合，則要至少兩層齒輪才能實現，但是這樣會占用空間，不實用，因此我們採用的將下層齒條同上層齒條具有相等齒數的結構，齒輪齒條的m=3，齒條中齒的個數均為16，因齒輪齒條以相同線速度運動，當下層盛鞋板推動上層鞋板共同運動15厘公尺時，下一層鞋板上的齒條就會與齒輪脫離，上層鞋板就會停止運動，而下層鞋板還會在絲杆的帶動下繼續向前運動10cm，上下層鞋板呈階梯狀分布，這樣即便於尋找自己的鞋子，又方便取鞋，如圖11所示。
4.2 摩擦輪機構設計
在2.2上層鞋板的運動控制中已經介紹了使用摩擦輪機構控制的原因，其運動結構簡圖如圖11，3d效果圖見圖3。
根據圖13中摩擦輪的傳動原理、優缺點及常用範圍和圖14中摩擦輪材料的摩擦係數，本設計可以採用圓柱摩擦輪，輪面材料為橡膠，這樣摩擦係數較大，輪面相對滑動率很小，且摩擦輪重量輕，精度高。
對外置觸摩擦輪，摩擦輪直徑（d為軸徑，a為兩摩擦輪中心距），，（ε為相對滑動率）。本設計中d=14mm，a=90mm，由於採用橡膠作接觸輪面，摩擦係數較大，因此ε較小，i近似為1，可以算出d1=d2=90mm≥4~5d=56~70mm。
4.3向上皮帶傳動設計
上層盛鞋板的運動是下端絲杆經過摩擦輪向上傳到上端絲杆來帶動的，
因為上摩擦輪離上端絲杆較遠，為400mm，且轉動方向相同，用齒輪機構、曲柄搖桿機構等來傳動製造和設計成本較高，且誤差較大，均不適用於本設計，因此本設計選用皮帶機構來傳動。
因為上下絲杆的轉速相等，而摩擦輪機構的傳動比約為1，因此皮帶輪的傳動比約為1。兩皮帶輪中心距為400mm，為降低設計和生產成本以及降低整體重量，根據圖15和圖16中給出的皮帶截面尺寸，採用y型普通v帶，對應的皮帶輪槽也為y型。
因為此對皮帶輪的傳動比為1，因此可以選用符合條件任何尺寸。但由於與皮帶輪相連的絲杆另一端為懸空放置，因此皮帶輪應較重來平衡絲杆。經過查表，本設計中皮帶輪選用基準直徑為70mm的。
4.4開門運動機構的設計
如圖7所示為開門運動機構的簡圖，
電機的選擇
因為鞋櫃用於家用，家庭用電為單相220v交流電，所以電動機只能先用單相交流非同步電動機。而且只要改變電容器串接的位置，就可改變這種電機的轉向，很適合本設計。
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課程設計 課程名稱機械原理 學院 機械工程學院專業 機械製造 姓名學號 1008030228 年級 2010級任課教師 戴明 2013年1月18日 貴州大學機械工程學院 機械原理課程設計任務書題號01 鎖梁自動成型工具機切削機構設計 一 機構說明和加工示意圖 鎖梁自動成型工具機加工鎖梁 即掛鎖上用於...
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