智能鞋柜的設(shè)計(jì)與分析

王 崗,李 星

(西安工程大學(xué),陜西 西安 710000)

0 引 言

當(dāng)今人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,智能化時(shí)代已經(jīng)到來(lái),智能家居提升了人民生活質(zhì)量[1]。鞋柜是日常必備家具,目前存在使用壽命低、功能單一,以及對(duì)鞋子的護(hù)理達(dá)不到用戶(hù)需求等問(wèn)題。人機(jī)工程學(xué)主要研究人、機(jī)器和環(huán)境系統(tǒng)三者之間的相互協(xié)調(diào)匹配關(guān)系,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、人體健康及產(chǎn)品功效等問(wèn)題提供研究方法與理論支撐。人機(jī)工程學(xué)是基于多個(gè)專(zhuān)業(yè)相互支撐、相互融合的多學(xué)科交叉,研究方法與技術(shù)手段主要涉及工程技術(shù)、生態(tài)學(xué)、感性工學(xué)、心理學(xué)以及美學(xué)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。人機(jī)工程學(xué)使產(chǎn)品與人的生理、心理等各方面因素相適應(yīng),以達(dá)到人-機(jī)-環(huán)境的協(xié)調(diào)和優(yōu)良匹配,從而使產(chǎn)品更安全、舒適和高效[2-3]。

本文基于人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念,針對(duì)智能鞋柜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與力學(xué)分析,研制出了一款人-機(jī)-環(huán)境相互協(xié)調(diào)的智能鞋柜,該智能鞋柜在安全穩(wěn)定、材料環(huán)保以及智能輔助方面均能滿(mǎn)足人們的需求。

1 整體結(jié)構(gòu)

智能鞋柜的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,主要由翻斗機(jī)構(gòu)、伸縮凳機(jī)構(gòu)及輔助機(jī)構(gòu)組成,由單片機(jī)控制器控制電機(jī),實(shí)現(xiàn)翻斗的自動(dòng)開(kāi)合功能,控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)伸縮凳的自動(dòng)打開(kāi)與收縮功能;輔助裝置完成對(duì)鞋子的護(hù)理功能[4-5]。

1-顯示屏;2-單片機(jī)控制器;3-法蘭盤(pán);4-翻斗;5-伸縮凳;6-大齒輪;7-小齒輪;8-電機(jī)圖1 智能鞋柜整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of intelligent shoe cabinet

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

2.1 翻斗機(jī)構(gòu)

2.1.1 翻斗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本款智能鞋柜的關(guān)鍵因素,它既要不浪費(fèi)整體的框架空間結(jié)構(gòu),又要有盡可能多的存儲(chǔ)空間。該翻斗機(jī)構(gòu)由翻斗上隔板、翻斗中間隔板、法蘭盤(pán)、翻斗下隔板、翻斗底隔板、電機(jī)、小齒輪、傳動(dòng)軸以及大齒輪組成[6]。翻斗機(jī)構(gòu)中,隔板部分采用實(shí)木板材制成,而兩側(cè)的扣板采用鋁合金材料制成,遵循了生態(tài)環(huán)保和質(zhì)量輕的原則。翻斗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

1-翻斗上隔板;2-翻斗中間隔板;3-法蘭盤(pán);4-翻斗下隔板;5-翻斗底隔板;6-電機(jī);7-小齒輪;8-傳動(dòng)軸;9-大齒輪圖2 翻斗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of tipper mechanism

2.1.2 翻斗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作原理

當(dāng)用戶(hù)使用時(shí),將所需服務(wù)功能通過(guò)人機(jī)交互界面?zhèn)鬟f到控制器,控制器控制電機(jī)6運(yùn)轉(zhuǎn),電機(jī)6帶動(dòng)小齒輪7運(yùn)動(dòng),相嚙合的大齒輪9跟著轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)軸8跟著大齒輪9運(yùn)轉(zhuǎn),傳動(dòng)軸8末端的法蘭盤(pán)3也做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),固定在法蘭盤(pán)3的翻斗也隨之打開(kāi),待用戶(hù)完成功能使用之后,重力傳感器檢測(cè)翻斗重量變化,將信號(hào)傳遞至控制器,控制器控制翻斗自動(dòng)關(guān)閉到初試位置,從而實(shí)現(xiàn)了翻斗機(jī)構(gòu)的智能打開(kāi)與關(guān)閉功能,如圖3所示。

(a) 翻斗機(jī)構(gòu)打開(kāi)原理圖

(b) 翻斗機(jī)構(gòu)關(guān)閉原理圖

2.1.3 翻斗機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)在翻斗機(jī)構(gòu)的開(kāi)合中起關(guān)鍵性作用,它是動(dòng)力傳遞的主要零件。根據(jù)智能鞋柜的傳動(dòng)需求,現(xiàn)選用一組精度等級(jí)為8級(jí)的直齒圓柱齒輪做為翻斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其中齒輪材料分別為：小齒輪選用硬度為270 HBS的調(diào)質(zhì)40Cr,大齒輪選用硬度為240 HBS的調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼[7]。對(duì)翻斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)后,根據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的要求,以及查詢(xún)相關(guān)文獻(xiàn)資料后,最終確定齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i=2.1,小齒輪的齒數(shù)Z1=20,由公式：i=Z2/Z1得出大齒輪的齒數(shù)Z2=42。

按照彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,選用荷載系數(shù)Kt=2.0,小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩T1=0.98 N·m。齒寬系數(shù)Φd=1.0,齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=2.4×109,N2=1.143×109,彎曲疲勞強(qiáng)度系數(shù)KFN1=0.90,KFN2=0.92,f取最小安全系數(shù)Smin=1.35。齒形系數(shù)YFS1=4.35,YFS2=3.95,彎曲疲勞強(qiáng)度σFLmin1=485 MPa,大齒輪σFLmin2=397 MPa,取安全系數(shù)S=1.35,彎曲疲勞強(qiáng)度σF1=323.3 N·mm-2,σF2=270.5 N·mm-2。

1) 采用設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行齒輪模數(shù)的初步確定,即：

(1)

式中：m為模數(shù)。

2) 由于大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度較弱,所以應(yīng)將

代入式(1),求得

mt≥1.825 mm。

(2)

3) 計(jì)算小齒輪齒寬

d1t=mt·Z1=36.5 mm,

(3)

b1=φd·d1t=36.5 mm。

(4)

4) 計(jì)算齒輪圓周速度

(5)

5) 計(jì)算載荷系數(shù)

根據(jù)v=1.834 m·s-1,參考文獻(xiàn)資料,選擇8級(jí)精度做為齒輪的精度等級(jí),符合設(shè)計(jì)要求。并根據(jù)系數(shù)KA=1,由文獻(xiàn)資料查得載荷系數(shù)Kv=1.19,對(duì)于沒(méi)有進(jìn)行表面硬化處理的8級(jí)精度直齒齒輪,經(jīng)文獻(xiàn)資料查詢(xún)得出齒輪間的載荷分配系數(shù)KFα=1.1[8-9]。

KFB=KHB
=(1+10%)×[1.23+0.18(1+0.6
×102)+0.61×103×36.5]
=1.540。

(6)

故：

K=KA·Kv·KFα·KFB
=1×1.19×1.1×1.540=2.016。

(7)

6) 計(jì)算齒輪傳動(dòng)模數(shù)

(8)

由于考慮磨損,所以m應(yīng)加大10%～20%：

m=1.830×(1.1～1.2)=2.013～2.196,

(9)

即取m=2.0。

7) 分度圓直徑：

D1=mz=2×20=40 mm,

(10)

D2=mz=2×42=84 mm。

(11)

通過(guò)查閱相關(guān)專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)資料和計(jì)算,得出齒輪機(jī)構(gòu)相關(guān)技術(shù)參數(shù),如表1所示。

表1 齒輪特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of gear

2.2 伸縮凳機(jī)構(gòu)

2.2.1 伸縮凳機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

伸縮凳是智能鞋柜重要的組成部分,它的設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量對(duì)智能鞋柜同樣起著至關(guān)重要的作用。如圖4所示,該伸縮凳機(jī)構(gòu)主要由伸縮凳架板、舵機(jī)、連桿、連接件1、連接件2、重力傳感器以及連接件3組成。為了滿(mǎn)足伸縮凳強(qiáng)度高、剛性好、形變量小、舒適度好等特點(diǎn),經(jīng)試驗(yàn)后選用鋁合金、亞克力和軟皮等材料做為伸縮凳的使用材料。

1-伸縮凳架板;2-舵機(jī);3-連桿;4-連接件1;5-連接件2;6-重力傳感器;7-連接件3圖4 伸縮凳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Structure design drawing of telescopic stool

2.2.2 伸縮凳機(jī)構(gòu)工作原理

伸縮凳機(jī)構(gòu)工作原理圖如圖5所示,用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面選擇服務(wù)功能后,將信號(hào)傳遞至單片機(jī)控制器,單片機(jī)控制器同時(shí)控制電機(jī)和舵機(jī)2運(yùn)轉(zhuǎn),舵機(jī)2帶動(dòng)連桿3,連桿3帶動(dòng)伸縮凳由初始位置轉(zhuǎn)動(dòng)90°,伸縮凳在連桿3的帶動(dòng)作用下,由打開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。[10]收起過(guò)程是用戶(hù)完成換鞋動(dòng)作后,重力傳感器6感受重力的變化,將信號(hào)反饋至控制器,控制器控制舵機(jī)2,使伸縮凳自動(dòng)關(guān)閉為初始位置,從而實(shí)現(xiàn)了伸縮凳機(jī)構(gòu)的智能打開(kāi)與關(guān)閉功能。

(a) 伸縮凳打開(kāi)

(b) 伸縮凳關(guān)閉

伸縮凳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于其承載能力,凳子需要滿(mǎn)足強(qiáng)度高、剛性好、形變量小等特點(diǎn)。連桿是伸縮凳自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉裝置中最關(guān)鍵的零部件,它的使用壽命決定了伸縮凳自動(dòng)開(kāi)合裝置的使用壽命。連桿零部件選用鋁合金材料,以滿(mǎn)足其承載能力的使用要求[11-12]。連桿是舵機(jī)與伸縮凳之間的過(guò)渡零件,它的一側(cè)固連在舵盤(pán)上,另一側(cè)安裝在伸縮凳上,它的作用就是將舵機(jī)輸出的扭轉(zhuǎn)力傳遞至伸縮凳,連桿零部件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 伸縮凳連桿結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Connecting rod structure of telescopic stool

2.2.3 伸縮凳工作動(dòng)力設(shè)計(jì)

伸縮凳的材料為鋁型材和鋼板,它的質(zhì)量在2～3 kg,需滿(mǎn)足承載人體約80 kg左右的質(zhì)量。伸縮凳在打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程中舵機(jī)的選型需要扭矩大,旋轉(zhuǎn)精度高和虛位小等特點(diǎn),方可使伸縮凳能夠正常地打開(kāi)與關(guān)閉。根據(jù)計(jì)算,選擇如圖7所示的型號(hào)為L(zhǎng)X-224的舵機(jī),舵機(jī)扭矩為20 kg·cm,舵機(jī)特性參數(shù)如表2所示。

圖7 LX-224舵機(jī)選型圖Fig.7 Selection diagram of LX-224 steering gear

表2 舵機(jī)特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of steering gear

2.3 輔助裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 智能殺菌消毒裝置

在當(dāng)前新型冠狀病毒在全球肆虐的復(fù)雜環(huán)境下,對(duì)用戶(hù)從室外進(jìn)入家中的鞋子消毒尤為重要,選擇對(duì)有害物質(zhì)殺滅率高、燈光照射面積廣、紫外線(xiàn)強(qiáng)度高和使用壽命長(zhǎng)的紫外線(xiàn)殺菌燈作為殺菌消毒裝置,通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其開(kāi)關(guān)和時(shí)間控制[13]。紫外線(xiàn)消毒燈特性參數(shù)如表3所示,根據(jù)用戶(hù)所定制的智能鞋柜規(guī)格尺寸來(lái)選擇不同功率大小的紫外線(xiàn)消毒燈。

表3 紫外線(xiàn)消毒燈特性參數(shù)Tab.3 Characteristic parameters of ultraviolet disinfection lamp

2.3.2 智能烘干裝置

采用烘干器對(duì)鞋子進(jìn)行烘干,烘干器內(nèi)置兩個(gè)PTC發(fā)熱體,分別置于環(huán)狀烘干器的兩側(cè),可以適應(yīng)多種鞋型的烘干操作,烘干器最高可以達(dá)到150 ℃。通過(guò)烘干器可以解決鞋子潮濕的問(wèn)題也可以殺死微生物[14],烘干器特性參數(shù)如表4所示。

表4 烘干器特性參數(shù)Tab.4 Dryer characteristic parameters

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

齒輪機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)是整個(gè)智能鞋柜受力的關(guān)鍵零件,因此,采用Simulation軟件對(duì)關(guān)鍵零部件的最大應(yīng)力、最大變形位移,以及最大變形量和最小變形量進(jìn)行了分析研究。圖8為齒輪機(jī)構(gòu)的受力分析圖。

(a) 應(yīng)力圖

(b) 位移圖

(c) 應(yīng)變圖

通過(guò)對(duì)齒輪受力分析圖的分析得出了齒輪機(jī)構(gòu)受力分析參數(shù)(表5)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求分析,智能鞋柜在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中齒輪所承受的扭轉(zhuǎn)力為0.98 N·m,因此,其最大應(yīng)力為17.31 MPa,并且發(fā)生在齒頂處,應(yīng)力遠(yuǎn)比理論值小,即滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求。最大變形位移為0.002 018 mm,可以忽略不計(jì)。齒輪在受到0.98 N·m的扭轉(zhuǎn)力時(shí),發(fā)生形變的最大值為2.776×10-5mm,最小值為2.047×10-10mm,此變形量過(guò)小,可以忽略不計(jì),因此本設(shè)計(jì)滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)所需的要求。

表5 齒輪機(jī)構(gòu)受力分析參數(shù)表Tab.5 Force analysis parameters of gear mechanism

其次對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了受力分析,圖9為連桿機(jī)構(gòu)的受力分析圖。

通過(guò)對(duì)圖9(a)的分析得出了連桿機(jī)構(gòu)受力分析參數(shù)(表6)。在運(yùn)行的過(guò)程中,連桿機(jī)構(gòu)處于懸臂梁狀態(tài),經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算和查閱相關(guān)文獻(xiàn)得出連桿所承受的扭轉(zhuǎn)力為2.352 N·m。智能鞋柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承載著較大的扭轉(zhuǎn)力,通過(guò)Simulation軟件進(jìn)行受力分析后得出連桿的最大應(yīng)力在連桿與舵機(jī)的連接處,為7.509 MPa,滿(mǎn)足使用要求。連桿最大位移量為0.002 mm,可以忽略不計(jì)。連桿在受到2.352 N·m的扭轉(zhuǎn)力時(shí),發(fā)生形變的最大值為2.500×10-5mm,此變形量過(guò)小,可以忽略不計(jì),因此滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)所需的要求。

(a) 應(yīng)力圖

(b) 位移圖

(c) 應(yīng)變圖

表6 連桿受力分析參數(shù)表Tab.6 Force analysis parameters of connecting rod

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,所設(shè)計(jì)的智能鞋柜在應(yīng)力、位移和應(yīng)變方面均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和使用標(biāo)準(zhǔn),保障了智能鞋柜的打開(kāi)與關(guān)閉,鞋子的容納量,伸縮凳的承載力、安全性以及智能輔助等方面的正常使用。

4 結(jié) 論

將工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與智能家居相結(jié)合,設(shè)計(jì)出了一款智能鞋柜。通過(guò)Solidworks和Simulation軟件對(duì)智能鞋柜的整體結(jié)構(gòu)、零部件設(shè)計(jì),以及關(guān)鍵零部件的受力和耐用度進(jìn)行了研究和分析。結(jié)果表明：該智能鞋柜在安全穩(wěn)定、材料環(huán)保以及智能化方面均能滿(mǎn)足人們的需求。該款智能鞋柜實(shí)現(xiàn)了對(duì)鞋子的合理收納及護(hù)理功能,同時(shí)為用戶(hù)提供舒適、安全的人性化和智能化的體驗(yàn)感受,為提升鞋柜在智能家居中的地位作出貢獻(xiàn)。