家用自动洗鞋机设计项目说明指导书.doc

第五届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组参赛作品

家用自动洗鞋机设计说明书

设计者： 袁洋 马路 邓帅 杜思超 陈涛
设计单位： 中原工学院
设计部门： 机电学院
指导老师： 付晓莉 张伟杰
时 间： 2月

河南·郑州

目 录

1.研制背景及意义 ………………………………………………………………… 1
2.设计方案 ………………………………………………………………………… 2
3.运动、动力分析 ………………………………………………………………… 9
4.工作原理及关键功效指标 ……………………………………………………… 20
5.控制设计 ………………………………………………………………………… 22
6.创新点 …………………………………………………………………………… 26
7.应用前景 ………………………………………………………………………… 26
参考文件 …………………………………………………………………………… 27
附录一 作品实物照片 …………………………………………………………… 28
附录二 装配关系图
附录二 装配步骤图
家用自动洗鞋机
设计者：袁洋 马路 邓帅 杜思超 陈涛
指导老师：付晓莉 张伟杰
（中原工学院 机电学院 郑州450007）
摘要：以简便、实用、清洁，能处理洗鞋过程鞋子清洁除菌问题设备为研究对象，提出横向刷洗机构，竖向刷洗机构，鞋底刷洗机构，鞋内刷洗机构等四种刷洗机构，再结合空水、挤水机构，设计了一个家用洗鞋机，试验结果表明，设备工作稳定，性能可靠，功效实现效果良好。
关键词：洗鞋；家用洗鞋机；清洁
作品内容介绍
本作品依据本届机械创新设计大赛主旨要求而设计，属于“家庭清洁类机械”。本产品自动完成洗鞋全过程，包含清洗、空水、挤水、烘干杀菌等功效，结构简单，操作方便，清洗快捷，小型化，适合家用。自动洗鞋机采取鞋子静止，刷子相对鞋子运动刷洗方法，清洗部分由横向刷洗机构、竖向刷洗机构、鞋底刷洗机构、鞋内刷洗机构等机构组成，对鞋子进行全方位刷洗，刷洗简便、快捷，处理了现有洗鞋机清洁度不够、鞋底污物形成污水对鞋子造成二次污染等问题，而且降低洗鞋机工作过程中对鞋子造成损坏可能性；空水功效使刷洗过程中鞋内积水顺利流出；挤水机构处理了刷洗后，鞋体内残留积水难以挤出问题，确保鞋体内无残留；烘干、杀菌功效使鞋子取出后即可使用，消除有害细菌，确保脚部健康。
联络人：付晓莉
联络电话：
E-mail:
1 研制背景及意义
据世界卫生机构调查，全世界有74.6%人对鞋卫生程度不在意，这是影响人体健康关键原因，常常洗鞋能够预防脚气，预防细菌滋生，有效保护脚部健康。对鞋清洗是关键，是消费者所急需。
经过调研和查阅资料我们发觉，中国市场洗鞋机较大型化，关键满足商业需求，价格昂贵，占用空间较大，不适于通常家庭使用。且普遍存在自动化程度不高、刷洗不洁净、对鞋造成损伤等缺点。现在市场上洗鞋机，多为滚筒式和波轮式两种，经过旋转摩擦达成清洗目标，此种刷洗方法，仅能对鞋子外部进行刷洗，且大量鞋底污泥溶于洗涤水中，对鞋内部较洁净部分造成二次污染，同时旋转摩擦刷洗方法还会对鞋体本身造成一定损伤。人工手洗虽含有较高灵活性，但花费体力，且刷洗完成后，无法将鞋帮内水分完全挤出，造成洗涤剂残留，影响穿着舒适度及人体健康。
经过我们创新设计组员对所存在问题认真分析，我们认为应该考虑以下几点：
1）采取鞋子不动，刷子动方法，处理鞋底污物形成污水对鞋子造成二次污染和鞋体翻转损伤问题。
2）鞋子形状面多且不规则，为使刷洗快捷、到位，需要进行动作分解。
3）鞋子刷洗完成后需要进行空水和挤干，需要加入空水和挤水机构。
4）产品小型化，智能化，以适合家用。
此家用自动洗鞋机意在处理鞋子清洗难题，以简便、实用、清洁为标准，设计过程中应结合实际，做到以人为本，结合慧鱼构件，对比论证，合理巧妙选择机构，在功效上突出自动化，智能化和功效集成化。
2 设计方案
家用自动洗鞋机由六大部分组成，分别是外侧清洗部分（鞋底刷洗机构、横向刷洗机构、竖向刷洗机构）、空水及内部刷洗机构、挤水机构、烘干杀菌部分、气动装置、智能控制部分和部分辅助部件等。
2.1 撑鞋机构
撑鞋机构（图1）关键负责鞋撑起固定。该机构由气动装置提供动力，分别由气缸1和气缸2将撑杆1和撑杆2撑起，达成固定鞋子目标。

图1 撑鞋机构机构简图
2.2 外侧清洗部分
清洗部分，由横向刷洗机构、竖向刷洗机构和鞋底刷洗机构组成，对鞋子外侧进行全方位刷洗，使刷洗简便、快捷。
鞋帮
鞋底
鞋侧面
鞋跟
鞋面

图2 鞋子示意图
2.2.1横向刷洗机构
横向刷洗机构（图3）关键负责对鞋子鞋面刷洗。该机构由电机（电机1）驱动，经过链条驱动双丝杠螺母进行运动，再带动横向刷子做竖直方向运动，使刷子能贴合鞋子倾斜鞋面进行刷洗。气缸带动机构沿导轨做横向移动，刷子在旋转刷洗同时做往复摆动刷洗，从而使刷洗愈加洁净。工作完成后（鞋面刷洗完成），横向刷洗机构复位，为下一次刷洗做准备。

图3 横向刷洗机构机构简图

图4 横向刷洗机构三维零件建模示意图
2.2.2竖向刷洗机构
竖向刷洗机构（图5）关键负责对鞋子两外侧面刷洗。水平位移电机经过变速齿轮箱在齿条导轨上做往复移动，使刷子贴合鞋面，竖直刷洗电机带动刷子旋转，对鞋侧面进行刷洗，机构上部固接于水平移动架，带动竖向刷洗机构沿鞋体两外侧面进行以前到后刷洗。工作完成后（鞋两侧面刷洗完成），竖向刷洗机构复位，为下一次刷洗做准备。

图5 竖向刷洗机构示意图
2.2.3鞋底刷洗机构
鞋底刷洗机构（图6）关键负责对鞋底和对鞋跟一部分竖向刷洗机构清洗不到部分进行清洗。该机构固接于升降机构，由电机驱动，经过输出轴带动链轮1、2、3和一个大齿轮1进行运动，这一对主动链轮1、2、3经过链条带动从动链轮4、5、6运动，刷毛固定于链条上，从而形成一个大刷子对鞋底进行刷洗。大齿轮1带动从动齿轮2进行运动，使得横向固定刷子对鞋跟进行旋转刷洗。

图6 鞋底刷洗机构
2.3 空水及内部刷洗机构
空水及内部刷洗机构（图7）关键负责使鞋子在进入工作位置后进行空水和内部刷洗等功效。由蜗杆带动齿轮，使机构旋转，图示位置即为洗鞋工作位置，蜗杆带动齿轮旋转180度，使鞋和水平面翻转一定角度，实现空水。内部刷洗，由电机驱动经过齿轮带动刷子旋转，对鞋内刷洗。
初始状态下，机构处于空水位置，程序运行，机构翻转180度，鞋子进入工作位置，电机开启，刷子对鞋内进行清洗，同时外测清洗部分开启，对鞋外侧进行刷洗。清洗完成，各刷洗机构刷子停止，复位。空水及内部刷洗机构再次翻转180度，鞋子回到空水位置，进行空水。空水完成，机构复位，进行下一步骤，同时为下一次刷洗做准备。

图7 空水及内部刷洗机构

图8 空水及内部刷洗机构三维零件建模示意图
2.4 挤水机构
挤水机构（图9）关键负责实现对鞋帮水分挤出。该机构固接于升降机构，由气缸带动实现机构顶出和拉回，电机经过减速齿轮箱带动凸轮，推进夹板对鞋帮进行挤压，复位弹簧对夹板进行复位，和凸轮配合，从而实现对鞋帮反复挤压。挤水阶段，气缸将机构推至鞋帮两侧，电机运转，对鞋帮进行挤水，挤水完成，气缸将机构拉出置初始位置，工作完成。

图9 挤水机构

图10 挤水机构三维零件建模示意图
2.5 升降机构
升降机构（图8）关键负责使底部刷洗机构和鞋底贴合和将挤水机构送至鞋帮两侧等工作。该机构由电机驱动，由蜗杆经过惰轮（齿轮1）带动齿轮 2运动，将动力传输给丝杠，丝杠带动螺母做竖直方向运动，实现升降。鞋底刷洗机构一端和螺母相连，另一端和机架相连，由升降机构带动升降。

图11 升降机构
2.6 烘干、杀菌部分
洗鞋机底部安装热风烘干系统和红外杀菌系统，以确保将鞋快速烘干和消亡细菌，达成保护脚目标。烘干采取内热循环气流，冷热风交替排除鞋子本身湿度，从而达成均匀烘干效果，有效果避免了鞋子在阳光下晾晒或风筒吹干对鞋子造成损伤。杀菌采取臭氧发生器和内循环气液结合，对每个角落进行全方面杀菌。
2.7 智能控制部分
智能控制部分：慧鱼二代编程接口板基于Windows7环境下ROBOpro编程控制。在工作时,当接通工作开关后程序自动运行，各个部分无需单独操作。计数齿轮和限位开关联配合使用,实现对各部件运动正确控制。
3 运动、动力分析
3.1 运动分析
3.1.1 撑鞋机构分析计算

图12 气动回路示意图
储气罐输出气压至各气缸，由能量守恒可知储气罐内储存能量。

图13 气缸内部受力示意图
由
得出力
——气缸气体压强
——大气压强
——气缸截面面积
牛顿第三定律，推杆力和反推力是一对作用力和反作用力，故

图14 撑鞋受力分析图
由受力分析可知：

联立得：
摩擦力克服重力，使得鞋子被固定而不会掉下，即：
——鞋子重量
——摩擦系数
即要满足设计要求所需参数：

3.1.2 横向刷洗机构分析计算
机构自由度计算以下：

图15 机构自由度
图示，空间活动构件,五级副，四级副，一级副，由公式：
得

运动链自由度大于零，且等于原动件数目，此运动链能组成一个合理机构。
计算螺杆螺母升速，由

联立得
——螺杆导程
——螺杆转动角度
——螺母升程
——螺杆转速

3.1.3 刷洗力计算分析

图16 齿轮箱传动示意图
电机额定功率,转速,减速箱部分齿轮传动比:

毛刷转速
毛刷功率
——传动效率
由转矩计算公式
相关合理选择刷洗力计算，毛刷在转动过程中，关键是靠毛刷和鞋面摩擦力，而摩擦力计算可简化为毛刷圆周力，在已知毛刷转矩和毛刷杆半径情况下，易求得： ，在实际洗刷过程中，只需毛刷圆周力满足：，即满足了刷洗洁净要求，又避免了刷力过大损坏鞋子。
3.1.4 空水及内部刷洗机构强度分析计算
受力分析：

图17 受力分析图
:
得：
其剪力图以下：

图18 X方向剪力图
:
得：
其剪力图以下：

图19 Y方向剪力图
:
得：
其弯矩图以下：

图20 弯矩图
对于高为,宽为矩形截面其抗弯模量计算以下：

图21 抗弯模量计算图

满足设计强度要求需：

即设计参数需满足：
——鞋子重量
——悬臂梁外伸长度
——悬臂梁倾斜角度
——截面宽度
——截面高度
——弯曲许用应力
3.1.5 挤水机构分析计算

图22 凸轮推力受力分析图
绝对运动：板做摆线运动；
相对运动：沿凸轮外廓曲线运动；
牵连运动：凸轮绕转动中心O转动。
作速度平行四边形，由集合关系知：

凸轮受力分析计算：

图23 弹簧作用受力图
弹簧形变量
弹簧拉力
力矩平衡有：
得：
——弹簧劲度系数
Pro/ENGINEER下运动仿真得夹板运动曲线图以下：

图24 夹板位置曲线

图25 夹板角速度曲线

图26 夹板角加速度曲线
3.1.6 升降机构分析计算
原动件传动到螺杆，依次由减速箱固定装置（小齿轮组），减速传动装置（蜗杆，齿轮1，齿轮2）减速，其传动比：

电机转速经过减速装置，速度降为：
电机功率经过传动装置，功率变为：

由转矩计算公式： 得螺杆转矩
由此转矩而产生升力 ：

图27 升降受力分析图
满足顺利升起倾斜工作平面重量，需有 :
得 ：
参数：
——电机转速
——电机功率
——减速箱传动效率
——蜗杆蜗轮传动效率
——齿轮传动效率
——螺杆半径
——螺旋升角
——当量摩擦角
3.2 动力分析
本作品关键采取蜗杆蜗轮机构、螺旋传动机构、气压传动机构、齿轮齿条机构、链传动机构、摇杆滑块机构等多个机构，组成含有多种功效模块。作品动力供给关键采取蓄电池或220V交流电源。
自动洗鞋机在工作过程中由电动机提供动力，关键由9伏电动机经过过齿轮减速箱将动力提供给各运动机构，以实现各个机构动作。
气动动力装置由电机提供动力，经过皮带轮带动曲柄使气缸活塞作往复运动，实现吸气、压气，达成提升气体压力目标。压缩气体首先送入储气罐中，储气罐作用是储存一定压力空气，确保气动回路压力稳定，电磁阀控制气体流动方向，从而驱动各个机构完成动作。

图28 气动动力装置示意图
4 工作原理及关键功效指标
4.1工作原理
1）刷洗原理：经过横向刷洗机构，竖向刷洗机构，鞋底刷洗机构和鞋内刷洗机构，分别对鞋子各个表面进行全方位刷洗。刷洗原理示意图图所表示：

图29 刷洗原理示意图
2）空水原理：由特殊结构蜗杆齿轮组成和悬挂架组成，蜗杆齿轮中间平面和水平面成角度，悬挂架和水平面平行。蜗杆带动齿轮旋转，鞋子翻转180度，使鞋子和水平面成角度，鞋内积水空出。由几何关系可知。

图30 空水原理示意图
3）挤水原理：凸轮推进夹板，使夹板压向鞋帮，对鞋帮施加压力F1，同时撑鞋机构撑杆对鞋帮施加力F2，F1和F2同时作用，将鞋内水分挤出。

图31 挤水原理示意图
4.2 关键功效指标

刷洗力
刷洗速度
刷洗时间
20～30N
40mm/min
15～25min
5 控制设计
洗鞋机控制系统由一个主控接口板和三个扩展板组成，及若干个限位开关，经过程序控制各个机构运动。其运动步骤图图所表示：

将鞋放入洗鞋机内支架
按动开关开启工作
开始刷洗
鞋面鞋跟鞋内刷洗完成
各刷洗机构开始工作
升降机构开始工作
刷洗机构复位
空水机构开始工作
空水
挤水机构工作
刷洗、空水机构定位
撑鞋机构展开
洗刷完成，各机构复位

图32 工作步骤图

控制程序以下：

刷洗阶段子程序

空水挤水阶段子程序

初始化子程序

6 创新点
1）小型化，家庭化。使得大众家庭足不出户就能享受到洗鞋服务；
2）经过横向刷洗机构、竖向刷洗机构、鞋底刷洗机构、鞋内刷洗机构等机构组成清洗部分，对鞋子进行全方位刷洗，使刷洗愈加到位，快捷；
3）鞋底刷洗机构，采取传送带式刷子，对鞋底进行大面积清洗，确保鞋底刷洗洁净；鞋底泥污从洗鞋机底部流出，使得污水不会对鞋子造成二次污染；
4）加入内部刷洗机构，对鞋内进行刷洗，处理鞋内不便刷洗问题；
5）加入挤水机构，使得平时不好挤出鞋帮中水得以挤出，反复漂洗加挤水，使得鞋中无残留；
6）刷子加入简单气动构件，使得刷子在旋转刷洗同时能够做往复摆动刷洗，使得清洗愈加洁净。
7 应用前景
7.1 模型成本
自动洗鞋机模型所用材料关键为多种慧鱼创意组合模型相关构件，和制作作品展示台和其它相关辅助材料。
自动洗鞋机模型累计成本：5000元左右
7.2 实际成本估算
本模型转化为实际产品需要关键部件有：数个电机、控制电路板、定位传感器、钢架结构用来固定各部分组件、金属或熟料外壳和其它相关材料。
依据市场上现有产品和相关设备及材料价格作为参考，和我们产品设计指标性能需求进行综合分析，家用自动洗鞋机整套设备单件造价约为元左右，实际大批量生产制造成本约为500-600元左右。
7.3 应用前景
全国学生大约有3.6亿，还有广大运动爱好者，和长久在路途奔波人群，这些人群脚部出汗多，轻易滋生细菌，威胁脚部健康，鞋子清洗就显得尤为关键。本家用自动洗鞋机清洗快捷，全过程无需人为操作，省时省力。该产品小型化、家庭化，可放于家庭内、学校宿舍内，足不出户即可享受到专业洗鞋服务，市场前景十分宽广。

参考文件
[1] 濮良贵 纪明刚编，机械设计，北京：高等教育出版社，
[2] 申永胜编，机械原理教程，北京：清华大学出版社，1999
[3] 孟宪源 姜琪编，机构构型和应用，北京：机械工业出版社，
[4] 邹慧君编，机械运动方案设计手册，上海：上海交通大学出版社，1994
[5] Neil Sclater,Nicholas P.Chironis编,邹平译，机械设计实用机构和装置图册，北京：机械工业出版社，
[6]胡仁喜编，Pro/ENGINEER Wildfire 4.0汉字版从入门到精通，北京：机械工业出版社，
[7]博创设计坊编，PRO/ENGINEER Wildfire4.0装配和产品设计，北京：清华大学出版社，
[8]二代龙震工作室，PRO/ENGINEER Wildfire5.0工程图设计，北京：清华大学出版社，

附录一：作品实物照片

气动动力装置
竖向刷洗机构
横向刷洗机构
控制接口板

挤水机构
空水及鞋内刷洗机构
鞋底刷洗机构
升降机构

图10 家用自动洗鞋机整机示意图

图11 挤水机构示意图

图12 空水及鞋内刷洗机构

图13 升降机构