鐘宏宇

（武漢國(guó)華學(xué)校，武漢430081）

一種動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)

鐘宏宇

（武漢國(guó)華學(xué)校，武漢430081）

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜打破了傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜、書(shū)架、展示柜的靜止?fàn)顟B(tài)，在其內(nèi)部有一套由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使得目標(biāo)儲(chǔ)物盒位于適合的高度，以便放置和取用物品，解決了在儲(chǔ)物架上放置或取用物品不方便的問(wèn)題。動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜更符合人的實(shí)際需要，使用便捷、人性化，其科技感十足。

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜；靜止?fàn)顟B(tài)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；高度適合

1 緒論

場(chǎng)景一：在一次在圖書(shū)館的公益活動(dòng)中，為了將書(shū)籍?dāng)[到較高處的書(shū)架上，我借助一個(gè)梯子爬上去，結(jié)果差點(diǎn)摔下來(lái)……

場(chǎng)景二：在超市中買(mǎi)東西，有些高處物品，我都要仰頭看，久了會(huì)脖子酸痛；對(duì)于低處的貨物，我也要彎腰或下蹲查找，一會(huì)兒就會(huì)腰膝酸痛……

場(chǎng)景三：一次看到媽媽搬來(lái)一個(gè)梯子拿壁柜高層的東西，感覺(jué)到很不方便……

面對(duì)圖書(shū)館、超市或是家里的高大的儲(chǔ)物柜，仰頭駐足尋看或是拿凳子和梯子取放高處的物品，會(huì)使得脖子酸痛，同時(shí)也存在一定的危險(xiǎn)性；取放較低處的物品時(shí)，如若長(zhǎng)時(shí)間彎腰下蹲會(huì)導(dǎo)致腰膝酸痛。針對(duì)以上的種種問(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)一種能方便的調(diào)節(jié)儲(chǔ)物盒的高度的柜子，即能自動(dòng)地將較高和較低處儲(chǔ)物盒調(diào)節(jié)到適合人們?nèi)》盼锲返奈恢谩Ｓ捎谑艿礁叨鹊南拗?，目前市面上的柜子高度通常不?huì)太高，浪費(fèi)了較多的空間，而動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜可以大幅度的提高柜子的高度，增加空間利用率。

2 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)思想

圖1 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，在柜子左右兩邊各布置一對(duì)鏈輪及鏈條，每間隔一定數(shù)目的鏈節(jié)安裝一個(gè)加長(zhǎng)銷(xiāo)軸，兩條鏈對(duì)應(yīng)位置的加長(zhǎng)銷(xiāo)軸用軸連接起來(lái)，用以懸掛儲(chǔ)物架。用減速電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)其中一對(duì)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)四個(gè)齒輪，將動(dòng)力傳遞到另一對(duì)鏈輪。如圖1（c）所示，齒輪1和齒輪4分別于對(duì)應(yīng)的鏈輪同軸緊固，齒輪1放置在電機(jī)軸上，齒輪1與齒輪2嚙合，齒輪3與齒輪4嚙合，齒輪1和齒輪4同軸緊固。這樣可以確保當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩條鏈同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，即可保證儲(chǔ)物盒在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不發(fā)生傾斜。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)加以控制，可使得儲(chǔ)物盒停在合適的高度。

按上述設(shè)計(jì)思想的可以用于制作新型的圖書(shū)館的書(shū)架、超市中的貨架、或是家用的大衣柜。下面以家用的大衣柜為例具體說(shuō)明動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)方案。

2.2 外形尺寸設(shè)計(jì)

考慮到普通住宅房間內(nèi)的空間及動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的家用要求，本文介紹的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜外形設(shè)計(jì)保留了傳統(tǒng)的樣式，整體長(zhǎng)160cm寬80cm高275cm，其內(nèi)部?jī)?chǔ)物盒的寬度為100cm。在動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的左邊預(yù)留15cm的空間用于安裝鏈輪和鏈條，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的右邊，除了預(yù)留15cm的空間用于安裝鏈輪和鏈條外，還需預(yù)留30cm的空間用于安裝電動(dòng)機(jī)和操作面板，具體可參考圖2。

圖2 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的外形尺寸

2.3 內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)11通過(guò)聯(lián)軸器12傳到鏈輪4，齒輪軸9和齒輪6、8能夠保證左右兩邊鏈輪能夠同步運(yùn)轉(zhuǎn)；2為滾動(dòng)軸承主要是支撐鏈輪軸3、7和齒輪軸9，并且保證齒輪軸9轉(zhuǎn)動(dòng)順暢；1為支架，主要是為了整體支撐，其通過(guò)螺栓連接固定在外箱架10上，13為隔板，用以避免儲(chǔ)物架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互干涉。

圖3 內(nèi)部傳動(dòng)裝置示意圖

2.4 儲(chǔ)物盒的設(shè)計(jì)

依據(jù)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的外形尺寸，可基本確定儲(chǔ)物盒的大小。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，儲(chǔ)物盒的外觀效果如圖5所示，儲(chǔ)物盒長(zhǎng)90 cm、寬30cm、高40cm，儲(chǔ)物盒的軸長(zhǎng)100cm。本設(shè)計(jì)中儲(chǔ)物盒的尺寸可基本滿(mǎn)足日常家庭中小件物品的存放要求，若對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化處理，還可進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的存儲(chǔ)空間的利用率。

圖4 儲(chǔ)物盒結(jié)構(gòu)圖

圖5 儲(chǔ)物盒的外觀效果圖

2.5 鏈的選擇

鏈傳動(dòng)是應(yīng)用較廣的一種機(jī)械傳動(dòng)，與帶傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，徑向壓軸力小，能在高溫及低速情況下工作，與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)安裝精度要求較低，成本廉價(jià)，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜對(duì)傳動(dòng)的精度要求不是很高，更重要的一點(diǎn)是鏈條的長(zhǎng)度和松緊可以根據(jù)要求不斷地調(diào)整，使儲(chǔ)物柜的效果調(diào)整到最佳，故本設(shè)計(jì)選擇鏈傳動(dòng)。

鏈傳動(dòng)又分為滾子鏈、齒形鏈等類(lèi)型。其中滾子鏈常用于傳動(dòng)系統(tǒng)的低速級(jí)，一般傳遞的功率在100KW一下，鏈速不超過(guò)15m/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此，可為本動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜選擇如圖6所示的滾子鏈。

圖6 鏈節(jié)結(jié)構(gòu)

經(jīng)查相關(guān)資料確定滾子鏈的型號(hào)為：16A-1-180GB/T 1243-2006，具體參數(shù)如下：

為了便于懸掛儲(chǔ)物盒，在鏈條上需要使用加長(zhǎng)銷(xiāo)軸。經(jīng)查相關(guān)資料可知：與A系列鏈條配套，需使用Y型加長(zhǎng)銷(xiāo)軸，如圖7所示，圖中b5=20.3mm，b8=51.7mm。儲(chǔ)物盒的高為40cm，保證相鄰兩儲(chǔ)物架不相互干涉，所以確定每隔20個(gè)鏈接（即508mm），使用一個(gè)加長(zhǎng)銷(xiāo)軸。

其中：

l—節(jié)距多邊形；p—弦節(jié)距，等于鏈條節(jié)距；

d—分度圓直徑；re—齒槽圓弧半徑；

d1—最大滾子直徑；ri—齒溝圓弧半徑；

da—齒頂圓直徑；z—齒數(shù)；

圖7 A系列鏈條配Y型加長(zhǎng)銷(xiāo)軸

表1 滾子鏈具體參數(shù)（單位：mm、N）

df—齒根圓直徑；α—齒溝角。

ha—節(jié)距多邊形以上的齒高；

2.6 鏈輪設(shè)計(jì)

與鏈條配套使用的是鏈輪，鏈輪由輪齒、輪緣、輪輻和輪轂組成。滾子鏈和鏈輪嚙合的基本參數(shù)是節(jié)距、滾子外徑、和內(nèi)連接內(nèi)寬。鏈輪與滾子鏈的嚙合屬于非共軛嚙合，因此鏈輪的齒形設(shè)計(jì)比較靈活。

鏈輪設(shè)計(jì)主要是確定其結(jié)構(gòu)和尺寸，選擇材料和熱處理方法。鏈輪的基本參數(shù)是配套鏈條的節(jié)距、套筒的最大外徑、排距和齒數(shù)。圖8為滾子鏈鏈輪的齒槽形狀和基本參數(shù)。

圖8 滾子鏈鏈輪的齒槽形狀和基本參數(shù)

2.6.1 分度圓直徑

鏈輪的大小受儲(chǔ)物架的限制（為了避免儲(chǔ)物架與鏈輪軸的干擾，鏈輪的半徑需要大于儲(chǔ)物架的寬度的二分之一）。由于儲(chǔ)物架的寬度約為30cm，同時(shí)為了避免儲(chǔ)物架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互干擾，因此鏈輪的分度圓直徑大致取為40cm。由鏈輪分度圓直徑計(jì)算公式：

可求得：z=49.44mm取整z=49，通過(guò)式（1）求出實(shí)際的鏈輪分度圓直徑為：d=396.44mm。

2.6.2 齒頂圓直徑

齒頂圓直徑的最大和最小值由下式確定：

damin和damax對(duì)于最小齒槽形狀和最大齒槽形狀均可應(yīng)用，取齒頂圓直徑da=410mm。

2.6.3 齒根圓直徑

齒根圓直徑由下式確定：

2.6.4 最大和最小齒槽形狀其他尺寸

最大和最小齒槽形狀決定了齒槽形狀的極限，由參數(shù)re、ri、α確定。用切齒或等效加工方法得到的實(shí)際齒槽形狀應(yīng)位于最大和最小齒槽圓弧半徑之間，并在對(duì)應(yīng)的定位圓弧角處與滾子定位圓弧平滑連接。

最小齒槽形狀參數(shù)：

我們選取的參數(shù)為：re=200mm、ri=8.1mm、α=130°

2.6.5 鏈輪其他尺寸及結(jié)構(gòu)

鏈輪其他尺寸示意圖如圖9所示。

圖9 鏈輪其他尺寸

圖10 鏈輪的結(jié)構(gòu)（孔板式）

齒寬bf1=0.95b1=14.9625mm

齒側(cè)倒角ba=0.13p=3.302mm

齒側(cè)半徑rx=p=25.4mm

最大凸緣直徑d8=pcot（180°/z）-1.04h2-0.76=373.2mm

常見(jiàn)的鏈輪有三種結(jié)構(gòu)，分度圓直徑尺寸較小時(shí)，鏈輪采用整體式；分度圓直徑尺寸為中等時(shí)，鏈輪采用孔板式；分度圓直徑尺寸較大時(shí)，可將鏈輪圈用螺栓連接或焊接在輪轂上。考慮到實(shí)際使用的鏈輪分度圓直徑為405.3195mm，可選擇孔板式結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

2.7 軸承的選擇

軸承主要起支撐和減少摩擦讓軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)小，啟動(dòng)阻力小，功率消耗小，且已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、成本低。選用、潤(rùn)滑、維護(hù)都很方便。軸承主要承受徑向載荷，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要；并且大量生產(chǎn)價(jià)格較低，可以節(jié)約。考慮到鏈輪軸、齒輪軸和儲(chǔ)物架軸的直徑分別為40mm、40mm和20mm，本設(shè)計(jì)方案中選用了兩種不同規(guī)格的深溝球軸承：6204GB/T 276-1994和6208GB/T276-1994。

2.8 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件，主要用于軸與軸的連接，傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。在本方案中電動(dòng)機(jī)軸與鏈輪軸、儲(chǔ)物架軸與鏈條加長(zhǎng)銷(xiāo)軸兩處需要使用聯(lián)軸器。查閱相關(guān)資料選擇凸緣式聯(lián)軸器和套筒式聯(lián)軸器來(lái)分別連接這兩處，其結(jié)構(gòu)如圖11（a）和（b）所示。

圖11 聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)圖

圖12 套筒聯(lián)軸器的使用

圖13 支架結(jié)構(gòu)圖

2.9 支架的設(shè)計(jì)

支架的結(jié)構(gòu)如圖13所示，上端兩個(gè)軸孔是固定的，用于支撐上部的齒輪軸和鏈輪軸。下端的軸孔可以通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)位置，用于改變兩鏈輪的中心距，以便調(diào)節(jié)鏈條的松緊，防止鏈條跳齒。整個(gè)支架通過(guò)螺栓連接固定在外箱體的板上，從而實(shí)現(xiàn)整體的支撐固定。

2.10 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)效果

按上述尺寸確定的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜，總體效果見(jiàn)圖14。

圖14 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜效果圖

2.11 電機(jī)的選擇

每個(gè)儲(chǔ)物架設(shè)計(jì)載重60kg，九個(gè)儲(chǔ)物架總共540kg。16-A鏈條每米2.61kg，總長(zhǎng)約9.2米，鏈條總重25kg。為了保證物品不劇烈晃動(dòng)，儲(chǔ)物架運(yùn)行速度不能太快約0.1m/s。

整個(gè)裝置在理想狀態(tài)下運(yùn)行其功率為P1：

由于實(shí)際中不可能是理想狀態(tài)，總會(huì)存在損失，因此選擇電機(jī)額定功率為750W。

2.12 控制電路的設(shè)計(jì)

電路采用家庭用220V交流電，由起停開(kāi)關(guān)控制，簡(jiǎn)單易操作，用戶(hù)只需對(duì)柜子面板上的起停開(kāi)關(guān)按鈕的簡(jiǎn)單操作即可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物盒的高度調(diào)節(jié)。控制電路見(jiàn)圖15。

圖15 電機(jī)控制電路

3 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的主要優(yōu)點(diǎn)

3.1 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的創(chuàng)意新穎，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜功能上的不足和弊端。

3.2 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜多采用標(biāo)準(zhǔn)化器件，適合批量生產(chǎn)

3.3 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的安裝和拆卸方便。

3.4 動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜的可廣泛用于家用大衣柜，圖書(shū)館書(shū)架、超市和倉(cāng)庫(kù)的貨架。

4 結(jié)論

目前市面上所銷(xiāo)售的絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的那種靜止的、不能活動(dòng)的儲(chǔ)物柜，而本文介紹的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)物柜不僅彌補(bǔ)傳統(tǒng)的功能上的不足，更是帶來(lái)嶄新的理念，是追求美好家具和幸福生活的選擇，因而具有很好的市場(chǎng)價(jià)值。本文介紹的方法設(shè)計(jì)的儲(chǔ)物柜，可應(yīng)用于圖書(shū)館、超市、倉(cāng)庫(kù)、和商場(chǎng)的地方，擁有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《傳動(dòng)用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[M].高等教育出版社.

[3]唐增寶，常建娥.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)第三版[M].華中科技大學(xué)出版社.

[4]四平市吉隆鏈條鏈輪有限公司.短節(jié)距精密滾子鏈產(chǎn)品參數(shù)列表[R].

TP368.2

A

1671-0037（2014）01-73-3.5

2013年11月26日。