“高效能洗鞋刷”創新設計

陳占營單柏霖蔣立輝喬禹楊爽江穎穎

1.中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 100083; 2.華中科技大學同濟醫學院 430030

“高效能洗鞋刷”創新設計

陳占營1單柏霖1蔣立輝1喬禹1楊爽1江穎穎2

1.中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 100083; 2.華中科技大學同濟醫學院 430030

洗鞋刷是日常生活中的常用清潔用具，目前最常見的刷鞋方式只是用手按住鞋刷用力在鞋內往復運動，這不僅會讓我們的手很不舒服，而且刷不干凈，只能刷到鞋底鞋幫，同時對鞋內部損害大，時間久了容易使鞋的內部磨損嚴重，也會使鞋變形很嚴重，影響了鞋的舒適性與耐穿性。同時，用傳統的洗鞋刷刷鞋時，我們只是把洗衣粉或洗衣液簡單的倒在鞋刷上或需要洗刷的部位，當浸入水中時，洗衣粉或洗衣液會溶解到整個水盆中，既浪費了洗衣粉或洗衣液，又不能使洗衣粉或洗衣液充分作用在要洗涮的部位，因此很難真正把鞋洗刷干凈。

高效；手動；轉動；滾刷

1 主要創新點

本設計的理念是高效，省力，節約，具有如下創新點：

1)市場上從未出現此種洗鞋刷。

2)完全手動,不需電源,使用方便。

3)轉動滾刷洗鞋,獨特的轉動式滾刷,改變了傳統的刷鞋方式,效果好而且保護了鞋的內部。

4)滾刷的外形輪廓依照鞋和鞋楦的多種參數設計,能使滾刷更好的與鞋表面接觸,刷到鞋內部的各個部分,改變了傳統鞋刷刷鞋時只能刷到鞋底和鞋幫的狀況。

5)空腔滾刷,可把洗衣粉倒入,洗衣粉被溶解后逐漸從滾刷上的小孔滲出,充分作用于鞋的表面,既節約了洗衣粉又能更好的刷鞋。

手每拉動手柄一次,滾刷能轉動2.5轉,大大提高了刷鞋效率。

2 產品結構

總體結構示意圖

第一代試驗模型

第二代實物樣機照片

3 工作原理

本設計的工作過程完全手動，使用時用手握住握把,把整個鞋刷適當的放入鞋內，通過手的作用，拉動手柄運動，從而使齒條帶動齒輪轉動，再經過多級齒輪增速，使滾刷的運轉速度為每行程2.5轉，而達到刷鞋的目的。經過多次試驗分析,計算出滾刷受到的阻力比較大，連桿在回復時就需要強度更高的彈簧，因此在轉軸與齒輪Z1之間選用單向軸承，故滾刷只能單向轉動。同時，由于滾刷內部的空心結構,刷鞋前可以把洗衣粉或洗衣液倒入滾刷的空腔中。空腔中的洗衣粉會慢慢被溶解，滾刷轉動時,洗衣液可以通過滾刷上的小孔滲出，充分作用于鞋的表面，這種刷鞋方式比普通洗鞋刷刷的更干凈。整個鞋刷可以在鞋內靈活移動和移出，可以刷到鞋的各個部位。

4 設計計算

4.1 滾刷的設計

設計說明：滾刷的外部形狀設計取決于鞋的內部空間，我們設計的滾刷形狀是根據實際測得的鞋的內部空間設計的。由于各種鞋的大小不一，我們選用了一種比較科學的方法，取男鞋的中號進行測量，又由于同一號的鞋又分很多種，因此我們選擇了運動鞋和休閑鞋。女鞋用的滾刷在此不進行設計。

測量方法:用橡皮泥把鞋頭的內部填滿，做出內部模型，用毫米尺進行測量。運動鞋與休閑鞋各測一次，經圖像處理，得到兩類鞋鞋頭內部同一橡皮泥模型截面的外形輪廓如下：

R1=22mm,R2=18mm

為了能使滾刷與鞋的內部緊密接觸，同時滾刷的毛可以有很大程度的彎曲，因此取滾刷的半徑為22mm,滾刷的外形輪廓依照休閑鞋內部的橡皮泥模型設計。為了保護鞋的內部，滾刷的刷毛不應太硬，而且要長些。

滾刷壁鉆有小孔，保證在滾刷轉動時洗衣液可以滲出，經過樣機試驗，小孔直徑為2mm時滿足設計要求。

以G2京滬高速公路在鎮江市某互通立交為實例工程。首先對實例工程的新建匝道需求進行計算分析。根據本文式（1）可知，實例工程應設置4×3=12條匝道。根據現狀統計（圖5），實例工程已建有11根轉向匝道，因此需要再新建一根匝道，根據現狀分析，k=4，n0=11，i=1，j=4，同時對可行方案數進行計算，可知可行方案為：

4.2 整體框架設計

手握把長度b的設計依照人手的寬度設計，長度為80mm,既b=80mm。

高度h是通過查閱相關資料[1]，選用中幫鞋的高度，結合相關尺寸，得出h=160mm。

長度l的設計是通過查閱相關資料[2]，選用男鞋中號即41號，長度為255mm，綜合其他尺寸，得出l=190mm。

4.3 內部傳動裝置設計

由于裝置的動力是由手的握力提供的，因此屬于手操縱力，設計時參照人機工程學標準[3]，手操縱力建議不大于150N。

測量普通鞋刷刷鞋時單位面積刷毛受到的阻力：測量刷籃球鞋和休閑鞋時所用的拉力如下表：

取平均值，求得F=1.45Kg=14.5N。

普通鞋刷的面積為S=75×30 mm2=2250 mm2

普通鞋刷單位面積刷毛受到的阻力：f=14.5÷2250=0.0064N／mm2

滾刷單位面積刷毛受到的阻力：滾刷的刷毛比普通的稀疏，因此滾刷單位面積刷毛受到的阻力f′=0.5×f=0.5×0.0064=0.0032 N／mm2

計算滾刷的阻力矩：為了便于計算，把滾刷簡化為圓柱形，半徑R=22mm,長為56mm。

側面阻力矩：

由于刷側面時只有半圓柱面接觸鞋的內表面：因此側面積

S側=2×3.14×56×0.5=3868.48 mm2

側面阻力矩T側= f′×S側×R=0.0032×3868.48×22=272.34N!mm

頂端阻力矩：

T頂端=∫0223.14×r×0.0032×r×d r=0.0032×1/3×3.14×r3!022=35.664 N!mm

因此阻力矩T=T側+T頂端=272.34+35.664=308.004 N!mm

內部齒輪傳動簡圖如下圖：

選取Z1=20，Z2=32，Z3=14，模數m=0.5

d1=10mm,d2=16mm,d3=7mm

拉力F=T×Z2/ Z1×2/ d3=308.004×1.6×0.29=142.90 N=14.58 Kg

F=14.58 Kg<15 Kg，因此滿足人機工程學標準。

選取齒條長度為34mm,即可求得齒條往復運動一次滾刷的轉數t

t=34/(3.14×7) ×Z2/Z1=2.5轉

[1]溫州鹿藝鞋材有限公司，溫州鹿藝鞋楦研究中心編著. 中國標準鞋楦設計手冊.北京：中國紡織出版社 ,2008年.

[2]高世剛.運動鞋結構設計.北京：中國紡織出版社,2011年.

[3]朱龍根主編.機械系統設計. 北京：機械工業出版社, 2011年.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.051