一種動態儲物柜的設計

鐘宏宇

（武漢國華學校，武漢430081）

一種動態儲物柜的設計

鐘宏宇

（武漢國華學校，武漢430081）

動態儲物柜打破了傳統儲物柜、書架、展示柜的靜止狀態，在其內部有一套由電機驅動的鏈輪傳動系統。通過控制電機的運轉使得目標儲物盒位于適合的高度，以便放置和取用物品，解決了在儲物架上放置或取用物品不方便的問題。動態儲物柜更符合人的實際需要，使用便捷、人性化，其科技感十足。

動態儲物柜；靜止狀態；電機驅動；高度適合

1 緒論

場景一：在一次在圖書館的公益活動中，為了將書籍擺到較高處的書架上，我借助一個梯子爬上去，結果差點摔下來……

場景二：在超市中買東西，有些高處物品，我都要仰頭看，久了會脖子酸痛；對于低處的貨物，我也要彎腰或下蹲查找，一會兒就會腰膝酸痛……

場景三：一次看到媽媽搬來一個梯子拿壁柜高層的東西，感覺到很不方便……

面對圖書館、超市或是家里的高大的儲物柜，仰頭駐足尋看或是拿凳子和梯子取放高處的物品，會使得脖子酸痛，同時也存在一定的危險性；取放較低處的物品時，如若長時間彎腰下蹲會導致腰膝酸痛。針對以上的種種問題，有必要設計一種能方便的調節儲物盒的高度的柜子，即能自動地將較高和較低處儲物盒調節到適合人們取放物品的位置。由于受到高度的限制，目前市面上的柜子高度通常不會太高，浪費了較多的空間，而動態儲物柜可以大幅度的提高柜子的高度，增加空間利用率。

2 動態儲物柜的設計方案

2.1 設計思想

圖1 動態儲物柜的設計方案

如圖1所示，在柜子左右兩邊各布置一對鏈輪及鏈條，每間隔一定數目的鏈節安裝一個加長銷軸，兩條鏈對應位置的加長銷軸用軸連接起來，用以懸掛儲物架。用減速電動機直接驅動其中一對鏈輪轉動，并通過四個齒輪，將動力傳遞到另一對鏈輪。如圖1（c）所示，齒輪1和齒輪4分別于對應的鏈輪同軸緊固，齒輪1放置在電機軸上，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。這樣可以確保當電機轉動時，兩條鏈同步運動時，即可保證儲物盒在運轉過程中不發生傾斜。通過對電動機加以控制，可使得儲物盒停在合適的高度。

按上述設計思想的可以用于制作新型的圖書館的書架、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明動態儲物柜的設計方案。

2.2 外形尺寸設計

考慮到普通住宅房間內的空間及動態儲物柜的家用要求，本文介紹的動態儲物柜外形設計保留了傳統的樣式，整體長160cm寬80cm高275cm，其內部儲物盒的寬度為100cm。在動態儲物柜的左邊預留15cm的空間用于安裝鏈輪和鏈條，動態儲物柜的右邊，除了預留15cm的空間用于安裝鏈輪和鏈條外，還需預留30cm的空間用于安裝電動機和操作面板，具體可參考圖2。

圖2 動態儲物柜的外形尺寸

2.3 內部傳動系統設計

動態儲物柜的內部傳動系統如圖3所示，動力由電動機11通過聯軸器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轉；2為滾動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轉動順暢；1為支架，主要是為了整體支撐，其通過螺栓連接固定在外箱架10上，13為隔板，用以避免儲物架在運動過程中相互干涉。

圖3 內部傳動裝置示意圖

2.4 儲物盒的設計

依據動態儲物柜的外形尺寸，可基本確定儲物盒的大小。其結構如圖4所示，儲物盒的外觀效果如圖5所示，儲物盒長90 cm、寬30cm、高40cm，儲物盒的軸長100cm。本設計中儲物盒的尺寸可基本滿足日常家庭中小件物品的存放要求，若對整個設計過程進行優化處理，還可進一步提高動態儲物柜的存儲空間的利用率。

圖4 儲物盒結構圖

圖5 儲物盒的外觀效果圖

2.5 鏈的選擇

鏈傳動是應用較廣的一種機械傳動，與帶傳動相比，鏈傳動能保持準確的平均傳動比，傳動效率高，徑向壓軸力小，能在高溫及低速情況下工作，與齒輪傳動相比，鏈傳動安裝精度要求較低，成本廉價，動態儲物柜對傳動的精度要求不是很高，更重要的一點是鏈條的長度和松緊可以根據要求不斷地調整，使儲物柜的效果調整到最佳，故本設計選擇鏈傳動。

鏈傳動又分為滾子鏈、齒形鏈等類型。其中滾子鏈常用于傳動系統的低速級，一般傳遞的功率在100KW一下，鏈速不超過15m/s，滿足設計要求。因此，可為本動態儲物柜選擇如圖6所示的滾子鏈。

圖6 鏈節結構

經查相關資料確定滾子鏈的型號為：16A-1-180GB/T 1243-2006，具體參數如下：

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

其中：

l—節距多邊形；p—弦節距，等于鏈條節距；

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；

圖7 A系列鏈條配Y型加長銷軸

表1 滾子鏈具體參數（單位：mm、N）

df—齒根圓直徑；α—齒溝角。

ha—節距多邊形以上的齒高；

2.6 鏈輪設計

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是節距、滾子外徑、和內連接內寬。鏈輪與滾子鏈的嚙合屬于非共軛嚙合，因此鏈輪的齒形設計比較靈活。

鏈輪設計主要是確定其結構和尺寸，選擇材料和熱處理方法。鏈輪的基本參數是配套鏈條的節距、套筒的最大外徑、排距和齒數。圖8為滾子鏈鏈輪的齒槽形狀和基本參數。

圖8 滾子鏈鏈輪的齒槽形狀和基本參數

2.6.1 分度圓直徑

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

可求得：z=49.44mm取整z=49，通過式（1）求出實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對于最小齒槽形狀和最大齒槽形狀均可應用，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re、ri、α確定。用切齒或等效加工方法得到的實際齒槽形狀應位于最大和最小齒槽圓弧半徑之間，并在對應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：

我們選取的參數為：re=200mm、ri=8.1mm、α=130°

2.6.5 鏈輪其他尺寸及結構

鏈輪其他尺寸示意圖如圖9所示。

圖9 鏈輪其他尺寸

圖10 鏈輪的結構（孔板式）

齒寬bf1=0.95b1=14.9625mm

齒側倒角ba=0.13p=3.302mm

齒側半徑rx=p=25.4mm

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

常見的鏈輪有三種結構，分度圓直徑尺寸較小時，鏈輪采用整體式；分度圓直徑尺寸為中等時，鏈輪采用孔板式；分度圓直徑尺寸較大時，可將鏈輪圈用螺栓連接或焊接在輪轂上。考慮到實際使用的鏈輪分度圓直徑為405.3195mm，可選擇孔板式結構，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動的作用，滾動軸承摩擦系數小，啟動阻力小，功率消耗小，且已經標準化、成本低。選用、潤滑、維護都很方便。軸承主要承受徑向載荷，能夠滿足設計需要；并且大量生產價格較低，可以節約。考慮到鏈輪軸、齒輪軸和儲物架軸的直徑分別為40mm、40mm和20mm，本設計方案中選用了兩種不同規格的深溝球軸承：6204GB/T 276-1994和6208GB/T276-1994。

2.8 聯軸器的設計

聯軸器是機械傳動中常用的部件，主要用于軸與軸的連接，傳遞運動和轉矩。在本方案中電動機軸與鏈輪軸、儲物架軸與鏈條加長銷軸兩處需要使用聯軸器。查閱相關資料選擇凸緣式聯軸器和套筒式聯軸器來分別連接這兩處，其結構如圖11（a）和（b）所示。

圖11 聯軸器的結構圖

圖12 套筒聯軸器的使用

圖13 支架結構圖

2.9 支架的設計

支架的結構如圖13所示，上端兩個軸孔是固定的，用于支撐上部的齒輪軸和鏈輪軸。下端的軸孔可以通過螺栓來調節位置，用于改變兩鏈輪的中心距，以便調節鏈條的松緊，防止鏈條跳齒。整個支架通過螺栓連接固定在外箱體的板上，從而實現整體的支撐固定。

2.10 動態儲物柜的設計效果

按上述尺寸確定的動態儲物柜，總體效果見圖14。

圖14 動態儲物柜效果圖

2.11 電機的選擇

每個儲物架設計載重60kg，九個儲物架總共540kg。16-A鏈條每米2.61kg，總長約9.2米，鏈條總重25kg。為了保證物品不劇烈晃動，儲物架運行速度不能太快約0.1m/s。

整個裝置在理想狀態下運行其功率為P1：

由于實際中不可能是理想狀態，總會存在損失，因此選擇電機額定功率為750W。

2.12 控制電路的設計

電路采用家庭用220V交流電，由起停開關控制，簡單易操作，用戶只需對柜子面板上的起停開關按鈕的簡單操作即可實現儲物盒的高度調節。控制電路見圖15。

圖15 電機控制電路

3 動態儲物柜的主要優點

3.1 動態儲物柜的創意新穎，彌補了傳統儲物柜功能上的不足和弊端。

3.2 動態儲物柜多采用標準化器件，適合批量生產

3.3 動態儲物柜的安裝和拆卸方便。

3.4 動態儲物柜的可廣泛用于家用大衣柜，圖書館書架、超市和倉庫的貨架。

4 結論

目前市面上所銷售的絕大多數是傳統的那種靜止的、不能活動的儲物柜，而本文介紹的動態儲物柜不僅彌補傳統的功能上的不足，更是帶來嶄新的理念，是追求美好家具和幸福生活的選擇，因而具有很好的市場價值。本文介紹的方法設計的儲物柜，可應用于圖書館、超市、倉庫、和商場的地方，擁有很好的市場應用前景。

[1]中華人民共和國國家標準《傳動用短節距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》[S].中國標準出版社.

[2]濮良貴，紀名剛.機械設計第八版[M].高等教育出版社.

[3]唐增寶，常建娥.機械設計課程設計第三版[M].華中科技大學出版社.

[4]四平市吉隆鏈條鏈輪有限公司.短節距精密滾子鏈產品參數列表[R].

TP368.2

A

1671-0037（2014）01-73-3.5

2013年11月26日。