一种动态储物柜的设计

钟宏宇

（武汉国华学校，武汉430081）

一种动态储物柜的设计

钟宏宇

（武汉国华学校，武汉430081）

动态储物柜打破了传统储物柜、书架、展示柜的静止状态，在其内部有一套由电机驱动的链轮传动系统。通过控制电机的运转使得目标储物盒位于适合的高度，以便放置和取用物品，解决了在储物架上放置或取用物品不方便的问题。动态储物柜更符合人的实际需要，使用便捷、人性化，其科技感十足。

动态储物柜；静止状态；电机驱动；高度适合

1 绪论

场景一：在一次在图书馆的公益活动中，为了将书籍摆到较高处的书架上，我借助一个梯子爬上去，结果差点摔下来……

场景二：在超市中买东西，有些高处物品，我都要仰头看，久了会脖子酸痛；对于低处的货物，我也要弯腰或下蹲查找，一会儿就会腰膝酸痛……

场景三：一次看到妈妈搬来一个梯子拿壁柜高层的东西，感觉到很不方便……

面对图书馆、超市或是家里的高大的储物柜，仰头驻足寻看或是拿凳子和梯子取放高处的物品，会使得脖子酸痛，同时也存在一定的危险性；取放较低处的物品时，如若长时间弯腰下蹲会导致腰膝酸痛。针对以上的种种问题，有必要设计一种能方便的调节储物盒的高度的柜子，即能自动地将较高和较低处储物盒调节到适合人们取放物品的位置。由于受到高度的限制，目前市面上的柜子高度通常不会太高，浪费了较多的空间，而动态储物柜可以大幅度的提高柜子的高度，增加空间利用率。

2 动态储物柜的设计方案

2.1 设计思想

图1 动态储物柜的设计方案

如图1所示，在柜子左右两边各布置一对链轮及链条，每间隔一定数目的链节安装一个加长销轴，两条链对应位置的加长销轴用轴连接起来，用以悬挂储物架。用减速电动机直接驱动其中一对链轮转动，并通过四个齿轮，将动力传递到另一对链轮。如图1（c）所示，齿轮1和齿轮4分别于对应的链轮同轴紧固，齿轮1放置在电机轴上，齿轮1与齿轮2啮合，齿轮3与齿轮4啮合，齿轮1和齿轮4同轴紧固。这样可以确保当电机转动时，两条链同步运动时，即可保证储物盒在运转过程中不发生倾斜。通过对电动机加以控制，可使得储物盒停在合适的高度。

按上述设计思想的可以用于制作新型的图书馆的书架、超市中的货架、或是家用的大衣柜。下面以家用的大衣柜为例具体说明动态储物柜的设计方案。

2.2 外形尺寸设计

考虑到普通住宅房间内的空间及动态储物柜的家用要求，本文介绍的动态储物柜外形设计保留了传统的样式，整体长160cm宽80cm高275cm，其内部储物盒的宽度为100cm。在动态储物柜的左边预留15cm的空间用于安装链轮和链条，动态储物柜的右边，除了预留15cm的空间用于安装链轮和链条外，还需预留30cm的空间用于安装电动机和操作面板，具体可参考图2。

图2 动态储物柜的外形尺寸

2.3 内部传动系统设计

动态储物柜的内部传动系统如图3所示，动力由电动机11通过联轴器12传到链轮4，齿轮轴9和齿轮6、8能够保证左右两边链轮能够同步运转；2为滚动轴承主要是支撑链轮轴3、7和齿轮轴9，并且保证齿轮轴9转动顺畅；1为支架，主要是为了整体支撑，其通过螺栓连接固定在外箱架10上，13为隔板，用以避免储物架在运动过程中相互干涉。

图3 内部传动装置示意图

2.4 储物盒的设计

依据动态储物柜的外形尺寸，可基本确定储物盒的大小。其结构如图4所示，储物盒的外观效果如图5所示，储物盒长90 cm、宽30cm、高40cm，储物盒的轴长100cm。本设计中储物盒的尺寸可基本满足日常家庭中小件物品的存放要求，若对整个设计过程进行优化处理，还可进一步提高动态储物柜的存储空间的利用率。

图4 储物盒结构图

图5 储物盒的外观效果图

2.5 链的选择

链传动是应用较广的一种机械传动，与带传动相比，链传动能保持准确的平均传动比，传动效率高，径向压轴力小，能在高温及低速情况下工作，与齿轮传动相比，链传动安装精度要求较低，成本廉价，动态储物柜对传动的精度要求不是很高，更重要的一点是链条的长度和松紧可以根据要求不断地调整，使储物柜的效果调整到最佳，故本设计选择链传动。

链传动又分为滚子链、齿形链等类型。其中滚子链常用于传动系统的低速级，一般传递的功率在100KW一下，链速不超过15m/s，满足设计要求。因此，可为本动态储物柜选择如图6所示的滚子链。

图6 链节结构

经查相关资料确定滚子链的型号为：16A-1-180GB/T 1243-2006，具体参数如下：

为了便于悬挂储物盒，在链条上需要使用加长销轴。经查相关资料可知：与A系列链条配套，需使用Y型加长销轴，如图7所示，图中b5=20.3mm，b8=51.7mm。储物盒的高为40cm，保证相邻两储物架不相互干涉，所以确定每隔20个链接（即508mm），使用一个加长销轴。

其中：

l—节距多边形；p—弦节距，等于链条节距；

d—分度圆直径；re—齿槽圆弧半径；

d1—最大滚子直径；ri—齿沟圆弧半径；

da—齿顶圆直径；z—齿数；

图7 A系列链条配Y型加长销轴

表1 滚子链具体参数（单位：mm、N）

df—齿根圆直径；α—齿沟角。

ha—节距多边形以上的齿高；

2.6 链轮设计

与链条配套使用的是链轮，链轮由轮齿、轮缘、轮辐和轮毂组成。滚子链和链轮啮合的基本参数是节距、滚子外径、和内连接内宽。链轮与滚子链的啮合属于非共轭啮合，因此链轮的齿形设计比较灵活。

链轮设计主要是确定其结构和尺寸，选择材料和热处理方法。链轮的基本参数是配套链条的节距、套筒的最大外径、排距和齿数。图8为滚子链链轮的齿槽形状和基本参数。

图8 滚子链链轮的齿槽形状和基本参数

2.6.1 分度圆直径

链轮的大小受储物架的限制（为了避免储物架与链轮轴的干扰，链轮的半径需要大于储物架的宽度的二分之一）。由于储物架的宽度约为30cm，同时为了避免储物架在运动过程中的相互干扰，因此链轮的分度圆直径大致取为40cm。由链轮分度圆直径计算公式：

可求得：z=49.44mm取整z=49，通过式（1）求出实际的链轮分度圆直径为：d=396.44mm。

2.6.2 齿顶圆直径

齿顶圆直径的最大和最小值由下式确定：

damin和damax对于最小齿槽形状和最大齿槽形状均可应用，取齿顶圆直径da=410mm。

2.6.3 齿根圆直径

齿根圆直径由下式确定：

2.6.4 最大和最小齿槽形状其他尺寸

最大和最小齿槽形状决定了齿槽形状的极限，由参数re、ri、α确定。用切齿或等效加工方法得到的实际齿槽形状应位于最大和最小齿槽圆弧半径之间，并在对应的定位圆弧角处与滚子定位圆弧平滑连接。

最小齿槽形状参数：

我们选取的参数为：re=200mm、ri=8.1mm、α=130°

2.6.5 链轮其他尺寸及结构

链轮其他尺寸示意图如图9所示。

图9 链轮其他尺寸

图10 链轮的结构（孔板式）

齿宽bf1=0.95b1=14.9625mm

齿侧倒角ba=0.13p=3.302mm

齿侧半径rx=p=25.4mm

最大凸缘直径d8=pcot（180°/z）-1.04h2-0.76=373.2mm

常见的链轮有三种结构，分度圆直径尺寸较小时，链轮采用整体式；分度圆直径尺寸为中等时，链轮采用孔板式；分度圆直径尺寸较大时，可将链轮圈用螺栓连接或焊接在轮毂上。考虑到实际使用的链轮分度圆直径为405.3195mm，可选择孔板式结构，如图10所示。

2.7 轴承的选择

轴承主要起支撑和减少摩擦让轴自由转动的作用，滚动轴承摩擦系数小，启动阻力小，功率消耗小，且已经标准化、成本低。选用、润滑、维护都很方便。轴承主要承受径向载荷，能够满足设计需要；并且大量生产价格较低，可以节约。考虑到链轮轴、齿轮轴和储物架轴的直径分别为40mm、40mm和20mm，本设计方案中选用了两种不同规格的深沟球轴承：6204GB/T 276-1994和6208GB/T276-1994。

2.8 联轴器的设计

联轴器是机械传动中常用的部件，主要用于轴与轴的连接，传递运动和转矩。在本方案中电动机轴与链轮轴、储物架轴与链条加长销轴两处需要使用联轴器。查阅相关资料选择凸缘式联轴器和套筒式联轴器来分别连接这两处，其结构如图11（a）和（b）所示。

图11 联轴器的结构图

图12 套筒联轴器的使用

图13 支架结构图

2.9 支架的设计

支架的结构如图13所示，上端两个轴孔是固定的，用于支撑上部的齿轮轴和链轮轴。下端的轴孔可以通过螺栓来调节位置，用于改变两链轮的中心距，以便调节链条的松紧，防止链条跳齿。整个支架通过螺栓连接固定在外箱体的板上，从而实现整体的支撑固定。

2.10 动态储物柜的设计效果

按上述尺寸确定的动态储物柜，总体效果见图14。

图14 动态储物柜效果图

2.11 电机的选择

每个储物架设计载重60kg，九个储物架总共540kg。16-A链条每米2.61kg，总长约9.2米，链条总重25kg。为了保证物品不剧烈晃动，储物架运行速度不能太快约0.1m/s。

整个装置在理想状态下运行其功率为P1：

由于实际中不可能是理想状态，总会存在损失，因此选择电机额定功率为750W。

2.12 控制电路的设计

电路采用家庭用220V交流电，由起停开关控制，简单易操作，用户只需对柜子面板上的起停开关按钮的简单操作即可实现储物盒的高度调节。控制电路见图15。

图15 电机控制电路

3 动态储物柜的主要优点

3.1 动态储物柜的创意新颖，弥补了传统储物柜功能上的不足和弊端。

3.2 动态储物柜多采用标准化器件，适合批量生产

3.3 动态储物柜的安装和拆卸方便。

3.4 动态储物柜的可广泛用于家用大衣柜，图书馆书架、超市和仓库的货架。

4 结论

目前市面上所销售的绝大多数是传统的那种静止的、不能活动的储物柜，而本文介绍的动态储物柜不仅弥补传统的功能上的不足，更是带来崭新的理念，是追求美好家具和幸福生活的选择，因而具有很好的市场价值。本文介绍的方法设计的储物柜，可应用于图书馆、超市、仓库、和商场的地方，拥有很好的市场应用前景。

[1]中华人民共和国国家标准《传动用短节距精密滚子链、套筒链、附件和链轮》[S].中国标准出版社.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计第八版[M].高等教育出版社.

[3]唐增宝，常建娥.机械设计课程设计第三版[M].华中科技大学出版社.

[4]四平市吉隆链条链轮有限公司.短节距精密滚子链产品参数列表[R].

TP368.2

A

1671-0037（2014）01-73-3.5

2013年11月26日。