一、    设计目的

近年来，随着国内人民生活水平的不断提高，人们对于个人衣着服饰的整洁程度格外关注。洗衣机的出现为人们洗衣服提供了便捷，但长时间与接触地面的鞋子却缺乏便捷的清理工具。目前，国内对于擦鞋产品的研发尚不完善，对于擦鞋装置的放置位置、使用环境均有较高要求，并且体积较大、价格高昂，不便于放在家里使用。由此可见擦鞋装置行业需要改造升级，需要一款仅仅依靠一个简单的动作和一个微小的力便能运转，达到擦鞋目的，降低能源损耗，又能节省人力、真正做到便捷人们的生活的家庭自动擦鞋机。

二、    方案设计

1.  结构设计

外部结构

1.齿轮齿条传动机构

齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，或将齿条的往复直线运动转变为齿轮的回转运动，是现代机械中应用最广的一种机械传动。其依靠主动齿轮与从动齿轮的啮合，传递运动和动力。与其他传动相比，有传递动力大，效率高；寿命长，工作平稳，可靠性高；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动的特点。该机构采用直齿圆柱齿轮，传动效率高，互换性好，装配和维修方便，应用广泛。在工作时将滑块的平动通过齿轮与固定的齿条啮合转化为齿轮的转动来为整个装置提供动力。

2.曲柄摇杆装置

  具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构。曲柄为主动件等速转动，摇杆为从动件作变速往返摆动，该机构将小齿轮带动轮轴旋转作为动力，使曲柄旋转带动连杆运动实现毛刷在滑道上的往复运动，实现对鞋侧面的擦拭。连杆作平面复合运动。该装置能够实现多种运动形式的转换、各种预定的运动规律和复杂的运动轨迹，容易满足生产中各种动作要求，提高鞋面的干净度。并且构件间接触面上的比压小、易润滑、磨损轻，不易损坏。

3.升降皮带轮传动系统

本系统主要分为皮带传动机构和连杆机构：

传动机构：皮带刷轻载轻启，载荷变化小，滑块下的大齿轮带动轮轴转动作为动力，带动下方皮带轮转动，通过皮带传动带动上方皮带轮转动，实现毛轮的旋转进行擦拭。

连杆机构：通过齿轮传动比和连杆机构配合，有效节省人力，达到高效率清洗。可以使该装置运动形式多样，实现了转动、摆动、移动和平面或空间复杂运动。此外，低副面接触的结构使连杆机构具有运动副单位面积所受压力较小，使面接触更加润滑，磨损减小，擦鞋装置磨损较小。连杆机构制造方便，易获得较高的精度构件之间的接触靠本身的几何封闭维系，它不像凸轮机构有时需利用弹簧等力封闭来保持接触。与平面连杆机构相比，本装置连杆机构结构紧凑、运动多样、工作灵活、可靠，使毛轮擦拭鞋面顺畅。连杆机构通过限制皮带轮之间的距离，实现滑块平动的同时毛轮的上下运动，使毛轮始终贴合鞋面进行擦拭。

4.尾部清理装置

该装置通过皮带将小齿轮的轮轴的动力传送到毛轮轴，单面擦拭转为全方位擦拭，使其旋转达到清洗鞋跟的目的；同时，毛轮轴通过弹簧连接脚踏板使其可以通过调节毛轮前后的位置达到清洗不同码的鞋的目的，操作更加方便省力，更加人性化。

5.后翼V型齿轮传动毛刷的设计

第二主轴转动，是皮带轮传动带动毛刷进行擦拭运动，达到对鞋帮及鞋后跟的擦拭功能

6.侧翼棉刷连杆机构的设计

侧翼采用曲柄滑块及偏心轮原理，通过后端主轴转动实现偏心轮连杆如图2-6，在通过由轴承和铝型材配合实现上端滑道，其自由度也受到适当约束如图2-7，再通过上端海绵擦往复擦拭如图2-8，最终实现侧翼擦拭的功能，侧翼棉刷总体结构图2-9。

7.毛轮升降机构

方案一

方案一毛轮剪式机构采用剪式连杆机构设计，将连杆接在滑块上，用连杆带动丝杠旋转，丝杠向前推动剪式连杆机构使毛轮缓慢上升或下降，达到毛轮升降效果，通过查阅资料计算分析设计出剪式机构的抬升角度，实现毛轮可控化，将连杆通过非标件连接，通过滑道形式达到升降效果，如图2-10：

方案二

减少了非标件的制作，通过现有廉价金属材料制作连杆，通过中间主轴带动，实现机构一体化，强度加强。并通过轴承来防止在滑轨卡死。如图2-11、图2-12：

方案三

通过三段轴拉式线性滑轨来实现升降，有效减小了摩擦解决了卡死的问题，使其达到理想效果，如图2-13：

对比和确定

表1    毛轮升降机构方案的对比

通过表1比较，方案三更接近设计时的目的，增加了强度，实现了毛轮的抬升与降落功能，有效防止卡死，且造价合理，为人们提供很大便利，综合看来这种方案其市场潜力更大。所以本作品毛轮升降机构采用方案三设计。

内部结构（元器件）

1.执行元件

自动擦鞋机的毛刷是擦鞋机机械结构中的执行类元件。目前市面上的自动擦鞋机一般都由皮带作为传动装置，由皮带带动毛刷作固定圆周运动。自动擦鞋机毛刷刷头多采用一组，分别负责客户鞋头、鞋侧两面，毛刷材质根据客户的使用需求选择。如客户主要需要为鞋面除尘则刷头使用棉毛材质，若客户多以鞋面上油为主，则毛刷刷头则使用猪鬃材质。虽然部分现有自动擦鞋机的刷头具备更换功能，但更换过程仍较为繁琐。

2.直齿圆柱齿轮

       其为平行轴转动，结构紧凑、传动平稳可靠、速比恒定、传动效率较高。可产生轴向力。

三、    工作原理根据

结构我们将装置分为5个部分：脚踏板，齿轮齿条传动机构，曲柄摇杆机构，升降皮带轮传动系统，尾部清装置构成。实现同时对鞋子进行多角度擦拭，工作原理如下：

（1）当鞋子脚踩踏板时，推动脚踏板向前运动，带动脚踏板下滑块中大齿轮与齿条啮合转动并向前运动，使大齿轮通过轴带动皮带轮旋转，并传动给上方皮带轮，皮带轮通过轴带动毛轮旋转，实现对鞋面的擦拭。

（2）脚踏板向前运动的同时，滑块中的小齿轮与齿条啮合，使小齿轮带动轮轴旋转，进而使用曲柄连杆实现毛刷在滑道上的往复运动，实现对鞋侧面的擦拭。同时通过皮带带动后方毛轮擦拭鞋跟

五、    创新点

（1）装置由脚踏板、齿轮齿条传动机构、曲柄摇杆机构、升降皮带轮传动系统和尾部清理装置构成，实现了同时对鞋子进行多角度的擦拭；

（2）机构将滑块的平动通过齿轮与固定的齿条啮合转化为齿轮的转动来为整个装置提供动力，通过齿轮传动比和连杆机构配合，有效节省人力，达到高效率清洗。小齿轮带动轮轴旋转作为动力，使曲柄旋转带动连杆运动实现毛刷在滑道上的往复运动，两翼安装毛刷达到擦拭鞋子侧面的效果；

（3）毛刷距离得当，软硬适中，可擦拭多种鞋子，操作更加方便省力，更加人性化，有足够的承载能力；

（4）通过合理的理论计算 ，凭借一个简单的动作、很小的推力实现整个装置的运作，完成擦鞋工作；

（5）合理利用空间，实现了结构布局的简约化 ，对放置、使用位置没有太多的要求，使用便捷，应国家节约能源的发展战略，本产品没有能源上的损耗，且容易操作，节约了人力。

六、    成本预算

根据调研结果显示，我国的智能家居市场逐年火热，据前瞻产业研究院的统计数据表明，在2016年中国的智能家居市场规模已达2 608.5亿元，在之后的三年内保持21.4% 的年复合增长率，预计在2021年内我国的中国智能家居市场规模将达到5 819.3亿元，中国将继美国和欧洲成为智能家居的第三大市场。其中家用擦鞋机在2017年9月的销售 额便达到109.42万元,占整个擦鞋机市场的87.95%左右。随着更多的智能家居走进人们的生活，家用擦鞋机的市场蕴藏着巨大潜力。

本项目为了获得更高的性价比，采用了毛轮升降机构、侧翼棉刷连杆机构、皮带轮传动机构、齿轮齿条传动机构、后翼V型齿轮传动毛刷机构等创新性设计，将产品成本降到最低。

如表所示，一台设备的成本价约在500元，主要是相关零件的购置以及组装花销，但产品的利润是不可小觑的，正是基于广大的市场需求和利润，我们的产品在未来拥有着无限的发展空间和机会。