“高效能洗鞋刷”创新设计

陈占营单柏霖蒋立辉乔禹杨爽江颖颖

1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 100083; 2.华中科技大学同济医学院 430030

“高效能洗鞋刷”创新设计

陈占营1单柏霖1蒋立辉1乔禹1杨爽1江颖颖2

1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 100083; 2.华中科技大学同济医学院 430030

洗鞋刷是日常生活中的常用清洁用具，目前最常见的刷鞋方式只是用手按住鞋刷用力在鞋内往复运动，这不仅会让我们的手很不舒服，而且刷不干净，只能刷到鞋底鞋帮，同时对鞋内部损害大，时间久了容易使鞋的内部磨损严重，也会使鞋变形很严重，影响了鞋的舒适性与耐穿性。同时，用传统的洗鞋刷刷鞋时，我们只是把洗衣粉或洗衣液简单的倒在鞋刷上或需要洗刷的部位，当浸入水中时，洗衣粉或洗衣液会溶解到整个水盆中，既浪费了洗衣粉或洗衣液，又不能使洗衣粉或洗衣液充分作用在要洗涮的部位，因此很难真正把鞋洗刷干净。

高效；手动；转动；滚刷

1 主要创新点

本设计的理念是高效，省力，节约，具有如下创新点：

1)市场上从未出现此种洗鞋刷。

2)完全手动,不需电源,使用方便。

3)转动滚刷洗鞋,独特的转动式滚刷,改变了传统的刷鞋方式,效果好而且保护了鞋的内部。

4)滚刷的外形轮廓依照鞋和鞋楦的多种参数设计,能使滚刷更好的与鞋表面接触,刷到鞋内部的各个部分,改变了传统鞋刷刷鞋时只能刷到鞋底和鞋帮的状况。

5)空腔滚刷,可把洗衣粉倒入,洗衣粉被溶解后逐渐从滚刷上的小孔渗出,充分作用于鞋的表面,既节约了洗衣粉又能更好的刷鞋。

手每拉动手柄一次,滚刷能转动2.5转,大大提高了刷鞋效率。

2 产品结构

总体结构示意图

第一代试验模型

第二代实物样机照片

3 工作原理

本设计的工作过程完全手动，使用时用手握住握把,把整个鞋刷适当的放入鞋内，通过手的作用，拉动手柄运动，从而使齿条带动齿轮转动，再经过多级齿轮增速，使滚刷的运转速度为每行程2.5转，而达到刷鞋的目的。经过多次试验分析,计算出滚刷受到的阻力比较大，连杆在回复时就需要强度更高的弹簧，因此在转轴与齿轮Z1之间选用单向轴承，故滚刷只能单向转动。同时，由于滚刷内部的空心结构,刷鞋前可以把洗衣粉或洗衣液倒入滚刷的空腔中。空腔中的洗衣粉会慢慢被溶解，滚刷转动时,洗衣液可以通过滚刷上的小孔渗出，充分作用于鞋的表面，这种刷鞋方式比普通洗鞋刷刷的更干净。整个鞋刷可以在鞋内灵活移动和移出，可以刷到鞋的各个部位。

4 设计计算

4.1 滚刷的设计

设计说明：滚刷的外部形状设计取决于鞋的内部空间，我们设计的滚刷形状是根据实际测得的鞋的内部空间设计的。由于各种鞋的大小不一，我们选用了一种比较科学的方法，取男鞋的中号进行测量，又由于同一号的鞋又分很多种，因此我们选择了运动鞋和休闲鞋。女鞋用的滚刷在此不进行设计。

测量方法:用橡皮泥把鞋头的内部填满，做出内部模型，用毫米尺进行测量。运动鞋与休闲鞋各测一次，经图像处理，得到两类鞋鞋头内部同一橡皮泥模型截面的外形轮廓如下：

R1=22mm,R2=18mm

为了能使滚刷与鞋的内部紧密接触，同时滚刷的毛可以有很大程度的弯曲，因此取滚刷的半径为22mm,滚刷的外形轮廓依照休闲鞋内部的橡皮泥模型设计。为了保护鞋的内部，滚刷的刷毛不应太硬，而且要长些。

滚刷壁钻有小孔，保证在滚刷转动时洗衣液可以渗出，经过样机试验，小孔直径为2mm时满足设计要求。

以G2京沪高速公路在镇江市某互通立交为实例工程。首先对实例工程的新建匝道需求进行计算分析。根据本文式（1）可知，实例工程应设置4×3=12条匝道。根据现状统计（图5），实例工程已建有11根转向匝道，因此需要再新建一根匝道，根据现状分析，k=4，n0=11，i=1，j=4，同时对可行方案数进行计算，可知可行方案为：

4.2 整体框架设计

手握把长度b的设计依照人手的宽度设计，长度为80mm,既b=80mm。

高度h是通过查阅相关资料[1]，选用中帮鞋的高度，结合相关尺寸，得出h=160mm。

长度l的设计是通过查阅相关资料[2]，选用男鞋中号即41号，长度为255mm，综合其他尺寸，得出l=190mm。

4.3 内部传动装置设计

由于装置的动力是由手的握力提供的，因此属于手操纵力，设计时参照人机工程学标准[3]，手操纵力建议不大于150N。

测量普通鞋刷刷鞋时单位面积刷毛受到的阻力：测量刷篮球鞋和休闲鞋时所用的拉力如下表：

取平均值，求得F=1.45Kg=14.5N。

普通鞋刷的面积为S=75×30 mm2=2250 mm2

普通鞋刷单位面积刷毛受到的阻力：f=14.5÷2250=0.0064N／mm2

滚刷单位面积刷毛受到的阻力：滚刷的刷毛比普通的稀疏，因此滚刷单位面积刷毛受到的阻力f′=0.5×f=0.5×0.0064=0.0032 N／mm2

计算滚刷的阻力矩：为了便于计算，把滚刷简化为圆柱形，半径R=22mm,长为56mm。

侧面阻力矩：

由于刷侧面时只有半圆柱面接触鞋的内表面：因此侧面积

S侧=2×3.14×56×0.5=3868.48 mm2

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

顶端阻力矩：

T顶端=∫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侧+T顶端=272.34+35.664=308.004 N!mm

内部齿轮传动简图如下图：

选取Z1=20，Z2=32，Z3=14，模数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，因此满足人机工程学标准。

选取齿条长度为34mm,即可求得齿条往复运动一次滚刷的转数t

t=34/(3.14×7) ×Z2/Z1=2.5转

[1]温州鹿艺鞋材有限公司，温州鹿艺鞋楦研究中心编著. 中国标准鞋楦设计手册.北京：中国纺织出版社 ,2008年.

[2]高世刚.运动鞋结构设计.北京：中国纺织出版社,2011年.

[3]朱龙根主编.机械系统设计. 北京：机械工业出版社, 2011年.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.051