产品创新设计方案书38315
产品创新设计课程作品
“多功能储物架”设计方案书
组员：李文喜09机械2班0900101237
陈涛09机械1班0900801216
周睿09机械1班0900101106
许明建09机械1班0900101115
裴飞洋09机械1班0900101117
蜗居多功能储物架设计说明书
摘要：
蜗居多功能储物架主要包括储物架主体、平行四边形结构储被架、丝杆自锁分层台、简易电脑桌、垃圾桶移出装置、翻转鞋架、双摇杆雨伞架及接水装置、旋转衣帽架。其主要特点是最大程度地节约利用空间，将生活必需品统一整理收纳实现多功能储物。采用机械结构简单易实现，连贯性好，设计结构紧凑。
关键词：
节约空间，整理收纳，丝杆自锁，平行四边形。
作品简介
蜗居多功能储物架将生活零散必需品更具规划性地整理收纳并在整场储存中贯彻最大空间利用率的思想。按具体储存需求可逐个取出特定功能的储存装置使用，而在不需要某项储存功能时又可将该部分隐藏在储物架主体里。
如遇雨天需悬挂湿雨伞时，只需推出第二层并掰下隐藏于其底下的双摇杆伞架和拉出接水装置即可；被褥冬用夏储，当冬季不再需要储被架，只需掰下两边支杆，利用平行四边形机构即可将储被架收缩至紧贴储物架主体而不占用空间。
主要应用在小户型居民住房和集体宿舍。
1.研制背景及意义。
我国一直致力于解决买不起房买不到房的新升级社会矛盾，由此推出了一系列社会保障性住房，如经济适用房。此类住房有一共性，即住房面积较小，大都被控制在35平米到80平米之间。“蜗居”便成了当下社会的一个流行词。并且，随着人们对未来生活品质要求的提高，如何高效利用小面积住房的空间也成了当下一个热议话题。
高效利用室内空间应该包括两个方面：一、尽量减少储物框架本身占空率；二、储存统一化规整化。而目前市场上虽然储物架众多，但大都为固定框架，不能根据实际需求减少储物架本身所占用空间，对小面积居民房和集体宿舍造成放置压力，如：使用一个一般储物架来储藏冬被，那在冬季被褥使用时，储物架处于空置状态白白占用室内空间。并且，现有储物架都只具备单一储物功能，如：鞋架、书架、衣帽架等，零散放置在室内，显得杂乱无章，既浪费空间又不符合人们对高整洁度品质生活的追求。
而我们设计和制作的蜗居多功能储物架主要为解决以上两个问题，对现有储物架的一种改良与创新。针对性解决现今广为推行的小户型居住房以及集体宿舍的空间利用率和整洁度问题。
目前市场常见的储物架常见衣帽架
常见鞋架
2.蜗居多功能储物架总体方案设计
2-1蜗居多功能储物架总体结构装配及总体功能简图：1、蜗居多功能储物架总体装配如图2-1所示：
收缩状态伸展状态
图2-1蜗居多功能储物架装配图
2-2蜗居多功能储物架总体功能简介
蜗居多功能储物架主要包括储物架主体、平行四边形结构储被架、丝杆自锁分层台、简易电脑桌，垃圾桶移出装置、翻转鞋架、四杆雨伞架及接水装置、旋转晾衣架。储物架主体有四层。
底层：右侧装有垃圾桶移出装置，可将垃圾桶放置在该装置上，使用时踩下踏板，垃圾桶即可旋出，松开踏板，垃圾桶即可自动收回底层；左侧设计双层鞋架，踩下踏板，待鞋架翻转出后即可取放鞋。
第一层：可放置行李箱等闲置的大型物品；
第二层：常态时可与普通架子没有太大差别，但在滑轨的辅助作用下可以向水平方向移出，此时第二层即为一简易电脑桌，并制造出了更多储物空间，即第一层顶层和第二层顶层也可做暂时储物层。第二层底部布置有双摇杆雨伞架，常态时其收缩并置于第二层底部，遇雨天需悬挂湿雨伞时，只需推出第二层并掰下隐藏于其底下的四杆伞架和拉出接水装置即可。
第三层：为丝杆自锁分层台，转动摇柄可实现分层台上升与下降。储物架杆上还装有三个旋转衣帽架。
储被架：位于储物架主体的后侧，分为两层，每层由三排平行四边形机构组成。冬季被褥被使用，不再需要储被架，只需掰下两根支杆，利用平行四边形机构即可将储被架收缩至紧贴储物架主体而不占用空间。
2-3蜗居多功能储物架采用的机构及传动分析
表2-3蜗居多功能储物架所用机构及传动的性能分析表
3 原理方案的实现
3.1机械部分设计
3.1.1垃圾桶移出锥齿轮装置
如图3-1-1所示，整个装置通过轴承座固定在储物架主体上，踩下踏板后，连接踏板与锥齿轮的轴被带动，锥齿轮旋转。通过同模数锥齿轮带动与之相连的竖直杆做大约120度转动，固定在锥齿轮底部的垃圾桶托盘随之旋转，从而实现垃圾桶移出功能。
图3-1-1垃圾桶移出锥齿轮装置
3.1.2平行四边形机构
该机构主要运用在储被架上，利用的是平行四边形易变性。当夏季需要储被时，拉开储被架，平行四边形伸展至大约45cm，再掰起每层两根支杆（支杆以转动副形式连接在储物架主体上）用于固定即可放置被褥；冬季，又可合起将储被架收缩至紧贴储物架主体而不占用空间。
图3-1-2剪叉机构
3-1-3丝杆自锁机构
如图3-1-5所示，框架内部由分层台隔开，底部及两侧装有丝杆自锁升降机构，转动摇柄可实现丝杆的前进与后退。下面仅以分层台的升起为例简述机构原理。逆时针转动摇柄，丝杆后退，根据相对运动与丝杆呈一定角度相连的两根轴角度变大，带动俩平行轴以相同速率向外侧运动。滑块沿光轴以相同速率也沿外侧滑动，从而带动与滑块相连的轴向上运动，支起分层台。
下降时状态
升起后状态
图3-1-3丝杆自锁机构
3.1.5滑轨机构
如图3-1-4所示滑轨连接第一层顶端与第二层低部，以及第二层顶端与第三层底部，需要时，拉出滑轨即可，从而实现第二层滑出动作。
未滑出状态
滑出状态
图3-1-5滑轨机构
3-1-6双摇杆机构
如图3-1-5所示，不使用时向上推动两根平行轴直至俩连架杆与连杆重合，即伞架收缩第二层底部；当俩连架杆与连杆垂直伞架处于使用状态。
伞架收缩
伞架使用
图3-1-6双摇杆机构
4.理论设计计算 4-1锥齿轮传动计算
由于齿轮工作可靠、使用寿命长、传动比稳定、传动效率高、且可将将水平旋转运动转换为垂直旋转，因此作品的传动采用锥齿轮传动。传动几何计算如下： 一、选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数
1． 根据传动方案的设计，选用锥齿轮传动；
2．垃圾桶移出装置，速度低，故选用8级精度（GB10095-18）； 3． 材料选择。查表齿轮选用40cr （调质）硬度280HBS ； 4． 传动比：i=2； 5． 齿轮齿数:40,20。
二、按齿面接触强度设计直齿圆柱齿轮
由设计计算公式进行计算，即：
3212
1)5.01()
(92.2μ
δH H H E
KT Z d Φ-Φ≥
1．确定公式内的各计算数值 1）选载荷系数K=1.2；
2）齿轮传递的转距1T =2000N×mm ； 3）查表齿宽系数
H φ=1；
4）齿轮接触强度极限a MP 550=σ；
5）由于垃圾桶移出装置需长时间使用，接触疲劳寿命系数1K =0.95； 6）计算接触疲劳许用应力。
取安全系数S=1 S
K σ
σ?=
1][=1×550a MP =550
a MP
查表，得材料的弹性影响系数MPa Z e 9.189= 2． 计算
1）计算齿轮分度圆直径d ；
321
2
1)5.01()(
92.2μδH H H
E
KT Z d Φ-Φ≥=2.92
3
2
*]2)^1*5.01[(*12000
*2.1*
]2)^5509.189[(
-mm d≥30.12mm
2）取模数m=2，实际齿轮分度圆直径d 1=m×z=2×20=40＞30.12mm.； d 2= m×z=2×40=80＞30.12mm 3）按照齿根弯曲强度校核，齿轮满足设计要求（详细过程从略）。
4.4丝杆传动的强度校核计算
丝杆的连接、紧固示意图如下：
图4-3 丝杆连接紧固示意图
根据上图，得出丝杆受力图如下：
图4-4 丝杆受力图
其中：
丝杆大径d=8mm ； 小径2d =7mm ；
梯形螺纹螺距p=2mm ，材料为45号钢，螺母材料铸铁整体式； 螺杆全长L=220mm ； 有效行程H=130mm 。
4.3.1丝杆耐磨性验算
查阅机械设计手册，螺旋传动中滑动螺旋传动计算部分的工作压强p ＝
n
H d f
12π
式中1H =0.5，P=1.5mm ，n=H ／P=60，代入上式中得: P=5.74N ／2
mm ，
丝杆往复移动速度较低，查机械设计手册，取p p =8N ／2
mm ，即p ＜p p 丝杆耐磨性符合要求，选用合理。
4.4.1丝杆耐磨性验算
查阅机械设计手册，螺旋传动中滑动螺旋传动计算部分的工作压强p ＝
n
H d f
12π
式中1H =0.5，P=1.5mm ，n=H ／P=60，代入上式中得: P=5.74N ／2
mm ， 丝杆往复移动速度较低，查机械设计手册，取p p =8N ／2
mm ，即p ＜p p 丝杆耐磨性符合要求，选用合理。
5、创新点及预计应用前景 5.1 创新点
1. 现有的储物架不论用与不用都以固定结构占用空间，而蜗居多功能储物架可按具体需求可逐个取出特定功能的储存装置使用，而在不需要某项储存功能时又可将该部分隐藏在储物架主体里，提高空间利用率；
2.突破了储物架传统意义上的单一储物功能，而将储物、整理、清洁融为一体；
3.设计了平行四边形结构的专用储被架。
5.2 市场前景
随着房价的高涨不下以及国家经济适用房等政策的出台，小户型居民房必将成为一大购房趋势。而且，在现有基础上更好地改善集体宿舍拥挤也是一个亟待解决的问题。现在我们需要解决的不是拓展居住面积而是妥善地规划整理物品并且最大程度地提高室内空间利用率。
蜗居多功能储物架通过将鞋架、伞架、书架、垃圾桶架合理规整至一个储物架主体，突破传统意义上单一储物功能，使储物、整理、清洁一步到位，一举多得。同时，在不需使用某项储存功能时，空架占用地被自动腾出，达到空间利用率最优化。故将成为集体宿舍和正在崛起的小户型经济适用房这一类消费者青睐的朝阳产品。
参考文献
[1]纪名刚，机械设计.高等教育出版社，2005.
[2]张春林曲继芳张美麟, 机械创新设计.北京：机械工业出版社, 2004.
[3]何铭新，钱可强，机械制图..北京：机械工业出版社,1999.
[4]陈于萍，周兆元，机械工业出版社, 2008.
[5]范钦珊殷雅俊，材料力学. 北京：清华大学出版社，2004.