新型一体化课桌椅设计说明书.doc

2014年第六届全国大学生机械创新设计大赛新型一体化课桌椅设计说明书设计者：李家望 徐鹏举 曾晓涛 程耀 刘孟涛指导教师：叶建平 周红武汉轻工大学2014年3月目录1 作品内容简介21.1 研制背景及意义.22 设计方案32.1总体设计构想.32.2金属框架方案比较.32.3座椅升降机构方案比较.42.4靠背翻转机构方案比较.52.5万向轮复位方案比较.63 理论设计计算.83.1总体尺寸设计.83.2强度与刚度校核.93.2.1桌面螺钉连接强度校核.93.2.2桌面支撑柱强度校核.103.2.3座椅升降卡销强度校核.113.2.4座椅支撑轴承寿命计算.123.3部分工程图134 工作原理及主要功能.154.1工作原理154.2主要功能155 实物照片.196 创新点及应用.216.1创新点.216.2应用21参考文献.21新型一体化课桌椅设计者：李家望 徐鹏举 曾晓涛 程耀 刘孟涛指导教师：叶建平 周红（武汉轻工大学 机械工程学院 武汉 430023）摘要：以便捷、实用、高效的为广大学生提供多功能服务的设备为研究对象。本小组提出了一种可变化形态的金属框架结构，再巧妙地配以木材和感应设备，便制成了一种机械形态百变的新型一体化多功能课桌椅，能满足各类学生不同学习状态时的要求，能满足各种状况下的搬运布置。实验结果表明，该设备工作稳定，性能可靠，功能实现效果良好。关键词：课桌；形态百变；多功能；一体化1 作品内容简介本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，为“梦幻课堂”的理想倾力打造。此课桌主体为金属框架结构，折叠成块时宽46cm长40cm高38cm净重30kg，方块状态节约空间，便于堆叠、运输、储藏，座椅高度可由30cm至43cm定点调节，各处结构伸缩折叠翻转变化时共有六种形态，能满足各类学生不同学习状态时的要求。作为一款新型一体化课桌椅，与经典课桌进行有机结合，克服了原有课桌固定呆板、单调乏味的弊端，使新型课桌变得更加灵活，更加人性化，为学生学习提供了多样化的服务。课桌整体组合了多种生活中常见机构，并配置有电器用具及感应装置，机械形态变换提高了教室的空间利用率，方便人员流通、交流讨论，适应各种情形下的场地布置，方便堆叠与搬运。联系人：叶建平联系电话MAIL： 1.1 研制背景及意义目前广泛使用的的经典课桌笨重、固定、移动不便，空间资源利用不合理，会造成人员不易流通，个人的移动走动常常给集体带来不可避免的影响，经常带来疏通的滞留与阻碍。而且，该课桌高度一定，无法与学生身高形成合理配合，日趋造成大量学生坐姿不正、视力下降。教室内的环境也是各处不同，同类课桌单调的学习功能无法满足教室内光线强弱、温度差异给学生带来的极大不便。可见，目前课桌的单调乏味不仅无法为学生带来良好的学习条件与学习环境，更无法对各学科进行日常趣味培养，已经越来越不适应现代化教育的要求。普遍学生面对学习倦怠、兴趣不高、不适应，但对现代学习设备的要求却日益提高，对于课桌存在的功能单一、舒适感低、不够灵活、个性化缺失等问题，我们应当考虑如下几个方面：1）课桌应与教学环境相配合辅导学生学习，充分使用教室空间的同时，满足各类学生的学习要求，缓解疲劳提高兴趣。2）课桌设备应与日常生活环境协调服务于学生，提供娱乐化基础设施，使课堂丰富生动，使课余灵活有趣。3）课桌设计满足各方人员的需求，提供了良好的学习环境与工作环境，使学习个性化，使工作人性化。该新型一体化课桌椅旨在通过多形态的变化提高有限空间的灵活性并提供每种形态下的功能服务于学生，满足不同的学习环境与活动需求。课桌移动灵活并能及时固定位置；桌身高度可以调节，能满足各类学生的身高要求，让学生健康成长；储物柜具有自动复位及垃圾集中清扫功能；桌椅配备的感应开关能避免各高校普遍的占座现象，做到一人一桌；座椅采用合理结构提供舒适的感觉，并能在一定程度上帮助学生矫正坐姿，保护视力。桌面可折叠可翻转可前后移动，方便人员流通、交流讨论，便于安排布置，还能折叠成块方便堆叠与搬运，课桌外表造型美观，安全可靠，方便实用，让学生充分享受“梦幻课堂”带来的乐趣。2 设计方案2.1总体设计构想为了实现课桌与座椅的一体化并能折合成块，将桌面简化为通过合页铰接折叠的两块悬臂木板，并通过立柱升降支撑于座椅底座上，通过构件间移动副的运动实现课桌的伸展，通过转动副完成课桌的翻转与折叠。将学生下肢空余的地方设计为物品存放处，木板柜安装在底座上制造成座椅，配置感应装置在座椅外侧控制座椅使用权，设计保证各结构安全可靠，根据所需功能尽量简化结构以简化制造工序，降低成本。2.2金属框架方案比较为了保证学生端坐时的舒适感，框架底座与座椅板侧面连接杆设计为悬臂，取1530cm。再根据钢材的负重能力及结构可靠性角度考虑，撑杆长度取20cm。根据市场主流桌椅尺寸，座椅的宽度比学生的肩宽稍大，与普通课桌座椅的尺寸相近，取为40cm，框架比座椅稍宽，设计框架外框长46cm宽40cm高度可调。金属框架各部分通过氩弧焊牢固连接，设计保证各部分应力均匀与危险截面可靠，产生以下两种方案：方案一（图1）采用了四根方钢合围焊接成方形的结构构成受力环，将所受负载力交替传递，互相抵消，使受力主要为正压力，减少剪切破坏，结构安全可靠，但结构较复杂，不宜制造和使用。方案二（图2）采用了三根方钢拼接焊成三角架的结构，并将受力点移至靠近人体重心处，减小了重力偏斜产生的弯矩，斜撑杆的支持力将负载在危险截面产生的弯矩抵消，使框架后座两方钢套筒间摩擦力增大，保证座椅高度定位的可靠性，结构得到简化，制造容易，使用方便。综合考虑，采用方案二。 图1 方案一 图2 方案二2.3座椅升降机构方案比较为了方便课桌整体的折叠和适应不同学生身高的要求，课桌需要在底座框架连接处添加移动副，移动范围为15cm，可在任一位置承受学生重量并可靠固定，满足学生自主调节等功能，设计该结构可往复移动并能即停锁死，使座椅高度固定，设计空间主要尺寸为方钢内部，产生以下两种方案：方案一（图3）采用齿轮齿条啮合来实现两方钢间的相互移动，齿轮轴与一方钢两侧通孔间隙配合灵活转动，齿条焊于另一方钢内侧。可移动卡销行程在齿轮相邻牙齿间，推出卡销即可卡死齿轮，使其停转，完成高度定位，调节时再行抽出。该结构中齿轮为d=20mm m=1mm的标准齿轮，主要由卡销负重，结构较复杂，承重可靠性不高。方案二（图4）采用了弹簧复位机构，圆柱销在弹力作用下伸出，进入两方钢对准的通孔中，阻止其相对移动，将销子克服弹力拉回，移动副即可恢复。底座间的间隙配合既满足了两方钢间的灵活移动，又可巧妙地使平衡重力弯矩的支持力增大，转化成摩擦力来平衡负载，提高了座椅高度定位的可靠性，结构得到简化，制造容易，使用方便。综合考虑，采用方案二。图3 方案一图4 方案二2.4靠背翻转机构方案比较为满足学生课堂疲惫状态下的放松与减压，同时使课桌能整体折叠成方块，设计靠背可绕与底座铰接点翻转，不仅能在折下时与座椅覆盖表面完美贴合，并能在竖直时承受学生后背正压力保持固定，带给学生舒适的感觉，根据青少年后背尺寸及市场调查统计，本靠背设计应以为基准，产生以下两种方案：方案一（如图5）采用折叠支架连接底座与靠背，该支架只有两种状态，属于可开可闭的铁夹子，0时支架两部分闭合，90时展开，依靠底端挡块终止转动行程并承受单向外力，将支架延展即可形化为靠背，该结构功能单一，可靠性较高，结构简单成本低。方案二（如图6）采用棘轮扳手连接底座与靠背，该扳手与操作杆端部可旋转地连接，将操作杆固定在底座上，而可绕其端部旋转的主梅花套与靠背焊接，完成靠背的旋转。通过扳手头部侧面的活动扳柄可以方便的调整扳手使用角度，即靠背的旋转角度，还能任意角度可靠定位，并承受一定载荷。该结构功能多样，可靠性不高，实验效果不是很好，扳手的焊接损坏率较高，并在一定程度上影响了扳手的工作性能。综合考虑，采用方案二。图5 方案一图6 方案二2.5万向轮复位方案比较为提高教室空间利用率并使场地布置、活动安排更加方便，本方案设计课桌整体在二维内移动灵活，于底座安装万向轮。同时，为满足教室课堂上课桌排列的整齐规律，增强学生学习时课桌的稳定，万向轮需要及时伸出收回，并在承重状态下保持伸出，考虑往复机构产生以下两种方案：方案一（如图7）采用双平行四边形机构同时控制两侧万向球的伸出与缩回，轨迹为弧线；采用死点理论来保证伸出时承受一定载荷仍能保持状态，即死点为伸出轨迹极限点，受力在竖直方向达到平衡，万向轮不产生偏移，需要收回时打破平衡状态脱离死点即可。该结构稳定，但较为复杂，制造工序较多，装配空间较小，安装困难。方案二（如图8）采用弯杆替代直杆连接万向球，通过软件模拟小球在重力状态下的自由运动轨迹，在底座方钢上切出合理距离的空槽，拟定万向球摆动的平衡极限位置，即伸出与缩回的两个状态。需要伸出时将底座轻轻抬起即可让小球在重力状态下摆出，受负载平衡，收回时轻抬向前推即可受阻摆回。该结构功能较单一，操作简单却稍显笨重，可靠性较高，制造简单。综合考虑，采用方案二。图7 方案一图8 方案二3 理论设计计算3.1总体尺寸设计此作品最大特点在于学生不同学习状态下课桌多状态之间的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。（1） 整体外形尺寸：为了课桌整体折叠时节约空间，底座尺寸取，座椅高度可由30cm43cm自由调节，桌面高度可由45cm90cm自由调节。（2）靠背外形尺寸：根据市场主流桌椅靠背，为了使人背部舒适，靠背长度应上不过额、下不过臀，取38cm，两端各留出10cm的距离供学生侧身翻转，靠背实际长度为43cm。（3）桌面外形尺寸：根据市场主流学生所使用课桌桌面，边长取30cm25cm/45cm，厚1.65cm。（4）结构协调尺寸：为了满足各状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图9所示。图9 框架结构尺寸示意图3.2强度与刚度校核此作品在折叠成块时处于闲置或运输状态，承重不大（约为自重），且各处机构处于收缩状态，强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。一体化课桌椅在课堂使用时处于展开状态，供学生使用学习。在教学环境中设计课桌时，设定座椅载重约为学生体重50kg80kg，桌面载重约为文具及书本5kg10kg，需要考虑桌面间连接螺钉与座椅定位销强度是否足够，计算支承处轴承的使用寿命是否满足使用年限等。我们参考了市场上性能类似课桌椅的选材，并结合此作品的结构及设计要求对承重构件进行了校核。3.2.1桌面螺钉连接强度校核已知桌面与滑轨采用合页连接，合页一侧与滑轨圆柱钢焊接在一起，另一侧钉八个螺钉孔与木板连接，其受力分析如图10所示：图 10分析可知，桌面受均布载荷，螺钉主要受弯矩作用弯矩螺钉直径该截面面积为（1）计算最大弯曲正应力对Z轴的惯性矩抗弯界面系数最大弯曲正应力（2）校核螺钉的强度许用弯曲应力显然，满足强度要求。3.2.2桌面支撑柱强度校核已知桌面升降机构为三圆钢伸缩单立柱支撑机构，极限高度为900mm，桌面宽450mm，普通学生在学习时对桌面施加作用力，产生均布载荷。学生在活动时会与桌面发生碰撞，对立柱造成约为F=20N的水平作用力。分析可知，立柱受弯矩与剪切力合成作用，其受力图、弯矩图、剪力图如下：图 11由图可知，桌面支撑柱危险截面为方钢底部与底座焊接截面，截面受弯矩剪力该截面面积为（1）计算最大弯曲正应力对Z轴的惯性矩抗弯界面系数最大弯曲正应力（2）校核支撑柱的强度许用弯曲应力显然，满足强度要求。（3）计算最大剪应力并校核许用剪切应力显然，满足强度要求。（4）支撑柱的刚度计算 由以上简化模型可知，担架承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）为： 由此，支撑柱的最大弯曲变形为4mm，并且出现在支撑柱的最高点，完全满足使用要求。3.2.3座椅升降可靠性校核已知学生重力为700N，要使座椅高度固定，不计底座方钢间产生的摩擦力，则卡销提供支持力与重力平衡，简化受力图如图12所示：图12 由受力分析可知，圆柱销危险截面为重力作用受剪切面。 圆柱销直径 正交截面面积 危险界面面积 危险界面所受剪切应力 许用剪切应力显然，满足强度要求。3.2.4座椅支撑轴承寿命计算已知座椅表面宽410mm，学生臀部对座椅施力作用面宽约300mm，座椅承受竖直重力，设计学生重心落在轴承连线上，简化受力图如图13所示：图 13均布载荷，设计选用滚动轴承6804（超轻系列深沟球轴承，内径为20mm，正常宽度，正常结构，0级公差，0组游隙），基本额定静载荷C0r=2.2KN，基本额定动载荷Cr=3.5KN。座椅两端受支持力FN1= FN2=350N轴承受反作用径向力Fr1= Fr2=350N轴承受轴向力相对轴向载荷判断系数e=0.22所以 座椅承受轻微冲击，去载荷系数轴承当量动载荷为轴承寿命高于预期寿命，符合条件。3.3部分工程图图14 底座图15 靠背图16 座椅图17 抽屉 图18 升降圆钢4 工作原理及主要功能4.1工作原理考虑课桌本身自重，附加学生学习时的必需品，该重量若通过电力驱动，则负载过大，功率损耗大，在完成指定动作的同时耗能太多，而通过液压及气压传动时又使结构变得复杂，虽然动作行程精度高，但动作缓慢易损坏。考虑到课桌使用的普遍性和可操作性，采用电动液动气动制造复杂成本高，在完成功能的同时耗能耗时，实用性不高，其实现的移动转动等简易运动均可由学生自主动手完成，操作方便又极具个性化。故本课桌机构均采用机械连接传动，配置传感器感应装置进行控制。4.2主要功能(1) 靠背背部按摩。如图21所示，六根按摩轮分别安装在靠背的两侧，其外框与细圆柱钢之间为间隙配合，可上下移动，自主调节。6根滚动按摩棍表面凹凸不平，几何形状规则，刺激后背各处穴位，具有背部按摩功效，促进血液循环，缓解学生学习时间过长引起的疲劳与颈肩酸痛，提供舒适的课余休息。 图19 图20（2）课桌整体移动灵活并能即停固定课桌底部安装的万向球如图22所示，该球与限制球面之间为精密间隙配合，表面粗糙度很小，加工精度高，承载时移动灵活，方便运输与场地布置。万向球伸出移动，收缩即停，该功能详细机构见说明书2.6万向轮复位方案比较。图21（3）桌面可前后移动、可展开、可旋转如图21所示，桌面通过合页与空心圆钢连接，空心圆钢开通槽，槽面紧顶竖直钢板，表面焊接双面角钢支撑桌面底部，保持桌面水平，并可沿图示箭头方向双向移动，通过合页翻转，方便人员流通、交流讨论。图22（4）座椅人机功能矫坐姿、防近视在大学里，普通课桌椅通过螺栓与地面固定，桌面端部与靠背距离限制为95cm左右，学生完成作业时，身体上半部必须前倾，稍压于桌面。此时背部离靠背稍远，无法受到支承，处于自由状态，学生根据舒适度随意调整坐姿，易养成不良坐姿习惯。一体化课桌椅的桌面可前后移动，学生后背躺在靠背上时，仍能将手臂及肘部置于桌面完成作业，保持颈部，眼睛与桌面视距合理，能预防近视，维持背部良好坐姿，使学生能正常学习工作。图 23（5）智能防占座签到功能座椅配备的感应开关能避免各高校普遍的占座现象，做到一人一桌。学生进入教室后，用手机对着任一课桌侧面的感应锁刷卡，感应锁就会自动开启，使座椅可转动到水平位置，学生即可坐下。同时，感应锁内的NFC标签激活手机运行“NFC手机签到”软件，发送学生签到信息（如学生姓名、学号、签到时间等等）。并有为其保留十五分钟的离开时间，在十五分钟内，学生只能刷同一张桌椅。调定时间到了之后，学生信息即被清除，感应锁即可让下一位学生刷卡入座。将此系统与大学教务系统结合，可传输学生课堂签到数据，为老师统计到课人数及早退情况，完成智能收集教学情况的任务。图24 图 25（6）提示遗漏物品、集中处理垃圾普通桌椅储物开口水平，学生视线受桌面阻挡，不利于清点物品。而学生离开本课桌座位时，座椅随自重下摆，物品柜开口向上，与学生目光相交，遗漏易被察觉；清洁员在清扫垃圾时，可将座椅沿图27所示方向双向摆动，垃圾集中从柜底缝隙中流出，方便从后面清理。图26 图27（7）桌面高度可调（即调节立柱伸缩长度）。三节圆钢之间均为间隙配合，圆柱销与空心圆钢表面圆柱孔的配合为螺纹配合，可旋进旋出。旋进时，销头将圆柱面顶紧，滑动摩擦力增大，方钢表面之间相对运动受阻，桌面高度固定，需要调节高度时将圆柱销旋出来即可。图28（8）备用桌面为满足学生学习