第六届机械创新设计大赛省一等奖产品使用设计说明书

1、多功能移动课堂设计说明书设计者：刘成、石斐、唐飞、王晨希指导教师：奚延辉、曹宏瑞（西安交通大学机械工程学院，西安，710049）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，属于教室使用设备。可移动现场课堂就是指课堂内用具可以随着教学地点以及条件的变化便携地被人移动，可以实现在工厂、生产线、大型设备旁现场讲课的要求，以达到提升教学质量，降低教学成本以及方便组织教学工作的效果。课堂最重要的两个物品就是显示板和桌椅。于是，我组从这两方面入手，来进行移动课堂的设计。我们的折叠桌椅是通过两组平面四连杆机构实现的，结构精巧，只有一个自由度，使用时将桌板以及凳子靠背板展开，靠背与水平面成90

2、度角，角度由四个凳子腿间的两根钢丝绳控制。当需要移动时，将桌板和靠背板合拢，整个折叠桌椅就变成了三块板的叠加，而且所有的连杆在折叠动作完成后全部平行，精致美观，学生一个手可以轻松拿起。我们组的显示装置主题由两个支架，两个滚筒以及显示幕布组成。滚筒的设计较为精巧，当滚筒正向转动时，显示幕布会向上翻页，腾出干净的空间供老师授课使用，与此同时，我组的显示装置设有清洁环节，在幕布向上翻页的同时，清洁装置会对有印迹的部分进行清洁。显示幕布采用白色塑料板，使用油性笔代替传统的粉笔，既环保，又字迹清晰，不反光，便于清除笔迹。当滚筒反向转动时，整个显示幕布会向上慢慢卷起，最终收为两个滚筒，为了减轻重量便于携带

3、，我们的支架所用钢管均采用薄壁钢管，在保证机械强度的同时提高了便捷性。联系人：石斐联系电话-mail：4713745231、研制背景及意义在目前的课堂教学过程中，几乎所有的课堂都是大教室室内教学，在室内的教学空气流通差，尤其是上课人数较多时，大家都处于闷热的环境下，并且空气中常常会有异味，导致上课气氛沉闷，没有生气，学生的学习效率普遍偏低，上课时睡觉人数以及玩手机人数很多，课堂教学效果欠佳。鉴于以上种种情况，我们小组进行讨论并提出了“移动课堂”的概念，在移动上课最大的改善就是空气质量以及气氛的活跃，不但满足了学生的新鲜感，还能提高学生的兴趣。在室外上课，学生不易犯困，

4、也更加容易集中注意力听老师讲课。而目前，除了体育课堂，其他的理论课程都缺乏在室外上课的条件，市面上专门适用于移动课堂的桌椅以及显示设备基本处于空白，一些室内设备虽然在室外也可以使用，但是由于可移动性差或是显示效果差均会影响课堂质量。于是，我们打算做出适合移动课堂使用的桌椅和黑板。2、设计方案2.1总体方案设想首先，对于显示板来讲，为了能够移动便捷，我组的显示板采用透明塑料布材质，配有滚筒，当不使用或是需要移动时，可以卷起成圆柱状，一个人就可以轻松搬到指定地点。另外，滚筒的滚动采用两个滚动结构，当塑料布写满文字时，滚动下面的滚筒，可以实现幕布绕滚筒进行滚动，切换到没有文字的塑料布，同时有我们的幕

5、布后方设置有清洁海绵，通过调整夹紧力，可以实现将幕布上的字迹在滚动的同时清除。显示板包括板面，板面为一长方形的墙纸贴, 墙纸贴首尾相接连接成环状,板面套在设于黑板上下侧的两根转轴之间,转轴用支架竖直固定；在上侧的转轴右侧安装一个摇臂,通过摇臂能使板面在转轴的带动下实现收纳的作用；在转轴的外侧设有板擦,板擦用支架固定,板擦的擦毛能与板面接触和分离，从而实现更换。其次对于桌椅来讲，我组想设计一款简洁大方且便于移动的组合桌椅，使用时展开便可利用桌子做笔记，不使用时合上可以合为三个板叠放的形态，便于移动。2.2折叠桌椅的金属框架设计我组对折叠桌椅的初步设计草图如图1、2所示。图1 折叠桌椅（展开）初步

6、设计草图图2 折叠桌椅（闭合）初步设计草图在折叠桌椅的设计方面，由于我们主要要求实现的是折叠功能，所以桌椅的宽度尺寸对于我们来讲并不很重要，我们重点关注了折叠桌椅中各个连杆以及木板所组成的机构、配合要求以及折叠方式。在我们的初步设计图中，A、B、C、D四个点组成了一组全等三角形，在整个折叠的过程中，这两个三角形始终保持着全等的关系，最终均收为一条直线。整个折叠机构是两个大的平面四连杆机构，所有杆件全部联动，所以系统自由度为1。在我们的初步设计中，我们预设木板宽度为400mm，厚度为15mm，我们接下来的任务就是对所涉及的结构进行三维建模检查可行性、解决折叠中可能存在的干涉问题并且对整个系统进行

7、受力分析和选定连杆直径。2.3折叠桌椅的三维建模在建模的过程中，我组使用的是SOLIDWORKS软件，将各个连杆以及木板制作零件图，然后进行装配。建模结果如图3和图4所示。图3 展开状态的折叠桌椅在SOLIDWORKS中的建模图4 闭合状态的折叠桌椅在SOLIDWORKS中的建模在建模的过程中，我们通过模拟折叠运动解决了一系列干涉问题，并且拟定了连杆之间以及连杆与木板之间的连接方式。在整个折叠的过程中，不存在任何干涉问题，并且在折叠动作完成后，所有的木板以及连杆均保持平行状态。接下来我们需要解决的就是受力分析的问题了。2.4折叠桌椅的受力分析我组利用草图所示连杆结构对所有连杆进行了受力分析。（

8、字母标注见图1）假设座椅板收到竖直向下的力150kg。2.4.1整体分析四个与地面接触的点受力均为F=G4=375N，方向竖直向上。2.4.2对杆AB,AH的受力分析FBFABA FHHCAFAFYFX图5 AB 杆受力分析图 图6 AH杆受力分析图列出方程组：FA+FY+FH=0FX=0FA×lAC=FH×lCH解得：FX=0FB=FA=510.42N，方向竖直向上FY=-135.42N，方向竖直向下2.4.3对杆BE的受力分析FEFYFXFBEDB图7 BE杆受力分析图列出方程组：FX=FE×cos50°FY+FE×sin50°=

9、FBFB×lBE=FY×80解得：FY=2.8kNFX=3kNFE=4.7Kn2.4.4对杆CF的受力分析FFFFDYFDXFCYFCXFCDCM图8 CF杆受力分析图计算结果如下：FC=FM=375NFF=FDX=3kNFDX=3kN,FDY=2.8kNFCY=135.42kNFCX=0kN力的方向均如图所示。2.5显示板初步设计图图9 显示板初步设计图在我们的初步设计中，我们计划用折叠好的凳子作为显示板的支架，但是在制作过程中发现这种支架很不稳定，于是我们决定另作一个支架。初步设计中显示幕布是使用一组弹性支架撑开的，后来，发现可行性不高，就决定采用利用滚筒自身重力展开的

10、方式，支架采用不同直径的薄壁钢管，便于拆卸和移动。我们采用了沾水的海绵作为清洁装置，适当加大夹紧力有助于清洁装置的使用。2.6显示板工作原理及性能分析在上侧的转轴右侧安装一个摇臂,通过摇臂能使板面在转轴的带动下实现收纳的作用；在转轴的外侧设有板擦,板擦用支架固定,板擦的擦毛能与板面接触和分离，从而实现更换。由于本新型黑板的板面为环状软质板面,有上下两层,在使用过程中板面可以绕转轴转动,使下面的板面转到上面,这样能重现早先板书过的重要知识点,提高课堂效率。此时,所有板面形成整体结构,变成整块的板面,便于师生在板面进行书写；当这面书写完毕后,使用者继续转动摇把,把有字迹的板面一面转至内侧,把空白的

11、一面露出来,便可继续书写，这样同时在黑板转动的过程中实现了自动擦除的功能。3、部分零件图、装配图展示图10 折叠桌椅装配图图11 折叠桌椅连接处设计图12 显示板装配图4、实物展示图13 折叠桌椅展开状态实物图图14 折叠桌椅闭合状态实物图图15 显示板整体图图16 显示板收纳装置图17 显示板滚动装置5、创新点及应用5.1创新点5.1.1桌椅仅需一个自由度即可完成折叠折叠桌椅所有部件联动，只有一个自由度5.1.2折叠完成后所有连杆以及木板全部保持平行美观大方，便于携带5.1.3显示装置的正反向滚动设计正向滚动进行翻页并清洁，反向滚动进行收纳5.1.4滚筒装置与清洁装置的同步使用在正向滚动的同时，清洁装置也发挥作用，将滚过幕布清除干净。5.2设计应用在实验室以及工厂的现场教学中，固定课桌椅和黑板已经无法满足授课的需要，目前的方法是将可搬运的的桌椅搬来搬去，来满足教学条件，但是这些教学用具并不是为移动式的授课专门打造，会存在搬运不便、使用条件差等问题，影响授课质量。我组设计的移动课堂理念可以运用在实验室以及工厂的现场教学中，方便了移动式的授课方式。参考文献1 宋超英. 机械制造实训教程西安：西