机械创新大赛一等奖设计说明书

PAGE11梦幻课堂—多功能课桌椅设计说明书作品内容简介在原本课桌椅的基础上，增添可实现前后桌讨论和可轻松地变为制图桌的功能。充分利用课桌椅各项结构和材料，更好地改进机械类课程的授课方式。椅子通过用“导轨式”结构实现前后拉动，再通过铰链使凳板能90度翻转，实现学生可以面向前排或后排坐下，方便前后桌同学小组讨论。桌面是通过在桌板下面安装两个带滑槽且带有凹槽的角钢，桌板和桌体用两边的斜撑杆连接，杆与桌体又用了一个弹簧连接，在使用前只需用手轻轻地顶一下桌板，则杆的一端和桌体通过铰链转动，另一端可在滑槽自由移动并通过凹槽实现桌板的自锁。在使用之后也是只需要轻轻地顶一下桌板，就能通过弹簧带动杆实现桌板收回，这样就可以轻松地实现制图桌的功能。实验表明：该课桌椅具有操作简单、功能实现效果良好、实用性很强以及多功能等特点1研制背景及意义随着社会的不断发展，学生的团结合作及实践能力培养愈发得到重视。特别是在机械类课程中，授课方式的多样性受到了现有的教室设备单一功能性的限制；所以本作品的设计目的就是为了解决目前所面临的一些问题以及未来多变的授课方式。实验结果表明：本作品通过巧妙的设计使原本的课桌椅实现了可以前后桌小组讨论以及快速转换为制图桌的功能，解决了在小组讨论环节座位固定带来不便的问题。本设计作品不仅可以应用到机械类课程的教室课桌椅设计中，还可以推广应用到其他工程类专业教室，以及需要讲授加小组讨论授课模式的课程教室中；因此，具有较大的推广应用价值。2设计方案2.1总体设计构想本产品的设计理念是在原本的课桌椅基础上，我们把课桌椅更好地结合起来以达到能实现在机械类课程中能前后桌讨论以及能在用时较轻松地变成制图桌。综合考虑各种因素以及实验结果：通过以上机构的运用本作品拥有操作简单，实用性强以及多功能等优势。图2.22.2“导轨式”机构我们设计的“导轨式”机构如图2所示。原本的课桌椅的位置是固定的，也就是说不能实现前后桌讨论，因为传统的课桌椅距离固定，前桌转过去根本没有可以放脚的地方。就必须重新巧妙地设计课桌或者是椅子。如果从桌子入手就只能用升降机构，把桌子降下去当椅子，把椅子升上去变为桌子。但是如果这样的话工程很大，结构也较不合理。于是我们决定要从椅子入手。后来经过很多次讨论，又得出两种解决方案：第一，通过类似四连杆结构来实现椅子前后转化，这样的机构加工简单，但是对整个机构整体有很大的刚度以及机构的要求。第二，通过“导轨式”机构来实现椅子前后移动的话，则对机构的加工会有比较大的要求，但结构比较可靠。综合各种因素考虑，我们团队则采用方案二，即“导轨式”机构。2.3翻转机构现在的课桌椅，给人感觉结构很简单，但恰恰就是因为这样，功能比较单一。所以我们团队就想：能不能在原本的课桌椅基础上再加上另外一些功能？当然，加上的功能要实用，而且操作简单。通过观察我们注意到在学习工程制图、机械制图以及课程设计等机械类课程，往往需要专门的制图教室和专门的制图桌，而这些教室平常又一般不会用于其它用途，放在那浪费了许多教室，不利于学校充分利用教室资源。但是我们通过巧妙地设计运用一些机构轻松实现了普通桌子向制图桌转变，这样的话基本可以广泛地适用于制图课，并且可以把制图板放在桌面，而且可以三角度翻转桌板角度，基本可以适用不同需求。此外我们设计了一个装置：在桌板下面安装一对带有滑槽的角钢，在滑槽上面又多铣了三个凹槽，然后用两个杆将角钢和桌体连接起来。只要轻轻地把桌板轻轻一提就可以翻转成为制图桌，而且在不用时只要再提一下桌板，弹簧就可以带动杆摆动直至桌板水平。3理论设计计算3.1总体尺寸设计此作品最大的创新点就在于椅子可通过“滑轨式”装置进行平移实现可前后桌讨论课桌椅和实现制图桌功能，因此要设计好主要结构尺寸才能合理、协调地实现其功能。“滑轨式”装置尺寸：为了能实现前后讨论功能，凳板应不能阻碍人可以站起往后桌方向走并直立坐下，故这个装置的长度取350mm，再从负重角度考虑，厚度为66mm，定宽度为40mm椅子支架尺寸：根据市场主流课桌椅尺寸，椅子支架的长度取287mm，从负重角度考虑，宽度取为35mm，厚度取3mm。翻转机构中斜撑杆的尺寸：从功能实现以及美观角度考虑，将杆的直径取∅6mm，长度取180mm。3.2强度与刚度校核根据市场主流课桌椅的尺寸，此作品桌角部分的强度和刚度绝对满足使用条件，课桌椅设计载重100kg，我们参考了市场性能类似课桌椅的选材，并结合此作品的结构及设计要求分别对斜撑杆进行了稳定性校核、对“导轨式”机构和椅子支架进行了强度和刚度校核。3.2.1“导轨式”装置强度校核在椅子所受载荷最大的时候需要校核，即当椅子背拉到最外的时候且100kg人坐上去的时候，为计算方便，此时这机构可以简化一根竖放的横截面为No.6.3槽钢的杆件，杆件所受的力可视为两个相同集中力FA和FB。杆件的受力可以简化为如下图悬臂梁模型，其中已知杆件的材料为Q235，许用应力，弹性模量,取安全系数，设计承受重量为100kg，受力如图3.2.1（1）所示。图3.2.1（1）（1）由平衡条件可解得（2）计算剪力FS(x)和弯矩M(x)在OA段，在AB段，在BC段，（3）画出剪力图和弯矩图如图3.2.2（2）所示。图3.2.2（2）（4）计算最大弯曲正应力。查表，可得：对Z轴的惯性矩IZ所以，此机构满足强度要求。3.2.2“导轨式”装置刚度校核由以上简化模型可知，在杆件承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）Wmax利用叠加原理可分为单独在FA和FB作用的情况，则利用公式可得：由此，杆件最大挠度为0.065mm，由于扰度较小，完全满足使用要求。3.2.3椅子支架强度校核在椅子所受载荷最大的时候需要校核，即当椅子背拉到最外的时候且100kg人坐上去的时候，因为椅子支架为对称的结构，为计算方便，可以取一部分来进行分析即可，可以简化一根横截面为厚度h为35mm、宽度b为3mm的矩形杆件，杆件所受的力可视为一个均布载荷q，此时，。杆件的受力可以简化为如下图悬臂梁模型，其中已知杆件的材料为Q235，许用应力，弹性模量,取安全系数，设计承受重量为100kg，受力如图3.2.3（1）所示。图3.2.3（1）（1）由平衡条件可解得（2）计算剪力FS(x)和弯矩M(x)在OA段，在AB段，（3）画出剪力图和弯矩图如图3.2.4（2）所示图3.2..4（2）（4）计算最大弯曲正应力。所以，此支架满足强度要求。3.2.4椅子支架刚度校核由以上简化模型可知，在杆件承受最大载荷状态下的最大变形量（挠度）Wmax利用叠加原理可分为整根杆受q作用和l1受反向q作用的两种情况，则利用公式可得：由此，杆件最大挠度为0..126mm，由于扰度较小，完全满足使用要求。但是，当我们坐上的时候，我们的椅子的挠度是两根杆件挠度之和，即3.2.3对斜撑杆的稳定性校核1）桌面板与斜撑杆的结构简图：桌面板的受力图（已简化为平面问题的受力图）列平衡方程：代入桌板的重力和几何尺寸参数，因为斜撑杆有三种状态，计算求出作用于斜撑杆最大的作用力经测量可得：长度，直径，材料为45号钢。（1）计算惯性半径（2）计算AB杆的实际柔度120，（由于AB杆两端可视为铰支约束，则长度因数）（3）根据杆材料计算或查表，（4）将AB杆的实际柔度与其材料的和比较，下面根据比较结果分两种情形：，则AB杆属于大柔度杆（细长杆），用欧拉公式计算临界压力欧拉公式：其中：弹性模量，再计算，AB杆的工作安全因数：，，则AB杆满足稳定性要求。（其中，稳定安全因数取。）4工作原理及性能分析4.1工作原理下面对课桌椅实现前后桌讨论和实现制图桌的整个过程予以说明。1）如图4.1所示为初状态。课桌椅跟原本课桌椅一样.2）如图4.2所示，当我们要用的时候只要跟原本一样，只要将椅子放平就可以坐下去了。唯一不同就是单侧实现。3）当我们要用前后桌功能时，如图4.3所示，我们先站起来，将凳板通过铰链翻转，再将椅子沿导轨拉出一定的距离出来，然后人走过去，最后人就可以坐下去进行前后桌讨论了。图4.1如图4.2图4.34）如图4.4所示，当我们要用制图桌的时候，我们只要把桌板下面的板掰上来，这时，已经差不多是一个制图桌的规格了。5）如图4.5所示，我们接着用手轻轻地把木板推一下，杆就会沿着槽相对平移，杆运动到在凹槽处就可以利用桌板的重力实现自锁，。6）如图4.6所示，当我们不用制图桌时，我们用手轻轻一推木板，利用弹簧将杆收回直至桌板水平，再将小板折回即可。图4.4图4.5图4.64.2性能（1）“导轨式”机构，长350mm，宽为40mm，高72mm，设计载重150kg。（2）椅子支架，长287，宽3mm，高为35mm，设计载重100kg。(3)斜撑杆，长为180mm，直径为6mm，设计载重10kg。作品完成制作后，作品外形照片见图4.2.1和4.2.2图4.2.1图4.2.25创新点及应用1）通过摆动导杆机构设计，实现将普通课桌迅速转换成机械制图桌的功能，达到一桌多用途的效果；2）通过平移导轨及翻转装置设计，实现将普通单面向讲台的课椅快速转换为可以前后桌同学面对面交流的课椅，方便小组协作讨论。3）通过在桌板下安装带有滑槽的角钢和杆，可以轻松地实现桌板自锁，杆和弹簧又能实现桌板收回；4）该作品具有操作简单、实用性强、功能实现效果良好等特点。随着社会的不断发展，学生的团结合作及实践能力培养愈发得到重视。在机械类课程中，授课方式的多样性受到了现有的教室设备单一功能性的限制；本作品通过巧妙的设计使课桌实现了可以前后桌小组讨论以及快速转换为制图桌的功能，解决了在小组讨论环节座位固定带来不便的问题。本设计作品不仅可以应用到机械类课程的教室课桌椅设计中，