PAGE11夢(mèng)幻課堂—多功能課桌椅設(shè)計(jì)說明書作品內(nèi)容簡(jiǎn)介在原本課桌椅的基礎(chǔ)上，增添可實(shí)現(xiàn)前后桌討論和可輕松地變?yōu)橹茍D桌的功能。充分利用課桌椅各項(xiàng)結(jié)構(gòu)和材料，更好地改進(jìn)機(jī)械類課程的授課方式。椅子通過用“導(dǎo)軌式”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)前后拉動(dòng)，再通過鉸鏈?zhǔn)沟拾迥?0度翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生可以面向前排或后排坐下，方便前后桌同學(xué)小組討論。桌面是通過在桌板下面安裝兩個(gè)帶滑槽且?guī)в邪疾鄣慕卿?，桌板和桌體用兩邊的斜撐桿連接，桿與桌體又用了一個(gè)彈簧連接，在使用前只需用手輕輕地頂一下桌板，則桿的一端和桌體通過鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端可在滑槽自由移動(dòng)并通過凹槽實(shí)現(xiàn)桌板的自鎖。在使用之后也是只需要輕輕地頂一下桌板，就能通過彈簧帶動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)桌板收回，這樣就可以輕松地實(shí)現(xiàn)制圖桌的功能。實(shí)驗(yàn)表明：該課桌椅具有操作簡(jiǎn)單、功能實(shí)現(xiàn)效果良好、實(shí)用性很強(qiáng)以及多功能等特點(diǎn)1研制背景及意義隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作及實(shí)踐能力培養(yǎng)愈發(fā)得到重視。特別是在機(jī)械類課程中，授課方式的多樣性受到了現(xiàn)有的教室設(shè)備單一功能性的限制；所以本作品的設(shè)計(jì)目的就是為了解決目前所面臨的一些問題以及未來多變的授課方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本作品通過巧妙的設(shè)計(jì)使原本的課桌椅實(shí)現(xiàn)了可以前后桌小組討論以及快速轉(zhuǎn)換為制圖桌的功能，解決了在小組討論環(huán)節(jié)座位固定帶來不便的問題。本設(shè)計(jì)作品不僅可以應(yīng)用到機(jī)械類課程的教室課桌椅設(shè)計(jì)中，還可以推廣應(yīng)用到其他工程類專業(yè)教室，以及需要講授加小組討論授課模式的課程教室中；因此，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。2設(shè)計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)想本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念是在原本的課桌椅基礎(chǔ)上，我們把課桌椅更好地結(jié)合起來以達(dá)到能實(shí)現(xiàn)在機(jī)械類課程中能前后桌討論以及能在用時(shí)較輕松地變成制圖桌。綜合考慮各種因素以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過以上機(jī)構(gòu)的運(yùn)用本作品擁有操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)以及多功能等優(yōu)勢(shì)。圖2.22.2“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)我們?cè)O(shè)計(jì)的“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)如圖2所示。原本的課桌椅的位置是固定的，也就是說不能實(shí)現(xiàn)前后桌討論，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的課桌椅距離固定，前桌轉(zhuǎn)過去根本沒有可以放腳的地方。就必須重新巧妙地設(shè)計(jì)課桌或者是椅子。如果從桌子入手就只能用升降機(jī)構(gòu)，把桌子降下去當(dāng)椅子，把椅子升上去變?yōu)樽雷?。但是如果這樣的話工程很大，結(jié)構(gòu)也較不合理。于是我們決定要從椅子入手。后來經(jīng)過很多次討論，又得出兩種解決方案：第一，通過類似四連桿結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)椅子前后轉(zhuǎn)化，這樣的機(jī)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，但是對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)整體有很大的剛度以及機(jī)構(gòu)的要求。第二，通過“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)椅子前后移動(dòng)的話，則對(duì)機(jī)構(gòu)的加工會(huì)有比較大的要求，但結(jié)構(gòu)比較可靠。綜合各種因素考慮，我們團(tuán)隊(duì)則采用方案二，即“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)。2.3翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)現(xiàn)在的課桌椅，給人感覺結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但恰恰就是因?yàn)檫@樣，功能比較單一。所以我們團(tuán)隊(duì)就想：能不能在原本的課桌椅基礎(chǔ)上再加上另外一些功能？當(dāng)然，加上的功能要實(shí)用，而且操作簡(jiǎn)單。通過觀察我們注意到在學(xué)習(xí)工程制圖、機(jī)械制圖以及課程設(shè)計(jì)等機(jī)械類課程，往往需要專門的制圖教室和專門的制圖桌，而這些教室平常又一般不會(huì)用于其它用途，放在那浪費(fèi)了許多教室，不利于學(xué)校充分利用教室資源。但是我們通過巧妙地設(shè)計(jì)運(yùn)用一些機(jī)構(gòu)輕松實(shí)現(xiàn)了普通桌子向制圖桌轉(zhuǎn)變，這樣的話基本可以廣泛地適用于制圖課，并且可以把制圖板放在桌面，而且可以三角度翻轉(zhuǎn)桌板角度，基本可以適用不同需求。此外我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)裝置：在桌板下面安裝一對(duì)帶有滑槽的角鋼，在滑槽上面又多銑了三個(gè)凹槽，然后用兩個(gè)桿將角鋼和桌體連接起來。只要輕輕地把桌板輕輕一提就可以翻轉(zhuǎn)成為制圖桌，而且在不用時(shí)只要再提一下桌板，彈簧就可以帶動(dòng)桿擺動(dòng)直至桌板水平。3理論設(shè)計(jì)計(jì)算3.1總體尺寸設(shè)計(jì)此作品最大的創(chuàng)新點(diǎn)就在于椅子可通過“滑軌式”裝置進(jìn)行平移實(shí)現(xiàn)可前后桌討論課桌椅和實(shí)現(xiàn)制圖桌功能，因此要設(shè)計(jì)好主要結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)其功能?！盎壥健毖b置尺寸：為了能實(shí)現(xiàn)前后討論功能，凳板應(yīng)不能阻礙人可以站起往后桌方向走并直立坐下，故這個(gè)裝置的長度取350mm，再從負(fù)重角度考慮，厚度為66mm，定寬度為40mm椅子支架尺寸：根據(jù)市場(chǎng)主流課桌椅尺寸，椅子支架的長度取287mm，從負(fù)重角度考慮，寬度取為35mm，厚度取3mm。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中斜撐桿的尺寸：從功能實(shí)現(xiàn)以及美觀角度考慮，將桿的直徑取?6mm，長度取180mm。3.2強(qiáng)度與剛度校核根據(jù)市場(chǎng)主流課桌椅的尺寸，此作品桌角部分的強(qiáng)度和剛度絕對(duì)滿足使用條件，課桌椅設(shè)計(jì)載重100kg，我們參考了市場(chǎng)性能類似課桌椅的選材，并結(jié)合此作品的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求分別對(duì)斜撐桿進(jìn)行了穩(wěn)定性校核、對(duì)“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)和椅子支架進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核。3.2.1“導(dǎo)軌式”裝置強(qiáng)度校核在椅子所受載荷最大的時(shí)候需要校核，即當(dāng)椅子背拉到最外的時(shí)候且100kg人坐上去的時(shí)候，為計(jì)算方便，此時(shí)這機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化一根豎放的橫截面為No.6.3槽鋼的桿件，桿件所受的力可視為兩個(gè)相同集中力FA和FB。桿件的受力可以簡(jiǎn)化為如下圖懸臂梁模型，其中已知桿件的材料為Q235，許用應(yīng)力，彈性模量,取安全系數(shù)，設(shè)計(jì)承受重量為100kg，受力如圖3.2.1（1）所示。圖3.2.1（1）（1）由平衡條件可解得（2）計(jì)算剪力FS(x)和彎矩M(x)在OA段，在AB段，在BC段，（3）畫出剪力圖和彎矩圖如圖3.2.2（2）所示。圖3.2.2（2）（4）計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力。查表，可得：對(duì)Z軸的慣性矩IZ所以，此機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。3.2.2“導(dǎo)軌式”裝置剛度校核由以上簡(jiǎn)化模型可知，在桿件承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）Wmax利用疊加原理可分為單獨(dú)在FA和FB作用的情況，則利用公式可得：由此，桿件最大撓度為0.065mm，由于擾度較小，完全滿足使用要求。3.2.3椅子支架強(qiáng)度校核在椅子所受載荷最大的時(shí)候需要校核，即當(dāng)椅子背拉到最外的時(shí)候且100kg人坐上去的時(shí)候，因?yàn)橐巫又Ъ転閷?duì)稱的結(jié)構(gòu)，為計(jì)算方便，可以取一部分來進(jìn)行分析即可，可以簡(jiǎn)化一根橫截面為厚度h為35mm、寬度b為3mm的矩形桿件，桿件所受的力可視為一個(gè)均布載荷q，此時(shí)，。桿件的受力可以簡(jiǎn)化為如下圖懸臂梁模型，其中已知桿件的材料為Q235，許用應(yīng)力，彈性模量,取安全系數(shù)，設(shè)計(jì)承受重量為100kg，受力如圖3.2.3（1）所示。圖3.2.3（1）（1）由平衡條件可解得（2）計(jì)算剪力FS(x)和彎矩M(x)在OA段，在AB段，（3）畫出剪力圖和彎矩圖如圖3.2.4（2）所示圖3.2..4（2）（4）計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力。所以，此支架滿足強(qiáng)度要求。3.2.4椅子支架剛度校核由以上簡(jiǎn)化模型可知，在桿件承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）Wmax利用疊加原理可分為整根桿受q作用和l1受反向q作用的兩種情況，則利用公式可得：由此，桿件最大撓度為0..126mm，由于擾度較小，完全滿足使用要求。但是，當(dāng)我們坐上的時(shí)候，我們的椅子的撓度是兩根桿件撓度之和，即3.2.3對(duì)斜撐桿的穩(wěn)定性校核1）桌面板與斜撐桿的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：桌面板的受力圖（已簡(jiǎn)化為平面問題的受力圖）列平衡方程：代入桌板的重力和幾何尺寸參數(shù)，因?yàn)樾睋螚U有三種狀態(tài)，計(jì)算求出作用于斜撐桿最大的作用力經(jīng)測(cè)量可得：長度，直徑，材料為45號(hào)鋼。（1）計(jì)算慣性半徑（2）計(jì)算AB桿的實(shí)際柔度120，（由于AB桿兩端可視為鉸支約束，則長度因數(shù)）（3）根據(jù)桿材料計(jì)算或查表，（4）將AB桿的實(shí)際柔度與其材料的和比較，下面根據(jù)比較結(jié)果分兩種情形：，則AB桿屬于大柔度桿（細(xì)長桿），用歐拉公式計(jì)算臨界壓力歐拉公式：其中：彈性模量，再計(jì)算，AB桿的工作安全因數(shù)：，，則AB桿滿足穩(wěn)定性要求。（其中，穩(wěn)定安全因數(shù)取。）4工作原理及性能分析4.1工作原理下面對(duì)課桌椅實(shí)現(xiàn)前后桌討論和實(shí)現(xiàn)制圖桌的整個(gè)過程予以說明。1）如圖4.1所示為初狀態(tài)。課桌椅跟原本課桌椅一樣.2）如圖4.2所示，當(dāng)我們要用的時(shí)候只要跟原本一樣，只要將椅子放平就可以坐下去了。唯一不同就是單側(cè)實(shí)現(xiàn)。3）當(dāng)我們要用前后桌功能時(shí)，如圖4.3所示，我們先站起來，將凳板通過鉸鏈翻轉(zhuǎn)，再將椅子沿導(dǎo)軌拉出一定的距離出來，然后人走過去，最后人就可以坐下去進(jìn)行前后桌討論了。圖4.1如圖4.2圖4.34）如圖4.4所示，當(dāng)我們要用制圖桌的時(shí)候，我們只要把桌板下面的板掰上來，這時(shí)，已經(jīng)差不多是一個(gè)制圖桌的規(guī)格了。5）如圖4.5所示，我們接著用手輕輕地把木板推一下，桿就會(huì)沿著槽相對(duì)平移，桿運(yùn)動(dòng)到在凹槽處就可以利用桌板的重力實(shí)現(xiàn)自鎖，。6）如圖4.6所示，當(dāng)我們不用制圖桌時(shí)，我們用手輕輕一推木板，利用彈簧將桿收回直至桌板水平，再將小板折回即可。圖4.4圖4.5圖4.64.2性能（1）“導(dǎo)軌式”機(jī)構(gòu)，長350mm，寬為40mm，高72mm，設(shè)計(jì)載重150kg。（2）椅子支架，長287，寬3mm，高為35mm，設(shè)計(jì)載重100kg。(3)斜撐桿，長為180mm，直徑為6mm，設(shè)計(jì)載重10kg。作品完成制作后，作品外形照片見圖4.2.1和4.2.2圖4.2.1圖4.2.25創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用1）通過擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將普通課桌迅速轉(zhuǎn)換成機(jī)械制圖桌的功能，達(dá)到一桌多用途的效果；2）通過平移導(dǎo)軌及翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將普通單面向講臺(tái)的課椅快速轉(zhuǎn)換為可以前后桌同學(xué)面對(duì)面交流的課椅，方便小組協(xié)作討論。3）通過在桌板下安裝帶有滑槽的角鋼和桿，可以輕松地實(shí)現(xiàn)桌板自鎖，桿和彈簧又能實(shí)現(xiàn)桌板收回；4）該作品具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、功能實(shí)現(xiàn)效果良好等特點(diǎn)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，學(xué)生的團(tuán)結(jié)合作及實(shí)踐能力培養(yǎng)愈發(fā)得到重視。在機(jī)械類課程中，授課方式的多樣性受到了現(xiàn)有的教室設(shè)備單一功能性的限制；本作品通過巧妙的設(shè)計(jì)使課桌實(shí)現(xiàn)了可以前后桌小組討論以及快速轉(zhuǎn)換為制圖桌的功能，解決了在小組討論環(huán)節(jié)座位固定帶來不便的問題。本設(shè)計(jì)作品不僅可以應(yīng)用到機(jī)械類課程的教室課桌椅設(shè)計(jì)中，