便攜式多功能繪圖桌的設(shè)計(jì)

王 林 錢金貴 詹佳輝 周蘇潔 玄東吉（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325035）

便攜式多功能繪圖桌的設(shè)計(jì)

王 林 錢金貴 詹佳輝 周蘇潔 玄東吉
（溫州大學(xué)，浙江 溫州 325035）

繪圖桌是工程測(cè)繪的必備工具。本文提出了一種多功能繪圖桌，將繪圖桌和旅行箱合二為一，增加了便攜性。繪圖桌的功能豐富，設(shè)計(jì)人性化，繪圖效率得到了提高。本文通過(guò)對(duì)繪圖桌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理的介紹，以及關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核計(jì)算，為繪圖桌的制造和實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

多功能繪圖桌；旅行箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核

1概述

手工繪圖作為一項(xiàng)基本繪圖能力，是工科類學(xué)生的必修課。繪圖桌作為重要的繪圖輔助器械，需要功能完善，搬運(yùn)便利等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)繪圖桌體積大，搬運(yùn)不便，調(diào)節(jié)性差，功能缺失，繪圖時(shí)極不方便，根據(jù)一項(xiàng)市場(chǎng)調(diào)查，大部分學(xué)生都對(duì)傳統(tǒng)繪圖桌不滿意。本文從實(shí)際需求出發(fā)，提出了一種多功能繪圖桌，將繪圖桌和旅行箱合二為一，增加了便攜性；該繪圖桌的功能豐富，設(shè)計(jì)人性化，繪圖效率得到了提高。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 繪圖桌狀態(tài)

多功能繪圖桌由折疊式桌腿、折疊繪圖板、繪圖板夾緊機(jī)構(gòu)、可拆式丁字尺和全維度讀書架四個(gè)模塊組成（如圖1所示）。折疊式桌腿主要采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，來(lái)調(diào)節(jié)繪圖桌的高度；利用氣彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)繪圖板角度的無(wú)極調(diào)節(jié)；折疊式桌腿分成上下兩部分，上部分是齒輪齒條機(jī)構(gòu)，需要調(diào)節(jié)高度時(shí)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩側(cè)的旋鈕使齒輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)旋鈕自身具有自鎖的功能。下部分是兩個(gè)齒輪腳桿，通過(guò)一對(duì)嚙合齒輪接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)展開和收攏。整個(gè)桌腿可以實(shí)現(xiàn)快速折疊和展開，充分體現(xiàn)了便捷的特點(diǎn)。此外，桌腿的整個(gè)結(jié)構(gòu)是三角形設(shè)計(jì)，可充分確保桌子的穩(wěn)定，克服了由折疊帶來(lái)的不穩(wěn)定因素（如圖2所示）。眾所周知，繪圖對(duì)繪圖板的表面要求很高，由于所設(shè)計(jì)的繪圖板分成左右兩塊，導(dǎo)致在繪圖板面上留有一條縫隙。因而，將折疊繪圖板設(shè)計(jì)成右繪圖板固定在箱體上，左繪圖板是可移動(dòng)的；通過(guò)施加外力給可移動(dòng)的繪圖板，從而使兩塊繪圖板夾緊，減輕縫隙對(duì)繪圖的影響。同時(shí)，將整個(gè)箱體空間進(jìn)行合理布局，分別安裝有鉛筆抽屜、圖紙抽屜和讀書架抽屜和自動(dòng)削鉛筆裝置，方便使用者放置各種繪圖工具、圖紙以及削鉛筆。傳統(tǒng)的固定圖紙方式：圖釘、膠帶等，這些方式都會(huì)對(duì)繪圖板和圖紙有損害。通過(guò)在繪圖板內(nèi)部鑲嵌有吸鐵石，可以固定各種型號(hào)的圖紙。這可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損害固定圖紙（如圖3所示）。繪圖板夾緊機(jī)構(gòu)主要是為了解決繪圖板的縫隙問題。同時(shí)由于整個(gè)箱體的空間有限，且要有效持續(xù)施加一定的力，因而采用彈簧來(lái)施加力，可以避免因施力時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致力衰減。整個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊旋鈕可以達(dá)到施加力和釋放力兩個(gè)過(guò)程。初始狀態(tài)下，凸輪行程處于最低位置，卡爪與固定帽脫離；夾緊過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊旋鈕，凸輪將卡爪向一個(gè)方向移動(dòng)，最終卡爪鎖緊在固定帽上，使彈簧處于拉長(zhǎng)狀態(tài)，從而兩塊繪圖板夾緊。釋放過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)夾緊旋鈕，凸輪將卡爪向一個(gè)方向移動(dòng)，卡爪于移動(dòng)帽接觸且?guī)?dòng)移動(dòng)帽往相反方向移動(dòng)。最終移動(dòng)帽與固定帽接觸，卡爪脫離固定帽，返回到初始狀態(tài)（如圖4所示）。

傳統(tǒng)的丁字尺較長(zhǎng)，不便于攜帶。本文提出了可拆式丁字尺。該丁字尺由懸臂短尺，水平尺等部分組成。懸臂短尺固定在滑塊上，用于支撐水平尺；滑塊與懸臂短尺位于水平尺兩側(cè)，且滑塊上有滑塊調(diào)節(jié)螺柱，壓彈簧位于滑塊調(diào)節(jié)螺柱與滑塊之間，將整個(gè)尺抬高紙面一定距離。懸臂短尺和水平尺靠彈簧柱、彈簧擋環(huán)、壓彈簧等機(jī)構(gòu)夾緊；壓緊彈簧檔環(huán)與懸臂短尺旋鈕之間有壓彈簧，將懸臂短尺與水平尺壓緊；壓緊彈簧檔環(huán)與彈簧柱利用螺紋連接；水平尺兩側(cè)有與懸臂短尺旋鈕相同外輪廓的孔廓，懸臂短尺可繞彈簧柱全角度旋轉(zhuǎn)；懸臂短尺旋鈕外輪廓與水平尺孔輪廓呈垂直，懸臂短尺與水平尺處于壓緊狀態(tài)；懸臂短尺旋鈕外輪廓與水平尺孔輪廓相重疊，水平尺可快速取出（如圖5所示）。在繪圖過(guò)程中，往往要參考書籍，而書籍的不合理放置會(huì)給使用者帶來(lái)不便，且放置位置具有不定性。因而設(shè)計(jì)了一種全維度讀書架，便于使用者在繪圖過(guò)程中放置參考書。讀書架具有全維度運(yùn)動(dòng)，任意位置停滯的特點(diǎn)，充分滿足了使用者的需求，符合人性化的設(shè)計(jì)。

整個(gè)讀書架是由四個(gè)連桿構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)全方位，任意位置的旋轉(zhuǎn)，符合不同人群的需求。讀書架的自鎖主要是靠摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。垂直角度調(diào)節(jié)桿內(nèi)部有單向滾針軸承，確保了讀書架在垂直方向上的角度。采用氣彈簧可以使讀書架的移動(dòng)范圍擴(kuò)大，同時(shí)也保證了垂直方向上的自鎖。其次，水平角度調(diào)節(jié)桿與垂直角度調(diào)節(jié)桿相結(jié)合，可以使讀書架在空間360度旋轉(zhuǎn)（如圖6所示）。讀書架與抽屜通過(guò)折疊扣相連，可以實(shí)現(xiàn)讀書架的折疊與展開。折疊好后整個(gè)機(jī)構(gòu)都在讀書架抽屜的內(nèi)部，減小占用的空間，提高空間利用率，方便管理（如圖7所示）。

2.2 旅行箱狀態(tài)

為了便于使用者在不同環(huán)境下繪圖，可以快捷地移動(dòng)繪圖桌。整個(gè)繪圖桌（包括各種繪圖工具與圖紙）可以折疊成旅行箱，方便搬運(yùn)。折疊成旅行箱后的尺寸：長(zhǎng)460mm，寬200mm，高722mm。同時(shí)還傳承傳統(tǒng)旅行箱的結(jié)構(gòu)，添加了滾輪、提手、把手、折鏈等部件，使箱子的功能更加完善，實(shí)用性更好（如圖8和圖9所示）。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

為保證便捷式多功能繪圖桌的穩(wěn)定和可靠，需要對(duì)繪圖桌的關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保設(shè)計(jì)的可靠性。

3.1 齒輪的強(qiáng)度校核分析

該齒輪用于調(diào)節(jié)繪圖桌高度的齒輪齒條機(jī)構(gòu)中，會(huì)承受桌子上部的重量，非常關(guān)鍵。因此要對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核。齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式：式中：

KH-載荷系數(shù)；

d-分度圓直徑，mm；

u-轉(zhuǎn)動(dòng)比；

T-轉(zhuǎn)矩，N·m；

ZH-區(qū)域系數(shù)；

ZE-彈性影響系數(shù)，MPa1/2；

Zε-接觸疲勞強(qiáng)度用重合度系數(shù)；

若齒面接觸疲勞強(qiáng)度σH滿足條件σH＜[σH]，則齒輪的設(shè)計(jì)符合要求。

3.2 齒輪軸的強(qiáng)度校核

齒輪軸與調(diào)節(jié)高度的旋鈕相連，需要承受桌子上部的重量，因此要對(duì)齒輪軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖10為齒輪軸的受力簡(jiǎn)圖。

校核危險(xiǎn)斷面的當(dāng)量彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：式中：

M—彎矩，N·m；

α—折合系數(shù)，取α=0.6；

TAB—扭矩，N·m；

W—抗扭截面摸量，mm3；

3.3 氣彈簧固定軸的校核

氣彈簧固定軸是調(diào)節(jié)角度機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零件，由于氣彈簧產(chǎn)生的力角度，因而對(duì)氣彈簧固定軸的強(qiáng)度要求比較高，這也關(guān)乎整個(gè)繪圖桌的可靠性。

圖11為氣彈簧固定軸的受力簡(jiǎn)圖。

校核危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式式中：

M—彎矩，N·m；

W—抗扭截面摸量，mm3；

由于該軸不受扭轉(zhuǎn)的作用：所以T=0，τ=0，α=1。

根據(jù)第三強(qiáng)度理論式中：

σ—彎曲應(yīng)力，MPa；α—折合系數(shù)，取α=1；

τ—切應(yīng)力，MPa；

若氣彈簧固定軸危險(xiǎn)斷面的當(dāng)量彎曲應(yīng)力σca滿足條件σca≤[σ0]，則氣彈簧固定軸的設(shè)計(jì)符合要求。

3.4 齒輪軸上鍵的校核

齒輪軸上鍵選用A型普通平鍵，普通平鍵連接強(qiáng)度計(jì)算公式式中：

T—扭矩；

k—鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，h為鍵的高度，mm；

l—鍵的工作長(zhǎng)度，mm；

d—軸的直徑，mm；

若齒輪軸危險(xiǎn)斷面的當(dāng)量彎曲應(yīng)力σp滿足條件σp≤[σp]，則鍵的設(shè)計(jì)符合要求。

結(jié)語(yǔ)

繪圖桌是繪圖必備工具，傳統(tǒng)繪圖桌體積大，搬運(yùn)不便，功能欠缺，該款便攜式多功能繪圖桌將繪圖桌和旅行箱合二為一，功能完備，人性化設(shè)計(jì)，大大提高了繪圖的效率。且目前市場(chǎng)上沒有類似的產(chǎn)品，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值。通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，繪圖桌的關(guān)鍵零件可靠性較高，整個(gè)繪圖桌的穩(wěn)定性較好，使用性能可靠，完全滿足市場(chǎng)需求。

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[2]蔣校輝，陳鵬，張凌志.制圖一體桌的設(shè)計(jì)制作[J].青春歲月，2013（18）.

[3]杜偉明，王艷君.繪圖桌的創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)時(shí)代（上半月），2011，（01）.

[4]江方記.漸開線圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)與校核系統(tǒng)的研究[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)（學(xué)術(shù)版），2014（04）.

TH12

A

2014-2015年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410351018），2012年溫州大學(xué)教改項(xiàng)目（12jb58B）。

王林，男，浙江紹興人，浙江溫州大學(xué)在讀本科生。

錢金貴，男，安徽安慶人，浙江溫州大學(xué)在讀本科生。

玄東吉，男，吉林龍井人，講師，研究方向：系統(tǒng)控制與優(yōu)化。