一種自動擦拭電動升降黑板的優(yōu)化設(shè)計

摘要：手動升降黑板推拉時易失去平衡，手動擦除粉筆字時費時費力，且污染環(huán)境，為了解決這些問題，提出了一種電動升降黑板的優(yōu)化設(shè)計方案。介紹了電動升降黑板的總體設(shè)計原理，通過對傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電動機(jī)的選擇，以及帶傳動、鏈傳動、行程開關(guān)等重點機(jī)構(gòu)的詳細(xì)分析與計算，對傳動組件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計;通過對齒輪傳動、伸縮機(jī)構(gòu)等分析應(yīng)用，對清潔組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理分析，從而設(shè)計出一種具有自動擦除功能的電動升降黑板，具有靈活、平穩(wěn)的特點，能夠自動控制板面的升降，具有全自動擦拭板面和收集粉筆灰等功能，為課堂教學(xué)帶來極大的方便，具有較好的使用價值和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電動;升降黑板;自動擦除;創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0192-04

An Optimal Design of Automatically Wiping and Electric Vertical Sliding Blackboard

Lin Yizhen

（Yangjiang Polytechnic， Yangjiang， Guangdong 529500， China）

Abstract： It is easy to lose balance when manually lifting and pulling the blackboard， and it is time-consuming and laborious to manuallyerase chalk words， which pollutes the environment， in order to solve these problems， an optimal design scheme of electric lifting blackboardwas proposed. The overall design principle of the electric vertical sliding blackboard was introduced， an innovative design was made for thetransmission components by the structural design of the transmission mechanism， the selection of the motor， and the detailed analysis andcalculation of the important parts such as belt transmission， chain transmission and travel switch. Then， the structural design and the principleanalysis of the cleaning component were carried out by the analysis and application of gear transmission， telescopic mechanism， etc. In thisway， an electric vertical sliding blackboard with the function of automatically wiping was designed. Which has the characteristics of flexibilityand stability， can automatically control the lifting of the board surface， has the functions of fully automatic wiping the board surface andcollecting chalk ash， brings great convenience to classroom teaching， and has good use value and development prospect.

Key words： electric; vertical sliding blackboard; automatic wiping; innovative design

0 引言

目前學(xué)校的教室里基本上采用黑板和多媒體投影相結(jié)合的方式，在黑板前方安裝投影幕，教師上課時可以自由使用黑板板書或者 PPT 教學(xué)。不管是黑板板書，還是多媒體展示，各有所長，需要老師合理利用，以達(dá)到最好的教學(xué)效果。黑板是教室里必不可少的重要教學(xué)設(shè)備，具有管理課堂教學(xué)、記錄重點難點知識、便于教師分析推理以及學(xué)生抄寫等功能[1]。在學(xué)校的大教室或者階梯教室里，普遍使用單組或者雙組的手動上下升降黑板，這種黑板的優(yōu)點是板面可以上下升降而且板面足夠大，有的書寫面積可達(dá)2 m ×4 m ，可以容納老師所教的整節(jié)課內(nèi)容。但是，這種黑板也有明顯的不足之處：一是老師在升降黑板時需要用較大的力去上下推拉，黑板容易失去平衡卡在半空中無法移動[2];二是在板面上寫了粉筆字后，需要用力慢慢擦除字跡，效率低，浪費時間;三是在擦黑板過程中，粉塵飛揚(yáng)，對師生的健康不利[3-4]，而且身高偏低的老師學(xué)生擦黑板時，難于完全擦拭干凈高處的字體，因此這種手動升降黑板及手動擦黑板的方式給教學(xué)帶來了諸多不便。

為了改善上述黑板的不足之處，本文提出了一種升降黑板的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計出具有自動擦除功能的電動升降黑板，具有省力、靈活、平穩(wěn)、自動控制黑板的升降及具有全自動擦拭板面和收集粉筆灰等功能，安全方便，高效實用。

1 電動升降黑板設(shè)計原理

電動升降黑板總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，一個長4 m ，寬2.150 m的矩形板框1后面外壁的四角均通過螺栓固定有安裝腳4，在板框中間的內(nèi)壁上，通過螺栓固定有隔離柱2，隔離柱將板框分為左右相等的兩部分，這兩部分通過牽引組件連接有黑板組件，黑板組件包括滑動連接在板框與隔離柱側(cè)壁之間的前黑板9和后黑板6，兩者規(guī)格相同，隔離柱和板框的相對側(cè)壁分別開設(shè)有供前黑板和后黑板滑動的第一滑道3和第二滑道5，在前黑板的前板面設(shè)置有清潔組件7，后板面另外設(shè)有可拆卸的清潔抹布，清潔組件7通過伸縮機(jī)構(gòu)8分別與板框和隔離柱連接，用來控制板面的自動擦除，前黑板和后黑板的牽引組件由傳動機(jī)構(gòu)10帶動，實現(xiàn)電動升降，傳動機(jī)構(gòu)的外部安裝有外殼，起安全保護(hù)的作用。

2 電動升降黑板重點結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 傳動機(jī)構(gòu)

（1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電動升降黑板傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，在板框頂部內(nèi)壁上安裝有轉(zhuǎn)軸12，轉(zhuǎn)軸通過滾動軸承與板框及隔離柱相連，轉(zhuǎn)軸兩端分別安裝有第一鏈輪11和第二鏈輪13，兩個鏈輪均套有鏈條15，鏈條的兩端均與前黑板9和后黑板6頂部外壁固定連接，轉(zhuǎn)軸12伸出板框的部分套設(shè)有帶輪14，通過傳動帶16與帶輪18連接，帶輪18由電動機(jī)19帶動運(yùn)轉(zhuǎn)，板框四個角均設(shè)置有行程開關(guān)17，用以控制黑板的行程，進(jìn)行終端限位保護(hù)。圖3所示為板框內(nèi)部傳動組件的側(cè)視簡圖。

（2） 工作原理

使用時，先把整個板框牢固可靠地安裝在墻壁上，并將所需的零部件按圖2裝好，開動電機(jī)，通過帶傳動帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪帶動鏈條使黑板移動，當(dāng)前黑板向下移動時，后黑板上升，碰到行程開關(guān)時，停止運(yùn)動[5];反之，當(dāng)前黑板向上移動時，后黑板下降，碰到行程開關(guān)時，停止運(yùn)動，從而實現(xiàn)黑板自動上升與下降功能。

2.2 電動機(jī)選擇

為了實現(xiàn)黑板平穩(wěn)順暢的升降，首先要選取合適的電動機(jī)類型。一塊黑板的重量一般為 G=12.5 kg ，起吊兩塊黑板的鏈條所受總拉力為 F=2×12.5 kg×9.8 N/kg=245 N ，黑板在升降過程中，速度不宜過快，設(shè)速度 v=0.2 m/s ，鏈傳動的效率η1=0.96，則鏈輪工作的輸入功率為：

考慮到鏈輪的受力不僅僅是黑板的重力，還有鏈條重力和鏈條與鏈輪的摩擦力，可以算出鏈輪的輸入功率為 P ′w ≈55 W 。

因為電動機(jī)通過帶傳動來帶動鏈輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)黑板的自動升降，帶傳動的效率取η2=0.95，載荷平穩(wěn)，電機(jī)工作時間短，故工況系數(shù)取 k=1.0，由此可以算出電動機(jī)的輸出功率為[6]：

因此，選擇帶有蝸桿蝸輪減速器的小直徑D59R-2465-80型號有刷直流電動機(jī)[7]，如圖4所示，此電機(jī)可承重45 kg ，直流電壓24 V，額定功率65 W ，減速比75∶1，輸出轉(zhuǎn)速80 r/min，可以高效率地完成黑板的自動升降。

2.3 鏈條及帶傳動設(shè)計

2.3.1 鏈條及鏈輪的選擇

階梯大教室板框包含面積一般為2.150 m×4m ，板框里面有4塊黑板，每塊板面的尺寸為1 m×2m ，鏈條繞過鏈輪，兩端分別連接兩塊板面，因此所選的鏈條長度應(yīng)為 l=1 m ，起吊黑板的質(zhì)量為 G=12.5 kg ，鏈速 v=0.2 m/s，因為鏈條受力不大，鏈速較小，故可以選取兩個鏈輪齒數(shù)都為13，鏈條號數(shù)為08A 型，其節(jié)距為p=12.7 mm[8]。這樣，算出鏈輪的轉(zhuǎn)速：

鏈輪的分度圓直徑為：

查表得所使用的鏈輪的齒頂圓直徑為57.9 mm ，齒根圓直徑為53.06 mm[9]。

2.3.2 帶傳動設(shè)計

根據(jù)普通 V 帶傳動的工作條件，工況系數(shù)取 K=1.0，所以計算功率 Pc=KP=65 W ，考慮到鏈輪轉(zhuǎn)速不大，鏈輪與帶輪同軸，帶輪的轉(zhuǎn)速也為 n1=72.7 r/min 。根據(jù) Pc 和 n1，選用 A 型普通 V 帶。采用兩個基準(zhǔn)直徑相等的帶輪，基準(zhǔn)直徑為 dd1= dd2=75 mm。

驗算帶速：

帶速合適。

初選帶輪的中心距 a0=2000 mm 。

初定帶長：

選取帶的基準(zhǔn)長度為Ld =4000 mm 。

兩帶輪實際的中心距[10]：

2.4 行程開關(guān)選用

行程開關(guān)又稱為限位開關(guān)，為了控制電動黑板的行程及限位保護(hù)，可將行程開關(guān)安裝在板框內(nèi)部4個角的位置。選用滾輪旋轉(zhuǎn)式限位開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，當(dāng)黑板從右向左撞擊滾輪1時，擺桿2和套架4繞著固定支點3作逆時針轉(zhuǎn)動，于是滾子6向右滾動，此時彈簧11被壓縮儲存能量，當(dāng)滾子6滾過T 形擺桿10的中點，并推開壓板7的時候，T 形擺桿10在彈簧11的作用下，迅速作順時針轉(zhuǎn)動，使常閉觸點8迅速斷開，而開觸點9迅速閉合。當(dāng)黑板離開滾輪時，在復(fù)位彈簧5和12的作用下，觸點恢復(fù)原始狀態(tài)[11]。

考慮到每塊黑板上升的最大距離為1 m ，下降的最大距離也為1 m ，因此需要將黑板固定在規(guī)定的行程內(nèi)，板框的4個角上下的距離就是自動升降黑板的最大行程。在電動升降黑板中，需要兩個限位，即上限位和下限位，分別安裝在板框的4個角當(dāng)中。當(dāng)黑板上升或下降到最高或最低的位置時，碰到限位開關(guān)上的滾輪，限位開關(guān)的觸點開始工作，切斷電動機(jī)的電源，黑板停止運(yùn)動;當(dāng)黑板進(jìn)入行程內(nèi)時，滾輪與黑板分離不接觸，黑板正常升降，這時，復(fù)位彈簧開始工作，使?jié)L輪回到原始的位置，為下次動作做準(zhǔn)備。

2.5 清潔組件設(shè)計

2.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2中，前黑板的清潔組件7通過彈性伸縮機(jī)構(gòu)8與板框連接，可前后移動，清潔組件包含在板框相對側(cè)壁中間的清潔盒，且清潔盒垂直于隔離柱。清潔組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，前黑板板面通過螺栓固定有兩條齒條，清潔盒內(nèi)壁兩側(cè)通過滾動軸承連接有轉(zhuǎn)動桿，且兩個轉(zhuǎn)動桿均平行于前黑板，兩個轉(zhuǎn)動桿套設(shè)有一塊清潔布，在兩個轉(zhuǎn)動桿底部均設(shè)置有實現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)的傳動組件，包括清潔組件底部內(nèi)壁開設(shè)的支撐板，支撐板和清潔盒側(cè)壁通過螺栓連接桿件，桿件通過滾動軸承套設(shè)有直齒圓柱齒輪和第一錐齒輪，清潔盒底部內(nèi)壁與桿件之間連接有轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)動軸套設(shè)有第二錐齒輪和帶輪，另一帶輪套設(shè)在轉(zhuǎn)動桿上，兩帶輪由傳動帶連接。

后黑板的清潔組件是帶有魔術(shù)貼的海綿芯長條抹布，抹布貼在前黑板的后背底端，當(dāng)前黑板移動時可對后黑板進(jìn)行擦拭，抹布可以取出清洗干凈。

2.5.2 工作原理

當(dāng)需要擦除前黑板的字跡時，開動電機(jī)，使前黑板向上移動，圖 6中，固定在前黑板外壁的齒條會帶著圓柱齒輪轉(zhuǎn)動，圓柱齒輪與第一錐齒輪轉(zhuǎn)動，第一錐齒輪帶動第二錐齒輪轉(zhuǎn)動，第二錐齒輪帶動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸上的帶輪通過傳動帶帶動轉(zhuǎn)動桿，轉(zhuǎn)動桿帶動清潔布移動，擦拭黑板表面;當(dāng)再次用到前黑板的時候，前黑板向下移動，清潔組件以同樣的形式反向工作，不同的擦拭方向開始工作，前黑板被清潔組件擦拭了兩次，保證了擦拭的干凈程度。

考慮到清潔盒空間較小，齒條運(yùn)動隨黑板一起運(yùn)動，速度一般為0.2 m/s ，傳遞的功率不大，齒條及與它相嚙合的圓柱齒輪模數(shù)可選1.5 mm ，圓柱齒輪的齒數(shù)選17，則其分度圓直徑 d=mz=25.5 mm ，4個錐齒輪大端模數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值1.5 mm ，齒數(shù)選17，其大端分度圓直徑與圓柱齒輪相同。根據(jù) v =，可以算出圓柱齒輪的轉(zhuǎn)速 n=150 r/min ，因為兩錐齒輪的傳動比為1，其轉(zhuǎn)速與圓柱齒輪相同，兩帶輪直徑相等，且分別與轉(zhuǎn)動桿和錐齒輪同軸，所以轉(zhuǎn)動桿的轉(zhuǎn)速也為150 r/min ，取轉(zhuǎn)動桿的直徑為30 mm ，轉(zhuǎn)動桿帶動抹布產(chǎn)生0.26 m/s的水平速度擦拭黑板，同時清潔組件在彈性組件的控制下壓緊板面，產(chǎn)生足夠大的摩擦力，使黑板在移動時自動擦除干凈粉筆字。

2.5.3 清潔組件伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計及作用

為了方便地控制前黑板的清潔組件是否擦除字跡，把清潔組件的兩端通過伸縮機(jī)構(gòu)與板框相連接。清潔組件的伸縮機(jī)構(gòu)類似于圓珠筆芯的伸縮機(jī)構(gòu)，如圖7所示，在板框的孔中按順序裝好套筒、壓縮彈簧、頂桿、滑爪套、推桿、固定于板框內(nèi)部的導(dǎo)軌等，導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)置有與滑動爪滑動配合的凹槽與斜面;推桿一端與清潔盒通過插銷連接，另一端是帶有斜面的分度爪和凹槽的壓條;滑爪套帶有斜面和凹槽的滑爪;頂桿有擋邊以便限制彈簧的移位;壓縮彈簧套在頂桿上，一端抵住套筒，另一端抵住頂桿擋邊。當(dāng)按壓推桿時，推桿上的壓條沿軸向壓動滑爪套，當(dāng)滑爪越過分度爪后，滑爪和壓條便沿著相接觸的斜面相對滑動，使滑爪滑向分度爪的斜面，落入分度爪的凹槽后，便停止滑動，被鎖住。分度爪的凹槽有深槽和淺槽，兩種槽交錯排列，推桿的伸縮行程是兩槽的槽深差[12]。這樣，當(dāng)按一下清潔組件的外殼時，清潔組件被彈出來，遠(yuǎn)離板面，可以使黑板往上移的時候，字不被擦掉，根據(jù)教學(xué)的需要保留字體痕跡;當(dāng)需要擦除字體時，再按一下傳動組件的外殼時，傳動組件就會移向板面，而且使抹布貼緊板面，在黑板升降過程中自動擦除字體。擦除字體時粉塵落入清潔盒當(dāng)中，避免粉塵到處飛揚(yáng)，有利于師生的身體健康。

3 結(jié)束語

本升降黑板的創(chuàng)新設(shè)計具有如下的優(yōu)點。

（1） 通過電動機(jī)、帶傳動、鏈傳動等牽引組件，可使黑板自動上升及下降，并且在行程開關(guān)的控制下，保證黑板運(yùn)動平穩(wěn)、安全可靠。

（2） 通過設(shè)置的清潔組件，可以使黑板在上下移動的過程中即可對黑板表面進(jìn)行自動擦拭，同時，清潔組件內(nèi)部的齒條齒輪傳動、錐齒輪傳動、帶傳動等實現(xiàn)了清潔布左右移動，保證了擦拭之后的黑板干凈程度。

（3） 通過設(shè)置的清潔盒，可以使擦拭之后的粉塵同時留在清潔盒內(nèi)，避免了粉塵隨意散落，有效地保護(hù)了教職人員和學(xué)生的身體健康。

（4） 利用機(jī)電一體化技術(shù)原理設(shè)計傳動部分和清潔組件，自動化程度高，可以滿足自動升降黑板和自動擦除板面的需要，為課堂教學(xué)帶來極大的方便。

該設(shè)計可以根據(jù)教師上課的需要，靈活使用黑板及清潔組件，既解決了手動升降黑板時受力不均失去平衡的問題，又解決了手動擦除粉筆字時費時費力及污染環(huán)境等問題，效率高，操作安全可靠。另外，該設(shè)備是在已經(jīng)獲得國家專利“一種可以自動擦黑板的移動黑板[13]”基礎(chǔ)上進(jìn)一步創(chuàng)新和完善，功能更齊全，有較好的使用價值和發(fā)展前景。

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作者簡介：林毅貞（1972-），女，廣東陽江人，碩士，講師，工程師，研究領(lǐng)域為機(jī)電一體化技術(shù)。

（編輯：王智圣）