一體化粉筆換裝裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊光春 周濤 李勇

摘 要：文章介紹了一種集粉筆夾持功能、PPT翻頁功能和激光筆功能于一身的粉筆換裝裝置的結(jié)構(gòu)。粉筆送進(jìn)方式采用獨(dú)特的雙線螺紋結(jié)構(gòu)，使粉筆在送進(jìn)過程中更加平穩(wěn)，真正實(shí)現(xiàn)無極推送。

關(guān)鍵詞：多功能；粉筆夾持；裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)查顯示，目前市面上的粉筆換裝裝置結(jié)構(gòu)多樣，但功能單一，結(jié)構(gòu)不合理，粉筆在送進(jìn)過程中容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種集粉筆夾持功能、PPT翻頁功能和激光筆功能于一身的一體化粉筆換裝裝置，它將傳統(tǒng)的粉筆套多功能化，能夠使老師在教學(xué)過程中更加得心應(yīng)手。

1 方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)多功能粉筆套的功能分析，將其分為四個(gè)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)：保持架、送進(jìn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、PPT無線遙控與激光指示模塊。其中最主要的是送進(jìn)機(jī)構(gòu)與夾持機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。由于送進(jìn)機(jī)構(gòu)的功能是把粉筆向裝置外送出，同時(shí)又要方便將粉筆安裝在裝置內(nèi)，經(jīng)過慎重的篩選，決定利用內(nèi)螺紋來進(jìn)行傳動(dòng)，即通過內(nèi)螺紋將螺旋筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為尾座的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粉筆的送進(jìn)。這種送進(jìn)方式能根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整粉筆送進(jìn)長(zhǎng)度，不易卡死，同時(shí)能夠讓尾座受力更穩(wěn)定。由于夾持機(jī)構(gòu)的作用是將粉筆固定住，在需要的時(shí)候又要能夠允許粉筆按指定的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要方便粉筆的安裝。經(jīng)過多方面考慮，決定采用塑性橡膠圈貼合的方式夾緊：這種方式的夾緊主要是利用橡膠圈自身的塑性來實(shí)現(xiàn)的。在橡膠圈上開了許多槽以使橡膠圈能適應(yīng)粉筆的錐度，從而保證粉筆在整個(gè)送進(jìn)過程中都與橡膠圈緊密貼合，實(shí)現(xiàn)夾緊。這種方式能大大減少了總零件個(gè)數(shù)，且加工過程簡(jiǎn)單，可以利用注塑直接成型。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的總體尺寸為：長(zhǎng)139.9mm，直徑22.0mm。由于市場(chǎng)上粉筆的類型很多，直徑有大有小，形狀有圓有方，所以在設(shè)計(jì)時(shí)以各學(xué)校常用的標(biāo)準(zhǔn)化專用粉筆尺寸（長(zhǎng)度7.50cm、大頭直徑1.00cm、小頭直徑0.80cm）為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并盡可能地兼容其他各型號(hào)的粉筆。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中PPT無線遙控與激光指示模塊置于保持架3中按鈕2下面。

1-端蓋；2-按鈕；3-保持架；4-滑竿；5-尾座；6-螺旋筒；7-夾持套

圖1 粉筆套裝配圖

保持架是本產(chǎn)品的主體零件，設(shè)計(jì)過程及要求都是關(guān)鍵。保持架主要受到3方面的作用力，手的握力、尾座與其內(nèi)壁相互作用的摩擦力以及滑桿與滑槽之間相互作用的剪切力與摩擦力，所以選擇塑料作為保持架的材料。為了最大程度地利用空間，使產(chǎn)品整體尺寸盡可能地縮小，同時(shí)又要保證強(qiáng)度要求，將粉筆倉與電板倉一字排列，如圖2所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 保持架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)圖

螺旋筒是本產(chǎn)品外觀的主體部分，它主要受到滑桿對(duì)其內(nèi)螺紋的剪切力與摩擦力的作用，由于ABS塑料的強(qiáng)度、剛度以及柔韌性都比較好，因此選擇它作為螺旋筒的材料。由于螺旋筒是利用內(nèi)螺紋將螺旋筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑桿的直線運(yùn)動(dòng)，而滑桿負(fù)責(zé)推動(dòng)尾座，進(jìn)而帶動(dòng)粉筆運(yùn)動(dòng)，所以為了保證運(yùn)動(dòng)的可靠性以及符合大多數(shù)人右手用筆的習(xí)慣，將螺旋筒的內(nèi)螺紋設(shè)計(jì)為雙線矩形右旋內(nèi)螺紋。同時(shí)，為了提高整個(gè)產(chǎn)品的使用舒適度，將螺旋筒的頭部進(jìn)行了人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。

圖3 螺旋筒結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)圖

滑桿是整個(gè)裝置中最脆弱的零件，在整個(gè)裝置的傳動(dòng)過程中起著至關(guān)重要的作用?；瑮U主要受到螺旋筒對(duì)它的剪切力與摩擦力和尾座對(duì)它的正壓力。這里滑桿與尾座的配合采用過盈配合，為了保證強(qiáng)度要求以及加工要求，選擇塑料作為滑桿與尾座的材料。為了適應(yīng)粉筆的大小頭和保證粉筆送進(jìn)的穩(wěn)定性，將尾座的凹坑設(shè)計(jì)為圓錐形。

圖4 尾座與滑桿結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)圖

夾持套是本產(chǎn)品設(shè)計(jì)及使用時(shí)最關(guān)鍵的部分。由于粉筆質(zhì)地很脆，強(qiáng)度、剛度及韌性都很差，粉筆無論是小頭還是大頭先伸出，夾持套都會(huì)有張開、復(fù)位兩個(gè)步驟，所以必須達(dá)到兩點(diǎn)要求。

第一，粉筆在推進(jìn)過程中粉筆始終與夾持部件貼合，否則會(huì)因保持不住掉落。

第二，粉筆在使用過程中，夾持套必須要有足夠的彈性及回復(fù)空間，否則粉筆會(huì)因受力不均而斷裂。

根據(jù)以上夾持套工況分析，選擇材料時(shí)必須選擇彈性恢復(fù)強(qiáng)、厚度薄的材料作為夾持套的材料，從而達(dá)到設(shè)計(jì)及使用要求，因此選擇橡膠。為了適應(yīng)粉筆的錐度使夾持套更好地貼合粉筆以保證粉筆夾持的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 夾持套三維結(jié)構(gòu)圖

在端蓋上加工了一個(gè)小孔，以便透過激光束。為了能固定激光頭和使整個(gè)產(chǎn)品更加輕便，選擇ABS塑料作為端蓋的材料。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)束語

本粉筆換裝裝置結(jié)構(gòu)新穎，特別是粉筆送進(jìn)方式采用獨(dú)特的雙線螺紋結(jié)構(gòu)，在螺旋筒內(nèi)壁上開雙線螺紋，讓粉筆在送進(jìn)過程中更加平穩(wěn)，真正實(shí)現(xiàn)無極推送。具有積極的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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[3]濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2006.

*通訊作者：楊光春，男，攀枝花學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

作者簡(jiǎn)介：周濤，男，四川人，大學(xué)在讀，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。