“自轉(zhuǎn)芯”新型自動(dòng)鉛筆設(shè)計(jì)

許博文，房恒宇，李飛歐，張登博，宋圓美

（臨沂大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

自動(dòng)鉛筆誕生于18 世紀(jì)[1]，1960 年后，由于自動(dòng)鉛筆不斷被市場(chǎng)和消費(fèi)者接納及鉛芯的技術(shù)突破等原因，自動(dòng)鉛筆在日本迎來(lái)了20 多年的高速發(fā)展[2]。我國(guó)于1950 年才開(kāi)始進(jìn)行活動(dòng)鉛筆的生產(chǎn)，并于1980 年成功研制出與國(guó)際主流水平接近的0.5 mm 直徑的鉛芯，為自動(dòng)鉛筆在我國(guó)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)條件[1]。

自動(dòng)鉛筆的出現(xiàn)從一定程度上解決了傳統(tǒng)木制鉛筆需要經(jīng)常削鉛筆和不方便攜帶（木制鉛筆在攜帶的過(guò)程中筆尖極易斷裂且很容易弄臟鉛筆盒、筆袋等放置鉛筆的文具）等痛點(diǎn)，對(duì)木制鉛筆產(chǎn)生了一定的替代作用[1]。時(shí)至今日，自動(dòng)鉛筆在全球已經(jīng)形成了較為龐大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，截至2021 年底，在全球的自動(dòng)鉛筆產(chǎn)量中，僅中國(guó)在2021 全年的產(chǎn)量就已達(dá)7.01 億支[3]。

但市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)鉛筆在使用上仍存在一些缺陷，如無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持書(shū)寫(xiě)均勻，自動(dòng)鉛筆掉落時(shí)鉛芯容易斷裂，無(wú)法在不同類(lèi)型的鉛芯之間切換等。本課題以“落芯式”自動(dòng)鉛筆的引線產(chǎn)生機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，在自動(dòng)鉛筆內(nèi)部進(jìn)行創(chuàng)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆在使用過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題。

1 現(xiàn)有普通自動(dòng)鉛筆存在的問(wèn)題

1.1 無(wú)法保持長(zhǎng)時(shí)間勻細(xì)書(shū)寫(xiě)

雖然與普通木制鉛筆相比自動(dòng)鉛筆具有許多優(yōu)勢(shì)，但其本身并不是沒(méi)有缺點(diǎn)，除了自動(dòng)鉛筆本身特有的問(wèn)題，由于書(shū)寫(xiě)原理并沒(méi)有發(fā)生太大改變，木制鉛筆原有的一些問(wèn)題也被帶到了自動(dòng)鉛筆上，例如在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中，鉛芯會(huì)因?yàn)閾p耗形成斜面，從而使寫(xiě)出的筆跡不均勻，漸漸變粗變淡，影響書(shū)寫(xiě)的美觀和辨識(shí)程度，并對(duì)需要精準(zhǔn)筆跡作業(yè)的人群有很大的影響（如制圖、設(shè)計(jì)、書(shū)寫(xiě)等）[1]。

普通自動(dòng)鉛筆如果想在使用過(guò)程中克服這一問(wèn)題，就需要每使用一小段時(shí)間就旋轉(zhuǎn)一下筆身，這種在使用過(guò)程中的頻繁轉(zhuǎn)筆操作讓原本便捷的書(shū)寫(xiě)過(guò)程變得麻煩，極大影響了人們的使用體驗(yàn)。

1.2 鉛芯易發(fā)生斷裂

現(xiàn)有普通自動(dòng)鉛筆大多裝載0.5、0.7 mm 等直徑的鉛芯[4-5]，這些鉛芯的直徑較細(xì)，同時(shí)由于鉛芯其本身制成材料的特性[6]，使鉛芯又擁有極高的脆性。

在日常使用中，當(dāng)自動(dòng)鉛筆摔落到地面或其他較硬物體（如自動(dòng)鉛筆不慎從桌面滑落或不小心從手中脫落）時(shí)，其內(nèi)部裝載的鉛芯在沖擊力的作用下極易發(fā)生斷裂，使原本的較長(zhǎng)的鉛芯斷裂成許多小節(jié)，造成自動(dòng)鉛筆無(wú)法正常使用，斷裂后的細(xì)小鉛芯甚至?xí)斐沙鲢U機(jī)構(gòu)卡殼無(wú)法工作和筆尖出鉛孔的堵塞。

1.3 不能切換使用型號(hào)不同的鉛芯

市面上常見(jiàn)的普通自動(dòng)鉛筆大多按照所能使用的鉛芯直徑（常見(jiàn)的有0.5、0.7 mm 等）、制成材料（如金屬、塑料等）、用途（如考試自動(dòng)鉛筆、制圖自動(dòng)鉛筆等）等進(jìn)行分類(lèi)，其中最重要的參數(shù)就是這只自動(dòng)鉛筆所能使用的鉛芯直徑大小，因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到書(shū)寫(xiě)筆跡的粗細(xì)。

現(xiàn)有的普通自動(dòng)鉛筆絕大多數(shù)采用的都是一“筆”對(duì)一“芯”的方式（即一種型號(hào)的自動(dòng)鉛筆只能使用一種對(duì)應(yīng)型號(hào)的鉛芯，如使用0.5mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆只能使用0.5 mm 直徑的鉛芯），這是由自動(dòng)鉛筆的出鉛機(jī)構(gòu)和筆頭的出鉛孔所決定的，不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆其出鉛機(jī)構(gòu)中的夾緊裝置和筆頭上的出鉛孔直徑是不同的。

例如，使用0.7 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆，其夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊直徑是略小于0.7 mm 的，無(wú)法對(duì)0.5 mm直徑的鉛芯進(jìn)行夾緊，故直徑0.5 mm 的鉛芯無(wú)法在0.7 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆上使用；使用0.5 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆，其夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊直徑略小于0.5 mm，在一定程度上可以對(duì)大一些的鉛芯進(jìn)行夾緊（如直徑0.7 mm 的鉛芯），但自動(dòng)鉛筆筆頭前端的出鉛孔，為了穩(wěn)定鉛芯不讓其在使用過(guò)程中產(chǎn)生晃動(dòng)，一般其直徑是嚴(yán)格與所使用的鉛芯直徑對(duì)應(yīng)的，故直徑為0.7 mm的鉛芯無(wú)法穿過(guò)使用0.5 mm 鉛芯的筆頭。

綜上所述，現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆無(wú)法更換使用直徑大小不同的鉛芯，如果想使用不同粗細(xì)的鉛芯就需要購(gòu)買(mǎi)不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆，除了需要消費(fèi)者付出較高的金錢(qián)成本之外；其實(shí)2 只同類(lèi)型不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆大多結(jié)構(gòu)是具有互換性的，重復(fù)的生產(chǎn)制造也從一定程度上帶來(lái)了資源的浪費(fèi)。

2 新型自動(dòng)鉛筆的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決上述問(wèn)題，新型自動(dòng)鉛筆進(jìn)行如下創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 內(nèi)置自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置

基于“墜芯式”自動(dòng)鉛筆的出鉛機(jī)構(gòu)[7]，在其四周設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)并在其上方設(shè)置旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置（圖1），該結(jié)構(gòu)外殼體與筆身相連接并利用卡槽固定，旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)與出鉛機(jī)構(gòu)相連接，利用現(xiàn)有成熟的“墜芯式”出鉛機(jī)構(gòu)完成對(duì)鉛芯的出鉛及夾緊。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置示意圖

在使用過(guò)程中，使用者的“書(shū)寫(xiě)”會(huì)產(chǎn)生一定的向上作用力，這個(gè)力量由鉛芯向上傳遞經(jīng)出鉛機(jī)構(gòu)后傳遞到與其相連的自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)受力向上發(fā)生位移并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)上方的旋轉(zhuǎn)彈簧和鎖止環(huán)向上位移，當(dāng)位移量達(dá)到使內(nèi)部卡盤(pán)脫離下方限位斜齒盤(pán)時(shí)，鎖止環(huán)卡入上方制動(dòng)槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)鎖止，此時(shí)在旋轉(zhuǎn)彈簧的復(fù)位作用下旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)對(duì)準(zhǔn)下方斜齒限位盤(pán)的下一導(dǎo)程;當(dāng)使用者“提筆”時(shí)向上作用力消失，旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置內(nèi)的彈簧將鎖止環(huán)從制動(dòng)槽內(nèi)推出，在重力及部分彈出力的作用下，旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)沿下方斜齒限位盤(pán)的導(dǎo)程帶動(dòng)相連接的出鉛機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)出鉛機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其內(nèi)夾緊的鉛芯進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉛芯的旋轉(zhuǎn)，從而解決為獲得勻細(xì)筆跡而需要頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)筆桿的麻煩。

2.2 內(nèi)置緩沖減震裝置

在自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置的后方設(shè)計(jì)了緩沖減震裝置（圖2），該機(jī)構(gòu)由多邊形限位機(jī)構(gòu)、減震彈簧等主要部分組成，通過(guò)下方的4 個(gè)伸出塊與下方自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置相配合，主要用于緩沖自動(dòng)鉛筆不慎摔落后的軸向沖擊力，同時(shí)對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置（除旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)外的主體部分）進(jìn)行固定，并對(duì)后方出鉛按鍵在按壓后進(jìn)行復(fù)位。

圖2 緩沖減震裝置示意圖

當(dāng)自動(dòng)鉛筆不慎發(fā)生摔落時(shí)，如果筆尖（鉛芯）處先接觸到地面等較硬物體，由于上述自動(dòng)轉(zhuǎn)芯的相關(guān)設(shè)計(jì)，鉛芯會(huì)帶動(dòng)筆尖即出鉛機(jī)構(gòu)向上發(fā)生位移以化解部分沖擊，當(dāng)出鉛機(jī)構(gòu)等部分位移到減震裝置下方時(shí)減震彈簧開(kāi)始吸收所傳遞過(guò)來(lái)的沖擊力以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛芯的保護(hù)；當(dāng)自動(dòng)鉛筆的其他部位先接觸到地面等較硬物體時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力主要經(jīng)筆身向內(nèi)傳遞，由于緩沖減震裝置的分體式設(shè)計(jì)，該部分沖擊力會(huì)被其吸收大部分，同時(shí)配合旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)及上方旋轉(zhuǎn)彈簧在自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)內(nèi)的分體式設(shè)計(jì)對(duì)剩余少補(bǔ)分沖擊力進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛芯的保護(hù)。

2.3 可拆卸模塊化設(shè)計(jì)

新型自動(dòng)鉛筆的整體結(jié)構(gòu)采用可拆卸式設(shè)計(jì)，所有零部件均可拆卸，當(dāng)某個(gè)部件發(fā)生損壞或老化時(shí)，可以直接對(duì)該零部件進(jìn)行替換，從而提高資源利用率，減少不必要的資源浪費(fèi)[8]。

同時(shí)，在可拆卸的基礎(chǔ)上對(duì)筆頭及出鉛機(jī)構(gòu)做了一定的機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)（圖3），利用同類(lèi)型不同鉛芯型號(hào)自動(dòng)鉛筆其零部件具有高度互換性的特點(diǎn)，使用戶(hù)可以根據(jù)自身需求選擇不同的出鉛機(jī)構(gòu)及筆頭模塊，以滿足在工作、學(xué)習(xí)等使用過(guò)程中對(duì)不同鉛芯直徑的需求，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)不同鉛芯型號(hào)的新自動(dòng)鉛筆，只需按需更換安裝對(duì)應(yīng)鉛芯直徑的適配模塊即可。

圖3 可拆卸模塊化設(shè)計(jì)示意圖

新型自動(dòng)鉛筆的可拆卸模塊化設(shè)計(jì)，使其從經(jīng)濟(jì)上減少了消費(fèi)者的額外成本支出，并從一定程度上節(jié)約了生產(chǎn)資源，減少了部分自動(dòng)鉛筆生產(chǎn)過(guò)程中所帶來(lái)的碳排放[9]。

2.4 其他功能設(shè)計(jì)

重心下降式設(shè)計(jì)（圖4）：在新型自動(dòng)鉛筆的設(shè)計(jì)之初，考慮到現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆出現(xiàn)的筆身重心不合理的問(wèn)題（市面上的現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆有時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心偏上的問(wèn)題，重心偏上會(huì)導(dǎo)致使用者在握持時(shí)更加吃力，易出現(xiàn)使用疲勞，同時(shí)在書(shū)寫(xiě)時(shí)更加費(fèi)力），對(duì)重心的分布做了一定的設(shè)計(jì)，使新型自動(dòng)鉛筆的產(chǎn)品重心主要集中在用戶(hù)使用時(shí)握持的金屬筆握及其下方，帶來(lái)更好的用戶(hù)體驗(yàn)。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的重心分布圖

后置隱藏式橡皮設(shè)計(jì)（圖5）：延續(xù)了傳統(tǒng)鉛筆的后置橡皮設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上做了一些升級(jí)，使用戶(hù)在忘記攜帶橡皮時(shí)，也可以通過(guò)后置的隱藏橡皮修改筆跡，橡皮的隱藏式設(shè)計(jì)，也讓新型自動(dòng)鉛筆的整體更加美觀。同時(shí)，橡皮槽與鉛芯筒相連，用戶(hù)在需要加裝鉛芯時(shí)只需將后方橡皮外殼及橡皮拆下，即可直接向鉛芯桶內(nèi)添加鉛芯，在添加完后再安裝上橡皮和橡皮外殼即可，橡皮的安裝也可以阻擋在攜帶過(guò)程中，鉛芯向后伸出污染后方橡皮外殼的情況。

圖5 隱藏式橡皮示意圖

3 新型自動(dòng)鉛筆的外觀設(shè)計(jì)

3.1 外觀配色

新型自動(dòng)鉛筆的外觀主體采用了中國(guó)傳統(tǒng)顏色中的石榴紅，給人一種吉祥、喜慶之感，并在筆握、筆夾等金屬部位采用暗金色，在給人帶來(lái)奢華感的同時(shí)又并不張揚(yáng)，給人以沉穩(wěn)干練之感，并在筆頭、后蓋等細(xì)節(jié)邊緣處采用了鎏金配色，既與筆握、筆夾等金色部件進(jìn)行了視覺(jué)上的呼應(yīng)，又給人以精湛細(xì)節(jié)之美[10]。

3.2 外觀造型

新型自動(dòng)鉛筆的筆頭采大、中、小3 層圓逐漸抬升的造型，配合安裝在其上方的金色筆尖，宛如一座寶塔，給人以穩(wěn)重可靠之感；筆身采用通體圓柱式設(shè)計(jì)，在契合書(shū)寫(xiě)使用習(xí)慣的同時(shí)給人圓潤(rùn)親和之感；下方筆握之中的旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)曲線既增加了用戶(hù)握持時(shí)的摩擦力，也給整體視覺(jué)帶來(lái)了靈動(dòng)之感；筆夾的側(cè)面多同心半圓裝飾紋路，像一個(gè)個(gè)彩虹的寓意著希望與幸運(yùn)（圖6）。

圖6 筆夾的側(cè)面裝飾紋路示意圖

3.3 制成材質(zhì)

新型自動(dòng)鉛筆的筆尖采用不銹鋼制造使其可以擁有更高的強(qiáng)度和支撐性；筆握和筆夾則采用鋁合金制造，在輕便的同時(shí)帶給用戶(hù)更加舒適的使用體驗(yàn)；并在其大部件結(jié)構(gòu)處采用樹(shù)脂材料制成，使其本身可以擁有更加輕便的重量；借助3D 打印技術(shù)進(jìn)行輔助制造，使用戶(hù)可以根據(jù)自己的個(gè)性化需求，定制不同的個(gè)性化外殼（圖7）。

圖7 新型自動(dòng)鉛筆外觀設(shè)計(jì)概念圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目基于“落芯式”自動(dòng)鉛筆芯機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)鉛筆芯內(nèi)部進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓力變化解決了現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆芯在使用過(guò)程中不能保持長(zhǎng)時(shí)間良好書(shū)寫(xiě)的問(wèn)題，并在內(nèi)部設(shè)計(jì)中內(nèi)置緩沖減震裝置解決了自動(dòng)鉛筆芯掉落時(shí)容易折斷的問(wèn)題，同時(shí)，新型可拆卸模塊化設(shè)計(jì)使自動(dòng)鉛筆可以切換使用不同類(lèi)型的鉛芯。該新型自動(dòng)鉛筆的設(shè)計(jì)從一定程度上，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)文具行業(yè)相應(yīng)的空白。目前中國(guó)的創(chuàng)意文具產(chǎn)業(yè)與日本等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，還需要不斷的發(fā)展和超越，本文介紹了一種新型的自動(dòng)鉛筆，希望能夠起到“拋磚引玉”的作用，期待未來(lái)有更多更好的創(chuàng)意文具產(chǎn)品出自我國(guó)原創(chuàng)設(shè)計(jì)師之手，使我國(guó)成為世界創(chuàng)意文具產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)領(lǐng)先和制高點(diǎn)。