新型功能椅设计说明书.pdf
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- 1 - 摘要： 通过机电结合的方法设计出了新型功能椅，改变了上课部分学生玩的情况，提高了课堂学习的效率学生必须把放在指定区域后可以触发控制系统，控制系统控制椅子的机械机构，椅子才可以正常使用；当离开指定区域经过一定时间后，学生就无法坐下，使学生在正常上课时间内摆脱的干扰，实现“无课堂” 关键词：；椅子；电插锁；无课堂 作品内容简介： 本作品根据本届机械创新设计大赛主旨要求而设计，属于教室设备类机械椅子框架采用铝合金材质，结实耐用，漂亮美观功能体现在：当学生进入教室，必须把放在指定区域——电磁感应区，才能触发感应系统，使锁舌从电插锁中打出由于滑块下滑能够被锁舌阻挡，椅面保持水平，才能够安全地坐在椅子上学生离开椅面，从感应区把拿开后，锁舌缩回去，滑块由于没有锁舌地阻挡，椅子就没法做下去了为了更加人性化，在拿开到锁舌缩回之间我们设置了 5 秒的安全时间，锁舌不会突然抽回，以免发生意外同时，当人离开时，椅面在复位弹簧的作用下会向上翻转，可以方便学生坐下，还可以当人离开时节约教室空间，方便学生打扫卫生 考虑到实际椅子尺寸比较大，以及加工的局限性，我们在设计后决定先按照 1:2 的比例做出椅子的模型用来展示真实效果。
实验结果表明，这款新型功能椅工作稳定、性能可靠、功能实现效果良好 - 2 - 目录 一．前言.......................................................................4 二．本设计可行性的调查.........................................................4 三．设计的目的及意义...........................................................4 四．设计的目标及任务...........................................................4 五．设计方案...................................................................4 六．后期市场方案...............................................................15 七．创新思维与特色.............................................................15 八．参考文献...................................................................16 九．附录.......................................................................16 - 3 - 一．前言 为了切合这次第六届机械创新大赛的主题“幻·梦课堂” ，决定从课桌椅的角度出发，在一定程度上杜绝上课玩的现象， 达到提高课堂教学效率的目的。
在现有的教室桌椅的基础上进行改造，增加其功能性，利用机电结合的原理，将特殊机械机构的椅子和普通电插锁相结合，实现功能创新这款新型功能椅具有可操作性强，加工成本低等特点 二．本设计可行性的调查 的创造本来是用来改善人们沟通的不便之处，但是随着科技的发展，越来越普遍，学生可能会依赖中的各种新功能：网上冲浪，电子小说，游戏等等导致学生上课效率下降，教师的授课积极性也受到很大的打击同时， 也带有很强的辐射，学生正处于身体发育阶段，由于过度使用会受到长时间的辐射，危害身心健康 通过网上查询和户外调查的形式，我们了解到，很多人群都发现了在教室中带来的危害老师、家长包括一些学生也迫切地希望有办法去有效地阻止在课堂的蔓延而在这种强烈的希望下，市场上并没有一种合适的产品能阻止学生在课堂使用 教室现有的椅子很多都是自动向上折叠的，坐下时会有销支撑住椅面上的重量当我们使用去控制销，时，椅子的功能自然就和有联系了所以这款新型功能椅是有市场的，它的初步功能可以实现减少在课堂中的滥用 三．设计的目的及意义 随着电子技术的飞速发展，越来越智能，越来越小巧，不仅极大地改变了世界通讯，也极大地改变了我们的生活，方便了我们信息交流。
但科技是一把双刃剑，同时也给我们的生活和学习带来了很多不利，例如:的普遍化让越来越多的学生都能够买得起，从而导致学生上课玩，无法认真学习，专心听讲所以我们就设计出了新型功能椅，来防止学生上课玩，帮助他们认真听课新型功能椅是由改良的普通教室椅和控制系统构成，主要功能实现：当学生进入教室的时候，学生必须把放在电磁感应区才能触发感应系统，使锁舌从电插锁中打出，由于滑块下滑能够被锁舌阻挡，所以椅子才能够安全的坐下，当人离开拿掉时，锁舌缩回去，滑块由于没有锁舌地阻挡，椅子就没法做下去了同时我们在原来的基础上把椅子进行了改进，采用了复位弹簧，当人离开时，椅面在复位弹簧的作用下会向上翻转，这样不仅可以方便学生坐下，当人离开时还可以节约教室空间，方便学生打扫卫生 四．设计的目标及设计任务 （1）在现有的教室桌椅的基础上进行改造，增加其功能性 （2）改变上课学生玩情况，提高课堂教学效率，创建“无课堂” （3）降低制造成本，用合适的材料和工具改进教室桌椅，同时实现现代科技的先进性 五．设计方案 - 4 - 我们的参赛作品紧扣第六届机械创新设计大赛的主题——“幻·梦课堂”展开，切合“教室用设备和教具的设计与制作”的内容。
此设计主要用于控制在上课时学生玩的现象，提高学生上课效率，创建“无课堂” 5.1 设计流程： => ↓ => ↓ => ↓ => ↓ => ↓ => ↓ => ↓ => 方便加工、改装，可以降低成本，提高性能，美化外观 功能结构简单，便于操作控制以及日后投入使用时的维护 帮助学生在正常上课时间内将放在指定的位置，椅子 才可以实现正常功能，也便于老师管理课堂 将机械装置和电子控制装置合理地整合 整个装置安装好后，可通过相关软件模拟或制出模型进行测试，磨合 调整在调试中发现的参数错误、结构错误 直到保证在调试后无参数和结构方面的错误，结束调试调过程 所有调整完成后制作成品展示 参考现有桌椅 结构设计 功能性设计 整合 调试 参数调整 进行再调试 成品展示 - 5 - 5.2 功能模块简介 本新型功能椅主要由机械结构和控制系统两部分组成，两部分单独工作，互不影响。
机械系统中主要由滑块、连杆、角槽和板面组成，电子系统主要由外接读卡器、专用电源和电插锁组成 5.3 机械结构设计 这款新型功能椅子的机械部分可以划分为四个机构：主动机构、执行机构和传动机构以及辅助机构其中主动机构是椅面，人坐上椅面时给椅子面一定的压力从而带动后续的一系列运动传动机构包括连杆和活动铰链执行机构则是滑块，在型材导轨中运动辅助机构是有复位弹簧、螺栓、螺杆、垫圈等组成下面进行具体的介绍 5.3.1 椅子板面 图椅子板面是直接承受人体重量的部分，应具有一定的强度与硬度，可以选择尼龙板的材料在工艺方面，椅子板面需要进行钻孔、喷漆等工序，所以材料的选择时需要考虑便于加工的因素，尺寸见图 1 方案比较：1.采用金属材料，如：钢材，铝合金型材优点：硬度大，保存与维护更方便，使用寿命更长缺点：不轻巧，移动起来比较困难2.采用尼龙板的材料优点：轻巧方便，便于加工缺点：容易遭到破坏，需要经常性的维修检查综上考虑，因为此款椅子的使用场合时教室，且椅子固定在地面上，减小了来回搬动桌椅给其造成的伤害综合来看，还是选用尼龙板椅面更加合适 图 1 椅子板面的装配图 5.3.2 椅架 采用铝合金型材，中间带有空隙，是供滑块滑动的轨道。
型材横截面如图 2两根铝合金型材分别作为椅子的两侧支柱，尺寸见图 3，型材长度为 545mm, 截面尺寸为40mm*16mm，槽口宽度为8mm，槽口深12mm 型材内部有梯形滑槽，滑块可以在滑槽中滑动 - 6 - 图 2 型材的实体图 - 7 - 图 3 型材的横截面 5.3.3 滑块 滑块截面尺寸与型材内的槽的截面尺寸接近，但是前者略小于后者由于滑块与槽属于间隙配合， 而且槽内、 滑块表面粗糙度很低，当滑块放入型材内可以轻松地在槽内滑动，阻力很小见图 4 图 4 滑块零件图 - 8 - 图 5 连杆的零件图 5.3.4 连杆 如图 5，采用铝制材料制成的连杆，其长*宽*高为 100mm*20mm*10mm两端为圆弧型，分别钻有通孔，孔部直径为 10mm连杆用于连接椅面和滑块，是椅子运动中的传动机构椅子板面的运动传递给连杆，连杆再引导与滑块相连的活动铰链沿着滑槽上下运动。
连杆与板面间用角槽和螺栓连接，角槽起连接固定作用，L 型角槽一侧用螺栓固定在椅子板面上，另外一侧与连杆上的孔用螺栓连接，连杆绕着螺栓可以转动上述的的孔轴配合均为基轴制配合，选用的螺栓都是标准件，不易再改装加工，所以先确定轴径，再用钻床在连杆两端钻出适合的孔径具体参数：角槽孔径为Ф10，连杆端的孔径为Ф10，采用的螺栓规格是 M6 5.3.5 螺杆 选用 M6 的螺杆，长为 235mm，用来保持两侧连杆运动的同步螺杆与活动铰链采用基轴制配合，螺杆两端分别垫上垫片，套上螺母完成以上操作后，在螺杆两端采用破坏螺旋副运动关系放松，即用冲头在螺栓杆末端与螺母的旋合缝处打冲，利用冲点放松 5.3.6 活动铰链 如图 6，是选用的活动铰链的实体图把活动铰链对拆开使用，每一部分作为一个独立的零件安装在椅子上具体的安装过程及理由：带有孔的那一面与滑块相连接，用 M6的螺栓固定 图 6 活动铰链实体图 5.3.7 弹簧 工作原理是利用弹簧的弹力使椅面回复到初始位置在弹簧的作用下椅面的运动过程可以分成 3 个状态： （1）初始状态（2）受力状态（3）终了状态。
初始状态，如图 7椅面在弹簧拉力的作用下，处于向上翻转的极限位置，弹簧处于绷紧状态 受力状态，如图 8人的重量压在椅面上，使椅面客服弹簧的拉力以及摩擦力，向下翻动，当电插锁的锁舌打出后，滑块被挡住，椅面不能继续再向下翻转，此时椅面基本处于与地面水平的状态 终了状态，这时人已经离开了板面，没有外力作用在椅面上，在弹簧回复力的作用下， - 9 - 椅面被拉回到初始状态 弹簧在冲击、振动和长期交变应力下使用，所以要求弹簧具有高的抗拉强度和抗疲劳强度根据弹簧的使用功能，因为其承受轴向拉力，故选择拉伸弹簧 图 7 初始状态 图 8 受力状态 - 10 - 5.4 控制系统设计 5.4.1 电插锁 电插锁原理：通常电插锁由两个主要部分组成： 锁体和锁孔锁体中的关键部件为 “锁舌” ，与“锁扣”配合可实现实现“开门”和“关门”两个状态即锁舌插入锁扣实现“关门” ，锁舌离开锁扣为“开门” 正因为锁舌的可伸缩功能，才被冠予“电插锁”的名称关门”时锁舌抵住下滑的滑块，这是椅子可以坐;“开门”时锁舌缩回，滑块自由滑动，这时椅子不可坐。
如图 9 图 9 电插锁三维视图 5.4.2 控制器 外接读卡器电路图 10： - 11 - 图 10 外界读卡器电路图 5.4.3 控制程序的调整 我们使用的是门禁系统的电路控制器，与新型功能椅子的控制器有一定区别原有控制系统是：感应后电插锁锁舌立即收回，感应结束后锁舌立即挺出，控制门的开关调整后的控制系统是：感应后电插锁锁舌挺出，感应结束后添加了一段时间的延时， 5 秒后锁舌收回调整后的感应控制程序详见附录 2 5.5 理论设计计算 人坐在上面存在两个极限位置，在这两个极限位置的情况下设计的椅子就可以保证其安全性和实用性假定人重 60 ㎏， G=600N，每根型材上受力 300N 位置一是人比较靠后的位置，其受力情况如图 11 所示 ： 图 11 极限位置一的受力分析图 - 12 - 此时根据受力分析可知 Fx=Fcosθ ① Fy+Fsinθ=G/2 ② 由力矩分析可知 Fsinθ·L=0 ③ 根据上面可联立求得 Fy=300N F=0 Fx=0 位置二是人比较靠前的位置，其受力情况如图13 所示： 图 12 极限位置二的受力分析图 由①②④联立，求得 F=1000N ⑤ Fx=800N Fy=－300N 根据上面两个位置比较可以确定在位置二的情况下设计椅子是更合理的。
即；画出板面的剪力图和弯矩图.如图 13 - 13 - 图 13 板面的剪力图和弯矩图 如图 13 此时由图可知板面的最大弯矩发生在 B 处：根据理论力学强度校核可知， 该力矩和最大剪力值分别为： Fs=300N M=48N·m 销钉的设计过程： 根据上式计算结果；Fx=800N,Fy=300N,方向向下， 该销钉接只受到切应力作用，由理论力学公式得： 总的剪切力 F=（Fx+Fy）½ Τ=F/A A 为销钉的截面面积 R=10mm 代入数据求得： τ= 2.72 Mpa 连杆的设计步骤： 根据连杆 AB 的实体图画出其受力分析图如图 15 图 14 连杆 AB 受力分析图 - 14 - 根据上式⑤已求得 F=1000N 由牛顿第三定律可知板面对连杆的压力F′=1000N 列方程式得： F′cosθ=F1 F′sinθ=F2 可求解得： F1=800N F2=600N 根据杆的压应力分析得： 应力σ=F′/A 代入数据截面面积 A=0.02 ×0.04 得： 应力σ= 1.25Mpa 滑块机构： 滑块的受力根据上式可知：滑块受到杆对他的压力为 F1=800N, 杆对锁舌的压力为F2=600N ，所以锁舌也只受到切应力，因此我们只需要计算其切应力即可. 根据切应力计算公式可知 τ=F1/A A 为锁舌的截面面积， A=πR2 代入数据可得： τ=2.54 Mpa R=10mm 铰链接的设计： 根据铰链接的受力分析可知，铰链接中的中心销只受到剪切力，杆对销的剪切力大小为 Fs=1000N 其剪切应力的最大值为： Τ=Fs/A A 为销的剪切面积； R=10mm A=πR² 联立求解得： Τ=3.18Mpa 六．后期改进方案 因为上述展示的仅仅是我们在制作前期展示的模型，与实际投入使用的椅子还有一定的差距。
区别主要在于材料地选择，连接件地选择以及控制系统的安装位置等方面现有的椅子有两根支撑杆，实际大批量生产时可以改进为一根中间的支撑杆，即双导轨简化为单导轨，节省材料与费用，使椅子更加美观根据人体功能学，板面设计为曲线形，使用者坐着时会更加舒适控制系统可以设置在门口或者讲台等固定位置，从而简化椅子的结构 此椅子加工方便、功能新颖，单间制作成本 450 元左右，批量生产后成本还可以降低，有比较好的市场前景这款椅子不仅可以在教室使用，投入市场后还可以用于会议室等场所 七．创新思维与特色 将电插锁与椅子巧妙地结合起来，解决了上课时学生玩的现象控制部分加上了一段时间的延迟，充分体现了人性化利用原有的椅子机构，只需要在原来的基础上进行 - 15 - 少量的改装就可以实现功能，可操作性强，加工成本低 八．参考文献 [1] 濮良贵，陈国定. 机械设计.北京：高等教育出版社.2006 [2] 梁庆华，邹慧君. 趣味机构学.北京： 机械工业出版社.2013 [3] 王伯平. 互换性与测量技术基础.北京：机械工业出版社.2008 九．附录 1.总装配图、部件装配图和若干重要零件图： 总转配图： - 16 - 底板: 铝合金导轨： - 17 - 滑块： 活动铰链： - 18 - 角槽片： 板面： - 19 - 角槽块： 连杆： - 20 - 2.控制程序的调整 感应控制系统程序： #include
