便攜式多功能繪圖桌的設計

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

便攜式多功能繪圖桌的設計

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

繪圖桌是工程測繪的必備工具。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，設計人性化，繪圖效率得到了提高。本文通過對繪圖桌的結構設計、工作原理的介紹，以及關鍵部件的強度校核計算，為繪圖桌的制造和實際應用提供了一定的理論依據。

多功能繪圖桌；旅行箱；結構設計；強度校核

1概述

手工繪圖作為一項基本繪圖能力，是工科類學生的必修課。繪圖桌作為重要的繪圖輔助器械，需要功能完善，搬運便利等優點。傳統繪圖桌體積大，搬運不便，調節性差，功能缺失，繪圖時極不方便，根據一項市場調查，大部分學生都對傳統繪圖桌不滿意。本文從實際需求出發，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，設計人性化，繪圖效率得到了提高。

2 結構及工作原理

2.1 繪圖桌狀態

多功能繪圖桌由折疊式桌腿、折疊繪圖板、繪圖板夾緊機構、可拆式丁字尺和全維度讀書架四個模塊組成（如圖1所示）。折疊式桌腿主要采用齒輪齒條機構，來調節繪圖桌的高度；利用氣彈簧來實現繪圖板角度的無極調節；折疊式桌腿分成上下兩部分，上部分是齒輪齒條機構，需要調節高度時，可以通過旋轉兩側的旋鈕使齒輪旋轉實現，同時旋鈕自身具有自鎖的功能。下部分是兩個齒輪腳桿，通過一對嚙合齒輪接觸來實現展開和收攏。整個桌腿可以實現快速折疊和展開，充分體現了便捷的特點。此外，桌腿的整個結構是三角形設計，可充分確保桌子的穩定，克服了由折疊帶來的不穩定因素（如圖2所示）。眾所周知，繪圖對繪圖板的表面要求很高，由于所設計的繪圖板分成左右兩塊，導致在繪圖板面上留有一條縫隙。因而，將折疊繪圖板設計成右繪圖板固定在箱體上，左繪圖板是可移動的；通過施加外力給可移動的繪圖板，從而使兩塊繪圖板夾緊，減輕縫隙對繪圖的影響。同時，將整個箱體空間進行合理布局，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。傳統的固定圖紙方式：圖釘、膠帶等，這些方式都會對繪圖板和圖紙有損害。通過在繪圖板內部鑲嵌有吸鐵石，可以固定各種型號的圖紙。這可以實現無損害固定圖紙（如圖3所示）。繪圖板夾緊機構主要是為了解決繪圖板的縫隙問題。同時由于整個箱體的空間有限，且要有效持續施加一定的力，因而采用彈簧來施加力，可以避免因施力時間過長而導致力衰減。整個夾緊機構通過轉動夾緊旋鈕可以達到施加力和釋放力兩個過程。初始狀態下，凸輪行程處于最低位置，卡爪與固定帽脫離；夾緊過程，當轉動夾緊旋鈕，凸輪將卡爪向一個方向移動，最終卡爪鎖緊在固定帽上，使彈簧處于拉長狀態，從而兩塊繪圖板夾緊。釋放過程，當轉動夾緊旋鈕，凸輪將卡爪向一個方向移動，卡爪于移動帽接觸且帶動移動帽往相反方向移動。最終移動帽與固定帽接觸，卡爪脫離固定帽，返回到初始狀態（如圖4所示）。

傳統的丁字尺較長，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，且滑塊上有滑塊調節螺柱，壓彈簧位于滑塊調節螺柱與滑塊之間，將整個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、壓彈簧等機構夾緊；壓緊彈簧檔環與懸臂短尺旋鈕之間有壓彈簧，將懸臂短尺與水平尺壓緊；壓緊彈簧檔環與彈簧柱利用螺紋連接；水平尺兩側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；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；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）。在繪圖過程中，往往要參考書籍，而書籍的不合理放置會給使用者帶來不便，且放置位置具有不定性。因而設計了一種全維度讀書架，便于使用者在繪圖過程中放置參考書。讀書架具有全維度運動，任意位置停滯的特點，充分滿足了使用者的需求，符合人性化的設計。

整個讀書架是由四個連桿構成，可以實現全方位，任意位置的旋轉，符合不同人群的需求。讀書架的自鎖主要是靠摩擦力來實現的。垂直角度調節桿內部有單向滾針軸承，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范圍擴大，同時也保證了垂直方向上的自鎖。其次，水平角度調節桿與垂直角度調節桿相結合，可以使讀書架在空間360度旋轉（如圖6所示）。讀書架與抽屜通過折疊扣相連，可以實現讀書架的折疊與展開。折疊好后整個機構都在讀書架抽屜的內部，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

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

3 設計計算

為保證便捷式多功能繪圖桌的穩定和可靠，需要對繪圖桌的關鍵部件進行強度校核，確保設計的可靠性。

3.1 齒輪的強度校核分析

該齒輪用于調節繪圖桌高度的齒輪齒條機構中，會承受桌子上部的重量，非常關鍵。因此要對齒輪進行強度校核。齒面接觸疲勞強度計算公式：式中：

KH-載荷系數；

d-分度圓直徑，mm；

u-轉動比；

T-轉矩，N·m；

ZH-區域系數；

ZE-彈性影響系數，MPa1/2；

Zε-接觸疲勞強度用重合度系數；

若齒面接觸疲勞強度σH滿足條件σH＜[σH]，則齒輪的設計符合要求。

3.2 齒輪軸的強度校核

齒輪軸與調節高度的旋鈕相連，需要承受桌子上部的重量，因此要對齒輪軸進行強度校核。

圖10為齒輪軸的受力簡圖。

校核危險斷面的當量彎曲應力計算公式：式中：

M—彎矩，N·m；

α—折合系數，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

氣彈簧固定軸是調節角度機構中關鍵零件，由于氣彈簧產生的力角度，因而對氣彈簧固定軸的強度要求比較高，這也關乎整個繪圖桌的可靠性。

圖11為氣彈簧固定軸的受力簡圖。

校核危險斷面的彎曲應力計算公式式中：

M—彎矩，N·m；

W—抗扭截面摸量，mm3；

由于該軸不受扭轉的作用：所以T=0，τ=0，α=1。

根據第三強度理論式中：

σ—彎曲應力，MPa；α—折合系數，取α=1；

τ—切應力，MPa；

若氣彈簧固定軸危險斷面的當量彎曲應力σca滿足條件σca≤[σ0]，則氣彈簧固定軸的設計符合要求。

3.4 齒輪軸上鍵的校核

齒輪軸上鍵選用A型普通平鍵，普通平鍵連接強度計算公式式中：

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—鍵的工作長度，mm；

d—軸的直徑，mm；

若齒輪軸危險斷面的當量彎曲應力σp滿足條件σp≤[σp]，則鍵的設計符合要求。

結語

繪圖桌是繪圖必備工具，傳統繪圖桌體積大，搬運不便，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，人性化設計，大大提高了繪圖的效率。且目前市場上沒有類似的產品，具有巨大的市場價值。通過設計計算和校核，繪圖桌的關鍵零件可靠性較高，整個繪圖桌的穩定性較好，使用性能可靠，完全滿足市場需求。

[1]喻國盈，李旭，劉蘇瑤，曲悠揚，張雨婷.便攜式多功能繪圖桌設計研究[J].科技創新導報，2010（25）.

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[4]江方記.漸開線圓柱齒輪參數化設計與校核系統的研究[J].企業技術開發（學術版），2014（04）.

TH12

A

2014-2015年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201410351018），2012年溫州大學教改項目（12jb58B）。

王林，男，浙江紹興人，浙江溫州大學在讀本科生。

錢金貴，男，安徽安慶人，浙江溫州大學在讀本科生。

玄東吉，男，吉林龍井人，講師，研究方向：系統控制與優化。