一種自動(dòng)擦拭電動(dòng)升降黑板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：手動(dòng)升降黑板推拉時(shí)易失去平衡，手動(dòng)擦除粉筆字時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且污染環(huán)境，為了解決這些問題，提出了一種電動(dòng)升降黑板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。介紹了電動(dòng)升降黑板的總體設(shè)計(jì)原理，通過對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電動(dòng)機(jī)的選擇，以及帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、行程開關(guān)等重點(diǎn)機(jī)構(gòu)的詳細(xì)分析與計(jì)算，對(duì)傳動(dòng)組件進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì);通過對(duì)齒輪傳動(dòng)、伸縮機(jī)構(gòu)等分析應(yīng)用，對(duì)清潔組件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理分析，從而設(shè)計(jì)出一種具有自動(dòng)擦除功能的電動(dòng)升降黑板，具有靈活、平穩(wěn)的特點(diǎn)，能夠自動(dòng)控制板面的升降，具有全自動(dòng)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(jià)值和發(fā)展前景。

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

中圖分類號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(shí)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(zhǎng)，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(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)、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(dòng)上下升降黑板，這種黑板的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)[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(fèi)時(shí)間;三是在擦黑板過程中，粉塵飛揚(yáng)，對(duì)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(shí)，難于完全擦拭干凈高處的字體，因此這種手動(dòng)升降黑板及手動(dòng)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(jì)，設(shè)計(jì)出具有自動(dòng)擦除功能的電動(dòng)升降黑板，具有省力、靈活、平穩(wěn)、自動(dòng)控制黑板的升降及具有全自動(dòng)擦拭板面和收集粉筆灰等功能，安全方便，高效實(shí)用。

1 電動(dòng)升降黑板設(shè)計(jì)原理

電動(dòng)升降黑板總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，一個(gè)長(zhǎng)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(dòng)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(duì)側(cè)壁分別開設(shè)有供前黑板和后黑板滑動(dòng)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(dòng)擦除，前黑板和后黑板的牽引組件由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)10帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)升降，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的外部安裝有外殼，起安全保護(hù)的作用。

2 電動(dòng)升降黑板重點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)升降黑板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，在板框頂部?jī)?nèi)壁上安裝有轉(zhuǎn)軸12，轉(zhuǎn)軸通過滾動(dòng)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(gè)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(dòng)帶16與帶輪18連接，帶輪18由電動(dòng)機(jī)19帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，板框四個(gè)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(dòng)組件的側(cè)視簡(jiǎn)圖。

（2） 工作原理

使用時(shí)，先把整個(gè)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(dòng)電機(jī)，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪帶動(dòng)鏈條使黑板移動(dòng)，當(dāng)前黑板向下移動(dòng)時(shí)，后黑板上升，碰到行程開關(guān)時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)[5];反之，當(dāng)前黑板向上移動(dòng)時(shí)，后黑板下降，碰到行程開關(guān)時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)黑板自動(dòng)上升與下降功能。

2.2 電動(dòng)機(jī)選擇

為了實(shí)現(xiàn)黑板平穩(wěn)順暢的升降，首先要選取合適的電動(dòng)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(dòng)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?yàn)殡妱?dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)來帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)黑板的自動(dòng)升降，帶傳動(dòng)的效率取η2=0.95，載荷平穩(wěn)，電機(jī)工作時(shí)間短，故工況系數(shù)取 k=1.0，由此可以算出電動(dòng)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(hào)有刷直流電動(dòng)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(dòng)升降。

2.3 鏈條及帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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?yàn)殒湕l受力不大，鏈速較小，故可以選取兩個(gè)鏈輪齒數(shù)都為13，鏈條號(hào)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(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)普通 V 帶傳動(dòng)的工作條件，工況系數(shù)取 K=1.0，所以計(jì)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(gè)基準(zhǔn)直徑相等的帶輪，基準(zhǔn)直徑為 dd1= dd2=75 mm。

驗(yàn)算帶速：

帶速合適。

初選帶輪的中心距 a0=2000 mm 。

初定帶長(zhǎng)：

選取帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)d =4000 mm 。

兩帶輪實(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)，擺桿2和套架4繞著固定支點(diǎn)3作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，于是滾子6向右滾動(dòng)，此時(shí)彈簧11被壓縮儲(chǔ)存能量，當(dāng)滾子6滾過T 形擺桿10的中點(diǎn)，并推開壓板7的時(shí)候，T 形擺桿10在彈簧11的作用下，迅速作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使常閉觸點(diǎn)8迅速斷開，而開觸點(diǎn)9迅速閉合。當(dāng)黑板離開滾輪時(shí)，在復(fù)位彈簧5和12的作用下，觸點(diǎn)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(gè)角上下的距離就是自動(dòng)升降黑板的最大行程。在電動(dòng)升降黑板中，需要兩個(gè)限位，即上限位和下限位，分別安裝在板框的4個(gè)角當(dāng)中。當(dāng)黑板上升或下降到最高或最低的位置時(shí)，碰到限位開關(guān)上的滾輪，限位開關(guān)的觸點(diǎn)開始工作，切斷電動(dòng)機(jī)的電源，黑板停止運(yùn)動(dòng);當(dāng)黑板進(jìn)入行程內(nèi)時(shí)，滾輪與黑板分離不接觸，黑板正常升降，這時(shí)，復(fù)位彈簧開始工作，使?jié)L輪回到原始的位置，為下次動(dòng)作做準(zhǔn)備。

2.5 清潔組件設(shè)計(jì)

2.5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(dòng)，清潔組件包含在板框相對(duì)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(dòng)軸承連接有轉(zhuǎn)動(dòng)桿，且兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桿均平行于前黑板，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桿套設(shè)有一塊清潔布，在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桿底部均設(shè)置有實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)組件，包括清潔組件底部?jī)?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(dòng)軸承套設(shè)有直齒圓柱齒輪和第一錐齒輪，清潔盒底部?jī)?nèi)壁與桿件之間連接有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸套設(shè)有第二錐齒輪和帶輪，另一帶輪套設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)桿上，兩帶輪由傳動(dòng)帶連接。

后黑板的清潔組件是帶有魔術(shù)貼的海綿芯長(zhǎng)條抹布，抹布貼在前黑板的后背底端，當(dāng)前黑板移動(dòng)時(shí)可對(duì)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(shí)，開動(dòng)電機(jī)，使前黑板向上移動(dòng)，圖 6中，固定在前黑板外壁的齒條會(huì)帶著圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱齒輪與第一錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第一錐齒輪帶動(dòng)第二錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，第二錐齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的帶輪通過傳動(dòng)帶帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿，轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)清潔布移動(dòng)，擦拭黑板表面;當(dāng)再次用到前黑板的時(shí)候，前黑板向下移動(dòng)，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(dòng)隨黑板一起運(yùn)動(dòng)，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(gè)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?yàn)閮慑F齒輪的傳動(dòng)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(dòng)桿和錐齒輪同軸，所以轉(zhuǎn)動(dòng)桿的轉(zhuǎn)速也為150 r/min ，取轉(zhuǎn)動(dòng)桿的直徑為30 mm ，轉(zhuǎn)動(dòng)桿帶動(dòng)抹布產(chǎn)生0.26 m/s的水平速度擦拭黑板，同時(shí)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(dòng)時(shí)自動(dòng)擦除干凈粉筆字。

2.5.3 清潔組件伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dòng)爪滑動(dòng)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(shí)，推桿上的壓條沿軸向壓動(dòng)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(duì)滑動(dòng)，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(dòng)，被鎖住。分度爪的凹槽有深槽和淺槽，兩種槽交錯(cuò)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(shí)，清潔組件被彈出來，遠(yuǎn)離板面，可以使黑板往上移的時(shí)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(shí)，再按一下傳動(dòng)組件的外殼時(shí)，傳動(dòng)組件就會(huì)移向板面，而且使抹布貼緊板面，在黑板升降過程中自動(dòng)擦除字體。擦除字體時(shí)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(yǔ)

本升降黑板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有如下的優(yōu)點(diǎn)。

（1） 通過電動(dòng)機(jī)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等牽引組件，可使黑板自動(dòng)上升及下降，并且在行程開關(guān)的控制下，保證黑板運(yùn)動(dòng)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(dòng)的過程中即可對(duì)黑板表面進(jìn)行自動(dòng)擦拭，同時(shí)，清潔組件內(nèi)部的齒條齒輪傳動(dòng)、錐齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等實(shí)現(xiàn)了清潔布左右移動(dòng)，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(shí)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(jì)傳動(dòng)部分和清潔組件，自動(dòng)化程度高，可以滿足自動(dòng)升降黑板和自動(dòng)擦除板面的需要，為課堂教學(xué)帶來極大的方便。

該設(shè)計(jì)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(dòng)升降黑板時(shí)受力不均失去平衡的問題，又解決了手動(dòng)擦除粉筆字時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)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(guó)家專利“一種可以自動(dòng)擦黑板的移動(dòng)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(jià)值和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡馨儀.黑板在多媒體課堂中的有效應(yīng)用探索[J].成才之路， 2021（21）：94-95.

[2]畢帥.理論力學(xué)研究型實(shí)驗(yàn)報(bào)告手拉式黑板的運(yùn)動(dòng)分析[EB/OL].[2013-04-07].https：//www.docin.com/p-630402886.html.

[3]林毅貞.支架式移動(dòng)黑板的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021， 50（7）：208-210.

[4]孟威.新型自動(dòng)吸塵黑板研制與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2015，32（7）：104-106.

[5]畢淑娥.電工與電子技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社：2016.

[6]黃平，朱文堅(jiān).機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)——理論、方法與標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[7]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2014.

[8]陳立德， 羅衛(wèi)平.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2013.

[9]豆丁網(wǎng).各種規(guī)格鏈輪選型參數(shù)表[EB/OL].[2012-08-17].https：//www.docin.com/p-456863481.html.

[10]韓玉成.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2017.

[11]百度文庫(kù).行程開關(guān)[EB/OL].[2014-06-13]. https：//wenku.bai- du.com/view/1dbac6a04693daef5ef73d66.html.

[12]楊迪.自動(dòng)伸縮圓珠筆：CN203185907 U[P].2013-09-11.

[13]林毅貞， 伍玩秋.一種可以自動(dòng)擦黑板的移動(dòng)黑板：CN 21565167 U[P].2021-06-29.

作者簡(jiǎn)介：林毅貞（1972-），女，廣東陽(yáng)江人，碩士，講師，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。

（編輯：王智圣）