“自轉芯”新型自動鉛筆設計

許博文，房恒宇，李飛歐，張登博，宋圓美

（臨沂大學 機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000）

自動鉛筆誕生于18 世紀[1]，1960 年后，由于自動鉛筆不斷被市場和消費者接納及鉛芯的技術突破等原因，自動鉛筆在日本迎來了20 多年的高速發展[2]。我國于1950 年才開始進行活動鉛筆的生產，并于1980 年成功研制出與國際主流水平接近的0.5 mm 直徑的鉛芯，為自動鉛筆在我國的發展奠定了基礎條件[1]。

自動鉛筆的出現從一定程度上解決了傳統木制鉛筆需要經常削鉛筆和不方便攜帶（木制鉛筆在攜帶的過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，對木制鉛筆產生了一定的替代作用[1]。時至今日，自動鉛筆在全球已經形成了較為龐大的產業規模，截至2021 年底，在全球的自動鉛筆產量中，僅中國在2021 全年的產量就已達7.01 億支[3]。

但市場上現有的自動鉛筆在使用上仍存在一些缺陷，如無法長時間保持書寫均勻，自動鉛筆掉落時鉛芯容易斷裂，無法在不同類型的鉛芯之間切換等。本課題以“落芯式”自動鉛筆的引線產生機構為基礎，在自動鉛筆內部進行創新的機械結構設計，解決了現有自動鉛筆在使用過程中遇到的一些問題。

1 現有普通自動鉛筆存在的問題

1.1 無法保持長時間勻細書寫

雖然與普通木制鉛筆相比自動鉛筆具有許多優勢，但其本身并不是沒有缺點，除了自動鉛筆本身特有的問題，由于書寫原理并沒有發生太大改變，木制鉛筆原有的一些問題也被帶到了自動鉛筆上，例如在書寫過程中，鉛芯會因為損耗形成斜面，從而使寫出的筆跡不均勻，漸漸變粗變淡，影響書寫的美觀和辨識程度，并對需要精準筆跡作業的人群有很大的影響（如制圖、設計、書寫等）[1]。

普通自動鉛筆如果想在使用過程中克服這一問題，就需要每使用一小段時間就旋轉一下筆身，這種在使用過程中的頻繁轉筆操作讓原本便捷的書寫過程變得麻煩，極大影響了人們的使用體驗。

1.2 鉛芯易發生斷裂

現有普通自動鉛筆大多裝載0.5、0.7 mm 等直徑的鉛芯[4-5]，這些鉛芯的直徑較細，同時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，當自動鉛筆摔落到地面或其他較硬物體（如自動鉛筆不慎從桌面滑落或不小心從手中脫落）時，其內部裝載的鉛芯在沖擊力的作用下極易發生斷裂，使原本的較長的鉛芯斷裂成許多小節，造成自動鉛筆無法正常使用，斷裂后的細小鉛芯甚至會造成出鉛機構卡殼無法工作和筆尖出鉛孔的堵塞。

1.3 不能切換使用型號不同的鉛芯

市面上常見的普通自動鉛筆大多按照所能使用的鉛芯直徑（常見的有0.5、0.7 mm 等）、制成材料（如金屬、塑料等）、用途（如考試自動鉛筆、制圖自動鉛筆等）等進行分類，其中最重要的參數就是這只自動鉛筆所能使用的鉛芯直徑大小，因為其直接關系到書寫筆跡的粗細。

現有的普通自動鉛筆絕大多數采用的都是一“筆”對一“芯”的方式（即一種型號的自動鉛筆只能使用一種對應型號的鉛芯，如使用0.5mm 直徑鉛芯的自動鉛筆只能使用0.5 mm 直徑的鉛芯），這是由自動鉛筆的出鉛機構和筆頭的出鉛孔所決定的，不同鉛芯型號的自動鉛筆其出鉛機構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 直徑鉛芯的自動鉛筆，其夾緊機構的夾緊直徑是略小于0.7 mm 的，無法對0.5 mm直徑的鉛芯進行夾緊，故直徑0.5 mm 的鉛芯無法在0.7 mm 直徑鉛芯的自動鉛筆上使用；使用0.5 mm 直徑鉛芯的自動鉛筆，其夾緊機構的夾緊直徑略小于0.5 mm，在一定程度上可以對大一些的鉛芯進行夾緊（如直徑0.7 mm 的鉛芯），但自動鉛筆筆頭前端的出鉛孔，為了穩定鉛芯不讓其在使用過程中產生晃動，一般其直徑是嚴格與所使用的鉛芯直徑對應的，故直徑為0.7 mm的鉛芯無法穿過使用0.5 mm 鉛芯的筆頭。

綜上所述，現有自動鉛筆無法更換使用直徑大小不同的鉛芯，如果想使用不同粗細的鉛芯就需要購買不同鉛芯型號的自動鉛筆，除了需要消費者付出較高的金錢成本之外；其實2 只同類型不同鉛芯型號的自動鉛筆大多結構是具有互換性的，重復的生產制造也從一定程度上帶來了資源的浪費。

2 新型自動鉛筆的創新結構設計

為解決上述問題，新型自動鉛筆進行如下創新設計。

2.1 內置自動轉芯及旋轉制動裝置

基于“墜芯式”自動鉛筆的出鉛機構[7]，在其四周設置自動轉芯機構并在其上方設置旋轉制動裝置（圖1），該結構外殼體與筆身相連接并利用卡槽固定，旋轉卡盤與出鉛機構相連接，利用現有成熟的“墜芯式”出鉛機構完成對鉛芯的出鉛及夾緊。

圖1 自動轉芯及旋轉制動裝置示意圖

在使用過程中，使用者的“書寫”會產生一定的向上作用力，這個力量由鉛芯向上傳遞經出鉛機構后傳遞到與其相連的自動轉芯機構內的旋轉卡盤上，旋轉卡盤受力向上發生位移并帶動旋轉卡盤上方的旋轉彈簧和鎖止環向上位移，當位移量達到使內部卡盤脫離下方限位斜齒盤時，鎖止環卡入上方制動槽內實現鎖止，此時在旋轉彈簧的復位作用下旋轉卡盤對準下方斜齒限位盤的下一導程;當使用者“提筆”時向上作用力消失，旋轉制動裝置內的彈簧將鎖止環從制動槽內推出，在重力及部分彈出力的作用下，旋轉卡盤沿下方斜齒限位盤的導程帶動相連接的出鉛機構產生一定的旋轉，同時出鉛機構帶動其內夾緊的鉛芯進行旋轉，實現鉛芯的旋轉，從而解決為獲得勻細筆跡而需要頻繁轉動筆桿的麻煩。

2.2 內置緩沖減震裝置

在自動轉芯及旋轉制動裝置的后方設計了緩沖減震裝置（圖2），該機構由多邊形限位機構、減震彈簧等主要部分組成，通過下方的4 個伸出塊與下方自動轉芯及旋轉制動裝置相配合，主要用于緩沖自動鉛筆不慎摔落后的軸向沖擊力，同時對自動轉芯及旋轉制動裝置（除旋轉卡盤外的主體部分）進行固定，并對后方出鉛按鍵在按壓后進行復位。

圖2 緩沖減震裝置示意圖

當自動鉛筆不慎發生摔落時，如果筆尖（鉛芯）處先接觸到地面等較硬物體，由于上述自動轉芯的相關設計，鉛芯會帶動筆尖即出鉛機構向上發生位移以化解部分沖擊，當出鉛機構等部分位移到減震裝置下方時減震彈簧開始吸收所傳遞過來的沖擊力以實現對鉛芯的保護；當自動鉛筆的其他部位先接觸到地面等較硬物體時，所產生的沖擊力主要經筆身向內傳遞，由于緩沖減震裝置的分體式設計，該部分沖擊力會被其吸收大部分，同時配合旋轉卡盤及上方旋轉彈簧在自動轉芯機構內的分體式設計對剩余少補分沖擊力進行吸收，實現對鉛芯的保護。

2.3 可拆卸模塊化設計

新型自動鉛筆的整體結構采用可拆卸式設計，所有零部件均可拆卸，當某個部件發生損壞或老化時，可以直接對該零部件進行替換，從而提高資源利用率，減少不必要的資源浪費[8]。

同時，在可拆卸的基礎上對筆頭及出鉛機構做了一定的機構模塊化設計（圖3），利用同類型不同鉛芯型號自動鉛筆其零部件具有高度互換性的特點，使用戶可以根據自身需求選擇不同的出鉛機構及筆頭模塊，以滿足在工作、學習等使用過程中對不同鉛芯直徑的需求，無需購買不同鉛芯型號的新自動鉛筆，只需按需更換安裝對應鉛芯直徑的適配模塊即可。

圖3 可拆卸模塊化設計示意圖

新型自動鉛筆的可拆卸模塊化設計，使其從經濟上減少了消費者的額外成本支出，并從一定程度上節約了生產資源，減少了部分自動鉛筆生產過程中所帶來的碳排放[9]。

2.4 其他功能設計

重心下降式設計（圖4）：在新型自動鉛筆的設計之初，考慮到現有自動鉛筆出現的筆身重心不合理的問題（市面上的現有自動鉛筆有時會出現重心偏上的問題，重心偏上會導致使用者在握持時更加吃力，易出現使用疲勞，同時在書寫時更加費力），對重心的分布做了一定的設計，使新型自動鉛筆的產品重心主要集中在用戶使用時握持的金屬筆握及其下方，帶來更好的用戶體驗。

圖4 優化設計后的重心分布圖

后置隱藏式橡皮設計（圖5）：延續了傳統鉛筆的后置橡皮設計，并在此基礎上做了一些升級，使用戶在忘記攜帶橡皮時，也可以通過后置的隱藏橡皮修改筆跡，橡皮的隱藏式設計，也讓新型自動鉛筆的整體更加美觀。同時，橡皮槽與鉛芯筒相連，用戶在需要加裝鉛芯時只需將后方橡皮外殼及橡皮拆下，即可直接向鉛芯桶內添加鉛芯，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 新型自動鉛筆的外觀設計

3.1 外觀配色

新型自動鉛筆的外觀主體采用了中國傳統顏色中的石榴紅，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，在給人帶來奢華感的同時又并不張揚，給人以沉穩干練之感，并在筆頭、后蓋等細節邊緣處采用了鎏金配色，既與筆握、筆夾等金色部件進行了視覺上的呼應，又給人以精湛細節之美[10]。

3.2 外觀造型

新型自動鉛筆的筆頭采大、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，給人以穩重可靠之感；筆身采用通體圓柱式設計，在契合書寫使用習慣的同時給人圓潤親和之感；下方筆握之中的旋轉交錯曲線既增加了用戶握持時的摩擦力，也給整體視覺帶來了靈動之感；筆夾的側面多同心半圓裝飾紋路，像一個個彩虹的寓意著希望與幸運（圖6）。

圖6 筆夾的側面裝飾紋路示意圖

3.3 制成材質

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

圖7 新型自動鉛筆外觀設計概念圖

4 結束語

本項目基于“落芯式”自動鉛筆芯機構，在自動鉛筆芯內部進行了機械結構設計的創新，內部結構的壓力變化解決了現有自動鉛筆芯在使用過程中不能保持長時間良好書寫的問題，并在內部設計中內置緩沖減震裝置解決了自動鉛筆芯掉落時容易折斷的問題，同時，新型可拆卸模塊化設計使自動鉛筆可以切換使用不同類型的鉛芯。該新型自動鉛筆的設計從一定程度上，填補了國內文具行業相應的空白。目前中國的創意文具產業與日本等發達國家還存在一定的差距，還需要不斷的發展和超越，本文介紹了一種新型的自動鉛筆，希望能夠起到“拋磚引玉”的作用，期待未來有更多更好的創意文具產品出自我國原創設計師之手，使我國成為世界創意文具產業中的一個領先和制高點。