一體化粉筆換裝裝置的結構設計

楊光春 周濤 李勇

摘 要：文章介紹了一種集粉筆夾持功能、PPT翻頁功能和激光筆功能于一身的粉筆換裝裝置的結構。粉筆送進方式采用獨特的雙線螺紋結構，使粉筆在送進過程中更加平穩，真正實現無極推送。

關鍵詞：多功能；粉筆夾持；裝置；結構設計

調查顯示，目前市面上的粉筆換裝裝置結構多樣，但功能單一，結構不合理，粉筆在送進過程中容易出現卡死現象。基于此，我們設計了一種集粉筆夾持功能、PPT翻頁功能和激光筆功能于一身的一體化粉筆換裝裝置，它將傳統的粉筆套多功能化，能夠使老師在教學過程中更加得心應手。

1 方案設計

通過對多功能粉筆套的功能分析，將其分為四個部分進行模塊化設計：保持架、送進機構、夾持機構、PPT無線遙控與激光指示模塊。其中最主要的是送進機構與夾持機構的方案設計。由于送進機構的功能是把粉筆向裝置外送出，同時又要方便將粉筆安裝在裝置內，經過慎重的篩選，決定利用內螺紋來進行傳動，即通過內螺紋將螺旋筒的旋轉運動轉換為尾座的直線運動，進而實現粉筆的送進。這種送進方式能根據實際需求調整粉筆送進長度，不易卡死，同時能夠讓尾座受力更穩定。由于夾持機構的作用是將粉筆固定住，在需要的時候又要能夠允許粉筆按指定的方向運動，同時還要方便粉筆的安裝。經過多方面考慮，決定采用塑性橡膠圈貼合的方式夾緊：這種方式的夾緊主要是利用橡膠圈自身的塑性來實現的。在橡膠圈上開了許多槽以使橡膠圈能適應粉筆的錐度，從而保證粉筆在整個送進過程中都與橡膠圈緊密貼合，實現夾緊。這種方式能大大減少了總零件個數，且加工過程簡單，可以利用注塑直接成型。

2 結構設計及材料選擇

本設計產品的總體尺寸為：長139.9mm，直徑22.0mm。由于市場上粉筆的類型很多，直徑有大有小，形狀有圓有方，所以在設計時以各學校常用的標準化專用粉筆尺寸（長度7.50cm、大頭直徑1.00cm、小頭直徑0.80cm）為設計標準，并盡可能地兼容其他各型號的粉筆。其整體結構如圖1所示。其中PPT無線遙控與激光指示模塊置于保持架3中按鈕2下面。

1-端蓋；2-按鈕；3-保持架；4-滑竿；5-尾座；6-螺旋筒；7-夾持套

圖1 粉筆套裝配圖

保持架是本產品的主體零件，設計過程及要求都是關鍵。保持架主要受到3方面的作用力，手的握力、尾座與其內壁相互作用的摩擦力以及滑桿與滑槽之間相互作用的剪切力與摩擦力，所以選擇塑料作為保持架的材料。為了最大程度地利用空間，使產品整體尺寸盡可能地縮小，同時又要保證強度要求，將粉筆倉與電板倉一字排列，如圖2所示的結構設計。

圖2 保持架結構尺寸設計圖

螺旋筒是本產品外觀的主體部分，它主要受到滑桿對其內螺紋的剪切力與摩擦力的作用，由于ABS塑料的強度、剛度以及柔韌性都比較好，因此選擇它作為螺旋筒的材料。由于螺旋筒是利用內螺紋將螺旋筒的旋轉運動轉化為滑桿的直線運動，而滑桿負責推動尾座，進而帶動粉筆運動，所以為了保證運動的可靠性以及符合大多數人右手用筆的習慣，將螺旋筒的內螺紋設計為雙線矩形右旋內螺紋。同時，為了提高整個產品的使用舒適度，將螺旋筒的頭部進行了人體工程學設計。

圖3 螺旋筒結構尺寸設計圖

滑桿是整個裝置中最脆弱的零件，在整個裝置的傳動過程中起著至關重要的作用。滑桿主要受到螺旋筒對它的剪切力與摩擦力和尾座對它的正壓力。這里滑桿與尾座的配合采用過盈配合，為了保證強度要求以及加工要求，選擇塑料作為滑桿與尾座的材料。為了適應粉筆的大小頭和保證粉筆送進的穩定性，將尾座的凹坑設計為圓錐形。

圖4 尾座與滑桿結構尺寸設計圖

夾持套是本產品設計及使用時最關鍵的部分。由于粉筆質地很脆，強度、剛度及韌性都很差，粉筆無論是小頭還是大頭先伸出，夾持套都會有張開、復位兩個步驟，所以必須達到兩點要求。

第一，粉筆在推進過程中粉筆始終與夾持部件貼合，否則會因保持不住掉落。

第二，粉筆在使用過程中，夾持套必須要有足夠的彈性及回復空間，否則粉筆會因受力不均而斷裂。

根據以上夾持套工況分析，選擇材料時必須選擇彈性恢復強、厚度薄的材料作為夾持套的材料，從而達到設計及使用要求，因此選擇橡膠。為了適應粉筆的錐度使夾持套更好地貼合粉筆以保證粉筆夾持的穩定性，其結構如圖5所示。

圖5 夾持套三維結構圖

在端蓋上加工了一個小孔，以便透過激光束。為了能固定激光頭和使整個產品更加輕便，選擇ABS塑料作為端蓋的材料。其結構如圖6所示。

3 結束語

本粉筆換裝裝置結構新穎，特別是粉筆送進方式采用獨特的雙線螺紋結構，在螺旋筒內壁上開雙線螺紋，讓粉筆在送進過程中更加平穩，真正實現無極推送。具有積極的推廣應用價值。

參考文獻

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[3]濮良貴.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

*通訊作者：楊光春，男，攀枝花學院副教授，研究方向為機械工程。

作者簡介：周濤，男，四川人，大學在讀，主要研究方向為機械設計。