床用可转动式笔记本架的设计和研制*

□ 程 涛 □ 余五新 □ 吴 思 □ 陶敏文 □ 丁 捷

江汉大学 机电与建筑工程学院 武汉 430056

为解决市场上现有的笔记本电脑桌（支架）使用时限制人们的活动、调节和搬动不方便及不用时空间占有量大等问题，设计一款安装在床头靠背侧面可伸缩、转动式笔记本架，通过调节旋钮使支架上下移动、抽动或转动，以及笔记本桌面左右、前后移动或滑动，以便使用者获得最佳视角。本作品运用人机工程学设计，将桌面部分设计为可调节倾斜度的面板，以方便使用者操作键盘。使用时，笔记本电脑腾空在床面之上，不约束使用者的运动，调节灵活，配有锁紧机构，当调节到合适高度，通过锁紧机构能将整个装置固定，安全可靠。人需要下床时，松动锁紧机构后可很轻松地把支架转至床边，而不影响人上下床。不使用时，可以把支架推到墙边继续放置笔记本电脑，也能当作简易的床头桌，还能将桌面靠墙竖立，节约卧室空间。

1 功能介绍

1.1 主要功能

如图1所示，使用时，将笔记本电脑支架安装在床头靠背侧面，通过调节旋钮可以实现笔记本支架的升降；调节水平方向各杆件的相对位置，能够实现笔记本支架的前后左右移动，以满足不同人群的使用需求；放置笔记本的桌面设计成可调节角度的面板，以便使用者操作键盘。

1.2 附加功能

不在床上使用时，可旋转、折叠，靠墙面放置，作为简易床头桌，放置一些小物品。

2 结构设计

2.1 整体结构设计

根据人机工程学原理，确定笔记本架基本参数如图2所示，整体结构如图3所示。

图2中，底座离床面的距离为230 mm，桌面升降行程为200 mm，桌面左右移动行程为320 mm，外升降套筒长为450 mm,内升降套筒长为480 mm,折叠杆1和折叠杆3长度为450 mm,折叠杆2长为500 mm，大桌面固定管长为400 mm,大桌面长×宽为450 mm×320 mm，小桌面长×宽为 400 mm×280 mm。

▲图1 笔记本电脑支架

▲图2 床用可转动式笔记本架基本参数

▲图3 床用可转动式笔记本架整体结构

▲图4 竖直升降及锁紧机构结构图

2.2 竖直升降及锁紧机构设计

竖直升降及锁紧机构的结构如图4所示,齿条固定在内升降套筒的内壁,齿轮轴通过轴承和轴承座连接在外升降套筒。转动手轮,齿轮轴旋转,驱动齿条上下移动，从而带动内升降套筒升降,实现笔记本支架的升降。内升降套筒和外升降套筒通过塑料方筒形件（过渡块）构成移动副。

锁紧机构工作示意如图5所示，桌面到达理想高度后，将锁紧圆杆卡入手轮上的凹槽，就可以防止齿轮转动，从而实现齿轮和齿条的相对固定。

▲图5 锁紧机构

2.3 水平方向机构

▲图6 连接两折叠杆的转动机构

▲图7 折叠杆与内升降套筒的转动连接

水平方向的移动依靠3种结构实现。

第一种结构是如图6所示的转动机构，用于连接图3中的折叠杆1与折叠杆3，图3中的折叠杆2与折叠杆3也采用了这种转动机构。为增加连接强度和刚度，折叠杆内压配了40 mm长的方形铝块。螺杆上部与上部铝块为过渡配合，并焊接在折叠杆上，螺杆与下部铝块之间为小间隙配合，由此形成了两折叠杆之间的转动连接，并由蝶形螺母起锁紧两折叠杆的作用。

第二种结构是图3中的大桌面固定管和折叠杆2之间通过塑料方筒形件（过渡块）构成的移动副。

第三种结构是如图7所示的一种转动副。铝块压配在折叠杆1内，转动轴压配在铝块内，并与折叠杆1焊接，三者成为一个整体，转动轴与压配在内升降套筒内的铝块之间为可转动连接。松开或拧紧缩紧螺钉，可转动或锁紧折叠杆1。

3 刚度分析

取笔记本电脑质量G=2.5 kg计算，对折叠杆与大桌面固定管之间连接的刚度进行校核。

设方管的截面的弯矩为M,作用在AB段的均布载荷为q，D点的挠度为WD，D点的转角为δD，受力分析见图8；材料的弹性模量E=210 MPa。首先计算A点的垂直位移，然后在A点垂直向下的单位力的作用下，计算各段的 M（X）和查方管规格表得AC段的截面惯性矩I1=5 145CD段的截面惯性矩I2=10 368.75mm4，则：

▲图8 折叠杆与大桌面固定管的受力分析图

计算D点的转角δD，这需要在A处作用一个单位力矩偶：

则：

由生活经验可知挠度WD在 0～30 mm，δD在0～5°,满足使用要求。上述校核均为理论状态，实际使用状态下，由于受力不均匀等因素造成挠度和转角变大，实物实验结果是挠度为17mm，转角为可4°，因此，所设计的作品满足使用要求。

4 总结

该笔记本架实现一物多用，既可作床上用笔记本架，也可为简易床头桌；组合运用转动副、移动副、齿轮齿条机构和锁紧机构，达到满足用户舒适性需求并减少卧室占用空间的目的，为经常在床上使用笔记本电脑的用户提供便捷，是一种理想的生活用具，批量生产时的性价比高，有很大的推广应用价值。

［1］ 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］ 刘鸿文.材料力学（第 4版）［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］ 于永泗，齐民.机械工程材料［M］.大连：大连理工大学出版社,2010.