一体化粉笔换装装置的结构设计

杨光春 周涛 李勇

摘 要：文章介绍了一种集粉笔夹持功能、PPT翻页功能和激光笔功能于一身的粉笔换装装置的结构。粉笔送进方式采用独特的双线螺纹结构，使粉笔在送进过程中更加平稳，真正实现无极推送。

关键词：多功能；粉笔夹持；装置；结构设计

调查显示，目前市面上的粉笔换装装置结构多样，但功能单一，结构不合理，粉笔在送进过程中容易出现卡死现象。基于此，我们设计了一种集粉笔夹持功能、PPT翻页功能和激光笔功能于一身的一体化粉笔换装装置，它将传统的粉笔套多功能化，能够使老师在教学过程中更加得心应手。

1 方案设计

通过对多功能粉笔套的功能分析，将其分为四个部分进行模块化设计：保持架、送进机构、夹持机构、PPT无线遥控与激光指示模块。其中最主要的是送进机构与夹持机构的方案设计。由于送进机构的功能是把粉笔向装置外送出，同时又要方便将粉笔安装在装置内，经过慎重的筛选，决定利用内螺纹来进行传动，即通过内螺纹将螺旋筒的旋转运动转换为尾座的直线运动，进而实现粉笔的送进。这种送进方式能根据实际需求调整粉笔送进长度，不易卡死，同时能够让尾座受力更稳定。由于夹持机构的作用是将粉笔固定住，在需要的时候又要能够允许粉笔按指定的方向运动，同时还要方便粉笔的安装。经过多方面考虑，决定采用塑性橡胶圈贴合的方式夹紧：这种方式的夹紧主要是利用橡胶圈自身的塑性来实现的。在橡膠圈上开了许多槽以使橡胶圈能适应粉笔的锥度，从而保证粉笔在整个送进过程中都与橡胶圈紧密贴合，实现夹紧。这种方式能大大减少了总零件个数，且加工过程简单，可以利用注塑直接成型。

2 结构设计及材料选择

本设计产品的总体尺寸为：长139.9mm，直径22.0mm。由于市场上粉笔的类型很多，直径有大有小，形状有圆有方，所以在设计时以各学校常用的标准化专用粉笔尺寸（长度7.50cm、大头直径1.00cm、小头直径0.80cm）为设计标准，并尽可能地兼容其他各型号的粉笔。其整体结构如图1所示。其中PPT无线遥控与激光指示模块置于保持架3中按钮2下面。

1-端盖；2-按钮；3-保持架；4-滑竿；5-尾座；6-螺旋筒；7-夹持套

图1 粉笔套装配图

保持架是本产品的主体零件，设计过程及要求都是关键。保持架主要受到3方面的作用力，手的握力、尾座与其内壁相互作用的摩擦力以及滑杆与滑槽之间相互作用的剪切力与摩擦力，所以选择塑料作为保持架的材料。为了最大程度地利用空间，使产品整体尺寸尽可能地缩小，同时又要保证强度要求，将粉笔仓与电板仓一字排列，如图2所示的结构设计。

图2 保持架结构尺寸设计图

螺旋筒是本产品外观的主体部分，它主要受到滑杆对其内螺纹的剪切力与摩擦力的作用，由于ABS塑料的强度、刚度以及柔韧性都比较好，因此选择它作为螺旋筒的材料。由于螺旋筒是利用内螺纹将螺旋筒的旋转运动转化为滑杆的直线运动，而滑杆负责推动尾座，进而带动粉笔运动，所以为了保证运动的可靠性以及符合大多数人右手用笔的习惯，将螺旋筒的内螺纹设计为双线矩形右旋内螺纹。同时，为了提高整个产品的使用舒适度，将螺旋筒的头部进行了人体工程学设计。

图3 螺旋筒结构尺寸设计图

滑杆是整个装置中最脆弱的零件，在整个装置的传动过程中起着至关重要的作用。滑杆主要受到螺旋筒对它的剪切力与摩擦力和尾座对它的正压力。这里滑杆与尾座的配合采用过盈配合，为了保证强度要求以及加工要求，选择塑料作为滑杆与尾座的材料。为了适应粉笔的大小头和保证粉笔送进的稳定性，将尾座的凹坑设计为圆锥形。

图4 尾座与滑杆结构尺寸设计图

夹持套是本产品设计及使用时最关键的部分。由于粉笔质地很脆，强度、刚度及韧性都很差，粉笔无论是小头还是大头先伸出，夹持套都会有张开、复位两个步骤，所以必须达到两点要求。

第一，粉笔在推进过程中粉笔始终与夹持部件贴合，否则会因保持不住掉落。

第二，粉笔在使用过程中，夹持套必须要有足够的弹性及回复空间，否则粉笔会因受力不均而断裂。

根据以上夹持套工况分析，选择材料时必须选择弹性恢复强、厚度薄的材料作为夹持套的材料，从而达到设计及使用要求，因此选择橡胶。为了适应粉笔的锥度使夹持套更好地贴合粉笔以保证粉笔夹持的稳定性，其结构如图5所示。

图5 夹持套三维结构图

在端盖上加工了一个小孔，以便透过激光束。为了能固定激光头和使整个产品更加轻便，选择ABS塑料作为端盖的材料。其结构如图6所示。

3 结束语

本粉笔换装装置结构新颖，特别是粉笔送进方式采用独特的双线螺纹结构，在螺旋筒内壁上开双线螺纹，让粉笔在送进过程中更加平稳，真正实现无极推送。具有积极的推广应用价值。

参考文献

[1]孟昭水.传统板书的优势不可忽略[J].时代文学（双月版），2006（5）.

[2]任志刚.粉笔尘对教师健康危害的研究[J].CHINESE JOURNAL OF SCHOOL HEALTH，2002，23（2）

[3]濮良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

*通讯作者：杨光春，男，攀枝花学院副教授，研究方向为机械工程。

作者简介：周涛，男，四川人，大学在读，主要研究方向为机械设计。