便携式多功能绘图桌的设计

王 林 钱金贵 詹佳辉 周苏洁 玄东吉（温州大学，浙江 温州 325035）

便携式多功能绘图桌的设计

王 林 钱金贵 詹佳辉 周苏洁 玄东吉
（温州大学，浙江 温州 325035）

绘图桌是工程测绘的必备工具。本文提出了一种多功能绘图桌，将绘图桌和旅行箱合二为一，增加了便携性。绘图桌的功能丰富，设计人性化，绘图效率得到了提高。本文通过对绘图桌的结构设计、工作原理的介绍，以及关键部件的强度校核计算，为绘图桌的制造和实际应用提供了一定的理论依据。

多功能绘图桌；旅行箱；结构设计；强度校核

1概述

手工绘图作为一项基本绘图能力，是工科类学生的必修课。绘图桌作为重要的绘图辅助器械，需要功能完善，搬运便利等优点。传统绘图桌体积大，搬运不便，调节性差，功能缺失，绘图时极不方便，根据一项市场调查，大部分学生都对传统绘图桌不满意。本文从实际需求出发，提出了一种多功能绘图桌，将绘图桌和旅行箱合二为一，增加了便携性；该绘图桌的功能丰富，设计人性化，绘图效率得到了提高。

2 结构及工作原理

2.1 绘图桌状态

多功能绘图桌由折叠式桌腿、折叠绘图板、绘图板夹紧机构、可拆式丁字尺和全维度读书架四个模块组成（如图1所示）。折叠式桌腿主要采用齿轮齿条机构，来调节绘图桌的高度；利用气弹簧来实现绘图板角度的无极调节；折叠式桌腿分成上下两部分，上部分是齿轮齿条机构，需要调节高度时，可以通过旋转两侧的旋钮使齿轮旋转实现，同时旋钮自身具有自锁的功能。下部分是两个齿轮脚杆，通过一对啮合齿轮接触来实现展开和收拢。整个桌腿可以实现快速折叠和展开，充分体现了便捷的特点。此外，桌腿的整个结构是三角形设计，可充分确保桌子的稳定，克服了由折叠带来的不稳定因素（如图2所示）。众所周知，绘图对绘图板的表面要求很高，由于所设计的绘图板分成左右两块，导致在绘图板面上留有一条缝隙。因而，将折叠绘图板设计成右绘图板固定在箱体上，左绘图板是可移动的；通过施加外力给可移动的绘图板，从而使两块绘图板夹紧，减轻缝隙对绘图的影响。同时，将整个箱体空间进行合理布局，分别安装有铅笔抽屉、图纸抽屉和读书架抽屉和自动削铅笔装置，方便使用者放置各种绘图工具、图纸以及削铅笔。传统的固定图纸方式：图钉、胶带等，这些方式都会对绘图板和图纸有损害。通过在绘图板内部镶嵌有吸铁石，可以固定各种型号的图纸。这可以实现无损害固定图纸（如图3所示）。绘图板夹紧机构主要是为了解决绘图板的缝隙问题。同时由于整个箱体的空间有限，且要有效持续施加一定的力，因而采用弹簧来施加力，可以避免因施力时间过长而导致力衰减。整个夹紧机构通过转动夹紧旋钮可以达到施加力和释放力两个过程。初始状态下，凸轮行程处于最低位置，卡爪与固定帽脱离；夹紧过程，当转动夹紧旋钮，凸轮将卡爪向一个方向移动，最终卡爪锁紧在固定帽上，使弹簧处于拉长状态，从而两块绘图板夹紧。释放过程，当转动夹紧旋钮，凸轮将卡爪向一个方向移动，卡爪于移动帽接触且带动移动帽往相反方向移动。最终移动帽与固定帽接触，卡爪脱离固定帽，返回到初始状态（如图4所示）。

传统的丁字尺较长，不便于携带。本文提出了可拆式丁字尺。该丁字尺由悬臂短尺，水平尺等部分组成。悬臂短尺固定在滑块上，用于支撑水平尺；滑块与悬臂短尺位于水平尺两侧，且滑块上有滑块调节螺柱，压弹簧位于滑块调节螺柱与滑块之间，将整个尺抬高纸面一定距离。悬臂短尺和水平尺靠弹簧柱、弹簧挡环、压弹簧等机构夹紧；压紧弹簧档环与悬臂短尺旋钮之间有压弹簧，将悬臂短尺与水平尺压紧；压紧弹簧档环与弹簧柱利用螺纹连接；水平尺两侧有与悬臂短尺旋钮相同外轮廓的孔廓，悬臂短尺可绕弹簧柱全角度旋转；悬臂短尺旋钮外轮廓与水平尺孔轮廓呈垂直，悬臂短尺与水平尺处于压紧状态；悬臂短尺旋钮外轮廓与水平尺孔轮廓相重叠，水平尺可快速取出（如图5所示）。在绘图过程中，往往要参考书籍，而书籍的不合理放置会给使用者带来不便，且放置位置具有不定性。因而设计了一种全维度读书架，便于使用者在绘图过程中放置参考书。读书架具有全维度运动，任意位置停滞的特点，充分满足了使用者的需求，符合人性化的设计。

整个读书架是由四个连杆构成，可以实现全方位，任意位置的旋转，符合不同人群的需求。读书架的自锁主要是靠摩擦力来实现的。垂直角度调节杆内部有单向滚针轴承，确保了读书架在垂直方向上的角度。采用气弹簧可以使读书架的移动范围扩大，同时也保证了垂直方向上的自锁。其次，水平角度调节杆与垂直角度调节杆相结合，可以使读书架在空间360度旋转（如图6所示）。读书架与抽屉通过折叠扣相连，可以实现读书架的折叠与展开。折叠好后整个机构都在读书架抽屉的内部，减小占用的空间，提高空间利用率，方便管理（如图7所示）。

2.2 旅行箱状态

为了便于使用者在不同环境下绘图，可以快捷地移动绘图桌。整个绘图桌（包括各种绘图工具与图纸）可以折叠成旅行箱，方便搬运。折叠成旅行箱后的尺寸：长460mm，宽200mm，高722mm。同时还传承传统旅行箱的结构，添加了滚轮、提手、把手、折链等部件，使箱子的功能更加完善，实用性更好（如图8和图9所示）。

3 设计计算

为保证便捷式多功能绘图桌的稳定和可靠，需要对绘图桌的关键部件进行强度校核，确保设计的可靠性。

3.1 齿轮的强度校核分析

该齿轮用于调节绘图桌高度的齿轮齿条机构中，会承受桌子上部的重量，非常关键。因此要对齿轮进行强度校核。齿面接触疲劳强度计算公式：式中：

KH-载荷系数；

d-分度圆直径，mm；

u-转动比；

T-转矩，N·m；

ZH-区域系数；

ZE-弹性影响系数，MPa1/2；

Zε-接触疲劳强度用重合度系数；

若齿面接触疲劳强度σH满足条件σH＜[σH]，则齿轮的设计符合要求。

3.2 齿轮轴的强度校核

齿轮轴与调节高度的旋钮相连，需要承受桌子上部的重量，因此要对齿轮轴进行强度校核。

图10为齿轮轴的受力简图。

校核危险断面的当量弯曲应力计算公式：式中：

M—弯矩，N·m；

α—折合系数，取α=0.6；

TAB—扭矩，N·m；

W—抗扭截面摸量，mm3；

3.3 气弹簧固定轴的校核

气弹簧固定轴是调节角度机构中关键零件，由于气弹簧产生的力角度，因而对气弹簧固定轴的强度要求比较高，这也关乎整个绘图桌的可靠性。

图11为气弹簧固定轴的受力简图。

校核危险断面的弯曲应力计算公式式中：

M—弯矩，N·m；

W—抗扭截面摸量，mm3；

由于该轴不受扭转的作用：所以T=0，τ=0，α=1。

根据第三强度理论式中：

σ—弯曲应力，MPa；α—折合系数，取α=1；

τ—切应力，MPa；

若气弹簧固定轴危险断面的当量弯曲应力σca满足条件σca≤[σ0]，则气弹簧固定轴的设计符合要求。

3.4 齿轮轴上键的校核

齿轮轴上键选用A型普通平键，普通平键连接强度计算公式式中：

T—扭矩；

k—键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，h为键的高度，mm；

l—键的工作长度，mm；

d—轴的直径，mm；

若齿轮轴危险断面的当量弯曲应力σp满足条件σp≤[σp]，则键的设计符合要求。

结语

绘图桌是绘图必备工具，传统绘图桌体积大，搬运不便，功能欠缺，该款便携式多功能绘图桌将绘图桌和旅行箱合二为一，功能完备，人性化设计，大大提高了绘图的效率。且目前市场上没有类似的产品，具有巨大的市场价值。通过设计计算和校核，绘图桌的关键零件可靠性较高，整个绘图桌的稳定性较好，使用性能可靠，完全满足市场需求。

[1]喻国盈，李旭，刘苏瑶，曲悠扬，张雨婷.便携式多功能绘图桌设计研究[J].科技创新导报，2010（25）.

[2]蒋校辉，陈鹏，张凌志.制图一体桌的设计制作[J].青春岁月，2013（18）.

[3]杜伟明，王艳君.绘图桌的创新优化设计[J].科学时代（上半月），2011，（01）.

[4]江方记.渐开线圆柱齿轮参数化设计与校核系统的研究[J].企业技术开发（学术版），2014（04）.

TH12

A

2014-2015年度国家级大学生创新创业训练计划项目（201410351018），2012年温州大学教改项目（12jb58B）。

王林，男，浙江绍兴人，浙江温州大学在读本科生。

钱金贵，男，安徽安庆人，浙江温州大学在读本科生。

玄东吉，男，吉林龙井人，讲师，研究方向：系统控制与优化。