许博文,房恒宇,李飞欧,张登博,宋圆美
(临沂大学 机械与车辆工程学院,山东 临沂 276000)
自动铅笔诞生于18 世纪[1],1960 年后,由于自动铅笔不断被市场和消费者接纳及铅芯的技术突破等原因,自动铅笔在日本迎来了20 多年的高速发展[2]。我国于1950 年才开始进行活动铅笔的生产,并于1980 年成功研制出与国际主流水平接近的0.5 mm 直径的铅芯,为自动铅笔在我国的发展奠定了基础条件[1]。
自动铅笔的出现从一定程度上解决了传统木制铅笔需要经常削铅笔和不方便携带(木制铅笔在携带的过程中笔尖极易断裂且很容易弄脏铅笔盒、笔袋等放置铅笔的文具)等痛点,对木制铅笔产生了一定的替代作用[1]。时至今日,自动铅笔在全球已经形成了较为庞大的产业规模,截至2021 年底,在全球的自动铅笔产量中,仅中国在2021 全年的产量就已达7.01 亿支[3]。
但市场上现有的自动铅笔在使用上仍存在一些缺陷,如无法长时间保持书写均匀,自动铅笔掉落时铅芯容易断裂,无法在不同类型的铅芯之间切换等。本课题以“落芯式”自动铅笔的引线产生机构为基础,在自动铅笔内部进行创新的机械结构设计,解决了现有自动铅笔在使用过程中遇到的一些问题。
虽然与普通木制铅笔相比自动铅笔具有许多优势,但其本身并不是没有缺点,除了自动铅笔本身特有的问题,由于书写原理并没有发生太大改变,木制铅笔原有的一些问题也被带到了自动铅笔上,例如在书写过程中,铅芯会因为损耗形成斜面,从而使写出的笔迹不均匀,渐渐变粗变淡,影响书写的美观和辨识程度,并对需要精准笔迹作业的人群有很大的影响(如制图、设计、书写等)[1]。
普通自动铅笔如果想在使用过程中克服这一问题,就需要每使用一小段时间就旋转一下笔身,这种在使用过程中的频繁转笔操作让原本便捷的书写过程变得麻烦,极大影响了人们的使用体验。
现有普通自动铅笔大多装载0.5、0.7 mm 等直径的铅芯[4-5],这些铅芯的直径较细,同时由于铅芯其本身制成材料的特性[6],使铅芯又拥有极高的脆性。
在日常使用中,当自动铅笔摔落到地面或其他较硬物体(如自动铅笔不慎从桌面滑落或不小心从手中脱落)时,其内部装载的铅芯在冲击力的作用下极易发生断裂,使原本的较长的铅芯断裂成许多小节,造成自动铅笔无法正常使用,断裂后的细小铅芯甚至会造成出铅机构卡壳无法工作和笔尖出铅孔的堵塞。
市面上常见的普通自动铅笔大多按照所能使用的铅芯直径(常见的有0.5、0.7 mm 等)、制成材料(如金属、塑料等)、用途(如考试自动铅笔、制图自动铅笔等)等进行分类,其中最重要的参数就是这只自动铅笔所能使用的铅芯直径大小,因为其直接关系到书写笔迹的粗细。
现有的普通自动铅笔绝大多数采用的都是一“笔”对一“芯”的方式(即一种型号的自动铅笔只能使用一种对应型号的铅芯,如使用0.5mm 直径铅芯的自动铅笔只能使用0.5 mm 直径的铅芯),这是由自动铅笔的出铅机构和笔头的出铅孔所决定的,不同铅芯型号的自动铅笔其出铅机构中的夹紧装置和笔头上的出铅孔直径是不同的。
例如,使用0.7 mm 直径铅芯的自动铅笔,其夹紧机构的夹紧直径是略小于0.7 mm 的,无法对0.5 mm直径的铅芯进行夹紧,故直径0.5 mm 的铅芯无法在0.7 mm 直径铅芯的自动铅笔上使用;使用0.5 mm 直径铅芯的自动铅笔,其夹紧机构的夹紧直径略小于0.5 mm,在一定程度上可以对大一些的铅芯进行夹紧(如直径0.7 mm 的铅芯),但自动铅笔笔头前端的出铅孔,为了稳定铅芯不让其在使用过程中产生晃动,一般其直径是严格与所使用的铅芯直径对应的,故直径为0.7 mm的铅芯无法穿过使用0.5 mm 铅芯的笔头。
综上所述,现有自动铅笔无法更换使用直径大小不同的铅芯,如果想使用不同粗细的铅芯就需要购买不同铅芯型号的自动铅笔,除了需要消费者付出较高的金钱成本之外;其实2 只同类型不同铅芯型号的自动铅笔大多结构是具有互换性的,重复的生产制造也从一定程度上带来了资源的浪费。
为解决上述问题,新型自动铅笔进行如下创新设计。
基于“坠芯式”自动铅笔的出铅机构[7],在其四周设置自动转芯机构并在其上方设置旋转制动装置(图1),该结构外壳体与笔身相连接并利用卡槽固定,旋转卡盘与出铅机构相连接,利用现有成熟的“坠芯式”出铅机构完成对铅芯的出铅及夹紧。
图1 自动转芯及旋转制动装置示意图
在使用过程中,使用者的“书写”会产生一定的向上作用力,这个力量由铅芯向上传递经出铅机构后传递到与其相连的自动转芯机构内的旋转卡盘上,旋转卡盘受力向上发生位移并带动旋转卡盘上方的旋转弹簧和锁止环向上位移,当位移量达到使内部卡盘脱离下方限位斜齿盘时,锁止环卡入上方制动槽内实现锁止,此时在旋转弹簧的复位作用下旋转卡盘对准下方斜齿限位盘的下一导程;当使用者“提笔”时向上作用力消失,旋转制动装置内的弹簧将锁止环从制动槽内推出,在重力及部分弹出力的作用下,旋转卡盘沿下方斜齿限位盘的导程带动相连接的出铅机构产生一定的旋转,同时出铅机构带动其内夹紧的铅芯进行旋转,实现铅芯的旋转,从而解决为获得匀细笔迹而需要频繁转动笔杆的麻烦。
在自动转芯及旋转制动装置的后方设计了缓冲减震装置(图2),该机构由多边形限位机构、减震弹簧等主要部分组成,通过下方的4 个伸出块与下方自动转芯及旋转制动装置相配合,主要用于缓冲自动铅笔不慎摔落后的轴向冲击力,同时对自动转芯及旋转制动装置(除旋转卡盘外的主体部分)进行固定,并对后方出铅按键在按压后进行复位。
图2 缓冲减震装置示意图
当自动铅笔不慎发生摔落时,如果笔尖(铅芯)处先接触到地面等较硬物体,由于上述自动转芯的相关设计,铅芯会带动笔尖即出铅机构向上发生位移以化解部分冲击,当出铅机构等部分位移到减震装置下方时减震弹簧开始吸收所传递过来的冲击力以实现对铅芯的保护;当自动铅笔的其他部位先接触到地面等较硬物体时,所产生的冲击力主要经笔身向内传递,由于缓冲减震装置的分体式设计,该部分冲击力会被其吸收大部分,同时配合旋转卡盘及上方旋转弹簧在自动转芯机构内的分体式设计对剩余少补分冲击力进行吸收,实现对铅芯的保护。
新型自动铅笔的整体结构采用可拆卸式设计,所有零部件均可拆卸,当某个部件发生损坏或老化时,可以直接对该零部件进行替换,从而提高资源利用率,减少不必要的资源浪费[8]。
同时,在可拆卸的基础上对笔头及出铅机构做了一定的机构模块化设计(图3),利用同类型不同铅芯型号自动铅笔其零部件具有高度互换性的特点,使用户可以根据自身需求选择不同的出铅机构及笔头模块,以满足在工作、学习等使用过程中对不同铅芯直径的需求,无需购买不同铅芯型号的新自动铅笔,只需按需更换安装对应铅芯直径的适配模块即可。
图3 可拆卸模块化设计示意图
新型自动铅笔的可拆卸模块化设计,使其从经济上减少了消费者的额外成本支出,并从一定程度上节约了生产资源,减少了部分自动铅笔生产过程中所带来的碳排放[9]。
重心下降式设计(图4):在新型自动铅笔的设计之初,考虑到现有自动铅笔出现的笔身重心不合理的问题(市面上的现有自动铅笔有时会出现重心偏上的问题,重心偏上会导致使用者在握持时更加吃力,易出现使用疲劳,同时在书写时更加费力),对重心的分布做了一定的设计,使新型自动铅笔的产品重心主要集中在用户使用时握持的金属笔握及其下方,带来更好的用户体验。
图4 优化设计后的重心分布图
后置隐藏式橡皮设计(图5):延续了传统铅笔的后置橡皮设计,并在此基础上做了一些升级,使用户在忘记携带橡皮时,也可以通过后置的隐藏橡皮修改笔迹,橡皮的隐藏式设计,也让新型自动铅笔的整体更加美观。同时,橡皮槽与铅芯筒相连,用户在需要加装铅芯时只需将后方橡皮外壳及橡皮拆下,即可直接向铅芯桶内添加铅芯,在添加完后再安装上橡皮和橡皮外壳即可,橡皮的安装也可以阻挡在携带过程中,铅芯向后伸出污染后方橡皮外壳的情况。
图5 隐藏式橡皮示意图
新型自动铅笔的外观主体采用了中国传统颜色中的石榴红,给人一种吉祥、喜庆之感,并在笔握、笔夹等金属部位采用暗金色,在给人带来奢华感的同时又并不张扬,给人以沉稳干练之感,并在笔头、后盖等细节边缘处采用了鎏金配色,既与笔握、笔夹等金色部件进行了视觉上的呼应,又给人以精湛细节之美[10]。
新型自动铅笔的笔头采大、中、小3 层圆逐渐抬升的造型,配合安装在其上方的金色笔尖,宛如一座宝塔,给人以稳重可靠之感;笔身采用通体圆柱式设计,在契合书写使用习惯的同时给人圆润亲和之感;下方笔握之中的旋转交错曲线既增加了用户握持时的摩擦力,也给整体视觉带来了灵动之感;笔夹的侧面多同心半圆装饰纹路,像一个个彩虹的寓意着希望与幸运(图6)。
图6 笔夹的侧面装饰纹路示意图
新型自动铅笔的笔尖采用不锈钢制造使其可以拥有更高的强度和支撑性;笔握和笔夹则采用铝合金制造,在轻便的同时带给用户更加舒适的使用体验;并在其大部件结构处采用树脂材料制成,使其本身可以拥有更加轻便的重量;借助3D 打印技术进行辅助制造,使用户可以根据自己的个性化需求,定制不同的个性化外壳(图7)。
图7 新型自动铅笔外观设计概念图
本项目基于“落芯式”自动铅笔芯机构,在自动铅笔芯内部进行了机械结构设计的创新,内部结构的压力变化解决了现有自动铅笔芯在使用过程中不能保持长时间良好书写的问题,并在内部设计中内置缓冲减震装置解决了自动铅笔芯掉落时容易折断的问题,同时,新型可拆卸模块化设计使自动铅笔可以切换使用不同类型的铅芯。该新型自动铅笔的设计从一定程度上,填补了国内文具行业相应的空白。目前中国的创意文具产业与日本等发达国家还存在一定的差距,还需要不断的发展和超越,本文介绍了一种新型的自动铅笔,希望能够起到“抛砖引玉”的作用,期待未来有更多更好的创意文具产品出自我国原创设计师之手,使我国成为世界创意文具产业中的一个领先和制高点。