趙嘉宇，司 慧，雷 寧

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

“一人轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)可變桌”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

趙嘉宇，司 慧，雷 寧

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

采用螺旋曲柄機(jī)構(gòu)和圓柱凸輪機(jī)構(gòu)，通過擴(kuò)展桌子的直徑有效地增加桌子的可用面積，能夠解決會(huì)議或做實(shí)驗(yàn)時(shí)面積不夠的問題，且操作方便。樣機(jī)使用表明，桌子的設(shè)計(jì)安全可靠，能夠承受一定的壓力，在沒有影響平整度的情況下擴(kuò)展了桌子的使用面積。

旋轉(zhuǎn)；凸輪；螺旋曲柄； 設(shè)計(jì)； 可變桌

1 研究背景

目前存在的大小可變桌形式主要有翻轉(zhuǎn)式和旋轉(zhuǎn)式。隨著對桌子功能技術(shù)要求的提高，翻轉(zhuǎn)式大小可變桌已經(jīng)相對普及，但其展開操作相對較為復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)式大小可變桌在國內(nèi)還沒有一個(gè)相對成熟的發(fā)展，目前存在的一些旋轉(zhuǎn)式大小可變桌并不完美，許多在旋轉(zhuǎn)變大后會(huì)出現(xiàn)較大縫隙且高低不平，并且桌子整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致桌面厚度較大。本文提出一種新型旋轉(zhuǎn)式可變大小桌子——“一人轉(zhuǎn)”，通過擴(kuò)展桌子的直徑能有效地提高桌子的可用面積，能夠有效地解決多人會(huì)議和多人做實(shí)驗(yàn)時(shí)桌子面積不夠的問題，同時(shí)當(dāng)不需要時(shí)可將桌子收起以節(jié)約空間。使用時(shí)僅需要旋轉(zhuǎn)桌面下導(dǎo)軌即可實(shí)現(xiàn)桌面尺寸的變換，操作簡單易行。

2 “一人轉(zhuǎn)”旋轉(zhuǎn)可變桌的機(jī)械結(jié)構(gòu)與原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于桌子可以用于做實(shí)驗(yàn)，故設(shè)定其高度為680 mm～720 mm，桌面收縮狀態(tài)下的最小直徑為Φ1 000 mm，展開狀態(tài)下的最大直徑為Φ1 400 mm。2.2 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)的剖面圖如圖2所示。它由圓柱凸輪和推力球軸承兩部分組成，凸輪的外徑為Φ120 mm，帶有螺紋的內(nèi)徑為Φ70 mm，凸輪上有3個(gè)凹槽，凹槽與下導(dǎo)軌板相連，通過滾子在凸輪凹槽里面的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)下導(dǎo)軌板轉(zhuǎn)動(dòng)，凹槽中傾斜的一段起到抬升下導(dǎo)軌板的作用；推力球軸承與上導(dǎo)軌通過銷釘相連，上導(dǎo)軌的水平轉(zhuǎn)動(dòng)可通過它來完成；圓柱凸輪內(nèi)部有螺紋，與圓桌面下部的螺紋相互配合，轉(zhuǎn)動(dòng)圓桌面可以實(shí)現(xiàn)其升降。

1-星型底盤；2-圓柱凸輪；3-推力軸承；4-螺旋曲柄；

凸輪機(jī)構(gòu)雖然在整體結(jié)構(gòu)中占的體積很小，但卻起到很重要的作用。通過凸輪的凹槽和螺紋，改變了圓桌面和扇形桌面在鉛垂方向上的距離，在收縮狀態(tài)下，各部件間彼此交錯(cuò)卻不干涉；在展開狀態(tài)下，保證了桌面的平整。

2.3 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。6根螺旋曲柄的兩個(gè)孔之間直線距離為260 mm，一端通過活動(dòng)銷子與滑塊連接，另一端固定于星型底座上，在轉(zhuǎn)動(dòng)上下導(dǎo)軌板時(shí)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯刃巫烂娴闹本€運(yùn)動(dòng)，曲柄采用螺旋形狀可以防止彼此間相互干涉。

3 “一人轉(zhuǎn)”旋轉(zhuǎn)可變桌的受力分析與強(qiáng)度校核

3.1 受力分析

為稱呼方便，我們稱中間的圓形桌面為主桌面，6個(gè)扇形桌面為副桌面。考慮到桌子的功能，假設(shè)副桌面受力為125 N。一個(gè)副桌面和導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的組合如圖4所示。

1-上層導(dǎo)軌；2-推力軸承；3,7-插銷； 1-星型底座；2-上層導(dǎo)軌；4-固定槽；5-圓柱滾子； 3-連接滑塊；4-螺旋曲柄 6-圓柱凸輪；8-下層導(dǎo)軌

圖2 凸輪機(jī)構(gòu)的剖面圖 圖3 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)示意圖

3.1.1 副桌面受力分析

6個(gè)扇形副桌面受力可認(rèn)為相同，取其中1個(gè)扇形副桌面進(jìn)行受力分析，其受力簡圖如圖5所示。A點(diǎn)(見圖4)為靠近副桌面外徑的受力點(diǎn)，所受力為F，F(xiàn)=125 N，B點(diǎn)為起支撐作用的連接片對副桌面的作用點(diǎn)，所受力為F1。由于扇形桌面內(nèi)外徑尺寸差為400 mm，所以AB=l=200 mm。由靜力平衡可得：

(1)

將數(shù)據(jù)代入式(1) 計(jì)算得：M1=25 N·m。

圖4 一個(gè)副桌面和導(dǎo)軌 圖5 副桌面受力圖機(jī)構(gòu)的組合

3.1.2 螺旋曲柄受力分析

螺旋曲柄受力圖如圖6所示。C、D分別為曲柄

(2)

將數(shù)據(jù)代入式(2) 計(jì)算得：F2=125 N，M2=7.5 N·m。

3.1.3 底盤受力分析

圖6 螺旋曲柄受力圖 圖7 底盤受力圖

3.2 強(qiáng)度校核

“一人轉(zhuǎn)”桌子主體材料為Q235鋼，其抗拉、抗壓強(qiáng)度σp=205 MPa。采用Solidedge ST3進(jìn)行CAD造型，校核時(shí)采用X-t*導(dǎo)入ANSYS14.5進(jìn)行仿真，X-t*格式兼容性較好，不會(huì)引起內(nèi)容丟失。仿真結(jié)果如圖8～圖13所示。

由圖8、圖9可知，螺旋曲柄最大應(yīng)力為136.95 MPa，位于螺栓孔處；螺旋曲柄最大變形為0.095 1 mm，位于螺旋曲柄中部。由圖10、圖11可知，副桌面最大應(yīng)力為34.614 MPa，最大變形為0.48 mm。由圖12、圖13可知，底盤最大應(yīng)力為2.541 8 MPa，最大變形為0.011 mm。由仿真結(jié)果可知，“一人轉(zhuǎn)”桌子滿足強(qiáng)度要求。

圖8 螺旋曲柄應(yīng)力云圖 圖9 螺旋曲柄應(yīng)變云圖 圖10 副桌面應(yīng)力云圖

圖11 副桌面應(yīng)變云圖 圖12 星形底盤應(yīng)力云圖 圖13 星形底盤應(yīng)變云圖

4 結(jié)束語

“一人轉(zhuǎn)”與一般桌子相比具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：①桌子在展開狀態(tài)能保證桌面的水平，在收縮狀態(tài)桌面有三層結(jié)構(gòu)，彼此在空間內(nèi)相互重疊卻并不接觸；②曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)曲柄采用螺旋圓弧狀，可有效防止曲柄之間的干涉；③圓柱凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了桌子展開和收縮的轉(zhuǎn)換，凸輪凹槽傾斜的一段實(shí)現(xiàn)了扇形桌面在收縮狀態(tài)下的交錯(cuò)不干涉分布。該設(shè)計(jì)的實(shí)物樣機(jī)參加了北京賽區(qū)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新大賽，榮獲二等獎(jiǎng)。

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(英文摘要Innovative Design of Rotary Variable Table Named Yirenzhuan

ZHAO Jia-yu, SI Hui, LEI Ning

(College of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

This paper introduces the design of a variable table, which adopts spiral crank mechanism and cylindrical cam mechanism. It can effectively increase the usable area by expanding the diameter of itself, to solve the problem that meeting or experimental area is not enough. The table has safe and reliable design, being able to withstand the pressure. Without affecting smoothness, you can extend the usable area of the table.

rotation; cam; spiral crank; design; variable table

1672- 6413(2015)06- 0089- 02

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(G201410022042)

2015- 03- 10；

2015- 10- 11

趙嘉宇(1995-)，男，遼寧昌圖人，在讀本科生，專業(yè)為機(jī)械設(shè)計(jì)。

TP391.7

A