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(佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

目前的大部分課堂使用的是傳統(tǒng)的桌椅，這種桌椅不適合“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的應(yīng)用，無(wú)法更好的實(shí)現(xiàn)自由討論環(huán)節(jié)環(huán)境的需求。

“翻轉(zhuǎn)課堂”的教育方式提出以后，這種教學(xué)方式很受歡迎，同時(shí)也暴露出了一些問(wèn)題，傳統(tǒng)模式的課桌椅無(wú)法完成“翻轉(zhuǎn)課堂”中的討論教學(xué)，使得教育的進(jìn)行受到阻礙，教育設(shè)施要隨著教育的改革而共同進(jìn)步，所以設(shè)計(jì)出一款適合“翻轉(zhuǎn)課堂”的桌椅刻不容緩。

1 桌椅結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

桌椅結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，它由(1)靠背板(2)軸承(3)圓管(4)椅座(5)旋轉(zhuǎn)連接支架(6)氣桿(7)托盤(8)白板(9)桌面(10)軸套(11)帶控制開(kāi)關(guān)的萬(wàn)向輪構(gòu)成，其特征在于：桌椅的桌面可隨意調(diào)節(jié)高度、旋轉(zhuǎn)角度和方向，比傳統(tǒng)桌面更加靈活，適合不同的學(xué)習(xí)模式。單獨(dú)學(xué)習(xí)、老師輔導(dǎo)、小組討論可隨意切換。書桌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，腳踏控制萬(wàn)向輪的開(kāi)關(guān)，老師單獨(dú)進(jìn)行輔導(dǎo)時(shí)可調(diào)整桌面至合適角度供老師對(duì)同學(xué)輔導(dǎo)，提高了老師輔導(dǎo)學(xué)生的效率。單人使用時(shí)將桌面調(diào)整至符合人機(jī)的高度，提高了空間的利用率和舒適度。當(dāng)進(jìn)行小組討論時(shí)，可控制萬(wàn)向輪進(jìn)行移動(dòng)，每張課桌的桌面都可以調(diào)整方向和角度，課桌底部都有萬(wàn)向輪，可以調(diào)整桌椅位置，構(gòu)成一個(gè)合適的討論式教學(xué)的討論組模式。

圖1

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 總體尺寸設(shè)計(jì)

此桌椅最大特點(diǎn)在于學(xué)生不同學(xué)習(xí)狀態(tài)下課桌多狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，因此只有設(shè)計(jì)好各狀態(tài)的結(jié)構(gòu)尺寸才能合理、協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)其功能。

(1) 整體外形尺寸：

為了課桌整體折疊時(shí)節(jié)約空間，底座尺寸取400mm×460mm，座椅高度可由300mm～430mm自由調(diào)節(jié)，桌面高度可由450mm～900mm自由調(diào)節(jié)。

(2)靠背外形尺寸：

根據(jù)市場(chǎng)主流桌椅靠背，為了使人背部舒適，靠背長(zhǎng)度應(yīng)上不過(guò)額、下不過(guò)臀，取380mm，兩端各留出100mm的距離供學(xué)生側(cè)身翻轉(zhuǎn)，靠背實(shí)際長(zhǎng)度為430mm。

(3)桌面外形尺寸：

根據(jù)市場(chǎng)主流學(xué)生所使用課桌桌面，邊長(zhǎng)取300mm×250mm/450mm，厚1.650mm。

(4)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)尺寸：

為了滿足各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，各部分的尺寸取值如圖2所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

2.2 強(qiáng)度與剛度校核

此桌椅在折疊成塊時(shí)處于閑置或運(yùn)輸狀態(tài)，承重不大(約為自重)，且各處機(jī)構(gòu)處于收縮狀態(tài)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)沒(méi)有特別要求，必然滿足使用條件。

一體化桌椅在課堂使用時(shí)處于展開(kāi)狀態(tài)，供學(xué)生使用學(xué)習(xí)。在教學(xué)環(huán)境中設(shè)計(jì)桌椅時(shí)，設(shè)定座椅載重約為學(xué)生體重50kg～80kg，桌面載重約為文具及書本5kg～10kg，需要考慮桌面間連接螺釘與座椅定位銷強(qiáng)度是否足夠，計(jì)算支承處軸承的使用壽命是否滿足使用年限等。參考了市場(chǎng)上性能類似桌椅的選材，并結(jié)合此桌椅的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求對(duì)承重構(gòu)件進(jìn)行了校核。

2.2.1 桌面螺釘連接強(qiáng)度校核

已知桌面與滑軌采用合頁(yè)連接，合頁(yè)一側(cè)與滑軌圓柱鋼焊接在一起，另一側(cè)釘八個(gè)螺釘孔與木板連接，其受力分析如圖3所示：

圖3

分析可知，桌面受均布載荷，螺釘主要受彎矩作用

彎矩Mmax=22.5N·m

螺釘直徑d=6mm

該截面面積為S=πr2=28.3mm2

(1)計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力

對(duì)Z軸的慣性矩

抗彎界面系數(shù)

最大彎曲正應(yīng)力

(2)校核螺釘?shù)膹?qiáng)度

許用彎曲應(yīng)力

顯然σmax<[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

2.2.2 桌面支撐柱強(qiáng)度校核

分析可知，立柱受彎矩與剪切力合成作用，其受力圖、彎矩圖、剪力圖如圖4所示：

圖4

由圖可知，桌面支撐柱危險(xiǎn)截面為方鋼底部與底座焊接截面，截面受彎矩Mmax=40.5N·m

剪力Fmax=20N

該截面面積為S=188.7mm2

(1)計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力

對(duì)Z軸的慣性矩

抗彎界面系數(shù)

最大彎曲正應(yīng)力

(2)校核支撐柱的強(qiáng)度

許用彎曲應(yīng)力

顯然σmax<[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

(3)計(jì)算最大剪應(yīng)力并校核

許用剪切應(yīng)力

顯然τmax<[τ]，滿足強(qiáng)度要求。

(4)支撐柱的剛度計(jì)算

由以上簡(jiǎn)化模型可知，擔(dān)架承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量(撓度)為：

=-0.004m=-4mm

由此，支撐柱的最大彎曲變形為4mm，并且出現(xiàn)在支撐柱的最高點(diǎn)，完全滿足使用要求。

2.2.3 座椅升降可靠性校核

已知學(xué)生重力為700N，要使座椅高度固定，不計(jì)底座方鋼間產(chǎn)生的摩擦力，則卡銷提供支持力與重力平衡，簡(jiǎn)化受力圖如圖5所示：

圖5

圖6

由受力分析可知，圓柱銷危險(xiǎn)截面為重力作用受剪切面。

圓柱銷直徑d=6mm

正交截面面積

s=πr2=π×32mm2=28.3mm2

危險(xiǎn)界面面積

sθ=s/sinθ=28.3/sin64.6°=31.3mm2

危險(xiǎn)界面所受剪切應(yīng)力

許用剪切應(yīng)力

顯然τmax<[τ]，滿足強(qiáng)度要求。

2.2.4 座椅支撐軸承壽命計(jì)算

已知座椅表面寬410mm，學(xué)生臀部對(duì)座椅施力作用面寬約300mm，座椅承受豎直重力，設(shè)計(jì)學(xué)生重心落在軸承連線上，簡(jiǎn)化受力圖如圖6所示：

座椅兩端受支持力FN1=FN2=350N

軸承受反作用徑向力Fr1=Fr2=350N

軸承受軸向力Fa1=Fa2=55N

判斷系數(shù)e=0.22

所以

X1=X2=1Y1=Y2=0

座椅承受輕微沖擊，去載荷系數(shù)fp=1.2

軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為

P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=

1.2(1×350+0×55)=420N

P2=fp(X2Fr2+Y2Fa2)=

1.2(1×350+0×55)=420N

軸承壽命

高于預(yù)期壽命，符合條件。

3 結(jié) 論

1)多形態(tài)

桌椅整體可折合成塊，各處結(jié)構(gòu)伸縮折疊翻轉(zhuǎn)變化時(shí)共有六種形態(tài)，能滿足各類學(xué)生不同學(xué)習(xí)狀態(tài)時(shí)的要求。

2)多功能

桌椅變化移動(dòng)靈活，方便人員流通、交流討論、運(yùn)輸布置，能防近視、矯坐姿、防占座、靠背按摩、集中處理垃圾及提示遺漏物品。

3)人性化與個(gè)性化

桌椅形態(tài)變化多樣，使教室空間拓展力強(qiáng)、利用率高；學(xué)生可根據(jù)需要自主調(diào)節(jié)課桌功能，操作方便簡(jiǎn)單可靠；桌椅設(shè)計(jì)時(shí)考慮清潔員、學(xué)生、老師等各方需求，提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境與趣味培養(yǎng)。

4)新型桌椅與經(jīng)典桌椅相結(jié)合，融合現(xiàn)代科技為廣大學(xué)生提供多功能服務(wù)。在面對(duì)各類學(xué)生時(shí)，均能滿足他們個(gè)性化與人性化的需求，推廣范圍廣泛，而且該桌椅可以在普通課桌的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利于桌椅新舊更替及回收利用，批量化生產(chǎn)成本還可降低，有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn):

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