新型多功能课桌椅创新设计研究论文
摘要：研究了大学课堂教学形式，吸取教师和学生的意见，提出多功能课桌椅设计目标和任务。为实现设计目标，进行各种方案的分析和比较，最终根据功能最优和经济性综合评价结果，选择了一种新型多功能方案进行产品设计。根据选择的方案运用SolidWorks三维造型软件进行零部件的设计与装配。在学校的实习工厂进行零件制作和样品的装配，并在试制的过程中进一步对零部件的设计图纸进行修正和完善。新型多功能课桌椅设计达到了预期的设计目标，具有创新性和实用性，得到了师生们的认可。
关键词：多功能；课桌椅；创新设计
1多功能课桌椅研究背景
“机构分析与零件设计课程案例教学法教学研究与实践”教学改革项目的最终目标是为了培养高职学生的创新设计能力、综合设计能力与协作精神，加强动手能力的培养和工程实践的训练，提高高职学生针对实际需求进行机械创新、设计、制作的实践工作能力。根据教改目标设计了学生非常熟悉的课题“教室用设备和教具的设计与制作”作为学生的课后任务。教学改革课题组选定“新型多功能课桌椅的创新设计”作为课堂案例教学法创新实践的课题，以引导学生通过本案例的学习能举一反三完成自己的课题任务，从而实现机构分析与零件设计课程的教学目标和案例教学法教学改革的目标。课桌椅是学校的主要设施，是学生上课和学习的主要用具。目前大学教室最普通的一种课桌椅是双人或多人桌椅连体式的，无法根据学生身高来调节，其舒适性不够，而且这种桌椅还特别不适用于一些边讲边练的设计课程以及自由分组需求。此外，利用计算机和手持终端进行学习并通过互联网完成作业成为未来大学生的学习生活趋势。基于这种情况，现有的课桌椅已经不能满足个性化的生活和学习的需求，迫切需要设计舒适、简洁、个性、有型且能满足现在和未来大学教学所需的课桌椅[1]。
2多功能课桌椅设计目标和实现方案
2.1设计目标
教室课桌椅的基本功能包括坐、书写、阅读、收纳、绘图、手工、实验等。考虑到便携式计算机会被引入课堂，因此课桌椅要兼具电脑桌功能。另外，大学宿舍离教学楼较远，因此课桌椅既要能满足上课学习的`需要，又要能满足空闲时休息和做课后作业的需要。课桌椅还要能充分运用人体工程学，舒适、简洁、个性、有型，适合不同身高的人使用。有些课堂还需要课桌椅能进行自由组合。课桌椅的设计目标就是尽量满足这些功能要求。
2.2实现方案
基于以上目标，将课桌椅的主要功能概括为以下几点：①桌子作为普通课桌使用，桌面水平；②作为电脑桌和制图桌使用，桌面可调节成水平或倾斜，提高计算机操作和绘图时的舒适性；③桌子可轻松地自由移动，方便教学需要时自由组合，不移动时桌腿放置稳固；④课桌椅要能作为具有书写功能的沙发休闲椅，满足空闲时休息和做课后作业的需要。与方案二、三比较，方案一在桌腿与高度调节装置使用齿轮齿条高度调节机构，其零件制作与装配要求较高，工艺性与经济性较差。方案二由于桌面分成两块且支架安装在桌体侧面，相比整体美观性比其他两种方案差，加之没有增加高度调节机构，创新性也较差。3种方案的评分见表2，选取得分最高的方案三为本次设计的实施方案。
3多功能课桌椅的各项设计及材料选择
3.1总体尺寸设计
根据《学校课桌椅功能尺寸》标准(GB/T3976—2002)中高校非固定式课桌和课椅的主要尺寸，结合设计目标确定课桌椅的关键尺寸，详见表3。桌面宽度与桌面深度比国家标准尺寸大是考虑到这张课桌要作为制图桌和电脑桌使用，靠背上缘距座面的高度和座面的有效深度也在标准尺寸的基础上适当加大，可提高使用者休息时的舒适性。
3.2结构设计
结构设计总原则是结构简单，工艺性好。尽量采用学校现有的废料，尽量运用型材以减少机加工，从而降低设计和制造成本。1)桌椅框架设计。桌体考虑装箱体积最小和运输方便的需要，采用分块设计制作组装成体的方法。试制时为了减少加工量可做成一体。先根据总体尺寸确定桌面板的尺寸为800mm×600mm×20mm，考虑到美观性和安全性在其四角上要倒圆角。后板宽度和厚度要与桌面相同，组装后才能贴合，外观也更合理；因为桌体在转换后作为座椅使用，所以后板的高度尺寸要与靠背上缘距座面高度一致，尺寸确定为800mm×400mm×20mm，考虑美观性和安全性，后板上面两角要设计R100的圆角。底板的尺寸由后板和桌面确定为750mm×495mm×20mm，但考虑人体工程学，底板前侧切去一R500弧形，使人腿放置得更舒适。侧板的三侧面分别与后板、底板和桌面连接，考虑人体工程学的需要，桌面组装后要与水平面倾斜8°，侧板的上侧面应为8°斜面，其余尺寸由与之连接的板料尺寸决定。所有板料的厚度可根据所选材料强度的不同进行调整。为连接可靠和装拆方便，各块板的连接构件可采用长螺栓与特制异型螺母连接。2)三角架与桌面角度调节装置设计。三角架上面与桌底板连接，下面与竖杆连接，在装配体中起支撑桌体的作用。因为三角形的稳固性故采用这种形式，又因为桌面的角度需要调节，因此支架的前支撑需要能调节长度。因为桌子高度较高，只有左右两个三角架与桌体连接，其上下和前后的强度足够，但左右方向会发生弯曲，特别是作为椅子使用时，要承受人体的重量，需在两侧三角架中间增加一个横档连接，增加左右方向的稳固性和承重能力。三角架与横档采用螺钉连接。桌面角度的调节装置机构原理如图2所示[2]，机构运动处于粗实线位置时，桌面与水平面成8°倾角，当机构运动到虚线位置时，桌面成水平。3)脚架与高度调节装置设计。脚架下面要安装小脚和轮子。由于桌子高度需要调节，所以脚架上还要安装高度调节装置，为了保证其强度，将脚架设计成工字型结构，工字的四角上安装小脚，中间横档上安装高度调节装置。在横档的两端安装两根竖杆，使三角架能在竖杆上自由上下滑动。桌子高度调节装置用丝杆螺母传动机构来完成，丝杆的长度由桌子高度调节行程决定，采用上下两头加上行程限位销。为减少加工面，将螺母设计成分体式，螺母装在套筒内，套筒既起到保护丝杆的作用，又起固定螺母的作用，套筒的长度由丝杆的调节长度确定，为防止螺母在套筒内转动，径向加一沉头螺钉。套筒与脚架用螺栓连接。丝杆的顶头设计一个手柄安装孔，丝杆穿过上横杆中间孔，在横杆上下都用销来限位，以保证丝杆带动横杆一起上下移动。在丝杆螺母机构中，螺母不动，丝杆旋转带动上横杆、三角架和桌椅框架上下移动，从而调节桌子的高度。脚架与丝杆螺母调节机构图见图3。4)桌脚设计。桌脚是桌子的重要部件，它直接与地面接触且承受桌子自重及桌上物体与人体的重量。本桌子要轻松地自由移动，方便教学需要时自由组合，每个桌脚要装一个万向轮。万向轮的尺寸根据桌腿的宽度确定，直接从配件市场找到合适的规格买回。每个万向轮与桌腿用4个M4的螺钉连接。桌子不移动时，桌脚要能固定且保护万向轮，因此其尺寸要比万向轮的外轮廓大。因此采用U型的结构，桌脚与腿的连接采用铰接，这样将桌脚转动后抬起，使轮子着地，桌子就可轻松移动。此结构简单合理，操作方便。桌脚的两种工作状态如图4所示。5)桌面支撑装置设计。桌面有两个位置，一个是与桌体连接，还有一个是在桌体作为椅子座位使用时，桌面放置在人的前面。因此，要设计一个装置，使桌面与桌体分离后能支撑桌面，且该装置不影响桌子的外观。经用三维软件多次仿真模拟，决定采用图5所示的转动导杆机构作为桌面支撑装置。该装置具有结构简单且不影响外观的特点。收起时放置在桌肚内，放开后，导杆处于前面位置，使桌面放置其上，实物效果如图6所示。
3.3材料选择
课桌椅按使用材料分为4类：木制课桌椅、钢木课桌椅、塑钢课桌椅、混合材料课桌椅。考虑到桌子的多功能性，桌体和桌面采用实木制作，考虑到试制时间和成本，用木工板代替。支架和桌腿材料要具有一定强度和良好的焊接性能，因此选用碳素结构钢Q235-A。采用管材，从而在保证同样强度和刚度条件下能减轻桌子的重量。桌面倾斜角度调节装置及桌子高度调节装置采用铝合金，重量轻，易加工，便于操作。
3.4外观设计
运用三维设计软件对课桌装配体和零件进行外观色彩设计和渲染。考虑到学习环境需要宁静和自然，桌体选择灰白色作为底色，蓝色为点缀。桌腿用黑色体现其支撑稳固有力。桌脚的色彩为蓝色，好比桌子穿上了水晶鞋，从而使整个桌子灵动起来，有较强的艺术性，如图7所示。多张桌子布置的教室一改沉闷的气氛，能激发学生的想象力，调动学习积极性。
4新型多功能课桌椅的创新特色与预期应用前景
该新型多功能课桌椅是在分析研究现阶段和未来大学教学过程与学生需求的基础上设计的。设计时充分考虑人体工程学，其创新点在于能经简单调节实现多功能课桌和舒适型单人学习桌椅两种不同使用模式。作为多功能课桌使用时桌面可调节成倾斜，能提高使用便携式计算机和看书时的舒适性；桌子脚可调节成固定式和自由移动式两种形式，自由移动式的设计是为了方便分组学习时课桌的自由组合；桌子带有挂钩，以满足学生的多种需求。电源插座可根据需要添加在后板上。作品色彩经过精心设计，搭配和谐美观。该多功能课桌椅适用于制图教室、计算机教室、普通教室以及实验实训室等场合，特别适用于工程类专业课程设计等实训课程教学，具有学习和休息双重功能，有利于制造师生互动的友好氛围，可以充分调动学生们的学习热情，激发其学习兴趣。该桌椅也可作为车间技术人员的工作桌，以便车间技术人员的现场工作和休息之用。它还适用于现代家庭作为孩子的学习桌，孩子上大学后还可作为电脑桌或书房沙发椅使用，也是一件理想的现代多功能家具。
参考文献：
[1]吕文生，吴珊，韩巧云.大学生身高调查及合理课桌椅设计[J].装配前沿，2012，273（15）：3-6.
[2]陈立德.机械设计基础[M].3版.北京：高等教育出版社，2011：42-47.
[3]时永利.不锈钢薄壁管件的加工工艺改进[J].重工与起重技术，2009，21（1）：16-18.
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