新型多功能課桌椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究論文
摘要：研究了大學(xué)課堂教學(xué)形式，吸取教師和學(xué)生的意見，提出多功能課桌椅設(shè)計(jì)目標(biāo)和任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行各種方案的分析和比較，最終根據(jù)功能最優(yōu)和經(jīng)濟(jì)性綜合評價(jià)結(jié)果，選擇了一種新型多功能方案進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。根據(jù)選擇的方案運(yùn)用SolidWorks三維造型軟件進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)與裝配。在學(xué)校的實(shí)習(xí)工廠進(jìn)行零件制作和樣品的裝配，并在試制的過程中進(jìn)一步對零部件的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行修正和完善。新型多功能課桌椅設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有創(chuàng)新性和實(shí)用性，得到了師生們的認(rèn)可。
關(guān)鍵詞：多功能；課桌椅；創(chuàng)新設(shè)計(jì)
1多功能課桌椅研究背景
“機(jī)構(gòu)分析與零件設(shè)計(jì)課程案例教學(xué)法教學(xué)研究與實(shí)踐”教學(xué)改革項(xiàng)目的最終目標(biāo)是為了培養(yǎng)高職學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、綜合設(shè)計(jì)能力與協(xié)作精神，加強(qiáng)動手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高高職學(xué)生針對實(shí)際需求進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新、設(shè)計(jì)、制作的實(shí)踐工作能力。根據(jù)教改目標(biāo)設(shè)計(jì)了學(xué)生非常熟悉的課題“教室用設(shè)備和教具的設(shè)計(jì)與制作”作為學(xué)生的課后任務(wù)。教學(xué)改革課題組選定“新型多功能課桌椅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)”作為課堂案例教學(xué)法創(chuàng)新實(shí)踐的課題，以引導(dǎo)學(xué)生通過本案例的學(xué)習(xí)能舉一反三完成自己的課題任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)分析與零件設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)和案例教學(xué)法教學(xué)改革的目標(biāo)。課桌椅是學(xué)校的主要設(shè)施，是學(xué)生上課和學(xué)習(xí)的主要用具。目前大學(xué)教室最普通的一種課桌椅是雙人或多人桌椅連體式的，無法根據(jù)學(xué)生身高來調(diào)節(jié)，其舒適性不夠，而且這種桌椅還特別不適用于一些邊講邊練的設(shè)計(jì)課程以及自由分組需求。此外，利用計(jì)算機(jī)和手持終端進(jìn)行學(xué)習(xí)并通過互聯(lián)網(wǎng)完成作業(yè)成為未來大學(xué)生的學(xué)習(xí)生活趨勢�；谶@種情況，現(xiàn)有的課桌椅已經(jīng)不能滿足個(gè)性化的生活和學(xué)習(xí)的需求，迫切需要設(shè)計(jì)舒適、簡潔、個(gè)性、有型且能滿足現(xiàn)在和未來大學(xué)教學(xué)所需的課桌椅[1]。
2多功能課桌椅設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方案
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)
教室課桌椅的基本功能包括坐、書寫、閱讀、收納、繪圖、手工、實(shí)驗(yàn)等�？紤]到便攜式計(jì)算機(jī)會被引入課堂，因此課桌椅要兼具電腦桌功能。另外，大學(xué)宿舍離教學(xué)樓較遠(yuǎn)，因此課桌椅既要能滿足上課學(xué)習(xí)的`需要，又要能滿足空閑時(shí)休息和做課后作業(yè)的需要。課桌椅還要能充分運(yùn)用人體工程學(xué)，舒適、簡潔、個(gè)性、有型，適合不同身高的人使用。有些課堂還需要課桌椅能進(jìn)行自由組合。課桌椅的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是盡量滿足這些功能要求。
2.2實(shí)現(xiàn)方案
基于以上目標(biāo)，將課桌椅的主要功能概括為以下幾點(diǎn)：①桌子作為普通課桌使用，桌面水平；②作為電腦桌和制圖桌使用，桌面可調(diào)節(jié)成水平或傾斜，提高計(jì)算機(jī)操作和繪圖時(shí)的舒適性；③桌子可輕松地自由移動，方便教學(xué)需要時(shí)自由組合，不移動時(shí)桌腿放置穩(wěn)固；④課桌椅要能作為具有書寫功能的沙發(fā)休閑椅，滿足空閑時(shí)休息和做課后作業(yè)的需要。與方案二、三比較，方案一在桌腿與高度調(diào)節(jié)裝置使用齒輪齒條高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其零件制作與裝配要求較高，工藝性與經(jīng)濟(jì)性較差。方案二由于桌面分成兩塊且支架安裝在桌體側(cè)面，相比整體美觀性比其他兩種方案差，加之沒有增加高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，創(chuàng)新性也較差。3種方案的評分見表2，選取得分最高的方案三為本次設(shè)計(jì)的實(shí)施方案。
3多功能課桌椅的各項(xiàng)設(shè)計(jì)及材料選擇
3.1總體尺寸設(shè)計(jì)
根據(jù)《學(xué)校課桌椅功能尺寸》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T3976—2002)中高校非固定式課桌和課椅的主要尺寸，結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)確定課桌椅的關(guān)鍵尺寸，詳見表3。桌面寬度與桌面深度比國家標(biāo)準(zhǔn)尺寸大是考慮到這張課桌要作為制圖桌和電腦桌使用，靠背上緣距座面的高度和座面的有效深度也在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的基礎(chǔ)上適當(dāng)加大，可提高使用者休息時(shí)的舒適性。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總原則是結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。盡量采用學(xué)校現(xiàn)有的廢料，盡量運(yùn)用型材以減少機(jī)加工，從而降低設(shè)計(jì)和制造成本。1)桌椅框架設(shè)計(jì)。桌體考慮裝箱體積最小和運(yùn)輸方便的需要，采用分塊設(shè)計(jì)制作組裝成體的方法。試制時(shí)為了減少加工量可做成一體。先根據(jù)總體尺寸確定桌面板的尺寸為800mm×600mm×20mm，考慮到美觀性和安全性在其四角上要倒圓角。后板寬度和厚度要與桌面相同，組裝后才能貼合，外觀也更合理；因?yàn)樽荔w在轉(zhuǎn)換后作為座椅使用，所以后板的高度尺寸要與靠背上緣距座面高度一致，尺寸確定為800mm×400mm×20mm，考慮美觀性和安全性，后板上面兩角要設(shè)計(jì)R100的圓角。底板的尺寸由后板和桌面確定為750mm×495mm×20mm，但考慮人體工程學(xué)，底板前側(cè)切去一R500弧形，使人腿放置得更舒適。側(cè)板的三側(cè)面分別與后板、底板和桌面連接，考慮人體工程學(xué)的需要，桌面組裝后要與水平面傾斜8°，側(cè)板的上側(cè)面應(yīng)為8°斜面，其余尺寸由與之連接的板料尺寸決定。所有板料的厚度可根據(jù)所選材料強(qiáng)度的不同進(jìn)行調(diào)整。為連接可靠和裝拆方便，各塊板的連接構(gòu)件可采用長螺栓與特制異型螺母連接。2)三角架與桌面角度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)。三角架上面與桌底板連接，下面與豎桿連接，在裝配體中起支撐桌體的作用。因?yàn)槿切蔚姆�(wěn)固性故采用這種形式，又因?yàn)樽烂娴慕嵌刃枰{(diào)節(jié)，因此支架的前支撐需要能調(diào)節(jié)長度。因?yàn)樽雷痈叨容^高，只有左右兩個(gè)三角架與桌體連接，其上下和前后的強(qiáng)度足夠，但左右方向會發(fā)生彎曲，特別是作為椅子使用時(shí)，要承受人體的重量，需在兩側(cè)三角架中間增加一個(gè)橫檔連接，增加左右方向的穩(wěn)固性和承重能力。三角架與橫檔采用螺釘連接。桌面角度的調(diào)節(jié)裝置機(jī)構(gòu)原理如圖2所示[2]，機(jī)構(gòu)運(yùn)動處于粗實(shí)線位置時(shí)，桌面與水平面成8°傾角，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動到虛線位置時(shí)，桌面成水平。3)腳架與高度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)。腳架下面要安裝小腳和輪子。由于桌子高度需要調(diào)節(jié)，所以腳架上還要安裝高度調(diào)節(jié)裝置，為了保證其強(qiáng)度，將腳架設(shè)計(jì)成工字型結(jié)構(gòu)，工字的四角上安裝小腳，中間橫檔上安裝高度調(diào)節(jié)裝置。在橫檔的兩端安裝兩根豎桿，使三角架能在豎桿上自由上下滑動。桌子高度調(diào)節(jié)裝置用絲桿螺母傳動機(jī)構(gòu)來完成，絲桿的長度由桌子高度調(diào)節(jié)行程決定，采用上下兩頭加上行程限位銷。為減少加工面，將螺母設(shè)計(jì)成分體式，螺母裝在套筒內(nèi)，套筒既起到保護(hù)絲桿的作用，又起固定螺母的作用，套筒的長度由絲桿的調(diào)節(jié)長度確定，為防止螺母在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動，徑向加一沉頭螺釘。套筒與腳架用螺栓連接。絲桿的頂頭設(shè)計(jì)一個(gè)手柄安裝孔，絲桿穿過上橫桿中間孔，在橫桿上下都用銷來限位，以保證絲桿帶動橫桿一起上下移動。在絲桿螺母機(jī)構(gòu)中，螺母不動，絲桿旋轉(zhuǎn)帶動上橫桿、三角架和桌椅框架上下移動，從而調(diào)節(jié)桌子的高度。腳架與絲桿螺母調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖見圖3。4)桌腳設(shè)計(jì)。桌腳是桌子的重要部件，它直接與地面接觸且承受桌子自重及桌上物體與人體的重量。本桌子要輕松地自由移動，方便教學(xué)需要時(shí)自由組合，每個(gè)桌腳要裝一個(gè)萬向輪。萬向輪的尺寸根據(jù)桌腿的寬度確定，直接從配件市場找到合適的規(guī)格買回。每個(gè)萬向輪與桌腿用4個(gè)M4的螺釘連接。桌子不移動時(shí)，桌腳要能固定且保護(hù)萬向輪，因此其尺寸要比萬向輪的外輪廓大。因此采用U型的結(jié)構(gòu)，桌腳與腿的連接采用鉸接，這樣將桌腳轉(zhuǎn)動后抬起，使輪子著地，桌子就可輕松移動。此結(jié)構(gòu)簡單合理，操作方便。桌腳的兩種工作狀態(tài)如圖4所示。5)桌面支撐裝置設(shè)計(jì)。桌面有兩個(gè)位置，一個(gè)是與桌體連接，還有一個(gè)是在桌體作為椅子座位使用時(shí)，桌面放置在人的前面。因此，要設(shè)計(jì)一個(gè)裝置，使桌面與桌體分離后能支撐桌面，且該裝置不影響桌子的外觀。經(jīng)用三維軟件多次仿真模擬，決定采用圖5所示的轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為桌面支撐裝置。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單且不影響外觀的特點(diǎn)。收起時(shí)放置在桌肚內(nèi)，放開后，導(dǎo)桿處于前面位置，使桌面放置其上，實(shí)物效果如圖6所示。
3.3材料選擇
課桌椅按使用材料分為4類：木制課桌椅、鋼木課桌椅、塑鋼課桌椅、混合材料課桌椅。考慮到桌子的多功能性，桌體和桌面采用實(shí)木制作，考慮到試制時(shí)間和成本，用木工板代替。支架和桌腿材料要具有一定強(qiáng)度和良好的焊接性能，因此選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A。采用管材，從而在保證同樣強(qiáng)度和剛度條件下能減輕桌子的重量。桌面傾斜角度調(diào)節(jié)裝置及桌子高度調(diào)節(jié)裝置采用鋁合金，重量輕，易加工，便于操作。
3.4外觀設(shè)計(jì)
運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件對課桌裝配體和零件進(jìn)行外觀色彩設(shè)計(jì)和渲染�？紤]到學(xué)習(xí)環(huán)境需要寧靜和自然，桌體選擇灰白色作為底色，藍(lán)色為點(diǎn)綴。桌腿用黑色體現(xiàn)其支撐穩(wěn)固有力。桌腳的色彩為藍(lán)色，好比桌子穿上了水晶鞋，從而使整個(gè)桌子靈動起來，有較強(qiáng)的藝術(shù)性，如圖7所示。多張桌子布置的教室一改沉悶的氣氛，能激發(fā)學(xué)生的想象力，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。
4新型多功能課桌椅的創(chuàng)新特色與預(yù)期應(yīng)用前景
該新型多功能課桌椅是在分析研究現(xiàn)階段和未來大學(xué)教學(xué)過程與學(xué)生需求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮人體工程學(xué)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于能經(jīng)簡單調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)多功能課桌和舒適型單人學(xué)習(xí)桌椅兩種不同使用模式。作為多功能課桌使用時(shí)桌面可調(diào)節(jié)成傾斜，能提高使用便攜式計(jì)算機(jī)和看書時(shí)的舒適性；桌子腳可調(diào)節(jié)成固定式和自由移動式兩種形式，自由移動式的設(shè)計(jì)是為了方便分組學(xué)習(xí)時(shí)課桌的自由組合；桌子帶有掛鉤，以滿足學(xué)生的多種需求。電源插座可根據(jù)需要添加在后板上。作品色彩經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，搭配和諧美觀。該多功能課桌椅適用于制圖教室、計(jì)算機(jī)教室、普通教室以及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室等場合，特別適用于工程類專業(yè)課程設(shè)計(jì)等實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)，具有學(xué)習(xí)和休息雙重功能，有利于制造師生互動的友好氛圍，可以充分調(diào)動學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。該桌椅也可作為車間技術(shù)人員的工作桌，以便車間技術(shù)人員的現(xiàn)場工作和休息之用。它還適用于現(xiàn)代家庭作為孩子的學(xué)習(xí)桌，孩子上大學(xué)后還可作為電腦桌或書房沙發(fā)椅使用，也是一件理想的現(xiàn)代多功能家具。
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