新型多功能課桌椅創新設計研究論文
新型多功能課桌椅創新設計研究論文
摘要：研究了大學課堂教學形式，吸取教師和學生的意見，提出多功能課桌椅設計目標和任務。為實現設計目標，進行各種方案的分析和比較，最終根據功能最優和經濟性綜合評價結果，選擇了一種新型多功能方案進行產品設計。根據選擇的方案運用SolidWorks三維造型軟體進行零部件的設計與裝配。在學校的實習工廠進行零件製作和樣品的裝配，並在試製的過程中進一步對零部件的設計圖紙進行修正和完善。新型多功能課桌椅設計達到了預期的設計目標，具有創新性和實用性，得到了師生們的認可。
關鍵詞：多功能；課桌椅；創新設計
1多功能課桌椅研究背景
“機構分析與零件設計課程案例教學法教學研究與實踐”教學改革專案的最終目標是為了培養高職學生的創新設計能力、綜合設計能力與協作精神，加強動手能力的培養和工程實踐的訓練，提高高職學生針對實際需求進行機械創新、設計、製作的實踐工作能力。根據教改目標設計了學生非常熟悉的課題“教室用裝置和教具的設計與製作”作為學生的課後任務。教學改革課題組選定“新型多功能課桌椅的創新設計”作為課堂案例教學法創新實踐的課題，以引導學生透過本案例的學習能舉一反三完成自己的課題任務，從而實現機構分析與零件設計課程的教學目標和案例教學法教學改革的目標。課桌椅是學校的主要設施，是學生上課和學習的主要用具。目前大學教室最普通的一種課桌椅是雙人或多人桌椅連體式的，無法根據學生身高來調節，其舒適性不夠，而且這種桌椅還特別不適用於一些邊講邊練的設計課程以及自由分組需求。此外，利用計算機和手持終端進行學習並透過網際網路完成作業成為未來大學生的學習生活趨勢。基於這種情況，現有的課桌椅已經不能滿足個性化的生活和學習的需求，迫切需要設計舒適、簡潔、個性、有型且能滿足現在和未來大學教學所需的課桌椅[1]。
2多功能課桌椅設計目標和實現方案
2.1設計目標
教室課桌椅的基本功能包括坐、書寫、閱讀、收納、繪圖、手工、實驗等。考慮到行動式計算機會被引入課堂，因此課桌椅要兼具電腦桌功能。另外，大學宿舍離教學樓較遠，因此課桌椅既要能滿足上課學習的`需要，又要能滿足空閒時休息和做課後作業的需要。課桌椅還要能充分運用人體工程學，舒適、簡潔、個性、有型，適合不同身高的人使用。有些課堂還需要課桌椅能進行自由組合。課桌椅的設計目標就是儘量滿足這些功能要求。
2.2實現方案
基於以上目標，將課桌椅的主要功能概括為以下幾點：①桌子作為普通課桌使用，桌面水平；②作為電腦桌和製圖桌使用，桌面可調節成水平或傾斜，提高計算機操作和繪圖時的舒適性；③桌子可輕鬆地自由移動，方便教學需要時自由組合，不移動時桌腿放置穩固；④課桌椅要能作為具有書寫功能的沙發休閒椅，滿足空閒時休息和做課後作業的需要。與方案二、三比較，方案一在桌腿與高度調節裝置使用齒輪齒條高度調節機構，其零件製作與裝配要求較高，工藝性與經濟性較差。方案二由於桌面分成兩塊且支架安裝在桌體側面，相比整體美觀性比其他兩種方案差，加之沒有增加高度調節機構，創新性也較差。3種方案的評分見表2，選取得分最高的方案三為本次設計的實施方案。
3多功能課桌椅的各項設計及材料選擇
3.1總體尺寸設計
根據《學校課桌椅功能尺寸》標準(GB/T3976—2002)中高校非固定式課桌和課椅的主要尺寸，結合設計目標確定課桌椅的關鍵尺寸，詳見表3。桌面寬度與桌面深度比國家標準尺寸大是考慮到這張課桌要作為製圖桌和電腦桌使用，靠背上緣距座面的高度和座面的有效深度也在標準尺寸的基礎上適當加大，可提高使用者休息時的舒適性。
3.2結構設計
結構設計總原則是結構簡單，工藝性好。儘量採用學校現有的廢料，儘量運用型材以減少機加工，從而降低設計和製造成本。1)桌椅框架設計。桌體考慮裝箱體積最小和運輸方便的需要，採用分塊設計製作組裝成體的方法。試製時為了減少加工量可做成一體。先根據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。後板寬度和厚度要與桌面相同，組裝後才能貼合，外觀也更合理；因為桌體在轉換後作為座椅使用，所以後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，後板上面兩角要設計R100的圓角。底板的尺寸由後板和桌面確定為750mm×495mm×20mm，但考慮人體工程學，底板前側切去一R500弧形，使人腿放置得更舒適。側板的三側面分別與後板、底板和桌面連線，考慮人體工程學的需要，桌面組裝後要與水平面傾斜8°，側板的上側面應為8°斜面，其餘尺寸由與之連線的板料尺寸決定。所有板料的厚度可根據所選材料強度的不同進行調整。為連線可靠和裝拆方便，各塊板的連線構件可採用長螺栓與特製異型螺母連線。2)三角架與桌面角度調節裝置設計。三角架上面與桌底板連線，下面與豎杆連線，在裝配體中起支撐桌體的作用。因為三角形的穩固性故採用這種形式，又因為桌面的角度需要調節，因此支架的前支撐需要能調節長度。因為桌子高度較高，只有左右兩個三角架與桌體連線，其上下和前後的強度足夠，但左右方向會發生彎曲，特別是作為椅子使用時，要承受人體的重量，需在兩側三角架中間增加一個橫檔連線，增加左右方向的穩固性和承重能力。三角架與橫檔採用螺釘連線。桌面角度的調節裝置機構原理如圖2所示[2]，機構運動處於粗實線位置時，桌面與水平面成8°傾角，當機構運動到虛線位置時，桌面成水平。3)腳架與高度調節裝置設計。腳架下面要安裝小腳和輪子。由於桌子高度需要調節，所以腳架上還要安裝高度調節裝置，為了保證其強度，將腳架設計成工字型結構，工字的四角上安裝小腳，中間橫檔上安裝高度調節裝置。在橫檔的兩端安裝兩根豎杆，使三角架能在豎杆上自由上下滑動。桌子高度調節裝置用絲桿螺母傳動機構來完成，絲桿的長度由桌子高度調節行程決定，採用上下兩頭加上行程限位銷。為減少加工面，將螺母設計成分體式，螺母裝在套筒內，套筒既起到保護絲桿的作用，又起固定螺母的作用，套筒的長度由絲桿的調節長度確定，為防止螺母在套筒內轉動，徑向加一沉頭螺釘。套筒與腳架用螺栓連線。絲桿的頂頭設計一個手柄安裝孔，絲桿穿過上橫杆中間孔，在橫杆上下都用銷來限位，以保證絲桿帶動橫杆一起上下移動。在絲桿螺母機構中，螺母不動，絲桿旋轉帶動上橫杆、三角架和桌椅框架上下移動，從而調節桌子的高度。腳架與絲桿螺母調節機構圖見圖3。4)桌腳設計。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。本桌子要輕鬆地自由移動，方便教學需要時自由組合，每個桌腳要裝一個萬向輪。萬向輪的尺寸根據桌腿的寬度確定，直接從配件市場找到合適的規格買回。每個萬向輪與桌腿用4個M4的螺釘連線。桌子不移動時，桌腳要能固定且保護萬向輪，因此其尺寸要比萬向輪的外輪廓大。因此採用U型的結構，桌腳與腿的連線採用鉸接，這樣將桌腳轉動後抬起，使輪子著地，桌子就可輕鬆移動。此結構簡單合理，操作方便。桌腳的兩種工作狀態如圖4所示。5)桌面支撐裝置設計。桌面有兩個位置，一個是與桌體連線，還有一個是在桌體作為椅子座位使用時，桌面放置在人的前面。因此，要設計一個裝置，使桌面與桌體分離後能支撐桌面，且該裝置不影響桌子的外觀。經用三維軟體多次模擬模擬，決定採用圖5所示的轉動導杆機構作為桌面支撐裝置。該裝置具有結構簡單且不影響外觀的特點。收起時放置在桌肚內，放開後，導杆處於前面位置，使桌面放置其上，實物效果如圖6所示。
3.3材料選擇
課桌椅按使用材料分為4類：木製課桌椅、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，桌體和桌面採用實木製作，考慮到試製時間和成本，用木工板代替。支架和桌腿材料要具有一定強度和良好的焊接效能，因此選用碳素結構鋼Q235-A。採用管材，從而在保證同樣強度和剛度條件下能減輕桌子的重量。桌面傾斜角度調節裝置及桌子高度調節裝置採用鋁合金，重量輕，易加工，便於操作。
3.4外觀設計
運用三維設計軟體對課桌裝配體和零件進行外觀色彩設計和渲染。考慮到學習環境需要寧靜和自然，桌體選擇灰白色作為底色，藍色為點綴。桌腿用黑色體現其支撐穩固有力。桌腳的色彩為藍色，好比桌子穿上了水晶鞋，從而使整個桌子靈動起來，有較強的藝術性，如圖7所示。多張桌子佈置的教室一改沉悶的氣氛，能激發學生的想象力，調動學習積極性。
4新型多功能課桌椅的創新特色與預期應用前景
該新型多功能課桌椅是在分析研究現階段和未來大學教學過程與學生需求的基礎上設計的。設計時充分考慮人體工程學，其創新點在於能經簡單調節實現多功能課桌和舒適型單人學習桌椅兩種不同使用模式。作為多功能課桌使用時桌面可調節成傾斜，能提高使用行動式計算機和看書時的舒適性；桌子腳可調節成固定式和自由移動式兩種形式，自由移動式的設計是為了方便分組學習時課桌的自由組合；桌子帶有掛鉤，以滿足學生的多種需求。電源插座可根據需要新增在後板上。作品色彩經過精心設計，搭配和諧美觀。該多功能課桌椅適用於製圖教室、計算機教室、普通教室以及實驗實訓室等場合，特別適用於工程類專業課程設計等實訓課程教學，具有學習和休息雙重功能，有利於製造師生互動的友好氛圍，可以充分調動學生們的學習熱情，激發其學習興趣。該桌椅也可作為車間技術人員的工作桌，以便車間技術人員的現場工作和休息之用。它還適用於現代家庭作為孩子的學習桌，孩子上大學後還可作為電腦桌或書房沙發椅使用，也是一件理想的現代多功能傢俱。
參考文獻：
[1]呂文生，吳珊，韓巧雲.大學生身高調查及合理課桌椅設計[J].裝配前沿，2012，273（15）：3-6.
[2]陳立德.機械設計基礎[M].3版.北京：高等教育出版社，2011：42-47.
[3]時永利.不鏽鋼薄壁管件的加工工藝改進[J].重工與起重技術，2009，21（1）：16-18.