多功能階梯教室設(shè)計(jì)說明書

第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組（2014）設(shè)計(jì)說明書PAGE20西京學(xué)院（西安）參賽作品第20頁共20頁第六屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組多功能階梯教室設(shè)計(jì)說明書參賽學(xué)校：西京學(xué)院（西安）參賽人員：楊藝豪朱曉可雒莎莎鄧冬青指導(dǎo)教師：仝崇樓張宏偉2014年4月目錄一、創(chuàng)新構(gòu)思 3二、方案設(shè)計(jì) 41、普通教室和階梯教室的相互轉(zhuǎn)變方案 42、桌椅靈活折疊方案 53、太陽能折疊窗簾方案 64、實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案 75、可升降黑板方案 8三、創(chuàng)新點(diǎn) 91、實(shí)現(xiàn)教室地面自由升降 92、折疊桌椅 93、節(jié)能環(huán)保窗簾 94、實(shí)驗(yàn)臺(tái) 95、可升降黑板 9四、主要功能指標(biāo) 101、階梯教室自動(dòng)轉(zhuǎn)換 102、桌椅電動(dòng)折疊 103、太陽能窗簾 104、實(shí)驗(yàn)臺(tái) 105、可升降黑板 10五、工作原理 101、可升降地面 102、全自動(dòng)折疊課桌椅 113、太陽能折疊窗簾 114、實(shí)驗(yàn)臺(tái) 115、可升降黑板 11六、運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)力分析 111、階梯地面的升降 112、桌椅的打開與折疊 123、太陽能窗簾的開合 13七、實(shí)用化的可能性 141、多功能階梯教室 142、自動(dòng)折疊式桌椅 153、太陽能窗簾 154、實(shí)驗(yàn)臺(tái) 155、可升降黑板 15八、成本分析 15九、應(yīng)用前景 16參考文獻(xiàn) 17附件一多功能階梯教室總裝配簡圖 18附件二程序流程圖 19多功能階梯教室設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)者：楊藝豪，朱曉可，雒莎莎，鄧冬青(西京學(xué)院，西安)通過日常上課對教室設(shè)備的觀察與思考，設(shè)計(jì)了一套多功能階梯教室系統(tǒng)，解決了因階梯教室數(shù)量有限而需求大的問題，同時(shí)活躍了學(xué)習(xí)氛圍，基于對普通教室設(shè)備和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，將傳統(tǒng)教室改進(jìn)為階梯式、桌椅靈活折疊、節(jié)能窗簾和實(shí)驗(yàn)室和可升降黑板五個(gè)模式的新型教室，使得學(xué)生學(xué)習(xí)的方式變得靈活多樣化，實(shí)現(xiàn)了趣味課堂，活躍教學(xué)氛圍，教室設(shè)備多樣化，開拓學(xué)習(xí)思路，建設(shè)和諧課堂提供了必要的支持。一、創(chuàng)新構(gòu)思現(xiàn)今每個(gè)學(xué)校都有較少的階梯教室，因階梯教室的占地面積和它本身具有的獨(dú)特性，決定了其為普遍性差的一種教室類型，而階梯教室本身的易用性卻是難以比擬的，例如：老師開會(huì)、學(xué)生的辯論賽、各種活動(dòng)、幻燈片放映等都非常需要階梯教室。普通教室同學(xué)都在同一個(gè)平面內(nèi)，易產(chǎn)生視線遮擋，而階梯教室則很好的避免了這個(gè)現(xiàn)象，利用劇場式的地形來擴(kuò)大后排學(xué)生的視野。針對這種“需要階梯教室但又無法大量建造”的情況和對普通教室設(shè)備和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，我們將普通教室改進(jìn)為階梯式、桌椅靈活折疊、節(jié)能窗簾、實(shí)驗(yàn)室、可升降黑板五個(gè)模式的新型“多功能階梯教室”。但由于教室的環(huán)境非常特殊，首先不能有噪音，必須安靜。這一點(diǎn)就可以排除多數(shù)電機(jī)以及氣動(dòng)元件，因?yàn)閷W(xué)生在上課時(shí)注意力很難集中，加之電機(jī)的噪音，更讓學(xué)生分心，而且老師講課聲音也會(huì)被電機(jī)掩蓋住一部分，造成后排同學(xué)的聽課效率降低等弊端。其次，教室墻壁利用率差。教室的四面墻壁都是薄壁類型沒有過多空間來存放其他東西，如果把墻壁掏空太多又會(huì)引發(fā)強(qiáng)度問題，所以只能改造教室地面。最后，機(jī)械裝置不能過多暴露在外部，因?yàn)楸┞对谕饷鏁?huì)存在一定安全性問題，易傷到教師和學(xué)生，而且也會(huì)吸引一部分學(xué)生的注意力，非常不利于教學(xué)活動(dòng)的開展。于是本研制小組通過以上分析，了解到教室的特殊性，完成產(chǎn)品“多功能階梯教室”的設(shè)計(jì)。（如圖1所示）圖1.多功能階梯教室二、方案設(shè)計(jì)通過采用手動(dòng)操作向全自動(dòng)轉(zhuǎn)化的核心思想，我們實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的教室系統(tǒng)。1、普通教室和階梯教室的相互轉(zhuǎn)變方案方案一：采用叉車原理，通過運(yùn)用不同高度的支架，將可升降地面升起。方案二：主要利用齒輪嚙合傳遞動(dòng)力原理，將可升降地面連接在不同大小的齒輪上。方案三：利用齒輪齒條傳遞動(dòng)力原理，將可升降地面連接在電機(jī)上，由電機(jī)上的齒輪帶動(dòng)升降。經(jīng)過本小組的多次試驗(yàn)，方案一可行性低，受力不均衡，整體支架過重；方案二可行性一般，能保證瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定,但升降不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)動(dòng)不精確，并產(chǎn)生動(dòng)載荷。方案三可行性高，可快速、精確定位，升降平穩(wěn)，可適用于重負(fù)荷。（如圖2所示）圖2.可升降地面2、桌椅靈活折疊方案方案一：利用了交叉轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和軸的特點(diǎn)，將一塊桌面和一個(gè)凳子分別手動(dòng)折疊，折疊后的凳子可以放進(jìn)折疊后的桌子內(nèi)。方案二：主要利用螺桿傳動(dòng)方式、齒輪齒條傳動(dòng)與鋼軌滑道加雙轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)方式，桌椅能夠自動(dòng)升降和折疊。通過對方案一的改進(jìn)形成方案二，方案一需要手動(dòng)折疊，而且穩(wěn)定性差；方案二采用電路控制，方便同學(xué)運(yùn)用，穩(wěn)定性高，移動(dòng)性強(qiáng)，更加貼近大賽理念。（如圖3所示）圖3.全自動(dòng)折疊桌椅3、太陽能折疊窗簾方案方案一：利用鏈傳動(dòng)，改造教室外部結(jié)構(gòu)，使得窗簾能夠開合。方案二：運(yùn)用齒輪齒條傳動(dòng)原理，能夠?qū)⒋昂熣郫B和展開。方案三：運(yùn)用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，改造教室窗戶結(jié)構(gòu)，使得窗簾能夠開合。由于方案一采用鏈傳動(dòng)，僅能用于兩平行軸間的傳動(dòng)而且成本高，易磨損，易伸長，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生附加動(dòng)載荷、振動(dòng)、沖擊和噪聲，不宜用在教室。方案二:采用齒輪齒條傳動(dòng)，能夠快速開合，但是閉合后窗簾折疊方式不穩(wěn)定。方案三：改變教室窗戶結(jié)構(gòu)，在窗戶外面再添加一個(gè)安裝太陽能板的裝置，利用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行打開和閉合。（如圖4所示）圖4.太陽能開合窗簾4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的打開和閉合。傳動(dòng)比穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開合自如。（如圖5所示）圖5.實(shí)驗(yàn)臺(tái)5、可升降黑板方案黑板兩邊采用螺桿進(jìn)行上下直線移動(dòng)。（如圖6所示）圖6.可升降黑板三、創(chuàng)新點(diǎn)本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：1、實(shí)現(xiàn)教室地面自由升降采用了階梯教室應(yīng)用廣泛和普通教室不可缺少的實(shí)際情況，選擇可升降地面，使得普通教室與階梯教室相互轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)如今，中國學(xué)生人口基數(shù)大，而教育資源相對比較缺乏，因此，提高資源的利用率是本設(shè)備當(dāng)初設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)之一。由于階梯教室地板單一，不便于學(xué)生活動(dòng)，而普通教室又無法滿足大量學(xué)生的上課需求。因此，我們提出復(fù)合式地板應(yīng)用可升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化教學(xué)不但節(jié)省了教室空間還節(jié)約了材料。2、折疊桌椅由于普通桌椅在教室占地面積大，學(xué)生活動(dòng)起來容易碰撞，而且現(xiàn)在實(shí)行多元化教學(xué)，并不單單只是坐在座位上。因此，本小組設(shè)計(jì)了可折疊式桌椅，放置和展開靈活方便，占用空間小，結(jié)構(gòu)輕盈，移動(dòng)性強(qiáng)。3、節(jié)能環(huán)保窗簾應(yīng)用太陽能板的成熟技術(shù)，在改變教室窗戶結(jié)構(gòu)在外部覆蓋了一層太陽能板，這樣能夠減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，降低成本。4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)充分利用教室空間，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)安置在教室內(nèi)，使學(xué)生能夠一邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)一邊實(shí)踐，增加的動(dòng)手能力，老師也能更好的講解理論知識(shí)。5、可升降黑板由于老師的身高不同，導(dǎo)致黑板使用面積不大，而且一般教室都需要添加投影布，但位置并不在正中間，導(dǎo)致有些學(xué)生不能很好的觀看。因此，本設(shè)計(jì)小組采用螺桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)可升降黑板，能夠增加黑板的使用面積，減少老師授課期間擦黑板的次數(shù)，將黑板下降后，可將幻燈片直接打在墻上。四、主要功能指標(biāo)依照本屆大賽“幻夢課堂”為主題，圍繞“教室用設(shè)備和教具的設(shè)計(jì)制作”，在突出創(chuàng)新設(shè)計(jì)意識(shí)和綜合實(shí)踐能力的基礎(chǔ)上我們設(shè)計(jì)并搭建出了這一整套多功能階梯教室模型。本設(shè)計(jì)所達(dá)到的主要功能指標(biāo)：1、階梯教室自動(dòng)轉(zhuǎn)換該裝置實(shí)現(xiàn)了普通教室與階梯教室之間的轉(zhuǎn)換。2、桌椅電動(dòng)折疊該裝置實(shí)現(xiàn)了教具的高度自動(dòng)化，節(jié)省了空間時(shí)間，方便學(xué)生的學(xué)習(xí)與生活。3、太陽能窗簾該裝置節(jié)約能源實(shí)現(xiàn)了教室用電自給自足。將太陽能板和窗簾的結(jié)合可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，從而可以節(jié)約大部分的電能。4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)該裝置將實(shí)驗(yàn)室與普通教室相結(jié)合。5、可升降黑板該裝置實(shí)現(xiàn)了教具的自動(dòng)化，方便了老師的授課。工作原理1、可升降地面教室用地板通過齒輪傳動(dòng)原理，首先做出一個(gè)可以活動(dòng)的假地面，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的開關(guān)在黑板旁，電機(jī)正轉(zhuǎn)通過大小齒輪相互嚙合是得所抬起的假地面呈階梯狀，形成階梯教室。2、全自動(dòng)折疊課桌椅全自動(dòng)折疊課桌椅則通過齒輪齒條嚙合實(shí)現(xiàn)座椅的自動(dòng)回收，通過螺桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)座椅與課桌的自動(dòng)折疊。3、太陽能折疊窗簾通過運(yùn)用齒輪齒條來實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)打開和閉合。4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)用齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開合。5、可升降黑板利用螺桿實(shí)現(xiàn)黑板的直線上升與下降。六、運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)力分析1、階梯地面的升降升起：②號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→齒輪③沿齒條①向上移動(dòng)→可升降地面④升起。降落：②號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→齒輪③沿齒條①向下移動(dòng)→可升降地面④降落。（如圖5所示）圖5.地面升降結(jié)構(gòu)簡圖2、桌椅的打開與折疊打開：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→螺桿⑤轉(zhuǎn)動(dòng)→支架⑥升起→滑塊④向中間滑動(dòng)→桌板繞鉸鏈③轉(zhuǎn)動(dòng)閉合→②號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→齒輪齒條⑦帶動(dòng)椅子⑧抽出。折疊：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→螺桿⑤轉(zhuǎn)動(dòng)→支架⑥降落→滑塊④向兩邊滑動(dòng)→桌板繞鉸鏈③轉(zhuǎn)動(dòng)打開→②號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→齒輪齒條⑦帶動(dòng)椅子⑧收回。（如圖6所示）圖6.折疊桌椅結(jié)構(gòu)簡圖3、太陽能窗簾的開合打開：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（正轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→齒輪②帶動(dòng)連桿③運(yùn)動(dòng)→太陽能折疊窗簾隨之張開。閉合：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（反轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→齒輪⑥帶動(dòng)連桿⑦運(yùn)動(dòng)→太陽能折疊窗簾隨之閉合。（如圖7所示）圖7.太陽能折疊窗結(jié)構(gòu)簡圖4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)的開合打開：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（正轉(zhuǎn)），⑧號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→帶動(dòng)②、⑨號(hào)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)→③號(hào)連桿上升→帶動(dòng)④號(hào)連桿向后上方升起→由⑤號(hào)連桿帶動(dòng)⑥號(hào)連桿豎直上升→⑦號(hào)桌板上升并打開。閉合：①號(hào)電動(dòng)機(jī)打開（反轉(zhuǎn)），⑧號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→帶動(dòng)②、⑨號(hào)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)→③號(hào)連桿下降→帶動(dòng)④號(hào)連桿向前方升起→由⑤號(hào)連桿帶動(dòng)⑥號(hào)連桿豎直下降→⑦號(hào)桌板收起。圖8.實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖5、黑板的升降升起：①號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)）→齒輪③旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿④→可升降黑板⑨升起。降落：①號(hào)電機(jī)打開（反轉(zhuǎn)），⑤號(hào)電機(jī)打開（正轉(zhuǎn)）→齒輪③旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿④→可升降黑板④降落。（如圖9所示）圖9.升降黑板結(jié)構(gòu)簡圖七、實(shí)用化的可能性1、多功能階梯教室地面的升降形成階梯教室與普通教室的結(jié)合，采用了齒輪傳動(dòng)原理，技術(shù)成熟，不僅減少了占地面積和成本，而且提高了學(xué)生的聽課效率。2、自動(dòng)折疊式桌椅運(yùn)用了齒輪齒條傳動(dòng)、螺桿升降、導(dǎo)軌滑動(dòng)原理，結(jié)構(gòu)簡單，靈活