“一人转旋转可变桌”的创新设计

赵嘉宇，司 慧，雷 宁

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

“一人转旋转可变桌”的创新设计

赵嘉宇，司 慧，雷 宁

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

采用螺旋曲柄机构和圆柱凸轮机构，通过扩展桌子的直径有效地增加桌子的可用面积，能够解决会议或做实验时面积不够的问题，且操作方便。样机使用表明，桌子的设计安全可靠，能够承受一定的压力，在没有影响平整度的情况下扩展了桌子的使用面积。

旋转；凸轮；螺旋曲柄； 设计； 可变桌

1 研究背景

目前存在的大小可变桌形式主要有翻转式和旋转式。随着对桌子功能技术要求的提高，翻转式大小可变桌已经相对普及，但其展开操作相对较为复杂。旋转式大小可变桌在国内还没有一个相对成熟的发展，目前存在的一些旋转式大小可变桌并不完美，许多在旋转变大后会出现较大缝隙且高低不平，并且桌子整体结构较为复杂，导致桌面厚度较大。本文提出一种新型旋转式可变大小桌子——“一人转”，通过扩展桌子的直径能有效地提高桌子的可用面积，能够有效地解决多人会议和多人做实验时桌子面积不够的问题，同时当不需要时可将桌子收起以节约空间。使用时仅需要旋转桌面下导轨即可实现桌面尺寸的变换，操作简单易行。

2 “一人转”旋转可变桌的机械结构与原理

2.1 总体结构设计

由于桌子可以用于做实验，故设定其高度为680 mm～720 mm，桌面收缩状态下的最小直径为Φ1 000 mm，展开状态下的最大直径为Φ1 400 mm。2.2 凸轮机构设计

凸轮机构的剖面图如图2所示。它由圆柱凸轮和推力球轴承两部分组成，凸轮的外径为Φ120 mm，带有螺纹的内径为Φ70 mm，凸轮上有3个凹槽，凹槽与下导轨板相连，通过滚子在凸轮凹槽里面的运动带动下导轨板转动，凹槽中倾斜的一段起到抬升下导轨板的作用；推力球轴承与上导轨通过销钉相连，上导轨的水平转动可通过它来完成；圆柱凸轮内部有螺纹，与圆桌面下部的螺纹相互配合，转动圆桌面可以实现其升降。

1-星型底盘；2-圆柱凸轮；3-推力轴承；4-螺旋曲柄；

凸轮机构虽然在整体结构中占的体积很小，但却起到很重要的作用。通过凸轮的凹槽和螺纹，改变了圆桌面和扇形桌面在铅垂方向上的距离，在收缩状态下，各部件间彼此交错却不干涉；在展开状态下，保证了桌面的平整。

2.3 导轨机构设计

导轨机构示意图如图3所示。6根螺旋曲柄的两个孔之间直线距离为260 mm，一端通过活动销子与滑块连接，另一端固定于星型底座上，在转动上下导轨板时可以将旋转运动变为扇形桌面的直线运动，曲柄采用螺旋形状可以防止彼此间相互干涉。

3 “一人转”旋转可变桌的受力分析与强度校核

3.1 受力分析

为称呼方便，我们称中间的圆形桌面为主桌面，6个扇形桌面为副桌面。考虑到桌子的功能，假设副桌面受力为125 N。一个副桌面和导轨机构的组合如图4所示。

1-上层导轨；2-推力轴承；3,7-插销； 1-星型底座；2-上层导轨；4-固定槽；5-圆柱滚子； 3-连接滑块；4-螺旋曲柄 6-圆柱凸轮；8-下层导轨

图2 凸轮机构的剖面图 图3 导轨机构示意图

3.1.1 副桌面受力分析

6个扇形副桌面受力可认为相同，取其中1个扇形副桌面进行受力分析，其受力简图如图5所示。A点(见图4)为靠近副桌面外径的受力点，所受力为F，F=125 N，B点为起支撑作用的连接片对副桌面的作用点，所受力为F1。由于扇形桌面内外径尺寸差为400 mm，所以AB=l=200 mm。由静力平衡可得：

(1)

将数据代入式(1) 计算得：M1=25 N·m。

图4 一个副桌面和导轨 图5 副桌面受力图机构的组合

3.1.2 螺旋曲柄受力分析

螺旋曲柄受力图如图6所示。C、D分别为曲柄

(2)

将数据代入式(2) 计算得：F2=125 N，M2=7.5 N·m。

3.1.3 底盘受力分析

图6 螺旋曲柄受力图 图7 底盘受力图

3.2 强度校核

“一人转”桌子主体材料为Q235钢，其抗拉、抗压强度σp=205 MPa。采用Solidedge ST3进行CAD造型，校核时采用X-t*导入ANSYS14.5进行仿真，X-t*格式兼容性较好，不会引起内容丢失。仿真结果如图8～图13所示。

由图8、图9可知，螺旋曲柄最大应力为136.95 MPa，位于螺栓孔处；螺旋曲柄最大变形为0.095 1 mm，位于螺旋曲柄中部。由图10、图11可知，副桌面最大应力为34.614 MPa，最大变形为0.48 mm。由图12、图13可知，底盘最大应力为2.541 8 MPa，最大变形为0.011 mm。由仿真结果可知，“一人转”桌子满足强度要求。

图8 螺旋曲柄应力云图 图9 螺旋曲柄应变云图 图10 副桌面应力云图

图11 副桌面应变云图 图12 星形底盘应力云图 图13 星形底盘应变云图

4 结束语

“一人转”与一般桌子相比具有以下创新点：①桌子在展开状态能保证桌面的水平，在收缩状态桌面有三层结构，彼此在空间内相互重叠却并不接触；②曲柄滑块机构实现转动与直线运动之间的转换，同时曲柄采用螺旋圆弧状，可有效防止曲柄之间的干涉；③圆柱凸轮机构实现了桌子展开和收缩的转换，凸轮凹槽倾斜的一段实现了扇形桌面在收缩状态下的交错不干涉分布。该设计的实物样机参加了北京赛区机械设计创新大赛，荣获二等奖。

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(英文摘要Innovative Design of Rotary Variable Table Named Yirenzhuan

ZHAO Jia-yu, SI Hui, LEI Ning

(College of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

This paper introduces the design of a variable table, which adopts spiral crank mechanism and cylindrical cam mechanism. It can effectively increase the usable area by expanding the diameter of itself, to solve the problem that meeting or experimental area is not enough. The table has safe and reliable design, being able to withstand the pressure. Without affecting smoothness, you can extend the usable area of the table.

rotation; cam; spiral crank; design; variable table

1672- 6413(2015)06- 0089- 02

国家级大学生创新创业训练计划项目(G201410022042)

2015- 03- 10；

2015- 10- 11

赵嘉宇(1995-)，男，辽宁昌图人，在读本科生，专业为机械设计。

TP391.7

A