适用翻转课堂教学应用的新型桌椅研究
2018-06-28，
，
(佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 154007)
0 引 言
目前的大部分课堂使用的是传统的桌椅，这种桌椅不适合“翻转课堂”教学模式的应用，无法更好的实现自由讨论环节环境的需求。
“翻转课堂”的教育方式提出以后，这种教学方式很受欢迎，同时也暴露出了一些问题，传统模式的课桌椅无法完成“翻转课堂”中的讨论教学，使得教育的进行受到阻碍，教育设施要随着教育的改革而共同进步，所以设计出一款适合“翻转课堂”的桌椅刻不容缓。
1 桌椅结构及特点
桌椅结构见图1，它由(1)靠背板(2)轴承(3)圆管(4)椅座(5)旋转连接支架(6)气杆(7)托盘(8)白板(9)桌面(10)轴套(11)带控制开关的万向轮构成，其特征在于：桌椅的桌面可随意调节高度、旋转角度和方向，比传统桌面更加灵活，适合不同的学习模式。单独学习、老师辅导、小组讨论可随意切换。书桌结构简单，操作方便，脚踏控制万向轮的开关，老师单独进行辅导时可调整桌面至合适角度供老师对同学辅导，提高了老师辅导学生的效率。单人使用时将桌面调整至符合人机的高度，提高了空间的利用率和舒适度。当进行小组讨论时，可控制万向轮进行移动，每张课桌的桌面都可以调整方向和角度，课桌底部都有万向轮，可以调整桌椅位置，构成一个合适的讨论式教学的讨论组模式。
图1
2 设计计算
2.1 总体尺寸设计
此桌椅最大特点在于学生不同学习状态下课桌多状态之间的转换，因此只有设计好各状态的结构尺寸才能合理、协调的实现其功能。
(1) 整体外形尺寸：
为了课桌整体折叠时节约空间，底座尺寸取400mm×460mm，座椅高度可由300mm～430mm自由调节，桌面高度可由450mm～900mm自由调节。
(2)靠背外形尺寸：
根据市场主流桌椅靠背，为了使人背部舒适，靠背长度应上不过额、下不过臀，取380mm，两端各留出100mm的距离供学生侧身翻转，靠背实际长度为430mm。
(3)桌面外形尺寸：
根据市场主流学生所使用课桌桌面，边长取300mm×250mm/450mm，厚1.650mm。
(4)结构协调尺寸：
为了满足各状态之间的转换，各部分的尺寸取值如图2所示。
图2 框架结构尺寸示意图
2.2 强度与刚度校核
此桌椅在折叠成块时处于闲置或运输状态，承重不大(约为自重)，且各处机构处于收缩状态，强度设计没有特别要求，必然满足使用条件。
一体化桌椅在课堂使用时处于展开状态，供学生使用学习。在教学环境中设计桌椅时，设定座椅载重约为学生体重50kg～80kg，桌面载重约为文具及书本5kg～10kg，需要考虑桌面间连接螺钉与座椅定位销强度是否足够，计算支承处轴承的使用寿命是否满足使用年限等。参考了市场上性能类似桌椅的选材，并结合此桌椅的结构及设计要求对承重构件进行了校核。
2.2.1 桌面螺钉连接强度校核
已知桌面与滑轨采用合页连接，合页一侧与滑轨圆柱钢焊接在一起，另一侧钉八个螺钉孔与木板连接，其受力分析如图3所示：
图3
分析可知，桌面受均布载荷，螺钉主要受弯矩作用
弯矩Mmax=22.5N·m
螺钉直径d=6mm
该截面面积为S=πr2=28.3mm2
(1)计算最大弯曲正应力
对Z轴的惯性矩
抗弯界面系数
最大弯曲正应力
(2)校核螺钉的强度
许用弯曲应力
显然σmax<[σ]，满足强度要求。
2.2.2 桌面支撑柱强度校核
分析可知，立柱受弯矩与剪切力合成作用，其受力图、弯矩图、剪力图如图4所示：
图4
由图可知，桌面支撑柱危险截面为方钢底部与底座焊接截面，截面受弯矩Mmax=40.5N·m
剪力Fmax=20N
该截面面积为S=188.7mm2
(1)计算最大弯曲正应力
对Z轴的惯性矩
抗弯界面系数
最大弯曲正应力
(2)校核支撑柱的强度
许用弯曲应力
显然σmax<[σ]，满足强度要求。
(3)计算最大剪应力并校核
许用剪切应力
显然τmax<[τ]，满足强度要求。
(4)支撑柱的刚度计算
由以上简化模型可知，担架承受最大载荷状态下的最大变形量(挠度)为：
=-0.004m=-4mm
由此，支撑柱的最大弯曲变形为4mm，并且出现在支撑柱的最高点，完全满足使用要求。
2.2.3 座椅升降可靠性校核
已知学生重力为700N，要使座椅高度固定，不计底座方钢间产生的摩擦力，则卡销提供支持力与重力平衡，简化受力图如图5所示：
图5
图6
由受力分析可知，圆柱销危险截面为重力作用受剪切面。
圆柱销直径d=6mm
正交截面面积
s=πr2=π×32mm2=28.3mm2
危险界面面积
sθ=s/sinθ=28.3/sin64.6°=31.3mm2
危险界面所受剪切应力
许用剪切应力
显然τmax<[τ]，满足强度要求。
2.2.4 座椅支撑轴承寿命计算
已知座椅表面宽410mm，学生臀部对座椅施力作用面宽约300mm，座椅承受竖直重力，设计学生重心落在轴承连线上，简化受力图如图6所示：
座椅两端受支持力FN1=FN2=350N
轴承受反作用径向力Fr1=Fr2=350N
轴承受轴向力Fa1=Fa2=55N
判断系数e=0.22
所以
X1=X2=1Y1=Y2=0
座椅承受轻微冲击，去载荷系数fp=1.2
轴承当量动载荷为
P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=
1.2(1×350+0×55)=420N
P2=fp(X2Fr2+Y2Fa2)=
1.2(1×350+0×55)=420N
轴承寿命
高于预期寿命，符合条件。
3 结 论
1)多形态
桌椅整体可折合成块，各处结构伸缩折叠翻转变化时共有六种形态，能满足各类学生不同学习状态时的要求。
2)多功能
桌椅变化移动灵活，方便人员流通、交流讨论、运输布置，能防近视、矫坐姿、防占座、靠背按摩、集中处理垃圾及提示遗漏物品。
3)人性化与个性化
桌椅形态变化多样，使教室空间拓展力强、利用率高；学生可根据需要自主调节课桌功能，操作方便简单可靠；桌椅设计时考虑清洁员、学生、老师等各方需求，提供了良好的学习环境与趣味培养。
4)新型桌椅与经典桌椅相结合，融合现代科技为广大学生提供多功能服务。在面对各类学生时，均能满足他们个性化与人性化的需求，推广范围广泛，而且该桌椅可以在普通课桌的基础上进行改进，利于桌椅新旧更替及回收利用，批量化生产成本还可降低，有良好的市场前景。
参考文献:
[1] 濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社.2006.
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[4] 机械设计手册编委会．机械设计手册．北京：机械工业出版社．2005.
[5] 大连理工大学工程图学教研室．机械制图(第六版)．北京：高等教育出版社．2007.
