一种自动擦拭电动升降黑板的优化设计

2021-08-20林毅贞

机电工程技术 2021年11期

摘要：手动升降黑板推拉时易失去平衡，手动擦除粉笔字时费时费力，且污染环境，为了解决这些问题，提出了一种电动升降黑板的优化设计方案。介绍了电动升降黑板的总体设计原理，通过对传动机构的结构设计，电动机的选择，以及带传动、链传动、行程开关等重点机构的详细分析与计算，对传动组件进行了创新设计;通过对齿轮傳动、伸缩机构等分析应用，对清洁组件进行了结构设计及原理分析，从而设计出一种具有自动擦除功能的电动升降黑板，具有灵活、平稳的特点，能够自动控制板面的升降，具有全自动擦拭板面和收集粉笔灰等功能，为课堂教学带来极大的方便，具有较好的使用价值和发展前景。

关键词：电动;升降黑板;自动擦除;创新设计

中图分类号：TP23文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0192-04

An Optimal Design of Automatically Wiping and Electric Vertical Sliding Blackboard

Lin Yizhen

（Yangjiang Polytechnic， Yangjiang， Guangdong 529500， China）

Abstract： It is easy to lose balance when manually lifting and pulling the blackboard， and it is time-consuming and laborious to manuallyerase chalk words， which pollutes the environment， in order to solve these problems， an optimal design scheme of electric lifting blackboardwas proposed. The overall design principle of the electric vertical sliding blackboard was introduced， an innovative design was made for thetransmission components by the structural design of the transmission mechanism， the selection of the motor， and the detailed analysis andcalculation of the important parts such as belt transmission， chain transmission and travel switch. Then， the structural design and the principleanalysis of the cleaning component were carried out by the analysis and application of gear transmission， telescopic mechanism， etc. In thisway， an electric vertical sliding blackboard with the function of automatically wiping was designed. Which has the characteristics of flexibilityand stability， can automatically control the lifting of the board surface， has the functions of fully automatic wiping the board surface andcollecting chalk ash， brings great convenience to classroom teaching， and has good use value and development prospect.

Key words： electric; vertical sliding blackboard; automatic wiping; innovative design

0 引言

目前学校的教室里基本上采用黑板和多媒体投影相结合的方式，在黑板前方安装投影幕，教师上课时可以自由使用黑板板书或者 PPT 教学。不管是黑板板书，还是多媒体展示，各有所长，需要老师合理利用，以达到最好的教学效果。黑板是教室里必不可少的重要教学设备，具有管理课堂教学、记录重点难点知识、便于教师分析推理以及学生抄写等功能[1]。在学校的大教室或者阶梯教室里，普遍使用单组或者双组的手动上下升降黑板，这种黑板的优点是板面可以上下升降而且板面足够大，有的书写面积可达2 m ×4 m ，可以容纳老师所教的整节课内容。但是，这种黑板也有明显的不足之处：一是老师在升降黑板时需要用较大的力去上下推拉，黑板容易失去平衡卡在半空中无法移动[2];二是在板面上写了粉笔字后，需要用力慢慢擦除字迹，效率低，浪费时间;三是在擦黑板过程中，粉尘飞扬，对师生的健康不利[3-4]，而且身高偏低的老师学生擦黑板时，难于完全擦拭干净高处的字体，因此这种手动升降黑板及手动擦黑板的方式给教学带来了诸多不便。

为了改善上述黑板的不足之处，本文提出了一种升降黑板的优化设计，设计出具有自动擦除功能的电动升降黑板，具有省力、灵活、平稳、自动控制黑板的升降及具有全自动擦拭板面和收集粉笔灰等功能，安全方便，高效实用。

1 电动升降黑板设计原理

电动升降黑板总体结构设计如图1所示，一个长4 m ，宽2.150 m的矩形板框1后面外壁的四角均通过螺栓固定有安装脚4，在板框中间的内壁上，通过螺栓固定有隔离柱2，隔离柱将板框分为左右相等的两部分，这两部分通过牵引组件连接有黑板组件，黑板组件包括滑动连接在板框与隔离柱侧壁之间的前黑板9和后黑板6，两者规格相同，隔离柱和板框的相对侧壁分别开设有供前黑板和后黑板滑动的第一滑道3和第二滑道5，在前黑板的前板面设置有清洁组件7，后板面另外设有可拆卸的清洁抹布，清洁组件7通过伸缩机构8分别与板框和隔离柱连接，用来控制板面的自动擦除，前黑板和后黑板的牵引组件由传动机构10带动，实现电动升降，传动机构的外部安装有外壳，起安全保护的作用。

2 电动升降黑板重点结构设计

2.1 传动机构

（1）结构设计

电动升降黑板传动机构的结构设计如图2所示，在板框顶部内壁上安装有转轴12，转轴通过滚动轴承与板框及隔离柱相连，转轴两端分别安装有第一链轮11和第二链轮13，两个链轮均套有链条15，链条的两端均与前黑板9和后黑板6顶部外壁固定连接，转轴12伸出板框的部分套设有带轮14，通过传动带16与带轮18连接，带轮18由电动机19带动运转，板框四个角均设置有行程开关17，用以控制黑板的行程，进行终端限位保护。图3所示为板框内部传动组件的侧视简图。

（2）工作原理

使用时，先把整个板框牢固可靠地安装在墙壁上，并将所需的零部件按图2装好，开动电机，通过带传动带动链轮转动，链轮带动链条使黑板移动，当前黑板向下移动时，后黑板上升，碰到行程开关时，停止运动[5];反之，当前黑板向上移动时，后黑板下降，碰到行程开关时，停止运动，从而实现黑板自动上升与下降功能。

2.2 电动机选择

为了实现黑板平稳顺畅的升降，首先要选取合适的电动机类型。一块黑板的重量一般为 G=12.5 kg ，起吊两块黑板的链条所受总拉力为 F=2×12.5 kg×9.8 N/kg=245 N ，黑板在升降过程中，速度不宜过快，设速度 v=0.2 m/s ，链传动的效率η1=0.96，则链轮工作的输入功率为：

考虑到链轮的受力不仅仅是黑板的重力，还有链条重力和链条与链轮的摩擦力，可以算出链轮的输入功率为 P ′w ≈55 W 。

因为电动机通过带传动来带动链轮转动实现黑板的自动升降，带传动的效率取η2=0.95，载荷平稳，电机工作时间短，故工况系数取 k=1.0，由此可以算出电动机的输出功率为[6]：

因此，选择带有蜗杆蜗轮减速器的小直径D59R-2465-80型号有刷直流电动机[7]，如图4所示，此电机可承重45 kg ，直流电压24 V，额定功率65 W ，减速比75∶1，输出转速80 r/min，可以高效率地完成黑板的自动升降。

2.3 链条及带传动设计

2.3.1 链条及链轮的选择

阶梯大教室板框包含面积一般为2.150 m×4m ，板框里面有4块黑板，每块板面的尺寸为1 m×2m ，链条绕过链轮，两端分别连接两块板面，因此所选的链条长度应为 l=1 m ，起吊黑板的质量为 G=12.5 kg ，链速 v=0.2 m/s，因为链条受力不大，链速较小，故可以选取两个链轮齿数都为13，链条号数为08A 型，其节距为p=12.7 mm[8]。这样，算出链轮的转速：

链轮的分度圆直径为：

查表得所使用的链轮的齿顶圆直径为57.9 mm ，齿根圆直径为53.06 mm[9]。

2.3.2 带传动设计

根据普通 V 带传动的工作条件，工况系数取 K=1.0，所以计算功率 Pc=KP=65 W ，考虑到链轮转速不大，链轮与带轮同轴，带轮的转速也为 n1=72.7 r/min 。根据 Pc 和 n1，选用 A 型普通 V 带。采用两个基准直径相等的带轮，基准直径为 dd1= dd2=75 mm。

验算带速：

带速合适。

初选带轮的中心距 a0=2000 mm 。

初定带长：

选取带的基准长度为Ld =4000 mm 。

两带轮实际的中心距[10]：

2.4 行程开关选用

行程开关又称为限位开关，为了控制电动黑板的行程及限位保护，可将行程开关安装在板框内部4个角的位置。选用滚轮旋转式限位开关，其结构如图5所示，当黑板从右向左撞击滚轮1时，摆杆2和套架4绕着固定支点3作逆时针转动，于是滚子6向右滚动，此时弹簧11被压缩储存能量，当滚子6滚过T 形摆杆10的中点，并推开压板7的时候，T 形摆杆10在弹簧11的作用下，迅速作顺时针转动，使常闭触点8迅速断开，而开触点9迅速闭合。当黑板离开滚轮时，在复位弹簧5和12的作用下，触点恢复原始状态[11]。

考虑到每块黑板上升的最大距离为1 m ，下降的最大距离也为1 m ，因此需要将黑板固定在规定的行程内，板框的4个角上下的距离就是自动升降黑板的最大行程。在电动升降黑板中，需要两个限位，即上限位和下限位，分别安装在板框的4个角当中。当黑板上升或下降到最高或最低的位置时，碰到限位开关上的滚轮，限位开关的触点开始工作，切断电动机的电源，黑板停止运动;当黑板进入行程内时，滚轮与黑板分离不接触，黑板正常升降，这时，复位弹簧开始工作，使滚轮回到原始的位置，为下次动作做准备。

2.5 清洁组件设计

2.5.1 结构设计

图2中，前黑板的清洁组件7通过弹性伸缩机构8与板框连接，可前后移动，清洁组件包含在板框相对侧壁中间的清洁盒，且清洁盒垂直于隔离柱。清洁组件内部结构如图6所示，前黑板板面通过螺栓固定有两条齿条，清洁盒内壁两侧通过滚动轴承连接有转动杆，且两个转动杆均平行于前黑板，两个转动杆套设有一块清洁布，在两个转动杆底部均设置有实现其旋转的传动组件，包括清洁组件底部内壁开设的支撑板，支撑板和清洁盒侧壁通过螺栓连接杆件，杆件通过滚动轴承套设有直齿圆柱齿轮和第一锥齿轮，清洁盒底部内壁与杆件之间连接有转动轴，转动轴套设有第二锥齿轮和带轮，另一带轮套设在转动杆上，两带轮由传动带连接。

后黑板的清潔组件是带有魔术贴的海绵芯长条抹布，抹布贴在前黑板的后背底端，当前黑板移动时可对后黑板进行擦拭，抹布可以取出清洗干净。

2.5.2 工作原理

当需要擦除前黑板的字迹时，开动电机，使前黑板向上移动，图 6中，固定在前黑板外壁的齿条会带着圆柱齿轮转动，圆柱齿轮与第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动第二锥齿轮转动，第二锥齿轮带动转动轴转动，转动轴上的带轮通过传动带带动转动杆，转动杆带动清洁布移动，擦拭黑板表面;当再次用到前黑板的时候，前黑板向下移动，清洁组件以同样的形式反向工作，不同的擦拭方向开始工作，前黑板被清洁组件擦拭了两次，保证了擦拭的干净程度。

考虑到清洁盒空间较小，齿条运动随黑板一起运动，速度一般为0.2 m/s ，传递的功率不大，齿条及与它相啮合的圆柱齿轮模数可选1.5 mm ，圆柱齿轮的齿数选17，则其分度圆直径 d=mz=25.5 mm ，4个锥齿轮大端模数取标准值1.5 mm ，齿数选17，其大端分度圆直径与圆柱齿轮相同。根据 v =，可以算出圆柱齿轮的转速 n=150 r/min ，因为两锥齿轮的传动比为1，其转速与圆柱齿轮相同，两带轮直径相等，且分别与转动杆和锥齿轮同轴，所以转动杆的转速也为150 r/min ，取转动杆的直径为30 mm ，转动杆带动抹布产生0.26 m/s的水平速度擦拭黑板，同时清洁组件在弹性组件的控制下压紧板面，产生足够大的摩擦力，使黑板在移动时自动擦除干净粉笔字。

2.5.3 清洁组件伸缩机构的设计及作用

为了方便地控制前黑板的清洁组件是否擦除字迹，把清洁组件的两端通过伸缩机构与板框相连接。清洁组件的伸缩机构类似于圆珠笔芯的伸缩机构，如图7所示，在板框的孔中按顺序装好套筒、压缩弹簧、顶杆、滑爪套、推杆、固定于板框内部的导轨等，导轨内设置有与滑动爪滑动配合的凹槽与斜面;推杆一端与清洁盒通过插销连接，另一端是带有斜面的分度爪和凹槽的压条;滑爪套带有斜面和凹槽的滑爪;顶杆有挡边以便限制弹簧的移位;压缩弹簧套在顶杆上，一端抵住套筒，另一端抵住顶杆挡边。当按压推杆时，推杆上的压条沿轴向压动滑爪套，当滑爪越过分度爪后，滑爪和压条便沿着相接触的斜面相对滑动，使滑爪滑向分度爪的斜面，落入分度爪的凹槽后，便停止滑动，被锁住。分度爪的凹槽有深槽和浅槽，两种槽交错排列，推杆的伸缩行程是两槽的槽深差[12]。这样，当按一下清洁组件的外壳时，清洁组件被弹出来，远离板面，可以使黑板往上移的时候，字不被擦掉，根据教学的需要保留字体痕迹;当需要擦除字体时，再按一下传动组件的外壳时，传动组件就会移向板面，而且使抹布贴紧板面，在黑板升降过程中自动擦除字体。擦除字体时粉尘落入清洁盒当中，避免粉尘到处飞扬，有利于师生的身体健康。

3 结束语

本升降黑板的创新设计具有如下的优点。

（1）通过电动机、带传动、链传动等牵引组件，可使黑板自动上升及下降，并且在行程开关的控制下，保证黑板运动平稳、安全可靠。

（2）通过设置的清洁组件，可以使黑板在上下移动的过程中即可对黑板表面进行自动擦拭，同时，清洁组件内部的齿条齿轮传动、锥齿轮传动、带传动等实现了清洁布左右移动，保证了擦拭之后的黑板干净程度。

（3）通过设置的清洁盒，可以使擦拭之后的粉尘同时留在清洁盒内，避免了粉尘随意散落，有效地保护了教职人员和学生的身体健康。

（4）利用机电一体化技术原理设计传动部分和清洁组件，自动化程度高，可以满足自动升降黑板和自动擦除板面的需要，为课堂教学带来极大的方便。

该设计可以根据教师上课的需要，灵活使用黑板及清洁组件，既解决了手动升降黑板时受力不均失去平衡的问题，又解决了手动擦除粉笔字时费时费力及污染环境等问题，效率高，操作安全可靠。另外，该设备是在已经获得国家专利“一种可以自动擦黑板的移动黑板[13]”基础上进一步创新和完善，功能更齐全，有较好的使用价值和发展前景。

参考文献：

[1]蔡馨仪.黑板在多媒体课堂中的有效应用探索[J].成才之路， 2021（21）：94-95.

[2]毕帅.理论力学研究型实验报告手拉式黑板的运动分析[EB/OL].[2013-04-07].https：//www.docin.com/p-630402886.html.

[3]林毅贞.支架式移动黑板的优化设计[J].机电工程技术，2021， 50（7）：208-210.

[4]孟威.新型自动吸尘黑板研制与应用[J].实验技术与管理， 2015，32（7）：104-106.

[5]毕淑娥.电工与电子技术[M].北京：电子工业出版社：2016.

[6]黄平，朱文坚.机械设计基础——理论、方法与标准[M].北京：清华大学出版社，2017.

[7]张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社，2014.

[8]陈立德，罗卫平.机械设計基础[M].北京：高等教育出版社，2013.

[9]豆丁网.各种规格链轮选型参数表[EB/OL].[2012-08-17].https：//www.docin.com/p-456863481.html.

[10]韩玉成.机械设计基础[M].大连：大连理工大学出版社，2017.

[11]百度文库.行程开关[EB/OL].[2014-06-13]. https：//wenku.bai- du.com/view/1dbac6a04693daef5ef73d66.html.