祝鐵麗 司海侖 黃屹 孫先成

摘要：基于日常生活中便攜小凳使用的普遍性與方便性，并著眼于目前“高度可調(diào)”類(lèi)型的座椅產(chǎn)品因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜或者形體笨重而不適合采用其調(diào)節(jié)方式的問(wèn)題，設(shè)計(jì)、制造一種輕巧便攜的高度可調(diào)節(jié)小凳，主要對(duì)小凳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、形狀改變方式進(jìn)行了研究，改進(jìn)蝶形結(jié)構(gòu)的高度支架的加固方式，使小凳輕便易攜、高度可調(diào)、支撐穩(wěn)固并且成本低廉。

關(guān)鍵字：小凳;高度調(diào)節(jié);蝶形結(jié)構(gòu)

1引言

座椅在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧?，根?jù)需求不同，座椅的種類(lèi)也是多種多樣。具有高度可調(diào)節(jié)功能的座椅產(chǎn)品，調(diào)節(jié)高度的方式主要分為以下幾種。有的產(chǎn)品是使用氣壓桿實(shí)現(xiàn)升降;有的產(chǎn)品是對(duì)支撐桿在底座的卡位，設(shè)置了幾檔不同的可選高度;有的產(chǎn)品是通過(guò)雙頭螺柱來(lái)調(diào)節(jié)椅面的高度;有的產(chǎn)品是將支撐柱分解為多級(jí)套筒，利用各套筒之間的伸縮來(lái)改變椅面的高度。不過(guò)這些已有產(chǎn)品或是因?yàn)槌叽绾椭亓枯^大而不適合外出攜帶，或是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜而價(jià)格較高。本文擬研制一種能根據(jù)需要進(jìn)行高度調(diào)節(jié)的價(jià)格親民的折疊小凳，以便在便攜、易得的同時(shí)，兼顧不同的使用情況，為使用者提供合適的高度支撐。

2高度可調(diào)節(jié)小凳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初步設(shè)想的結(jié)構(gòu)方案，是將高度支架做成蝶形的折疊結(jié)構(gòu)。如圖1所示，高度支架與上面的座板的連接位置、高度支架與下面的底板的連接位置均不會(huì)隨著高度支架的伸縮而發(fā)生改變，從而在具有較大的高度變化范圍的同時(shí)能夠使小凳的支撐面積得到保障。

為了估測(cè)圖1的蝶形結(jié)構(gòu)能否保持形狀穩(wěn)定，對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算。如圖2所示，此機(jī)構(gòu)有7個(gè)構(gòu)件，將下面的底板作為機(jī)架，則活動(dòng)構(gòu)件有6個(gè)，n=6;有8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，沒(méi)有移動(dòng)副，所以低副的數(shù)目是8個(gè)，PL=8;高副的數(shù)目是0個(gè)，PH=0;機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2PL-PH=18-16=2>0，說(shuō)明圖1的蝶形結(jié)構(gòu)不能保持形狀穩(wěn)定。

對(duì)初始方案的高度調(diào)節(jié)支架進(jìn)行加固，左、右兩側(cè)各增加1個(gè)支板，其機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算如圖3所示。此機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件有8個(gè)，n=8;低副的數(shù)目是12個(gè)，PL=12;高副的數(shù)目是0個(gè)，PH=0;機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2PL-PH=24-24=0，說(shuō)明圖3的加固結(jié)構(gòu)能夠保持形狀穩(wěn)定，所以將按照此方案進(jìn)行后續(xù)的樣品研制。

3高度可調(diào)節(jié)小凳的樣品研制

初期的樣品研制如圖4所示。為了減輕產(chǎn)品重量、便于攜帶，在材質(zhì)方面盡可能選擇木質(zhì)。各零件之間鉸接的環(huán)節(jié)，以合葉來(lái)實(shí)現(xiàn)（支板的上端沒(méi)有與高度支架用合葉進(jìn)行鉸接，而是使支板的上端頂在了相應(yīng)高度的擋柱上，以配合小凳的高度變化）。對(duì)高度支架的左、右兩側(cè)之間的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的橫梁，則是由螺桿和螺母組成。

在將樣品立放在地面上時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品的穩(wěn)定狀態(tài)是左、右兩側(cè)的角度不對(duì)稱(chēng)。究其原因，應(yīng)該是支板因具有一定的厚度而與上方的擋柱的接觸位置有少許變化余地。

考慮到實(shí)際裝配狀態(tài)（圖4）與機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算的理想狀態(tài)（圖3）的差異，對(duì)初期設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，將支板的位置改變?yōu)槲挥诟叨戎Ъ艿纳蟼?cè)與座板之間以及位于高度支架的下側(cè)與底板之間，支板的數(shù)量也增加至4個(gè)。其機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算，如圖5所示，仍將支板的兩端都按照鉸接來(lái)處理，以便與圖3的機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算相比較。圖5的活動(dòng)構(gòu)件有10個(gè)，n=10;低副有16個(gè)，PL=16;沒(méi)有高副，PH=0;機(jī)構(gòu)自由度F=3n-2PL-PH=30-32=-2，表示是超靜定狀態(tài)，考慮到實(shí)際裝配時(shí)的支板與擋柱的接觸情況，這樣的超靜定設(shè)計(jì)是有必要的。

改進(jìn)方案的樣品研制如圖6所示。可以看到，樣品立放在地面上時(shí)，能夠穩(wěn)定在左、右兩側(cè)保持角度對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)小凳的高度調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析，圍繞高度支架的穩(wěn)固問(wèn)題而逐步改進(jìn)構(gòu)型設(shè)計(jì)，兼顧了減重和降低造價(jià)等方面，研制了一種高度可調(diào)并且輕便易攜、實(shí)用性強(qiáng)、成本低的折疊小凳，為日常生活提供更多的便利。

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本文研究工作由大連理工大學(xué)2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：祝鐵麗（1973-），女，漢族，遼寧省海城市人，工學(xué)博士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。