多功能阶梯教室设计说明书

第六届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组
多功能阶梯教室
设计说明书
参赛学校：西京学院（西安）
参赛人员：杨艺豪朱晓可雒莎莎邓冬青
指导教师：仝崇楼张宏伟
2014年4月
目录
一、创新构思 (2)
二、方案设计 (3)
1、普通教室和阶梯教室的相互转变方案 (3)
2、桌椅灵活折叠方案 (4)
3、太阳能折叠窗帘方案 (5)
4、实验台方案 (6)
5、可升降黑板方案 (7)
三、创新点 (8)
1、实现教室地面自由升降 (8)
2、折叠桌椅 (8)
3、节能环保窗帘 (8)
4、实验台 (8)
5、可升降黑板 (8)
四、主要功能指标 (9)
1、阶梯教室自动转换 (9)
2、桌椅电动折叠 (9)
3、太阳能窗帘 (9)
4、实验台 (9)
5、可升降黑板 (9)
五、工作原理 (9)
1、可升降地面 (9)
2、全自动折叠课桌椅 (10)
3、太阳能折叠窗帘 (10)
4、实验台 (10)
5、可升降黑板 (10)
六、运动分析和动力分析 (10)
1、阶梯地面的升降 (10)
2、桌椅的打开和折叠 (11)
3、太阳能窗帘的开合 (11)
七、实用化的可能性 (13)
1、多功能阶梯教室 (13)
2、自动折叠式桌椅 (13)
3、太阳能窗帘 (14)
4、实验台 (14)
5、可升降黑板 (14)
八、成本分析 (14)
九、使用前景 (14)
参考文献 (16)
附件一多功能阶梯教室总装配简图 (17)
附件二程序流程图 (18)
多功能阶梯教室设计说明书
设计者：杨艺豪，朱晓可，雒莎莎，邓冬青
(西京学院，西安)
通过日常上课对教室设备的观察和思考，设计了一套多功能阶梯教室系统，解决了因阶梯教室数量有限而需求大的问题，同时活跃了学习氛围，基于对普通教室设备和结构的创新，将传统教室改进为阶梯式、桌椅灵活折叠、节能窗帘和实验室和可升降黑板五个模式的新型教室，使得学生学习的方式变得灵活多样化，实现了趣味课堂，活跃教学氛围，教室设备多样化，开拓学习思路，建设和谐课堂提供了必要的支持。

一、创新构思
现今每个学校都有较少的阶梯教室，因阶梯教室的占地面积和它本身具有的独特性，决定了其为普遍性差的一种教室类型，而阶梯教室本身的易用性却是难以比拟的，例如：老师开会、学生的辩论赛、各种活动、幻灯片放映等都非常需要阶梯教室。

普通教室同学都在同一个平面内，易产生视线遮挡，而阶梯教室则很好的避免了这个现象，利用剧场式的地形来扩大后排学生的视野。

针对这种“需要阶梯教室但又无法大量建造”的情况和对普通教室设备和结构的创新，我们将普通教室改进为阶梯式、桌椅灵活折叠、节能窗帘、实验室、可升降黑板五个模式的新型“多功能阶梯教室”。

但由于教室的环境非常特殊，首先不能有噪音，必须安静。

这一点就可以排除多数电机以及气动元件，因为学生在上课时注意力很难集中，加之电机的噪音，更让学生分心，而且老师讲课声音也会被电机掩盖住一部分，造成后排同学的听课效率降低等弊端。

其次，教室墙壁利用率差。

教室的四面墙壁都是薄壁类型没有过多空间来存放其他东西，如果把墙壁掏空太多又会引发强度问题，所以只能改造教室地面。

最后，机械装置不能过多暴露在外部，因为暴露在外面会存在一定安全性问题，易伤到教师和学生，而且也会吸引一部分学生的注意力，非常不利于教学活动的开展。

于是本研制小组通过以上分析，了解到教室的特殊性，完成产品“多功能阶梯教室”的设计。

（如图1所示）
图1.多功能阶梯教室
二、方案设计
通过采用手动操作向全自动转化的核心思想，我们实现了全自动的教室系统。

1、普通教室和阶梯教室的相互转变方案
方案一：采用叉车原理，通过运用不同高度的支架，将可升降地面升起。

方案二：主要利用齿轮啮合传递动力原理，将可升降地面连接在不同大小的
齿轮上。

方案三：利用齿轮齿条传递动力原理，将可升降地面连接在电机上，由电机上的齿轮带动升降。

经过本小组的多次试验，方案一可行性低，受力不均衡，整体支架过重；方案二可行性一般，能保证瞬时传动比恒定,但升降不平稳，转动不精确，并产生动载荷。

方案三可行性高，可快速、精确定位，升降平稳，可适用于重负荷。

（如图2所示）
图2.可升降地面
2、桌椅灵活折叠方案
方案一：利用了交叉转动结构和轴的特点，将一块桌面和一个凳子分别手动折叠，折叠后的凳子可以放进折叠后的桌子内。

方案二：主要利用螺杆传动方式、齿轮齿条传动和钢轨滑道加双转动传动方式，桌椅能够自动升降和折叠。

通过对方案一的改进形成方案二，方案一需要手动折叠，而且稳定性差；方案二采用电路控制，方便同学运用，稳定性高，移动性强，更加贴近大赛理念。

（如图3所示）
图3.全自动折叠桌椅
3、太阳能折叠窗帘方案
方案一：利用链传动，改造教室外部结构，使得窗帘能够开合。

方案二：运用齿轮齿条传动原理，能够将窗帘折叠和展开。

方案三：运用齿轮转动，改造教室窗户结构，使得窗帘能够开合。

由于方案一采用链传动，仅能用于两平行轴间的传动而且成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在教室。

方案二:采用齿轮齿条传动，能够快速开合，但是闭合后窗帘折叠方式不稳定。

方案三：改变教室窗户结构，在窗户外面再添加一个安装太阳能板的装
置，利用齿轮转动进行打开和闭合。

（如图4所示）
图4.太阳能开合窗帘
4、实验台方案
实验台采用齿轮转动带动连杆实现实验平台的打开和闭合。

传动比稳定，
实验平台开合自如。

（如图5所示）
图5.实验台
5、可升降黑板方案
黑板两边采用螺杆进行上下直线移动。

（如图6所示）
图6.可升降黑板
三、创新点
本产品的创新点主要体现在一下几个方面：
1、实现教室地面自由升降
采用了阶梯教室使用广泛和普通教室不可缺少的实际情况，选择可升降地面，使得普通教室和阶梯教室相互转化。

现如今，中国学生人口基数大，而教育资源相对比较缺乏，因此，提高资源的利用率是本设备当初设计的主要指标之一。

由于阶梯教室地板单一，不便于学生活动，而普通教室又无法满足大量学生的上课需求。

因此，我们提出复合式地板使用可升降调节系统来实现现代化教学不但节省了教室空间还节约了材料。

2、折叠桌椅
由于普通桌椅在教室占地面积大，学生活动起来容易碰撞，而且现在实行多元化教学，并不单单只是坐在座位上。

因此，本小组设计了可折叠式桌椅，放置和展开灵活方便，占用空间小，结构轻盈，移动性强。

3、节能环保窗帘
使用太阳能板的成熟技术，在改变教室窗户结构在外部覆盖了一层太阳能板，这样能够减少环境污染，节约能源，降低成本。

4、实验台
充分利用教室空间，将实验台安置在教室内，使学生能够一边学习理论知识一边实践，增加的动手能力，老师也能更好的讲解理论知识。

5、可升降黑板
由于老师的身高不同，导致黑板使用面积不大，而且一般教室都需要添加投影布，但位置并不在正中间，导致有些学生不能很好的观看。

因此，本设计小组采用螺杆传动设计可升降黑板，能够增加黑板的使用面积，减少老师授课期间擦黑板的次数，将黑板下降后，可将幻灯片直接打在墙上。

四、主要功能指标
依照本届大赛“幻梦课堂”为主题，围绕“教室用设备和教具的设计制作”，在突出创新设计意识和综合实践能力的基础上我们设计并搭建出了这一整套多功能阶梯教室模型。

本设计所达到的主要功能指标：
1、阶梯教室自动转换
该装置实现了普通教室和阶梯教室之间的转换。

2、桌椅电动折叠
该装置实现了教具的高度自动化，节省了空间时间，方便学生的学习和生活。

3、太阳能窗帘
该装置节约能源实现了教室用电自给自足。

将太阳能板和窗帘的结合可以有效地将太阳能转化为电能，从而可以节约大部分的电能。

4、实验台
该装置将实验室和普通教室相结合。

5、可升降黑板
该装置实现了教具的自动化，方便了老师的授课。

五、工作原理
1、可升降地面
教室用地板通过齿轮传动原理，首先做出一个可以活动的假地面，齿轮传动系统的开关在黑板旁，电机正转通过大小齿轮相互啮合是得所抬起的假地面呈阶梯状，形成阶梯教室。

2、全自动折叠课桌椅
全自动折叠课桌椅则通过齿轮齿条啮合实现座椅的自动回收，通过螺杆传动实现座椅和课桌的自动折叠。

3、太阳能折叠窗帘
通过运用齿轮齿条来实现窗帘的自动打开和闭合。

4、实验台
运用齿轮转动带动连杆，实现实验平台的开合。

5、可升降黑板
利用螺杆实现黑板的直线上升和下降。

六、运动分析和动力分析
1、阶梯地面的升降
升起：②号电机打开（正转），⑤号电机打开（反转）→齿轮③沿齿条①向上移动→可升降地面④升起。

降落：②号电机打开（反转），⑤号电机打开（正转）→齿轮③沿齿条①向下移动→可升降地面④降落。

（如图5所示）
图5.地面升降结构简图
2、桌椅的打开和折叠
打开：①号电动机打开（正转）→螺杆⑤转动→支架⑥升起→滑块④向中间滑动→桌板绕铰链③转动闭合→②号电机打开（正转）→齿轮齿条⑦带动椅子⑧抽出。

折叠：①号电动机打开（反转）→螺杆⑤转动→支架⑥降落→滑块④向两边滑动→桌板绕铰链③转动打开→②号电机打开（反转）→齿轮齿条⑦带动椅子⑧收回。

（如图6所示）
图6.折叠桌椅结构简图
3、太阳能窗帘的开合
打开：①号电动机打开（正转），⑤号电机打开（反转）→齿轮②带动连杆
③运动→太阳能折叠窗帘随之张开。

闭合：①号电动机打开（反转），⑤号电机打开（正转）→齿轮⑥带动连杆⑦运动→太阳能折叠窗帘随之闭合。

（如图7所示）
图7.太阳能折叠窗结构简图
4、实验台的开合
打开：①号电动机打开（正转），⑧号电机打开（反转）→带动②、⑨号齿轮转动→③号连杆上升→带动④号连杆向后上方升起→由⑤号连杆带动⑥号连杆竖直上升→⑦号桌板上升并打开。

闭合：①号电动机打开（反转），⑧号电机打开（正转）→带动②、⑨号齿轮转动→③号连杆下降→带动④号连杆向前方升起→由⑤号连杆带动⑥号连杆竖直下降→⑦号桌板收起。

图8.实验台结构简图
5、黑板的升降
升起：①号电机打开（正转），⑤号电机打开（反转）→齿轮③旋转带动螺杆④→可升降黑板⑨升起。

降落：①号电机打开（反转），⑤号电机打开（正转）→齿轮③旋转带动螺杆④→可升降黑板④降落。

（如图9所示）
图9.升降黑板结构简图
七、实用化的可能性
1、多功能阶梯教室
地面的升降形成阶梯教室和普通教室的结合，采用了齿轮传动原理，技术成熟，不仅减少了占地面积和成本，而且提高了学生的听课效率。

2、自动折叠式桌椅
运用了齿轮齿条传动、螺杆升降、导轨滑动原理，结构简单，灵活性高，性价比高。

3、太阳能窗帘
使用了齿轮连杆传动，节约能源，为教室提供电能。

4、实验台
运用齿轮转动带动连杆，充分利用了教室的面积，将实验室和教室结合起来。

5、可升降黑板
运用螺杆传动，方便教学活动的开展，可帮助教师提高授课效率。

八、成本分析
结构主要零件价格如下表所示。

名称数量型号单价/元
3kw电机6个YL100L-4595
1kw电机4个YD90S-4/2365
0.5kw电机5个Y801-4230
铝合金支架12米70系列25 密度板30个密度900 132
太阳能板2块SMS035p 200
储电池1块12V4AH 38
齿轮14个RHGH 600
总计：19278元
九、使用前景
1、多功能阶梯教室结构简单，功能齐全，不仅满足教学计划，也可实现班级活动；
2、本设计将传统阶梯教室、折叠桌椅、实验室、升降黑板五者结合为一体，有助于丰富教学活动和减少能源消耗，而且能够使用到所有类型的学校，对全面
提升学校教学质量和能耗损失，具有非常重要的使用价值。

参考文献
[1]翁海珊，王晶.第一届全国大学生机械创新大赛决赛作品集.北京：高等教育
出版社，2006.
[2]王晶.第二届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集.北京：高等教育出版
社，2007.
[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.
[4]高志，黄颖纯.机械创新设计[M].北京：高等教育出版社，2010.
[5]沈韶华.工程力学[M].北京：经济科学出版社，2010.
[6]曲凌.慧鱼创意机器人设计和实践教程[M].上海交通大学出版社.2007.
附件一多功能阶梯教室总装配简图
附件二程序流程图
窗帘、黑板、桌椅的运动
地板和实验台的运动。