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工程力学设计实践 ——转动式床上电脑桌 构思初衷 设计图纸 理论计算 动画模拟 最初的构想 由于目前学生宿舍空间狭小，造成电脑数量多而空间不足的矛盾，为了解决这个矛盾，现在大量同学都使用那种放在床上的电脑桌，可是这种电脑桌有一个不足，就是用电脑的时候必须盘腿坐着，这种姿势坐久了会感到很不适，甚至会引发腰背疼、颈肌疲劳或劳损、手肌腱鞘炎等疾病和视力下降。我们组就有成员长期受此困扰，我们的设计就是基于这种状况而作的。电脑桌可以在需要的时候将显示器部分转到床沿，这样就不用盘腿坐了，不用的时候可以恢复到原来位置，就和一般的床上电脑桌一样。这样既节省了空间，也有利于健康。 基于这种构想，我们做出了初步的设计，确定了各部件的形状，并设计出图纸 返回 该设计的一些说明： 一、支撑显示器的平台(即部件3)所用的轴采用滚珠轴承，以减小摩擦力； 二、床头柱(即轴A)和锁紧装置之间垫上硬橡胶等同床头柱间摩擦系数较大的物质，防止部件1松脱； 三、建议在该电脑桌使用时请勿在转动桌面上放置过多杂物； 四、显示器托盘和键盘托架通过轴B连成一体，可共同转动； 五、显示器托盘上刻互成90度的槽四个，槽内放置可通过滑动调节位置的夹子以固定显示器； 该设计的一些说明： 六、关于主机箱和显示器以及键盘连线问题 如左图所示，在轴A(即床头柱)上固定一个连线夹将从主机箱后侧引出的连线穿过连线夹后再连至显示器及键盘。 此设计要求有较长的显示器信号线，故建议使用转接器。 然后，我们实地测量了各部件的数据，为理论上的计算做好了基础 主机箱:长44 宽19 高46 重量10 显示器:高38 宽35 厚40 底盘直径20 重量20 键盘:长43 宽15 高3 鼠标垫:23*18 桌面木板厚度:1.8 材料除了杆件、轴、固定件之外，全部用木材。其中杆件和轴用Q235号钢。 各部件具体尺寸在下面的理论计算中详细标注。 主要部件如右图所示。 长度单位:厘米,重量单位:千克 返回 接下来，就是我们设计的主体部分：理论计算。这也是决定我们的设计合理与否的关键。 部件1倾覆的可能性计算： 考虑将主机箱放置在部件1最左下角的极限情形 建立如图直角坐标系 将部件1分割为两部分(如图,以图中虚线区分)分别计算重心位置(忽略倒角): G(10,25),H(27.5,61.5) 两部分重量分别为(桌面木材密度按0.8克/立方厘米计算): 50cm*20cm*1.8cm*0.8g/cubic cm=1440g=1.44kg 55cm*23cm*1.8cm*0.8g/cubic cm=1012g=1.01kg 主机箱重心位置为D(33,59.5) 主机箱重量10kg 则部件1以及主机箱总重心位置为: X0=(1.44*10+1.01*27.5+10*33)/(1.44+1.01+10)=29.9 Y0=(1.44*25+1.01*61.5+10*59.5)/(1.44+1.01+10)=55.7 总重心O位置如图所示. 如图,因为总重心位置位于部件1的左右支脚所组成的三角形ABC内,而且该情况是最可能倾覆的极限情形,此时部件1稳定也即有该部件总是稳定的,不会倾覆. 部件2与轴A连接的可靠性问题 这个可靠性的问题是计算中最关键的问题。 部件2与床头柱(即轴A)的连接方式如左图所示.(其中床头柱和锁紧装置之间垫上硬橡胶等同床头柱间摩擦系数较大的物质)。这里通过理论计算验证该种连接方式的可靠性。(具体连接方式可 参考动画模拟) 分成两种情况计算连接可靠性: 一、主要依靠螺栓施加的压力防止部件沿着床头柱下滑 部件2(连同部件3以及显示器、鼠标、键盘等)总重量为28.7kg，所受重力为287牛，与其平衡的力为床头柱和锁紧装置之间的摩擦力f,二者大小相等，方向相反。 　f=μN总(N总为总正压力) 　又总正压力由四个螺栓分担,有每个螺栓受拉力F=N总/4 　得F=72/μ=120(牛顿)(取μ为钢铁和橡胶的摩擦系数,μ=0.6) 　设螺栓直径D=5mm，则螺栓截面上受正应力(拉应力) 　p=4F/S=6.11MPa，小于一般碳素钢所能承受的最大正应力(数量级为10MPa) 　结论:依靠螺栓施加的压力固定该结构是安全的。 二、依靠自锁 此时床头柱和锁紧装置之间的压应力所造成的部件2的力矩与部件2自身重力力矩相平衡. 不妨设床头柱和锁紧