新型自动黑板擦

机械工程学院设计者：李玉恒20091115

姜璎琦20091041步丰盛20094434

时间：2013年3月～2013年5月

序言

“一根粉笔，三尺讲台”，这是对教师的由衷赞美。殊不知，赞美背后，隐忧多多。板书带来的“粉笔综合症”已成为广大师生的头号健康隐患。教师常年使用粉笔，不自主地“吸”入大量粉尘，容易患上呼吸系统疾病。而学生与粉笔尘接触时间长，易受教室二次扬尘的危害，他们受到的危害甚至比教师更为严重。一名学生从小学到读完大学至少需要16年时间，这正是生长发育的黄金时期，却要不断受到粉笔灰尘的侵袭；一名教师从站到讲台上到退休大多在40年左右，生命的大半时间都要“吃粉笔灰”。因为每天上课要写板书、擦黑板，粉笔灰经常把老师弄得蓬头垢面。而且老师总是一边写板书，一边讲解，甚至有时一边擦黑板，粉笔灰也就自然而然地被吸进去。要是遇到上老师感冒、咳嗽，粉笔灰更是雪上加霜，严重的还会引发哮喘。据估算，一般而言，一名中学语文老师在一节45分钟的课上，需要写一黑板的板书，而一黑板的板书需要用掉半支粉笔；而一名中学英语老师或数学老师在一节45分钟的课上，往往需要写5黑板的板书，大约就要用掉两支半的粉笔。而毕业班的老师一天最多需要上6节课，就相当于要“吸”掉12支粉笔。

个人的身体健康在一定程度上取决于你所呼吸的空气的洁净程度。粉笔教具是目前教学的必备工具，用它来传授知识，是最原始和最传统的主要教学方法之一，粉笔其应用到现在已有几千年的历史，对人类的教育事业做出了不可磨灭的贡献，随着历史的进步和社会的发展，人类对粉笔教具的认识不断提高，即粉笔给人类教育事业带来进步和做出巨大贡献的同时，也给从事教育事业的教师及学生带来巨大的危害。根据全国和我省部分调研资料显示，随着社会进步和社会节

奏的加快，教师职业病率呈逐年上升的趋势，职业病呈现多样化方向发展，其中粉尘引起的尘肺以及各种急慢性呼吸道疾病是中国目前职业病中最主要，危害最严重和最广泛的一种。学生近视患病率亦逐年上升，到了异常严重的程度。

粉笔灰不仅会对人体产生严重的伤害，同时也会对周围的环境造成很大的破坏。经调查显示，目前大多数学校使用的仍是由塑料外壳粘上毛质或绒质材料制成的传统黑板擦。这种简易的黑板擦在擦拭过程中会造成粉尘到处飞扬，且擦完后滞留的灰尘很不容易清洁，从而给教师的教学带来诸多不利。

粉笔和黑板是最原始和传统的主要教学方法之一，粉笔从被发明到其应用到现在已有上千年的历史，对人类的教育事业与社会的发展做出了不可磨灭的贡献。但随着社会工作和生活节奏地加快，教师职业病率逐年呈上升的趋势，教师职业病呈现多样化方向发展，其中由粉笔粉尘引起的肺痨所带来的危害几乎可以和吸烟带来的害处相提并论，教师繁重的备课带来的疲惫以及粉尘带来的健康问题正在影响着当代教师的身心健康。鉴于这种教室里的顽疾，从擦黑板的根源找到了突破口，通过简单的改变黑板擦的内部结构，不加任何驱动装置，让擦黑板的粉末吸入黑板擦的内部。

尽管国内教育系统基本仍使用着传统或是略加改进的手动黑板擦，但人们尤其是广大的教育工作者却越加盼望一种新型的省时省力又无污染的黑板擦的问世。在此具有广大需求的背景下，去研究一种实用性强的新型黑板擦是必要的也是必然的趋势，顺应了人民群众的需求愿望。同时，当今的科学技术也满足制造的要求。

一．设计目的

普通的黑板擦有着严重的粉尘污染的缺点。粉笔灰对老师和学生身体有很大的危害。综观国内外教学界，普通常用的黑板擦只是将毛毡放人铁皮盒内，教师上课擦黑板时，飞扬在空中的粉笔灰尘被人吸人肺部，久而久之给师生的身体健康带来极大损害。随着科学技术的飞速发展，我们利用自己的创造力来研制一种防尘黑板擦，把师生从充满粉笔灰的教室中解放出来就成了刻不容缓的问题。粉尘影响老师及学生的身体健康。并且值日生很难将粉尘清除干净。

根据调查，目前在各大院校和中、小学校中粉笔黑板的使用率还是独占鳌头。虽说现在随着科技的发展已经出现多媒体、投影仪，但是教师和学生都感到效果不佳，尤其是在对一种问题的分析和推导过程中，很容易让人感觉就像放电影一样一闪而过，给学生的印象是脑子中一片空白，不能达到教师教学的目的。同时失去多媒体作为黑板使用这一意义。

与此同时，我们根据相关资料介绍和考察，发现国外在教学中也基本上使用粉笔黑板，如美国、日本。所以就目前来说，粉笔黑板的使用前景还是相当广阔。但是目前粉笔黑板也有自身的缺陷和不足，所以就有必要对一种新型的无尘黑板进行研究开发。虽然现在已有多项关于自动黑板的专利，但是都没有问世，也许是结构的问题，更或许是使用性能问题，使得到现在也没有一款绿色环保的黑板真正打入市场。基于以上原因，对自动黑板擦进行设计与研究就显得尤为重要。

一般黑板擦有以下弊端：（1）无法控制粉笔灰的污染；

（2）无法使黑板擦拭干净；

（3）无法清除黑板擦毛层上的粉笔灰；

（4）一般黑板擦质量差，易坏。

因此，我们就有了研究自动黑板擦的这个想法。希望通过我们的改进，让新型自动黑板擦的使用减少粉尘对教师学生健康的危害和对环境的恶劣影响，使用起来安全方便环保。

二．主体方案设计

通过我们的反复思考和讨论，最终我们摒弃了最开始时候的初步想法，即；把黑板擦固定在导轨上，利用导轨的上下和左右移动来擦除粉笔灰。但是，这种方案没能解决粉尘四处飘散的问题，达不到保护教师、学生免受粉笔灰之苦的效果；而且不能实现局部的擦拭。

经过数日的讨论，我们最终采用了以下方案：

本装置有两个工作部分，即两个执行机构。一是擦盘；二是吸尘部分。擦盘用来擦拭黑板，在其最外圈是一排紧密排布的毛刷，它既能透气，又能遮挡一定的粉尘；里面有一较大面积的区域是用于擦拭黑板的软绵擦；在毛刷与软绵擦之间有一定面积的空间，此空间的擦盘底部有许多微小的孔。吸尘部分同时工作，由于叶轮转动，将以上两部分的粉尘吸入集尘盒。

传统的黑板擦是较为标准的长方体结构，而该新型黑板擦的总体外观结构如图1所示：

图1外观结构

图1中，黑板擦采用类似于电吹风的外观形状，当教师擦黑板时，用手握住下端的圆柱部分，打开电动开关即可进行擦除粉笔笔迹。

该黑板擦具有以下几个主要的构件：

1.动力源：我们采用装有充电电池的小型电动机作为动力的来源，为擦盘和风扇的转动提供动力。

2.传动装置：主动轴，从动轴和联轴器。擦盘和风扇是被安装在同一根轴上的，在通电状态下，电动机转动，带动与其连接在同一根轴上的擦盘和风扇一起转动，联轴器和轴分别如图2和图3。

图2联轴器

图3轴

3.吸尘动力：风扇。高速旋转的扇叶会产生一个流向集尘盒的强大气流，在擦黑板时，外壳的前端面和黑板之间只有一个很小的间隙，在风扇高速旋转的作用下，从外壳外面进入里面的气流会很大，足以把悬浮的即将掉落的粉笔灰吸进集尘盒。扇叶形状设计成6片向后弯折，和底面成60度，电动机转动后，扇叶高速旋转，可产生最大负压。扇叶三维设计图如图4。

图4扇叶

4.后续处理：过滤网和集尘盒。由于风扇的转动带动空气的流动，以此吸入擦除的粉笔灰，所以不能把黑板擦的背部封堵死了。因此我们采用了过滤网和集尘盒相结合的设计。选用含有细小孔洞的过滤网，让被空气流动带动的粉笔尘埃被过

滤下来，接着累积到集尘盒里面。集尘盒采用圆筒形，内嵌一个手动的按钮式开关，当粉笔灰装满集尘盒时，取出盒子，即可倾倒粉尘。集尘盒如图5所示：

图5集尘盒

三．工作原理

新型黑板擦的想法来自于汽车上使用的吸尘器，吸尘器之所以能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以1430r/min的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。新型黑板擦的除尘原理与吸尘器有相似的地方，但也有自己独特的地方。

它的内部也设置有电动机，在通电状态下，电动机转动，带动与其连接在同一轴上的刷头一起转动，擦拭时，刷头与黑板擦之间留有很小一段空隙，电机风叶轮转动产生负压差，在气流的作用下避免风尘四处飞扬，从而将风尘吸入到内部的集尘盒中。擦拭完成关掉电源，倒掉集尘盒中的粉尘，合上集尘盒。

用一个开关来控制电动机工作，图6所示为一个新型自动黑板擦的电路简图。用电焊将接线焊接牢固，电源开关一闭合，电动机得到3V电压；断电后新型自动黑板擦停止工作。因电动机的转速无法调整，所以它的吸力大小是固定的。

图6电动机电路图

新型自动黑板擦的整个操作流程如图7：

图7流程图

四．产品材料的选择

能够使新型自动黑板擦的各个部件工作时有足够的刚度和强度，又具有较轻的重量，而且还有综合考虑产品的经济性问题，尽量达到加工方便，安装简易，价格低廉。

本产品基本以工程塑料为主。传动部分中的高速轴、垫片、风扇、集尘盒以及外部柱体和轴承端盖等等都采用聚碳酸酯，这种材料具有高的冲击韧性和优异的尺寸稳定性。用于制造齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、凸轮、心轴、轴承、滑轮、铰链、传动链、螺栓、螺母、垫圈、铆钉、泵叶轮、汽车化油器部件、节流阀、各种外壳等。

风扇扇叶采用尼龙6，这种材料具有优良的机械强度和耐磨性，广泛用作机械、化工及电气零件，例如轴承、齿轮、凸轮、滚子、辊轴、泵叶轮、风扇叶轮、蜗轮、螺钉、螺母、垫圈、高压密封圈、阀座、输油管、储油容器等。尼龙粉还可喷涂于各种零件表面，以提高耐磨性能和密封性能。联轴器采用玻璃纤维材料。执行部分中擦盘选用聚碳酸酯，上面附有毛刷和软绵擦。

产品中的固定连接零件，例如螺钉，由于很小，均选用45钢所制。

五.各零部件的选取

经计算，电机所需功率为4.35w。故选择型号为RF-500TB-14415的微型直流电机。其转速为1430r/min，输出功率为4.5w，符合要求。

本产品所传递的力矩很小，经综合考虑，选择型号为RD8-A的联轴器。此联轴器材料选用玻璃纤维，柔性好，并广泛应用于数控机床、伺服电机、丝扛连接、雕刻机、、检测仪器、步进电机、检测设备、电容设备、包装机械等。其最高转速为6000r/min，额定转矩为0.6-0.8N.m。

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件的滚动接触来支撑传动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。所以考虑到结构的要求，选择滚动轴承。另一方面是常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。因而，设计出来的产品使用此种轴承可以降低成本。滚动轴承又包括球轴承和滚子轴承，由于滚动轴承有较多的优点，现在确定选用深沟球轴承。深沟球轴承的性能及特点：主要承受径向载荷，也可以同时承受小的轴向载荷；当量摩擦系数最小；在高转速时，可用来承受纯轴向载荷；工作中允许内、外圈轴线偏斜量小于等于8′～16′；大量生产，价格最低；载荷不大。

因为本产品不便经常添加润滑剂，所以采用脂润滑的润滑形式。擦盘工作时主要依靠摩擦力做功，也就是主要传递的是径向力，而不传递或传递很小的轴

向力。所以，本产品选用深沟球轴承，这种轴承主要承受径向载荷，也可同时承受较小的轴向载荷。

充电电池：选择电压为3V，型号为HB-16340的锂离子充电电池，其市场价格为1元。

整流二极管：整流电路中整流二极管选用型号为CMSD2004S的二极管，其整流电流为0.1A。

变压器：选择型号为PT35-05V的变压器，可使220V转换为5V，其电流为70mA。滤波电容：选择型号为YHDR的高压滤波电容，价格为1元。稳压二极管：选择常用IN系列的型号为IN5236的稳压二极管。充电电池的充电电路图如图8所示：

图8充电电路图

六．主要零部件的设计计算校核

键的选取校核：

选用键bxh=3x3以下为其实际强度，小于尼龙6的许用强度。

2T∐×1032×0.049×103

σp===0.91MPakld0.5×3×6×12

轴的寿命校核：

本产品在之前设计时预计的使用年限为4年，平均每天使用两个小时，共约2200小时。而上述寿命校核后的数值远大于预计寿命，所以，本产品选用轴承型号为6000的深沟球轴承完全符合设计要求，是合格的。

106⎛C⎞106⎛4580⎞6

Lh=×⎜⎜⎟=⎟=632×10h60n⎝P⎠60×1430⎝1.21⎠

ε3

七．应用、特点及市场分析

新型自动黑板擦的应用

本产品的外部设计符合人体工程学这一理论。其外部壳体采用工程塑料模具定制加工设计。在使用时，人只有手握住黑板擦圆柱体下部，虎口放在凹处，在擦黑板时应该会很舒服，不会有劳累感。只要打开开关，把擦盘贴在黑板上，它就会工作。

本产品有吸尘功能，粉笔的粉尘被吸入到集尘盒中。根据设计要求，集尘盒要定期清洁，保证其不被粉尘堵塞或充满。设计本产品是充分考虑到了这一点，从而，集尘盒可以拆卸。

本产品的能源供应采用充电式构造。当午休或下班后可对其充电，其充电时长为充电池额定容量/变压器电流=1200mA/70mA=16小时。第一次充电时长满足16小时即可，之后则保持每次2-5小时即可。并且当充电电池达到其循环次数不能再用时，可以将新型自动黑板擦的后部壳体拆去，更换电池，从而达到便捷简约，又能节约电池，保护环境。

新型自动黑板擦的特点

（1）结构简单，体积小，使用方便，易于制造。

（2）由于具有集尘盒和充电装置，所以能够连续循环使用。（3）与普通黑板擦相比，本产品具有省力、吸尘的特点。

（4）环保。由于采取了粉尘集中收集措施，避免了粉尘给老师、同学们带来身体危害的问题。

当然，本产品也具有一些不足之处：

（1）对现有的材料性能了解不足，如果深入对材料性能的理解，提高产品整体材料性能，本产品的体积将会更加小巧、性能必定会更加稳定。

（2）造型比较平庸，可以进行改进，使外形更加美观，使用时更加顺手。（3）由于时间及能力有限，本产品只是处在理论层面上，其工作部分擦盘和叶轮的需要进一步通过实验来得到验证。

市场分析

二十一世纪，绿色环保已成为全人类追求的目标。营造一个健康、优美的绿色教学环境不仅是广大师生梦寐以求的愿望，更是社会各界责无旁贷的义务。为了使广大的人民教师及莘莘学子免遭粉笔尘的困扰，半自动除尘黑板擦创造性地运用了机械设计和模具加工的多种设计方法，从根本上解决了教室粉尘污染的问题，保障了师生的工作和学习环境，提高了教学效率，同时也保护了各种电教设

备免受粉尘的影响。造型小巧美观，而其人性化的功能设计及无与伦比的吸尘效果则将会在市场上具有强大的竞争力。

本文所述的新型黑板擦将生活中常见现象与理论知识联系起来，在外形、结构、材料选择等很多方面均有创新，与现有的同类黑板擦相比，不仅造价大大降低，使用更方便，在除尘效果和清理灰尘方面都有很好的改进。这种黑板擦可极大地改善讲台的公共环境卫生，降低粉笔灰对身体的危害，具有一定的推广意义。

依据空气动力学设计的涡流滞尘过滤结构依据空气动力学设计的过滤结构更是在提高了吸尘效果的同时达到了很好的过滤粉尘的目的。

擦盘可以更换，由于擦盘的成本很低，大大降低了使用成本。擦盘上的刷棉体采用独特的耐磨静电材料和高级毛毡料两种，在确保擦拭效果的同时，增加了易耗件的耐用性，且方便更换，节约使用成本。

超强的电池续航能力，环保节能产品充电设计，环保节能，配备环保高容量充电电池,充满电,可以续航250分钟(教学周两周)。

由于本产品具有以上优势，虽然由于设计者的能力有限，但其理论部分已经成熟，经过三维仿真和今后的实体改进，结合实验，可以使以上优势得以实现或更加成熟。当本产品规模化生产后，有望在模具设计上形成规范，从而使其成本降低，初步估计约在30-50元之间，甚至更低，其市场潜力和价值将不可估量。