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“自轉(zhuǎn)芯”新型自動(dòng)鉛筆設(shè)計(jì)

2023-08-28 03:07:20許博文房恒宇李飛歐張登博宋圓美
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年24期
關(guān)鍵詞:自動(dòng)鉛筆鉛芯卡盤

許博文,房恒宇,李飛歐,張登博,宋圓美

(臨沂大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院,山東 臨沂 276000)

自動(dòng)鉛筆誕生于18 世紀(jì)[1],1960 年后,由于自動(dòng)鉛筆不斷被市場(chǎng)和消費(fèi)者接納及鉛芯的技術(shù)突破等原因,自動(dòng)鉛筆在日本迎來了20 多年的高速發(fā)展[2]。我國(guó)于1950 年才開始進(jìn)行活動(dòng)鉛筆的生產(chǎn),并于1980 年成功研制出與國(guó)際主流水平接近的0.5 mm 直徑的鉛芯,為自動(dòng)鉛筆在我國(guó)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)條件[1]。

自動(dòng)鉛筆的出現(xiàn)從一定程度上解決了傳統(tǒng)木制鉛筆需要經(jīng)常削鉛筆和不方便攜帶(木制鉛筆在攜帶的過程中筆尖極易斷裂且很容易弄臟鉛筆盒、筆袋等放置鉛筆的文具)等痛點(diǎn),對(duì)木制鉛筆產(chǎn)生了一定的替代作用[1]。時(shí)至今日,自動(dòng)鉛筆在全球已經(jīng)形成了較為龐大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,截至2021 年底,在全球的自動(dòng)鉛筆產(chǎn)量中,僅中國(guó)在2021 全年的產(chǎn)量就已達(dá)7.01 億支[3]。

但市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)鉛筆在使用上仍存在一些缺陷,如無法長(zhǎng)時(shí)間保持書寫均勻,自動(dòng)鉛筆掉落時(shí)鉛芯容易斷裂,無法在不同類型的鉛芯之間切換等。本課題以“落芯式”自動(dòng)鉛筆的引線產(chǎn)生機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),在自動(dòng)鉛筆內(nèi)部進(jìn)行創(chuàng)新的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決了現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆在使用過程中遇到的一些問題。

1 現(xiàn)有普通自動(dòng)鉛筆存在的問題

1.1 無法保持長(zhǎng)時(shí)間勻細(xì)書寫

雖然與普通木制鉛筆相比自動(dòng)鉛筆具有許多優(yōu)勢(shì),但其本身并不是沒有缺點(diǎn),除了自動(dòng)鉛筆本身特有的問題,由于書寫原理并沒有發(fā)生太大改變,木制鉛筆原有的一些問題也被帶到了自動(dòng)鉛筆上,例如在書寫過程中,鉛芯會(huì)因?yàn)閾p耗形成斜面,從而使寫出的筆跡不均勻,漸漸變粗變淡,影響書寫的美觀和辨識(shí)程度,并對(duì)需要精準(zhǔn)筆跡作業(yè)的人群有很大的影響(如制圖、設(shè)計(jì)、書寫等)[1]。

普通自動(dòng)鉛筆如果想在使用過程中克服這一問題,就需要每使用一小段時(shí)間就旋轉(zhuǎn)一下筆身,這種在使用過程中的頻繁轉(zhuǎn)筆操作讓原本便捷的書寫過程變得麻煩,極大影響了人們的使用體驗(yàn)。

1.2 鉛芯易發(fā)生斷裂

現(xiàn)有普通自動(dòng)鉛筆大多裝載0.5、0.7 mm 等直徑的鉛芯[4-5],這些鉛芯的直徑較細(xì),同時(shí)由于鉛芯其本身制成材料的特性[6],使鉛芯又擁有極高的脆性。

在日常使用中,當(dāng)自動(dòng)鉛筆摔落到地面或其他較硬物體(如自動(dòng)鉛筆不慎從桌面滑落或不小心從手中脫落)時(shí),其內(nèi)部裝載的鉛芯在沖擊力的作用下極易發(fā)生斷裂,使原本的較長(zhǎng)的鉛芯斷裂成許多小節(jié),造成自動(dòng)鉛筆無法正常使用,斷裂后的細(xì)小鉛芯甚至?xí)斐沙鲢U機(jī)構(gòu)卡殼無法工作和筆尖出鉛孔的堵塞。

1.3 不能切換使用型號(hào)不同的鉛芯

市面上常見的普通自動(dòng)鉛筆大多按照所能使用的鉛芯直徑(常見的有0.5、0.7 mm 等)、制成材料(如金屬、塑料等)、用途(如考試自動(dòng)鉛筆、制圖自動(dòng)鉛筆等)等進(jìn)行分類,其中最重要的參數(shù)就是這只自動(dòng)鉛筆所能使用的鉛芯直徑大小,因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到書寫筆跡的粗細(xì)。

現(xiàn)有的普通自動(dòng)鉛筆絕大多數(shù)采用的都是一“筆”對(duì)一“芯”的方式(即一種型號(hào)的自動(dòng)鉛筆只能使用一種對(duì)應(yīng)型號(hào)的鉛芯,如使用0.5mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆只能使用0.5 mm 直徑的鉛芯),這是由自動(dòng)鉛筆的出鉛機(jī)構(gòu)和筆頭的出鉛孔所決定的,不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆其出鉛機(jī)構(gòu)中的夾緊裝置和筆頭上的出鉛孔直徑是不同的。

例如,使用0.7 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆,其夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊直徑是略小于0.7 mm 的,無法對(duì)0.5 mm直徑的鉛芯進(jìn)行夾緊,故直徑0.5 mm 的鉛芯無法在0.7 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆上使用;使用0.5 mm 直徑鉛芯的自動(dòng)鉛筆,其夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊直徑略小于0.5 mm,在一定程度上可以對(duì)大一些的鉛芯進(jìn)行夾緊(如直徑0.7 mm 的鉛芯),但自動(dòng)鉛筆筆頭前端的出鉛孔,為了穩(wěn)定鉛芯不讓其在使用過程中產(chǎn)生晃動(dòng),一般其直徑是嚴(yán)格與所使用的鉛芯直徑對(duì)應(yīng)的,故直徑為0.7 mm的鉛芯無法穿過使用0.5 mm 鉛芯的筆頭。

綜上所述,現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆無法更換使用直徑大小不同的鉛芯,如果想使用不同粗細(xì)的鉛芯就需要購(gòu)買不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆,除了需要消費(fèi)者付出較高的金錢成本之外;其實(shí)2 只同類型不同鉛芯型號(hào)的自動(dòng)鉛筆大多結(jié)構(gòu)是具有互換性的,重復(fù)的生產(chǎn)制造也從一定程度上帶來了資源的浪費(fèi)。

2 新型自動(dòng)鉛筆的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決上述問題,新型自動(dòng)鉛筆進(jìn)行如下創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 內(nèi)置自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置

基于“墜芯式”自動(dòng)鉛筆的出鉛機(jī)構(gòu)[7],在其四周設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)并在其上方設(shè)置旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置(圖1),該結(jié)構(gòu)外殼體與筆身相連接并利用卡槽固定,旋轉(zhuǎn)卡盤與出鉛機(jī)構(gòu)相連接,利用現(xiàn)有成熟的“墜芯式”出鉛機(jī)構(gòu)完成對(duì)鉛芯的出鉛及夾緊。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置示意圖

在使用過程中,使用者的“書寫”會(huì)產(chǎn)生一定的向上作用力,這個(gè)力量由鉛芯向上傳遞經(jīng)出鉛機(jī)構(gòu)后傳遞到與其相連的自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)卡盤上,旋轉(zhuǎn)卡盤受力向上發(fā)生位移并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡盤上方的旋轉(zhuǎn)彈簧和鎖止環(huán)向上位移,當(dāng)位移量達(dá)到使內(nèi)部卡盤脫離下方限位斜齒盤時(shí),鎖止環(huán)卡入上方制動(dòng)槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)鎖止,此時(shí)在旋轉(zhuǎn)彈簧的復(fù)位作用下旋轉(zhuǎn)卡盤對(duì)準(zhǔn)下方斜齒限位盤的下一導(dǎo)程;當(dāng)使用者“提筆”時(shí)向上作用力消失,旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置內(nèi)的彈簧將鎖止環(huán)從制動(dòng)槽內(nèi)推出,在重力及部分彈出力的作用下,旋轉(zhuǎn)卡盤沿下方斜齒限位盤的導(dǎo)程帶動(dòng)相連接的出鉛機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn),同時(shí)出鉛機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其內(nèi)夾緊的鉛芯進(jìn)行旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)鉛芯的旋轉(zhuǎn),從而解決為獲得勻細(xì)筆跡而需要頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)筆桿的麻煩。

2.2 內(nèi)置緩沖減震裝置

在自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置的后方設(shè)計(jì)了緩沖減震裝置(圖2),該機(jī)構(gòu)由多邊形限位機(jī)構(gòu)、減震彈簧等主要部分組成,通過下方的4 個(gè)伸出塊與下方自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置相配合,主要用于緩沖自動(dòng)鉛筆不慎摔落后的軸向沖擊力,同時(shí)對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)芯及旋轉(zhuǎn)制動(dòng)裝置(除旋轉(zhuǎn)卡盤外的主體部分)進(jìn)行固定,并對(duì)后方出鉛按鍵在按壓后進(jìn)行復(fù)位。

圖2 緩沖減震裝置示意圖

當(dāng)自動(dòng)鉛筆不慎發(fā)生摔落時(shí),如果筆尖(鉛芯)處先接觸到地面等較硬物體,由于上述自動(dòng)轉(zhuǎn)芯的相關(guān)設(shè)計(jì),鉛芯會(huì)帶動(dòng)筆尖即出鉛機(jī)構(gòu)向上發(fā)生位移以化解部分沖擊,當(dāng)出鉛機(jī)構(gòu)等部分位移到減震裝置下方時(shí)減震彈簧開始吸收所傳遞過來的沖擊力以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛芯的保護(hù);當(dāng)自動(dòng)鉛筆的其他部位先接觸到地面等較硬物體時(shí),所產(chǎn)生的沖擊力主要經(jīng)筆身向內(nèi)傳遞,由于緩沖減震裝置的分體式設(shè)計(jì),該部分沖擊力會(huì)被其吸收大部分,同時(shí)配合旋轉(zhuǎn)卡盤及上方旋轉(zhuǎn)彈簧在自動(dòng)轉(zhuǎn)芯機(jī)構(gòu)內(nèi)的分體式設(shè)計(jì)對(duì)剩余少補(bǔ)分沖擊力進(jìn)行吸收,實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛芯的保護(hù)。

2.3 可拆卸模塊化設(shè)計(jì)

新型自動(dòng)鉛筆的整體結(jié)構(gòu)采用可拆卸式設(shè)計(jì),所有零部件均可拆卸,當(dāng)某個(gè)部件發(fā)生損壞或老化時(shí),可以直接對(duì)該零部件進(jìn)行替換,從而提高資源利用率,減少不必要的資源浪費(fèi)[8]。

同時(shí),在可拆卸的基礎(chǔ)上對(duì)筆頭及出鉛機(jī)構(gòu)做了一定的機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)(圖3),利用同類型不同鉛芯型號(hào)自動(dòng)鉛筆其零部件具有高度互換性的特點(diǎn),使用戶可以根據(jù)自身需求選擇不同的出鉛機(jī)構(gòu)及筆頭模塊,以滿足在工作、學(xué)習(xí)等使用過程中對(duì)不同鉛芯直徑的需求,無需購(gòu)買不同鉛芯型號(hào)的新自動(dòng)鉛筆,只需按需更換安裝對(duì)應(yīng)鉛芯直徑的適配模塊即可。

圖3 可拆卸模塊化設(shè)計(jì)示意圖

新型自動(dòng)鉛筆的可拆卸模塊化設(shè)計(jì),使其從經(jīng)濟(jì)上減少了消費(fèi)者的額外成本支出,并從一定程度上節(jié)約了生產(chǎn)資源,減少了部分自動(dòng)鉛筆生產(chǎn)過程中所帶來的碳排放[9]。

2.4 其他功能設(shè)計(jì)

重心下降式設(shè)計(jì)(圖4):在新型自動(dòng)鉛筆的設(shè)計(jì)之初,考慮到現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆出現(xiàn)的筆身重心不合理的問題(市面上的現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆有時(shí)會(huì)出現(xiàn)重心偏上的問題,重心偏上會(huì)導(dǎo)致使用者在握持時(shí)更加吃力,易出現(xiàn)使用疲勞,同時(shí)在書寫時(shí)更加費(fèi)力),對(duì)重心的分布做了一定的設(shè)計(jì),使新型自動(dòng)鉛筆的產(chǎn)品重心主要集中在用戶使用時(shí)握持的金屬筆握及其下方,帶來更好的用戶體驗(yàn)。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的重心分布圖

后置隱藏式橡皮設(shè)計(jì)(圖5):延續(xù)了傳統(tǒng)鉛筆的后置橡皮設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上做了一些升級(jí),使用戶在忘記攜帶橡皮時(shí),也可以通過后置的隱藏橡皮修改筆跡,橡皮的隱藏式設(shè)計(jì),也讓新型自動(dòng)鉛筆的整體更加美觀。同時(shí),橡皮槽與鉛芯筒相連,用戶在需要加裝鉛芯時(shí)只需將后方橡皮外殼及橡皮拆下,即可直接向鉛芯桶內(nèi)添加鉛芯,在添加完后再安裝上橡皮和橡皮外殼即可,橡皮的安裝也可以阻擋在攜帶過程中,鉛芯向后伸出污染后方橡皮外殼的情況。

圖5 隱藏式橡皮示意圖

3 新型自動(dòng)鉛筆的外觀設(shè)計(jì)

3.1 外觀配色

新型自動(dòng)鉛筆的外觀主體采用了中國(guó)傳統(tǒng)顏色中的石榴紅,給人一種吉祥、喜慶之感,并在筆握、筆夾等金屬部位采用暗金色,在給人帶來奢華感的同時(shí)又并不張揚(yáng),給人以沉穩(wěn)干練之感,并在筆頭、后蓋等細(xì)節(jié)邊緣處采用了鎏金配色,既與筆握、筆夾等金色部件進(jìn)行了視覺上的呼應(yīng),又給人以精湛細(xì)節(jié)之美[10]。

3.2 外觀造型

新型自動(dòng)鉛筆的筆頭采大、中、小3 層圓逐漸抬升的造型,配合安裝在其上方的金色筆尖,宛如一座寶塔,給人以穩(wěn)重可靠之感;筆身采用通體圓柱式設(shè)計(jì),在契合書寫使用習(xí)慣的同時(shí)給人圓潤(rùn)親和之感;下方筆握之中的旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)曲線既增加了用戶握持時(shí)的摩擦力,也給整體視覺帶來了靈動(dòng)之感;筆夾的側(cè)面多同心半圓裝飾紋路,像一個(gè)個(gè)彩虹的寓意著希望與幸運(yùn)(圖6)。

圖6 筆夾的側(cè)面裝飾紋路示意圖

3.3 制成材質(zhì)

新型自動(dòng)鉛筆的筆尖采用不銹鋼制造使其可以擁有更高的強(qiáng)度和支撐性;筆握和筆夾則采用鋁合金制造,在輕便的同時(shí)帶給用戶更加舒適的使用體驗(yàn);并在其大部件結(jié)構(gòu)處采用樹脂材料制成,使其本身可以擁有更加輕便的重量;借助3D 打印技術(shù)進(jìn)行輔助制造,使用戶可以根據(jù)自己的個(gè)性化需求,定制不同的個(gè)性化外殼(圖7)。

圖7 新型自動(dòng)鉛筆外觀設(shè)計(jì)概念圖

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目基于“落芯式”自動(dòng)鉛筆芯機(jī)構(gòu),在自動(dòng)鉛筆芯內(nèi)部進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓力變化解決了現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆芯在使用過程中不能保持長(zhǎng)時(shí)間良好書寫的問題,并在內(nèi)部設(shè)計(jì)中內(nèi)置緩沖減震裝置解決了自動(dòng)鉛筆芯掉落時(shí)容易折斷的問題,同時(shí),新型可拆卸模塊化設(shè)計(jì)使自動(dòng)鉛筆可以切換使用不同類型的鉛芯。該新型自動(dòng)鉛筆的設(shè)計(jì)從一定程度上,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)文具行業(yè)相應(yīng)的空白。目前中國(guó)的創(chuàng)意文具產(chǎn)業(yè)與日本等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距,還需要不斷的發(fā)展和超越,本文介紹了一種新型的自動(dòng)鉛筆,希望能夠起到“拋磚引玉”的作用,期待未來有更多更好的創(chuàng)意文具產(chǎn)品出自我國(guó)原創(chuàng)設(shè)計(jì)師之手,使我國(guó)成為世界創(chuàng)意文具產(chǎn)業(yè)中的一個(gè)領(lǐng)先和制高點(diǎn)。

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