熊雪梅，许兴竹，朱立佳，周前飞，王超凡

（江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

1 国内外研究概况

近年来，国内外对无尘黑板进行了诸多研究。在一些发达国家，更加清洁和多功能的电子白板正在逐步取代传统的粉笔灰飞扬的黑板，成为了学校首选的教学设备。但是现有智能黑板存在着安装不便、价格较昂贵的缺点，难以推广普及，如电子白板全套设备需上万元，许多地方不具备配备这种白板的经济条件。此外，国内与此相关的研究包括黑板擦的改进和自动擦黑板装置的发明设计，例如,黑板擦的创新设计［2］：整体黑板擦采用电动驱动装置，利用单片机与行程开关控制，带动黑板擦在轨道上运行完成整个黑板的擦拭过程，并将产生的粉尘利用负压吸收到集尘装置收集处理；基于单片机的自动水洗环保无尘黑板设计［3］：它由电机驱动系统、控制系统、水循环系统、牵引系统以及板面、板擦构成,电机驱动系统及控制系统封装在板面左侧的控制柜中，使用者可通过操作按钮，实现系统运转；全自动黑板除尘器的机械结构设计［4］：主要由2 个黑板擦、电机、导轨及传动装置组成，由1 个大电机来带动大黑板擦完成整个黑板面的除尘，由2 个电机共同带动小黑板擦来实现指定地方的除尘。

2 设计目标

1）实现黑板自动擦洗的功能。通过简单的手触开关的闭合，交流电动机运转，以及一系列传动装置带动黑板擦往复移动，实现黑板自动擦洗的功能。

2）彻底解决粉尘飞扬的问题。现阶段国内外对自动擦洗黑板或者无尘黑板擦的研究仍然存在无法彻底解决粉尘飞扬的问题。该方案希望通过使用更强的吸尘功能的黑板擦或者在密闭的空间内进行擦洗而彻底解决这个问题。

3）造型美观，结构尽可能简单，最大程度控制成本。采用价廉、轻便的材料制作，减少冗余的设计使得结构简单，可靠性高，稳定性强，在使用过程中不容易出现问题，且易于维护。

4）符合人机工程学，在不改变人们使用传统黑板的习惯上实现上述目标。国内外自动擦洗黑板的擦洗机构普遍为外置式，应用于课堂后机构的运动容易分散学生的注意力，且噪声较大，影响教学质量，因此该产品应当避免这一缺陷；此设计的自动擦洗黑板与当前学校里普遍使用的黑板使用方式相差不大，操作简单，使用安全。

3 实现方案描述

3.1 选择黑板类型

1）白板［5］。优点：表面光滑，易于书写和擦洗，由于板擦与白板之间摩擦力较小故便于实现自动清洗，且没有粉尘。缺点：由于表面光滑，反光现象严重，影响同学们观看；白板笔价格较高且耐用性较差，使用久了书写效果下降；白板长时间使用后残留的印记较多，难以擦洗。

2）传统黑板。优点：价格便宜，性价比高，使用范围广，不易反光，耐用性最优。缺点：粉尘较多，擦黑板时黑板擦与黑板之间摩擦力较大，对于自动擦洗装置来说是需要克服的问题。

3）幕布式黑板。优点：自动擦洗效果好，在相关装置的帮助下可有效控制粉尘。缺点：对幕布的材料要求较高，因此价格偏高；幕布柔软不易于书写。

结合设计目标综合考虑，最终选择在传统黑板上进行创新设计。

3.2 实现方案选择

整个黑板的擦洗过程都在密闭的箱体中进行，所有粉尘集中在箱体中，最终都会落在底部，因此只要在底部放入收集盒，定时取出倾倒就可以；同时装置运转时不会分散学生注意力。阶梯型箱体置于地面，一块黑板在箱体中进行自动擦洗时，另一块黑板在箱体上面进行书写。当书写完毕需要擦洗时，教师将黑板拉下去，进入箱体中，与此同时已擦洗干净的黑板自动升起。按下箱体上方的按钮，内部装置启动开始自动擦洗。箱体内部由若干块传统黑板擦组合而成的大黑板擦（长度适合黑板宽度）固定于滑块上在导轨上左右移动。电动机带动链轮转动，链条上固定有1 根长销，长销插入滑块上的槽里，在槽里作上下往复直线运动，同时随链条单方向运动，其合成运动体现在滑块上便是黑板擦的左右往复运动。因此电机无需频繁转向。电机接入220 V 交流电源。黑板擦在弹簧的作用下紧贴黑板表面，使得有足够的摩擦力擦除字迹。

4 详细设计

图1 黑板擦

4.1 黑板下滑时黑板擦的圆弧结构

如图1，在实际安装测试过程中，发现黑板最下端最初设计的1/4 圆弧会与黑板擦上擦拭部分出现顶死现象，导致黑板无法压入，后经修改，反复调试，将最下端设计成3／4 圆弧，将其卡在黑板最下端，解决了黑板与黑板擦顶死的问题。

4.2 弹簧与滚珠直线导轨拉紧装置

如图2、图3，长条黑板擦与滑块通过螺栓连接在一起，黑板擦与滑块一起通过滑块在长导轨上滑动减小摩擦阻力，同时长导轨两端与滚珠直线导轨连接，滚珠直线导轨固定在箱体两侧面，这样黑板擦的重量就由长导轨传递到滚珠直线导轨承受。长导轨两端通过弹簧与箱体背面相连接，使弹簧一直处于拉伸状态，这样做就可以保证黑板擦能始终紧贴在前后两块黑板上。

图2 导轨与弹簧

图3 长导轨与弹簧

4.3 链传动装置

如图4，因为在擦黑板的过程中，长销带动黑板擦运动，长销在运转过程中受到较大的扭矩，链条出现扭转，使带销的链节在经过链轮的时候不能稳定地绕上链轮，易导致脱链，同时为避免从动链轮的轴因为链的张紧度导致轴两端受力不平衡，在从动链轮的另一侧轴端也安装带轮，并通过带带动2 个带轮，这样不仅能平衡轴上两端受力，还能使2 个链轮同时获得动力，增加了运转的可靠性、平稳性。

图4 带与链传动

4.4 箱体的阶梯状

由于实际运用时，前端凸出的箱体增加了空间，不利于老师的书写。在设计时，将前端的箱体设计成阶梯状。电动机凸出占有的空间比较大，将箱体下端设计得凸出一点，上端设计得薄一点，这样既能将电动机放在箱体内，又能方便个子较矮的老师站在上面书写。

5 应用前景

教师是人类灵魂的工程师，学生是国家的未来，如何保护师生健康，彻底消除教室粉尘污染早已成为我国社会共同关注和着手解决的难题。因此，该设计的研究对改善教学环境、提高师生健康意义重大，具有广阔的市场和应用前景。虽然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，不能达到教学的目的，同时失去多媒体作为黑板使用这一意义。此设计是在传统黑板上的创新，其能源消耗和后期的维护保养费用也明显低于多媒体设备。所以，此设计有推广使用的广阔空间和研究推广的必要。此黑板将多应用于中小学课堂，切实改善黑板擦拭中的污染问题。

［1］ 任志刚，张亚增，程海明，等.粉笔尘对教师健康危害的研究［J］.中国学校卫生，2002，23（2）：189-190.

［2］ 王信峰，宋旭彤，王震.一种擦黑板机构的创新设计［J］.机械工程师，2009（10）：29-32.

［3］ 赵振，刘伟祥.基于单片机的自动水洗环保无尘黑板设计［J］.机械工程与自动化，2013（4）：80-82.

［4］ 李荣兵，余心明，苑爱峰.全自动黑板除尘器的机械结构设计［J］.机电产品开发与创新，2009，22（3）：90-92.

［5］ 丁兴富，李敬东.从黑板到交互白板的历史进程［J］.中国电化教育，2005（2）：30-33.