毕业设计（论文）聚丙烯的薄膜铰链应用与家具设计

1 前言 工业设计的存在一方面是为了提高产品的市场竞争力，同时也为改善人类日常生活方式提供建议。在工业设计的发展史中，可看到人类生活中的各类产品不断被改进，被完善，最终与我们的生活相互融合。优秀的工业设计产品就像我们呼吸的空气一样，很自然地存在于我们的四周，但又发挥着不可或缺的作用。 便携凳设计是一个具有挑战性的设计课题。在我国凳椅的发展已有千年历史，然而便携凳却有着更悠久的发展历史，例如马扎、交椅都是典型的代表。我国汉代以前的家具都属低面家具，无坐具，人们席地而坐，只有案几而无桌子。而我们的马扎源自北方游牧民族的“胡床”，东汉始传入，见于文献记载。“胡床”这里的“床”是坐具的含意，与眠床的床是不同概念。宋人高承在事务纪原中引风俗通的话说：“汉灵帝好胡服，景师作胡床，此盖其始也，今交椅是也。”胡床就是倍受他的钟爱而经常被提及的用具之一。后来胡床也发展成交椅，因而交椅应是我国古代民族相互友好往来与不断融合的标志。由于交椅可折叠，搬运方便，故在古代常为野外郊游、围猎、行军作战所用。后逐渐演变成厅堂家具。发展至今，便携凳被折叠结构原理几乎没有被改变，依然与交椅的折叠原理相一致依靠轴与轴套的刚性铰链结构连接刚性支撑件，刚性支撑件通过多个三角形结构达到能够被折叠且展开后稳固凳椅的结构。纵观便携凳发展史，唯一得以发展的是其材料的转变，由原来以木材为主要材料，转变为金属与布料为主。使得便携凳的重量与体积进一步的减少。但随着时代的发展，现代人对于便携设备提出了更高的要求，便携凳也在潮流当中。本论文为便携凳提供一种突破以往历史的新的结构形式，进一步达到折合后体积小，折叠方便；展开时有足够的承重强度，重量轻，所用的材料便宜易取，生产加工工艺简单的要求，并为使用者提供更轻松的携带方式。由于编者水平所限，对于文中不当之处，敬请读者批评指正。2 设计的基础理论2.1 材料的特性 塑料与金属在产品的生产中有着举足轻重的地位，是大部分产品主要构成的基本元素。在产品的生产与设计当中，材料的选用直接关系到产品的功用、成本、安全性等各方面的问题，因此，对材料的充分认识，是一个优秀产品诞生的基础。2.1.1塑料材料 塑料具体可分为通用热塑性和热固性塑料、通用工程塑料、一般用途类塑料、特种用途类塑料4大类。当中通用热塑性塑料在产品生产中应用广泛。通用热塑性塑料是指综合性能好、耐热温度在100以下、力学性能一般、产量很大、应用范围很广泛、价格很低的一类树脂。 针对本项目，我们在此只对聚丙烯与ABS两项塑料材料作出研究与分析。2.1.1.1 聚丙烯聚丙烯是由丙稀单体经自由基聚合而成的聚合物，英文名称Polypropylene，简称PP。 PP的优点为电绝缘性和耐化学腐蚀性优良、力学性能和耐热性在通用热塑性塑料中最高、耐疲劳性好、价格在所有树脂中最低；经过玻璃纤维增强的PP，具有很高的强度，性能接近工程塑料。PP的缺点为低温脆性大和耐老化性不好，不可粘贴。2.1.1.2 聚丙烯的性能一般性能：PP树脂为白色蜡壮固体，外观视PE，单比PE更透明、更轻，为仅次于TPX的最轻品种。PP易燃，离火继续燃烧，火焰上端黄、下端蓝，有少量黑烟，熔融落滴，有石油气味。PP吸水性低，气体透过率低。表1 PP的具体性能性 能数据性能数据相对密度吸水率/成型收缩率/拉伸强度/MPa断裂伸长率/抗弯强度/ MPa压缩强度/ MPa缺口冲击强度/（kJ/）洛氏硬度摩擦系数0.900.0112.52920050450.5R801100.51热变形温度（1.82MPa）/脆化温度/线膨胀系数/（10-5K-1）热导率/W/（mK）体积电阻率/（cm）介电常数(106Hz)介电强度/（kV/mm）耐电弧/s氧指数/磨痕宽度/mm1028-86100.2410192.1524.61851810.4力学性能：PP的力学性能与分子量和结晶度有关，分子量低、结晶度高、球晶尺寸大时制品的刚性大而韧性低。 PP具有较好的力学性能，其拉伸屈服强度和拉伸强度都超过PE，其伸强度还超过PS和ABS，而且经增强和拉伸处理后还可以大幅度提升。PP的力学性能受温度的影响比较小，在温度为100时，拉伸强度仍能保持一半。 PP的冲击强度依赖与温度的大小，在室温以上PP的冲击性能较好；但在低温时，其冲击性能迅速变差。PP的冲击强度还与分子量、结晶度、结晶尺寸等因素有关。 PP制品的表面硬度和刚性较高，并有良好的表面光泽，但不如PS和ABS高。 PP有突出的抗弯曲疲劳性能，用它制成的铰链经7000万次折叠弯曲不损坏。PP的耐蠕变性较好，比HDPE要好，因此经过适当的增强改性处理可用作工程塑料。热学性能：PP的耐热性能良好，制品可耐100热水煮沸，可在100120下长期使用，用于热水管道；不受外力作用时，可在150使用不变形。但PP的耐低温性不好，在-5-20即脆化，不能用于低温。 PP的线膨胀系数为（5.810.2）10-5K1，属较大者；热导率为0.120.24W/（mK），属中等。环境性能：PP的耐候性不好，叔碳原子上的氢易氧化，对紫外线很敏感，不改性难以用于户外，需加入抗氧剂和光稳定剂。PP的耐应力开裂性较好，好于HDPE和PS。除应用在腐蚀性介质中如浓硫酸、浓酸及王水中例外。2.1.1.3 聚丙烯的改良品种共聚PP（PPC）：PPC为丙稀与乙烯的共聚物，可分为无规共聚物（PPR）和嵌段共聚物（PPB）两种。 PPR的含乙烯量为17，与普通PP相比，其结晶度和熔点低、柔软透明、温度低于0时仍具有良好的冲击强度，-20时才达到应用极限，但其硬度、刚度、耐蠕变性等要比普通PP低1015，具体性能如表2所示。主要用于上水管和供暖管。表2 PP、PPC、和PPB的性能性 能PPPPCPP-B热变形温度/脆化温度/悬臂梁冲击强度/（kJ/m2）落球冲击强度/（kJ/m2）拉伸强度/MPa硬度/R100110-880.010.020.0530319090-250.050.11.41.62325607010510150.020.050.10.1526288085 PPB的含乙烯量为520，它既有较好的刚性，又有好的低温韧性。主要用于大型容器、周转箱、中空吹塑容器、机械零件、电线电缆包裹制品等。增强PP：增强PP常被用玻璃纤维为增强材料，增强不仅保留了PP原有的优良性能，还使拉伸强度、耐热性、刚性、硬度、耐蠕变性、线性膨胀系数及成型收缩率等性能明显改善，如可使拉伸强度提高一倍。热变形温度提高50，线性膨胀系数降低一倍，具体参见表3所示。表3 PP与增强PP的性能性 能PP20GF-PP30GF-PP相对密度成型收缩率/拉伸强度/MPa断裂伸长率/弯曲强度/MPa剪切强度/MPa压缩强度/MPa弹性模量/MPa缺口冲击强度/（kJ/m2）洛氏硬度热变形温度（1.82MPa）/线膨胀系数/（10-5K-1）0.9-2920070050-41.31378-R801001026101.040.004522.29834.544.857687R1071492.41.130.003552.112041.348.262019R1101522.42.1.1.4 ABS塑料 ABS为丙烯腈（2341）、丁二烯（1030）和苯乙烯（2960）三种单体共聚而成的聚合物，英文名称Acrylonitrile-Butadinene-Styrene,简称ABS。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且由此产生了市场上上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。2.1.1.5 ABS的性能一般性能：ABS的外观为不透明呈象牙色的粒料，其制品可着成五颜六色，并具有90的高光泽度。ABS的相对密度为1.05，吸水率低。ABS同其他材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。力学性能：ABS具有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用；即使ABS制品被破坏也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏，这是ABS高度韧的写实。ABS的耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。热学性能：ABS的热变形温度为93118，制品经退火处理后还可以提高10左右。ABS在-40时仍能表现出一定的韧性，可在-40-100的温度范围内使用。环境性能：ABS不受水、无机盐、碱及多种酸的影响，但可溶于酮类、醛类及氯代烃中，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易产生降解；于户外半年后，冲击强度下降一半。表4 ABS的性能性 能高抗冲型耐热型中抗冲型相对密度吸水率/成型收缩率/拉伸强度/MPa断裂伸长率/弯曲强度/MPa压缩强度/MPa悬壁梁缺口冲击强度/（J/m）洛氏硬度热变形温度（1.82MPa）/线膨胀系数/（10-5K-1）热导率/W/（mK）体积电阻率/（cm）介电常数（106Hz）介电强度/（kV/mm）耐电弧/s氧指数/1.021.050.20.450.30.83544560528149641644R65109931039.510.50.160.2914.810162.43.813206682201.061.080.20.450.30.84557320708565711125R1051151041186.09.00.160.291510162.43.813206682201.051.070.20.450.30.8426252569727388622R1081159310758.50.160.292.710162.43.813206682202.1.2 金属材料 在机械工业中，金属材料得到及其广泛的应用，它是现代工业产品造型设计中最重要的一种工程材料。在产品生产中，我们最常见到的金属是铝和不锈钢，这两类金属被广泛应用于日常生活当中，并且各自均有不同的特点。2.1.2.1 铝及铝合金 铝及铝合金是工业中用量最大的有色金属材料，由于它在物理的、机械的和工艺等方面的优异性能，使得铝、特别是铝合金，不仅广泛地用作工程结构材料和功能材料，而且也是一种重要的工业造型材料，它在构成现代工业设计产品的“小巧轻薄”及简洁平直、刚劲挺拔的造型风格方面，都有不容忽视的作用。铝的性质：纯铝是一种银白色的轻金属，比重小，导电性好，耐腐蚀强，在电气、航空和机械工程中，不仅用作功能材料，而且也是一种应用广泛的工程结构材料。铝的塑性好，易冷热成型，也便与切割加工，可以制成各种形状的材型。铝的化学性质很活泼，与氧的亲和力很强，在空气中铝的表面容易生成一层致密的氧气化铝薄膜，保护其下层金属不再受到氧化腐蚀，所以铝有很强的耐大气腐蚀能力，但却很容易受到酸和碱的溶解和腐蚀。铝的铸造性能很差，收缩率大，液态率在凝固时易出现气孔，缩松、夹渣裂缝等缺陷。铝合金的性质：以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，但比强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金分两大类：铸造铝合金，在铸态下使用；变形铝合金，能承受压力加工，力学性能高于铸态。可加工成各种形态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、日常生活用品、建筑用门窗等。 铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金和铝锌合金。2.2 人机工程 人机工程学为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据，如何解决“物”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的胜利、心理机能相协调的“物”，这将是当今工业设计中在功能问题上的新课题。通常，在考虑“物”中直接由人使用或操作部件的功能问题时，如信息现实装置、操作控制装置、工作台和控制室等部件的形状、大小、色彩及其布置方面的设计基准，都是以人机工程学提供的参数和要求为设计依据。 本设计的人机工程方面主要使用操作性是与使用安全性，使用安全性尤为重要，其中国标GBT10357家具力学性能试验 椅、凳类强度和耐久性为此提供重要的参考依据。详情请参考附录2。3 设计分析3.1市场调研 市场调研是产品设计过程中最基本的程序，通过信息收集及调研分析来决定设计的方向，但由于者在时间、资源和人力所限，因此本论文的市场调研主要信息来源是网络，口头咨询相关行业人士，以及查询专利文献。3.1.1 现有同类产品概述凳子是与我们生活息息相关的家具，随着时代的发展凳子出现了很多形态，尤其是折叠凳，现有的折叠家具，都要求折合后体积要小，折叠要方便；展开时要有足够的承重强度，还要求重量要轻，所用的材料要便宜易取，生产加工工艺简单。但目前所知，市场上该类产品由于结构等原因所限制，还没有能够完全满足上述要求的产品，由此可以预见能在设计上，特别是结构上有所突破，能对上述对产品有所改进，该新型产品必可在市场上占有一席之地。 以下是对现有同类产品作出初步的调查（信息来源：淘宝网，ebay）3.1.1.1 国内的代表性产品表5 国内便携凳调查信息类 别产品附图产品信息1户外钓鱼用，颜色款式：绿、蓝、灰三款夜色，支架为黑色空心铁管。外形尺寸：展开：长25cm*宽24.5cm*高26cm折叠：长32cm*宽24.5cm*厚2cm价格：1520元2面板木质制成直径 26cm，三个脚为金属。展开高度约18.5cm。价格：2838元3设计独特、采用先进的受力角度、先进的生产技术，其坚固耐用、承重力强可承重300公斤。材质：PP展开：长21cm*宽16.5cm*高19cm折叠：长32cm*宽25cm*厚3cm价格：1722元4折叠尺寸：50cm其余信息：无价格：2029元5户外桌椅野营桌椅折叠椅折叠凳便携凳便携桌钢丝凳。展开后尺寸：272818cm，坐高27cm，折叠后尺寸：21183cm，重量：0.63kg价格：2027元调查分析：根据以上结果显示，国内便携凳有以下特点：（1） 结构：大部分的便携凳为了达到折叠后便携的目的，在展开后结构的稳定性不够，以上5类产品中，唯一达到足够的稳定性的只有第三类结构。稳定性不够同时也会影响耐用性，即得出结果为60以上的便携凳其使用稳定性与耐用性不足。另外，5类产品中使用时的折叠与展开方便性参差不齐。（2） 便携性：以上5类产品中折叠后最薄为2cm，折叠后面积最小的为2118cm2，重量最小为0.63kg，但没有一类的便携凳能够同时具备以上优点。另外，5类产品中还共同存在一问题：折叠后没有能把便携凳上所有部件固定，使携带时凳上的部件散落或移位造成携带者的不便。（3） 价格：普遍便携凳的价位在2030元之间，价格能够被大部分的目标消费者接受，但随着国内钢铁与塑料价格的攀升，便携凳的价格会进一步上涨。3.1.1.2 国外的产品表6 国外便携凳调查信息类 别产品附图产品信息1材料：铝展开：长29.4cm*宽24.5cm*高37cm重量：2.3磅价格：US $9.952收起长度：58cm展开高度：41.5cm重量：2磅价格：US $7.953产品信息：无价格：US $4.994折叠后：高59cm*宽24.5cm展开后：坐位高度50mm价格：US $9.955折叠后高度：32cm展开后高度：44cm重量：1.5磅价格：US $4.99调查分析：（1） 结构：国外便携凳的重量普遍增加，因而其结构的稳固性也增加。由于文化背景不同，即使价格比较高，但国外产品把安全性与耐用性放在首要的位置。使用时折叠与展开的方便性大部分良好。（2） 便携性：外国人的体形与中国人有差异，一般会身高更高体重更重，因此便携凳的折叠后的高度会更高同时承重力增强。另外，外国对便携凳的使用习惯也有不同，通常只有露营、烧烤或打高尔夫时候才会用到便携凳，此时便携凳的携带方式不再是用手或放在背包，而是通过汽车运载，因此便携性要求不会十分严格，但尺寸应合适放于车中。（3） 价格：以上各类产品价格在US $510之间，能被大部分的目标消费者接受。由于价格信息来自ebay，实际的市场价格会上升1030。表7 国外套台调查信息类 别产品附图产品信息1折叠尺寸：103cm*59cm*9.8cm展开尺寸：台：长67.4cm*宽59cm*高66cm凳子：长30.6cm*宽38cm*高39.2cm价格：US $39.972尺寸信息：无重量：估计25磅价格：US $31.00调查分析：（1） 结构：套台主要用于家庭户外旅游时使用，由以上两类产品与信息可知产品的结构稳定性良好。两类产品最大的特点是展开与收藏时快捷方便。并且折叠后的尺寸可以放于家用车尾箱内。（2） 便携性：两类产品重量适中。在折叠后，第二类产品的整体性更优秀，部件没有外露，同时提供把手方便使用者的提取。（3） 价格：以上两类产品在市场上售价会比ebay中的价格来源高出2040，并且随着金属于塑料的价格上升，销售价格将会进一步上涨。3.1.2 市场需求 市场需求没有确切的数据得出，在此只能作出估算。本便携凳与套台的设计所面向的消费市场大致有：军队、中小学、大学、小贩、过年回家的民工；套台在国外大部分用于户外如BBQ、野餐、露营等，据相关人士指出烧烤炉一年的需求量可达到1000万套，相对配套的套台可见也潜在相当巨大的市场，同时可以配套汽车捆绑销售，以上估计的每一部分的市场需求均十分巨大，本便携凳可以借助新的设计与更好满足消费者需求从而占领部分市场份额。3.1.3 专利搜查 在申请专利前，对在中国专利网进行现今便携台凳的专利调查。分别按照搜索关键词：便携凳、折叠凳、折叠椅进行搜索，最终搜索结果为大部分的专利设计依然离不开金属轴与轴套的刚性铰链设计。3.2 设计定位 针对以上的调查分析，展开高度30cm以下的便携凳适合针对国内市场；展开高度4050cm之间与套台组合的设计适用于外国市场。 国内市场的便携凳应具有：轻、薄、耐用、坚固、折叠后体积小、展开收起方便的特征。并且在日趋上升的材料价格之下，尽量减控成本。 国外市场的便携凳与套台组合应具有：轻、方便携带、耐用、坚固、折叠尺寸能够放进汽车的尾箱、展开收起方便的特征。并且同样在日趋上升的材料价格之下，尽量减控成本。3.3 初步的构思3.3.1 薄膜铰链连接机构 在生活中可以发现聚丙烯的薄膜应用，如电池盒、牙膏盖、眼睛盒等等产品中都有应用到聚丙烯薄膜连接。如果把聚丙烯薄膜作为铰链连接，可以使得连接部分的厚度大大缩小，但薄膜铰链并不能作为力的支撑点，因此，在初步的构思中，我们把薄膜铰链作出了改进，成为薄膜铰链连接机构。如图1所示。图中1表示薄膜铰链、2表示定位突缘。薄膜铰链连接机构使得薄膜铰链折合后，由于定位突缘的作用，薄膜铰链不会因为外力图1 薄膜铰链连接机构的作用而产生左右移位，从而固定了折叠后的机构。之后还会对薄膜铰链连接机构作出改进。4 总体方案的确定 薄膜铰链与板脚、支承板的凹凸扣齿是整个凳子设计的基本所在，经过完善改进后，在整个设计过程中，凳子整体的结构构造，直接影响它的力学特性，能否达到国家标准的使用安全标准，能否充分发挥塑料材料的力学特性，结构的设计与优化，成为了凳子设计的关键。 在最终方案的确立之前，对凳子经历了多次的结构测试与试验，务求达到标准要求的承重力，以下是构思初步方案直至最终方案确定的思考与试验过程。4.1 第一次的方案当把凳子的基本要素，包括：薄膜铰链（参照3.3.1）、凳的力学分析（参照5.）等等基础上展开了第一次整体结构的初步构思。4.1.1 第一次方案的描述 PP薄膜铰链的使用使凳的厚度可以大大减弱，在此，对于凳总体的材料选用，我们可以有两个选择，一是直接用PP一次注塑，二是整体用ABS注塑，铰链部分夹PP薄膜。其中，第二种选择使用ABS的原因主要是，ABS在塑料中单价、硬度、抗冲击强度、加工工艺、成型后形变综合因素比较理想，同时ABS也可使用多种表面加工工艺；而直接使用PP一次注塑，则存在着几个缺陷：一是PP塑料的强度不够，二是PP塑料不能被任何胶水或化学液体粘合，第三是PP塑料的表面可加工工艺不多。 因此，在最初的材料选择中，我们选择了ABS塑料。 为了令到凳子折叠起来，达到最薄的厚度，选择了折叠后为四层的结构，分别是：凳面面板、对折后的两支承板、第一脚板与第二脚板。此时的两件支承板的高度各为略少于凳面宽度的一半，因此对折后互不重叠。这样可以使凳子折叠后的厚度达到超薄的12mm。图2 第一方案AA剖视图如2所示，其中1是支承板、2是扣齿、虚线3是支承板被折叠后的状态显示。支承板的高度大概为7080mm，在这段长度中，支承板的两侧凳脚上大概可以均匀分布67个扣齿与之相扣，每个扣齿的承重面积为1.5mm3mm，按照ABS的剪切强度计算，使基本能够承受凳面中部的横压力。应在此插入凳的标准（承重力等）但同时存在另外一个问题，凳子高度为220mm，然而支承板只有80mm。虽然在支承板与两凳脚相扣的80mm区域内形成了一个刚体结构，该刚体结构硬度已经达到支承人坐时的安全标准，但两凳脚80mm一下的位置，只是厚3mm的板材，虽然能够承受凳竖直方向的重力，即使凳脚两旁有36mm的折角，也不足以承受凳在使用时的水平侧力与承重时双脚向外变形弯曲的张力。最终考虑尝试在注塑时在凳脚的两则分别嵌入铁片，如图 3所示，虚线线框为铁片位置。 该铁片的厚度为11.5mm并且与脚边上同时有25mm的折角，同时在适当的地方上可以折弯加筋增强铁片的抗弯性。铁片的宽度为2025mm宽，凳脚厚3mm，铁片四周会被1mm厚的ABS塑料包裹，同时，为了令铁片镶嵌后不会与塑料分离，在铁片的竖直方向排布上均距小孔，在注塑时每小孔也被1mmABS塑料包裹。铁片镶嵌在凳脚的两侧，由支承板与凳脚的扣齿位置开始一直延伸至凳脚底部。各凳脚的两侧，为凳承重时，抵抗被使用时的侧力与自身受重时凳脚张力的最关键位置，所以在两凳脚两侧分别嵌入铁片图3 第一方案铁片镶嵌位置示意加强支承板以下的凳脚的刚度。4.1.2 第一次方案的总结 此方案最大的优点是把凳子折叠后的厚度控制为12mm，但同时，有部分的设计远离了当初的设计定位。 首先，由于凳子内嵌了铁片，因此会使凳子的重量增加，经调查，市面上普通的塑料矮凳一般重量不超过400g，但此凳经初步估算，其重量大概750g左右，超重接近90。 第二，长140mm的ABS板材，即使内嵌了铁片，但其抗弯能力依然不够，当在使用环境复杂的时候，不能完全满足国标的安全要求。 第三，出模时，在ABS塑料中嵌入铁片的工艺难以控制，因此会造成更高的加工成本。 第四，由于铁的价格、重量系数比ABS的要大，因此在整体的材料成本也上升，造成产品销售价增加。不利于凳的批量生产。 综合以上四点，第一次方案依然存在多处的缺陷，最重要时未能出色发挥之前薄膜铰链与扣齿的优势，凳虽然薄，但存在安全隐患，成本高，并且未能完全发挥出材料的特性。4.2 第二次的方案 在方案一中，我们发现提高凳的安全性时至关重要，同时应该减少加工工序，减少重量，从而降低成本。在凳的使用中，尤其是在户外使用，对于凳的强度要求比较高。例如：四凳脚的着地点不再同一平面、在正上方或侧面受到远大于人体重的冲击力等等，这些都应该在考虑范围之内。但同时要兼顾使凳子更轻，成本更低的条件，因此，在之后的方案改进中，目的是如何更充分地利用上材料的特点。4.2.1 第二次方案的描述 针对第一次的方案，我们发现凳的上部，即有支承板与凳脚形成框体的结构，刚性与抗冲击性已经足够。因此，最关键的问题是如何改进支承板以下的凳脚的刚度。或许可以跟上部一样增加类似的框架结构。 经过调整后，我们作出了新的方案( 如图4所示)。该图也是凳子展开后A-A剖面的图4 第二方案的AA剖视图示意图，虚线部分为支承板折叠后的状态图。其中，1代表顶支承板、2代表凳脚凸扣齿、3代表顶支承板被折叠后的状态、4是底支承板、5是连接薄膜、6是底支承板被折叠后的状态。由新的图中可以看出，在不增加凳子被折叠后厚度（折叠后厚度为12mm）的前提下，在凳脚的下方增加了一个框体结构。同时，由于从第一方案得出结论，假如在各凳脚的两旁内嵌铁片，会造成工艺复杂、成本增加、重量增加等诸多不利因素；厚度为3mm的ABS凳脚板材，其实足以承受凳面竖直方向上的压力，增加铁片只为加强抗侧力能力，所以在此方案中尝试放弃内嵌铁片的做法，利用底支承板的作用，增强凳脚底部的抗弯力与抗侧力的能力，以代替内嵌铁片的效果。为了使用方便，底支承板与顶支承板由连接薄膜连接。连接薄膜上压有折痕，使得再展开与折叠时更方便。 在材料选择中，由于次方案中的假如使用PP塑料则凳的硬度不足，所以，我们最终还是保持方案一的做法，使用ABS塑料。 顶支承板的下端有一个深约0.61mm的阶梯凹位，用于顶支承板与底支承板被折叠后存放折叠后的连接薄膜。图4中，浅灰色区域3为顶支承板折叠后的位置，深灰色区域为底支承板折叠后的位置。此方案是把第一方案中的支承板分开两部分顶支承板与底支承板。底支承板的高度为30mm，相应底支承板的高度减少为5055mm。在展开时，连接薄膜一方面起到连接两板外，另外还起到拉伸的作用，拉紧底支承板。由于顶支承板的高度缩短，所以伴随凳脚的扣齿数量也同时减少到45个，而底支承板有3个。 为了进一步测试该结构是否合适，我们用了PVC板做了一个简单的1：1力学模型测试，模型如图5所示。模型的凳脚与支承板均用厚4mm的PVC板，其硬度与3mm的ABS板图5 力学模型相当。板与板之间的接合，按照原设计的受力位置，将塑料加热焊接。使用塑料焊焊接后接口位的刚性，大概为直接成型出模按照结构接合时的刚度的6080。 经测试后，有如下结论：一、 凳的下部加了底支承板后，能够有效地加强了底部凳脚抗左右摇摆的侧力作用，使底部形成框体，基本可以应付人静止坐下时的使用环境，但在抗冲击与在更复杂的使用环境当中，该结构还未能达到充分应付的程度。二、 顶支承板由于高度减少，与凳脚的扣齿数量减少。顶支承板本来是为了防止凳面受压时产生变形，同时把凳面中部的重力，通过支承板传递到两凳脚。在试验时，发现在凳面受压80公斤左右时，支承板与凳脚的连接位开始发生开裂，而国标上表示凳面至少受压160公斤而不产生破裂，为安全。可见由于支承板过短，造成凳面承压能力不足。4.2.2 第二次方案的总结 此方案解决了第一方案中的部分问题，并且保留了第一方案最大的特点折叠后厚度只有12mm。 舍去内嵌铁片的方式，使得整个凳子的重量减轻，大概只有600g的重量，同时使得凳脚抗侧力的能力增强，也减低了工艺的复杂性与减轻成本，使得大批量生产的可能性更高。 但同时存在如下毛病：一、 凳面的承压力不足，主要原因是顶支承板的高度不够造成刚度不够，同时顶支承板与凳脚的扣齿数量不够，扣齿是承受经顶支承板传递下来的桌面压力的强度不足，所以为了使凳面可以承受更大的压力，扣齿数目应增加。二、 底支承板虽然与两凳脚底部成框体结构，但在顶支承板与底支承板之间有大概100mm的距离中，两凳脚在横向方向上没有任何支承，只由板材自身的刚性去抵抗侧力。当凳子受压逐渐变大时，该处收到凳脚因受压向外的张力影响，另外如有突然外加的侧力，很容易使底支承板与凳脚的交合（即扣齿）处因受力集中过大而撕裂。因此，此凳最大的竖直受压为75100kg，未能达到国家标准，使用的安全性存在隐患。4.3 最终方案的确定经过之前两次的实践所得的经验，我们基本能找到优化以上两方案的方向。基于一个很基本的原理，同一板材上，板面垂直方向受支承点间的距离越大，抗弯力越差，因此，同一板材支承点间的距离越短时，抗弯力越强。同理可以发现如果凳脚上的支支承点的间距越小，那么凳脚在承受侧面压力的能力越强。所以，在第二方案后为了支承板的承重能力与凳脚的抗侧力能力加强，尝试增加支承板与凳脚扣齿的数量，并令扣齿在脚板上至下基本均匀分布且距离地面距离质量小。4.3.1 最终方案的描述 考虑到如果不增加凳子被折叠后的厚度时，那么支承板在方案二不可能满足标准的要求，即不可能在实际中安全应用，即如继续想利用总高为80mm的支承板，已经不可能使用。因此，在最终的这个方案中，我们决定加宽支承板的宽度，采用两件支承板互相折叠的方式，即凳子折叠后比第二方案增加了一件支承板的厚度，从而解决凳子使用时的安全承重问题。 把产品设计定位为以使用的安全性为先，方便性并重，把支承板的结构进行改进。 新的方案结构如图6所示。其中1表示面板、2表示第一脚板，3表示第二脚板、5图6 最终方案的立体示意图（摘自附录2）表示第一支承板、6第二支承板、14表示脚靴、14-1表示弹性扣、15表示凸扣齿、23表示凹槽、26表示止回扣。（注：本章所有示意图中相同标号的部件名称意义相同，已说明的标号下文不再作标注解析）本方案，把方案二的顶支承板与底支承板连接起来，脚板与支承板从各自板面垂直方向的受力均匀分布的扣齿的作用均由相邻的支承板或脚板的侧面方向承受，充分利用了材料的力学特征，即使脚板或支承板采用厚度只有23mm的塑料薄板也有足够的承载能力，由于支承板距地面只有约40mm的距离，因而脚板有足够的抗弯力。从图6可见，脚板及支承板被中心挖空而成框板状，如此并未降低凳子的承重力，还节省了材料，在造型上也增加了美感。图7是方案3折叠后的结构示意图。该图显示比第二方案的增加了一层支承板的厚度，面板加厚后，总厚度为16mm。虽然厚度增加了，但仍然与一般书述的厚度差不多，并不会影响凳子的便携性，但承重力却可大大提高。图7 折叠后的AA剖面图（摘自附录2） 在材料选择上，前两个方案因为在结构上存在缺陷，所以要选择强度更大的材料弥补，但在新的结构下，我们可以选择强度稍逊但价格便宜的聚丙烯，同样可以达到预期的刚度。选择聚丙烯直接注塑可以有以下两个优点： 第一，之前用聚丙烯薄膜夹于ABS之间做成薄膜铰链的方式，会增加模具的数量与加工的工序，使得成本比较高，如果使用聚丙烯直接注塑，节省加工工序，从而节省加工成本。 第二，聚丙烯的密度只相当于ABS的85%左右，但以重量单价计算又只有ABS的80%左右，因而材料成本较低。 聚丙烯不可以用溶剂或其他胶粘剂粘合，因而脚板与支承板的连接构件的接合通过在连接构件上的突柱穿过面板相应的孔，然后采用热压方法，把突柱热熔成铆钉状面成。如图8被圈处所示。图8 连接构件与面板的连接（摘自附录2）4.3.2 最终方案的一些细节本节补充之前的方案与本方案中的一些细节部分。（1） 扣齿在3个方案中，凳脚脚板内部均有3mm向外突出的扣齿，由于在折叠后的脚板与支承板均要求紧密接合，但脚板上的扣齿是突出于凳脚的内部平面的，所以，为了能够把支承板及脚板相互紧密贴合，最外侧的支承板对应内侧脚板与内侧脚板对应外侧脚板凸扣齿的位置均留有凹槽。 凳子在张开使用时，凳脚与支承板最底部的扣齿组合受到的拉力最大，因而必须加强将底部扣齿做成“”型，并且把底部两只扣齿的凸沿宽度加大。（2） 止回扣 止回扣是为了使支承板展开后不回弹而保证使用安全的装置。支承板展开后，止回扣自动顶紧支承板，保持凳子展开后的刚性结构。如图9所示。折叠时，需要把止回扣按至脚板内侧平面以下，才可把支承板折回。图9 止回扣（摘自附录2）（3） 脚靴 凳脚是由板材直接加工而成，触地面小，如果户外较软的地面使用时，会形成下陷现象。因此，专门为四个凳脚配上脚靴，加大凳脚与地面的接触面积，脚靴通过弹性扣固定于脚板底部。 当在坚实的地面脚靴不使用的时候，脚靴扣在凳面下不影响凳子展开的支座上，使用方便。4.3.3 最终方案的总结 对于在第二方案基础上改进所得的最终方案，无论在展开性，强度，安全性等等方面都得到了很好的改进，基本达到使用时的要求。 但在使用时依然存在一些小的问题，例如：1 普通聚丙烯塑料对紫外线很敏感，长期用于太阳环境下容易脆化。需要在注塑使增加添加剂，使其改变对紫外线特性。2 普通聚丙烯的耐低温性不好，在-5-20即脆化，不能用于低温。为了增加被使用的范围，我们可以采用共聚聚丙烯（改性后），除了增加其强度外还可以在低温下也能正常使用。目前最终方案虽然已达到一定效果，但离投入生产还有一定距离，需要进一步通过手板再进一步试验，然后进一步改进，才可进入模具生产阶段。4.3.4 便携凳结构的延伸便携凳最终方案的结构的确立，奠定了这种特殊的结构适用于更广的范围，在此作出简单的阐述。同样的结构能够应用于台，使台也能可以折叠后达到非常薄的厚度，同时它的重量会轻于市面上用金属支撑的便携桌子。并可于折叠好的台腹部内放置4张折叠成板状的凳，便于携带。如图10、11、12所示。其中。标号7表示第三支承板，标号8表示第四支承板。增加两件支承板后增强桌面的承载力。一台回凳的套台、凳，其消费对象以欧美发达国家为主，有鉴于该套台凳，应与家居常用的台凳接近并能适应欧美人种身材、体重较大的特点，凳的尺寸及面板承重力应响应加大，因而也可在凳面下多设如台面下的支承板。图10 桌子的立体图（摘自附录2）图11 桌子的正面半剖图（摘自附录2）图12 桌子的AA半剖面图（摘自附录2）5 功能结构分析 本折叠凳通过一种创新的结构形式创新的使用效果，因而是采用以结构设计为主外观、色彩、为辅作为设计的指导思想。 现有的折叠凳，除面板外承重构建均采用刚性柱状结构，柱状构件之间的活动连接都是采用轴与轴套的刚性铰链接合，这些刚性铰链既作为几何定位，也作为重力支承点。以上述铰链结构组成的折叠台凳，一类是展开时刚性柱状构件相互之间交叉成为多个三角形形状，面板所承受的重力或侧向力是通过刚性柱状结构件、刚性铰链间接传递至地面，这种结构使刚性铰链及其附近的柱状构建所承受的力远大于面板所承受的重力或侧向力。也有一些折叠家具的几何结构是家具的柱状腿与地面垂直，展开后各柱状腿之间靠相互交叉的柱状腿传递至地面，但所承受的侧向力则与上述结构一样，刚性铰链及其附近柱状构件所承受的力远大于面板所承受的侧向力。此外，由于上述结构的柱状腿的横向支撑点不可能多设，因而柱状腿也需要有足够的横截面积来增强其抗弯强度。 根据材料力学原理可知：同等材质和同等截面面积的构件，当跨距越短。受力处与受力方向同向的几何宽度越宽，其可承受从受力方向作用的力越大，以次推断，在板材侧面受力并且与平面垂直的方向有足够多的横向支撑点的条件下，与同等跨距、同等截面积、同质的柱状刚性构件相比，其与板材平面同向侧端的受力强度远大于柱状刚性构件的横向受力强度。当上述折叠家具的面板为刚性构件，展开使用时，不可能附设多个支撑点，因而刚性面板为了有足够的强度，自身耗用材料必然要多，重量大。显然，目前的折叠家具未能充分利用材料的力学特性，因而重量重、折叠后体积大。 以下将会介绍，本折叠凳的原理结构特点。5.1 结构分析 首先，对于凳子总体的力学分析是最必要的部分，了解了使用时凳子力学上的关键部分，才能更有效地利用材料与结构。5.1.1 凳使用时的总体力学分析 第一步是建立一个最具有普遍性的力学模型，这样对于受力的分析才能更透彻。我们把凳子简化为两个垂直支撑面和一个水平承重面组成。如图13所示。凳子在使用时，主要受到两方面的力，一是由凳面受到垂直向下的压力，二是凳子侧面受到的侧力。这两种力都会在某程度上对凳子的结构与使用安全造成影响。图13力学模型（1） 垂直方向的力假设水平承重面与两垂直支撑面是一个整体，水平的承重面与两垂直支撑面受力会产生形变，地面的摩擦力足够大。当水平承重面承受重力时，水平承重面会开始变形，中间的部分下陷，此时的两垂直支撑面会由于承重面的变形而中段向外弯曲，随着重力的加大，形变随之加大，最终会因为水平承重面与垂直支撑面变形过大而垮塌。如图14所示；当地面的摩擦力不够大的时候，当水平承重面承受重力时并逐渐加大时，如图15所示。两垂直支撑面会因为水平承重面的变形而形成梯形的不稳定结构，最终整个结构会由于A处开裂或者水平承重面变形过大而造成垮塌。图14 力学模型2图15 力学模型3（2） 水平方向的侧力 假设水平承重面与两垂直支撑面是一个整体，地面的摩擦力足够大，当模型受到侧力的时候，随着侧力的增大，两垂直面会开始产生变形，如图16所示。特别是受到大的冲击力时垂直支撑面的形变超出承受范围便产生面的断裂。图16 力学模型4使用时，情况比上述的要复杂得多，可能是重力、侧力同时作用或冲击力，当这些力是反复冲击摇动时，对上述结构的影响更大。5.1.2 力学分析结论 由以上分析可得出以下结论：（1） 根据采用塑料材料的特征，塑料材料会因使用环境温度、老化、缺口、开裂而影响其强度，为了防止塑料的蠕变，还要求构件在受力情况下形变要小，即要留足足够的承载系数。（2） 单凭结构构件的加厚加粗除了增加成本外，并不一定能解决上述问题，只有从结构上创新，才可很好地解决成本与承载的矛盾。5.2 结构部件的分析 为了达到5.1.2分析结论的目的，作出了下列各点的设计。5.2.1 薄膜铰链 薄膜铰链的使用相当广泛，如日常使用的牙膏盖、电池盒盖等，目前未发现用于如家具类的负重产品的原因，应是其只可以作几何定位及用作牵拉作用。 薄膜铰链其实聚丙烯薄膜，它有突出的抗弯曲疲劳性能，用它制成的铰链经7000万次折叠弯曲不损坏。并且，有良好的抗拉性。 本产品中的薄膜铰链厚度为0.20.6mm，并且是一次注塑成型，可以节省工艺成本和图17 薄膜铰链连接机构（摘自附录2）材料成本。5.2.2 薄膜铰链连接构件 薄膜铰链连接构件是本设计中的关键之一，它使得薄膜铰链只起几何定位与牵拉作用，承重力与侧力则由连接构件与脚板或支承件之间承受。如图17所示。其中，标号1表示面板、2表示第一脚板、4表示薄膜铰链、5表示第一支承板、6表示第二支承板、9表示连接构件、10表示第一承重面、11表示第二承重面、12定位突缘、13定位凹槽、24表示突柱。 连接构件设有定位凹槽和穿过面板的突柱，连接构件与面板平行的第2承重面分别与薄膜铰链连接的另一侧脚板或支承板的第1承重面紧密接触，第1承重面上的定位凸缘与连接构件的定位凹槽配接；当连接构件、脚板和支承板的材料为聚丙烯塑料时，可整体注射成型，连接构件的突柱与面板采用热压固定。展开时，脚板或支承板位于薄膜铰链4一侧的第1承重面10与连接构件9的第2承重面11贴合，脚板或支承板的第1承重面10上的定位凸缘12与连接构件9的定位凹槽13配接。图18 采用ABS时的薄膜铰链连接机构（摘自附录2） 假如使用硬质可粘塑料作为面板，脚板与支承板时，例如ABS，该机构如图图18所示。其中，标号20表示压板、25表示小突柱。在所述第1、2支承板5、6或第1、2脚板2、3侧面对应如图9所示的薄膜铰链4的相应位置上放置带孔的聚丙烯薄膜并用带孔的压板20与穿过压板20的小突柱25粘合，将连接构件9一分为二，用同样方法粘合并压紧聚丙烯薄膜另一部分，成为薄膜铰链4。当面板1同为硬质可粘塑料时，突柱24也可以与面板1粘合，上述两种结构及使用性能相互等效。在此重点讲解采用塑料聚丙烯时的情况：定位突缘12并不是一直延伸分布至整个支承板或脚板的顶沿，它只是长210mm1.5mm1.5mm突缘齿，平均分布于支承板或脚板的顶沿上，个数为815个不等，由于注塑脱模的原因，定位突缘的上部必定要留空，以便模具的插入，因此，在定位突缘的上方均没有连接薄膜，连接薄膜分布在支承板或脚板顶沿处每两定位突缘之间。 薄膜铰链连接构件的功能： 在本章开篇所分析得，要避免侧力使凳脚保持垂直。在薄膜铰链连接构件中，薄膜铰链是起连接与几何定位的作用，而定位突缘与定位凹槽的配合起展开侧向定位与抗侧力的作用，承重起承受面板重力作用。在展开后，薄膜铰链比实际几何尺寸缩短0.10.2mm，薄膜铰链拉紧使得结构配合更紧密。5.2.3 凸扣齿与凹扣齿 扣齿分为凸扣齿和凹扣齿，凸扣齿在脚板内侧整体注塑成型，凹扣齿在支承板两侧分布阴阳互补并在展开时紧扣，此时扣齿既起把面板传至支承板的力传递至脚板的作用，也起支承板与脚板相互间板面垂直方向的力由相邻板的侧面承受的作用。 为了加强凸扣齿与脚板内侧的连接面积，如图19所示，凸扣齿与脚板连接部分为L形，并且在与脚板内侧连接的位置留有11mm的斜边，凹、凸扣齿的突缘为脚板与支承板间提供侧向拉力；为了提高支承板离地面最低扣齿的侧向拉力即提高脚板底部的抗弯力，如图19所示，分别把脚板与支承板离地面最近的凹凸扣齿进行加强。 上面的讨论已知，利用板材的侧面承重既可节省材料，也可获得更大的承重力。根据这一原理，把脚板内侧和支承板两端均匀分布的扣齿在展开互扣后达到如下两点：（1）把相邻脚板或支承板分别与面板垂直方向的力均匀地传至相邻板材的端面，充分利用了材料的力学特性；以最小的材料达到最大的承受力。（2）多只扣齿的合力可承受面板传递至支承板的重力。扣齿的力学计算：扣齿的力学计算以考虑其承受自面板传递至支承板而再传递到脚板重力的承受力为主，也由于支承板上凹扣齿外围的材料截面积远大于凹扣齿，因此只要估算凸扣齿齿根的剪切强度。如图4-9所示，每只扣齿与脚板连接根部的截面面积S25mm2，查得聚丙烯的剪切强度为a34MPa，可计算每只扣齿的抗弯剪切力FaS850N当支承板每侧为12只扣齿时，扣齿的抗剪切合力F8501210200N图19 凹凸扣齿（摘自附录2）以面板承载1600N的承重标准计算，即使重力相对集中的最不利条件下，也有10倍的安全余量，可以满足受材料环境温度，老化而造成材料强度下降时的需要，也可一防止材料的蠕变。5.2.4 支承板与脚板面板承受的重力分别通过连接构件的承重面分别传递至脚板与支承板，而支承板承受的重力又通过扣齿最终传递至脚板，至于脚板与支承板相互之间通过扣齿把板面垂直方向的力传递至邻板的端面，因而只需着重考虑草料的抗压强度，由于聚丙烯的抗压强度远大于板面城中里1600N的标准，因而不做具体计算。同理，当面板承受侧力时，脚板和支承板在定位突缘与凹槽的固定下，板端面侧面的抗侧力也远大于要求，也不作具体计算。为了减轻总体的重量，可以把脚板及支承板中间挖120mm95mm的面积，并在非主要受力面上，把壁厚减薄厚度至2mm。 根据现有的结构，当凳面面积较小时，只需由外侧两件支承板组成；当凳面面积较大，凳的高度较高时，为了增强面板的承重力，可在面板中部增加12件支承板。当做成台时，由于其面板面积及跨度大，可增至8件支承板。最外两侧的支承板由于要起主要承重及横向支撑脚板的作用，因而要有足够的宽度，其宽度应在展开时该支承板下边沿与地面的距离约30mm80mm；但增加外侧支承板的宽度，就必须增加面板的宽度，如要做到不增加面板的宽度，也可以有较宽的支承板宽度，可把外侧支承板分成两段，期间用薄膜铰链连接（如图21所示）薄膜铰链另一侧的支承板即为延伸支承板。面板内侧的支承板的宽度在40mm100mm之间。5.2.5 止回扣 在第1、2脚板2、3的内侧面还设有止回扣26，支承板被展开时，该止回扣的外端面 图21 止回扣（摘自附录2）与相邻的支承板内侧面相接触，使得支承板不会回弹，从而保证凳子在使用时的安全。该止回扣是利用了PP塑料本身的弹性，与脚板一次注塑成型，止回扣的厚度为11.5mm，倾斜角度56，前端突出脚板内壁1mm，末端于脚板相连。除相连部分的边外，其余三边均有0.81mm的开槽，脚板外壁与内壁止回扣对应位置掏空（如图21所示）。5.2.6 脚靴该便携凳是多用于户外，当地面比较松软时，凳脚需要有足够大的接地面积。因而增加了脚靴作为附件（如图22所示）。该脚靴平时由弹性扣扣于面板底部避开支承板及脚板折叠后的位置，展开时不会自动脱落，只有在用于松软地面时才由使用者取下通过弹性扣，分别扣于四凳脚上，该脚靴具有互换性，可调换使用。图22 脚靴5.2 功能分析5.2.1 使用功能的分析该设计是提供一种薄膜铰链板式折叠台凳，它能充分利用材料的力学特性，具有足够大的承重能力并且折叠方便、折叠后体积小、重量轻、携带方便、生产工艺简单、成本低。在此，以便携性、折叠方便性、重量轻、成本低四方面进行论述。 便携性：折叠后的凳子尺寸为：长270mm宽210mm