钢笔作为自来水笔主要的产品类型，自20世纪初被引进我国，至20世纪末，在近一个世纪时间内成为人们日常使用最多的书写工具。20世纪90年代，钢笔在笔类市场占有量达70%以上。近年来，传统钢笔因为存在着存墨量少、墨囊易腐蚀、漏墨以及上墨过程易脏手等各种缺陷，市场所占份额大幅减少。经过市场调查分析得知，随着社会经济发展水平都不断提高，现在大多数学生、特别是社会精英人士已经很少使用质量低端的钢笔，转而青睐于经济实用或质量高端的钢笔产品，而此类产品尤其是高端钢笔产品国内消费市场的缺口却长期依赖进口。针对传统钢笔存在的不足，通过在校学生组建的“双创”团队集思创新，改进钢笔上墨装置的结构原理设计，创新性地设计了一种新型的螺旋活塞式上墨机构。
1 螺旋活塞式上墨机构的原理设计
在继续沿用真空上墨原理的基础上，为解决传统钢笔墨囊存墨量少、墨囊易腐蚀、漏墨以及上墨过程易脏手等各种缺陷，设计时考虑尽可能将钢笔后盖的空间充分利用，使后盖的大部分空间直接转变成存墨空间。通过使用存墨管舍弃墨囊的设计思路，既解决了墨囊腐蚀的问题，也解决了存墨量少的缺陷。通过参考医疗注射器的工作原理，将墨囊挤压形成真空负压的上墨方式转变成存墨管通过活塞往复运动形成真空负压的上墨方式。如此，可以将钢笔后盖的空间充分利用，从而达到上述增加存墨空间的目的。那么如何实现活塞的直线往复运动？从钢笔的实际使用和外观设计要求的角度考虑，上墨机构的改进不可能直接采用活塞杆直线往复运动（医疗注射器活塞杆抽拉运动）的方式来实现。经分析研究决定采用螺纹活塞杆构件，通过螺纹副正反向的旋转运动转换为螺母或螺杆的直线往复运动，来实现活塞杆的直线往复运动。即通过螺帽带动多头内螺纹正反旋转（其自身仅能旋转不能进行往复运动），迫使与之配合形成螺纹副的多头外螺纹活塞杆形成直线往复运动，而活塞杆产生旋转的可能性必须予以可靠限制。具体设计原理结构如图1所示。
图1 螺旋活塞式上墨机构原理结构设计示意图
2 螺旋活塞式上墨机构主要零件的结构设计
2.1 活塞及活塞杆设计
为保证迅速可靠的上墨效果，活塞与存墨管壁之间应配合良好，既要形成密闭空间，又要移动自如，所以设计时在活塞表面上留有安装密闭环的空间；因在活塞杆实现往复运动时带动活塞实现往复运动，导致密闭空间容积变化形成负压实现上墨过程，可以考虑将活塞和活塞杆两零件分开制造后再组合在一起形成一个组件，活塞杆表面设计成外螺纹结构与内螺纹形成螺旋传动副；为实现活塞的快速移动，活塞杆外表面的螺纹采用多头传动螺纹设计；为防止活塞及活塞杆跟随主动件（多头内螺纹）旋转，将活塞杆设计成扁圆柱体，通过止转隔套阻止活塞及活塞杆跟随主动件旋转。活塞及活塞杆的具体结构设计如图2所示。
图2 活塞组件结构设计示意图
2.2 实现活塞往复运动旋转组件结构设计
为实现多头内螺纹旋转带动活塞杆（多头外螺纹）形成直线往复运动且多头内螺纹旋转构件自身不能移动的目的，设计时将多头内螺纹旋转构件端部设计成六棱柱体，并将其安装在外八角内六角旋帽内；旋帽设计成外表面八角结构是为便于手拧动旋转，内六角结构与多头内螺纹旋转构件端部六棱柱体嵌合；为阻止外八角内六角旋帽相对多头内螺纹旋杆产生旋转和轴向移动，分别在旋帽的内表面和多头内螺纹旋转构件端部的外表面设计4~6个一一对应凸起和凹槽。另外，为将旋转组件与存墨管连接固定，设计时采用内螺纹金属螺帽与存墨管连接，同时通过止口将金属螺帽与多头螺纹旋杆相连接，实现多头螺纹旋杆能够自由旋转且不会产生轴向移动的目的效果。上墨机构旋转组件具体结构设计如图3所示。
图3 旋转组件结构设计示意图
2.3 螺旋活塞式上墨机构透明实物展示
螺旋活塞式上墨机构的透明材料实物展示如图4所示。
（a）上墨前 （b）上墨后
图4 螺旋活塞式上墨机构的透明材料实物图
经加工制作实物后使用，螺旋活塞式上墨机构的上墨效果良好，基本达到预期设计目的。透明材料制作的实物模型很好展现了螺旋活塞式上墨机构上墨前后的工作状态。
3 螺旋活塞式上墨机构的优点
通过设计、制作和实际使用，真实地验证了使用螺旋活塞式上墨机构后大幅提高了钢笔的存墨量，完全实现采用相同钢笔直径设计时，存墨量达到传统钢笔墨囊存墨量的3~5倍的目的；另外，通过合理选择存墨管的材料，或在不耐腐蚀材料做成的存墨管内表面涂覆合适的防腐材料，也可以改善传统墨囊易损坏和不耐腐蚀的缺陷；采用螺旋活塞式上墨机构上墨时，不需要拧下钢笔后盖，而是直接通过旋转旋帽进行上墨，既方便操作又避免了易脏手、墨囊漏墨等缺点。
4 结语
为适应消费市场的不同消费群体，可以对笔尖、笔身等材料进行不同的选择，从而形成购买市场的高、中、低档钢笔产品，满足不同的消费需求，特别是对于产品生产销售企业应合理选择和定位消费市场。目前采用螺旋活塞式上墨机构的钢笔已经完成了产品定型设计，并获得销售许可，正批量生产并在网店销售，业绩良好。螺旋活塞式上墨机构不仅解决了传统墨囊上墨装置存在的诸多不足、充分发挥了集思广益的集体智慧，同时也体现了“万众创业大众创新”的时代精神，为我国自来水笔的设计制造水平能走上新台阶提供了一种新的思路。
参考文献
[1]闻邦椿．机械设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2010.
[2]郭仁生，魏宣燕，张京辉，等．机械设计基础[M]．北京：清华大学出版社，2006.
[3]钟毅芳，杨家军，程德云，等．机械设计原理与方法[M]．武汉：华中科技大学出版社，2004.
收稿日期：2018-04-22
作者简介：周军（1970-），男，江苏扬州人，扬州市职业大学副教授，硕士，研究方向：机械设备及工艺研究、学生素质能力培养。
基金项目：江苏高校品牌专业建设工程项目（项目编号：PPZY2015C234）；扬州市职业大学机械工程学院创新创业训练项目阶段性成果（项目编号：20170107）。
