無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)——地鐵專用懸空轉(zhuǎn)動桌的創(chuàng)新設(shè)計

陳明翠， 滕雪梅， 溫上樵， 陳星， 馬云鵬

（南京信息職業(yè)技術(shù)學院 機電學院，南京 210023）

0 引言

由于乘坐地鐵的人大多是學生和上班族，即使是乘坐地鐵也要爭分奪秒地看書和在手提電腦上查閱資料，但苦于沒有桌子；勞累了一天的上班族有時很疲勞，想利用乘地鐵的時段，趴著休息一會兒，但苦于沒有桌子；老弱病殘者更是如此；總之近90%的乘客都迫切希望在乘地鐵時能有一個可供看書、放手提電腦、休息的小桌子。地鐵作為一種介于火車與公交車之間的一種交通工具，設(shè)置一定數(shù)量的方便市民的小桌子是必要的。這也反應出一個國家的文明程度。

懸空轉(zhuǎn)動桌的設(shè)計不僅解決了市民的煩惱，還因其多元化的設(shè)計［1］，考慮到充分利用客流量大的資源，兼做廣告，能給地鐵運營公司帶來長久的經(jīng)濟效益。

1 懸空轉(zhuǎn)動桌的設(shè)計

1.1 設(shè)計思想及要求［1］

1）不損壞地鐵原有設(shè)施；2）不占地表面積，只能設(shè)計成懸空的，且只能依附于地鐵扶手桿；3）不影響乘客上下車，只能設(shè)計成翻轉(zhuǎn)的；4）不影響乘客的安全；5）有良好的經(jīng)濟效益；6）不僅保證懸空轉(zhuǎn)動桌的強度，還要保證地鐵扶手桿的強度；7）應綜合考慮人-機-環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一；8）結(jié)構(gòu)簡單，材料選用合理；9）有一定的美學基礎(chǔ)，造型應美觀、色彩選用宜人。

1.2 設(shè)計方案

1.2.1機構(gòu)原理——無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)［2］

無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)與傳統(tǒng)的滑塊四桿機構(gòu)的運動簡圖對比如圖1所示。

圖1 運動簡圖對比

無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。

1.2.2 工作原理

懸空轉(zhuǎn)動桌的裝配圖如圖2所示，主要由桌面、轉(zhuǎn)動托桿、軸套、銷軸、連接頭等零件組成。連接頭將整個轉(zhuǎn)動桌與地鐵扶手桿連接起來，轉(zhuǎn)動托桿與桌面固定在一起可繞銷軸轉(zhuǎn)動，當乘客進出座位時只需將桌面掀開就可自由出入。

1）連接頭的功能與顏色。支撐與連接的作用：支撐整個轉(zhuǎn)動桌并連接在地鐵扶手桿上。定位與導向的作用：轉(zhuǎn)動托桿與桌面的定位與導向是由連接頭與軸套配合的兩內(nèi)側(cè)面和支撐墊來實現(xiàn)的，所起作用等同與滑塊［2］。連接頭的顏色與地鐵扶手桿的顏色一致。

2）轉(zhuǎn)動托桿的設(shè)計。轉(zhuǎn)動托桿的設(shè)計是仿生于人的手臂和手掌托物功能，其彎曲部分不僅具有藝術(shù)性并且可減少應力集中［3］，如圖 3 所示。

圖2 裝配圖

圖3 轉(zhuǎn)動托桿

3）桌面是純松木，顏色為木頭本色，綠色環(huán)保，給人以舒適感。

4）網(wǎng)兜固定在桌下方用于放廣告，以滿足市場需求。

5）支撐墊的功用。減振緩沖作用：因其材料是橡膠，故有減振緩沖作用。防護作用：防止轉(zhuǎn)動托桿與連接頭之間的直接摩擦。定位作用：限止轉(zhuǎn)動托桿的轉(zhuǎn)動角度在0°～600°，主要是為了安全，以保證桌面的常態(tài)呈水平放置。

1.2.3 人機尺寸的確定

1）桌面尺寸：420 mm×300 mm×20 mm，長度 420 mm不能超過相鄰座位，寬度300 mm略大于手提電腦寬度（240 mm）［4］，厚度 15～20 mm 之間，本次設(shè)計為 20 mm。

2）連接頭高度距離地面620，是參照《機械設(shè)計手冊/造型設(shè)計和人機工程》中人體尺寸加上衣服余量來選定的（見表 1）［1］。

表1 成年男子人體尺寸［1］cm

3）桌面高度距離地面950 mm，因不能影響地鐵扶手桿的強度，故而將尺寸定在人體重心以上肩膀以下，這樣僅承受一個成人的頭和兩只手臂的重量（一般情況最大重量250 N）。

2 銷軸的強度校核［5］

2.1 計算轉(zhuǎn)動托桿的FA

畫受力圖如圖4所示。

設(shè)定G=250 N，靜力學方程為：∑FX=0；∑FY=0；∑M（A）=0。

經(jīng)計算可得FA=308 N。

2.2 計算銷軸的剪切應力、擠壓應力

畫銷軸的受力圖如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)動托桿的受力圖

圖5 銷軸的受力圖

已知：銷軸直徑d=12mm，銷軸下部擠壓面積Abs=7×12=84 mm2，銷軸材料的許用剪應力［τ］=147 MPa，許用擠壓應力 ［σbs］=296MPa，2Fbs=FA=308N，F(xiàn)bs=154 N。

式中：τ為剪切應力；Fs為剪力；A為剪切面積；σbs為擠壓應力；Fbs為擠壓力；Abs為擠壓面積。

由計算得：τ<<［τ］；σbs<<［σbs］。所以φ12的銷軸是非常安全的，可防止人為意外增加載荷造成的安全隱患。

3 結(jié)語

無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)——地鐵專用懸空轉(zhuǎn)動桌，不僅結(jié)構(gòu)簡單、美觀，因其附帶廣告的設(shè)計，能給地鐵公司帶來長久的經(jīng)濟效益，滿足了多元化的市場需求?？上仍趦晒?jié)車廂連接處安裝少量的懸空轉(zhuǎn)動桌作為試點，即使客流量再大也不影響乘客下車。本產(chǎn)品已申請專利，專利號為2013 2077 2685.2。其設(shè)計方法及所采用的無滑塊轉(zhuǎn)動導桿機構(gòu)可供同行業(yè)設(shè)計者參考與借鑒。

［1］ 機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊/造型設(shè)計和人機工程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 姚景風.移動副的研究［J］.機械設(shè)計，1997（12）：27-29.

［3］ 趙江洪.設(shè)計藝術(shù)的含義［M］.長沙：湖南大學出版社，2005.

［4］ 丁玉蘭.人機工程學［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

［5］ 王三民.機械設(shè)計計算手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.