兩種公交車門機(jī)構(gòu)科普展品的研制

井大喜

兩種公交車門機(jī)構(gòu)科普展品的研制

井大喜

（蚌埠市科學(xué)技術(shù)館，安徽 蚌埠 233000）

為了進(jìn)一步落實(shí)《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)計(jì)劃綱要》精神，促進(jìn)中國(guó)中小科技館展品創(chuàng)新研發(fā)能力提升，蚌埠市科學(xué)技術(shù)館品研發(fā)部門設(shè)計(jì)并制作了兩種公交車門機(jī)構(gòu)科普展品，因此，介紹了兩種公交車門機(jī)構(gòu)科普展品的研制。

科普展品；公交車門機(jī)構(gòu)；乘客；曲柄

1 概述

隨著人們更多地選擇公共交通的出行方式，如何讓公眾更多地了解公交車門的開(kāi)閉，科技館展品研發(fā)部門把復(fù)雜的公交車門機(jī)構(gòu)制作成公眾更易理解的科普展品，采用直觀演示的方法展示相關(guān)原理，這也是科技館研發(fā)部門展品創(chuàng)新研發(fā)能力的提升。

公交車門機(jī)構(gòu)種類很多，比較常見(jiàn)的兩種是內(nèi)擺式氣動(dòng)門，如圖1所示，以及外擺平行移動(dòng)式乘客門，如圖2所示。內(nèi)擺式氣動(dòng)門具有不占用路寬、不影響交通、不易碰傷候車人、造價(jià)低、實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。外擺平行移動(dòng)式乘客門具有上下車方便、開(kāi)啟靈活、整車動(dòng)力性、舒適性好（噪聲小、密封好等）等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 內(nèi)擺式氣動(dòng)門

圖2 外擺平行移動(dòng)式乘客門

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理的分析

2.1 內(nèi)擺式氣（電）動(dòng)門原理

內(nèi)擺式氣動(dòng)門主要工作原理是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示，是用曲柄和滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中與機(jī)架構(gòu)成移動(dòng)副的構(gòu)件為滑塊C，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副A、B聯(lián)接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿，滑塊C為主動(dòng)件，桿AB和桿BC為曲柄，構(gòu)成了內(nèi)擺式氣動(dòng)門車門系統(tǒng)，如圖4所示。

內(nèi)擺式氣（電）動(dòng)門是將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（車門開(kāi)閉）。因科普展品對(duì)展品噪聲有要求，設(shè)計(jì)時(shí)考慮把氣缸改為無(wú)噪聲的電動(dòng)直線推桿，汽車車門開(kāi)啟時(shí)，電動(dòng)推桿帶動(dòng)滑塊C直線移動(dòng)，推動(dòng)AB桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。車門相當(dāng)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的連桿BC，滑塊C上固定桿在滑道內(nèi)移動(dòng)，作為連桿的兩扇車門做平面運(yùn)動(dòng)可由閉合狀態(tài)到開(kāi)啟狀態(tài)。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖4 內(nèi)擺式門機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 外擺平行移動(dòng)式乘客門原理

外擺平行移動(dòng)式乘客門的工作原理，相當(dāng)于一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，如圖5所示。在這個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)中，桿長(zhǎng)AB=CD，四桿形成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)。當(dāng)桿CD繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，桿AB也按桿CD同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而連桿BC則作平行移動(dòng)。

外擺平行移動(dòng)式乘客門就是利用平面四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，如果將連桿BC作為車門，桿CD為主動(dòng)臂，桿AB為約束臂，就構(gòu)成了外擺平行移動(dòng)式乘客門車門系統(tǒng)。桿CD設(shè)計(jì)為異形“L”形，能有效地避開(kāi)車體?？紤]到科普展品的互動(dòng)性和趣味性，把主動(dòng)臂CD的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)部件由電機(jī)帶動(dòng)改為手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操作手輪。旋轉(zhuǎn)操作手輪，帶動(dòng)主動(dòng)臂CD旋轉(zhuǎn)，四連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)車門做平移運(yùn)動(dòng)，雖然車門是一個(gè)空間立體，但在啟閉過(guò)程中門上任意一個(gè)面都作平行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了車門繞車架做旋轉(zhuǎn)平移，實(shí)現(xiàn)車門的開(kāi)啟、關(guān)閉，如圖6所示。

圖5 平面四連桿機(jī)構(gòu)

圖6 外擺平行移動(dòng)式乘客門機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

3.1 內(nèi)擺式電動(dòng)門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)擺式電動(dòng)門是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有軌道擺動(dòng)式車門，主要包括電動(dòng)直線推桿、滑塊軸、上固定板、車門、軸承組件、上連桿、主立柱、車門、下連桿、下固定板等部件，如圖7所示。

圖7 內(nèi)擺式電動(dòng)門關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

車門、上（下）連桿、滑塊軸構(gòu)成了一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。通過(guò)按動(dòng)開(kāi)門、關(guān)門按鈕，控制電動(dòng)直線推桿直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊軸在軌道內(nèi)直線運(yùn)動(dòng)，作為連桿的兩扇車門做平面運(yùn)動(dòng)可由閉合狀態(tài)到開(kāi)啟狀態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)需注意滑塊為主動(dòng)件，且曲柄與連桿共線時(shí)，機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)死點(diǎn)，如圖3中A點(diǎn)與C點(diǎn)的位置關(guān)系，需要把機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

3.2 外擺平行移動(dòng)式乘客門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外擺平行移動(dòng)式乘客門是采用平面四連桿機(jī)構(gòu)的無(wú)軌道擺動(dòng)式車門，主要包括車門、主軸、操作手輪、主軸下支座、皮帶輪、皮帶、上主動(dòng)臂、下主動(dòng)臂、約束臂、主軸上支座等部件，如圖8所示。

圖8 外擺平行移動(dòng)式乘客門關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

車門、上（下）主動(dòng)臂、約束臂構(gòu)成了一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)。通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操作手輪，帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪帶動(dòng)主軸和上（下）主動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)車門，使其在水平面內(nèi)作近似平行移動(dòng)，從而完成車門的開(kāi)啟和閉合運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)考慮科普展品的耐用性，動(dòng)力傳動(dòng)選擇皮帶傳動(dòng)，能在車門開(kāi)閉到限定位置時(shí)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，皮帶在輪上打滑，可以防止其他零件損壞，起到保護(hù)作用。

3.3 制作

考慮到主要零部件的形狀、強(qiáng)度和精度要求，機(jī)構(gòu)主要材質(zhì)采用有機(jī)玻璃，它很容易被切割和雕刻，能夠加工成各式各樣的形狀，成本相對(duì)也是比較低。上（下）主動(dòng)臂、約束臂、車門等采用壓克力激光雕刻，尤其上（下）主動(dòng)臂為異形“L”，部分有機(jī)玻璃激光雕刻零件如圖9所示，確保主動(dòng)臂及約束臂孔距尺寸，滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)行要求。設(shè)計(jì)各轉(zhuǎn)動(dòng)副孔、軸都是圓形零件，并采用軸承配合，加工時(shí)可以達(dá)到很高的精度配合，使得車門的擺動(dòng)幅度很小，簡(jiǎn)單可靠。

圖9 部分有機(jī)玻璃激光雕刻零件圖

按上述設(shè)計(jì)制作的內(nèi)擺式電動(dòng)門和外擺平行移動(dòng)式門，安裝和維修方便，成本較低。在實(shí)際制作完成后，取得了很好的展示效果，如圖10和圖11所示。

圖10 內(nèi)擺式電動(dòng)門展品實(shí)物

圖11 外擺平行移動(dòng)式乘客門展品實(shí)物

4 總結(jié)與展望

以上僅就兩種公交車門機(jī)構(gòu)科普展品結(jié)構(gòu)和制作作了一般性的介紹。本文主要介紹曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、平面四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理具體在兩種車門機(jī)構(gòu)科普展品中的應(yīng)用，并提供了關(guān)節(jié)部件的設(shè)計(jì)和制作方法，為將來(lái)其他種類的機(jī)械運(yùn)動(dòng)類科普展品研制提供了借鑒。

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、平面四連桿機(jī)構(gòu)兩種機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用較為廣泛，除了上述兩種機(jī)構(gòu)外，還有許多經(jīng)典的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)化為科普展品，通過(guò)生動(dòng)、趣味的形式把科學(xué)知識(shí)展示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)文化知識(shí)的普及；另一方面，展品創(chuàng)新與研發(fā)制作是每個(gè)科技館的一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，科技館研發(fā)部門通過(guò)展品科普展品的研發(fā)設(shè)計(jì)制作，不斷提升展品研發(fā)人員的專業(yè)素質(zhì)和設(shè)計(jì)能力。

U463.834

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.021

2095－6835（2019）16－0052－02

井大喜（1970—），男，安徽蚌埠人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)電一體化專業(yè)，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事科普展品方面的研發(fā)工作。

〔編輯：張思楠〕