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《全民科學(xué)素質(zhì)行動計劃綱要》精神，促進(jìn)中國中小科技館展品創(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，比較常見的兩種是內(nèi)擺式氣動門，如圖1所示，以及外擺平行移動式乘客門，如圖2所示。內(nèi)擺式氣動門具有不占用路寬、不影響交通、不易碰傷候車人、造價低、實用性強(qiáng)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。外擺平行移動式乘客門具有上下車方便、開啟靈活、整車動力性、舒適性好（噪聲小、密封好等）等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 內(nèi)擺式氣動門

圖2 外擺平行移動式乘客門

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理的分析

2.1 內(nèi)擺式氣（電）動門原理

內(nèi)擺式氣動門主要工作原理是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示，是用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(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)成移動副的構(gòu)件為滑塊C，通過轉(zhuǎn)動副A、B聯(lián)接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿，滑塊C為主動件，桿AB和桿BC為曲柄，構(gòu)成了內(nèi)擺式氣動門車門系統(tǒng)，如圖4所示。

內(nèi)擺式氣（電）動門是將滑塊的往復(fù)直線運(yùn)動變換為回轉(zhuǎn)運(yùn)動（車門開閉）。因科普展品對展品噪聲有要求，設(shè)計時考慮把氣缸改為無噪聲的電動直線推桿，汽車車門開啟時，電動推桿帶動滑塊C直線移動，推動AB桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動。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，作為連桿的兩扇車門做平面運(yùn)動可由閉合狀態(tài)到開啟狀態(tài)。

圖3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

圖4 內(nèi)擺式門機(jī)構(gòu)簡圖

2.2 外擺平行移動式乘客門原理

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

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

圖5 平面四連桿機(jī)構(gòu)

圖6 外擺平行移動式乘客門機(jī)構(gòu)簡圖

3 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作

3.1 內(nèi)擺式電動門結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)擺式電動門是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有軌道擺動式車門，主要包括電動直線推桿、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)擺式電動門關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

車門、上（下）連桿、滑塊軸構(gòu)成了一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。通過按動開門、關(guān)門按鈕，控制電動直線推桿直線運(yùn)動，帶動滑塊軸在軌道內(nèi)直線運(yùn)動，作為連桿的兩扇車門做平面運(yùn)動可由閉合狀態(tài)到開啟狀態(tài)。設(shè)計時需注意滑塊為主動件，且曲柄與連桿共線時，機(jī)構(gòu)會出現(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)計為偏置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

3.2 外擺平行移動式乘客門結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

圖8 外擺平行移動式乘客門關(guān)鍵機(jī)構(gòu)

車門、上（下）主動臂、約束臂構(gòu)成了一個平面四連桿機(jī)構(gòu)。通過手動旋轉(zhuǎn)操作手輪，帶動皮帶輪轉(zhuǎn)動，皮帶輪帶動主軸和上（下）主動臂驅(qū)動車門，使其在水平面內(nèi)作近似平行移動，從而完成車門的開啟和閉合運(yùn)動。設(shè)計時考慮科普展品的耐用性，動力傳動選擇皮帶傳動，能在車門開閉到限定位置時繼續(xù)轉(zhuǎn)動手輪，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，成本相對也是比較低。上（下）主動臂、約束臂、車門等采用壓克力激光雕刻，尤其上（下）主動臂為異形“L”，部分有機(jī)玻璃激光雕刻零件如圖9所示，確保主動臂及約束臂孔距尺寸，滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)行要求。設(shè)計各轉(zhuǎn)動副孔、軸都是圓形零件，并采用軸承配合，加工時可以達(dá)到很高的精度配合，使得車門的擺動幅度很小，簡單可靠。

圖9 部分有機(jī)玻璃激光雕刻零件圖

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

圖10 內(nèi)擺式電動門展品實物

圖11 外擺平行移動式乘客門展品實物

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)計和制作方法，為將來其他種類的機(jī)械運(yùn)動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，通過生動、趣味的形式把科學(xué)知識展示出來，從而實現(xiàn)科學(xué)文化知識的普及；另一方面，展品創(chuàng)新與研發(fā)制作是每個科技館的一項長期工作，科技館研發(fā)部門通過展品科普展品的研發(fā)設(shè)計制作，不斷提升展品研發(fā)人員的專業(yè)素質(zhì)和設(shè)計能力。

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，高級工程師，主要從事科普展品方面的研發(fā)工作。

〔編輯：張思楠〕