無滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)——地鐵專用懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(xué)院 機(jī)電學(xué)院，南京 210023）

0 引言

由于乘坐地鐵的人大多是學(xué)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(shí)很疲勞，想利用乘地鐵的時(shí)段，趴著休息一會(huì)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(shí)能有一個(gè)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(yīng)出一個(gè)國家的文明程度。

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

1 懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)成翻轉(zhuǎn)的；4）不影響乘客的安全；5）有良好的經(jīng)濟(jì)效益；6）不僅保證懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌的強(qiáng)度，還要保證地鐵扶手桿的強(qiáng)度；7）應(yīng)綜合考慮人-機(jī)-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(xué)基礎(chǔ)，造型應(yīng)美觀、色彩選用宜人。

1.2 設(shè)計(jì)方案

1.2.1機(jī)構(gòu)原理——無滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)［2］

無滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的滑塊四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖對(duì)比如圖1所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)簡圖對(duì)比

無滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單。

1.2.2 工作原理

懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌的裝配圖如圖2所示，主要由桌面、轉(zhuǎn)動(dòng)托桿、軸套、銷軸、連接頭等零件組成。連接頭將整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桌與地鐵扶手桿連接起來，轉(zhuǎn)動(dòng)托桿與桌面固定在一起可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)乘客進(jìn)出座位時(shí)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)桌并連接在地鐵扶手桿上。定位與導(dǎo)向的作用：轉(zhuǎn)動(dòng)托桿與桌面的定位與導(dǎo)向是由連接頭與軸套配合的兩內(nèi)側(cè)面和支撐墊來實(shí)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(dòng)托桿的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)動(dòng)托桿的設(shè)計(jì)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(yīng)力集中［3］，如圖 3 所示。

圖2 裝配圖

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)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(hù)作用：防止轉(zhuǎn)動(dòng)托桿與連接頭之間的直接摩擦。定位作用：限止轉(zhuǎn)動(dòng)托桿的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(jì)為 20 mm。

2）連接頭高度距離地面620，是參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)/造型設(shè)計(jì)和人機(jī)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(qiáng)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(gè)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(qiáng)度校核［5］

2.1 計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)托桿的FA

畫受力圖如圖4所示。

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

經(jīng)計(jì)算可得FA=308 N。

2.2 計(jì)算銷軸的剪切應(yīng)力、擠壓應(yīng)力

畫銷軸的受力圖如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)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(yīng)力［τ］=147 MPa，許用擠壓應(yīng)力 ［σbs］=296MPa，2Fbs=FA=308N，F(xiàn)bs=154 N。

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

由計(jì)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(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)——地鐵專用懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌，不僅結(jié)構(gòu)簡單、美觀，因其附帶廣告的設(shè)計(jì)，能給地鐵公司帶來長久的經(jīng)濟(jì)效益，滿足了多元化的市場需求。可先在兩節(jié)車廂連接處安裝少量的懸空轉(zhuǎn)動(dòng)桌作為試點(diǎn)，即使客流量再大也不影響乘客下車。本產(chǎn)品已申請(qǐng)專利，專利號(hào)為2013 2077 2685.2。其設(shè)計(jì)方法及所采用的無滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)可供同行業(yè)設(shè)計(jì)者參考與借鑒。

［1］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)/造型設(shè)計(jì)和人機(jī)工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 姚景風(fēng).移動(dòng)副的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，1997（12）：27-29.

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

［4］ 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［5］ 王三民.機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.