一種校車安全頂窗逃生機構的設計

郭 雄 游愛寧 楊欣邦 黃健濤 李卓人

（廣東海洋大學寸金學院，廣東 湛江524094）

0 引言

當前校車所用安全逃生頂窗為普通客車安全逃生頂窗，其操作復雜，所需操縱力大，超過了大部分兒童的智育、身體發育水平，嚴重阻礙重大事故下校車兒童的自主逃生。而校車的主要載體為幼兒園、小學的適齡兒童，他們均處于智育、身體發育不成熟階段，緊急情況下自主逃生意識薄弱、逃生能力不足的，是事故災害的主要受害群體，因此保證車上兒童乘客的安全性逃生是一個很大的挑戰[1]。

據調查，校車車內除校車司機外，一般僅有1～2名老師，在事故受傷情況下，校車司機與老師難以同時協助車內所有兒童快速并安全逃生，因此，緊急事故下，車內兒童的自主逃生是提高逃生效率，減少人員傷亡的重要逃生方式。

以研究出實用化的校車安全逃生頂窗機構為目標，通過對逃生窗工作環境和特性進行深入分析，針對其運作特性，利用SolidWorks軟件對逃生機構進行三維設計和仿真裝配，設計出由旋轉操縱手柄，在解鎖逃生安全頂窗的同時，凸輪驅動推桿[2]，克服安全頂窗密封力，使安全頂窗向外開啟的逃生窗機構。預期能夠基本解決了開啟操作復雜、操縱力大等問題，在未來具有一定的發展前景。

1 校車逃生窗機構設計要求

目前校車安全逃生機構其操作復雜，所需操縱力大，超過了大部分校車兒童的智育、身體發育水平，嚴重阻礙重大事故下校車兒童的自主逃生，根據逃生窗環境及運作要求，校車安全逃生頂窗機構需要達到以下創新工作要求[3]：

（1）操作簡單，所需操縱力小；

（2）利用齒輪嚙合的自鎖，保證安全逃生頂窗在非人為操縱狀態下處于鎖止狀態；

（3）乘客旋轉操縱手柄，在解鎖逃生安全頂窗的同時，凸輪驅動推桿，克服安全頂窗密封力，使安全頂窗向外開啟，避免兒童解鎖安全頂窗后，因安全頂窗密封力過大，無法推開，阻礙緊急狀態下的自主逃生。

2 逃生頂窗整體結構及工作原理

基于上述要求，本項目設計的逃生窗將采用旋轉操縱手柄，在解鎖逃生安全頂窗的同時，凸輪驅動推桿，克服安全頂窗密封力，使安全頂窗向外開啟的逃生窗機構，順利完成逃生。

圖1為安全逃生頂窗結構的軸側示意圖。安全逃生頂窗由兩部分1-安全逃生頂窗頂蓋和2-安全逃生頂窗底座組成。1-安全逃生頂窗頂蓋和2-安全逃生頂窗底座通過鉸接機構鉸接。

3 關鍵設計

3.1 機構的基本設計

圖2和圖3分別是逃生頂窗機構開啟180°的俯視圖和安全逃生頂窗底座的局部放大圖。安全逃生頂窗底座上設置有2.6-支撐座，安全逃生頂窗底座的主要傳動部件安裝在2.6-支撐座上，2.4-螺桿與2.5-手柄、2.3-傳動小齒輪通過花鍵連接，2.4-螺桿通過軸承安裝在2.6-支撐座上，2.1-鎖止軸與2.2-鎖止齒扇組成鎖止機構，2.1-鎖止軸與2.2-鎖止齒扇通過花鍵連接。

圖1 安全逃生頂窗結構的軸側示意圖

安全逃生頂窗底蓋上安裝有頂蓋大齒輪、凸輪軸軸承、頂蓋凸輪軸及凸輪傳動機構，凸輪傳動機構由鎖止銷上蓋、鎖止銷彈簧、鎖止銷組成，頂蓋大齒輪通過花鍵與頂蓋凸輪軸連接，頂蓋大齒輪通過凸輪軸軸承與安全逃生頂窗頂蓋連接，凸輪傳動機構中的鎖止銷上蓋、鎖止銷通過螺紋連接，鎖止銷上套裝有鎖止銷彈簧，鎖止凸輪與頂蓋凸輪軸通過花鍵連接。

圖2 安全逃生頂窗機構開啟180的俯視圖

圖3 安全逃生頂窗底座的局部放大圖

3.2 機構的關閉狀態

如圖4所示，此時安全逃生頂窗處于關閉狀態，2.1-鎖止軸上的鎖止條與頂蓋內的鎖止塊結合，1.7-鎖止凸輪未壓縮1.5-鎖止銷彈簧，1.6-鎖止銷未伸出。此時，所受密封力約為500 N。

圖4 安全逃生頂窗處于關閉狀態示意圖

3.2 機構的開啟狀態

如圖4、圖5所示，此時安全逃生頂窗處于開啟狀態，2.1-鎖止軸上的鎖止條與頂蓋內的鎖止塊分離，1.7-鎖止凸輪壓縮1.5-鎖止銷彈簧，1.6-鎖止銷伸出作用于底座地板，頂蓋受到反作用力而繞鉸接軸線向外旋轉，逃生頂窗開啟。

3.3 機構的三維設計

通過對逃生窗機構的設計分析，針對其工作環境和運作特性，利用SolidWorks建模軟件對機構進行三維設計和仿真裝配，可知凸輪可通過驅動推桿，克服安全頂窗密封力，使安全頂窗向外順利開啟，三維圖如圖6所示。

圖5 安全逃生頂窗處于開啟狀態示意圖

4 結論

該校車安全頂窗逃生機構的設計能夠較好地完成預定的工作目標，采用蝸輪蝸桿及齒輪嚙合傳動進行開啟，具有較大傳動比[4]，減少了開啟逃生頂窗所需力。執行機構構造簡單緊湊，加工方便。在設計中所發現的問題，也會在后期中進一步進行解決和完善。

圖6 安全逃生頂窗三維建模示意圖