無滑塊轉動導桿機構——地鐵專用懸空轉動桌的創新設計

陳明翠， 滕雪梅， 溫上樵， 陳星， 馬云鵬

（南京信息職業技術學院 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，設置一定數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。

懸空轉動桌的設計不僅解決了市民的煩惱，還因其多元化的設計［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濟效益。

1 懸空轉動桌的設計

1.1 設計思想及要求［1］

1）不損壞地鐵原有設施；2）不占地表面積，只能設計成懸空的，且只能依附于地鐵扶手桿；3）不影響乘客上下車，只能設計成翻轉的；4）不影響乘客的安全；5）有良好的經濟效益；6）不僅保證懸空轉動桌的強度，還要保證地鐵扶手桿的強度；7）應綜合考慮人-機-環境協調統一；8）結構簡單，材料選用合理；9）有一定的美學基礎，造型應美觀、色彩選用宜人。

1.2 設計方案

1.2.1機構原理——無滑塊轉動導桿機構［2］

無滑塊轉動導桿機構與傳統的滑塊四桿機構的運動簡圖對比如圖1所示。

圖1 運動簡圖對比

無滑塊轉動導桿機構的優點是結構簡單。

1.2.2 工作原理

懸空轉動桌的裝配圖如圖2所示，主要由桌面、轉動托桿、軸套、銷軸、連接頭等零件組成。連接頭將整個轉動桌與地鐵扶手桿連接起來，轉動托桿與桌面固定在一起可繞銷軸轉動，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：支撐整個轉動桌并連接在地鐵扶手桿上。定位與導向的作用：轉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側面和支撐墊來實現的，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）轉動托桿的設計。轉動托桿的設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性并且可減少應力集中［3］，如圖 3 所示。

圖2 裝配圖

圖3 轉動托桿

3）桌面是純松木，顏色為木頭本色，綠色環保，給人以舒適感。

4）網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：防止轉動托桿與連接頭之間的直接摩擦。定位作用：限止轉動托桿的轉動角度在0°～600°，主要是為了安全，以保證桌面的常態呈水平放置。

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，本次設計為 20 mm。

2）連接頭高度距離地面620，是參照《機械設計手冊/造型設計和人機工程》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 計算轉動托桿的FA

畫受力圖如圖4所示。

設定G=250 N，靜力學方程為：∑FX=0；∑FY=0；∑M（A）=0。

經計算可得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，Fbs=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 結語

無滑塊轉動導桿機構——地鐵專用懸空轉動桌，不僅結構簡單、美觀，因其附帶廣告的設計，能給地鐵公司帶來長久的經濟效益，滿足了多元化的市場需求。可先在兩節車廂連接處安裝少量的懸空轉動桌作為試點，即使客流量再大也不影響乘客下車。本產品已申請專利，專利號為2013 2077 2685.2。其設計方法及所采用的無滑塊轉動導桿機構可供同行業設計者參考與借鑒。

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

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

［3］ 趙江洪.設計藝術的含義［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.機械設計計算手冊［M］.北京：化學工業出版社，2012.