中小科技館科普展品的設(shè)計(jì)
——以展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”為例

井大喜，翟久行，董亞軍

（1.安徽省蚌埠市科學(xué)技術(shù)館，安徽 蚌埠233000；2.合肥磐石自動(dòng)化科技有限公司，安徽 合肥230000）

1 概述

2018-06，安徽省蚌埠市科技館力與機(jī)械展區(qū)更新改造完成并投入使用。蚌埠市科技館作為全國建館較早的中小科技館之一，是皖北地區(qū)重要的綜合科普場所，改造完成一年來已接待觀眾5 萬多人次，得到群眾和各級領(lǐng)導(dǎo)的廣泛好評。這次改造為二樓展廳（一樓為兒童科技樂園），展廳約1 200 m2，內(nèi)設(shè)展品75 件，共分?jǐn)?shù)學(xué)、力與機(jī)械、電磁、光學(xué)4 個(gè)展區(qū)。展示內(nèi)容以4 個(gè)展區(qū)為主線規(guī)劃布置，各展區(qū)展品經(jīng)過專家論證及招投標(biāo)采購程序，展品設(shè)計(jì)、加工工藝、外觀、展示效果等綜合性能指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)中小科技館展品制作的較高水平。現(xiàn)以力與機(jī)械展區(qū)展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”為例，簡要介紹展品創(chuàng)意過程、展品組成及設(shè)計(jì)制作過程中的幾點(diǎn)體會(huì)。

2 展品的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)制定的“中國科技館建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)”，科教展品的設(shè)計(jì)原則形式上要體現(xiàn)出科學(xué)性、藝術(shù)性、參與性和趣味性的特點(diǎn)，這也是科普展品的基本屬性。圍繞這4個(gè)特點(diǎn)，著重介紹各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，特意構(gòu)思了這件“機(jī)械傳動(dòng)墻”展品。

明確展品要展示的科學(xué)知識內(nèi)容——機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。主要是指利用機(jī)械方式傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。設(shè)計(jì)過程中最大限度地體現(xiàn)藝術(shù)的美感，展品機(jī)械傳動(dòng)墻將各種機(jī)械傳動(dòng)巧妙而精密地組合，從造型、材質(zhì)、性能幾方面體現(xiàn)了機(jī)械之美、材料之美、工藝之美。另外，本展品設(shè)計(jì)充分考慮以人為本的理念，觀眾在觀看墻上多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置的同時(shí)，可親自動(dòng)手操作四組典型機(jī)械傳動(dòng)，提升了觀眾對展品的參與性。展品對不同年齡段的觀眾都有著安全、易操作的特點(diǎn)，能降低兒童思考的負(fù)擔(dān)，提升展品的趣味性。

3 展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”構(gòu)成

該件展品主要展示常用的16 種機(jī)械傳動(dòng)，將各種機(jī)械巧妙而精密地組合，由多種不同的壁掛式機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（演示部分）和四組典型機(jī)械傳動(dòng)（互動(dòng)操作）組成，壁掛式機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)包括小鳥點(diǎn)頭機(jī)構(gòu)、外齒嚙合機(jī)構(gòu)、內(nèi)齒嚙合機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿傳動(dòng)副、錐齒輪傳動(dòng)副、古齒傳動(dòng)副、斜齒輪傳動(dòng)副、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、曲柄重錘機(jī)構(gòu)、光圈演示機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

四組典型機(jī)械傳動(dòng)主要是借鑒中國科技館科普大篷車四型車車載展品的內(nèi)容，包括槽輪機(jī)構(gòu)、異形齒輪、常用減速機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)四種機(jī)構(gòu)，如圖1 和圖2 所示。展品通過多種經(jīng)典運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物演示及互動(dòng)操作，讓觀眾體驗(yàn)到機(jī)械之美。給觀眾提供探索宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)踐情境，使觀眾受到科學(xué)思想以及創(chuàng)新精神的啟迪，感受科學(xué)探索的樂趣。

圖1 展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”構(gòu)成圖

圖2 展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”實(shí)物照片

4 展品“機(jī)械傳動(dòng)墻”設(shè)計(jì)制作過程中的體會(huì)

4.1 材料的選擇

展品整體框架使用鈑金（Q235A）加表面油漆處理，臺面使用大理石。展臺臺面的四組典型機(jī)械傳動(dòng)齒輪材料主要使用彩色亞克力。亞克力又稱“特殊處理的有機(jī)玻璃”，其透光性能好，色彩豐富，美觀平整且使用壽命長。展品采用的亞克力不僅具有良好的硬度，而且有著非常好的適應(yīng)性，抗老化性能好，可長時(shí)間使用。壁掛式機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（演示部分）上的主要機(jī)構(gòu)使用不銹鋼，因?yàn)椴讳P鋼具有耐腐蝕、增強(qiáng)強(qiáng)度、鋼材變形不易破裂和環(huán)保性能，不易銹蝕，且具有良好的延展性和韌性。齒輪使用鋁合金制成，質(zhì)量輕，且耐腐蝕性高，因?yàn)殇X合金接觸空氣時(shí)表面會(huì)形成一層致密的氧化膜，這層膜能防止腐蝕。光圈演示機(jī)構(gòu)中光圈采用碳纖維材料。碳纖維本身有很好的剛性，能為齒輪提供較好的尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)碳纖維本身具有高耐磨性，比一般玻璃纖維齒輪有更好的耐磨效果，可達(dá)到無油潤滑的特性。

4.2 展品噪聲的控制

因?yàn)樵撜蛊分饕故镜氖驱X輪傳動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，不可避免地產(chǎn)生噪聲，為了有效降低噪聲，設(shè)計(jì)制作時(shí)著重從以下幾方面考慮：①選擇齒輪參數(shù)，齒輪的齒數(shù)盡量為多齒數(shù)，中心距確定后，在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下，盡量降低模數(shù)。因?yàn)辇X輪的分度圓直徑一定時(shí)，模數(shù)m 越小，齒數(shù)z 越多，增加了重疊系數(shù)，從而降低了齒輪傳動(dòng)的噪聲；②提高齒輪精度，齒輪精度控制在GB 10995—887 的8 級，確保齒輪表面光滑度，齒距極限偏差、齒圈徑向跳動(dòng)公差、齒向公差一定要穩(wěn)定達(dá)到8 級精度；③在滿足展品性能功能的前提下盡可能降低齒輪運(yùn)行速度，速度過快會(huì)造成齒輪之間振動(dòng)頻率過高，進(jìn)而影響振動(dòng)的頻率，產(chǎn)生噪聲；④結(jié)構(gòu)方面，齒輪盡量避免采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)度滿足要求下，齒輪盡量減輕重量，從而降低齒輪固有頻率和產(chǎn)生共振的概率，減小嚙合的噪聲。

4.3 展品的牢固性和耐用性

展品的牢固性是展品設(shè)計(jì)和選擇的重要依據(jù)，本展品臺體采用整體框架鋼制材料，長、寬、高分別為4 700 mm、1 250 mm、2 600 mm，并且設(shè)計(jì)為靠墻擺放，確保了展品的牢固性。另外，互動(dòng)展品的設(shè)計(jì)借鑒中國科技館科普大篷車車載四型車載展品成熟的內(nèi)容，均采用優(yōu)質(zhì)軸承，如圖3 所示，配合精度高，在經(jīng)過多次操作后，確保展品轉(zhuǎn)動(dòng)手輪及傳動(dòng)軸部分不損壞。尤其考慮到兒童操作及非正常操作，更加要求展品制作牢固、耐用，否則將經(jīng)受不住頻繁和非正常操作，展品很容易損環(huán)。經(jīng)過1 年多運(yùn)行，該展品未出現(xiàn)損壞和故障，大大提升了科技館的展覽效果。

圖3 手輪及傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)

4.4 展品的安全性和節(jié)能性

為了確保展品的安全性，在設(shè)計(jì)制作過程中專門增加了一套光柵保護(hù)裝置，如圖1 中的“13”。光柵保護(hù)裝置工作原理為：通過發(fā)光器發(fā)射光信號，接收器直接接收光信號，形成保護(hù)光幕，受光器監(jiān)控光幕的通斷狀態(tài)，并把光幕的通斷信號通過內(nèi)部電路處理，通過傳輸線連到報(bào)警器和報(bào)警電路，反應(yīng)時(shí)間迅速，響應(yīng)時(shí)間在15 ms 內(nèi)，如果有異物進(jìn)入，確保實(shí)現(xiàn)設(shè)備立即停止并發(fā)出安全報(bào)警。另外，本展品還安裝有人體檢測開關(guān)，如圖1 中的“8”。當(dāng)觀眾進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通負(fù)載電路，展品開始演示，觀眾不離開感應(yīng)范圍，將持續(xù)接通；觀眾離開后，延時(shí)開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載電路。通過以上措施，不僅能保證展品安全運(yùn)行，還能節(jié)約能源。

5 結(jié)束語

機(jī)械傳動(dòng)類科普展品在全國中小科技館中是比較常見的，將單個(gè)有代表性、典型的機(jī)械傳動(dòng)及各種齒輪類展品通過該件展品系統(tǒng)地組合在一起，并提供演示和互動(dòng)操作兩種展覽方式，收到了很好的展示效果。該展品在這次蚌埠科技館力與機(jī)械展區(qū)更新改造中是比較突出的，通過1 年多的運(yùn)行，展品運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)及制作比較成功的展品之一。本文以該展品為例，講述了中小科技館科普展品設(shè)計(jì)時(shí)的思路，并介紹了該展品的主要構(gòu)成及設(shè)計(jì)制作過程中的幾點(diǎn)體會(huì)，為將來中小科技館其他種類的科普展品設(shè)計(jì)制作提供了借鑒。