无滑块转动导杆机构——地铁专用悬空转动桌的创新设计

陈明翠， 滕雪梅， 温上樵， 陈星， 马云鹏

（南京信息职业技术学院 机电学院，南京 210023）

0 引言

由于乘坐地铁的人大多是学生和上班族，即使是乘坐地铁也要争分夺秒地看书和在手提电脑上查阅资料，但苦于没有桌子；劳累了一天的上班族有时很疲劳，想利用乘地铁的时段，趴着休息一会儿，但苦于没有桌子；老弱病残者更是如此；总之近90%的乘客都迫切希望在乘地铁时能有一个可供看书、放手提电脑、休息的小桌子。地铁作为一种介于火车与公交车之间的一种交通工具，设置一定数量的方便市民的小桌子是必要的。这也反应出一个国家的文明程度。

悬空转动桌的设计不仅解决了市民的烦恼，还因其多元化的设计［1］，考虑到充分利用客流量大的资源，兼做广告，能给地铁运营公司带来长久的经济效益。

1 悬空转动桌的设计

1.1 设计思想及要求［1］

1）不损坏地铁原有设施；2）不占地表面积，只能设计成悬空的，且只能依附于地铁扶手杆；3）不影响乘客上下车，只能设计成翻转的；4）不影响乘客的安全；5）有良好的经济效益；6）不仅保证悬空转动桌的强度，还要保证地铁扶手杆的强度；7）应综合考虑人-机-环境协调统一；8）结构简单，材料选用合理；9）有一定的美学基础，造型应美观、色彩选用宜人。

1.2 设计方案

1.2.1机构原理——无滑块转动导杆机构［2］

无滑块转动导杆机构与传统的滑块四杆机构的运动简图对比如图1所示。

图1 运动简图对比

无滑块转动导杆机构的优点是结构简单。

1.2.2 工作原理

悬空转动桌的装配图如图2所示，主要由桌面、转动托杆、轴套、销轴、连接头等零件组成。连接头将整个转动桌与地铁扶手杆连接起来，转动托杆与桌面固定在一起可绕销轴转动，当乘客进出座位时只需将桌面掀开就可自由出入。

1）连接头的功能与颜色。支撑与连接的作用：支撑整个转动桌并连接在地铁扶手杆上。定位与导向的作用：转动托杆与桌面的定位与导向是由连接头与轴套配合的两内侧面和支撑垫来实现的，所起作用等同与滑块［2］。连接头的颜色与地铁扶手杆的颜色一致。

2）转动托杆的设计。转动托杆的设计是仿生于人的手臂和手掌托物功能，其弯曲部分不仅具有艺术性并且可减少应力集中［3］，如图 3 所示。

图2 装配图

图3 转动托杆

3）桌面是纯松木，颜色为木头本色，绿色环保，给人以舒适感。

4）网兜固定在桌下方用于放广告，以满足市场需求。

5）支撑垫的功用。减振缓冲作用：因其材料是橡胶，故有减振缓冲作用。防护作用：防止转动托杆与连接头之间的直接摩擦。定位作用：限止转动托杆的转动角度在0°～600°，主要是为了安全，以保证桌面的常态呈水平放置。

1.2.3 人机尺寸的确定

1）桌面尺寸：420 mm×300 mm×20 mm，长度 420 mm不能超过相邻座位，宽度300 mm略大于手提电脑宽度（240 mm）［4］，厚度 15～20 mm 之间，本次设计为 20 mm。

2）连接头高度距离地面620，是参照《机械设计手册/造型设计和人机工程》中人体尺寸加上衣服余量来选定的（见表 1）［1］。

表1 成年男子人体尺寸［1］cm

3）桌面高度距离地面950 mm，因不能影响地铁扶手杆的强度，故而将尺寸定在人体重心以上肩膀以下，这样仅承受一个成人的头和两只手臂的重量（一般情况最大重量250 N）。

2 销轴的强度校核［5］

2.1 计算转动托杆的FA

画受力图如图4所示。

设定G=250 N，静力学方程为：∑FX=0；∑FY=0；∑M（A）=0。

经计算可得FA=308 N。

2.2 计算销轴的剪切应力、挤压应力

画销轴的受力图如图5所示。

图4 转动托杆的受力图

图5 销轴的受力图

已知：销轴直径d=12mm，销轴下部挤压面积Abs=7×12=84 mm2，销轴材料的许用剪应力［τ］=147 MPa，许用挤压应力 ［σbs］=296MPa，2Fbs=FA=308N，Fbs=154 N。

式中：τ为剪切应力；Fs为剪力；A为剪切面积；σbs为挤压应力；Fbs为挤压力；Abs为挤压面积。

由计算得：τ<<［τ］；σbs<<［σbs］。所以φ12的销轴是非常安全的，可防止人为意外增加载荷造成的安全隐患。

3 结语

无滑块转动导杆机构——地铁专用悬空转动桌，不仅结构简单、美观，因其附带广告的设计，能给地铁公司带来长久的经济效益，满足了多元化的市场需求。可先在两节车厢连接处安装少量的悬空转动桌作为试点，即使客流量再大也不影响乘客下车。本产品已申请专利，专利号为2013 2077 2685.2。其设计方法及所采用的无滑块转动导杆机构可供同行业设计者参考与借鉴。

［1］ 机械设计手册编委会.机械设计手册/造型设计和人机工程［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］ 姚景风.移动副的研究［J］.机械设计，1997（12）：27-29.

［3］ 赵江洪.设计艺术的含义［M］.长沙：湖南大学出版社，2005.

［4］ 丁玉兰.人机工程学［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

［5］ 王三民.机械设计计算手册［M］.北京：化学工业出版社，2012.