两种公交车门机构科普展品的研制

井大喜

两种公交车门机构科普展品的研制

井大喜

（蚌埠市科学技术馆，安徽 蚌埠 233000）

为了进一步落实《全民科学素质行动计划纲要》精神，促进中国中小科技馆展品创新研发能力提升，蚌埠市科学技术馆品研发部门设计并制作了两种公交车门机构科普展品，因此，介绍了两种公交车门机构科普展品的研制。

科普展品；公交车门机构；乘客；曲柄

1 概述

随着人们更多地选择公共交通的出行方式，如何让公众更多地了解公交车门的开闭，科技馆展品研发部门把复杂的公交车门机构制作成公众更易理解的科普展品，采用直观演示的方法展示相关原理，这也是科技馆研发部门展品创新研发能力的提升。

公交车门机构种类很多，比较常见的两种是内摆式气动门，如图1所示，以及外摆平行移动式乘客门，如图2所示。内摆式气动门具有不占用路宽、不影响交通、不易碰伤候车人、造价低、实用性强、维护方便等优点。外摆平行移动式乘客门具有上下车方便、开启灵活、整车动力性、舒适性好（噪声小、密封好等）等优点。

图1 内摆式气动门

图2 外摆平行移动式乘客门

2 机构运动原理的分析

2.1 内摆式气（电）动门原理

内摆式气动门主要工作原理是曲柄滑块机构，如图3所示，是用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块C，通过转动副A、B联接曲柄和滑块的构件为连杆，滑块C为主动件，杆AB和杆BC为曲柄，构成了内摆式气动门车门系统，如图4所示。

内摆式气（电）动门是将滑块的往复直线运动变换为回转运动（车门开闭）。因科普展品对展品噪声有要求，设计时考虑把气缸改为无噪声的电动直线推杆，汽车车门开启时，电动推杆带动滑块C直线移动，推动AB杆绕A点转动。车门相当于曲柄滑块机构的连杆BC，滑块C上固定杆在滑道内移动，作为连杆的两扇车门做平面运动可由闭合状态到开启状态。

图3 曲柄滑块机构

图4 内摆式门机构简图

2.2 外摆平行移动式乘客门原理

外摆平行移动式乘客门的工作原理，相当于一个平面四连杆机构的运动原理，如图5所示。在这个平面四连杆机构中，杆长AB=CD，四杆形成一个平行四边形机构。当杆CD绕D点转动时，杆AB也按杆CD同一方向转动，而连杆BC则作平行移动。

外摆平行移动式乘客门就是利用平面四连杆机构的运动原理，如果将连杆BC作为车门，杆CD为主动臂，杆AB为约束臂，就构成了外摆平行移动式乘客门车门系统。杆CD设计为异形“L”形，能有效地避开车体。考虑到科普展品的互动性和趣味性，把主动臂CD的旋转驱动部件由电机带动改为手动旋转操作手轮。旋转操作手轮，带动主动臂CD旋转，四连杆结构带动车门做平移运动，虽然车门是一个空间立体，但在启闭过程中门上任意一个面都作平行移动，实现了车门绕车架做旋转平移，实现车门的开启、关闭，如图6所示。

图5 平面四连杆机构

图6 外摆平行移动式乘客门机构简图

3 机构的结构设计与制作

3.1 内摆式电动门结构设计

内摆式电动门是采用曲柄滑块机构有轨道摆动式车门，主要包括电动直线推杆、滑块轴、上固定板、车门、轴承组件、上连杆、主立柱、车门、下连杆、下固定板等部件，如图7所示。

图7 内摆式电动门关键机构

车门、上（下）连杆、滑块轴构成了一个曲柄滑块机构。通过按动开门、关门按钮，控制电动直线推杆直线运动，带动滑块轴在轨道内直线运动，作为连杆的两扇车门做平面运动可由闭合状态到开启状态。设计时需注意滑块为主动件，且曲柄与连杆共线时，机构会出现死点，如图3中A点与C点的位置关系，需要把机构设计为偏置的曲柄滑块机构。

3.2 外摆平行移动式乘客门结构设计

外摆平行移动式乘客门是采用平面四连杆机构的无轨道摆动式车门，主要包括车门、主轴、操作手轮、主轴下支座、皮带轮、皮带、上主动臂、下主动臂、约束臂、主轴上支座等部件，如图8所示。

图8 外摆平行移动式乘客门关键机构

车门、上（下）主动臂、约束臂构成了一个平面四连杆机构。通过手动旋转操作手轮，带动皮带轮转动，皮带轮带动主轴和上（下）主动臂驱动车门，使其在水平面内作近似平行移动，从而完成车门的开启和闭合运动。设计时考虑科普展品的耐用性，动力传动选择皮带传动，能在车门开闭到限定位置时继续转动手轮，皮带在轮上打滑，可以防止其他零件损坏，起到保护作用。

3.3 制作

考虑到主要零部件的形状、强度和精度要求，机构主要材质采用有机玻璃，它很容易被切割和雕刻，能够加工成各式各样的形状，成本相对也是比较低。上（下）主动臂、约束臂、车门等采用压克力激光雕刻，尤其上（下）主动臂为异形“L”，部分有机玻璃激光雕刻零件如图9所示，确保主动臂及约束臂孔距尺寸，满足机构运行要求。设计各转动副孔、轴都是圆形零件，并采用轴承配合，加工时可以达到很高的精度配合，使得车门的摆动幅度很小，简单可靠。

图9 部分有机玻璃激光雕刻零件图

按上述设计制作的内摆式电动门和外摆平行移动式门，安装和维修方便，成本较低。在实际制作完成后，取得了很好的展示效果，如图10和图11所示。

图10 内摆式电动门展品实物

图11 外摆平行移动式乘客门展品实物

4 总结与展望

以上仅就两种公交车门机构科普展品结构和制作作了一般性的介绍。本文主要介绍曲柄滑块机构、平面四连杆机构的运动原理具体在两种车门机构科普展品中的应用，并提供了关节部件的设计和制作方法，为将来其他种类的机械运动类科普展品研制提供了借鉴。

曲柄滑块机构、平面四连杆机构两种机构在现实生活中应用较为广泛，除了上述两种机构外，还有许多经典的机械结构能够转化为科普展品，通过生动、趣味的形式把科学知识展示出来，从而实现科学文化知识的普及；另一方面，展品创新与研发制作是每个科技馆的一项长期工作，科技馆研发部门通过展品科普展品的研发设计制作，不断提升展品研发人员的专业素质和设计能力。

U463.834

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.021

2095－6835（2019）16－0052－02

井大喜（1970—），男，安徽蚌埠人，毕业于合肥工业大学机电一体化专业，学士，高级工程师，主要从事科普展品方面的研发工作。

〔编辑：张思楠〕