1 概述

2018-06，安徽省蚌埠市科技馆力与机械展区更新改造 完成并投入使用。蚌埠市科技馆作为全国建馆较早的中小科 技馆之一，是皖北地区重要的综合科普场所，改造完成一年 来已接待观众 5 万多人次，得到群众和各级领导的广泛好 评。这次改造为二楼展厅（一楼为儿童科技乐园），展厅约 1 200 m2，内设展品 75 件，共分数学、力与机械、电磁、光 学 4 个展区。展示内容以 4 个展区为主线规划布置，各展区 展品经过专家论证及招投标采购程序，展品设计、加工工艺、 外观、展示效果等综合性能指标达到了国内中小科技馆展品 制作的较高水平。现以力与机械展区展品“机械传动墙”为 例，简要介绍展品创意过程、展品组成及设计制作过程中的 几点体会。

2 展品的设计思路

根据中国科学技术协会制定的“中国科技馆建设标准”， 科教展品的设计原则形式上要体现出科学性、艺术性、参与 性和趣味性的特点，这也是科普展品的基本属性。围绕这 4 个特点，着重介绍各种机械传动机构，特意构思了这件“机 械传动墙”展品。

明确展品要展示的科学知识内容——机械传动机构。主 要是指利用机械方式传递动力和运动的传动。设计过程中最 大限度地体现艺术的美感，展品机械传动墙将各种机械传动 巧妙而精密地组合，从造型、材质、性能几方面体现了机械 之美、材料之美、工艺之美。另外，本展品设计充分考虑以 人为本的理念，观众在观看墙上多个机械传动装置的同时， 可亲自动手操作四组典型机械传动，提升了观众对展品的参 与性。展品对不同年龄段的观众都有着安全、易操作的特点， 能降低儿童思考的负担，提升展品的趣味性。

3 展品“机械传动墙”构成

该件展品主要展示常用的 16 种机械传动，将各种机械 巧妙而精密地组合，由多种不同的壁挂式机械传动结构（演 示部分）和四组典型机械传动（互动操作）组成，壁挂式机 械传动结构包括小鸟点头机构、外齿啮合机构、内齿啮合机 构、带传动机构、涡轮蜗杆传动副、锥齿轮传动副、古齿传 动副、斜齿轮传动副、链传动机构、曲柄重锤机构、光圈演 示机构、凸轮机构等机械传动机构。

四组典型机械传动主要是借鉴中国科技馆科普大篷车 四型车车载展品的内容，包括槽轮机构、异形齿轮、常用减 速机构、曲柄滑块机构四种机构，如图 1 和图 2 所示。展品 通过多种经典运动机构实物演示及互动操作，让观众体验到 机械之美。给观众提供探索宏观物体运动规律的实践情境， 使观众受到科学思想以及创新精神的启迪，感受科学探索的 乐趣。

图 1 展品“机械传动墙”构成图

1—小鸟点头机构；2—外齿啮合机构；3—内齿啮合机构； 4—带传动机构；5—涡轮蜗杆传动副；6—锥齿轮传动副； 7—古齿传动副；8—人体检测开关；9—斜齿轮传动副；10—台体； 11—链传动机构；12—曲柄重锤机构；13—光栅保护装置； 14—光圈演示机构；15—槽轮机构；16—异形齿轮；17—减速机构； 18—曲柄滑块机构；19—凸轮机构。

图 2 展品“机械传动墙”实物照片

4 展品“机械传动墙”设计制作过程中的体会

4.1 材料的选择

展品整体框架使用钣金（Q235A）加表面油漆处理，台 面使用大理石。展台台面的四组典型机械传动齿轮材料主要 使用彩色亚克力。亚克力又称“特殊处理的有机玻璃”，其 透光性能好，色彩丰富，美观平整且使用寿命长。展品采用 的亚克力不仅具有良好的硬度，而且有着非常好的适应性， 抗老化性能好，可长时间使用。壁挂式机械传动结构（演示 部分）上的主要机构使用不锈钢，因为不锈钢具有耐腐蚀、 增强强度、钢材变形不易破裂和环保性能，不易锈蚀，且具 有良好的延展性和韧性。齿轮使用铝合金制成，质量轻，且 耐腐蚀性高，因为铝合金接触空气时表面会形成一层致密的 氧化膜，这层膜能防止腐蚀。光圈演示机构中光圈采用碳纤 维材料。碳纤维本身有很好的刚性，能为齿轮提供较好的尺 寸稳定性，同时碳纤维本身具有高耐磨性，比一般玻璃纤维 齿轮有更好的耐磨效果，可达到无油润滑的特性。

4.2 展品噪声的控制

因为该展品主要展示的是齿轮传动等运动，不可避免地 产生噪声，为了有效降低噪声，设计制作时着重从以下几方 面考虑：①选择齿轮参数，齿轮的齿数尽量为多齿数，中心 距确定后，在满足弯曲疲劳强度的前提下，尽量降低模数。 因为齿轮的分度圆直径一定时，模数 m 越小，齿数 z 越多， 增加了重叠系数，从而降低了齿轮传动的噪声；②提高齿轮 精度，齿轮精度控制在 GB 10995—887 的 8 级，确保齿轮表 面光滑度，齿距极限偏差、齿圈径向跳动公差、齿向公差一 定要稳定达到 8 级精度；③在满足展品性能功能的前提下尽 可能降低齿轮运行速度，速度过快会造成齿轮之间振动频率 过高，进而影响振动的频率，产生噪声；④结构方面，齿轮 尽量避免采用实心结构，在强度满足要求下，齿轮尽量减轻 重量，从而降低齿轮固有频率和产生共振的概率，减小啮合 的噪声。

4.3 展品的牢固性和耐用性

展品的牢固性是展品设计和选择的重要依据，本展品台 体采用整体框架钢制材料，长、宽、高分别为 4 700 mm、 1 250 mm、2 600 mm，并且设计为靠墙摆放，确保了展品的 牢固性。另外，互动展品的设计借鉴中国科技馆科普大篷车 车载四型车载展品成熟的内容，均采用优质轴承，如图 3 所 示，配合精度高，在经过多次操作后，确保展品转动手轮及 传动轴部分不损坏。尤其考虑到儿童操作及非正常操作，更 加要求展品制作牢固、耐用，否则将经受不住频繁和非正常 操作，展品很容易损环。经过 1 年多运行，该展品未出现损 坏和故障，大大提升了科技馆的展览效果。 图 3 手轮及传动轴结构

4.4 展品的安全性和节能性

为了确保展品的安全性，在设计制作过程中专门增加了 一套光栅保护装置，如图 1 中的“13”。光栅保护装置工作 原理为：通过发光器发射光信号，接收器直接接收光信号， 形成保护光幕，受光器监控光幕的通断状态，并把光幕的通 断信号通过内部电路处理，通过传输线连到报警器和报警电 路，反应时间迅速，响应时间在 15 ms 内，如果有异物进入， 确保实现设备立即停止并发出安全报警。另外，本展品还安 装有人体检测开关，如图 1 中的“8”。当观众进入感应范围 时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通负载 电路，展品开始演示，观众不离开感应范围，将持续接通； 观众离开后，延时开关自动关闭负载电路。通过以上措施， 不仅能保证展品安全运行，还能节约能源。

5 结束语

机械传动类科普展品在全国中小科技馆中是比较常见 的，将单个有代表性、典型的机械传动及各种齿轮类展品通 过该件展品系统地组合在一起，并提供演示和互动操作两种 展览方式，收到了很好的展示效果。该展品在这次蚌埠科技 馆力与机械展区更新改造中是比较突出的，通过 1 年多的运 行，展品运行状态稳定，是设计及制作比较成功的展品之一。 本文以该展品为例，讲述了中小科技馆科普展品设计时的思 路，并介绍了该展品的主要构成及设计制作过程中的几点体 会，为将来中小科技馆其他种类的科普展品设计制作提供了 借鉴。

作者简介：井大喜（1970—），男，安徽蚌埠人，高级工程 师，1992 年毕业于合肥工业大学机电一体化专业，长期从 事科普展品方面的研发工作