中小科技馆科普展品的设计——以展品“机械传动墙”为例

井大喜，翟久行，董亚军

（1.安徽省蚌埠市科学技术馆，安徽 蚌埠233000；2.合肥磐石自动化科技有限公司，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

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。