機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)折疊傘

1、機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 折疊傘 員: 院: 機(jī)械工程學(xué)院 級(jí): 機(jī)英1002 20132013 年 1111 月 9 9 日 我們組課程設(shè)計(jì)的題目是折疊傘。我們首先研究了有關(guān)傘結(jié)構(gòu)方面的背景材 料，結(jié)合自己手中的傘，對(duì)折疊傘的結(jié)構(gòu)和大體尺寸有了初步的了解。 然后查閱 了有關(guān)傘結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)專(zhuān)利，從中選取了一個(gè)感興趣的進(jìn)行了機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈 設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到傘的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和實(shí)際中使用的情況， 提出了若干條 件和要求。在這些條件和要求的約束下，最后得出了六種可能的實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)， 其 中一種是原形結(jié)構(gòu)。在對(duì)5種新結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后，選取了其中一種最合理的 結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)，使之能完成整個(gè)傘張

2、開(kāi)和傘關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)。 并用Inventor 軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，得出了關(guān)鍵點(diǎn)位移、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系圖，證明 了整個(gè)方案可行可靠。 指導(dǎo)教師: 董惠敏 關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈再生設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；運(yùn)動(dòng)仿真Abstract Our group s curriculum design subject is about folding umbrellas. To get a general knowledge of the structure and dimension of the umbrellas, we study the background information of them, com

3、bining with our own ones at the meanwhile. Then we look up some related patents and pick some interested in out to do regeneration of kinematic design. Considering practical situations and the motor process, we come up with several requirements and finally get six structures available concluding the

4、 original one. After analysis and discussion, wechoose the most reasonable one and design dimensions, in order to make the umbrella possible to complete the motor process. Last, we use Inventor to do the motion simulation to prove the project feasible. 摘 要 . Abstract . 題目介紹 . 1.1 背景材料 . 1.2 折疊傘的基本結(jié)構(gòu)

5、 1.3 原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析 . 2.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析 . 2.2 相關(guān)專(zhuān)利舉例 . 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新 . 3.1 3.2 3.3 3.4 原形機(jī)構(gòu) . 主運(yùn)動(dòng)鏈的一般化 主運(yùn)動(dòng)鏈數(shù)綜合 . 主運(yùn)動(dòng)鏈特定化 . 6 7 8 9 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) . 4.1 機(jī)構(gòu)的選擇過(guò)程 4.2 尺寸要求 . 4.3 圖解過(guò)程 . 運(yùn)動(dòng)仿真 . 5.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與仿真 參考文獻(xiàn) . 心得體會(huì) . 小組分工 . 機(jī)械原理搭接實(shí)驗(yàn)圖片 1 2 2 3 3 4 9 9 9 10 11 15 15 16 16 21 21 23 24 25 26 1題目簡(jiǎn)介 1.1背景材料 傘是一種提供陰涼環(huán)境或遮蔽雨、雪的工具。 按傘

6、面收起后傘的骨架（龍骨）可以折的疊次數(shù)，傘具市場(chǎng)目前主要分為四大類(lèi)： 直桿傘（一折）、兩（二）折傘、三折傘、五折傘。 下面簡(jiǎn)要分析一下，各種類(lèi)形傘具的優(yōu)缺點(diǎn)。 直桿傘：或者叫一折傘。其優(yōu)點(diǎn)是傘骨一般都為鋼架，結(jié)實(shí)耐用。缺點(diǎn)是較長(zhǎng)，一 般攜帶不是很方便，占空間。 兩折傘：這個(gè)折數(shù)一般多為高檔遮陽(yáng)傘、洋傘。它們一般骨架設(shè)計(jì)穩(wěn)固，主要優(yōu)點(diǎn): 質(zhì)量好，外形漂亮，攜帶方便，防風(fēng)防曬效果好。缺點(diǎn)：比五折、三折傘重量大。 三折傘：三折傘分布甚廣，一般大部分雨傘、陽(yáng)傘都是這樣設(shè)計(jì)的。這是比較中庸 的設(shè)計(jì)，從質(zhì)地、使用等方面來(lái)看都是比較適中的設(shè)計(jì)。質(zhì)量好，使用壽命較長(zhǎng)，防曬 防風(fēng)較好，重量適中，長(zhǎng)短也適中。整體

7、也是適中，是比較大眾化、實(shí)用化的設(shè)計(jì)理念。 五折傘：這類(lèi)傘以短小精悍、攜帶方便著稱(chēng)。主要爭(zhēng)對(duì)一般傘具長(zhǎng)而沉的毛病，由 樹(shù)脂骨、高級(jí)鋁合金骨架設(shè)計(jì)而成。主要弊病就是傘骨的承受力，風(fēng)雨的情況下，傘骨 是很難承受住的。 我們小組在學(xué)完機(jī)械原理的相關(guān)課程后，對(duì)各種單人折疊傘的構(gòu)造產(chǎn)生了濃厚 的興趣。因此選擇“折疊傘”作為我們課程設(shè)計(jì)的題目。 1.2折疊傘的基本結(jié)構(gòu) 折疊傘處于完全折疊的狀態(tài)，忽略傘面上的褶皺，大體上可以看做一個(gè) 50 mm , 長(zhǎng)260 mm的圓柱體。 將拉桿拉開(kāi)。拉桿是兩段式。拉開(kāi)后拉桿總長(zhǎng)約為 560 mm 將拉桿上的滑塊向傘頂滑動(dòng)可以將傘撐開(kāi)?？梢钥吹?，傘面上的骨架，全都是一些桿

8、 結(jié)構(gòu)。 將傘完全撐開(kāi)后，傘面是八邊形。這個(gè)八邊形的外接圓的直徑長(zhǎng)為 拉桿上有一彈片可以將傘面固定住，按下這個(gè)彈片可以將傘面收起。 拉動(dòng)拉桿上的滑塊，傘面在傘骨桿結(jié)構(gòu)的牽引下逐漸收起。 恢復(fù)到收起的狀態(tài)。520 mm 1.3原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求 所設(shè)計(jì)的傘為單人折疊傘。尺寸初步設(shè)定為與圖中單人傘一致。撐開(kāi)后傘高560 mm, 傘面外接圓直徑520 mm折疊后，總長(zhǎng)260 mm，忽略傘面褶皺，大體上是一個(gè) 50 mm 的圓柱體。 設(shè)計(jì)的傘應(yīng)該是可以折疊方便攜帶的，傘骨結(jié)構(gòu)應(yīng)在滿(mǎn)足受力要求的情況下，盡可能 的簡(jiǎn)便，輕快。 設(shè)計(jì)出的傘應(yīng)該與現(xiàn)有的折疊傘結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新。2現(xiàn)有機(jī)構(gòu)分析 2.1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析

9、 現(xiàn)在，傘的作用被廣大的人們所承認(rèn)，它已經(jīng)成為日常旅行、外出的必帶物品。隨 著制傘工業(yè)的發(fā)展，各具特色的傘：帶收音機(jī)的傘、有香味的傘、能照明的傘、防暴催 淚傘、盲人探路傘等都相繼問(wèn)世，它給人們的生活帶來(lái)許多方便和樂(lè)趣。 現(xiàn)在人們應(yīng)用最多最廣的就是三折傘， 現(xiàn)有的便攜式雨傘和遮陽(yáng)傘一般都采用了這 樣的結(jié)構(gòu)。 以應(yīng)用廣泛的三折傘結(jié)構(gòu)為例： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下: 2.2相關(guān)專(zhuān)利舉例 形的傘骨結(jié)構(gòu)，令撐桿 連動(dòng)性的撐合構(gòu)造，在 改變兩者樞接支點(diǎn)及 距離下，并藉由傘面專(zhuān)利號(hào) 專(zhuān)利名稱(chēng) 專(zhuān)利描述 圖示 本實(shí)用新形是一種新 DOF=3*7-2*10=1 CN00250362.X 一種新形的傘骨 結(jié)構(gòu) 形成為其 傘

10、桿 CN02237319.5 所能達(dá)到的有效距離 變化，使傘支骨與撐骨 間,產(chǎn)生高抗性彈力， 進(jìn)而提高整個(gè)傘具的 抗翻的強(qiáng)度。 一種一個(gè)人雨傘，其特 一個(gè)人雨傘 征在于，雨傘傘桿處于 雨傘正中間旁 雨傘半徑的三分之一 處，傘左邊的長(zhǎng)度是傘 右邊長(zhǎng)度的兩倍，傘左 的支架為四根小支架 組成，傘右邊的支架由 兩根組成，左邊的三根 支架與右邊的五根分 支架的伸尺方式相反。 新形自行車(chē)雨傘，其目 新形自行車(chē)雨傘 的是解決騎車(chē)遇到雨, DOF=3*13-2*19=1 DOF=3*5-2*6=3 因?yàn)槠溆晒潭ɡK 和螺栓可固定，所以不為 1 3機(jī)構(gòu)創(chuàng)新 3.1原形機(jī)構(gòu) 我們小組研究的對(duì)象是一柄具有六桿機(jī)構(gòu)的直

11、桿傘。實(shí)物圖，以及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下。 它的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是單自由度機(jī)構(gòu)。 它由傘桿、兩個(gè)滑塊、支撐傘面的傘骨以及兩根連桿構(gòu)成。 它是六桿七副的平面結(jié)構(gòu)。 它具有5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和2個(gè)移動(dòng)副。 3.2主運(yùn)動(dòng)鏈的一般化 接下來(lái)將原形機(jī)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)鏈一般化。取消傘桿，將其變成三個(gè)獨(dú)立的機(jī)架。然后 將兩個(gè)移動(dòng)副一般化為轉(zhuǎn)動(dòng)副。如下圖。 3.3主運(yùn)動(dòng)鏈數(shù)綜合 為了消除尺度影響，可表示為更一般化的運(yùn)動(dòng)鏈，如下圖，屬于“Watts linkage ”。 桿七副結(jié)構(gòu)還可以轉(zhuǎn)化為等價(jià)的“ Ste phen son s lin kage ”。如下圖。 對(duì)于新設(shè)計(jì)的傘結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)鏈特定化時(shí)，我們小組希望其符合以下設(shè)計(jì)要求與約束 條件

12、： 中， 再增加一個(gè)移動(dòng)副。（2個(gè)移動(dòng)副，5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副） 為了保證傘能夠成功的折疊起來(lái)，而且折疊后的傘占的體積盡可能小，新結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中不應(yīng)歸納它的拓?fù)錁?gòu)造特性如下: 將傘桿作為新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的機(jī)架。為滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，傘桿應(yīng)該是三副桿。 保證整個(gè)傘結(jié)構(gòu)可以動(dòng)作，而且為了方便開(kāi)傘關(guān)傘，原動(dòng)件應(yīng)該是一個(gè)移動(dòng)副。 考慮到傘面撐起時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，撐起傘面的傘骨應(yīng)該和傘桿以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連。 撐起傘面的傘骨（以下稱(chēng)其為執(zhí)行傘骨）和原動(dòng)件應(yīng)該是兩個(gè)連架桿。 為滿(mǎn)足之前提出的盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便緊湊的要求，我們決定在新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程 該出現(xiàn)焊點(diǎn)。 傘面為編制材料，所以新結(jié)構(gòu)中不應(yīng)該出現(xiàn)會(huì)與傘面相交的長(zhǎng)滑塊導(dǎo)軌，這會(huì) 刺破傘面

13、。 如果傘桿上同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)移動(dòng)副時(shí)，為了保證傘的使用者能夠?qū)愦蜷_(kāi)，原動(dòng) 件所在的移動(dòng)副應(yīng)該在最下方。3.4主運(yùn)動(dòng)鏈的特定化將傘桿作為機(jī)架，考慮到運(yùn)動(dòng)鏈的對(duì)稱(chēng)性, linkage ”都只有一種可能性。如下圖所示。 “Watt s linkage ” , “Stephenson s 按設(shè)計(jì)要求和約束條件，原動(dòng)件和執(zhí)行傘骨應(yīng)該是兩個(gè)連架桿。而且原動(dòng)件應(yīng)該是 移動(dòng)副，不出現(xiàn)焊點(diǎn)。所以可能情況有如下 3種。 先分析A11。因?yàn)樵瓌?dòng)件和執(zhí)行傘骨都是連架桿，而且整個(gè)結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)焊點(diǎn)。所 以執(zhí)行傘骨的位置只有一種情況。 如A111?，F(xiàn)在增加一個(gè)移動(dòng)副。考慮到設(shè)計(jì)要求和約 束條件，只剩一種情況。如 A1111

14、。將其運(yùn)動(dòng)鏈具體化，可以得到如下結(jié)構(gòu)。 再分析B 11。執(zhí)行傘骨的位置有兩種可能。分別為 B111和B112 當(dāng)執(zhí)行傘骨位于結(jié)構(gòu)中間時(shí)，傘是無(wú)法正常打開(kāi)的?；蛘叽蜷_(kāi)后傘面外還會(huì)有其他 的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣的話(huà)會(huì)影響傘的美觀(guān)性。我們決定將這種情況舍棄。 再增加一個(gè)移動(dòng)副時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)要求和約束條件，滿(mǎn)足的可能有兩種。 B1111和 B1112 另一種情況B1112如下圖所示： 考慮B12,其執(zhí)行傘骨的位置可能有兩種情況。 這兩種結(jié)構(gòu)都有可能實(shí)現(xiàn)。我們分別分析。 先考慮執(zhí)行傘骨在傘桿左側(cè)的情況。增加一個(gè)移動(dòng)副后，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和約束條件 的共有兩種可能。第一種（B1211）: 第二種情況B1212,將其

15、運(yùn)動(dòng)鏈具體化，如下圖所示。 當(dāng)執(zhí)行傘骨位于右側(cè)時(shí)，就只有一種情況，將其運(yùn)動(dòng)鏈具體化，可以得到如下結(jié)構(gòu)。 綜上所述，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和約束條件的情況共有 6種。列舉如下。 B1212A1 B1 A1111 B1111 B1112 B1211 B1221 其中，B1111機(jī)構(gòu)為原形機(jī)構(gòu)。A1111、B1112 B1211、B1212 B1221機(jī)構(gòu)為新機(jī)構(gòu)。 4機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1結(jié)構(gòu)的選擇過(guò)程 A1111和B1221兩種結(jié)構(gòu)需要在支撐傘面的傘骨上加裝滑塊，考慮到傘面的旋轉(zhuǎn)對(duì) 稱(chēng)性，則需要至少8根導(dǎo)軌和對(duì)應(yīng)的滑塊。與現(xiàn)在市面上的傘相比增加了很多結(jié)構(gòu)，傘 的質(zhì)量會(huì)變大，造價(jià)會(huì)變高。舍棄。 對(duì)于B1112結(jié)構(gòu)

16、， 在傘桿上有定點(diǎn)， 傘面的傘骨相連接的連桿勢(shì)必需要很長(zhǎng)， 而且由于傘的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，這根長(zhǎng)桿需要 是一個(gè)問(wèn)題。將這個(gè)方案舍棄。 對(duì)于B1212結(jié)構(gòu)。需要在與支撐傘面的傘骨相連的連桿上增加滑塊。同理，根據(jù)傘 的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，這個(gè)結(jié)構(gòu)，需要 8組。增加了傘的重量和造價(jià)。舍棄。 最后，我們小組決定采用B1211,作為新結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 4.2尺寸要求 我們小組采用圖解法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合現(xiàn)在市面上的傘的尺寸，提出的設(shè)計(jì)要求 如下： 1. 傘面張角為135，傘面張開(kāi)后，半徑大概在 260mm 2. 傘桿總長(zhǎng)為520mm折疊后為260mm 3. 傘折疊后，原動(dòng)件（傘桿上的滑塊）應(yīng)在傘桿的底部，方便使用者開(kāi)傘

17、。 4.3圖解過(guò)程 1.先畫(huà)長(zhǎng)為520mmi勺傘桿，因?yàn)?60弓COS62.5 = 293mm，再畫(huà)一根與 傘桿成62.5。長(zhǎng)為293mmi勺執(zhí)行傘桿。作圖如下。 2. 考慮到要使桿的受力情況盡可能好，我們決定將與執(zhí)行傘桿相連的連桿的節(jié)點(diǎn)， 放在執(zhí)行傘桿的中點(diǎn)處。而且要滿(mǎn)足尺寸要求的第 3條。所以，以執(zhí)行傘桿的中點(diǎn)為圓 可以想象，如果滿(mǎn)足了傘的折疊要求，與支撐 那在將傘撐開(kāi)的時(shí)候，這根桿可能將傘面刺破。 8根。如何將8根長(zhǎng)桿都通過(guò)傘桿上的定點(diǎn)也 心，以執(zhí)行傘桿長(zhǎng)度為直徑作圓，交主傘桿于點(diǎn) A,如圖。 3. 我們連接AB兩點(diǎn)。同樣為了受力情況盡可能均勻，我們?nèi)B中點(diǎn)作水平構(gòu)造線(xiàn)。 考慮到，整個(gè)

18、結(jié)構(gòu)不應(yīng)出現(xiàn)死點(diǎn)，我們?cè)谶B桿和構(gòu)造線(xiàn)之間取一個(gè)小夾角，定為 15 如下圖。 在這里有必要說(shuō)明一點(diǎn)，結(jié)合傘使用時(shí)的實(shí)際情況，在傘閉合時(shí)，只需要使原動(dòng)件 滑塊大致與執(zhí)行傘骨末端平齊，而且 AC CD兩桿長(zhǎng)度之和小于閉合時(shí)A點(diǎn)到限位塊的 距離即可。其余位置點(diǎn)不需考慮。也就是說(shuō)不必再畫(huà)出傘閉合時(shí)的情況，完全可以用右 圖中各桿尺寸來(lái)驗(yàn)證傘能否完全閉合。通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何證明就可以知道，圖示中的傘結(jié) 構(gòu)是完全可以關(guān)閉的。2 4. 根據(jù)上述圖解過(guò)程，計(jì)算各桿長(zhǎng)標(biāo)注如下。 1號(hào)桿桿長(zhǎng)：520 mm（還有520 293= 227mn可以滑進(jìn)長(zhǎng)桿里） 2號(hào)桿桿長(zhǎng)： 260 260 子 cos62.5cos62.5 = = 293mm293mm 3號(hào)桿桿長(zhǎng)： 293 2 = 146 .5mm 2 293 漢 sin 62 .5。斗 cos 15 二 134 .5mm4號(hào)桿桿長(zhǎng)： 5. 去掉輔助線(xiàn)，將各鉸接點(diǎn)和滑塊加上，按步驟 4算出的結(jié)果畫(huà)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如下。 5運(yùn)動(dòng)仿真 5.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與仿真 我們小組按在Inven tor軟件中建立了模形，并對(duì)模形進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。當(dāng)原動(dòng)件 以30mm/s的速度向上做開(kāi)傘運(yùn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)件上方滑塊的位置、速度、加速度分析圖示 如下。 位置與時(shí)間關(guān)系圖 加速度與時(shí)間關(guān)系圖 可以看出在開(kāi)傘的整個(gè)過(guò)程中速度和加速度在初始位置時(shí)變化很大， 限位塊接觸時(shí)已經(jīng)趨近于勻速，加速度在