機械原理課程設計折疊傘

1、機械原理課程設計說明書折疊傘學 院：機械工程學院班 級：機英1002組 員：指導教師：董惠敏2013年11月9日我們組課程設計的題目是折疊傘。我們首先研究了有關傘結構方面的背景材 料，結合自己手中的傘，對折疊傘的結構和大體尺寸有了初步的了解。然后查閱了有關傘結構方面的相關專利，從中選取了一個感興趣的進行了機構再生運動鏈 設計。在設計過程中，考慮到傘的運動過程和實際中使用的情況，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現(xiàn)的結構， 其 中一種是原形結構。在對5種新結構進行結構分析后，選取了其中一種最合理的 結構，進行了尺寸設計，使之能完成整個傘張開和傘關閉的運動。 并

2、用Inventor 軟件進行了運動仿真，得出了關鍵點位移、速度、加速度與時間的關系圖，證明 了整個方案可行可靠。關鍵詞：機構運動鏈再生設計；結構分析；運動仿真AbstractOur 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, combining with our ow

3、n 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 original one. Aft

4、er 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.目錄摘 要 Abstract1 題目介紹 1.1 背景材料 11.2 折疊傘的基本結構 21.3 原始數(shù)據(jù)和設計要求 22 現(xiàn)有結構

5、分析 32.1 現(xiàn)有結構分析 32.2 相關專利舉例 43 機構創(chuàng)新 93.1 原形機構 93.2 主運動鏈的一般化 93.3 主運動鏈數(shù)綜合 103.4 主運動鏈特定化 114 機構設計 154.1 機構的選擇過程 154.2 尺寸要求 164.3 圖解過程 165 運動仿真 215.1 機構運動與仿真 216 參考文獻 237 心得體會 248 小組分工 259 機械原理搭接實驗圖片 261題目簡介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。按傘面收起后傘的骨架（龍骨）可以折的疊次數(shù)，傘具市場目前主要分為四大類： 直桿傘（一折）、兩（二）折傘、三折傘、五折傘。下面簡要分析一下，各

6、種類形傘具的優(yōu)缺點。直桿傘：或者叫一折傘。其優(yōu)點是傘骨一般都為鋼架，結實耐用。缺點是較長，一 般攜帶不是很方便，占空間。兩折傘：這個折數(shù)一般多為高檔遮陽傘、洋傘。它們一般骨架設計穩(wěn)固，主要優(yōu)點: 質(zhì)量好，外形漂亮，攜帶方便，防風防曬效果好。缺點：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、陽傘都是這樣設計的。這是比較中庸 的設計，從質(zhì)地、使用等方面來看都是比較適中的設計。質(zhì)量好，使用壽命較長，防曬 防風較好，重量適中，長短也適中。整體也是適中，是比較大眾化、實用化的設計理念。五折傘：這類傘以短小精悍、攜帶方便著稱。主要爭對一般傘具長而沉的毛病，由 樹脂骨、高級鋁合金骨架設計而

7、成。主要弊病就是傘骨的承受力，風雨的情況下，傘骨 是很難承受住的。我們小組在學完機械原理的相關課程后，對各種單人折疊傘的構造產(chǎn)生了濃厚 的興趣。因此選擇“折疊傘”作為我們課程設計的題目。1.2折疊傘的基本結構 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50 mm，長260 mm的圓柱體。 將拉桿拉開。拉桿是兩段式。拉開后拉桿總長約為 560 mm 將拉桿上的滑塊向傘頂滑動可以將傘撐開?？梢钥吹剑瑐忝嫔系墓羌?，全都是一些桿 結構。 將傘完全撐開后，傘面是八邊形。這個八邊形的外接圓的直徑長為520 mm 拉桿上有一彈片可以將傘面固定住，按下這個彈片可以將傘面收起。 拉動拉桿上的

8、滑塊，傘面在傘骨桿結構的牽引下逐漸收起。 恢復到收起的狀態(tài)。1.3原始數(shù)據(jù)和設計要求 所設計的傘為單人折疊傘。尺寸初步設定為與圖中單人傘一致。撐開后傘高560 mm, 傘面外接圓直徑520 mm折疊后，總長260 mm，忽略傘面褶皺，大體上是一個 50 mm 的圓柱體。 設計的傘應該是可以折疊方便攜帶的，傘骨結構應在滿足受力要求的情況下，盡可能 的簡便，輕快。 設計出的傘應該與現(xiàn)有的折疊傘結構上有所創(chuàng)新。2現(xiàn)有機構分析2.1現(xiàn)有結構分析現(xiàn)在，傘的作用被廣大的人們所承認，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：帶收音機的傘、有香味的傘、能照明的傘、防暴催 淚傘、盲

9、人探路傘等都相繼問世，它給人們的生活帶來許多方便和樂趣。現(xiàn)在人們應用最多最廣的就是三折傘， 現(xiàn)有的便攜式雨傘和遮陽傘一般都采用了這 樣的結構。以應用廣泛的三折傘結構為例：結構簡圖如下：2.2相關專利舉例專利號專利名稱專利描述圖示CN00250362.X一種新形的傘骨 結構本實用新形是一種新 形的傘骨結構，令撐桿 形成為其連動性的撐合構造，在改變兩者樞接支點及距離下，并藉由傘面DOF=3*7-2*10=1所能達到的有效距離 變化，使傘支骨與撐骨 間,產(chǎn)生高抗性彈力， 進而提高整個傘具的 抗翻的強度。一個人雨傘一種一個人雨傘，其特 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

10、的長度是傘 右邊長度的兩倍，傘左 邊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 分支架與右邊的五根分 支架的伸尺方式相反。DOF=3*13-2*19=1CN02237319.5新形自行車雨傘新形自行車雨傘，其目的是解決騎車遇到雨，不DOF=3*5-2*6=3因為其由固定繩和螺栓可固定，所以不為1好避雨的技術問題，其 特征是：固定伸縮節(jié)螺栓 固定安裝在車后座的 后部位置，轉動器 螺釘安裝在固定伸縮 節(jié)的上部位置，伸縮桿 內(nèi)置穿孔安裝在轉 動器的中心位置，實現(xiàn) 本方案的最佳方式是 以不銹鋼為材料， 利用機械工廠的基本 設備，采取批量生產(chǎn)， 以供應生活界的需 求，實現(xiàn)新形自行車雨

11、 傘的實用和經(jīng)濟價值。太陽傘一種太陽傘，其特征在 于：支撐骨架由頂桿、 支桿及滑鈕組成，頂桿 和支DOF=3*5-2*7=1桿采用中空的管狀結 構，支桿的兩端分別同 頂桿和滑鈕鉸接。無柄三折方傘種無需手撐的無柄 三折方傘，涉及日用品 中的雨具領域。本傘適 合人們戶外烈日暴雨 下的各種活動。本傘固 定在身的原理是，利用 傘骨鋼絲、傘帶橡筋和 傘墊橡膠的彈性，通過 挎在腋下的傘帶對傘 骨向下的拉力與頭部 對傘墊向上的反作用 頂力相持平衡形成的 繃力使傘能緊緊固定 在身上。使用時，只要 移動頭上的傘墊就可 調(diào)節(jié)傘向；拉緊傘成流 線形還可抵御狂風暴 雨；傘用完后三折收攏，攜帶輕松。遮陽大傘大形太陽傘般

12、指非 手持類的太陽傘，主要 固定在地面使用。優(yōu)質(zhì) 的大形太陽傘同時具 備防紫外線、防雨和高 抗風功能，大形太陽傘 的抗風能力由主要有 傘座，傘柱及傘骨決 定，傘座一般有多鐵 件、水泥，大理石及注 水等類傘座。傘柱傘骨 用料一般分五種:木 質(zhì)、鐵質(zhì)、鋁合金合、 不銹鋼和新形復合材 料等。DOF=3*3-2*4=1CN00116807.X通風傘通風傘是一種具有通風口的傘，該由傘桿、 傘骨架、傘篷和支臂等 部件構成。該傘包括兩 個傘骨架，該兩傘骨架DOF=3*5-2*7=1分別由上傘骨組和下 傘骨組構成，分別支撐 著上傘篷和下傘篷。該 傘的上傘篷的篷面比 下傘篷小，下傘篷幵有 中央大孔，二篷間留有

13、間隙，形成通口。該傘 既可遮陽擋風又可通 風。大風時，易于撐握 傘身且不易被風吹壞。CN00258838.2吊傘吊傘又稱香蕉傘，傘面 撐幵最大直徑3米，傘高度2.2-2.3米，鐵立桿直徑48毫米厚度1 毫米帶十字底座（可 用砂袋等重物壓?。?， 鐵彎桿直徑 42毫米 厚度1毫米，8根鐵橢 圓傘骨尺寸：高12*寬 18*厚度0.45毫米，有 縮管連接，傘部位角度DOF=3*3-2*4=1可控制，高低也可升 降，傘布：180克， 有窗無邊滌淪布，防 水，防紫外線。寵物傘由于本實用新形的骨 架排列與習用的傘具 方向相反，傘面內(nèi)端連 接在可滑動的下巢上， 故，傘具打幵時，傘面 是反向向下，人們可很 方便

14、的給自己的寵物 遮擋陽光。此外，本實 用新形還在傘桿上設 置按鍵和上跳簧兩個 卡位機構，可很好的將 滑動下巢定位在收合 和幵啟的狀態(tài)。DOF=3*3-2*4CN00249742.5長桿傘本傘特點結構較簡 單，較為耐用，制造方 便，經(jīng)濟成本低，閑置 時占用空間較大，且不 方便攜帶。DOF=3*5-2*7=13機構創(chuàng)新3.1原形機構我們小組研究的對象是一柄具有六桿機構的直桿傘。實物圖，以及機構簡圖如下。 歸納它的拓撲構造特性如下： 它的主運動機構是單自由度機構。 它由傘桿、兩個滑塊、支撐傘面的傘骨以及兩根連桿構成。 它是六桿七副的平面結構。 它具有5個轉動副和2個移動副。3.2主運動鏈的一般化接下

15、來將原形機構的主運動鏈一般化。取消傘桿，將其變成三個獨立的機架。然后 將兩個移動副一般化為轉動副。如下圖。3.3主運動鏈數(shù)綜合為了消除尺度影響，可表示為更一般化的運動鏈，如下圖，屬于“Watt's linkage ”。Stephenson' s linkage ”。女口下圖。六桿七副結構還可以轉化為等價的“對于新設計的傘結構，運動鏈特定化時，我們小組希望其符合以下設計要求與約束 條件: 將傘桿作為新結構設計過程中的機架。為滿足強度要求，傘桿應該是三副桿。 保證整個傘結構可以動作，而且為了方便開傘關傘，原動件應該是一個移動副 考慮到傘面撐起時的運動情況，撐起傘面的傘骨應該和傘桿以

16、轉動副相連。 撐起傘面的傘骨（以下稱其為執(zhí)行傘骨）和原動件應該是兩個連架桿。 為滿足之前提出的盡可能使結構簡便緊湊的要求，我們決定在新結構設計過程 中，再增加一個移動副。（2個移動副，5個轉動副） 為了保證傘能夠成功的折疊起來，而且折疊后的傘占的體積盡可能小，新結構 設計中不應該出現(xiàn)焊點。 傘面為編制材料，所以新結構中不應該出現(xiàn)會與傘面相交的長滑塊導軌，這會 刺破傘面。I 如果傘桿上同時出現(xiàn)兩個移動副時，為了保證傘的使用者能夠將傘打開，原動 件所在的移動副應該在最下方。3.4主運動鏈的特定化“Watt' s linkage ” , “Stephenson' s將傘桿作為機架，考

17、慮到運動鏈的對稱性, linkage ”都只有一種可能性。如下圖所示。A1B1按設計要求和約束條件，原動件和執(zhí)行傘骨應該是兩個連架桿。而且原動件應該是 移動副，不出現(xiàn)焊點。所以可能情況有如下 3種。先分析A11。因為原動件和執(zhí)行傘骨都是連架桿，而且整個結構不能出現(xiàn)焊點。所 以執(zhí)行傘骨的位置只有一種情況。 如A111。現(xiàn)在增加一個移動副?？紤]到設計要求和約束條件，只剩一種情況。如 A1111。將其運動鏈具體化，可以得到如下結構。再分析E 11。執(zhí)行傘骨的位置有兩種可能。分別為 B111和B112當執(zhí)行傘骨位于結構中間時，傘是無法正常打開的?；蛘叽蜷_后傘面外還會有其他的機械結構，這樣的話會影響傘的

18、美觀性。我們決定將這種情況舍棄。再增加一個移動副時，考慮到設計要求和約束條件，滿足的可能有兩種。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。這兩種結構都有可能實現(xiàn)。我們分別分析。先考慮執(zhí)行傘骨在傘桿左側的情況。增加一個移動副后，滿足設計要求和約束條件 的共有兩種可能。第一種（B1211）:第二種情況B1212,將其運動鏈具體化，如下圖所示。當執(zhí)行傘骨位于右側時，就只有一種情況，將其運動鏈具體化，可以得到如下結構 綜上所述，滿足設計要求和約束條件的情況共有6種。列舉如下。A1111B1111B1112B1211B1212B1221其中，B11

19、11機構為原形機構。A1111、B1112、B1211、B1212、B1221機構為新機構。4機構設計4.1結構的選擇過程A1111和B1221兩種結構需要在支撐傘面的傘骨上加裝滑塊，考慮到傘面的旋轉對 稱性，則需要至少8根導軌和對應的滑塊。與現(xiàn)在市面上的傘相比增加了很多結構，傘 的質(zhì)量會變大，造價會變高。舍棄。對于B1112結構，在傘桿上有定點，可以想象，如果滿足了傘的折疊要求，與支撐 傘面的傘骨相連接的連桿勢必需要很長，那在將傘撐開的時候，這根桿可能將傘面刺破。 而且由于傘的旋轉對稱性，這根長桿需要 8根。如何將8根長桿都通過傘桿上的定點也 是一個問題。將這個方案舍棄。對于B1212結構。

20、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 的旋轉對稱性，這個結構，需要 8組。增加了傘的重量和造價。舍棄。最后，我們小組決定采用B1211,作為新結構進行設計。4.2尺寸要求、我們小組采用圖解法進行結構設計。結合現(xiàn)在市面上的傘的尺寸，提出的設計要求 如下：1. 傘面張角為135°，傘面張開后，半徑大概在 260mm2. 傘桿總長為520mm折疊后為260mm3. 傘折疊后，原動件（傘桿上的滑塊）應在傘桿的底部，方便使用者開傘。4.3圖解過程1. 先畫長為520mm勺傘桿，因為260 " cos62.5 = 293mm，再畫一根與 傘桿成62.5。長為293m

21、m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，放在執(zhí)行傘桿的中點處。而且要滿足尺寸要求的第 3條。所以，以執(zhí)行傘桿的中點為圓 心，以執(zhí)行傘桿長度為直徑作圓，交主傘桿于點 A,如圖。3. 我們連接AB兩點。同樣為了受力情況盡可能均勻，我們?nèi)B中點作水平構造線 考慮到，整個結構不應出現(xiàn)死點，我們在連桿和構造線之間取一個小夾角，定為15°如下圖。在這里有必要說明一點，結合傘使用時的實際情況，在傘閉合時，只需要使原動件 滑塊大致與執(zhí)行傘骨末端平齊，而且 AC CD兩桿長度之和小于閉合時A點到限位塊的 距離即可。其余位置點不需考慮。也就是

22、說不必再畫出傘閉合時的情況，完全可以用右 圖中各桿尺寸來驗證傘能否完全閉合。通過簡單的幾何證明就可以知道，圖示中的傘結 構是完全可以關閉的。4. 根據(jù)上述圖解過程，計算各桿長標注如下1號桿桿長：520 mm（還有520 293= 227mm可以滑進長桿里）2號桿桿長：260一 cos62.5 = 293mm3號桿桿長 :2932 = 146 .5mm4號桿桿長:293sin 62.5 cos 15 二 134 .5mm25. 去掉輔助線，將各鉸接點和滑塊加上，按步驟4算出的結果畫結構簡圖，如下5運動仿真5.1機構運動與仿真我們小組按在Inven tor軟件中建立了模形，并對模形進行了運動仿真。當原動件 以30mm/s的速度向上做開傘運動時，