機械原理課程設計--折疊傘

1、<p>　　機械原理課程設計說明書</p><p>　　—— 折疊傘 </p><p>　　學 院： 機械工程學院 </p><p>　　班 級： 機 英 1002 </p><p>　　組 員： </p><p>　　指導教師：

2、 </p><p>　　2013年11月9日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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

3、。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。</p><p>　　關鍵詞：機構運動鏈再

4、生設計；結構分析；運動仿真</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Our group’s curriculum design subject is about folding umbrellas. To get a general knowledge of the structure and dimension of the um

5、brellas, we study the background information of them, combining 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

6、 practical situations and the motor process, we come up with several requirements and finally get six structures available concluding the original </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

7、b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 題目介紹1</b></p><p>　　1.1 背景材料1</p><p>　　1.2 折疊傘的基本結構2</p><p>　　1.3 原始數據和設計要求2<

8、/p><p>　　2 現有結構分析3</p><p>　　2.1 現有結構分析3</p><p>　　2.2 相關專利舉例4</p><p><b>　　3 機構創(chuàng)新9</b></p><p>　　3.1 原形機構9</p><p>　　3.2 主運動鏈的一般化9&

9、lt;/p><p>　　3.3 主運動鏈數綜合10</p><p>　　3.4 主運動鏈特定化11</p><p><b>　　4 機構設計15</b></p><p>　　4.1 機構的選擇過程15</p><p>　　4.2 尺寸要求16</p><p>　　4.

10、3 圖解過程16</p><p><b>　　5 運動仿真21</b></p><p>　　5.1 機構運動與仿真21</p><p><b>　　6 參考文獻23</b></p><p><b>　　7 心得體會24</b></p><p>

11、<b>　　8 小組分工25</b></p><p>　　9 機械原理搭接實驗圖片26</p><p><b>　　1 題目簡介</b></p><p><b>　　1.1背景材料</b></p><p>　　傘是一種提供陰涼環(huán)境或遮蔽雨、雪的工具。</p>

12、<p>　　按傘面收起后傘的骨架（龍骨）可以折的疊次數，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。</p><p>　　下面簡要分析一下，各種類形傘具的優(yōu)缺點。</p><p>　　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。</p><p>　　兩折傘：這個折數一般多為

13、高檔遮陽傘、洋傘。它們一般骨架設計穩(wěn)固，主要優(yōu)點：質量好，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。</p><p>　　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，從質地、使用等方面來看都是比較適中的設計。質量好，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。</p><p>　　

14、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。</p><p>　　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。</p><p>　　1.2折疊傘的基本結構</p><p>

15、;　?、?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Φ50 mm ，長 260 mm 的圓柱體。</p><p>　?、趯⒗瓧U拉開。拉桿是兩段式。拉開后拉桿總長約為560 mm。</p><p>　　③將拉桿上的滑塊向傘頂滑動可以將傘撐開?？梢钥吹?，傘面上的骨架，全都是一些桿結構。</p><p>　?、軐阃耆珦伍_后，傘面是八邊形。這個八邊形的

16、外接圓的直徑長為520 mm</p><p>　　⑤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。</p><p>　?、蘩瓌永瓧U上的滑塊，傘面在傘骨桿結構的牽引下逐漸收起。</p><p>　　⑦恢復到收起的狀態(tài)。</p><p>　　① ② ③

17、</p><p>　?、?⑤ ⑥ ⑦</p><p>　　1.3原始數據和設計要求</p><p>　?、?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Φ50

18、 mm 的圓柱體。</p><p>　?、谠O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。 </p><p>　　③設計出的傘應該與現有的折疊傘結構上有所創(chuàng)新。</p><p>　　2 現有機構分析 </p><p><b>　　2.1現有結構分析</b></p>

19、<p>　　現在，傘的作用被廣大的人們所承認，它已經成為日常旅行、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。</p><p>　　現在人們應用最多最廣的就是三折傘，現有的便攜式雨傘和遮陽傘一般都采用了這樣的結構。</p><p>　　以應用廣泛的三折傘結構為例：

20、</p><p><b>　　結構簡圖如下：</b></p><p>　　2.2相關專利舉例 </p><p><b>　　3 機構創(chuàng)新</b></p><p><b>　　3.1原形機構</b></p><p>　　我們小組研究的對象是一柄具有六桿機構

21、的直桿傘。實物圖，以及機構簡圖如下。</p><p>　　歸納它的拓撲構造特性如下：</p><p>　　① 它的主運動機構是單自由度機構。</p><p>　　② 它由傘桿、兩個滑塊、支撐傘面的傘骨以及兩根連桿構成。</p><p>　?、?它是六桿七副的平面結構。</p><p>　?、?它具有5個轉動副和2個移動

22、副。</p><p>　　3.2主運動鏈的一般化</p><p>　　接下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。</p><p>　　3.3主運動鏈數綜合</p><p>　　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”。</p

23、><p>　　六桿七副結構還可以轉化為等價的“Stephenson’s linkage”。如下圖。 </p><p>　　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：</p><p>　　① 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。</p><p>　?、?保證整個傘結構可以

24、動作，而且為了方便開傘關傘，原動件應該是一個移動副。</p><p>　?、?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轉動副相連。</p><p>　　④ 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。</p><p>　?、?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

25、動副）</p><p>　?、?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焊點。</p><p>　?、?傘面為編制材料，所以新結構中不應該出現會與傘面相交的長滑塊導軌，這會刺破傘面。</p><p>　?、?如果傘桿上同時出現兩個移動副時，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。</p>

26、<p>　　3.4主運動鏈的特定化</p><p>　　將傘桿作為機架，考慮到運動鏈的對稱性，“Watt’s linkage”,“Stephenson’s linkage”都只有一種可能性。如下圖所示。</p><p>　　A1 B1</p><p>　　按設計要求和約束條件，原動件和執(zhí)行傘骨應該是

27、兩個連架桿。而且原動件應該是移動副，不出現焊點。所以可能情況有如下3種。</p><p>　　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焊點。所以執(zhí)行傘骨的位置只有一種情況。如A111。現在增加一個移動副?？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。</p><p>　　再分析Ｂ11。執(zhí)行傘骨的位置有兩種可能。分別為B1

28、11和B112。</p><p>　　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美觀性。我們決定將這種情況舍棄。</p><p>　　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。</p><p>　　另一種情況B1112如下圖所示：</p><

29、p>　　考慮B12，其執(zhí)行傘骨的位置可能有兩種情況。</p><p>　　這兩種結構都有可能實現。我們分別分析。</p><p>　　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）：</p><p>　　第二種情況B1212，將其運動鏈具體化，如下圖所示。</p><p>　

30、　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。</p><p>　　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。</p><p>　　A1111 B1111 B1112</p><p>　　B1211 B1212

31、 B1221</p><p>　　其中，B1111機構為原形機構。A1111、B1112、B1211、B1212、B1221機構為新機構。</p><p><b>　　4 機構設計</b></p><p>　　4.1結構的選擇過程</p><p>　　A1111和B1221兩種結構需要在支撐

32、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。與現在市面上的傘相比增加了很多結構，傘的質量會變大，造價會變高。舍棄。</p><p>　　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

33、個方案舍棄。</p><p>　　對于B1212結構。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。</p><p>　　最后，我們小組決定采用B1211，作為新結構進行設計。</p><p><b>　　4.2尺寸要求</b></p><p>&l

34、t;b>　　、</b></p><p>　　我們小組采用圖解法進行結構設計。結合現在市面上的傘的尺寸，提出的設計要求如下：</p><p>　　傘面張角為135°，傘面張開后，半徑大概在260mm</p><p>　　2.傘桿總長為520mm，折疊后為260mm</p><p>　　3.傘折疊后，原動件（傘桿上的滑

35、塊）應在傘桿的底部，方便使用者開傘。</p><p><b>　　4.3圖解過程</b></p><p>　　1.先畫長為520mm的傘桿，因為 ，再畫一根與傘桿成62.5°長為293mm的執(zhí)行傘桿。作圖如下。</p><p>　　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

36、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。</p><p>　　3.我們連接AB兩點。同樣為了受力情況盡可能均勻，我們取AB中點作水平構造線?？紤]到，整個結構不應出現死點，我們在連桿和構造線之間取一個小夾角，定為15°，如下圖。</p><p>　　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

37、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。</p><p>　　4.根據上述圖解過程，計算各桿長標注如下。</p><p>　　1號桿桿長 ：520 mm（還有520－293＝227mm可

38、以滑進長桿里） </p><p><b>　　2號桿桿長 ： </b></p><p><b>　　3號桿桿長 ： </b></p><p><b>　　4號桿桿長 ： </b></p><p>　　5.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。

39、</p><p><b>　　5 運動仿真</b></p><p>　　5.1機構運動與仿真</p><p>　　我們小組按在Inventor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，原動件上方滑塊的位置、速度、加速度分析圖示如下。</p><p>　　位置與時間關系圖　　　

40、運動速度與時間關系圖 </p><p><b>　　加速度與時間關系圖</b></p><p>　　可以看出在開傘的整個過程中速度和加速度在初始位置時變化很大，在要和傘桿的限位塊接觸時已經趨近于勻速，加速度在要和限位塊接觸時已經趨近于0。由此可以得出結論，滑塊與限位塊的接觸屬于柔性接觸，沒有沖擊，對延長傘的使用壽命有利，符

41、合實際要求。</p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p>　　[1] 不詳. 雨傘設計[EB/OL]. [2013-12-2]. .</p><p>　　[2] 維基百科. 傘[EB/OL]. [2013-11-20]. .</p><p>　　[3] 中國知識產權網. [DB/OL]. [2013

42、-11-20]. .</p><p>　　[4] 百傘網. 維基揭密之傘的折數，幾折傘什么意思[EB/OL]. [2013-12-8]. .</p><p><b>　　7 心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設計我們收獲頗豐。在這一段時間內我們二人通力合作，努力完成了對于雨傘的研究。雖然傘在生活中很常見，但是以前卻沒有認真研究過

43、它，原來這里面還有這么多學問。它是怎么運動的？你的傘是幾折傘？各折傘的結構區(qū)別在哪，其特點又有什么不同？世事洞明皆學問，人情練達即文章。其中我感觸最深的就是查專利的部分，關于傘的專利真是五花八門，不僅僅是機構創(chuàng)新，還有各種用途的傘：自行車傘、通風傘等等，甚至還有掛在身上解放雙手的！這些都是從生活中找到的靈感，都是為了應對各種各樣真實發(fā)生的場景而應運而生的。真是非常有啟發(fā)性！這更提醒了我，不光要學好課本知識，更要注意生活實踐，不結合實際做