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 員: 院: 機械工程學院 級: 機英1002 20132013 年 1111 月 9 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(jié)構(gòu)方面的背景材 料，結(jié)合自己手中的傘，對折疊傘的結(jié)構(gòu)和大體尺寸有了初步的了解。 然后查閱 了有關傘結(jié)構(gòu)方面的相關專利，從中選取了一個感興趣的進行了機構(gòu)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(jié)構(gòu)， 其 中一種是原形結(jié)構(gòu)。在對5種新結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析后，選取了其中一種最合理的 結(jié)構(gòu)，進行了尺寸設計，使之能完成整個傘張

2、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。 指導教師: 董惠敏 關鍵詞：機構(gòu)運動鏈再生設計；結(jié)構(gòu)分析；運動仿真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)和設計要求 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析 . 2.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析 . 2.2 相關專利舉例 . 機構(gòu)創(chuàng)新 . 3.1 3.2 3.3 3.4 原形機構(gòu) . 主運動鏈的一般化 主運動鏈數(shù)綜合 . 主運動鏈特定化 . 6 7 8 9 機構(gòu)設計 . 4.1 機構(gòu)的選擇過程 4.2 尺寸要求 . 4.3 圖解過程 . 運動仿真 . 5.1 機構(gòu)運動與仿真 參考文獻 . 心得體會 . 小組分工 . 機械原理搭接實驗圖片 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(jié)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

7、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(gòu)造產(chǎn)生了濃厚 的興趣。因此選擇“折疊傘”作為我們課程設計的題目。 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 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?，傘面上的骨架，全都是一些桿

8、 結(jié)構(gòu)。 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 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。 拉動拉桿上的滑塊，傘面在傘骨桿結(jié)構(gòu)的牽引下逐漸收起。 恢復到收起的狀態(tài)。520 mm 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新。2現(xiàn)有機構(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，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(jié)構(gòu)。 以應用廣泛的三折傘結(jié)構(gòu)為例： 結(jié)構(gòu)簡圖如下: 2.2相關專利舉例 形的傘骨結(jié)構(gòu)，令撐桿 連動性的撐合構(gòu)造，在 改變兩者樞接支點及 距離下，并藉由傘面專利號 專利名稱 專利描述 圖示 本實用新形是一種新 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。 一種一個人雨傘，其特 一個人雨傘 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，傘左邊的長度是傘 右邊長度的兩倍，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。 新形自行車雨傘，其目 新形自行車雨傘 的是解決騎車遇到雨, DOF=3*13-2*19=1 DOF=3*5-2*6=3 因為其由固定繩 和螺栓可固定，所以不為 1 3機構(gòu)創(chuàng)新 3.1原形機構(gòu) 我們小組研究的對象是一柄具有六桿機構(gòu)的直

11、桿傘。實物圖，以及機構(gòu)簡圖如下。 它的主運動機構(gòu)是單自由度機構(gòu)。 它由傘桿、兩個滑塊、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個轉(zhuǎn)動副和2個移動副。 3.2主運動鏈的一般化 接下來將原形機構(gòu)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(zhuǎn)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“Watts linkage ”。 桿七副結(jié)構(gòu)還可以轉(zhuǎn)化為等價的“ Ste phen son s lin kage ”。如下圖。 對于新設計的傘結(jié)構(gòu)，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

12、： 中， 再增加一個移動副。（2個移動副，5個轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu) 設計中不應歸納它的拓撲構(gòu)造特性如下: 將傘桿作為新結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡便緊湊的要求，我們決定在新結(jié)構(gòu)設計過程 該出現(xiàn)焊點。 傘面為編制材料，所以新結(jié)構(gòu)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

13、。 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?qū)愦蜷_，原動 件所在的移動副應該在最下方。3.4主運動鏈的特定化將傘桿作為機架，考慮到運動鏈的對稱性, linkage ”都只有一種可能性。如下圖所示。 “Watt s linkage ” , “Stephenson s 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(jié)構(gòu)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?，F(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

14、。將其運動鏈具體化，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 當執(zhí)行傘骨位于結(jié)構(gòu)中間時，傘是無法正常打開的。或者打開后傘面外還會有其他 的機械結(jié)構(gòu)，這樣的話會影響傘的美觀性。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(jié)構(gòu)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(cè)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

15、運動鏈具體化，如下圖所示。 當執(zhí)行傘骨位于右側(cè)時，就只有一種情況，將其運動鏈具體化，可以得到如下結(jié)構(gòu)。 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。 B1212A1 B1 A1111 B1111 B1112 B1211 B1221 其中，B1111機構(gòu)為原形機構(gòu)。A1111、B1112 B1211、B1212 B1221機構(gòu)為新機構(gòu)。 4機構(gòu)設計 4.1結(jié)構(gòu)的選擇過程 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 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(jié)構(gòu)，傘 的質(zhì)量會變大，造價會變高。舍棄。 對于B1112結(jié)構(gòu)

16、， 在傘桿上有定點， 傘面的傘骨相連接的連桿勢必需要很長， 而且由于傘的旋轉(zhuǎn)對稱性，這根長桿需要 是一個問題。將這個方案舍棄。 對于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)對稱性，這個結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)進行設計。 4.2尺寸要求 我們小組采用圖解法進行結(jié)構(gòu)設計。結(jié)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 260mm 2. 傘桿總長為520mm折疊后為260mm 3. 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

17、。 4.3圖解過程 1.先畫長為520mmi勺傘桿，因為260弓COS62.5 = 293mm，再畫一根與 傘桿成62.5。長為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， 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 可以想象，如果滿足了傘的折疊要求，與支撐 那在將傘撐開的時候，這根桿可能將傘面刺破。 8根。如何將8根長桿都通過傘桿上的定點也 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(gòu)造線。 考慮到，整個

18、結(jié)構(gòu)不應出現(xiàn)死點，我們在連桿和構(gòu)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(jié)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(jié) 構(gòu)是完全可以關閉的。2 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= 227mn可以滑進長桿里） 2號桿桿長： 260 260 子 cos62.5cos62.5 = = 293mm293mm 3號桿桿長： 293 2 = 146 .5mm 2 293 漢 sin 62 .5。斗 cos 15 二 134 .5mm4號桿桿長： 5. 去掉輔助線，將各鉸接點和滑塊加上，按步驟 4算出的結(jié)果畫結(jié)構(gòu)簡圖，如下。 5運動仿真 5.1機構(gòu)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，原動件上方滑塊的位置、速度、加速度分析圖示 如下。 位置與時間關系圖 加速度與時間關系圖 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， 限位塊接觸時已經(jīng)趨近于勻速，加速度在