機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告-折疊傘

...wd......wd......wd...機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)說明書——折疊傘學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院班級(jí)：機(jī)英1002組員：尹鑫〔201061824〕李宇〔201061836〕指導(dǎo)教師：董惠敏2013年11月9日摘要我們組課程設(shè)計(jì)的題目是折疊傘。我們首先研究了有關(guān)傘構(gòu)造方面的背景材料，結(jié)合自己手中的傘，對(duì)折疊傘的構(gòu)造和大體尺寸有了初步的了解。然后查閱了有關(guān)傘構(gòu)造方面的相關(guān)專利，從中選取了一個(gè)感興趣的進(jìn)展了機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，考慮到傘的運(yùn)動(dòng)過程和實(shí)際中使用的情況，提出了假設(shè)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)的構(gòu)造，其中一種是原形構(gòu)造。在對(duì)5種新構(gòu)造進(jìn)展構(gòu)造分析后，選取了其中一種最合理的構(gòu)造，進(jìn)展了尺寸設(shè)計(jì)，使之能完成整個(gè)傘張開和傘關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)。并用Inventor軟件進(jìn)展了運(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。關(guān)鍵詞：機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈再生設(shè)計(jì)；構(gòu)造分析；運(yùn)動(dòng)仿真AbstractOurgroup’scurriculumdesignsubjectisaboutfoldingumbrellas.Togetageneralknowledgeofthestructureanddimensionoftheumbrellas,westudythebackgroundinformationofthem,combiningwithourownonesatthemeanwhile.Thenwelookupsomerelatedpatentsandpicksomeinterestedinouttodoregenerationofkinematicdesign.Consideringpracticalsituationsandthemotorprocess,wecomeupwithseveralrequirementsandfinallygetsixstructuresavailableconcludingtheoriginalone.Afteranalysisanddiscussion,wechoosethemostreasonableoneanddesigndimensions,inordertomaketheumbrellapossibletocompletethemotorprocess.Last,weuseInventortodothemotionsimulationtoprovetheprojectfeasible.目錄摘要③④⑤⑥⑦1.3原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求①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。撐開后傘高560mm，傘面外接圓直徑520mm。折疊后，總長260mm，忽略傘面褶皺，大體上是一個(gè)Φ50mm的圓柱體。②設(shè)計(jì)的傘應(yīng)該是可以折疊方便攜帶的，傘骨構(gòu)造應(yīng)在滿足受力要求的情況下，盡可能的簡便，輕快。③設(shè)計(jì)出的傘應(yīng)該與現(xiàn)有的折疊傘構(gòu)造上有所創(chuàng)新。

2現(xiàn)有機(jī)構(gòu)分析2.1現(xiàn)有構(gòu)造分析現(xiàn)在，傘的作用被廣闊的人們所成認(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)的開展，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世，它給人們的生活帶來許多方便和樂趣?，F(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傘一般都采用了這樣的構(gòu)造。以應(yīng)用廣泛的三折傘構(gòu)造為例：構(gòu)造簡圖如下：傘桿傘桿2.2相關(guān)專利舉例專利號(hào)專利名稱專利描述圖示CN00250362.X一種新CN00250362.X一種新形的傘骨構(gòu)造本實(shí)用新形是一種新形的傘骨構(gòu)造,令撐桿形成為其連動(dòng)性的撐合構(gòu)造,在改變兩者樞接支點(diǎn)及距離下,并藉由傘面所能到達(dá)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。DOF=3*7-2*10=1一個(gè)人雨傘CN200620000501.0一個(gè)人雨傘CN200620000501.0一種一個(gè)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=1新形新形自行車雨傘CN02237319.5新形自行車雨傘，其目的是解決騎車遇到雨，不好避雨的技術(shù)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)器的中心位置，實(shí)現(xiàn)本方案的最正確方式是以不銹鋼為材料，利用機(jī)械工廠的基本設(shè)備，采取批量生產(chǎn)，以供應(yīng)生活界的需求，實(shí)現(xiàn)新形自行車雨傘的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。DOF=3*5-2*6=3因?yàn)槠溆晒潭ɡK和螺栓可固定，所以不為1CN97245148.X太陽傘CN97245148.X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，頂桿和支桿采用中空的管狀構(gòu)造，支桿的兩端分別同頂桿和滑鈕鉸接。DOF=3*5-2*7=1CN201220191774.3無柄三折方傘CN201220191774.3無柄三折方傘一種無需手撐的無柄三折方傘，涉及日用品中的雨具領(lǐng)域。本傘適合人們戶外烈日暴雨下的各種活動(dòng)。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(duì)傘骨向下的拉力與頭部對(duì)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(shí)，只要移動(dòng)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(fēng)暴雨；傘用完后三折收攏，攜帶輕松。CN201230252895.X遮陽大傘遮陽大傘大形太陽傘一般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(shí)具備防紫外線、防雨和高抗風(fēng)功能，大形太陽傘的抗風(fēng)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(fù)合材料等。DOF=3*3-2*4=1CN00116807.X通風(fēng)傘通風(fēng)傘通風(fēng)傘是一種具有通風(fēng)口的傘，該由傘桿、傘骨架、傘篷和支臂等部件構(gòu)成。該傘包括兩個(gè)傘骨架，該兩傘骨架分別由上傘骨組和下傘骨組構(gòu)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，下傘篷開有中央大孔，二篷間留有間隙，形成通口。該傘既可遮陽擋風(fēng)又可通風(fēng)。大風(fēng)時(shí)，易于撐握傘身且不易被風(fēng)吹壞。DOF=3*5-2*7=1CN00258838.2吊傘吊傘吊傘又稱香蕉傘，傘面撐開最大直徑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〔可用砂袋等重物壓住〕，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，傘部位角度可控制，上下也可升降，傘布：180克，有窗無邊滌淪布，防水，防紫外線。DOF=3*3-2*4=1寵物傘寵物傘CN200520067238.2由于本實(shí)用新形的骨架排列與習(xí)用的傘具方向相反，傘面內(nèi)端連接在可滑動(dòng)的下巢上，故，傘具翻開時(shí)，傘面是反向向下，人們可很方便的給自己的寵物遮擋陽光。此外，本實(shí)用新形還在傘桿上設(shè)置按鍵和上跳簧兩個(gè)卡位機(jī)構(gòu)，可很好的將滑動(dòng)下巢定位在收合和開啟的狀態(tài)。DOF=3*3-2*4CN00249742.5長桿傘長桿傘本傘特點(diǎn)構(gòu)造較簡單，較為耐用，制造方便，經(jīng)濟(jì)成本低，閑置時(shí)占用空間較大，且不方便攜帶。DOF=3*5-2*7=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)的直桿傘。實(shí)物圖，以及機(jī)構(gòu)簡圖如下。歸納它的拓?fù)錁?gòu)造特性如下：①它的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是單自由度機(jī)構(gòu)。②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。③它是六桿七副的平面構(gòu)造。④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。如以以下圖。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，如以以下圖，屬于“Watt’slinkage〞。六桿七副構(gòu)造還可以轉(zhuǎn)化為等價(jià)的“Stephenson’slinkage〞。如以以下圖。對(duì)于新設(shè)計(jì)的傘構(gòu)造，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：①將傘桿作為新構(gòu)造設(shè)計(jì)過程中的機(jī)架。為滿足強(qiáng)度要求，傘桿應(yīng)該是三副桿。②保證整個(gè)傘構(gòu)造可以動(dòng)作，而且為了方便開傘關(guān)傘，原動(dòng)件應(yīng)該是一個(gè)移動(dòng)副。③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。④撐起傘面的傘骨〔以下稱其為執(zhí)行傘骨〕和原動(dòng)件應(yīng)該是兩個(gè)連架桿。⑤為滿足之前提出的盡可能使構(gòu)造簡便緊湊的要求，我們決定在新構(gòu)造設(shè)計(jì)過程中，再增加一個(gè)移動(dòng)副?！?個(gè)移動(dòng)副，5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副〕⑥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，新構(gòu)造設(shè)計(jì)中不應(yīng)該出現(xiàn)焊點(diǎn)。⑦傘面為編制材料，所以新構(gòu)造中不應(yīng)該出現(xiàn)會(huì)與傘面相交的長滑塊導(dǎo)軌，這會(huì)刺破傘面。⑧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)惴_，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)稱性，“Watt’slinkage〞,“Stephenson’slinkage〞都只有一種可能性。如以以下圖所示。機(jī)架機(jī)架機(jī)架機(jī)架A1B1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)構(gòu)造不能出現(xiàn)焊點(diǎn)。所以執(zhí)行傘骨的位置只有一種情況。如A111。現(xiàn)在增加一個(gè)移動(dòng)副?？紤]到設(shè)計(jì)要求和約束條件，只剩一種情況。如A1111。將其運(yùn)動(dòng)鏈具體化，可以得到如下構(gòu)造。再分析Ｂ11。執(zhí)行傘骨的位置有兩種可能。分別為B111和B112。當(dāng)執(zhí)行傘骨位于構(gòu)造中間時(shí)，傘是無法正常翻開的?；蛘叻_后傘面外還會(huì)有其他的機(jī)械構(gòu)造，這樣的話會(huì)影響傘的美觀性。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，滿足的可能有兩種。B1111和B1112。另一種情況B1112如以以下圖所示：考慮B12，其執(zhí)行傘骨的位置可能有兩種情況。這兩種構(gòu)造都有可能實(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，將其運(yùn)動(dòng)鏈具體化，如以以下圖所示。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，可以得到如下構(gòu)造。綜上所述，滿足設(shè)計(jì)要求和約束條件的情況共有6種。列舉如下。 A1111B1111B1112B1211B1212B1221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構(gòu)造的選擇過程A1111和B1221兩種構(gòu)造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)稱性，那么需要至少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構(gòu)造，傘的質(zhì)量會(huì)變大，造價(jià)會(huì)變高。舍棄。對(duì)于B1112構(gòu)造，在傘桿上有定點(diǎn)，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(shí)候，這根桿可能將傘面刺破。而且由于傘的旋轉(zhuǎn)對(duì)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(diǎn)也是一個(gè)問題。將這個(gè)方案舍棄。對(duì)于B1212構(gòu)造。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)稱性，這個(gè)構(gòu)造，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，作為新構(gòu)造進(jìn)展設(shè)計(jì)。4.2尺寸要求、我們小組采用圖解法進(jìn)展構(gòu)造設(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：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(dòng)件〔傘桿上的滑塊〕應(yīng)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的傘桿，因?yàn)椋佼嬕桓c傘桿成62.5°長為293mm的執(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。而且要滿足尺寸要求的第3條。所以，以執(zhí)行傘桿的中點(diǎn)為圓心，以執(zhí)行傘桿長度為直徑作圓，交主傘桿于點(diǎn)A，如圖。BABA3.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?？紤]到，整個(gè)構(gòu)造不應(yīng)出現(xiàn)死點(diǎn)，我們在連桿和構(gòu)造線之間取一個(gè)小夾角，定為15°，如以以下圖。DACBDACB在這里有必要說明一點(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。也就是說不必再畫出傘閉合時(shí)的情況，完全可以用右圖中各桿尺寸來驗(yàn)證傘能否完全閉合。通過簡單的幾何證明就可以知道，圖示中的傘構(gòu)造是完全可以關(guān)閉的。

4.根據(jù)上述圖解過程，計(jì)算各桿長標(biāo)注如下。142314231號(hào)桿桿長：520mm〔還有520－293＝227mm可以滑進(jìn)長桿里〕2號(hào)桿桿長：3號(hào)桿桿長：4號(hào)桿桿長：

5.去掉輔助線，將各鉸接點(diǎn)和滑塊加上，按步驟4算出的結(jié)果畫構(gòu)造簡圖，如下。傘桿〔機(jī)架〕傘桿〔機(jī)架〕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Inventor軟件中建設(shè)了模形，并對(duì)模形進(jìn)展了運(yùn)動(dòng)仿真。當(dāng)原動(dòng)件以30mm/s的速度向上做開傘運(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