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：指導(dǎo)教師：董惠敏2013年11月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)傘張開和傘關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)。 并

2、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。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(jié)構(gòu) 21.3 原始數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求 22 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)

5、分析 32.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析 32.2 相關(guān)專利舉例 43 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新 93.1 原形機(jī)構(gòu) 93.2 主運(yùn)動(dòng)鏈的一般化 93.3 主運(yùn)動(dòng)鏈數(shù)綜合 103.4 主運(yùn)動(dòng)鏈特定化 114 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 154.1 機(jī)構(gòu)的選擇過程 154.2 尺寸要求 164.3 圖解過程 165 運(yùn)動(dòng)仿真 215.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與仿真 216 參考文獻(xiàn) 237 心得體會(huì) 248 小組分工 259 機(jī)械原理搭接實(shí)驗(yàn)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(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，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、使用等方面來看都是比較適中的設(shè)計(jì)。質(zhì)量好，使用壽命較長，防曬 防風(fēng)較好，重量適中，長短也適中。整體也是適中，是比較大眾化、實(shí)用化的設(shè)計(jì)理念。五折傘：這類傘以短小精悍、攜帶方便著稱。主要爭對(duì)一般傘具長而沉的毛病，由 樹脂骨、高級(jí)鋁合金骨架設(shè)計(jì)而

7、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(dòng)可以將傘撐開?？梢钥吹?，傘面上的骨架，全都是一些桿 結(jié)構(gòu)。 將傘完全撐開后，傘面是八邊形。這個(gè)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(gè)彈片可以將傘面收起。 拉動(dòng)拉桿上的

8、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)。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(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)在滿足受力要求的情況下，盡可能 的簡便，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

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?，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)簡圖如下：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一種新形的傘骨 結(jié)構(gòu)本實(shí)用新形是一種新 形的傘骨結(jié)構(gòu)，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DOF=3*7-2*10=1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。一個(gè)人雨傘一種一個(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

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?yàn)槠溆晒潭ɡK和螺栓可固定，所以不為1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) 本方案的最佳方式是 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

11、 傘的實(shí)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)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(jié) 構(gòu)，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(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。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(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DOF=3*5-2*7=1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(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。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(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，傘具打幵時(shí)，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(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 和幵啟的狀態(tài)。DOF=3*3-2*4CN00249742.5長桿傘本傘特點(diǎn)結(jié)構(gòu)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=13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： 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

15、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“Watt's linkage ”。Stephenson' s linkage ”。女口下圖。六桿七副結(jié)構(gòu)還可以轉(zhuǎn)化為等價(jià)的“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: 將傘桿作為新結(jié)構(gòu)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。 保證整個(gè)傘結(jié)構(gòu)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 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

16、轉(zhuǎn)動(dòng)副相連。 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。 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(shè)計(jì)過程 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，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)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)與傘面相交的長滑塊導(dǎo)軌，這會(huì) 刺破傘面。I 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_，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“Watt' s linkage ” , “Stephenson' s將傘桿作為機(jī)架，考

17、慮到運(yùn)動(dòng)鏈的對(duì)稱性, linkage ”都只有一種可能性。如下圖所示。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)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?？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，可以得到如下結(jié)構(gòu)。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(dāng)執(zhí)行傘骨位于結(jié)構(gòu)中間時(shí)，傘是無法正常打開的?；蛘叽蜷_后傘面外還會(huì)有其他的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這樣的話會(huì)影響傘的

18、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，B11

19、11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)，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結(jié)構(gòu)。

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(zhuǎn)對(duì)稱性，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勺傘桿，因?yàn)?60 " 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(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。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 考慮到，整個(gè)結(jié)構(gòu)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°如下圖。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

22、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，圖示中的傘結(jié) 構(gòu)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1號(hào)桿桿長：520 mm（還有520 293= 227mm可以滑進(jìn)長桿里）2號(hào)桿桿長：260一 cos62.5 = 293mm3號(hào)桿桿長 :2932 = 146 .5mm4號(hào)桿桿長:293sin 62.5 cos 15 二 134 .5mm25. 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)果畫結(jié)構(gòu)簡圖，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的速度向上做開傘運(yùn)動(dòng)時(shí)，