機械原理課程設(shè)計--折疊傘

1、<p>　　機械原理課程設(shè)計說明書</p><p>　　—— 折疊傘 </p><p>　　學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 </p><p>　　班 級： 機 英 1002 </p><p>　　組 員： </p><p>　　指導(dǎo)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(shè)計的題目是折疊傘。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，從中選取了一個感興趣的進行了機構(gòu)再生運動鏈設(shè)計

3、。在設(shè)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(shè)計，使之能完成整個傘張開和傘關(guān)閉的運動。并用Inventor軟件進行了運動仿真，得出了關(guān)鍵點位移、速度、加速度與時間的關(guān)系圖，證明了整個方案可行可靠。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機構(gòu)運動鏈再

4、生設(shè)計；結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)2</p><p>　　1.3 原始數(shù)據(jù)和設(shè)計要求2<

8、/p><p>　　2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析3</p><p>　　2.1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析3</p><p>　　2.2 相關(guān)專利舉例4</p><p><b>　　3 機構(gòu)創(chuàng)新9</b></p><p>　　3.1 原形機構(gòu)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(shù)綜合10</p><p>　　3.4 主運動鏈特定化11</p><p><b>　　4 機構(gòu)設(shè)計15</b></p><p>　　4.1 機構(gòu)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(gòu)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(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。</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(jié)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(shù)一般多為

13、高檔遮陽傘、洋傘。它們一般骨架設(shè)計穩(wěn)固，主要優(yōu)點：質(zhì)量好，外形漂亮，攜帶方便，防風(fēng)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(shè)計的。這是比較中庸的設(shè)計，從質(zhì)地、使用等方面來看都是比較適中的設(shè)計。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、實用化的設(shè)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(shè)計而成。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。</p><p>　　我們小組在學(xué)完《機械原理》的相關(guān)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(shè)計的題目。</p><p>　　1.2折疊傘的基本結(jié)構(gòu)</p><p>

15、;　　① 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>　?、蹖⒗瓧U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(jié)構(gòu)。</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>　?、堇瓧U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>　　⑥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。</p><p>　?、呋謴?fù)到收起的狀態(tài)。</p><p>　?、?② ③

17、</p><p>　?、?⑤ ⑥ ⑦</p><p>　　1.3原始數(shù)據(jù)和設(shè)計要求</p><p>　?、?所設(shè)計的傘為單人折疊傘。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Φ50

18、 mm 的圓柱體。</p><p>　?、谠O(shè)計的傘應(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。 </p><p>　　③設(shè)計出的傘應(yīng)該與現(xiàn)有的折疊傘結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新。</p><p>　　2 現(xiàn)有機構(gòu)分析 </p><p><b>　　2.1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析</b></p>

19、<p>　　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。</p><p>　　現(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)。</p><p>　　以應(yīng)用廣泛的三折傘結(jié)構(gòu)為例：

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

21、的直桿傘。實物圖，以及機構(gòu)簡圖如下。</p><p>　　歸納它的拓撲構(gòu)造特性如下：</p><p>　　① 它的主運動機構(gòu)是單自由度機構(gòu)。</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(gòu)成。</p><p>　　③ 它是六桿七副的平面結(jié)構(gòu)。</p><p>　　④ 它具有5個轉(zhuǎn)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(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。</p><p>　　3.3主運動鏈數(shù)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(jié)構(gòu)還可以轉(zhuǎn)化為等價的“Stephenson’s linkage”。如下圖。 </p><p>　　對于新設(shè)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(shè)計要求與約束條件：</p><p>　　① 將傘桿作為新結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的機架。為滿足強度要求，傘桿應(yīng)該是三副桿。</p><p>　?、?保證整個傘結(jié)構(gòu)可以

24、動作，而且為了方便開傘關(guān)傘，原動件應(yīng)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(yīng)該和傘桿以轉(zhuǎn)動副相連。</p><p>　?、?撐起傘面的傘骨（以下稱其為執(zhí)行傘骨）和原動件應(yīng)該是兩個連架桿。</p><p>　?、?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)計過程中，再增加一個移動副。（2個移動副，5個轉(zhuǎn)

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(jié)構(gòu)設(shè)計中不應(yīng)該出現(xiàn)焊點。</p><p>　?、?傘面為編制材料，所以新結(jié)構(gòu)中不應(yīng)該出現(xiàn)會與傘面相交的長滑塊導(dǎo)軌，這會刺破傘面。</p><p>　?、?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(yīng)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(shè)計要求和約束條件，原動件和執(zhí)行傘骨應(yīng)該是

27、兩個連架桿。而且原動件應(yīng)該是移動副，不出現(xiàn)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(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。考慮到設(shè)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(jié)構(gòu)。</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(dāng)執(zhí)行傘骨位于結(jié)構(gòu)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(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。</p><p>　　再增加一個移動副時，考慮到設(shè)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(jié)構(gòu)都有可能實現(xiàn)。我們分別分析。</p><p>　　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(shè)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(dāng)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)。</p><p>　　綜上所述，滿足設(shè)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(gòu)為原形機構(gòu)。A1111、B1112、B1211、B1212、B1221機構(gòu)為新機構(gòu)。</p><p><b>　　4 機構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　4.1結(jié)構(gòu)的選擇過程</p><p>　　A1111和B1221兩種結(jié)構(gòu)需要在支撐

32、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(dǎo)軌和對應(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)量會變大，造價會變高。舍棄。</p><p>　　對于B1112結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)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(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。</p><p>　　最后，我們小組決定采用B1211，作為新結(jié)構(gòu)進行設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合現(xiàn)在市面上的傘的尺寸，提出的設(shè)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(yīng)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?nèi)B中點作水平構(gòu)造線?？紤]到，整個結(jié)構(gòu)不應(yīng)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。</p><p>　　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

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(jié)構(gòu)是完全可以關(guān)閉的。</p><p>　　4.根據(jù)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(jié)果畫結(jié)構(gòu)簡圖，如下。

39、</p><p><b>　　5 運動仿真</b></p><p>　　5.1機構(gòu)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(dāng)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(guān)系圖　　　

40、運動速度與時間關(guān)系圖 </p><p><b>　　加速度與時間關(guān)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(jīng)趨近于勻速，加速度在要和限位塊接觸時已經(jīng)趨近于0。由此可以得出結(jié)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(shè)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(chǎn)權(quán)網(wǎng). [DB/OL]. [2013

42、-11-20]. .</p><p>　　[4] 百傘網(wǎng). 維基揭密之傘的折數(shù)，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(shè)計我們收獲頗豐。在這一段時間內(nèi)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(xué)問。它是怎么運動的？你的傘是幾折傘？各折傘的結(jié)構(gòu)區(qū)別在哪，其特點又有什么不同？世事洞明皆學(xué)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(guān)于傘的專利真是五花八門，不僅僅是機構(gòu)創(chuàng)新，還有各種用途的傘：自行車傘、通風(fēng)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(yīng)對各種各樣真實發(fā)生的場景而應(yīng)運而生的。真是非常有啟發(fā)性！這更提醒了我，不光要學(xué)好課本知識，更要注意生活實踐，不結(jié)合實際做