机械原理课程设计折叠伞.docx
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机械原理课程设计折叠伞
机械原理课程设计说明书
——折叠伞
学院：
机械工程学院
班级：
机英1002
组员：
尹鑫（4）
李宇（6）
指导教师：
董惠敏
2013年11月9日
摘要
我们组课程设计的题目是折叠伞。
我们首先研究了有关伞结构方面的背景材料，结合自己手中的伞，对折叠伞的结构和大体尺寸有了初步的了解。
然后查阅了有关伞结构方面的相关专利，从中选取了一个感兴趣的进行了机构再生运动链设计。
在设计过程中，考虑到伞的运动过程和实际中使用的情况，提出了若干条件和要求。
在这些条件和要求的约束下，最后得出了六种可能的实现的结构，其中一种是原形结构。
在对5种新结构进行结构分析后，选取了其中一种最合理的结构，进行了尺寸设计，使之能完成整个伞张开和伞关闭的运动。
并用Inventor软件进行了运动仿真，得出了关键点位移、速度、加速度与时间的关系图，证明了整个方案可行可靠。
关键词：
机构运动链再生设计；结构分析；运动仿真
Abstract
Ourgroup’scurriculumdesignsubjectisaboutfoldingumbrellas.Togetageneralknowledgeofthestructureanddimensionoftheumbrellas,westudythebackgroundinformationofthem,combiningwithourownonesatthemeanwhile.Thenwelookupsomerelatedpatentsandpicksomeinterestedinouttodoregenerationofkinematicdesign.Consideringpracticalsituationsandthemotorprocess,wecomeupwithseveralrequirementsandfinallygetsixstructuresavailableconcludingtheoriginalone.Afteranalysisanddiscussion,wechoosethemostreasonableoneanddesigndimensions,inordertomaketheumbrellapossibletocompletethemotorprocess.Last,weuseInventortodothemotionsimulationtoprovetheprojectfeasible.
折叠伞的基本结构
2
3
4
9
9
主运动链的一般化9
10
11
15
15
16
16
21
21
23
24
26
1题目简介
背景材料
伞是一种提供阴凉环境或遮蔽雨、雪的工具。
按伞面收起后伞的（龙骨）可以折的叠次数，伞具市场目前主要分为四大类：
直杆伞（一折）、两
（二）折伞、三折伞、五折伞。
下面简要分析一下，各种类形伞具的优缺点。
直杆伞：
或者叫一折伞。
其优点是伞骨一般都为钢架，结实耐用。
缺点是较长，一般携带不是很方便，占空间。
两折伞：
这个折数一般多为高档遮阳伞、洋伞。
它们一般骨架设计稳固，主要优点：
质量好，外形漂亮，携带方便，防风防晒效果好。
缺点：
比五折、三折伞重量大。
三折伞：
三折伞分布甚广，一般大部分雨伞、阳伞都是这样设计的。
这是比较中庸的设计，从质地、使用等方面来看都是比较适中的设计。
质量好，使用寿命较长，防晒防风较好，重量适中，长短也适中。
整体也是适中，是比较大众化、实用化的设计理念。
五折伞：
这类伞以短小精悍、携带方便着称。
主要争对一般伞具长而沉的毛病，由树脂骨、高级铝合金骨架设计而成。
主要弊病就是的承受力，风雨的情况下，伞骨是很难承受住的。
我们小组在学完《机械原理》的相关课程后，对各种单人折叠伞的构造产生了浓厚的兴趣。
因此选择“折叠伞”作为我们课程设计的题目。
折叠伞的基本结构
①折叠伞处于完全折叠的状态，忽略伞面上的褶皱，大体上可以看做一个Φ50mm，长260mm的圆柱体。
②将拉杆拉开。
拉杆是两段式。
拉开后拉杆总长约为560mm。
③将拉杆上的滑块向伞顶滑动可以将伞撑开。
可以看到，伞面上的骨架，全都是一些杆结构。
④将伞完全撑开后，伞面是八边形。
这个八边形的外接圆的直径长为520mm
⑤拉杆上有一弹片可以将伞面固定住，按下这个弹片可以将伞面收起。
⑥拉动拉杆上的滑块，伞面在伞骨杆结构的牵引下逐渐收起。
⑦恢复到收起的状态。
①②
④⑤⑥⑦
原始数据和设计要求
①所设计的伞为单人折叠伞。
尺寸初步设定为与图中单人伞一致。
撑开后伞高560mm，伞面外接圆直径520mm。
折叠后，总长260mm，忽略伞面褶皱，大体上是一个Φ50mm的圆柱体。
②设计的伞应该是可以折叠方便携带的，伞骨结构应在满足受力要求的情况下，尽可能的简便，轻快。
③设计出的伞应该与现有的折叠伞结构上有所创新。
2现有机构分析
现有结构分析
现在，伞的作用被广大的人们所承认，它已经成为日常旅行、外出的必带物品。
随着制伞工业的发展，各具特色的伞：
带收音机的伞、有香味的伞、能照明的伞、防暴催泪伞、盲人探路伞等都相继问世，它给人们的生活带来许多方便和乐趣。
现在人们应用最多最广的就是三折伞，现有的便携式雨伞和遮阳伞一般都采用了这样的结构。
以应用广泛的三折伞结构为例：
结构简图如下：
伞杆
相关专利举例
专利号
专利名称
专利描述
图示
一种新形的伞骨结构
本实用新形是一种新形的伞骨结构,令撑杆形成为其
连动性的撑合构造,在改变两者枢接支点及距离下,并藉由伞面
所能达到的有效距离变化,使伞支骨与撑骨间,产生高抗性弹力,
进而提高整个伞具的抗翻的强度。
DOF=3*7-2*10=1
一个人雨伞
一种一个人雨伞，其特征在于，雨伞伞杆处于雨伞正中间旁
雨伞半径的三分之一处，伞左边的长度是伞右边长度的两倍，伞左边
的支架为四根小支架组成，伞右边的支架由两根组成，左边的三根分
支架与右边的五根分支架的伸尺方式相反。
DOF=3*13-2*19=1
新形自行车雨伞
新形自行车雨伞，其目的是解决骑车遇到雨，不
好避雨的技术问题，其特
征是：
固定伸缩节螺栓固定安装在车后座的后部位置，转动器
螺钉安装在固定伸缩节的上部位置，伸缩杆内置穿孔安装在转
动器的中心位置，实现本方案的最佳方式是以不锈钢为材料，
利用机械工厂的基本设备，采取批量生产，以供应生活界的需
求，实现新形自行车雨伞的实用和经济价值。
DOF=3*5-2*6=3因为其由固定绳和螺栓可固定，所以不为1
太阳伞
一种太阳伞，其特征在于：
支撑骨架由顶杆、支杆及滑钮组成，顶杆和
支杆采用中空的管状结构，支杆的两端分别同顶杆和滑钮铰接。
DOF=3*5-2*7=1
无柄三折方伞
一种无需手撑的无柄三折方伞，涉及日用品中的雨具领域。
本伞适合人们户外烈日暴雨下的各种活动。
本伞固定在身的原理是，利用伞骨钢丝、伞带橡筋和伞垫橡胶的弹性，通过挎在腋下的伞带对伞骨向下的拉力与头部对伞垫向上的反作用顶力相持平衡形成的绷力使伞能紧紧固定在身上。
使用时，只要移动头上的伞垫就可调节伞向；拉紧伞成流线形还可抵御狂风暴雨；伞用完后三折收拢，携带轻松。
遮阳大伞
大形太阳伞一般指非手持类的太阳伞，主要固定在地面使用。
优质的大形太阳伞同时具备防紫外线、防雨和高抗风功能，大形太阳伞的抗风能力由主要有伞座，伞柱及伞骨决定，伞座一般有多铁件、水泥，大理石及注水等类伞座。
伞柱伞骨用料一般分五种:
木质、铁质、铝合金合、不锈钢和新形复合材料等。
DOF=3*3-2*4=1
通风伞
通风伞是一种具有通风口的伞，该由伞杆、伞骨架、伞篷和支臂等部件构成。
该伞包括两个伞骨架，该两伞骨架分别由上伞骨组和下伞骨组构成，分别支撑着上伞篷和下伞篷。
该伞的上伞篷的篷面比下伞篷小，下伞篷开有中央大孔，二篷间留有间隙，形成通口。
该伞既可遮阳挡风又可通风。
大风时，易于撑握伞身且不易被风吹坏。
DOF=3*5-2*7=1
吊伞
吊伞又称香蕉伞，伞面撑开最大直径3米，伞高度米，铁立杆直径48毫米厚度1毫米带十字底座（可用砂袋等重物压住），铁弯杆直径42毫米厚度1毫米，8根铁椭圆伞骨尺寸：
高12*宽18*厚度毫米，有缩管连接，伞部位角度可控制，高低也可升降，伞布：
180克，有窗无边涤沦布，防水，防紫外线。
DOF=3*3-2*4=1
宠物伞
由于本实用新形的骨架排列与习用的伞具方向相反，伞面内端连接在可滑动的下巢上，故，伞具打开时，伞面是反向向下，人们可很方便的给自己的宠物遮挡阳光。
此外，本实用新形还在伞杆上设置按键和上跳簧两个卡位机构，可很好的将滑动下巢定位在收合和开启的状态。
DOF=3*3-2*4
长杆伞
本伞特点结构较简单，较为耐用，制造方便，经济成本低，闲置时占用空间较大，且不方便携带。
DOF=3*5-2*7=1
3机构创新
原形机构
我们小组研究的对象是一柄具有六杆机构的直杆伞。
实物图，以及机构简图如下。
归纳它的拓扑构造特性如下：
①它的主运动机构是单自由度机构。
②它由伞杆、两个滑块、支撑伞面的伞骨以及两根连杆构成。
③它是六杆七副的平面结构。
④它具有5个转动副和2个移动副。
主运动链的一般化
接下来将原形机构的主运动链一般化。
取消伞杆，将其变成三个独立的机架。
然后将两个移动副一般化为转动副。
如下图。
主运动链数综合
为了消除尺度影响，可表示为更一般化的运动链，如下图，属于“Watt’slinkage”。
六杆七副结构还可以转化为等价的“Stephenson’slinkage”。
如下图。
对于新设计的伞结构，运动链特定化时，我们小组希望其符合以下设计要求与约束条件：
①将伞杆作为新结构设计过程中的机架。
为满足强度要求，伞杆应该是三副杆。
②保证整个伞结构可以动作，而且为了方便开伞关伞，原动件应该是一个移动副。
③考虑到伞面撑起时的运动情况，撑起伞面的伞骨应该和伞杆以转动副相连。
④撑起伞面的伞骨（以下称其为执行伞骨）和原动件应该是两个连架杆。
⑤为满足之前提出的尽可能使结构简便紧凑的要求，我们决定在新结构设计过程中，再增加一个移动副。
（2个移动副，5个转动副）
⑥为了保证伞能够成功的折叠起来，而且折叠后的伞占的体积尽可能小，新结构设计中不应该出现焊点。
⑦伞面为编制材料，所以新结构中不应该出现会与伞面相交的长滑块导轨，这会刺破伞面。
⑧如果伞杆上同时出现两个移动副时，为了保证伞的使用者能够将伞打开，原动件所在的移动副应该在最下方。
主运动链的特定化
将伞杆作为机架，考虑到运动链的对称性，“Watt’slinkage”,“Stephenson’slinkage”都只有一种可能性。
如下图所示。
A1B1
按设计要求和约束条件，原动件和执行伞骨应该是两个连架杆。
而且原动件应该是移动副，不出现焊点。
所以可能情况有如下3种。
先分析A11。
因为原动件和执行伞骨都是连架杆，而且整个结构不能出现焊点。
所以执行伞骨的位置只有一种情况。
如A111。
现在增加一个移动副。
考虑到设计要求和约束条件，只剩一种情况。
如A1111。
将其运动链具体化，可以得到如下结构。
再分析Ｂ11。
执行伞骨的位置有两种可能。
分别为B111和B112。
当执行伞骨位于结构中间时，伞是无法正常打开的。
或者打开后伞面外还会有其他的机械结构，这样的话会影响伞的美观性。
我们决定将这种情况舍弃。
再增加一个移动副时，考虑到设计要求和约束条件，满足的可能有两种。
B1111和B1112。
另一种情况B1112如下图所示：
考虑B12，其执行伞骨的位置可能有两种情况。
这两种结构都有可能实现。
我们分别分析。
先考虑执行伞骨在伞杆左侧的情况。
增加一个移动副后，满足设计要求和约束条件的共有两种可能。
第一种（B1211）：
第二种情况B1212，将其运动链具体化，如下图所示。
当执行伞骨位于右侧时，就只有一种情况，将其运动链具体化，可以得到如下结构。
综上所述，满足设计要求和约束条件的情况共有6种。
列举如下。
A1111B1111B1112
B1211B1212B1221
其中，B1111机构为原形机构。
A1111、B1112、B1211、B1212、B1221机构为新机构。
4机构设计
结构的选择过程
A1111和B1221两种结构需要在支撑伞面的伞骨上加装滑块，考虑到伞面的旋转对称性，则需要至少8根导轨和对应的滑块。
与现在市面上的伞相比增加了很多结构，伞的质量会变大，造价会变高。
舍弃。
对于B1112结构，在伞杆上有定点，可以想象，如果满足了伞的折叠要求，与支撑伞面的伞骨相连接的连杆势必需要很长，那在将伞撑开的时候，这根杆可能将伞面刺破。
而且由于伞的旋转对称性，这根长杆需要8根。
如何将8根长杆都通过伞杆上的定点也是一个问题。
将这个方案舍弃。
对于B1212结构。
需要在与支撑伞面的伞骨相连的连杆上增加滑块。
同理，根据伞的旋转对称性，这个结构，需要8组。
增加了伞的重量和造价。
舍弃。
最后，我们小组决定采用B1211，作为新结构进行设计。
尺寸要求
、
我们小组采用图解法进行结构设计。
结合现在市面上的伞的尺寸，提出的设计要求如下：
1.伞面张角为135°，伞面张开后，半径大概在260mm
2.伞杆总长为520mm，折叠后为260mm
3.伞折叠后，原动件（伞杆上的滑块）应在伞杆的底部，方便使用者开伞。
图解过程
1.先画长为520mm的伞杆，因为
，再画一根与伞杆成°长为293mm的执行伞杆。
作图如下。
2.考虑到要使杆的受力情况尽可能好，我们决定将与执行伞杆相连的连杆的节点，放在执行伞杆的中点处。
而且要满足尺寸要求的第3条。
所以，以执行伞杆的中点为圆心，以执行伞杆长度为直径作圆，交主伞杆于点A，如图。
B
A
3.我们连接AB两点。
同样为了受力情况尽可能均匀，我们取AB中点作水平构造线。
考虑到，整个结构不应出现死点，我们在连杆和构造线之间取一个小夹角，定为15°，如下图。
B
在这里有必要说明一点，结合伞使用时的实际情况，在伞闭合时，只需要使原动件滑块大致与执行伞骨末端平齐，而且AC、CD两杆长度之和小于闭合时A点到限位块的距离即可。
其余位置点不需考虑。
也就是说不必再画出伞闭合时的情况，完全可以用右图中各杆尺寸来验证伞能否完全闭合。
通过简单的几何证明就可以知道，图示中的伞结构是完全可以关闭的。
4.根据上述图解过程，计算各杆长标注如下。
1
1号杆杆长：
520mm（还有520－293＝227mm可以滑进长杆里）
2号杆杆长：
3号杆杆长：
4号杆杆长：
5.去掉辅助线，将各铰接点和滑块加上，按步骤4算出的结果画结构简图，如下。
伞杆
（机架）
5运动仿真
机构运动与仿真
我们小组按在Inventor软件中建立了模形，并对模形进行了运动仿真。
当原动件以30mm/s的速度向上做开伞运动时，原动件上方滑块的位置、速度、加速度分析图示如下。
位置与时间关系图
运动速度与时间关系图
加速度与时间关系图
可以看出在开伞的整个过程中速度和加速度在初始位置时变化很大，在要和伞杆的限位块接触时已经趋近于匀速，加速度在要和限位块接触时已经趋近于0。
由此可以得出结论，滑块与限位块的接触属于柔性接触，没有冲击，对延长伞的使用寿命有利，符合实际要求。
6参考文献
[1]不详.雨伞设计[EB/OL].[2013-12-2]..
[2]维基百科.伞[EB/OL].[2013-11-20]..
[3]中国知识产权网.[DB/OL].[2013-11-20]..
[4]百伞网.维基揭密之伞的折数，几折伞什么意思[EB/OL].[2013-12-8]..
7心得体会
通过本次课程设计我们收获颇丰。
在这一段时间内我们二人通力合作，努力完成了对于雨伞的研究。
虽然伞在生活中很常见，但是以前却没有认真研究过它，原来这里面还有这么多学问。
它是怎么运动的？
你的伞是几折伞？
各折伞的结构区别在哪，其特点又有什么不同？
世事洞明皆学问，人情练达即文章。
其中我感触最深的就是查专利的部分，关于伞的专利真是五花八门，不仅仅是机构创新，还有各种用途的伞：
自行车伞、通风伞等等，甚至还有挂在身上解放双手的！
这些都是从生活中找到的灵感，都是为了应对各种各样真实发生的场景而应运而生的。
真是非常有启发性！
这更提醒了我，不光要学好课本知识，更要注意生活实践，不结合实际做出的东西永远都没有价值。
通过本次课程设计，我不仅对日后的毕业设计有了初步了解和完成的信心，收获了查阅各种科技文献的能力，同时也再次熟练了各种机械相关的节能，增长了团队合作能力，受益匪浅。
9附机械原理搭接实验照片
分别是开伞状态和伞闭合时的状态。
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