机械原理专业课程设计折叠伞.doc

机械原理课程设计阐明书 折叠伞 学 院： 机械工程学院 班 级： 机 英 1002 组 员： 尹 鑫（61824） 李 宇（61836）指引教师： 董 惠 敏 11月9日摘 要咱们组课程设计题目是折叠伞。咱们一方面研究了关于伞构造方面背景材料，结合自己手中伞，对折叠伞构造和大体尺寸有了初步理解。然后查阅了关于伞构造方面有关专利，从中选用了一种感兴趣进行了机构再生运动链设计。在设计过程中，考虑到伞运动过程和实际中使用状况，提出了若干条件和规定。在这些条件和规定约束下，最后得出了六种也许实现构造，其中一种是原形构造。在对5种新构造进行构造分析后，选用了其中一种最合理构造，进行了尺寸设计，使之能完毕整个伞张开和伞关闭运动。并用Inventor软件进行了运动仿真，得出了核心点位移、速度、加速度与时间关系图，证明了整个方案可行可靠。核心词：机构运动链再生设计；构造分析；运动仿真 Abstract Our groups 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 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 original one. After analysis and discussion，we choose 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 录摘 要IAbstractII1 题目简介11.1 背景材料11.2 折叠伞基本构造21.3 原始数据和设计规定22 既有构造分析32.1 既有构造分析32.2 有关专利举例43 机构创新93.1 原形机构93.2 主运动链普通化93.3 主运动链数综合103.4 主运动链特定化114 机构设计154.1 机构选取过程154.2 尺寸规定164.3 图解过程165 运动仿真215.1 机构运动与仿真216 参照文献237 心得体会248 小组分工259 机械原理搭接实验图片26 1 题目简介1.1背景材料伞是一种提供阴凉环境或遮蔽雨、雪工具。按伞面收起后伞骨架（龙骨）可以折叠次数，伞具市场当前重要分为四大类：直杆伞（一折）、两（二）折伞、三折伞、五折伞。下面简要分析一下，各种类形伞具优缺陷。直杆伞：或者叫一折伞。其长处是伞骨普通都为钢架，结实耐用。缺陷是较长，普通携带不是很以便，占空间。两折伞：这个折数普通多为高档遮阳伞、洋伞。它们普通骨架设计稳固，重要长处：质量好，外形美丽，携带以便，防风防晒效果好。缺陷：比五折、三折伞重量大。三折伞：三折伞分布甚广，普通大某些雨伞、阳伞都是这样设计。这是比较中庸设计，从质地、使用等方面来看都是比较适中设计。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、实用化设计理念。五折伞：此类伞以短小精悍、携带以便著称。重要争对普通伞具长而沉毛病，由树脂骨、高档铝合金骨架设计而成。重要弊病就是伞骨承受力，风雨状况下，伞骨是很难承受住。咱们小组在学完机械原理有关课程后，对各种单人折叠伞构造产生了浓厚兴趣。因而选取“折叠伞”作为咱们课程设计题目。1.2折叠伞基本构造 折叠伞处在完全折叠状态，忽视伞面上褶皱，大体上可以看做一种50 mm ，长 260 mm 圆柱体。将拉杆拉开。拉杆是两段式。拉开后拉杆总长约为560 mm。将拉杆上滑块向伞顶滑动可以将伞撑开。可以看到，伞面上骨架，全都是某些杆构造。将伞完全撑开后，伞面是八边形。这个八边形外接圆直径长为520 mm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。拉动拉杆上滑块，伞面在伞骨杆构造牵引下逐渐收起。恢复到收起状态。 1.3原始数据和设计规定 所设计伞为单人折叠伞。尺寸初步设定为与图中单人伞一致。撑开后伞高 560 mm ，伞面外接圆直径 520 mm。折叠后，总长 260 mm ，忽视伞面褶皱，大体上是一种50 mm 圆柱体。设计伞应当是可以折叠以便携带，伞骨构造应在满足受力规定状况下，尽量简便，轻快。 设计出伞应当与既有折叠伞构造上有所创新。2 既有机构分析 2.1既有构造分析当前，伞作用被广大人们所承认，它已经成为寻常旅行、外出必带物品。随着制伞工业发展，各具特色伞：带收音机伞、有香味伞、能照明伞、防暴催泪伞、盲人探路伞等都相继问世，它给人们生活带来许多以便和乐趣。当前人们应用最多最广就是三折伞，既有便携式雨伞和遮阳伞普通都采用了这样构造。以应用广泛三折伞构造为例：构造简图如下： 伞杆2.2有关专利举例 专利号专利名称专利描述图示CN00250362.X一种新形伞骨构造本实用新形是一种新形伞骨构造,令撑杆形成为其连动性撑合构造,在变化两者枢接支点及距离下,并藉由伞面所能达到有效距离变化,使伞支骨与撑骨间,产生高抗性弹力,进而提高整个伞具抗翻强度。DOF=3*7-2*10=1一种人雨伞CN.0一种一种人雨伞，其特性在于，雨伞伞杆处在雨伞正中间旁雨伞半径三分之一处，伞左边长度是伞右边长度两倍，伞左边支架为四根小支架构成，伞右边支架由两根构成，左边三根分支架与右边五根分支架伸尺方式相反。DOF=3*13-2*19=1新形自行车雨伞CN02237319.5新形自行车雨伞，其目是解决骑车遇到雨，不好避雨技术问题，其特征是：固定伸缩节螺栓固定安装在车后座后部位置，转动器螺钉安装在固定伸缩节上部位置，伸缩杆内置穿孔安装在转动器中心位置，实现本方案最佳方式是以不锈钢为材料，运用机械工厂基本设备，采用批量生产，以供应生活界需求，实现新形自行车雨伞实用和经济价值。DOF=3*5-2*6=3由于其由固定绳和螺栓可固定，因此不为1CN97245148.X太阳伞一种太阳伞，其特性在于：支撑骨架由顶杆、支杆及滑钮构成，顶杆和 支杆采用中空管状构造，支杆两端分别同顶杆和滑钮铰接。DOF=3*5-2*7=1CN.3无柄三折方伞一种无需手撑无柄三折方伞，涉及日用品中雨具领域。本伞适合人们户外烈日暴雨下各种活动。本伞固定在身原理是，运用伞骨钢丝、伞带橡筋和伞垫橡胶弹性，通过挎在腋下伞带对伞骨向下拉力与头部对伞垫向上反作用顶力相持平衡形成绷力使伞能紧紧固定在身上。使用时，只要移动头上伞垫就可调节伞向；拉紧伞成流线形还可抵抗狂风暴雨；伞用完后三折收拢，携带轻松。CN.X遮阳大伞大形太阳伞普通指非手持类太阳伞，重要固定在地面使用。优质大形太阳伞同步具备防紫外线、防雨和高抗风功能，大形太阳伞抗风能力由重要有伞座，伞柱及伞骨决定，伞座普通有多铁件、水泥，大理石及注水等类伞座。伞柱伞骨用料普通分五种:木质、铁质、铝合金合、不锈钢和新形复合材料等。DOF=3*3-2*4=1CN00116807.X通风伞通风伞是一种具备通风口伞，该由伞杆、伞骨架、伞篷和支臂等部件构成。该伞涉及两个伞骨架，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。该伞上伞篷篷面比下伞篷小，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=1CN00258838.2吊伞吊伞又称香蕉伞，伞面撑开最大直径3米，伞高度2.2-2.3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0.45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CN.2由于本实用新形骨架排列与习用伞具方向相反，伞面内端连接在可滑动下巢上，故，伞具打开时，伞面是反向向下，人们可很以便给自己宠物遮挡阳光。此外，本实用新形还在伞杆上设立按键和上跳簧两个卡位机构，可较好将滑动下巢定位在收合和启动状态。DOF=3*3-2*4CN00249742.5长杆伞 本伞特点构造较简朴，较为耐用，制造以便，经济成本低，闲置时占用空间较大，且不以便携带。DOF=3*5-2*7=13 机构创新3.1原形机构咱们小组研究对象是一柄具备六杆机构直杆伞。实物图，以及机构简图如下。 归纳它拓扑构造特性如下： 它主运动机构是单自由度机构。 它由伞杆、两个滑块、支撑伞面伞骨以及两根连杆构成。 它是六杆七副平面构造。 它具备5个转动副和2个移动副。3.2主运动链普通化接下来将原形机构主运动链普通化。取消伞杆，将其变成三个独立机架。然后将两个移动副普通化为转动副。如下图。 3.3主运动链数综合为了消除尺度影响，可表达为更普通化运动链，如下图，属于“Watts linkage”。六杆七副构造还可以转化为等价“Stephensons linkage”。如下图。 对于新设计伞构造，运动链特定化时，咱们小组但愿其符合如下设计规定与约束条件： 将伞杆作为新构造设计过程中机架。为满足强度规定，伞杆应当是三副杆。 保证整个伞构造可以动作，并且为了以便开伞关伞，原动件应当是一种移动副。 考虑到伞面撑起时运动状况，撑起伞面伞骨应当和伞杆以转动副相连。 撑起伞面伞骨（如下称其为执行伞骨）和原动件应当是两个连架杆。 为满足之前提出尽量使构造简便紧凑规定，咱们决定在新构造设计过程中，再增长一种移动副。（2个移动副，5个转动副） 为了保证伞可以成功折叠起来，并且折叠后伞占体积尽量小，新构造设计中不应当浮现焊点。 伞面为编制材料，因此新构造中不应当浮现会与伞面相交长滑块导轨，这会刺破伞面。 如果伞杆上同步浮现两个移动副时，为了保证伞使用者可以将伞打开，原动件所在移动副应当在最下方。3.4主运动链特定化将伞杆作为机架，考虑到运动链对称性，“Watts linkage”,“Stephensons linkage”都只有一种也许性。如下图所示。 机 架 机 架 A1 B1按设计规定和约束条件，原动件和执行伞骨应当是两个连架杆。并且原动件应当是移动副，不浮现焊点。因此也许状况有如下3种。先分析A11。由于原动件和执行伞骨都是连架杆，并且整个构造不能浮现焊点。因此执行伞骨位置只有一种状况。如A111。当前增长一种移动副。考虑到设计规定和约束条件，只剩一种状况。如A1111。将其运动链详细化，可以得到如下构造。 再分析11。执行伞骨位置有两种也许。分别为B111和B112。 当执行伞骨位于构造中间时，伞是无法正常打开。或者打开后伞面外还会有其她机械构造，这样话会影响伞美观性。咱们决定将这种状况舍弃。再增长一种移动副时，考虑到设计规定和约束条件，满足也许有两种。B1111和B1112。 另一种状况B1112如下图所示： 考虑B12，其执行伞骨位置也许有两种状况。 这两种构造均有也许实现。咱们分别分析。先考虑执行伞骨在伞杆左侧状况。增长一种移动副后，满足设计规定和约束条件共有两种也许。第一种（B1211）： 第二种状况B1212，将其运动链详细化，如下图所示。 当执行伞骨位于右侧时，就只有一种状况，将其运动链详细化，可以得到如下构造。 综上所述，满足设计规定和约束条件状况共有6种。列举如下。 A1111 B1111 B1112 B1211 B1212 B1221 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4.1构造选取过程A1111和B1221两种构造需要在支撑伞面伞骨上加装滑块，考虑到伞面旋转对称性，则需要至少8根导轨和相应滑块。与当前市面上伞相比增长了诸多构造，伞质量会变大，造价会变高。舍弃。对于B1112构造，在伞杆上有定点，可以想象，如果满足了伞折叠规定，与支撑伞面伞骨相连接连杆势必须要很长，那在将伞撑开时候，这根杆也许将伞面刺破。并且由于伞旋转对称性，这根长杆需要8根。如何将8根长杆都通过伞杆上定点也是一种问题。将这个方案舍弃。对于B1212构造。需要在与支撑伞面伞骨相连连杆上增长滑块。同理，依照伞旋转对称性，这个构造，需要8组。增长了伞重量和造价。舍弃。最后，咱们小组决定采用B1211，作为新构造进行设计。4.2尺寸规定、咱们小组采用图解法进行构造设计。结合当前市面上伞尺寸，提出设计规定如下：1. 伞面张角为135，伞面张开后，半径大概在260mm2.伞杆总长为520mm，折叠后为260mm3.伞折叠后，原动件（伞杆上滑块）应在伞杆底部，以便使用者开伞。4.3图解过程1.先画长为520mm伞杆，由于 ，再画一根与伞杆成62.5长为293mm执行伞杆。作图如下。2.考虑到要使杆受力状况尽量好，咱们决定将与执行伞杆相连连杆节点，放在执行伞杆中点处。并且要满足尺寸规定第3条。因此，以执行伞杆中点为圆心，以执行伞杆长度为直径作圆，交主伞杆于点A，如图。BA3.咱们连接AB两点。同样为了受力状况尽量均匀，咱们取AB中点作水平构造线。考虑到，整个构造不应浮现死点，咱们在连杆和构造线之间取一种小夹角，定为15，如下图。DACB在这里有必要阐明一点，结合伞使用时实际状况，在伞闭合时，只需要使原动件滑块大体与执行伞骨末端平齐，并且AC、CD两杆长度之和不大于闭合时A点到限位块距离即可。别的位置点不需考虑。也就是说不必再画出伞闭合时状况，完全可以用右图中各杆尺寸来验证伞能否完全闭合。通过简朴几何证明就可以懂得，图示中伞构造是完全可以关闭。4.依照上述图解过程，计算各杆长标注如下。14231号杆杆长 ：520 mm（尚有520293227mm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，按环节4算出成果画构造简图，如下。 伞杆（机架）5 运动仿真5.1机构运动与仿真 咱们小组按在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速度向上做开伞运动时，原动件上方滑块位置、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，滑块与限位块接触属于柔性接触，没有冲击，对延长伞使用寿命有利，符合实际规定。6 参照文献1 不详. 雨伞设计EB/OL. -12-2. .2 维基百科. 伞EB/OL. -11-20. .3 中华人民共和国知识产权网. DB/OL. -11-20. .4 百伞网. 维基揭密之伞折数，几折伞什么意思EB/OL. -12-8. .7 心得体会通过本次课程设计咱们收获颇丰。在这一段时间内咱们二人通力合伙，努力完毕了对于雨伞研究。虽然伞在生活中很常用，但是此前却没有认真研究过它，本来这里面尚有这样多学问。它是怎么运动？你伞是几折伞？各折伞构造区别在哪，其特点又有什么不同？世事洞明皆学问，人情练达即文章。其中我感触最深就是查专利某些，关于伞专利真是五花八门，不但仅是机构创新，尚有各种用途伞：自行车伞、通风伞等等，甚至尚有挂在身上解放双手！这些都是从生活中找到灵感，都是为了应对各种各样真实发生场景而应运而生。真是非常有启发性！这更提示了我，不光要学好课本知识，更要注意生活实践，不结合实际做出东西永远都没有价值。通过本次课程设计，我不但对日后毕业设计有了初步理解和完毕信心，收获了查阅各种科技文献能力，同步也再次纯熟了各种机械有关节能，增长了团队合伙能力，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状态。