机械原理课程设计报告-折叠伞

...wd......wd......wd...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〔201061824〕李宇〔201061836〕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构造方面的背景材料，结合自己手中的伞，对折叠伞的构造和大体尺寸有了初步的了解。然后查阅了有关伞构造方面的相关专利，从中选取了一个感兴趣的进展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，提出了假设干条件和要求。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构造，其中一种是原形构造。在对5种新构造进展构造分析后，选取了其中一种最合理的构造，进展了尺寸设计，使之能完成整个伞张开和伞关闭的运动。并用Inventor软件进展了运动仿真，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；构造分析；运动仿真AbstractOurgroup’scurriculumdesignsubjectisaboutfoldingumbrellas.Togetageneralknowledgeofthestructureanddimensionoftheumbrellas,westudythebackgroundinformationofthem,combiningwithourownonesatthemeanwhile.Thenwelookupsomerelatedpatentsandpicksomeinterestedinouttodoregenerationofkinematicdesign.Consideringpracticalsituationsandthemotorprocess,wecomeupwithseveralrequirementsandfinallygetsixstructuresavailableconcludingtheoriginalone.Afteranalysisanddiscussion,wechoosethemostreasonableoneanddesigndimensions,inordertomaketheumbrellapossibletocompletethemotorprocess.Last,weuseInventortodothemotionsimulationtoprovetheprojectfeasible.目录摘要③④⑤⑥⑦1.3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，伞骨构造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构造上有所创新。

2现有机构分析2.1现有构造分析现在，伞的作用被广阔的人们所成认，它已经成为日常旅行、外出的必带物品。随着制伞工业的开展，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构造。以应用广泛的三折伞构造为例：构造简图如下：伞杆伞杆2.2相关专利举例专利号专利名称专利描述图示CN00250362.X一种新CN00250362.X一种新形的伞骨构造本实用新形是一种新形的伞骨构造,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,并藉由伞面所能到达的有效距离变化,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CN200620000501.0一个人雨伞CN200620000501.0一种一个人雨伞，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新形新形自行车雨伞CN02237319.5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，实现本方案的最正确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1CN97245148.X太阳伞CN97245148.X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构造，支杆的两端分别同顶杆和滑钮铰接。DOF=3*5-2*7=1CN201220191774.3无柄三折方伞CN201220191774.3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。CN201230252895.X遮阳大伞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=1CN00116807.X通风伞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=1CN00258838.2吊伞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，上下也可升降，伞布：180克，有窗无边涤沦布，防水，防紫外线。DOF=3*3-2*4=1宠物伞宠物伞CN200520067238.2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，伞具翻开时，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*4CN00249742.5长杆伞长杆伞本伞特点构造较简单，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3.1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构造。④它具有5个转动副和2个移动副。3.2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。如以以下图。3.3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，如以以下图，属于“Watt’slinkage〞。六杆七副构造还可以转化为等价的“Stephenson’slinkage〞。如以以下图。对于新设计的伞构造，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将伞杆作为新构造设计过程中的机架。为满足强度要求，伞杆应该是三副杆。②保证整个伞构造可以动作，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构造简便紧凑的要求，我们决定在新构造设计过程中，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，新构造设计中不应该出现焊点。⑦伞面为编制材料，所以新构造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翻开，原动件所在的移动副应该在最下方。

3.4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。如以以下图所示。机架机架机架机架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，而且整个构造不能出现焊点。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，可以得到如下构造。再分析Ｂ11。执行伞骨的位置有两种可能。分别为B111和B112。当执行伞骨位于构造中间时，伞是无法正常翻开的。或者翻开后伞面外还会有其他的机械构造，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如以以下图所示：考虑B12，其执行伞骨的位置可能有两种情况。这两种构造都有可能实现。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，如以以下图所示。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，可以得到如下构造。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。 A1111B1111B1112B1211B1212B1221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构造的选择过程A1111和B1221两种构造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，那么需要至少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构造，伞的质量会变大，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构造。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，这个构造，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，作为新构造进展设计。4.2尺寸要求、我们小组采用图解法进展构造设计。结合现在市面上的伞的尺寸，提出的设计要求如下：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〔伞杆上的滑块〕应在伞杆的底部，方便使用者开伞。4.3图解过程1.先画长为520mm的伞杆，因为，再画一根与伞杆成62.5°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。BABA3.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，整个构造不应出现死点，我们在连杆和构造线之间取一个小夹角，定为15°，如以以下图。DACBDACB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，图示中的伞构造是完全可以关闭的。

4.根据上述图解过程，计算各杆长标注如下。142314231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算出的结果画构造简图，如下。伞杆〔机架〕伞杆〔机架〕5运动仿真5.1机构运动与仿真我们小组按在Inventor软件中建设了模形，并对模形进展了运动仿真。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