雨伞的结构设计与仿真分析

  雨伞的结构设计与仿真分析 设计说明书 目 录 一 绪论 1.1 雨伞的发展史 1.2 课题研究背景 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1.3 现行雨伞分析 1.4 新型雨伞的提出 二 对相关资料的研究与分析 2.1 对普通充气伞的分析 2.2 对空气雨伞的分析 2.3 供气机构的参考资料 三 充气式多功能雨伞的设计方案 3.1 创新点 3.2 3.3 3.4 3.5 雨伞的使用功能介绍- - - - - - - - - - - - - - - - - - - 雨伞的布局设计 雨伞的设计机构- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -7 雨伞主要参数计算分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - 4 3.6 雨伞的气密性分析与解决办法 四 选材的分析抉择与可行性的分析 4.1 伞杆材料的选择 4.2 伞面材料的选择 4.3 电动机的选择 4.4 单向阀的选择 五 设计价值与意义- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -10 六 总结 七 参考文献 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - 10 八 谢辞 九 附录 雨伞的结构设计与仿线 雨伞的发展史 绪论: 早在春秋末年,我国古代著名木工师傅鲁班常在野外作业,如果当时遇到下 雨天, 就会被经常的淋湿, 很影响在雨天的生活和工作。 在古籍上的记载是: “云 氏劈竹为条,蒙以兽皮,收拢如棍,张开如盖”,最初的雨伞,就在此刻诞生了, 发展到在公元前十一世纪时, 就有了用帛制成的伞, 在以往的 “雨伞” 有所改进, 这时的雨伞初步成型, 随着人类社会文明的进步, 智慧结晶的发展, 在东汉时期, 蔡伦发明纸以后,在人们的生活中,就出现了在纸面上涂熟桐油的油纸,这时的 雨伞已经正式开始它的发展史,样式和款式,已经开始成型。唐代时期,油纸伞 开始广泛在民间使用。这一时期,由于恰巧专门用于书画宣纸的出现,出现了专 门用宣纸做伞面、 书画家在伞面写字绘画的的书画油纸伞。 也是同时在这一时期, 油纸伞开始传播至日本、台湾、南洋等地区。而到了宋代时期,人们开始广泛使 用“绿油伞”,伞面的颜色主要以绿色为主。最明显的是,在著名的《清明上河 图》中,在热闹的集市中人们用的基本都是这种“绿油伞”。 到了元代时期,由于棉布的发明和使用,出现了在棉布上上油的油布伞,有 这么一个说法,(意大利人)马可波罗回国时,带去了中国当时的油布伞,欧洲 人经过新的改进,进而发展成了具有现代意义的折叠伞。到了元代之后的朝代, 油纸伞、油布伞这两种伞,开始一直成为我国民间主要的雨具工具。 雨伞发展至清朝末年,雨伞基本都是保存仅仅改变伞面材料(油纸 油布) 或者是伞杆的材质,来增强雨伞的质量,来延长它的使用寿命。 1.2 课题研究背景 雨伞,作为人们日常生活中,最常用的工具之一,由古至今,人们对它的 改变和创造,仅仅是对材料的更换,而外形的设计和功能的添加,基本都保持它 原有的特征。雨伞可以帮助人们在风雨中遮风避雨,为人们提供保护。它存在于 多个朝代,拥有不可替代的历史地位,也是人类智慧的结晶,然而他的外形和功 能,在时间的变迁中基本没有发生很大的改变,功能的单一,也成为它的美中不 足。在这个物欲横流的时代,一个日常生活中常用的物品,很显然仅仅材质的改 变,不能满足人们对工具的要求,在科技的迅速发展和人们物质要求的提高,改 善这一日常工具的存在于人们日常生活中已经势在必行。 雨伞真的只能仅仅用来遮蔽风雨吗?社会在进步,科技在发展,很显然人们 对物质生活的需求,不仅仅是可以满足基本的需要,对物质生活的高要求,已经 是社会的普遍现状。 雨伞仅仅可以遮蔽风雨已经即将被时代淘汰,它可以不可以 体积的可大可小,可不可以代替电话,可以不可以自带 wifi,可不可以提供一 个电源等等,这些要求被一次次的抛出,科技的追求以及对多功能的要求,已经 成为下一个要解决的问题,创造制作一把多功能雨伞,在这个时代下,已经成为 大众的追求,尽管它的发明和制作需要付出很多努力。 1.3 现行雨伞分析 多功能雨伞的发明和制作过程中,我们查阅了大量相关的资料,首先针对目 前市场上主流的一些雨伞进行分析和研究, 同时再查阅了大量的各种创新伞进行 分析比较,例如韩国设计师 Je Sung Park 和 Woo Jung Kwon 设计了一款概念类 似的“天幕”的雨伞,日本一位大学生设计的可以用伞面查看照片的雨伞,以及 我们中国南京大学的设计制作的“空气雨伞”等等,通过对这些资料的分析,每 一把新型的雨伞,都有它的优势和弊端,能不能取长补短,有所创新,成为我们 设计制作的一大难度, 这些资料给予我们许多新的启示和灵感,对我们制作设计 自己的多功能雨伞有着很大的帮助。 1.4 新型雨伞的提出 鉴于目前雨伞的种种弊端,我们重点对雨伞的两个方面结构和功能进行改 进,主要对以下进行改善: 1.改变它的外形,尽可能的实现伞面不在裸漏在外边,通过结构的改变, 可以实现,伞面内置化,这样做的目前不仅可以保护伞面受损,而且提高了雨伞 的使用寿命, 2.转变为充气式具体而言就是在传统的基础上进行改善, 首先选用好的材 质,去除布料来作为伞面,取而代之的是一个可以充气的空气气囊,使得整个伞 的重量更加轻。 3.重塑结构, 增加它的现代化功能。 结构的重新设计, 是增加功能的需要。 添加雨伞的科技元素,让它具有更多的功能,同时独特的伞面,也需要特殊的供 气结构来实现。 科技对人类的生活的改变, 已经变得举足轻重,创新是新世纪对人们提出的 要求,拘束于传统,显然已经成为落后,雨伞原有的外形,过于庞大,不方便人 们携带,鉴于此种弊端,我们对此进行创新,在保持基本需要不变的情况下,对 它的体积进行缩减。 传统的支架式,不仅增加了雨伞的重量,而且容易损坏,改变为充气式的方 法,不仅仅改变了它的重量,同时也降低了它的损坏。为增加它的功能,对雨伞 结构的改变是我们要对此做的第三大改变,再根据现代化人们的日常需要,增加 一些人们常用的功能,来满足人们基本外出需求。通过这些创新和改变,增加雨 伞的外观魅力, 也让这一常用工具增加上科技的色彩,新型多功能雨伞的设计与 制造,从一定意义上,可以推进人们对这一日常出行工具的认知,不仅仅是可以 更好的方便人们,也让每一个现代人们感受到科技之光。 新型多功能雨伞的设计与制作, 不仅仅是在一定程度上推进雨伞的改革和创 新, 它可以在人们日常生活中带来诸多的方便,它的设计会更加注重科技元素的 添加,注重它的多功能性,在结构的设计上,会以传统的雨伞模式为依据,但是 为了实现它的功能性,内部构造会完全不一致,更重要的是,它将不是任何布料 来作为伞面, 而是用一个特殊设计的气囊来作为一个伞面,来实现雨伞的最基本 的功能,这一点也是很具有时代创新意义。 新型多功能雨伞的发明和使用,不仅仅是它可以方便人们的生活,让我 对平时的所学到的知识得以运用,更让我体验到学以致用的乐趣,它富有的科技 之光,也会被更多的消费者所喜欢,具有一定的市场价值。 第二 对相关资料的查阅与分析 为了推出新型独特的充气式多功能雨伞,我们翻阅了大量的中英文资 料,也去了相关的雨伞店进行实际的交流,在经过仔细的研究分析,初步确定我 们充气式雨伞的功能, 再根据这把雨伞应该具有的功能,然后设计了一些基本的 机构,为了让更多人喜爱,我们决定改变雨伞的外观形状,通过对大量的图片资 料,初步设计雨伞的外观,这个外观必须可以被广大的消费群体所接受,再根据 实际的可操作性,进行必要的可行性分析,对这把雨伞设计一个加工的方案,在 根据在加工中遇到的一些问题, 对功能的可实现性进行取舍或者再设计,再加工 设计。具体摘要查阅资料如下: 伞面的设计, 搜集各类关于雨伞的图片, 再对挑选一些好的照片, 整理如下: 2.1 充气式雨伞 雨伞分析: 这种雨伞的工作原理是,通过外界的供气机,将空气注入伞体内,整 个伞面为气囊, 伞杆位透明塑料材质, 整体的材料, 以塑料为主, 伞面的支撑力, 完全靠空气给伞面的支持力。优点,在一定的程度上,(1)推进了雨伞的改革 和创新,外观的美观,会受到人们的喜爱,(2)一种充气式伞面的提出,带给 雨伞一种新的理念。缺点:(1)不具有自带的供气装置,使得这种雨伞不具有 实用性,操作和使用不便捷。(2)伞面的整个为气囊,势必增加了充气的时间, 打开伞所用的时间长,不便捷。(3)伞面整个用气囊,对做工要求比较高,气 密性要求更是成为加工精度的一个难点。 通过这个雨伞的资料,我们在设计方案上,取其精华,去其糟粕,保持 它的伞面充气, 这个优点是我设计的一个基本理念,并在对伞面的进行自己的独 特设计,改为气柱,不再是整个伞面都为充气囊,这样做的目的是,只需要为气 柱充气即可完成伞面的打开,缩短了充气所用的时间,提高伞面的工作效率。 2.2 空气雨伞 雨伞分析: 空气雨伞的工作原理,就是利用电动机带动风扇,喷发出强大的气流,通过 这些气流提供的气力,将雨滴吹开,在伞的上方形成一个气流层,最终达到,保 护行人,在雨中不被淋湿。 这种雨伞的优点是,(1)它独特的构思和方案,所加工制作出来的产品, 一定会被消费者所喜爱。(2)它所融入的高科技含量,也成为这把雨伞最大的 一个卖点。(3)空气雨伞,独特的外观设计,也推进了雨伞的改革创新。缺点: (1)雨伞的电动机所需要大量的供电,但这样会使得这把使用时间的短暂,成 为它的致命短板。(2)通过供风机构,改变雨滴的方向,虽然保护了自己,但 可能伤及路人,这也使得雨伞的推广带来很多困难。(3)它的制作难度和成本 都比较高,不适宜于大宗人群。 通过对这把雨伞的分析,这把伞强大的供风机构,成为我们要设计的一 个启蒙点,但供风机构太过于负责,造假的成本高,需要我们自己再次设计,然 后通过数据的分析, 设计出适合我们自己的供风机构,来完成我们自己的充气式 多功能雨伞。 2.3,供风机构的参考资料 首先翻阅了,一些理论资料,对供风机构有了初步的了解,然后初步确定供 风机构的设计理念,简单 高效 适用,在引用现在已经成熟的机构,通过再查阅 相关资料,最终在选定日常生活用品,吹风机作为供风机构,具体图片如下: (电吹风机的内部构造图) 利用吹风机的鼓风原理来实现我们想要的吹风结构。电吹风机中所使用的 高速转动马达,在 5v 的电压下,可以每分钟达到 50000 转,这种高转速的电机, 在配合直接 80mm 的风扇,经过计算,可以让 8 根气柱,在短时间内充满空气。 第三 充气式多功能雨伞的设计方案 3.1 雨伞的功能设计 (1) 可充气功能 为了实现雨伞的可充气性,伞面不在是单一的各种布料, 改为橡胶作为材料, 这样做的目的是为了充气的方便性,保持雨伞一个足够的支 撑力,同时也实现了充气式的伞面。 (2)自动化 改以往的手动式开伞为电动式打开,引用电吹风机的工作原理, 来为雨伞进行充气,当伞面充满空气时,伞面自动打开,来方便人们的使用。 (3)特殊的供电装置,由于材料和空间的局限,将雨伞的供电装置,设计在伞 杆部位,需要自行重新设计,这样不仅可以能够给电动机供电,同时也可以作为 一个充电设备,为其他设备供电。即实现了充电宝功能。 (4)具有保护行人的作用。伞面进行加工处理,增加荧光粉材料,目的是为了 在夜间保护行人。提供行人在夜间的一个安全性。 3.2 雨伞的布局设计 充气式多功能雨伞,分为三个部分,来进行设计, 第一部分伞面: 伞面取用橡胶为最终的材料, 在伞与充气机构相连接的部位采用硬质塑胶管,保 持一个好的连接性与密封性。 第二部分核心机构(充气机构) 充气机构的壳体外部材料,采用铝合金,内部供风机构,主要是由高速马达与风 扇的组合,通过单向气阀,供气给伞面的气柱。 第三部分伞杆部分 伞杆部分,为供电机构,不仅提供给马达所需要的电量,而且也可以作为一个充 电宝,为外部供电。 3.3 雨伞的设计机构 (1)伞面结构设计图: (设计优点:把伞面制作成气柱,来充当伞的骨架,代替现代所使用的钢铁骨架 这样设计的目的,1,可以大大减小充气雨伞打开的时间。仅仅需要供气给气柱 就可以将雨伞打开。经过计算,仅仅需要 8 秒左右的时间,就可以将雨伞打开, 完全可以在人们的日常生活中使用。2,使用气柱的设计方案,增强气柱材料的 承压力,使气流更加集中,增加气体对伞面的膨胀力,可以在一定的程度上,增 加伞面的承重力。3,增加了雨伞的使用寿命,气柱的再加工,不仅仅是提高雨 伞的工作效率,也可以提高伞面的质量。) (2)伞核心供气设备 (优点:可以把之前的手动式改为电动式改为电动式。2,供气设备的集中,在 保持气密性完好的情况下,可以大大提高供气效率。3,在气缸内,增加聚风环, 保持气流的运动方向,目的也是为减少充气雨伞打开的时间) (3)气缸密封盖 气缸设计的优点:1,气缸的顶部设计为圆台型,这样不仅可以方便整个气缸 的一个密封,2,同时可以便于顶部的拧紧使用,便于整个气缸的一个固定。 3 在气缸的外端钻出 8 个孔, 这 8 个气孔,不仅仅可以让 8 根气柱在短时间内充满 空气, 同时这个气缸有着一定的厚度, 我们只可以在气缸的 8 个孔上上打出螺纹, 同时在雨伞的橡胶管的末端装配打有螺纹的硬质橡胶管, 这样可以保证它们有一 个很好的配合,同时也可以保证一个很好的的气密性。 (4)气缸 多功能雨伞的气缸设计: 1,多功能雨伞的气缸都是采用螺纹链接,首先这种螺纹连接可以保持气缸一个 很好的密封性,让气缸拥有一定的厚度方便,也让气缸的气密性更加强。2,我 们将所有的安装零件部位设计到气缸的底面的目的也是为了让整个气缸的气密 性更加的好,保证雨伞的 8 跟气柱,可以在很短的时间内,充满空气,便于人们 的使用。 整体装配设计图 3.5 雨伞的主要参数计算 3.6 雨伞的气密性分析与解决办法 雨伞的气密性分析 在实际应用中, 气密性指的是在常温下,给确定被检测的测密封件加一定的压力 介质的情况下,允许介质泄露的极限量。 气密性的检测可根据检测的手段分为不同的两大类: 第一是通过观察目测的气泡 量,既在向工作腔内充一定气压的气体时,将其侵入水中或者肥皂泡,根据目测 肥皂泡或者水中的气泡来判断工作是否有漏气,进而判断泄露的程度。目前,这 种方法在冰箱 空调的密封管道以及箱体检测漏洞时仍然是普遍采用的,但这种 方法测试的效果低,效率底下,受主管因素影响很大,同时采用这种方法测试以 后的零件, 还必须对工件进行干燥处理以及防锈处理。这样才能保证工件原有的 气密性。 另一类是通过传感器的信号输出来进行判断的,即向工件腔内充一定压力的气 体, 然后再通过压力传感器的信号输出来判断工件是否有漏气现象,并计算出这 个漏气的率, 即单位时间内压力传感器输出的变化值, 这种方法测试的效率较高, 不受主观因素的影响, 而且测试后不需要工件进行其他处理,对工件也是一种保 护。 充气式多功能雨伞,顾名思义,利用气体的压力将雨伞打开,所以对雨伞的 整个装置的气密性要求很高, 首先是伞面, 伞面采用的软质橡胶, 用橡胶的管道, 都通过按照上述的方法一进行检测, 首先将橡胶管全部侵入预先处理过的清澈清 水中,在将雨伞气管的一端链接鼓风机,另一端用夹子密封紧固,打开鼓风机, 均匀的向橡胶管内送气, 然后观察在清水中的橡胶管是否有气泡均匀的吹出,如 果发现有气泡均匀的吹出,证明此条橡胶管的气密性比较差。经过实验证明,橡 胶管的 材 质 以 及 气 密 性符 合 我 们 使 用 的 要 求 , 可 以 使 用 。 (2)气缸的气密性,首先气缸的气密性,与其材质有关,本充气式多功能雨伞, 所采用的材质为铝合金, 焊接部分成为气密性的一个隐患,然后我们在根据第二 种方法进行气密性检测, 将工作气缸内充满一定压力的空气,然后再通过压力传 感器所输出的信号,来判断气缸是否漏气,在根据这个气缸的漏气程度,来判断 这个这个气缸的漏汽滤,就是在单位的时间内压力传感器的输出变化值。 (3)气缸内的单向阀,气密性是否完好。首先检测气缸内的单向阀,单向阀, 按照的部位是气缸的底面。将气缸的单向阀安装以后,按照方法二进行处理,首 先给予气缸内部一个充气压, 然后再通过我们观察压力传感器输出的变化值,我 们进而判断这个再安装了单向阀以后,本气缸的气密性。并再次根据这个压力传 感器计算出变化值与变化率。再分析完单向阀的气密性以后。 (4)气缸与伞杆拧紧部位的螺纹链接,我们重点分析当伞杆与气缸通过螺纹连 接以后,气密性的好坏,首先这个涉及加工精度的要求比较高,采用高精度的加 工工艺,是一个气密性的一个保证。我们首先会才采用一些高精度的加工机床, 对这个螺纹进行多次加工。 然后将伞杆通过螺纹进行固定,预先寻找一个大的实 验装置,将组装好的雨伞放置其中,再次将这个工作气缸放置其中,雨伞的另一 端连接工作装置, 将气缸中充满一定量的空气,然后再观看压力传感器所输出的 信号,来判断这个气缸在加装伞杆以后,雨伞的气密性,在根据压力传感器的数 值变化,来计算出这个漏气率,判断漏气程度。 (5)气缸与伞面链接之间的气密性分析,我会采用第一种方法来分析组装以后 的气密性,并用记录时间,首先将雨伞的气缸与雨伞伞面的气柱链接,然后将这 套装置,放置在实验池中,然后将气缸链接鼓风机,保持鼓风机与气缸之间的气 密性完好,然后打开鼓风机,给予伞面的气柱内一定的气压,观察实验池内气泡 的气泡量,同时记录是否有漏气现象。来简单的检测组装以后的气密性,同时用 秒表记录下耗时多久将伞面的气柱充满。 雨伞的气密性解决方法 提高充气式多功能雨伞的气密性对于雨伞至关重要,经过一些资料的查阅,我们 决定在以下几个方面,对充气式多功能雨伞进行改进: (1)首先是对橡胶管的气密性,具体改善方法如下,由于填料与橡胶间界面对 材料气密性影响很大, 对填料进行改性,减小其和橡胶界面间的空隙可显著改进 气密性。 方法是将填料浸于一定浓度的改性用橡胶溶液中、 回流搅拌后蒸馏干燥, 再将它与橡胶硫化配方混匀后, 在压机上加压硫化而成。 填料为空心微球、 蛭石、 云母粉、 石墨粉、 炭黑、 二硫化钼粉及轻质碳酸钙, 用作改性的橡胶为丁基橡胶、 卤化丁基橡胶、反式-聚异戊二烯及杜仲胶。 (2)气缸的气密性。材料选择铝合金管,然后通过高精度的加工机床进行加工, 通过铣,钻等一些工艺,来保证工件的一个完整性,不破坏工件的内部结构。 (3)气缸与单向阀之间的链接,因为考虑气密性要好,所以在选用单向阀时, 特意选择了一种安装予航空航天器材中所使用的单向阀, 这种单向阀占用的空间 少,容易与气缸之间进行配合,而且可以保证一个良好的气密性。 (4)伞杆与气缸之间的链接。这里我们会才有一些好的加工机床,要求精度高, 对螺纹进行加工,在加工完以后,在用密封环进行再次密封,这样完全可以保证 雨伞的气密性很好。 (5)气缸与伞面之间的链接,首先依然是加工,采用高精度的加工机床进行加 工,同时在伞面的气柱末端,我们采用硬质的橡胶管,并用专用的机床对这个橡 胶管进行螺纹加工,当加工完成以后,再次使用密封环,来提高气密性。 第四 选材的分析抉择与可行性的分析 根据充气式多功能雨伞的结构及制造、运用情况,在选择材料时应该遵循以 下原则: (1) 从轻量化方面考虑,要求强度、焊接性、挤压加工性、维护保养性好; (2) 从寿命方面考虑,要求耐蚀性、表面处理性高; (3) 从制造效率方面考虑,要求焊接性、挤压加工性、成型加工性高。 (4)因为设计制造的产品为雨伞,低廉而不失质量的造价也是一个很重要的 原因。 4.1 伞杆材料的选择 (铝合金材料特性) (1) 铝合金材料质轻且柔软。铝的密度为 2171 g/ cm3 ,约为钢密度(7187 g/ cm3) 的三分之一;同时杨氏模量也约为钢的三分之一。 (2)铝合金材料强度好。纯铝的抗拉强度约为 80 MN/ m2,是低碳钢的五分 之一。但是经过热处理强化及合金化强化,其强度会大幅增加。如铝合金车体常 用的材质 6005A —T6,它的最低抗拉强度为 360 MN/ m2 ,能达到低碳钢相应的 强度值。 (3)铝合金材料耐蚀性能好。铝合金的特性之一是接触空气时表面会形成 一层致密的氧化膜,同事这层膜能防止腐蚀,,所以耐蚀性能好。若再对其实施 “氧化铝膜处理法,就可以全面防止腐蚀。 (4)铝合金材料加工性能好。铁道车辆用型材挤压性能好,二次机加工、 弯曲加工也较容易。 (5)铝合金材料 易于再生。铝的熔点低(660 ℃) ,再生也简单。在经过 废弃处理时也无公害,有利于环保,符合可持续发展战略。 (不锈钢的材料特性) 不锈钢就是不容易生锈的钢,实际上一部分不锈钢,既有不锈性,又有耐酸 性(具有耐蚀性的效果)。不锈钢的不锈性和耐蚀性是由于其表面上富铬氧化膜 (钝化膜)的形成。这种不锈性和耐蚀性同时也是相对的。钢在大气、水等弱介 质中和硝酸等氧化性介质中, 其耐蚀性随钢中铬含水量的增加而提高,当铬含量 达到一定的百分比时,钢的耐蚀性就会突然发生突变,即从易生锈不易生锈,从 不耐蚀到耐腐蚀的一个转变。 (塑料的材料特性) (1)大多数塑料质轻,化学性稳定,不会锈蚀; (2)塑料的耐冲击性也比较好; (3)塑料也具有较好的透明性和耐磨耗性; (4)塑料的绝缘性好,导热性低; (5)一般塑料的成型性、着色性好,同时加工成本低; (6)大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧; (7)塑料的尺寸稳定性差,容易变形; (8)多数塑料耐低温性差,低温下变脆; (9)容易老化; (10)某些塑料易溶于溶剂。 经过我们对着三类的材料铝合金 不锈钢 塑料的这三类材料, 不锈钢具有很 好的耐腐蚀性,但不利于加工,并在雨天的工作环境中,并不是很强的腐蚀性环 境。塑料,虽然价格便宜,化学性能稳定,不会腐蚀,成色好,但是塑料的尺寸 稳定性差,同时过于容易变形,这样会造成雨伞的使用寿命过于短,雨伞的质量 会下降很多。在对铝合金的材料分析中,我们可以看到的是,首先铝合金具有耐 加工的特性,其次铝合金的强度也很好,事宜在风雨中使用,不容易产生变形, 同时铝合金具有很好的耐腐蚀性,完全符合我们需要材料特性的各个标准。在经 过综合比较以后,我们决定采用铝合金材料,来作为我们的伞杆材料。 4.2 伞面材料的选择 1.橡胶材料的特性 (1)橡胶具有高弹性:弹性模量低伸长变形大,有可恢复的变形,并能在很宽 的温度范围内保持很好的弹性。 (2)橡胶的粘弹性,橡胶材料在产生变形和恢复变形时受温度和时间的影响, 表现有明显的应力松弛现象,在震动或者交变应力作用下,产生滞后损失。 (3)橡胶的电绝缘性:橡胶和塑料一样是电绝缘材料 (4)橡胶有老化现象:在恶劣的环境下,会产生老化现象,是性能变坏,寿命 下降 (5)橡胶必须进行硫化后才能使用,热塑性弹性体除外 (6)橡胶必须加入配合剂 (7)橡胶具有很好的气密性,与此同时橡胶的比重小,硬度低,柔软性好, 2.延展性布料(化学纤维的特性) 布料的主要成分为是天然纤维或者是化学纤维,或者是混合纤维。化学纤维织物 是近代发展起来的新型衣料, 种类比较多。这里主要是指由化学纤维加工成的纯 纺、 混纺或交织物, 也就是说由纯化纤织成的织物, 不包括与天然纤维间的混纺、 交织物,化纤织物的特性主要是由织成它的化学纤维本身的特性决定。 布料的分类主要有 3 种,成本从低到高依次为:涤纶,PG 布,尼龙, (1)绦纶布的特点是:颜色较艳丽,但是把雨伞面料放在手上搓揉后,折痕明 显,不容易还原 (2)PG 布又叫碰击布,高密碰击布是一种新型布料。PG 具有以下特点:颜色呈 哑光,暗色。布料手感像棉布一样,阻光性较好,PG 布成本比较高,但防紫外 线功能、质量的稳定程度、色彩的档次都比较理想,是比较好的雨伞布,一般 PG 布只用在高档的雨伞中,造假比较高。 (3)尼龙布也是雨伞面料中高档的一个品种,这种雨布色泽艳丽,摸在手上的 感觉有如丝绸,用手来回搓动,阻力很小。但这种布有一个弱点,受空气湿度影 响较大,伞布收缩较严重,有时甚至会影响到伞面的正常开合。所以在我们常用 的雨伞面料中,不是特别多。 3 硅橡胶 硅胶是一种高活性吸附材料,属非晶态物质,其化学分子式为 mSiO2?nH2O。 不溶于水和任何溶剂,同时无毒无味,化学性质也比较稳定,除强碱、氢氟酸外 不与任何物质发生反应。 硅胶的化学组份和物理结构,决定了它具有许多其他同 类材料难以取代的特点: (1)吸附性能高、热稳定性好、 (2)化学性质稳定、有较高的机械强度等。 各种型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构。 硅胶根据其孔径 的大小分为:大孔硅胶、粗孔硅胶、B 型硅胶、与细孔硅胶。由于孔隙结构的不 同, 因此它们的吸附性也能各有特点。粗孔硅胶在相对湿度高的情况下有较高的 吸附量,细孔硅胶则在相对湿度较低的情况下吸附量高于粗孔硅胶,而 B 型硅 胶由于孔结构介于粗、细孔硅胶之间,其吸附量也介于粗、细孔之间。大孔硅胶 一般用作催化剂载体、消光剂、牙膏磨料等。因此应根据不同的用途选择不同的 品种。硅胶吸附水份后,可以用曝晒、烧焙、风干等方法再生。 经过对这三种材料的选择以及特性分析以后, 我们概括为: 在各色各样的布料中, 1.首先是涤纶, 这种材料是目前雨伞中伞面使用最多的伞面材料,这种材料虽然 有很好的颜色与造假的低廉,但使用几次以后,伞面就会出现褶皱,并且使用时 间久了在容易风化。2.在 PG 材料,显而易见,虽然在各个方面都拥有这一定的 不错性能, 但是在高额的造价不适合人群的推广。3.尼龙布一个拥有着不错手感 的材料,同时也拥有着鲜艳的色泽,很容易被消费者所接受,但致命的弱点是受 空气湿度影响较大,伞布收缩较严重,有时甚至会影响到伞面的正常开合。这一 特性,让它不再成为我们选择尼龙,作为我们伞面材料的一个重要原因。在对硅 胶的特性硅橡胶具有优异的耐热性、耐寒性、以及介电性、耐臭氧和耐大气老化 等性能,硅橡胶突出的性能是使用温度广泛,甚至能在-60℃(或更低的温度)至 +250℃(或更高的温度)下长期使用。 但是硅橡胶的抗张强度和抗撕裂强度等机械 性能较差, 一旦我们开始向充满空气的雨伞的气柱中注入空气,由于硅橡胶的延 展性差,同时硅胶的抗拉强度不够,很容易在充气过程中爆裂,影响到雨伞的使 用寿命, 在常温下其物理机械性能不及大多数合成橡胶, 且除腈硅、 氟硅橡胶外, 一般的硅橡胶耐油、 耐溶剂性能欠佳,故硅橡胶不宜用于用来做充气式雨伞的伞 面材料。 再对橡胶的这种材料做分析,1,使用橡胶作为伞面的各项物理机械性能达到制 品所要求的指标,2 橡胶能满足制造加工工艺的要求。3 同时橡胶业符合成本的 要求。4,在对于颜色方面,我们需要都橡胶进行一个上色,橡胶也方便加工, 同时也达到了布料的效果。 综上所述, 我们最终决定用橡胶作为我们伞面的材料,不仅可以方便我们机械加 工,同时也可以满足多功能充气雨伞的气密性要求,低廉的成本价格,也成为我 们选择橡胶做为伞面材料的一个重要原因。 4.3 电动机的选择 电动机的介绍 一般电动机主要由两部分组成:固定部分称为定子,旋转部分称为转子。另外还 有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。定子的作用是用来产生磁场和作电动机 的机械支撑。电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子绕组 镶嵌在定子铁心中,通过电流时产生感应电动势,实现电能量转换。机座的作用 主要是固定和支撑定子铁心。 电动机运行时,因内部损耗而发生的热量通过铁心 传给机座,再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积,一般电动机在 机座外表面设计为散热片状。电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。转子绕组的作用是感应电动势,通过电 流而产生电磁转矩。转轴是支撑转子的重量,传递转矩,输出机械功率的主要部 件。 在电机的 6 大种类的分类中,我们最终选择了,高速电机,来作为我们的在气缸 使用的电机。高速电机即高速马达。通常是指转速超过 10000r/min 的电机,是 马达的一种。 高速马达具有以下优点 1、是由于转速高,所以电机功率密度高,而体积远小于功率普通的电机,可以 有效的节约材料。 2、是可与原动机相连,取消了传统的减速机构,传动效率高,噪音小。 3、是由于高速电机转动惯量小,所以动态相应快。高速电机正成为电机领域的 研究热点。 在高速电机中我们选择了型号 HT-3420 RS-570 RS-716 三种类型的马达 HT-3420 高速电机这种电机的优点是可以在低电压下实现比较高的转速,但是有 着很高的发热量。内部没有加装排风扇,不利于电机的散热,容易烧坏电机。 RS-570 电机一些参数 定电压:DC 9.6V (直流) 空载转速:22800/分钟 空载电流:3.65A 最大输出功率:198W 启动电流:连续 5 次均值约 7.2A 产品质量:250g 内部加装排风扇 RS-716 电机,这个电机在额定 12v 的电压下,可以实现 30000/分钟,可以符合 我们选用电机的基本要求, 同时装有排风扇,唯一美中不足的是这种电机的造价 比较高,会让雨伞的成本提高。 综上所属,我们决定用电机 RS-570,来作为我们的一个气缸的使用电机,并且 这个电机的尺寸符合我们设计气缸的要求,同时它的散热已经使用寿命,以及电 机的价格,具备选用电机的条件。 4.4 单向阀的选择 单向阀指的是流体只能沿进气口流动,出气口介质却无法回流,又称单向阀。 单向阀是控制气流只能一个方向流动而不能反向流动的方向控制阀。 其工作原理 与液压单向阀一样。 单向阀应用于不允许气流反向流动的场合,如空压机向气罐 充气 时,在空压机与气罐之间设置一单向阀,当空压机停止工作时,可防止气 罐中的压缩空气回流 到空压机。单向阀还常与节流阀、顺序阀等组合成单向节 流阀、单向顺序阀使用。 同时单向阀可以根据用途分为 4 大类,具体如下: 1、弹簧式:液体由下而上,依靠压力顶起弹簧控制的阀瓣,压力消失后,弹簧 力将阀瓣压下,封闭液体倒流。常用于通径较小的止回阀。 2、重力式:和弹簧式相似,依靠阀瓣的自身重力封闭,防止倒流。 3、旋启式:液体在阀体内直通,依靠压力顶开一侧的旋转阀瓣,压力失去后, 阀瓣依靠自重回位,反向的液体压力封闭阀瓣。 4.塑料隔膜式: 外壳和隔膜均为塑料.一般外壳为 ABS,PE,PP,NYLON, PC.隔膜有 硅树脂,氟树脂等. 根据这 4 大类单向阀, 我们决定采用重力单向阀,在从重力单向阀中选择几个型 号, MAL16 20 QE-04 MAL16 20 型号的单向阀,这个单向阀,的材质为不锈钢,气体通过单向阀时候, 必定产生热量,同时这个单向阀的排气口比较小,会增加充满气柱的时间。 对于单向阀 QE-04 首先这个单向阀具有比较大的排气口,这样很方便我们的排 气, 同时这种单向阀主要用于这种迷你型气缸的单向导气作用, 满足我们的要求, 同时它低廉的造价也成为我们一个重要的考虑原因。 最终我们选择 QE-04 作为使用的单向阀。 第五 设计价值与意义 充气式多功能雨伞的设计, 首先它在一定程度上推进了雨伞创新的发展,它 独特的采用橡胶制作首款充气气囊,这也是目前国内所没有的一个创新型设计, 同时它结合一些新型的科技元素,注重一个变手动化为自动化的一个设计,在对 雨伞的充气式结构设计中, 在观察了南京大学先进雨伞的喷气雨伞的受到的启发 下,在根据人们生活的观察,最后决心自己设计一个新型的充气机构,这不仅仅 可以让我们学习到的知识学以致用,同时我们也感受到了设计的乐趣。在对电池 结构的设计中, 我们将平时课堂中, 学到的电工学以及在实习课程中的电工知识, 将自行设计电源,将一些基本的电池拆装,然后分析了内部结构,根据电机的特 性以及电量的需要,以及空间的限制,组装了属于我们自己专用电源,在雨伞的 把手设计上, 也充分考了人性化与青春两个元素, 注重的是适合青年人群的喜欢, 在雨伞的把手上, 可以随意的添加自己的喜欢颜色,同时它是可以两个人同时把 手的设计,也是目前新时尚的一种创新的一种把持方式,适合年青的人群使用, 便于推广。 新型雨伞的设计加工制作, 以方便 简单 实用 高效为基本的设计理念,把重 点放在对多功能充气式雨伞的内部结构设计,通过对结构的再次设计与改进,来 实现一种新型的充气式理念,并且再一定程度上,改变了它的重量,使它更轻。 在功能方面,追求多样化,尽可能的将生活中常用的功能添加进去,让这把多功 能雨伞不仅仅是可以为人们提供遮风避雨, 而且可以方便人们在雨中使用一些常 用的功能,我们更注重它的多功能性,在满足人们人日常使用的同时, 根据人 们出行的日常需要,我们增加了充电宝,打气筒,手提包等功能来实现它的多样 化的设计。 充气式多功能雨伞的设计制作,在一定程度上满足了,人们对雨伞的需要, 科技成分的增加, 也为这边雨伞带来很多神秘色彩,它的设计主要是为了青年 人群的科技感追求, 势必会迎来青年群体的热捧,雨伞的伞面会采用目前比较好 的橡胶材料, 不仅在一定的程度上,是增加它的弹性以及保证充气式雨伞一个好 的充气密封效果, 同时也会使充气式多功能雨伞便于清洗,橡胶比布料好清洗的 多,在充气式雨伞的结构方面,原本我打算对先有的打气筒进行改造,来降低它 的制作成本, 随后在经过大量资料翻阅, 我们推翻了以前的手动开伞的设计理念, 随后在对一些消费者的调查以及一些雨伞卖家的询问, 我们决心做一把电动的雨 伞,同时还不能增加这个雨伞过多的成本,便于推广。 通过此次毕业设计,不仅仅可以帮助我们培养分析和解决机械设计制造和电 子电路相关问题的能力,同时也使我们更近进一步掌握机制工艺规程制订,机械 结构设计、 电子电路设计的基本方法,同时也帮助我们巩固和深化已学得的理论 知识, 深一步培养我们熟悉和运用设计图册、图表 计算能力等技术资料的能力, 训练我们具有识图、 制图、 运算及编制技术文件的基本技能以及运用三维造型软 件的能力, 培养我们的独立学习和工作能力,有益于我们在以后再以后的工作能 够完成一些工作, 也帮助我们培养了一些发散性思维,可以解决一些生活或者工 作中的实际问题,在学业有所发展的同时,帮助我更上一个台阶。 充气式多功能雨伞的设计与制造,就目前的市场而言,在目前雨伞产品,虽 然品牌众多,但缺乏一定的创新型,成为目前市场的普遍现象。但新型的多功能 充气雨伞的创新设计首先会被一些消费者所喜爱,它注重添加的科技元素,面对 的消费群体也会带来一个很好的收益, 同时在设计它的结构时以及在选择材料时 候, 注重一些采用价格比较低廉的成本,会让充气式雨伞比较快速的推广给你人 们。 充气式多功能雨伞的价值不仅仅是一种商业价值,更多的是带给雨伞行业一 种新的理念,更多的让科技走进生活的方方面面。 六 总结 充气式多功能雨伞的设计,这个设计方案是在第一代的方案上进行改进,重 新进行设计, 在第一代只是简单的拼接,将我们日常生活中的打气筒根据我们的 设计要求,进行改装,然后在自行设计伞面,刚开始的伞面采用的是把整个伞面 作为充气气囊来使用,这个雨伞时需要手动充气打开。这个方案,虽然很容易实 现,但是它的创新比较少,同时所实现的功能更是不多。再一次的深入,然后又 通过一些实际的走访,我们设计了第二套方案,新型的多功能充气雨伞,首先我 们是对雨伞的伞面进行改造,改为 8 跟气柱来实行充气的伞面,然后再根据,雨 伞的功能,设计了新型多功能充气雨伞的内部构造,最后在根据充气结构,设计 了一个适合我们自行使用的内部构造,受实践的限制,我们根据日常的生活生活 用品的观察,然后再结合理论数值的计算,设计出一个合适的鼓风机构。在伞把 的设计上,我们采用了不同的材料,用木头作为伞柄,这样不仅仅可以在外观上 更加上档次, 同时也增强了人们在把持它的时候一个很不错的握感。在电池的设 计上,也是自行经过一些改装完成最后的电池续航能力一个不错的程度。 通过这次的毕业设计,首先可以让我在平时的课堂中学习到的知识得以运 用,让我深刻认识到学习对我们每一个人的重要,不会再感受到学无所用,在对 机械设计这本书的一些重点难点,以前没有吃透的,在实践中,我慢慢开始再次 的思考,慢慢搞懂它们,同时也让我深深的领悟到很多道理,不会在畏惧困难, 在困难面前, 可以迎难而上, 在做每一件事情的时候, 不仅仅是要专注与更专注, 还要有坚持不懈的精神,才可以成功,同时指导老师的学识与眼界,为人处世的 方法,也深深的感染了我。可以让我在今后的人生的道路上以此为典范,多学多 问多思考,不断的去思考一些创新型的东西,同时坚持不懈的做下去,也许不能 成功,但一定可以收获自己想要的。 七 谢辞 在多功能充气雨伞说明书的撰写过程中, 可以有幸得以 作为我的指导老 师,我倍感欣慰,因为他的治学严谨,学识渊博,视野广阔,为我打造了一种良 好的学术氛围。让我可以发挥出更多的潜力,在这种氛围中,置身其间,耳濡目 染,潜移默化,使我不仅仅接受了全新的思想观念,而且也帮助我树立了明确的 学术目标,同时也领会了基本的思考方式,掌握了通用的研究方法,而且还明白 了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无 华、平易近人的人格魅力,与无微不至、感人至深的人文关怀,令人如沐春风, 倍感温馨。正是由于她在百忙之中多次审阅全文,对细节进行修改,并为本文的 撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见,本文才得以成型。 在老师的指导下, 一次次我们在关键点提供很多好的想法与建议,帮助我们 走过道道关卡,在我们此次困惑不堪的时候,每次总有有希望的光芒闪烁,一次 的鼓励我们坚持下去,在困难面前迎难而上,在失败面前决不气馁的精神,让我 受益颇多,纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行的道理,我们通过这次的毕业设计 答辩才深刻领悟到这句话的含义,同时也被老师的为师风范所感动,高老师以蜡 炬成灰泪始干的心态,帮助我们完成我们的毕业设计,更是编写说明书时候,帮 助我们认真的审读。既被老师的学识博大,见识广阔所钦佩,也被老师的爱岗敬 业所感动。 在此特我向高英杰老师致以衷心的谢意与敬意!同时向他无可挑剔的敬业精 神、 严谨认真的治学态度、 深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的尊 敬。感谢老师对我的栽培,感谢老师总是不厌其烦的指导, 八 参考文献 [1] 郑文纬. 机械原理(第 7 版)[M]. 北京:高等教育出版社,2009 [2] 邱宣怀等编著.机械设计(第 4 版)[M]. 北京:高等教育出版社,2009 [3] 尹成湖等编著.机械制造技术基础[M].北京:高等教育出版社 [4] 闻邦春.机械设计手册(第 5 版)[M].北京:机械工业出版社,2009 [5] 裘建新编著.机械原理课程设计[M].北京:高等教育出版社,2009 [6] 刘春梅编著.电工电子技术基础[M].北京:化学化工出版社,2011 [7] 潘俊编著.机械设计基础[M].南京:南京教育出版社,2014 [8](美国)约瑟夫 E.希格利等编著.机械工程设计[M].北京:机械工程出版社, 2002 [9] 宾鸿赞编著.机械工程学科导论[M].武汉:华中科技大学出版社,2009 [10]教育部高等教育司等编 高等学校毕业设计(论文)指导手册. [M].北京: 高等教育出版社,2008 [11]Je Sung Park And Woo Jung Kwon. Creative umbrella. Environmental protection and contact[J].2013.06 [12]Zhu xiang dong. Air umbrella. Chinese Science[J].2014.03 九 附录

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