新型自動便攜式大型戶外遮陽傘的設(shè)計

張鐘予 蔡文通 孫赫武 郭文文 李子興

摘要：本產(chǎn)品是在傳統(tǒng)的大型戶外遮陽傘的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將其現(xiàn)有的手動支撐遮陽傘技術(shù)與自動伸縮傘的自動伸縮原理相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計出有別于傳統(tǒng)的戶外遮陽傘的固定方式。使用玻璃吸盤對較平整地面進行固定，使用多型號釘盤對沙灘、草地等各種復(fù)雜地形進行固定，克服了傳統(tǒng)遮陽傘使用大型重物固定的缺點，再結(jié)合PLC對固定機構(gòu)進行控制，實現(xiàn)便攜式大型戶外遮陽傘的固定全自動。此外，本產(chǎn)品還加入了太陽能光伏技術(shù)，在傘箱下側(cè)裝配上了三個基于太陽能充電技術(shù)的LED燈和USB充電接口，使戶外遮陽傘還可以成為夜用的家庭娛樂輔助用品，適合于家庭戶外聚餐、公司派對等場合。本產(chǎn)品的各項參數(shù)均經(jīng)過嚴(yán)格的強度校核及檢驗，是功能強大且可靠的商業(yè)——娛樂兩用產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：戶外遮陽傘;自動伸縮;太陽能

Design of a new type of automatic and portable outdoor sunshade

Zhang ZhongyuCai WentongSun HewuGuoWenwenLi Zixing

Qingdao University of Technology，College of MechanicalEngineeringShandongQingdao266520

Abstract： This product is a large outdoor sunshade structure based on the traditional principle of its existing automatic telescopic sunshade technology support manual and automatic telescopic umbrella combination design of a fixed way different from the traditional outdoor sunshade. It uses glass sucker to fix onto flat ground and uses multiple types of nail plate to fix into the beach， grass and other complex terrain to overcome the shortcoming of fixed sunshade use of large weight. It is combined with PLC to control the fixing mechanism to realize an automatic fixing. In addition， the solar photovoltaic technology is also employed， three in the lower umbrella box assembly. A solar charging technology based on USB and LED lamp charging interface， the outdoor sunshade can also become the home entertainment accessories at night， suitable for outdoor family dinners， company parties and other occasions. The parameters of the products were examined carefully so that the umbrella is a powerful and reliable commercial dualuse entertainment the product.

Key words：Outdoor sunshade; automatic sizing; solar energy

戶外遮陽傘發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了獨具特色的遮陽傘系列。但目前戶外遮陽傘還是只能靠人工搬運與安裝，方便性不高。而且國內(nèi)外市場一直未曾將眼光放到戶外遮陽傘的自動化實現(xiàn)上，這使得戶外遮陽傘在自動化和便攜式的開發(fā)路線上遲遲得不到發(fā)展。我們的研究正是在這個自動化時代與落后的傳統(tǒng)戶外遮陽傘的激烈碰撞中產(chǎn)生的，它使得便攜式戶外遮陽傘用于輕裝家庭沙灘派對和公司野外聚餐成為了可能，同時也省去了傳統(tǒng)戶外遮陽傘繁瑣的安裝與固定過程，解放了人們的雙手，提高了80%的遮陽傘使用效率。隨著2017年中國本土市場的迅速崛起，以及近年來市場消費能力的快速提升，傳統(tǒng)的低廉傘具已經(jīng)無法滿足市場的多元化需求。本設(shè)計更符合高端消費人群的品位，迎合了市場的嶄新需求。未來的遮陽傘市場，一定是趨于高附加值與高科技含量的遮陽傘市場，它順應(yīng)自動化信息化大時代的價值導(dǎo)向。

1 固定裝置的設(shè)計

1.1 釘盤的相關(guān)設(shè)計

1.1.1 釘盤的材料及選取

對于釘盤材料的選取，地釘材料要求如下：有一定的抗氧化性，且地釘需有一定的強度，不易折彎，耐腐蝕且有一定的抗拉和抗風(fēng)能力。經(jīng)過對目前市場上的地釘材質(zhì)的篩選，我們從鋼釘、鋁材釘、鈦合金地釘、高強度尼龍地釘?shù)戎羞x取了最合適的尼龍地釘。

對于高強度尼龍地釘，其特點為：機械強度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強度。其耐腐蝕，十分耐堿和大多數(shù)鹽液，還耐弱酸、機油、汽油，耐芳烴類化合物和一般溶劑，對芳香族化合物呈惰性。能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蝕和有很好的抗老化能力。其質(zhì)量超輕，不會生銹，且不易彎曲，很適合沙灘、泥地草地等地況，性價比比較高。

因此選取鈦合金地釘、高強度尼龍地釘比較好，其具有高強度，低重量和有較好的抗腐蝕性能，具有良好的性價比。

1.1.2 釘盤的機構(gòu)設(shè)計

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計，釘盤采用圓形外觀，在其圓周固定有10個釘子，其中6個小型釘子，4個大型釘子，釘子外周有螺紋結(jié)構(gòu)，釘子和圓錐盤采用螺紋傳動，釘盤固定在機身上，螺紋盤有內(nèi)螺紋，和錐齒輪嚙合傳動。

對于工作原理，釘盤傳動系統(tǒng)分為釘盤、傳動齒輪與帶傳動部分，釘盤內(nèi)部的四周圍分布著大小不同的粗細(xì)螺絲釘，釘盤上有含內(nèi)螺紋的錐齒盤，錐齒盤的內(nèi)螺紋與螺絲釘?shù)耐饴菁y形成螺紋傳動，當(dāng)錐齒輪帶動錐齒盤轉(zhuǎn)動時，錐齒盤也就帶動釘子轉(zhuǎn)動，從而使釘子插入泥土，而錐齒輪的轉(zhuǎn)動靠電動機與它之間的帶傳動聯(lián)結(jié)。

1.1.3 螺旋傳動中螺紋牙型的選擇及螺桿材料的選取

梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙形角α=30°，梯形螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動。矩形螺紋牙根強度低，鋸齒形螺紋牙型不為等腰梯形，加工成本高。從實用性考慮，故選梯形螺紋，它的基本牙型按GB5796.3—86的規(guī)定。

由于此螺旋傳動旋轉(zhuǎn)速度低，表面受到的作用力較小，一般情況下螺桿的材料常使用Q235、Q275、40、45、55等。我們使用常見的的45鋼。

1.1.4 螺旋傳動中螺桿直徑的選擇

根據(jù)規(guī)定，對于整體螺母，由于磨損后不能調(diào)整間隙，為使受力比較均勻，螺紋工作圈數(shù)不宜過多，故取=1.2～2.5，但此處螺紋又兼有支承作用，所以 =2.5～3.5，這里取=3。螺桿——螺母材料分別為鋼——青銅，滑動速度為低速，得許用應(yīng)力p為18～25MPa。取p=20MPa。摩擦系數(shù)起動時取大值，校核是為安全起見，應(yīng)以起動時為準(zhǔn)，由f值0.08～0.1，應(yīng)取f =0.1。

代入F=1000 N

d2≥0.8F[P]

得d2≥4 mm ，根據(jù)手冊中的梯形螺紋的標(biāo)準(zhǔn)GB5796.3—86[14] ，取螺紋公稱直徑d=30mm，螺距為P=2。

因為我們采用的螺紋連接是不完全的360度嚙合，根據(jù)設(shè)計實際情況，螺紋盤需要與多個螺桿進行嚙合，根據(jù)等效果代換，得到螺紋盤公稱直徑為305，其它尺寸：螺桿小徑：d3=28.201，螺桿螺母中徑：d2=D2=28.701，螺母大徑：D4=29201，螺母小徑：D1=27.036螺母高度：H=d2=86.103 mm，故螺紋盤的高度也為86.103 mm。

1.2 玻璃吸盤的設(shè)計

1.2.1 吸盤結(jié)構(gòu)介紹及風(fēng)力的選擇與受力分析

本發(fā)明一種新型的玻璃吸盤由吸盤體 1、把手 2、扳手 3、水平器 4 組成。把手 2、扳手 3、水平器 4 在吸盤體 1 上，水平器 4 位于把手 2 前部，把手 2 位于扳手 3 前部 ;使用時，將吸盤體 1 置于玻璃片上，按住把手 2，扳動扳手 3，則吸盤就將玻璃片吸起來 ;在將玻璃片置入模具時，通過觀察吸盤體 1 上面橫、縱安裝的兩組水平器 4，將玻璃片調(diào)整至水平，置入到模具中 ;松開扳手 3，玻璃片就水平放置在模具中了。

對于其工作原理，吸盤系統(tǒng)為一個大小適中的玻璃吸盤，上面有一根與齒條相連的連桿控制它的吸緊與放松，齒條與一個定直齒輪連接，當(dāng)齒輪正轉(zhuǎn)時，齒條上升，拉緊吸盤使之工作，當(dāng)齒輪反轉(zhuǎn)時，齒條下降，放松吸盤使之舒張。定直齒輪的轉(zhuǎn)動由電動機控制。

選取大型遮陽傘的吸盤要根據(jù)風(fēng)力對傘體的影響進而來確定具體尺寸。青島屬于海邊城市，屬溫帶季風(fēng)氣候，有顯著的海洋性氣候特點，風(fēng)力較大，所以以青島為例。根據(jù)資料顯示青島的風(fēng)力受海洋的影響較內(nèi)陸為高，夏季主導(dǎo)風(fēng)向南、東南，風(fēng)力多為 34級;冬季主導(dǎo)風(fēng)向西北，風(fēng)力多為35級;春秋季風(fēng)向南、西南，風(fēng)力多為34級;每年的15月為大風(fēng)季節(jié)，風(fēng)速多在510米/秒;78月多有海霧，風(fēng)力減弱，多為13米/秒，隨每天的太陽變化從海洋吹向陸地，為典型的海風(fēng)形式。其他月份風(fēng)速穩(wěn)定，適合滑翔傘飛行。所以選最大計算風(fēng)力為5級。

1.2.2 吸盤型號的選擇

為滿足結(jié)構(gòu)和強度的要求，我們?nèi)〔倪x取了r=0.18 m的玻璃吸盤。

1.2.3 強度檢驗

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.01×105 pa，

1.01×105×s=2137.2，s=0.02 m2

所以吸盤半徑

r=0.02π=0.08m<0.18m

所以滿足使用要求。

2 自動傘伸縮桿的設(shè)計

2.1 傘桿高度的選擇

我們綜合考慮傘的適用條件和適宜人群，以及所處地區(qū)的太陽高度，如果處于較高緯度帶的話，太陽高度角略小，這樣的話，傘的高度不宜太大，否則就失去了遮擋陽光的效果，對于較低緯度帶，則傘的高度就顯得比較隨意了，可高可低，不用擔(dān)心遮擋不住陽光。這時候就該考慮適宜人群，如果常駐成年人的話，傘的高度要適當(dāng)高一些，而換成是兒童的話，把傘的高度調(diào)低。根據(jù)以上資料，確定遮陽傘的各項參數(shù)如下：傘桿伸長后的長度2400mm，傘桿收縮后的長度：300mm， 傘桿節(jié)數(shù)為10節(jié)。

2.2 傘桿及內(nèi)部彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)形式

彈簧的節(jié)距為p，在自由狀態(tài)下，各圈之間應(yīng)有適當(dāng)?shù)拈g距 以便彈簧受壓時，有產(chǎn)生相應(yīng)變形的空間。為了使彈簧在壓縮后能使彈簧仍保持一定的彈性，設(shè)計時還應(yīng)考慮在最大載荷作用下，各圈之間仍需保留一定的間距

彈簧端面的結(jié)構(gòu)采用YI型以保證兩支撐面與彈簧的軸線垂直，從而使彈簧受壓時不致歪斜。d>0.5mm的彈簧，兩支撐端面需磨平。磨平部分應(yīng)不少于圓周長的34，端頭厚度一般不小于d8，端面表面粗糙度應(yīng)低于Ra 25 mm 。

2.2.2 圓柱螺旋彈簧的材料及許用應(yīng)力

因為要求彈簧位于傘柄內(nèi)，控制傘面的張開與閉合，所以要求彈簧具有高的彈性極限和疲勞極限，且具有足夠的韌性和塑性。，我們按第 Ⅲ類彈簧來考慮，現(xiàn)選用硅錳彈簧鋼作為材料，其顯著提高了彈性極限，并提高了回火穩(wěn)定性，有一定的耐疲勞和抗沖擊性能，從而得到了良好的力學(xué)性能。這種材料經(jīng)查表得許用切應(yīng)力τ為800MPa ，許用彎曲應(yīng)力σb為1000MPa 。其彈性好，穩(wěn)定性高。

2.2.3 圓柱螺旋彈簧的設(shè)計

（1）根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，根據(jù)C值估計彈簧絲直徑d，并由表查取彈選擇旋繞比C，通?？扇≈58（極限狀態(tài)時不小于4或超過16），算出曲度系數(shù)K值。

（2）根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，根據(jù)C值估計彈簧絲直徑d，并由表查取彈簧絲的許用應(yīng)力。

（3）根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)。

（4）求出彈簧的尺寸D2、D1并檢查其是否滿足安裝要求等，如果不符合，則應(yīng)改選有關(guān)參數(shù)（例如C值）重新設(shè)計。

（5）驗算穩(wěn)定性對于壓縮彈簧，其長度較大時，

則受力容易失去穩(wěn)定性，為了便于制造及其避免失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般的壓縮彈簧的長細(xì)比。

（6）疲勞強度和靜應(yīng)力強度的驗算。

對于循環(huán)次數(shù)較多，在變應(yīng)力工作下的重要彈簧還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應(yīng)力強度進行驗算。

3 結(jié)論

該產(chǎn)品將手動支撐遮陽傘技術(shù)與自動伸縮傘的自動伸縮原理相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出適用于沙灘、水泥地、草地等各種復(fù)雜地形的戶外遮陽傘固定方式。同時，針對現(xiàn)有的遮陽傘功能單一的不足，該產(chǎn)品還加入并采用太陽能光伏技術(shù)，在傘箱下側(cè)裝配上了三個基于太陽能充電技術(shù)的LED燈，和USB充電接口，使戶外遮陽傘還可以成為夜用的家庭娛樂輔助用品，適合于家庭戶外聚餐、公司派對等場合。該產(chǎn)品伸縮一體化的結(jié)構(gòu)輕巧方便，自動化程度相對較高，便于安裝、固定和攜帶，改變了傳統(tǒng)的遮陽傘利用重物固定的方式，為現(xiàn)代人智能化的生活更能增添不少的活力，給人們的娛樂生活帶更多的精彩。

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作者簡介：張鐘予（1997），女，青島理工大學(xué)2015級本科生，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。