新型自動(dòng)便攜式大型戶外遮陽傘的設(shè)計(jì)

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(dòng)支撐遮陽傘技術(shù)與自動(dòng)伸縮傘的自動(dòng)伸縮原理相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計(jì)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(duì)較平整地面進(jìn)行固定，使用多型號(hào)釘盤對(duì)沙灘、草地等各種復(fù)雜地形進(jìn)行固定，克服了傳統(tǒng)遮陽傘使用大型重物固定的缺點(diǎn)，再結(jié)合PLC對(duì)固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)便攜式大型戶外遮陽傘的固定全自動(dòng)。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(gè)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(duì)等場(chǎng)合。本產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)均經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度校核及檢驗(yàn)，是功能強(qiáng)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(dòng)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(dú)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(yùn)與安裝，方便性不高。而且國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)一直未曾將眼光放到戶外遮陽傘的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)上，這使得戶外遮陽傘在自動(dòng)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(gè)自動(dòng)化時(shí)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(duì)和公司野外聚餐成為了可能，同時(shí)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(guó)本土市場(chǎng)的迅速崛起，以及近年來市場(chǎng)消費(fèi)能力的快速提升，傳統(tǒng)的低廉傘具已經(jīng)無法滿足市場(chǎng)的多元化需求。本設(shè)計(jì)更符合高端消費(fèi)人群的品位，迎合了市場(chǎng)的嶄新需求。未來的遮陽傘市場(chǎng)，一定是趨于高附加值與高科技含量的遮陽傘市場(chǎng)，它順應(yīng)自動(dòng)化信息化大時(shí)代的價(jià)值導(dǎo)向。

1 固定裝置的設(shè)計(jì)

1.1 釘盤的相關(guān)設(shè)計(jì)

1.1.1 釘盤的材料及選取

對(duì)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(qiáng)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(duì)目前市場(chǎng)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(qiáng)度尼龍地釘?shù)戎羞x取了最合適的尼龍地釘。

對(duì)于高強(qiáng)度尼龍地釘，其特點(diǎn)為：機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度。其耐腐蝕，十分耐堿和大多數(shù)鹽液，還耐弱酸、機(jī)油、汽油，耐芳烴類化合物和一般溶劑，對(duì)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(huì)生銹，且不易彎曲，很適合沙灘、泥地草地等地況，性價(jià)比比較高。

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

1.1.2 釘盤的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，釘盤采用圓形外觀，在其圓周固定有10個(gè)釘子，其中6個(gè)小型釘子，4個(gè)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(dòng)，釘盤固定在機(jī)身上，螺紋盤有內(nèi)螺紋，和錐齒輪嚙合傳動(dòng)。

對(duì)于工作原理，釘盤傳動(dòng)系統(tǒng)分為釘盤、傳動(dòng)齒輪與帶傳動(dòng)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(dòng)，當(dāng)錐齒輪帶動(dòng)錐齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，錐齒盤也就帶動(dòng)釘子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使釘子插入泥土，而錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)靠電動(dòng)機(jī)與它之間的帶傳動(dòng)聯(lián)結(jié)。

1.1.3 螺旋傳動(dòng)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(dòng)。矩形螺紋牙根強(qiáng)度低，鋸齒形螺紋牙型不為等腰梯形，加工成本高。從實(shí)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(dòng)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(dòng)中螺桿直徑的選擇

根據(jù)規(guī)定，對(duì)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(dòng)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(dòng)時(shí)取大值，校核是為安全起見，應(yīng)以起動(dòng)時(shí)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(cè)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?yàn)槲覀儾捎玫穆菁y連接是不完全的360度嚙合，根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，螺紋盤需要與多個(gè)螺桿進(jìn)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(jì)

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(shí)，將吸盤體 1 置于玻璃片上，按住把手 2，扳動(dòng)扳手 3，則吸盤就將玻璃片吸起來 ;在將玻璃片置入模具時(shí)，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(duì)于其工作原理，吸盤系統(tǒng)為一個(gè)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(gè)定直齒輪連接，當(dāng)齒輪正轉(zhuǎn)時(shí)，齒條上升，拉緊吸盤使之工作，當(dāng)齒輪反轉(zhuǎn)時(shí)，齒條下降，放松吸盤使之舒張。定直齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)控制。

選取大型遮陽傘的吸盤要根據(jù)風(fēng)力對(duì)傘體的影響進(jìn)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(diǎn)，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(jí);冬季主導(dǎo)風(fēng)向西北，風(fēng)力多為35級(jí);春秋季風(fēng)向南、西南，風(fēng)力多為34級(jí);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(jì)算風(fēng)力為5級(jí)。

1.2.2 吸盤型號(hào)的選擇

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

1.2.3 強(qiáng)度檢驗(yàn)

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(dòng)傘伸縮桿的設(shè)計(jì)

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(duì)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(shí)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(xiàng)參數(shù)如下：傘桿伸長(zhǎng)后的長(zhǎng)度2400mm，傘桿收縮后的長(zhǎng)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(jì)

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(shí)，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(jì)時(shí)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(shí)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(zhǎng)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?yàn)橐髲椈晌挥趥惚鷥?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(jì)

（1）根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D，根據(jù)C值估計(jì)彈簧絲直徑d，并由表查取彈選擇旋繞比C，通常可取C≈58（極限狀態(tài)時(shí)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(jì)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(jì)。

（5）驗(yàn)算穩(wěn)定性對(duì)于壓縮彈簧，其長(zhǎng)度較大時(shí)，

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(zhǎng)細(xì)比。

（6）疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。

對(duì)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(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

3 結(jié)論

該產(chǎn)品將手動(dòng)支撐遮陽傘技術(shù)與自動(dòng)伸縮傘的自動(dòng)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(shí)，針對(duì)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(gè)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(duì)等場(chǎng)合。該產(chǎn)品伸縮一體化的結(jié)構(gòu)輕巧方便，自動(dòng)化程度相對(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，陳國(guó)定，吳立言. 機(jī)械設(shè)計(jì)，西北工業(yè)大學(xué)教研室.

Pu Liang， Chen Guoding， Wu LiYan， mechanical design， teaching and research section of Northwestern Polytechnical University

[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理，西安工業(yè)大學(xué)出版社.

Sun Heng， Chen Zuomo， Ge Wenjie. Mechanical principle. Xi'an Technological University press

[3]趙衛(wèi)軍， 任金泉， 陳剛， 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M]， 北京， 北京科學(xué)出版社， 2010.

ZHAO Weijun， REN Jinquan， CHEN Gang， Mechanical design basic course design [M]， Beijing， Beijing Science Press ， 2010.

[4]安琪， 王建文， 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M]， 上海， 華東科技大學(xué)出版社， 2012.

AN Qi， WANG Jianwen， Mechanical design course design [M]， Shanghai， East China University Of Science And Technology Press， 2012.

[5]周元康， 林昌華， 張海兵， 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M]， 重慶， 重慶大學(xué)出版社， 2001.

ZHOU Yuankang， LIN Changhua， ZHANG Haibing， Mechanical design course design， Chongqing， Chongqing University press， 2001.

[6]汪增祥， 彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]， 上海， 上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社， 1986.7.

WANG Zengxiang， Spring design handbook [M]， Shanghai， Shanghai Science and Technology Literature Press， 1986.7.

[7]胡尊剛， 于世軍， 遮陽傘的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]， 汽車實(shí)用技術(shù)， 2016.9.

HU Zungang， YU shijun， The design and application of sunshade[J]， Practical Technology of Automobile， 2016.9.

[8]顧昌， 呂天健， 尹家波， 可拆卸式太陽能遮陽傘[J]， 技術(shù)產(chǎn)品與工程， 2013，7.

GU Chang， LV Tianjian， YIN Jiabo， detachable solar sunshade [J]， technical products and engineering， 2013，7.

[9]卞永軍， 一種可拆卸手柄式遮陽傘， 中國(guó)， CN201621443072.4， 20170811.

BIAN Yongjun， A removable handle type sunshade， China， CN201621443072.4， 20170811.

[10]劉向東，邢蕾，姚敬.一種外置支撐折疊式遮陽傘.中國(guó)：CN201611270465.4， 20170322.

LIU Xiangdong， XING Lei， YAO Jing， A kind of external support folding umbrella， China， CN201611270465.4， 20170322.

Reference documentation：

[1]Pu Lianggui， Chen Guoding， Wu LiYan. mechanical design， teaching and research section of Northwestern Polytechnical University.

[2] Sun Heng， Chen Zuomo， Ge Wenjie. Mechanical principle. Xi'an Technological University press

[3]Zhao Weijun， Ren Jinquan， Chen Gang.Mechanical design basic course design [M]. Beijing， Beijing Science Press， 2010.

[4]An Qi， Wang Jianwen. Mechanical design course design [M]. Shanghai， East China University Of Science And Technology Press， 2012.

[5]Zhou Yuankang， Lin Changhua， Zhang Haibing. Mechanical design course design， Chongqing， Chongqing University press， 2001.

[6]Wang Zengxiang.Spring design handbook [M]. Shanghai， Shanghai Science and Technology Literature Press， 1986.7.

[7]Hu Zungang， YU shijun.The design and application of sunshade[J]. Practical Technology of Automobile， 2016.9.

[8]Gu Chang， Lv Tianjian， Yin Jiabo.detachable solar sunshade [J]， technical products and engineering， 2013，7.

[9]Bian Yongjun.A removable handle type sunshade， China， CN201621443072.4， 20170811.

[10]Liu Xiangdong， Xing Lei，Yao Jing.A kind of external support folding umbrella， China， CN201611270465.4， 20170322.

作者簡(jiǎn)介：張鐘予（1997），女，青島理工大學(xué)2015級(jí)本科生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。