折叠雨伞机构设计及运动分析研究

对直杆伞进行机构设计，并采用相对运动图解法进行运动分析，得出了雨伞的速度和加速度运动曲线图，并使用UG进行三维建模和机构运动仿真，获得了合理的分析结果。

伞是一种提供阴凉环境或遮蔽雨、雪的工具。按伞面收起后伞的骨架（伞骨）可以折叠的次数，伞具市场目前主要分为4大类：直杆伞（一折）、两（二）折伞、三折伞、五折伞[1]。

直杆伞，其优点是伞骨一般都为钢架，结实耐用，不仅防雨，还可以作为辅助登山工具或老人拐杖使用。

1 折叠伞机构设计

1）伞面直径。伞面直径大小是由撑伞者在伞下的活动范围决定的。在正常情况下，人在伞下的活动范围有3个主要因素：手臂前后活动范围；手臂左右活动范围；肩宽。根据人机工程学以及一些数据分析，考虑一般情况下手相对身体活动范围不大，手活动范围伞面半径肩宽，综合分析得出伞面直径为950 mm。

2）伞骨尺寸。设计伞面撑开角度为126°，则伞骨AC长度为475/sin63°=533 mm。考虑到要使杆的受力情况尽可能好，将与执行伞骨相连的连杆短骨的节点B，放在执行伞骨的中点处[1]。根据收伞后滑块应该位于伞骨内部，确定出短骨BD长度为260 mm。

3）中棒长度。中棒的长度不能太短，否则会避挡住人的视线，不能太长，否则起不到遮风挡雨的作用。综合考虑雨伞收起后的长度和人体实际状况，确定中棒长度为600 mm。

最终设计出的机构运动简图如图1所示。

图1 折叠伞机构运动简图

图2 折叠伞机构运动仿真截图

使用UG软件进行雨伞三维建模并进行运动仿真，某一位置的截图如图2所示。

假定滑块向上移动速度为100 mm/s，使用相对运动图解法[2]（如图3所示）对折叠伞撑开过程中伞面上的B点的速度和加速度进行分析，发现B点的速度和加速度在初始位置时变化很大，在要和伞杆的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。速度和加速度曲线图如图4所示。

图3 相对运动图解法运动分析图

图4 直杆伞速度和加速度曲线图

经过分析得到，折叠伞的滑块与限位块的接触属于柔性接触，没有冲击，对延长伞的使用寿命有利，说明此机构设计符合实际要求。