新型自动便携式大型户外遮阳伞的设计

张钟予 蔡文通 孙赫武 郭文文 李子兴

摘要：本产品是在传统的大型户外遮阳伞的结构基础上，将其现有的手动支撑遮阳伞技术与自动伸缩伞的自动伸缩原理相结合，开发设计出有别于传统的户外遮阳伞的固定方式。使用玻璃吸盘对较平整地面进行固定，使用多型号钉盘对沙滩、草地等各种复杂地形进行固定，克服了传统遮阳伞使用大型重物固定的缺点，再结合PLC对固定机构进行控制，实现便携式大型户外遮阳伞的固定全自动。此外，本产品还加入了太阳能光伏技术，在伞箱下侧装配上了三个基于太阳能充电技术的LED灯和USB充電接口，使户外遮阳伞还可以成为夜用的家庭娱乐辅助用品，适合于家庭户外聚餐、公司派对等场合。本产品的各项参数均经过严格的强度校核及检验，是功能强大且可靠的商业——娱乐两用产品。

关键词：户外遮阳伞;自动伸缩;太阳能

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

户外遮阳伞发展到现在，已经形成了独具特色的遮阳伞系列。但目前户外遮阳伞还是只能靠人工搬运与安装，方便性不高。而且国内外市场一直未曾将眼光放到户外遮阳伞的自动化实现上，这使得户外遮阳伞在自动化和便携式的开发路线上迟迟得不到发展。我们的研究正是在这个自动化时代与落后的传统户外遮阳伞的激烈碰撞中产生的，它使得便携式户外遮阳伞用于轻装家庭沙滩派对和公司野外聚餐成为了可能，同时也省去了传统户外遮阳伞繁琐的安装与固定过程，解放了人们的双手，提高了80%的遮阳伞使用效率。随着2017年中国本土市场的迅速崛起，以及近年来市场消费能力的快速提升，传统的低廉伞具已经无法满足市场的多元化需求。本设计更符合高端消费人群的品位，迎合了市场的崭新需求。未来的遮阳伞市场，一定是趋于高附加值与高科技含量的遮阳伞市场，它顺应自动化信息化大时代的价值导向。

1 固定装置的设计

1.1 钉盘的相关设计

1.1.1 钉盘的材料及选取

对于钉盘材料的选取，地钉材料要求如下：有一定的抗氧化性，且地钉需有一定的强度，不易折弯，耐腐蚀且有一定的抗拉和抗风能力。经过对目前市场上的地钉材质的筛选，我们从钢钉、铝材钉、钛合金地钉、高强度尼龙地钉等中选取了最合适的尼龙地钉。

对于高强度尼龙地钉，其特点为：机械强度高，韧性好，有较高的抗拉、抗压强度。其耐腐蚀，十分耐碱和大多数盐液，还耐弱酸、机油、汽油，耐芳烃类化合物和一般溶剂，对芳香族化合物呈惰性。能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蚀和有很好的抗老化能力。其质量超轻，不会生锈，且不易弯曲，很适合沙滩、泥地草地等地况，性价比比较高。

因此选取钛合金地钉、高强度尼龙地钉比较好，其具有高强度，低重量和有较好的抗腐蚀性能，具有良好的性价比。

1.1.2 钉盘的机构设计

对于结构设计，钉盘采用圆形外观，在其圆周固定有10个钉子，其中6个小型钉子，4个大型钉子，钉子外周有螺纹结构，钉子和圆锥盘采用螺纹传动，钉盘固定在机身上，螺纹盘有内螺纹，和锥齿轮啮合传动。

对于工作原理，钉盘传动系统分为钉盘、传动齿轮与带传动部分，钉盘内部的四周围分布着大小不同的粗细螺丝钉，钉盘上有含内螺纹的锥齿盘，锥齿盘的内螺纹与螺丝钉的外螺纹形成螺纹传动，当锥齿轮带动锥齿盘转动时，锥齿盘也就带动钉子转动，从而使钉子插入泥土，而锥齿轮的转动靠电动機与它之间的带传动联结。

1.1.3 螺旋传动中螺纹牙型的选择及螺杆材料的选取

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角α=30°，梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。矩形螺纹牙根强度低，锯齿形螺纹牙型不为等腰梯形，加工成本高。从实用性考虑，故选梯形螺纹，它的基本牙型按GB5796.3—86的规定。

由于此螺旋传动旋转速度低，表面受到的作用力较小，一般情况下螺杆的材料常使用Q235、Q275、40、45、55等。我们使用常见的的45钢。

1.1.4 螺旋传动中螺杆直径的选择

根据规定，对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取=1.2～2.5，但此处螺纹又兼有支承作用，所以 =2.5～3.5，这里取=3。螺杆——螺母材料分别为钢——青铜，滑动速度为低速，得许用应力p为18～25MPa。取p=20MPa。摩擦系数起动时取大值，校核是为安全起见，应以起动时为准，由f值0.08～0.1，应取f =0.1。

代入F=1000 N

d2≥0.8F[P]

得d2≥4 mm ，根据手册中的梯形螺纹的标准GB5796.3—86[14] ，取螺纹公称直径d=30mm，螺距为P=2。

因为我们采用的螺纹连接是不完全的360度啮合，根据设计实际情况，螺纹盘需要与多个螺杆进行啮合，根据等效果代换，得到螺纹盘公称直径为305，其它尺寸：螺杆小径：d3=28.201，螺杆螺母中径：d2=D2=28.701，螺母大径：D4=29201，螺母小径：D1=27.036螺母高度：H=d2=86.103 mm，故螺纹盘的高度也为86.103 mm。

1.2 玻璃吸盘的设计

1.2.1 吸盘结构介绍及风力的选择与受力分析

本发明一种新型的玻璃吸盘由吸盘体 1、把手 2、扳手 3、水平器 4 组成。把手 2、扳手 3、水平器 4 在吸盘体 1 上，水平器 4 位于把手 2 前部，把手 2 位于扳手 3 前部 ;使用时，将吸盘体 1 置于玻璃片上，按住把手 2，扳动扳手 3，则吸盘就将玻璃片吸起来 ;在将玻璃片置入模具时，通过观察吸盘体 1 上面横、纵安装的两组水平器 4，将玻璃片调整至水平，置入到模具中 ;松开扳手 3，玻璃片就水平放置在模具中了。

对于其工作原理，吸盘系统为一个大小适中的玻璃吸盘，上面有一根与齿条相连的连杆控制它的吸紧与放松，齿条与一个定直齿轮连接，当齿轮正转时，齿条上升，拉紧吸盘使之工作，当齿轮反转时，齿条下降，放松吸盘使之舒张。定直齿轮的转动由电动机控制。

选取大型遮阳伞的吸盘要根据风力对伞体的影响进而来确定具体尺寸。青岛属于海边城市，属温带季风气候，有显著的海洋性气候特点，风力较大，所以以青岛为例。根据资料显示青岛的风力受海洋的影响较内陆为高，夏季主导风向南、东南，风力多为 34级;冬季主导风向西北，风力多为35级;春秋季风向南、西南，风力多为34级;每年的15月为大风季节，风速多在510米/秒;78月多有海雾，风力减弱，多为13米/秒，随每天的太阳变化从海洋吹向陆地，为典型的海风形式。其他月份风速稳定，适合滑翔伞飞行。所以选最大计算风力为5级。

1.2.2 吸盘型号的选择

为满足结构和强度的要求，我们取材选取了r=0.18 m的玻璃吸盘。

1.2.3 强度检验

标准大气压为1.01×105 pa，

1.01×105×s=2137.2，s=0.02 m2

所以吸盘半径

r=0.02π=0.08m<0.18m

所以满足使用要求。

2 自动伞伸缩杆的设计

2.1 伞杆高度的选择

我们综合考虑伞的适用条件和适宜人群，以及所处地区的太阳高度，如果处于较高纬度带的话，太阳高度角略小，这样的话，伞的高度不宜太大，否则就失去了遮挡阳光的效果，对于较低纬度带，则伞的高度就显得比较随意了，可高可低，不用担心遮挡不住阳光。这时候就该考虑适宜人群，如果常驻成年人的话，伞的高度要适当高一些，而换成是儿童的话，把伞的高度调低。根据以上资料，确定遮阳伞的各项参数如下：伞杆伸长后的长度2400mm，伞杆收缩后的长度：300mm， 伞杆节数为10节。

2.2 伞杆及内部弹簧的结构设计

2.2.1 圆柱螺旋弹簧的结构形式

弹簧的节距为p，在自由状态下，各圈之间应有适当的间距 以便弹簧受压时，有产生相应变形的空间。为了使弹簧在压缩后能使弹簧仍保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保留一定的间距

弹簧端面的结构采用YI型以保证两支撑面与弹簧的轴线垂直，从而使弹簧受压时不致歪斜。d>0.5mm的弹簧，两支撑端面需磨平。磨平部分应不少于圆周长的34，端头厚度一般不小于d8，端面表面粗糙度应低于Ra 25 mm 。

2.2.2 圆柱螺旋弹簧的材料及许用应力

因为要求弹簧位于伞柄内，控制伞面的张开与闭合，所以要求弹簧具有高的弹性极限和疲劳极限，且具有足够的韧性和塑性。，我们按第 Ⅲ类弹簧来考虑，现选用硅锰弹簧钢作为材料，其显著提高了弹性极限，并提高了回火稳定性，有一定的耐疲劳和抗冲击性能，从而得到了良好的力学性能。这种材料经查表得许用切应力τ为800MPa ，许用弯曲应力σb为1000MPa 。其弹性好，稳定性高。

2.2.3 圓柱螺旋弹簧的设计

（1）根据安装空间初设弹簧中径D，根据C值估计弹簧丝直径d，并由表查取弹选择旋绕比C，通常可取C≈58（极限状态时不小于4或超过16），算出曲度系数K值。

（2）根据安装空间初设弹簧中径D，根据C值估计弹簧丝直径d，并由表查取弹簧丝的许用应力。

（3）根据变形条件求出弹簧工作圈数。

（4）求出弹簧的尺寸D2、D1并检查其是否满足安装要求等，如果不符合，则应改选有关参数（例如C值）重新设计。

（5）验算稳定性对于压缩弹簧，其长度较大时，

则受力容易失去稳定性，为了便于制造及其避免失稳现象，建议一般的压缩弹簧的长细比。

（6）疲劳强度和静应力强度的验算。

对于循环次数较多，在变应力工作下的重要弹簧还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算。

3 结论

该产品将手动支撑遮阳伞技术与自动伸缩伞的自动伸缩原理相结合，在此基础上开发出适用于沙滩、水泥地、草地等各种复杂地形的户外遮阳伞固定方式。同时，针对现有的遮阳伞功能单一的不足，该产品还加入并采用太阳能光伏技术，在伞箱下侧装配上了三个基于太阳能充电技术的LED灯，和USB充电接口，使户外遮阳伞还可以成为夜用的家庭娱乐辅助用品，适合于家庭户外聚餐、公司派对等场合。该产品伸缩一体化的结构轻巧方便，自动化程度相对较高，便于安装、固定和携带，改变了传统的遮阳伞利用重物固定的方式，为现代人智能化的生活更能增添不少的活力，给人们的娱乐生活带更多的精彩。

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作者簡介：张钟予（1997），女，青岛理工大学2015级本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化。