王旭陽(yáng)，何慶飛，曹 琥，李雨濃，王雅博，王 浩

（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710123）

0 引言

雨傘是人們生活中必不可少的物品，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)谏钪械母鞣矫娑甲非竺烙^、便捷與環(huán)保。傳統(tǒng)雨傘在諸多方面存在不便：①雨滴落在地面形成積水，當(dāng)人們踩到積水時(shí)會(huì)沾濕鞋底，這樣鞋底所過之處都會(huì)留下污印，導(dǎo)致本身潔凈的地面變臟，甚至在瓷磚地面有積水時(shí)易使人滑倒摔傷；②下雨天人們?yōu)榱巳コ齻忝鏆埩舻挠甑?，有的?huì)將傘撐開放在人行通道處來晾干雨滴，這樣嚴(yán)重影響他人通行；③傳統(tǒng)折疊傘只可以掛起，在無掛鉤的環(huán)境放傘就會(huì)不方便，顯得特別亂、不美觀。為了解決以上問題，為了讓人們有更便捷、更環(huán)保、更美觀的雨傘，人們想了很多辦法來改進(jìn)，但始終沒法得到廣大群眾滿意的認(rèn)可。而消費(fèi)者在選購(gòu)雨傘時(shí)更注重雨傘的質(zhì)量和使用功能，由此誕生了傘套及一體式雨傘。設(shè)計(jì)這個(gè)新型傘的目的就是解決傘面上雨水滴落、便捷、美觀和物美價(jià)廉等問題。收起傘時(shí)，傘將被收進(jìn)筒型傘套內(nèi)，利用內(nèi)壁的彈性?shī)A固定住傘，閉合密封蓋，整體形狀為圓柱形，美觀時(shí)尚方便且環(huán)保，可直立放在辦公桌上、背包里，不用擔(dān)心有水滴流出。

1 雨傘的背景與現(xiàn)有技術(shù)的不足

現(xiàn)在市場(chǎng)上的折疊傘都采用軟布做傘套，當(dāng)下雨天時(shí)人們打完傘，傘面上有雨滴，這時(shí)軟布的傘套就不能再套上去；沒有了傘套，當(dāng)人們用完傘不知道傘該如何擺放，放在哪里都會(huì)被傘面上殘留的雨滴弄濕。為了解決這些問題，相關(guān)人員寫出了很多專利和論文，如雨傘的快干裝置，是由主控模塊、紅外傳感器、溫濕度傳感器和小型電機(jī)等組合而成的一種大型機(jī)械裝置[1-2]。此類裝置可以處理掉雨水，但是仍有自身缺點(diǎn)：①體積大，需要占用一定面積；②只能長(zhǎng)時(shí)間停留在一處，人們必須走近才可以使用，使用不方便；③價(jià)格昂貴，并非每個(gè)人都愿意買。還有一種吸干機(jī)，將雨傘放入機(jī)內(nèi)，利用機(jī)內(nèi)的真空裝置將雨傘吸干，這種設(shè)備對(duì)雨傘本身會(huì)造成很大損傷，因此不可取[3-7]。為了解決這些缺點(diǎn)，新設(shè)計(jì)了一款更便捷、更經(jīng)濟(jì)、更安全的傘套及一體式雨傘。

圖1 傘收束前截面模型

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的雨傘上增加了一個(gè)圓柱形可防雨滴滴落的傘套裝置，本傘套采用硬質(zhì)材料，可以收納合起來的折疊傘，傘套與折疊傘上連接傘柄的最后一截傘竿固定，固定端稱為傘套底部（圖1～3）。

（1）彈性?shī)A。彈性?shī)A的作用是固定傘，傘被裝進(jìn)傘套后由彈性?shī)A來固定，防止傘遇到震蕩后來回?cái)[動(dòng)以至于對(duì)傘竿造成損害。彈性?shī)A可以在彈性?shī)A槽里上下移動(dòng)，當(dāng)拔出傘時(shí)，彈性?shī)A隨著傘的拔出會(huì)移動(dòng)到槽的最頂端，隨著傘被裝進(jìn)傘套內(nèi)時(shí)會(huì)隨著傘移動(dòng)到槽的底部。

（2）花瓣形密封蓋。傘套的密封蓋采用花瓣式蓋，安裝在傘套的上部。這種蓋美觀且方便易操作，只需要將蓋轉(zhuǎn)一圈便會(huì)從中心向四周打開，再回轉(zhuǎn)一圈就會(huì)從四周往中心閉合，不用擔(dān)心密封蓋的存放問題。

（3）吸水材料。吸水材料采用竹纖維，附著在花瓣式密封蓋背面，設(shè)置吸水材料是為防雨滴流出的一道重要保險(xiǎn)。竹纖維吸水性強(qiáng)、耐水性強(qiáng)，可長(zhǎng)期使用且價(jià)格便宜，當(dāng)雨滴沿傘面流下，竹纖維會(huì)將雨滴吸附，再加上花瓣式密封蓋兩層保險(xiǎn)來防止雨滴流出。

2.2 運(yùn)動(dòng)分析

利用SoildWorks 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析（圖4）。這一刻在傘架收入傘套時(shí)彈性?shī)A槽將會(huì)給傘架一定的壓力F，F(xiàn) 會(huì)輔助傘架收緊，更方便傘架收入傘內(nèi)。同時(shí)彈性?shī)A槽將會(huì)發(fā)生一定的形變，彈性?shī)A有一定的柔韌性在遭到撞擊時(shí)保護(hù)傘架不受損害。傘架與彈性?shī)A接觸將會(huì)產(chǎn)生摩擦力f，借助摩擦力彈性?shī)A與傘架同時(shí)收入傘套內(nèi)。撐開傘架時(shí)與之相反，同時(shí)也是經(jīng)過彈性?shī)A對(duì)傘架穩(wěn)定送出。

2.3 部分受力分析

圖2 傘收束后截面模型

圖3 傘收束后整體模型

圖4 新型傘某一位置截圖

本傘套設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易制造，采用硬質(zhì)鋁合金的圓柱形傘套，傘套的大小合適，傘套高度剛好將傘放入，傘套的直徑略大于傘合起來的直徑。在傘套內(nèi)做凹槽軌道作為彈簧夾上下移動(dòng)的軌道，彈性?shī)A的頂部最大直徑比傘套的直徑不能過小，便于傘進(jìn)入傘套時(shí)對(duì)傘的固定。彈性?shī)A由形變后可自動(dòng)還原的金屬制成，彈性?shī)A最小直徑應(yīng)略小于合起傘的直徑，以便對(duì)傘有一定的壓力將傘固定。應(yīng)力為分散應(yīng)力，為了方便計(jì)算將分散應(yīng)力簡(jiǎn)化為集中應(yīng)力。

計(jì)算傘架與彈性?shī)A的摩擦力f，彈性?shī)A的受力面為粗糙面，摩擦因數(shù)為μ。

利用SoildWorks 軟件建立三維傘套及一體式雨傘的應(yīng)力模型，模擬日常生活中人體正常施加的壓力及在大風(fēng)等惡劣天氣情況下傘體的主要部分受力情況，以更好地保護(hù)傘架（圖5）。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)從本質(zhì)上優(yōu)化了傳統(tǒng)傘給人們帶來的不便，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖、設(shè)計(jì)原理與部分力學(xué)分析可以看出，本發(fā)明設(shè)計(jì)合理并且制作簡(jiǎn)單、成本低廉，產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后更是受到廣大市民的青睞。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查，可以看出市民對(duì)新型傘的認(rèn)可度很高，未來新型傘會(huì)帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益（圖6）。不僅僅是經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也有很高的社會(huì)價(jià)值，若人們都采用新型傘，那么雨天人們更可放心出行，對(duì)環(huán)境零污染。相對(duì)于固定的大型雨傘速干機(jī)，新型傘更省錢、更方便快捷。

圖5 有限元模型應(yīng)力分析

圖6 新型傘市場(chǎng)滿意度調(diào)查