关于一种新型伞套及一体式雨伞的研究

王旭阳，何庆飞，曹 琥，李雨浓，王雅博，王 浩

（西京学院机械工程学院，陕西西安 710123）

0 引言

雨伞是人们生活中必不可少的物品，随着社会的不断发展，人们在生活中的各方面都追求美观、便捷与环保。传统雨伞在诸多方面存在不便：①雨滴落在地面形成积水，当人们踩到积水时会沾湿鞋底，这样鞋底所过之处都会留下污印，导致本身洁净的地面变脏，甚至在瓷砖地面有积水时易使人滑倒摔伤；②下雨天人们为了去除伞面残留的雨滴，有的会将伞撑开放在人行通道处来晾干雨滴，这样严重影响他人通行；③传统折叠伞只可以挂起，在无挂钩的环境放伞就会不方便，显得特别乱、不美观。为了解决以上问题，为了让人们有更便捷、更环保、更美观的雨伞，人们想了很多办法来改进，但始终没法得到广大群众满意的认可。而消费者在选购雨伞时更注重雨伞的质量和使用功能，由此诞生了伞套及一体式雨伞。设计这个新型伞的目的就是解决伞面上雨水滴落、便捷、美观和物美价廉等问题。收起伞时，伞将被收进筒型伞套内，利用内壁的弹性夹固定住伞，闭合密封盖，整体形状为圆柱形，美观时尚方便且环保，可直立放在办公桌上、背包里，不用担心有水滴流出。

1 雨伞的背景与现有技术的不足

现在市场上的折叠伞都采用软布做伞套，当下雨天时人们打完伞，伞面上有雨滴，这时软布的伞套就不能再套上去；没有了伞套，当人们用完伞不知道伞该如何摆放，放在哪里都会被伞面上残留的雨滴弄湿。为了解决这些问题，相关人员写出了很多专利和论文，如雨伞的快干装置，是由主控模块、红外传感器、温湿度传感器和小型电机等组合而成的一种大型机械装置[1-2]。此类装置可以处理掉雨水，但是仍有自身缺点：①体积大，需要占用一定面积；②只能长时间停留在一处，人们必须走近才可以使用，使用不方便；③价格昂贵，并非每个人都愿意买。还有一种吸干机，将雨伞放入机内，利用机内的真空装置将雨伞吸干，这种设备对雨伞本身会造成很大损伤，因此不可取[3-7]。为了解决这些缺点，新设计了一款更便捷、更经济、更安全的伞套及一体式雨伞。

图1 伞收束前截面模型

2 结构设计及力学分析

2.1 结构设计

在传统的雨伞上增加了一个圆柱形可防雨滴滴落的伞套装置，本伞套采用硬质材料，可以收纳合起来的折叠伞，伞套与折叠伞上连接伞柄的最后一截伞竿固定，固定端称为伞套底部（图1～3）。

（1）弹性夹。弹性夹的作用是固定伞，伞被装进伞套后由弹性夹来固定，防止伞遇到震荡后来回摆动以至于对伞竿造成损害。弹性夹可以在弹性夹槽里上下移动，当拔出伞时，弹性夹随着伞的拔出会移动到槽的最顶端，随着伞被装进伞套内时会随着伞移动到槽的底部。

（2）花瓣形密封盖。伞套的密封盖采用花瓣式盖，安装在伞套的上部。这种盖美观且方便易操作，只需要将盖转一圈便会从中心向四周打开，再回转一圈就会从四周往中心闭合，不用担心密封盖的存放问题。

（3）吸水材料。吸水材料采用竹纤维，附着在花瓣式密封盖背面，设置吸水材料是为防雨滴流出的一道重要保险。竹纤维吸水性强、耐水性强，可长期使用且价格便宜，当雨滴沿伞面流下，竹纤维会将雨滴吸附，再加上花瓣式密封盖两层保险来防止雨滴流出。

2.2 运动分析

利用SoildWorks 软件进行运动分析（图4）。这一刻在伞架收入伞套时弹性夹槽将会给伞架一定的压力F，F 会辅助伞架收紧，更方便伞架收入伞内。同时弹性夹槽将会发生一定的形变，弹性夹有一定的柔韧性在遭到撞击时保护伞架不受损害。伞架与弹性夹接触将会产生摩擦力f，借助摩擦力弹性夹与伞架同时收入伞套内。撑开伞架时与之相反，同时也是经过弹性夹对伞架稳定送出。

2.3 部分受力分析

图2 伞收束后截面模型

图3 伞收束后整体模型

图4 新型伞某一位置截图

本伞套设计简单易制造，采用硬质铝合金的圆柱形伞套，伞套的大小合适，伞套高度刚好将伞放入，伞套的直径略大于伞合起来的直径。在伞套内做凹槽轨道作为弹簧夹上下移动的轨道，弹性夹的顶部最大直径比伞套的直径不能过小，便于伞进入伞套时对伞的固定。弹性夹由形变后可自动还原的金属制成，弹性夹最小直径应略小于合起伞的直径，以便对伞有一定的压力将伞固定。应力为分散应力，为了方便计算将分散应力简化为集中应力。

计算伞架与弹性夹的摩擦力f，弹性夹的受力面为粗糙面，摩擦因数为μ。

利用SoildWorks 软件建立三维伞套及一体式雨伞的应力模型，模拟日常生活中人体正常施加的压力及在大风等恶劣天气情况下伞体的主要部分受力情况，以更好地保护伞架（图5）。

3 结论

本设计从本质上优化了传统伞给人们带来的不便，根据以上的设计结构图、设计原理与部分力学分析可以看出，本发明设计合理并且制作简单、成本低廉，产品进入市场后更是受到广大市民的青睐。经市场调查，可以看出市民对新型伞的认可度很高，未来新型伞会带来很高的经济效益（图6）。不仅仅是经济效益，同时也有很高的社会价值，若人们都采用新型伞，那么雨天人们更可放心出行，对环境零污染。相对于固定的大型雨伞速干机，新型伞更省钱、更方便快捷。

图5 有限元模型应力分析

图6 新型伞市场满意度调查