0404059王法臣手推式草坪割草機設計

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1、濟南大學畢業(yè)設計 1 前言 1.1 設計的依據(jù) 割草機械至今已有一百多年的歷史，而目前人們最多使用的割草機械為充電式。由于割草機械多在人口稠密的地區(qū)作業(yè)，流動性大，對機械的震動、噪音、廢氣排放、質量等指標要求比較高。現(xiàn)在的草坪機機多使用汽油機或柴油機作動力，排氣污染量相比于汽車的少，但其噪聲危害卻很大。美國EPA(美國環(huán)境保護局)及歐盟對草坪機等用發(fā)動機的排放均有相應的法規(guī)；德國還出臺了控制噪聲污染的《蘭色天使》法規(guī)；歐洲一些城市推出過引導性計劃，通過稅收優(yōu)惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經營者” 以加速環(huán)保技術的發(fā)展。隨著中國經濟水平的不斷提高，我國公民的環(huán)境意識也不斷增強，所以設計一款無污染

2、的草坪割草機是急需的。 手推式草坪割草機主要利用滾動的輪子帶動機械運動。手推式割草機結構簡單，連接平穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分簡單，既給使用人帶來方便，也給周圍的人帶來舒適和安靜的環(huán)境。 1.2 產品的用途及使用范圍 目前市面上的割草機大多需動力引擎（如內燃機、蓄電池等），這會產生較大的噪音，并帶來環(huán)境污染，在辦公或學習的地方，這種用動力引擎的割草機就顯得非常不受歡迎。由于動力引擎草坪割草機有動力裝置，保養(yǎng)、維護費用較高；同時動力引擎割草機主要依靠刀片的高速旋轉把草排出。因此，對整機的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強烈的震動，使操作很不舒服。雖然，動力引擎草坪割草機割草效率較高

3、，割草效果較好。但是，其價格也較昂貴，就目前來說一般的用戶難以接受。 通過市場調研，最后決定設計一款無引擎驅動，無噪音污染，割草高度可簡單調節(jié)，輕便簡潔，操作方便，美觀實用，適用于一般用戶的草坪割草機。 該產品主要用于家用，及面積不大的草坪修理。無需引擎，可謂綠色環(huán)保的割草機。對提倡環(huán)保的現(xiàn)代社會，是理想的割草工具。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 隨著經濟水平的發(fā)展和社會的進步，人們對生活環(huán)境的要求越來越高。草坪綠化已經成為衡量一個國家、地區(qū)或城市文明程度的一個重要指標，在美化環(huán)境、故土護坡、凈化空氣等方面已成為人類得共識，在生態(tài)環(huán)境建設和保護方面將扮演著越來越重要的角色。我國草坪建設也得到

4、了迅速的發(fā)展，如城市園林綠化、興建休閑場所等都需要大量的草坪，江河堤壩。高速公路、鐵路等交通水利設施的護坡及屋頂花園、室內綠化也都需要優(yōu)質草坪。草坪建植后需要經常的養(yǎng)護，以保持草坪青綠茂盛、持久不衰。高質量、高標準的草坪養(yǎng)護，僅手工勞動遠遠不能滿足綠化的要求，因此與草坪養(yǎng)護管理配套的機械設備勢必不可少的。我國園林機械發(fā)展迅速，生產經營企業(yè)有五十余家，與國外合資、合作的企業(yè)有十家左右。通過近幾年的技術改造，其生產規(guī)模不斷擴大，產品質量也日益提高，形成了獨具特色的產品系列，基本能滿足園林養(yǎng)護作業(yè)的需要。 在歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，現(xiàn)代草坪機現(xiàn)在主要追求低排放、低噪音、低功耗、高效率等。例如太陽能、

5、電能等新型割草機逐漸站住了市場。 相對于國外技術發(fā)展，我國草坪機技術發(fā)展相對落后。隨著草坪覆蓋率要求越來越高，使得草坪機數(shù)量和種類越來越多。為此對草坪機設計提出了全新的更高要求，從而使得草坪機技術有了許多新的發(fā)展，主要體現(xiàn)在草坪機幾何參數(shù)優(yōu)化、低排放、高效率的草坪機以及結構緊湊的草坪機結構上面。 從整體來看，我國草坪割草機的技術水平、質量狀況已基本能夠滿足一般園林作業(yè)的需要?，F(xiàn)有的草坪機產品包括旋刀式、往復式、滾刀式、甩刀式和甩繩式等系列產品，其中滾刀式草坪機為行業(yè)的主導產品。近年我國草坪機行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)內的各重點骨干企業(yè)中，都有自己的研究所，擁有產品設計、開發(fā)隊伍、設施及必要的檢測手

6、段，可以根據(jù)發(fā)動機的功率、安裝尺寸等參數(shù)及工作環(huán)境等要求，設計開發(fā)全新的產品，國內草坪機生產企業(yè)與國外先進技術的差距進一步縮小，目前我國生產的草坪機已經逐漸能夠滿足國內、國際市場需求。 1.3.1 國內外發(fā)展概述 l9世紀中葉，大部分的草坪還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊來保持草地的整齊性。隨著高爾夫球、網球及足球等運動的興起，保持完善的草地做運動場便成為當務之急。英國人Edwin Budding利用旋轉式機械工作的原理發(fā)明了滾刀式割草機，該產品的問世在英國受到了廣泛的歡迎，隨后傳入美國，最后遍及世界。1868年，美國第一臺割草機取得專利，美國的草坪業(yè)也由此起步。不過幾年，便有40多項有關割草

7、機的發(fā)明獲得專利。到1881年，總共生產和銷售4萬多臺割草機。最初的割草機均為人力驅動；1890年，在英國開始設計有動力驅動的割草機。從最初的蒸汽動力驅動發(fā)展到小型內燃機動力驅動；1909年，美國科學家Leoni取得了動力型機械式割草機專利，盡管割草機由汽油機驅動，但整個裝置仍由馬拉行走。 在草坪修割機械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個轉折點。在20世紀30年代前后，每年生產的各類割草機數(shù)量約3萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經濟得到復興，允許現(xiàn)役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設房屋并出售，促使草坪修割機械得到迅速發(fā)展，生產量急劇上升，1947年達36萬臺，1974年達700萬臺。20世紀70年代后期開

8、始，割草機的市場銷售量逐漸趨向飽和，但每年仍保持在500萬—600萬臺的銷量 。割草機在數(shù)量增加的同時，其性能也在不斷改進。1950年，美國第一臺無線電操縱的割草機誕生；1978年，C1arence Noke研制出了一種可進行草坪修割編程的割草機；20世紀80年代，一些新的草坪設備又投放市場，如Mulching mower，Shredder，Lawndethatcher，String trimmer等，以及清潔草坪用的Blower，Lawn vacuum，Lawn sweeper 。到了80年代后期，string trimmer被認為是一件普通的家庭用具。 我國生產草坪割草機起步較晚，生產企

9、業(yè)規(guī)模普遍較小，產品用途單一，品種數(shù)量少，遠不能滿足要求，而且質量與發(fā)達國家的相比也有很大差距。所以長期以來，草坪割草機多以進口為主，主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國。據(jù)統(tǒng)計，1999年的割草機銷售量在3萬臺左右，其中80％為進口；2000年我國各類草坪機械保有量達13余萬臺，割草機進口量在3．16萬臺左右；近兩年，草坪機械平均年增長率達到30％左右，國內每年草坪機械的銷售總額大約為1．2億～1．3億元人民幣，其中從國外進口的機械占85％，國內自行生產的產品占15％左右，其合計銷量約在1萬臺左右。 1.3.2 常見的割草機械分類 割草機械按動力劃分可以分為機動和人推的兩類。按動力又分為

10、柴油機、汽油機和電動機3類驅動。其中以小型通用汽油機作為動力的較為普遍，而柴油機多用于大型的割草機械，如牧場的割草機；按割草時刀片運動的方式可分為滾刀式、旋刀式和割切式3種；按切割器形狀可分為旋刀式、滾刀式、往復割刀式和甩刀式等；按駕駛形式分類，可分為推動式(步行式)、自行式、坐騎式(駕乘式)；按配套動力和作業(yè)方式分為手推式、手扶推行式、手扶自行式、駕乘式、拖拉機式等。割草機的割草幅寬一般為400～lO00mm，割草高度從0～100mm有幾個調節(jié)擋位。 1.3.3 常見幾種割草機械割草原理 （1）滾刀式割草機：它由帶有刀片的滾筒和不動的底刀組成。滾刀的形狀像一個圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安

11、裝在圓柱表面，滾刀旋轉帶動草莖相對于底刀產生一個逐漸切割的滑動割切而將草莖割斷。滾刀式割草機割草的質量取決于滾刀上刀片數(shù)和滾刀的轉速，滾刀上刀片數(shù)越多，單位長度行進中切割的次數(shù)就越多，切下的草也越細，滾刀的刀片數(shù)一般為3～12片不等；滾刀的轉速越高，切下的草也越細。滾刀式割草機是高質量草坪最常用的割草機型，適用于草高3～80mm 的草坪，其價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴格。 （2）旋刀式割草機(又稱懸刀式)：它是由橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉打切草的上部葉片。其工作裝置為一長條形割草刀或多把割草刀在水平刀盤上，高速旋轉的刀刃與草莖碰撞而將其割斷，為無支承切割。刀刃的后面是類風葉形狀，在高速旋轉下

12、，對地面形成一定的真空將草莖吹成直立狀態(tài)，便于切割并與罩殼相結合，形成渦流將割下的碎草送人集草裝置或從罩殼出口噴出灑到草坪，適于25~80mm范圍內割草，它的價格相對低廉，保養(yǎng)、維修和使用都很方便，是國內外目前最流行的割草機。 （3）甩刀式割草機：其切割裝置由多把垂直于地面的刀片鉸接在旋轉組成的旋轉軸上，當高速旋轉時，在離心力作用下，其刀片像垂直于軸芯的甩刀，端部刀刃不斷地沖擊切割草莖。由于刀片與刀軸或刀盤為鉸接，當碰到堅硬沖擊不斷的物體時可以避讓而不致?lián)p壞機器。 （4）甩繩式割草機：其工作裝置是由一個內裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當打草盤高速旋轉時，露在外面的尼龍繩在離心力作用下

13、，像一束伸直的刀刃快速撞擊草莖而切割斷草。由于尼龍繩是柔性的，其撞擊障礙物時退讓，不會損壞機器本身，也不會對障礙物有較大的破壞。 2 方案設計 2.1 主要工作原理 本次設計的手推式割草機主要利用輪子旋轉運動傳到變速箱中的齒輪，實現(xiàn)刀具的往復運動的功能。手推式割草機由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和刀片等構件組成，端面齒輪和撥桿是一對工作組合。端面齒輪通過自身的轉動將旋轉方向的力傳動給撥桿，引起水平方向的往復運動，從而使刀具自身往復運動。由于割草機變速變矩范圍不大，因此在刀具的選擇上尤其注意

14、以提高割草機自身效率為重要原則。 割草機工作時由人推動機器行走，從而使割草機的后輪1傳動，帶動與其在同一根軸上的大齒輪2轉動，通過齒輪2與齒輪3組成的增速機構使速度得以增大，并帶動端面凸輪4（為了實現(xiàn)幾何形狀封閉和便于調整，采取兩個端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉，端面凸輪4帶動撥桿5運動，通過端面凸輪4與撥桿5組成的轉換機構將回轉運動變?yōu)橹本€往復運動，使固定其上的活動刀片與固定在機架上的固定刀片形成相對交錯運動，完成割草動作。如圖2.1所示： 圖2.1 機器的運動簡圖 2.2 主要技術指標和重要技術參數(shù) 2.2.1 該手推式割草機的總體設計參數(shù) 手推

15、式草坪割草機的前進是靠走輪，即靠人的推力來驅動。查閱《人機工程手冊》，可得人步行速度約為30—46m/min,考慮到推動割草機進行割草,選取較小速度即取人步行速度為30m/min,亦即500mm/s。 查閱《機械設計手冊》得到以下數(shù)據(jù)： 成年男性身高： 18—25周歲 1554—1830毫米 26—35周歲 1545—1851毫米 35—60周歲 1554—1798毫米 平均身高： 18—60周歲 1543—1814毫米 成年女性身高： 18—25周歲 1457—1709毫米 26—35周歲 1449—1698毫米 36—60周歲

16、 1445—1683毫米 平均身高： 18—60周歲 1449—1697毫米 成年男性臂長： 18—25周歲 279—350毫米 26—35周歲 280—349毫米 36—60周歲 278—348毫米 平均臂長： 18—60周歲 279—349毫米 成年女性臂長： 18—25周歲 253—319毫米 26—35周歲 253—320毫米 36—60周歲 251—317毫米 平均臂長： 18—60周歲 252—319毫米 立姿工作崗位工作高度： 男性： 950—1050—1150毫米 1050—1200—13

17、00毫米 女性： 850—950—1050毫米 1000—1100—1200毫米 綜合以上因素，設計扶手以及支架的尺寸，并且根據(jù)不同性別和不同年齡將扶手高度和傾斜角度設計成可以調節(jié)的。站立工作時操作的有關尺寸，以及人體需要的可能活動空間。 由《人機工程手冊》查得，人體身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推桿距地面高度取為1000毫米，且可在850—1300毫米之間調節(jié)，符合人體作業(yè)適應度。 設計原則：工作場地的高度取決于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、視野范圍等。 A：精密工作，靠肘支撐工作。（設計尺寸針對男性：105—115毫米 針對女性：100—110

18、毫米） B：虎鉗固定在工作臺上的高度：113毫米 C：輕手工工作。（男性：90—100毫米 女性：90—95毫米） D：用勁大的工作。（男性：80—95毫米 女性：75—90毫米） 本課題設計屬于D范圍內的設計。 又因為該草坪割草機是手推式的，行走動力來源于人的行走以及推力。應考慮到其結構尺寸方面的因素，因而行走輪直徑不易過大。其切割速度要求要大于0.8米/秒,如果小于0.8米/秒,那么草將可能被撕裂和扯斷,而不是被切割斷;如果輪子直徑過小，則推行會較費力，不能達到設計要求，要滿足人的推力在200N左右都能推動這臺草坪機才可以。 綜上所述，本設計中的總體設計參數(shù)如下： 外形尺

19、寸：586369200 mm 輸入功率：149.1 W 輪子轉速：113.04 r/min 力矩：T=12334.57N.mm 凈質量：M≈30kg 變速要求：單級刀具，一固定刀片和一活動刀片相互運動 單根割草載荷：f=0.5N 2.2.2 該手推式割草機的刀具設計參數(shù) 項目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 操作人數(shù) 凈重 手推式割草機 往復切割 240mm 20mm 單動 860r/min 平形 149.1W 113r/min 1人 30kg 2.3 已經考慮過的若干方案的比較

20、 2.3.1 手推式割草機的工作設計方案 本次設計的手推式草坪割草機首先要通過一個傳力構件將人力傳遞出去。為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構繼續(xù)傳遞。因執(zhí)行修割草動作刀片的相對運動方向與人行進的方向垂直，經前面增速機構傳遞過來的運動都需要再經過一級轉換機構傳遞到執(zhí)行構件。 通過分析得到手推式草坪割草機的組成框圖，如圖2.2所示。 圖2.2 手推式草坪割草機的組成框圖 2.3.2 其他工作設計方案的比較 能實現(xiàn)手推式草坪修草功能的技術原理較多，但各有利弊，具體分析如下： （1）用腳驅動 用腳驅動時，一般操作者都需站在或坐在被驅動的機器上用力，

21、這樣所設計的修草機，除了要完成割草動作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機器結構復雜，尺寸較大，不適合小面積草坪使用。 （2）用手驅動 用手驅動，可避免用腳驅動時存在的問題，使所設計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設計手動式修草機。 （3）用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。用此法修草時所需的速度非常高，以其在草還沒被打倒之前將草打斷，這樣的修草產品已有，但效果并不是很好。 （4）用割的方式 即用刀將草割斷，用兩個刀片作相對運動的原理較易將草割斷，且不需要很高的速度。因此，我們選擇設計成手動式割草機。 手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現(xiàn)的是簡

22、單的轉動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構件的往復移動，由于割草機還要靠人力推著向前行進，操作者要完成的動作過多，操作不方便。要使操作者只通過簡單的操作即可完成割草動作，可以用手推割草機向前行駛，靠割草機輪子的轉動將轉動運動轉變成往復移動而輸出到執(zhí)行構件。顯然設計成手動式草坪割草機是合理而可行的。 根據(jù)所查資料，可選用組合—變異法構成初步方案。由前面的分析可知，手動式草坪割草機只需要一種運動形式變換功能（即轉動變直線往復移動），所以，較簡單。實現(xiàn)轉動到直線往復移動變換功能最簡單的機構為曲柄滑塊機構，直線推桿盤狀凸輪機構和齒輪齒條機構。 a)曲柄滑塊機構

23、 b）直動推桿盤狀凸輪機構 c）齒輪齒條機構 圖2.3 機構運動簡圖 2.4 關鍵問題及其解決辦法 2.4.1 增速機構的設計 增速機構是動力傳遞及變速的核心機構。它的速度變化直接改變刀具的切割運動。本次設計的手推式割草機采用圓柱凸輪傳動機構。 可以利用圓盤側面的形狀特征，為此圓盤旋轉時通過側面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調整）左右運動，這樣就得到了一種新型的凸輪—端面凸輪，其工作原理如圖2.4所示： 圖2.4 圓柱凸輪傳動機構 2.4.2 幾種增速方式的實現(xiàn)比較 （1）用組合法實現(xiàn)增速，為了讓操作者在正常行走速度下操

24、作，傳遞出去的力應通過增速機構繼續(xù)傳遞。由于轉換機構的運動，以輸入構件作定軸轉動，這樣在割草機動力輸入構件輪子和轉換機構的運動輸入構件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設計的割草機結構緊湊，可以采用齒輪傳動。而齒輪傳動有直齒圓柱齒輪傳動，斜齒圓柱齒輪傳動，圓錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等。但是蝸輪蝸桿傳動的效率低，一般是蝸桿主動，且軸線空間交錯，應用到割草機械中，會使支撐結構復雜。圓錐齒輪傳動的軸線相交，且其中一個齒輪需懸置，也會使割草機支撐結構復雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結構較簡單，同時割草機的速度不高，載荷也不大，因此，可選擇直齒圓柱齒輪作為增速機構。

25、機構組成方案如圖2.5所示： a) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構 b）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構 c) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構 圖2.5機構運動簡圖 （2）用異變法實現(xiàn)刀具割草運動方向與割草機行進方向垂直，由于刀具的割切運動方向與割草機行進方向垂直，上圖所示的機構組成方案不能最終滿足設計要求，還需對機構進行進一步設計。 方案1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構來實現(xiàn)滑塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖2.6所示。 圖2.6梅花凸輪傳動機構 方案2 利用圓柱凸輪機構將凸輪軸的旋轉運動轉化為滑塊的往復運動，其工作原

26、理如圖2.7所示。 圖2.7圓柱凸輪傳動機構 在圖2.6所示的梅花凸輪機構中，為把凸輪的轉動變?yōu)閳?zhí)行構件的往復移動需增加一個支點和一個構件兩個低副（或一個構件一個高副），這樣會增加整個機構的復雜性，且設計時下面的軸應該比上面的軸短（否則必然會增大梅花凸輪的尺寸，或者引起梅花凸輪邊緣曲線過度較急），這樣將減少傳送到滑塊上的力。圖2.6和圖2.7所示的圓柱凸輪機構和端面凸輪機構的結構簡單，可以考慮作為所設計的割草機的運動轉換機構。 但是，我們還希望所設計的割草機能實現(xiàn)割草高度的調節(jié)。要實現(xiàn)此調節(jié)功能，在圖2.6所示的圓柱凸輪機構中還需要增加一個能使刀架（包括活動刀片和固定刀片）沿

27、垂直方向移動的移動副，使機構結構變得較為復雜。而圖2.7所示的端面凸輪機構，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運動，從而帶動刀架上下運動，易于實現(xiàn)割草高度的調節(jié)。 2.5 機構的功能及特點 該機采用固定刀片與活動刀片相對錯動的割切原理，結構緊湊，體積小，質量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的割草處理； 無需引擎驅動，使用安全、可靠，便于維護； 割草的高度可在1~20mm之間調整，割幅240mm，外形尺寸（長寬高：586369200mm）,質量30kg（材料由45鋼制作）； 采用耐用的鑄鋁底盤和結構件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點； 前輪采用萬向輪，具有良好的導向

28、性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使割草機轉彎時易于推動； 金屬手柄易于折疊，以減少包裝尺寸，手柄長度可伸縮，對于不同身高的操作者同樣適用； 底盤獨特的設計可防止草堵塞出口通道； 外觀造型美觀，更適合家庭用戶的審美要求； 割草的效果較理想，且成本低，是小面積草坪修割的首選產品。 2.6 機構設計與用戶的一致性分析 （1）從機構運動的功能出發(fā)，按變異—組合法和類比法完成機構的構件和設計； （2）在作品樣機加工前，使用三維造型軟件進行三維造型、虛擬裝配和運動仿真； （3）理論上驗證設計的可行性，然后進行樣機制作； （4）外觀造型新穎，推桿可折疊伸縮，適合家庭用戶使用； （

29、5）采用齒輪機構（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動割草機工作效率不高的問題； （6）采用端面凸輪機構（運動形式轉換機構），將轉動轉變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足割草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題； （7）采用的割草高度調節(jié)機構，解決了目前手動割草機不易實現(xiàn)高度調節(jié)的問題； （8）產品成本（包括制造和使用成本）低，符合廣大用戶購買能力的要求。 3 技術設計 3.1設計方案論證 3.1.1 手推式割草機的設計原理 該機構由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉矩，再由端面齒輪和撥桿組

30、合變化運動方向，最終輸出往復割切運動。總體方案設計如圖3.1所示： 圖3.1 總體方案設計 3.1.2 方案的選擇 選擇這個設計方案能夠更好的實現(xiàn)運動傳遞。無引擎驅動，節(jié)省能源，無污染（噪音、廢氣），采用綠色環(huán)保設計。采用齒輪機構（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動割草機工作效率不高的問題；采用端面凸輪機構（運動形式轉換機構），將轉動轉變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足割草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的割草高度調節(jié)機構，解決了目前手動割草機不易實現(xiàn)高度調節(jié)的問題。 另一方案，用蝸輪蝸桿傳動，直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機構更加簡單，刀具拆裝

31、方便。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現(xiàn)，割草的數(shù)目不多。要想割的效率快，必須采用大功率。 本次設計采用的割草機方案結構比較簡單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動的割草機一水平一豎直的軸造成了機架結構的復雜。并且增速機構采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結構簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。同時割草的數(shù)量較多，在功率一定得情況下效率較高。蝸輪蝸桿傳動的割草機機構方案簡圖如圖3.2所示： 圖3.2 蝸輪蝸桿傳動的割草機 3.2 齒輪的設計計算部分 3.2.1 機構的動力計算 草坪上的草為特殊纖維材料，較易割斷，不需要太大的載荷。通過對實際運用中割草

32、機械的分析，可以假設割一根草所需載荷為f=0.5N，同時割草數(shù)量最多為500根?？傻肍=250N；端面齒輪上所受力的大小為： 輪子提供轉矩帶動割刀，進行機械運動。假設輪子的直徑為D=200mm；輪子周長為C=628.3mm。 假定人的正常行走步數(shù)為500mm/s。 假定刀具所受的力全部來自輪子的轉矩所引起的運動。 則 軸Ⅰ上的所傳遞的功率大小為： 軸Ⅱ上的所傳遞的功率大小為： 輪子所傳遞的功率大小為： 3.2.2 齒輪設計思路及要求 手推式割草機中的齒輪設計要求 （1）合理選用模數(shù)： 在現(xiàn)代變速箱設計中，各檔齒輪模數(shù)的選擇是不同的。但為了經濟性和用途的要

33、求，初選模數(shù)：m=2。 （2）合理選用壓力角： 對于同一分度圓的齒輪而言，若其分度圓壓力角不同，基圓也就不同。當壓力角越大時，基圓直徑就越小，漸開線就越彎曲，輪齒的齒根就會變厚，齒面曲率半徑增大，從而可以提高輪齒的彎曲強度和接觸強度。 （3）合理選用螺旋角： 為了保證齒輪傳動的平穩(wěn)性、低噪聲和少沖擊，所有齒輪都要選擇較大的螺旋角，一般都在30左右。 （4）分析齒頂寬： 對于正變位齒輪，隨著變位系數(shù)的增大，齒頂高也增大，而齒頂會逐漸變尖。所以必須對齒輪進行齒頂變尖的驗算。 （5）手推式割草機中齒輪強度的計算方法概述 我國的國家標準局所發(fā)表的漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法是參照國際

34、標準化組織的計算方法所制定的，該方法比較全面地考慮了影響齒輪承載能力的各種因素，現(xiàn)已成為目前最精確的、綜合的齒輪強度計算方法。 影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個方面，分別用四個系數(shù)來修正名義載荷，這四個系數(shù)分別為使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)。 各種齒輪強度計算方法所采用的動載系數(shù)Kv在形式上有很大的差別，考慮的因素也不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒向載荷分布系數(shù)的計算方法各不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒間載荷分配系數(shù)的處理上有很大差別。 從以上幾點可看出國際標準化組織ISO的齒輪強度計算方法是一種比較合理、精確的方法，所以在本論文中齒

35、輪的設計計算采用此種方法。 齒輪在傳遞動力時，輪齒處于懸臂狀態(tài)，在齒根產生彎曲應力和其它應力，并有較大的應力集中，為使齒輪在預定的壽命期內不發(fā)生斷齒事故，必須使齒根的最大應力小于其許用應力。 3.2.3 齒輪設計過程 （1）輸出轉矩設計： 轉速 軸上的轉速 計算輪子傳遞的轉矩 可得： 軸上的轉矩為: =3911.09(N/mm) （2）齒輪的參數(shù)設計： 選擇齒輪材料、熱處理、精度等級及其齒數(shù) 割草機為一般工作機器，齒輪選擇常用材料及熱處理，8級精度。小齒輪：40Cr(調質)，齒面硬度280HBS；大齒輪：45鋼（調質），齒面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。

36、 選擇小齒輪齒數(shù)：z1=23，大齒輪齒數(shù)： （3）基本參數(shù)的選擇 試選載荷系數(shù)： 選擇的齒寬系數(shù)為： 查得彈性系數(shù)為： 按齒面硬度查取接觸疲勞極限： 小齒輪：, 大齒輪：； （4）計算應力循環(huán)次數(shù)N 假定工作機載荷有輕微沖擊，每星期左右修割一次草坪，每周工作8h，預期使用壽命為50年。 小齒輪的應力循環(huán)次數(shù)為： 可得：=1.492 大齒輪的應力循環(huán)次數(shù)為： （5）計算接觸疲勞許用應力 查得接觸疲勞壽命系數(shù)：小齒輪, 大齒輪 接觸疲勞強度安全系數(shù) 有公式： 試算小齒輪分度圓直徑 可得：=22.17(mm) 為了保證制造工藝簡單，取=40(mm)

37、 模數(shù)： 取標準模數(shù) 小齒輪分度圓直徑： 大齒輪分度圓直徑： 大齒輪齒寬,圓整?。? 小齒輪齒寬 (加寬5mm) 中心距 小齒輪齒全高 大齒輪齒全高 齒輪的相關參數(shù)如下表所示： 表3.1 齒數(shù)表 齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 齒形角 全齒高 大齒輪 69 2.0 20 4.5 小齒輪 23 2.0 20 4.5 （6）計算載荷系數(shù)K 查得使用系數(shù) 圓周力， 查得動載荷系數(shù) 查得齒間載荷分配系數(shù), 查得齒向載荷分

38、布系數(shù), 一般經仔細跑合，取 計算載荷系數(shù) （7）修正計算： 已取,符合接觸疲勞強度條件。 （8）齒輪齒根彎曲疲勞強度校核過程 確定設計參數(shù) 載荷系數(shù)K= 小齒輪傳遞的轉矩 查得齒形系數(shù), ;應力修正系數(shù)， 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：小齒輪,大齒輪 按齒面硬度查得彎曲疲勞極限：小齒輪,大齒輪 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞強度安全系數(shù) 由公式,可得 由公式，可得 齒根彎曲應力 結論:計算可得彎曲疲勞強度足夠。 3.3 軸的設計計算部分 3.3.1 手推式割草機中軸2的設計 （1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，選擇45

39、鋼調質處理， 初步估算軸徑： 按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取C=116 根據(jù)公式， 取 （2）軸的結構設計 軸上零件的軸向定及位周向定位。 從左輪子連接處向右?。? 。 考慮到軸的結構工藝性，在軸的左端和右段均制成245倒角。 （3）軸的強度計算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數(shù)均已知。 齒輪上作用力的大小轉矩：=12334.57(M/mm) 齒輪端面分度圓直徑： 圓周力： 徑向力： 軸向力： 受力簡圖如3

40、.1所示： 圖3.4 垂直面上受力簡圖 垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩為： 圖3.5 垂直面上截面的彎矩 水平面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩為： 圖3.6 水平面上截面的支反力 截面C處的合成彎矩為： 圖3.7水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力： 通過查表可知： 材料為45鋼，調

41、質處理的許用應力為，由于，故安全。 3.3.2 手推式割草機中軸1的設計 （1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，選擇45鋼調質處理， 初步估算軸徑： 按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取 根據(jù)公式，取 （2）軸的結構設計 軸上零件的軸向定位周向定位 大齒輪在軸上為對稱定位，左右兩端靠套筒定位，裝拆，傳力較為簡單；兩端軸承常用同一尺寸，以便于加工、安裝和維修；為便于拆裝軸承，軸承處軸肩不宜太高。 齒輪與軸的軸向固定采用普通平鍵聯(lián)接。 根據(jù)軸的直徑查得齒輪處的鍵截面尺寸為，配合為，滾動軸承內圈與軸的配合采用基孔制。確定各段軸徑和長度通過確定定位軸肩高度，從左輪子連接處向

42、右取。 考慮到軸的結構工藝性，在軸的左端和右段均制成245倒角。 軸的強度計算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數(shù)均已知。 齒輪上作用力的大小轉矩： 齒輪端面分度圓直徑： 圓周力： 徑向力： 軸向力： 圖3.8 軸垂直面上受力簡圖 垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 方向相反 截面C處的彎矩為： 圖3.9 軸垂直面上截面的彎矩 水平面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 截面C處的彎矩為： 圖3.10 軸水平面上截面的支反力 截面C處的合成彎矩為：

43、 圖3.11 軸水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力： 通過查表可知： 材料為45鋼，調質處理的許用應力為，由于，故安全。 3.4 刀具的設計計算部分 3.4.1 刀具的概述 手推式草坪機采用剛性切割式，運動方式選擇往復式運動。 往復式切割裝置由上、下兩組刀片組成，分動和雙動兩種運動方式。本設計采用單動運動方式。單動切割器是動刀片在定刀上作往復運動；其特點是： ， 刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。 割草機的上、下刀片形狀相同，割草時，草兩側同時受到

44、切割，在一個行程中，運動速度的大小有變化，合理切割的方法是利用較大的速度來割切。刀片的速度圖如圖3.11所示。割刀自點向右運動時，其速度自零逐漸增加，在沒有達到 之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切割。刀片到達 時，兩刀刃開始接觸，這時 稱為始切速，然后刀片繼續(xù)向右運動而進入切割，直到刀片到達 時，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時稱為終切速。由 到 為切割速度的變化范圍。由圖3.11可知，大于終切速 。 圖3.11 切割速度的變化 在切割過程中，有些草是在被一刀刃頂斜著推向另一刀刃和割切機前進而向前傾斜狀態(tài)下切割的，使草叢表面稍欠平整。 3.4.2 刀具的材料選擇 草坪機刀片

45、必須采用高強度的優(yōu)質鋼材，經過特殊熱處理工藝保證刀片有較高的強度、鋒利度、耐磨性、抗沖擊韌性。刀架及刀片外形應該符合空氣動力學的要求，盡量減少運動時的空氣阻力，以降低功率消耗。裝配、調整刀具時，必須保證兩端力矩平衡，以減少震動和噪聲。 查《機械設計手冊》最終確定刀片材料選用彈簧鋼。彈簧鋼是專門用來制造各種彈簧和彈簧性元件或類似性能要求的結構零件的主要材料。彈簧鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如力學性能（特別是彈性極限、強度極限、屈服比）、抗彈減性能（即抗彈性減退性能，又稱抗松弛性能）、疲勞性能、淬透性、物理化學性能（耐熱、耐低溫、抗氧化、耐腐蝕等）。除此之外，彈簧鋼還具有優(yōu)良的冶金質量（高純潔度和均勻

46、性）、良好的表面質量（嚴格控制表面缺陷和脫碳）、精確的外形和尺寸。 刀片材料要求刀片應選用優(yōu)質鋼材制造，最低硬度為 GB/T 230.1-2004 中的HRC45，脆性要求應符合彎曲試驗。 3.4.3 刀具的運動分析 刀片一個行程時間內機器前進的距離稱為切刀的進程，以H表示，切刀一秒鐘內運動的絕對距離為： 式中：——機器的前進速度 ——刀具水平運動的距離 ——輪子的周長 一個行程所需要的時間為： 一個行程運動的絕對距離： 可

47、得切刀的進程H為： 由于端面齒輪旋轉一周刀具往復運動6次，刀具行程運動呈現(xiàn)對稱的加速減速運動，速度由變化，從0到達的所需的時間與到達0的時間均為。 運動分析可知，刀具呈現(xiàn)勻加速運動，運動方程式為： 可得： 切刀的平均速度： 將切刀的平均速度與機器的前進速度的比值稱為刀機速比。 ，據(jù)類似的茶樹修割機和采茶機的試驗分析，可得動力轉速較小的手推式割草機傳動的效率較高。 3.4.4 刀具的結構尺寸及相關參數(shù) 刀片是切割裝置的主要部件，由于使用條件和運動參數(shù)的不同，使刀片的參數(shù)隨不同的機型而有些差異。 本手推式割草機的主要參數(shù)如表2-2所示： 表3.2 手推式割草

48、機的主要參數(shù) 項目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 凈重 手推式割草機 往復切割 240mm 20mm 單動 860r/min 平形 149.1W 113r/min 30kg 切割角的增大使切口變得不整齊。當?shù)镀谐淘?3.5~45mm時，刀片的切割角和楔角不影響割草的質量。往復式刀刃的切割角和楔角如圖3.12所示。 圖3.12 往復式刀刃的切割角和楔角 試驗分析可知行程與割草質量的關系： 刀片的刀距行程對割草的質量沒有顯著的影響。割草質量比較好的行程在20mm~40mm，碎片也相應較少

49、。切割間距在10mm~30mm時，切口平整；切割間距在30mm以上時，切口就不平整；切割間距大于40mm時，采摘面就象抓采樣的，漏采的也增多。 切割速度比與正常草芽葉、碎片的關系 手推式割切機刀片的切割速度比在2.5以下時，正常芽葉多，碎片少。對采摘質量沒有大的影響。對類似作物的試驗，任何往復刀片，當切割速度比在2.5以下時，正常芽葉稍有減少的趨勢；切割速比在2.5~10時，割草質量無明顯的差別。切割速度比在小于3時，割草面切口出現(xiàn)明顯的不平整。 刀片的主要參數(shù)如表3.3所示： 表3.3 往復式刀片的主要技術參數(shù) 項目 刀片 刀間距 刀高 切割角 刀角 硬度（HRC）

50、 往復式刀片 動刀片 20mm 35mm 1440′ 38 55~60 定刀片 64 3.5 端面齒輪及撥桿的設計部分 3.5.1 端面齒輪和撥桿的概述 手推式割草機中端面齒輪和撥桿是一對運動組合，類似于凸輪和推桿。而撥桿的運動直接影響其刀具的往復運動。由撥桿在端面齒輪凹凸曲面上的規(guī)則運動，從而帶動刀具的運動。 3.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析 端面齒輪的形狀如圖3.13所示： 圖3.13 端面齒輪的形狀 對撥桿的運動要求為： 當端面齒輪轉過26時，推桿上升20mm； 端面齒輪再轉過26時，撥桿下降20mm； 推

51、桿繼續(xù)轉過8時，撥桿又停止不動。 運動狀態(tài)如圖3.14所示。 圖3.14 運動分析圖 撥桿在端面齒輪處安裝，圖中a與b為撥桿上升對應的端面齒輪所旋轉的角度26，c為8。在端面齒輪上撥桿與端面齒輪接觸點旋轉的角度所對應的行程為： 式中d為撥桿與端面齒輪接觸點在端面齒輪上離中心位置的直徑大小。 圖3.15 端面齒輪的輪廓曲線 假設在端面齒輪上的運動行程為,接觸點上下運動的位移為,可得運動軌跡方程為： 在式中各參數(shù)： 為端面齒輪旋轉的角度； k為與端面齒輪運動行程與接觸點上下運動的位移的相關參數(shù)。 代入特殊值，可得： 從而得出接觸點上下運動位移的軌跡

52、方程為： 推程階段 遠休止階段 回程階段 近休止階段 通過上述運動分析可以求出撥桿在端面齒輪上的工作輪廓線。 由于端面齒輪為六個相同的近似于凸輪的結構。故只需研究撥桿一個往復運動的工作輪廓線即可。 計算結果可得端面齒輪的工作輪廓線對應的值見表3.4。 表3.4 端面齒輪的工作輪廓線 （mm） (mm) 0

53、 0 2.269 0.118 4.538 0.474 6.807 1.066 9.076 1.895 11.345 2.960 13.614 4.263 15.883 5.802 18.152 7.578 20.421 9.591 22.690 11.841 24.959 14.328 27.228 17.051 29.497 20.000 通過上述表中參數(shù)，我們可以近似加工出端面齒輪的工作輪廓線。度數(shù)越分的密，端面齒輪的形狀越精確。工作輪廓線如圖3.16所示。 圖3.16

54、端面齒輪的工作輪廓線 4 結 論 （1）剪草機的使用方法：修剪是草坪養(yǎng)護管理中的核心內容。科學地對草坪進行定期修剪，可提高草坪質量，使草坪整齊美觀，而且具有較高的坪用價值和經濟價值，可促進分蘗，形成致密的草坪，改善通氣性，減少病蟲害的發(fā)生，有效地抑制雜草生長，提高其美觀性。草坪修剪應遵循“三分之一” 原則，即被剪去的部分占草坪總高度的三分之一以內。如修剪量過大，將會由于葉面積大量損失而導致草坪草光合作用急劇下降。由于修剪不及時而導致失剪的草坪，仍應遵循“三分之一” 原則，切忌一次修剪就達到需求的標準，而應通過少量

55、多次修剪，逐步剪到需要的高度。草坪修剪的時間與草坪草的種類、草坪草的生長發(fā)育和肥料供給等有關。北方草坪草在春秋是兩個生長高峰期，修剪量加大和修剪次數(shù)增多，晚秋應逐漸減少修剪次數(shù)，夏季有休眠現(xiàn)象，也應根據(jù)情況減少修剪次數(shù)。草坪修剪頻率決定于草坪的生育狀態(tài)、草坪的用途、草坪的質量及草坪草的種類，其中主要取決于草坪的生長速度和生長勢。 （2）割草前應注意的事項：割草前應先檢查割草機刀片是否損壞，螺母、螺栓的緊固情況，輪胎壓力情況.；割草前應清除草坪上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對于固定設施，如噴灌管埋頭等，應作好標志，以防損壞刀片。在割草前，應測量草坪的高度，將割草機調整到合理的剪草高度；剛澆

56、過水、下過大雨或者霉雨季節(jié)等，潮濕的草地最好不要割草；不得在坡度大于15的地方采用該手推式草坪割草機修剪草坪。 割草機的選擇要根據(jù)草坪要求的修剪質量、草坪草種、修剪高度、配套動力、地形地貌及剪草機的幅寬等因素確定。無論選用何種剪草機，都應保證剪草機的刀片始終鋒利。因為刀片鋒利，草坪草的修剪傷口能迅速愈合，病菌浸染的機會少， 同時傷口不留白茬，景觀效果也好。總之，選擇的總原則是在達到修剪草坪質量的前提下，選擇經濟實用的機型。 （3）制造價格及應用范圍：根據(jù)目前市場實際:：制造原材料費用100～150 元，手工費: 50～100 元，因此總造價在300元以內。目前適合用于我國大部分地區(qū)的中小型園林草坪的修建和養(yǎng)護。 - 35 -