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2007年IEEE的程序
機器人與仿生學國際會議
2007年12月15日-18，三亞，中國
割草機器人多傳感器融合與導航技術的研究
從明和房波
大連理工大學機械工程學院
大連，116024，中國
congm@dlut.edu.cn
引言——本文提出了一種多傳感器系統(tǒng)從超聲波傳感器和導航相結合的測量機器人割草機。利用傳感系統(tǒng)使機器人割草機來映射未知的環(huán)境。對于自動割草機器人能在未知的環(huán)境中進行定位和導航執(zhí)行割草任務是很重要的。由于環(huán)境的復雜性，簡單的一種傳感器是不足夠割草機器人來完成這些任務。我們開發(fā)了一個配有DSPTMS320F2812作為CPU割草機器人。感測系統(tǒng)集成由超聲波傳感器，紅外傳感器，碰撞傳感器，編碼器，一個溫度傳感器和電子羅盤組成。超聲波測距技術變換是基于小波變換的精度高來表示的，以提高超聲波傳感器測量精度。仿真研究表明，所提出的多傳感器信息融合的方法是非常有效的對于導航割草機器人。實驗結果表明，該傳感系統(tǒng)基于相關的規(guī)定障礙檢測和定位顯示出巨大的潛力，為在動態(tài)工作條件下的割草機器人提供一個強大的高性價比的解決方案。
關鍵詞——多傳感器融合，超聲波傳感器，割草機機器人，定位，導航。
1.緒論
草坪修剪被許多人認為是一個最枯燥，累人的日常任務。首先迫切需要執(zhí)行的任務是能適應環(huán)境的機器人。一些預測表明，割草機器人將是一個最有前途的個人機器人應用，并有重大的市場在世界上。因此，智能化的概念割草機器人（IRM）在1997年度會議的OPEI（ 戶外電力會議設備研究所）上第一次提出[ 1 ]。該機器人主要面對一般家庭幫助忙碌的人們和乏力的老人們節(jié)省支付雇傭勞動力的報酬，同時消除人們來自噪聲中，花粉和割草刀片的危害。割草機器人是服務于家庭護理的室外移動機器人，是那種真正的智能機電一體化的環(huán)境清理設備[ 2 ] [ 3 ]。最重要的是割草機器人為代表的一些地區(qū)覆蓋的環(huán)保機器人不僅用于室內(nèi)地面清潔，如[ 4 ]也在危險的環(huán)境中，例如去地雷，清理輻射點，勘探資源等。與室內(nèi)移動機器人不同，割草機器人得到很大的挑戰(zhàn)。
在整個工作區(qū)域內(nèi)，割草機器人使用傳感器來感知環(huán)境以及識別他們的實時狀態(tài)下的環(huán)境障礙，地圖構建，定位和導航。由于環(huán)境的復雜性，一種簡單的傳感器是不足以讓割草機器人來完成這些任務的。因此有必要結合來自不同的傳感器上觀察到的傳感器數(shù)據(jù)減少機器人在任何工作環(huán)境工作的不確定性。為來自各種傳感器的信息能合并，傳感器魯棒性和實時性的融合是必需的[ 5 ]。在傳感器出現(xiàn)誤差或失敗的情況下，多融合傳感器融合也可以減少不確定信息，并提高其可靠性。
低成本的傳感系統(tǒng)，說明其低功耗，高性能。超聲波傳感器檢測范圍是0.3m~ 5m，他們提供良好的范圍信息。然而，環(huán)境引起的鏡面漫反射是超聲波傳感器的不確定因素，讓他們不具吸引力。紅外傳感器的檢測范圍是0.02m~ 1m，他們可以檢測在超聲波傳感器的盲區(qū)的障礙。
為了滿足割草機器人低成本和高精度的測距技術的需求，在研究超聲波測距技術基于高精度的小波分析變換（WT）的數(shù)據(jù)報道，提高超聲波傳感器的測量精度。測量數(shù)據(jù)從傳感系統(tǒng)集成，實現(xiàn)規(guī)劃最佳的，可靠地，完全覆蓋整個工作計劃的地區(qū)，使割草機器人避免未知的障礙。
最后，通過仿真研究和實驗結果表明該傳感系統(tǒng)的導航效果，障礙物檢測和割草機器人定位。
2.信息資源管理系統(tǒng)的硬件
IRM采用DSP TMS320F2812作為其CPU，包括四個單元：車輛系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳感系統(tǒng)是用來收集外部動態(tài)信息的工作環(huán)境
避障，地圖構建，導航與定位。它也可以用來檢測車輛系統(tǒng)的運動參數(shù)和切削機構的工作狀況。該控制器將獲得的信息與數(shù)據(jù)庫進行比較，然后發(fā)出修正后精確的命令讓機器人完成任務。信息資源管理的硬件，如圖1所示。
IMR硬件概要圖1
機器人必須身體強壯，計算速度快，行動準確和安全。它應該有能力
，而在全部或大部分的割草期間無需人的干預。IRM由于模塊化設計，各單元的管理是相對獨立的。模塊化設計使維護更容易。IRM任何損壞單元都可以直接取代而不影響其它單元的功能。
3.傳感系統(tǒng)
A：超聲波傳感器單元
超聲波傳感器可以提供良好的范圍是基于飛行時間（TOF）信息原理，主要是由于其簡單性和成本相對較低，他們已廣泛應用于移動機器人的障礙物回避，地圖構建等。這種類型的外部傳感器能很好測量的障礙物的距離。靈敏度函數(shù)的主瓣內(nèi)包含一個20度角，如圖2所示的【6】。大量的試驗結果表明，傳感器的精度范圍為±2cm。
圖2為超聲波傳感器的典型的強度分布
對于IRM，我們建立了一個傳感器陣列由12超聲波傳感器間隔30度的間隔。超聲波信號可以覆蓋所有的空間，可以要求哪些機器人檢測整個空間的環(huán)境信號。用基于TOF的測量的超聲換能器的經(jīng)典技術，計算出的距離最近的反射器利用聲音在空氣中的速度從發(fā)射脈沖到回波到達時間。距離D為反映對象的計算
D =（C×T）/ 2 （1）
其中C是聲音的速度，T是飛行時間。該TOF法產(chǎn)生一系列的值時，回波幅度首次超過臨界值后發(fā)送，忽略第二回波從進一步的反射。
超聲波傳感器單元包括一個觸發(fā)脈沖生成單元，一個多通道選擇單元和回聲接收單元。傳感器接口電路設計發(fā)送和接收超聲波脈沖，捕獲的總是第一個返回的回聲。一個對象相關的數(shù)據(jù)的范圍要考慮到即使是位于在錐軸離軸。
超聲波頻率通常在40和180千赫之間，而在該系統(tǒng)中超聲波傳感器的頻率使用的是40千赫。光束角度是20度。40千赫PWM脈沖是由通用DSP的定時器單元產(chǎn)生的。驅(qū)動發(fā)射機有效而不帶來大的振動，40千赫的超聲波一次突發(fā)的時間是8周期。當超聲波脈沖發(fā)射時，傳感器將經(jīng)歷“振鈴”。振鈴引起的由所發(fā)送的脈沖可以使接收器檢測到一個錯誤回聲。這個不能夠捕獲解決DSP中斷問題，直到延遲間隔已過。這意味著在延遲的時間間隔那測距儀不能檢測物體距離該傳感器是少于一半的聲音傳播的距離。這是該超聲波傳感器的盲區(qū)，如圖3所示。
圖3超聲波發(fā)射和接收示意圖
B.：.紅外傳感器裝置和其他傳感器
針對超聲波傳感器的盲區(qū)，增加了紅外傳感器。紅外傳感器可以檢測在20cm內(nèi)的障礙，這彌補了超聲波傳感器由于失明問題所造成的區(qū)域的問題。
這個單元有16個紅外傳感器。每個紅外搜索器范圍有6度，是靈敏度函數(shù)主要的圓錐曲線的視圖。該傳感器具有一個高精度測量范圍，有效測量范圍是一個目標到一米左右。一些測試表明，該傳感器的測距精度在±1cm左右。
為了節(jié)省DSP的資源，16個紅外傳感器采用DSP TMS320F2812的數(shù)據(jù)接口代替IO接口。這種結構也可以同時讀取傳感器的狀態(tài)，以確保該系統(tǒng)的時間性能。傳感器接口電路用于發(fā)送和接收紅外脈沖并總是捕獲第一個回波來處理其振幅。
割草機器人在室外環(huán)境中工作時，其溫度變化迅速。溫度的變化會影響聲音的速度。因此，溫度傳感器用于保證超聲波傳感器的精度。碰撞傳感器是一組敏感的樣本，采用它是為了防止意外的碰撞造成的損害。由于潮濕的環(huán)境會危害IRM電路，濕度傳感器被引入用于檢測濕度環(huán)境。雖然這些傳感器不完全是
一個自主割草機器人機必要的，但他們可以提供有益的功能，讓工作更具有效性和安全性。
4.導航技術
A. 映射
正如圖4所示，基準方向的X定義和機器人的坐標為，。關于內(nèi)置電子羅盤對于機器人的幫助，角，這是從第一個傳感器得來的角度，可容易衡量。實際上，如果只在角（標題的機器人角）的測量，從其他傳感器的角度可以發(fā)現(xiàn)
角是我們的世界坐標中心。該超聲波傳感器組的最大環(huán)數(shù)為n，半徑為R（在我們的系統(tǒng)中，n = 12和R = 0.25m）。該環(huán)的原點到中心之間的距離是r，并且該向中心的基準角度是Ω。根據(jù)參考位置機器人的中心是（，）。這個距離是從原點到通過兩個傳感器數(shù)據(jù)檢測的二維平面稱之為。
現(xiàn)在讓我們用DMI測量值來分別表示從超聲波和紅外傳感器得到的數(shù)據(jù)，用于精確距離。這些值之間會有一個誤差
在這項工作中，我們自然假設是一個均勻隨機變量在（W，W）范圍內(nèi)。在這里，W表示最大距離測量誤差。這里的問題是，給定的，，r ，，，，，和，，，，，估計占用的坐標細胞和（或等價的）以最有效的方法。涉及檢測對象的方程可以寫為
圖4所示機器人在X-Y段的位置
由于對象涉及機器人的方程被寫為
如果我們定義的位置為：=，，，，，然后我們有
將插入到中，
在這里我們有N個這樣的方程。我們把它們矩陣形式
如果我們引入新的矩陣
，然后（10），
可以寫為
在這里，如果我們進行最小二乘法估計，我們得到
因此，我們用最小二乘法估計找到最好的位置。
B. 仿真研究
基于傳感器導航系統(tǒng)已經(jīng)進行了測試在顯示該傳感器融合方法的有效性的兩種環(huán)境分別如圖5和圖6所示。割草機是一個結構化的實驗室初步測試如圖5所示。開始在（0.3m，0.5m，0°），一個虛擬的機器人在虛擬廣場走廊一次。墻在人工環(huán)境中是由真正的地圖表示的。
全車是獨立的。它有一個最大的運行速度是0.4米/秒。實驗室面積調(diào)查出在10cm精度優(yōu)于1cm為佳。提取映射，提出了一開始的目標。機器人位置和方向是由電子羅盤成立[ 8 ]。
圖5數(shù)據(jù)采集與導航在結構化環(huán)境中的結果
圖5中的結果顯示的映射質(zhì)量和該傳感器融合方法的有效性。在測試中，我們發(fā)現(xiàn)，在估計的位置的平均誤差（ε）在環(huán)境中的障礙是在[ 0.2 ，0.2]米范圍內(nèi)。
在模擬中，我們看到，在（11）中，實際上應該得到的是不滿足
。在可以為位置更好的估計的情況下可以表示為
在這種情況下，估計角不會改變但估計距離是縮放到它的最佳估計。
因此，對于位置，距離估計是和以前一樣，而最小二乘估計的作品只對角
。仿真結果表明，這種方法產(chǎn)生更精確的結果。
圖6仿真結果的墻下行為
墻后，被選定為初值問題域是因為它建立一個相當簡單的問題評價[ 9 ]。它這也奠定了更為復雜的基礎的問題領域，如迷宮的穿越，映射和用于草坪修剪和吸塵全覆蓋路徑規(guī)劃。墻上的仿真結果—圖6所示的行為后和實驗結果在圖6表明，該IRM有能力在非結構化的環(huán)境中執(zhí)行它的割草任務。
在圖5中傳感器的程序?qū)Ш椒抡嫒缦隆?
5 . 超聲波測距技術基于小波變換
遺憾的是，由于環(huán)境的復雜性和噪聲的影響，實際接收到的多回波具有隨時間變化的特性，并且是一個典型的非平穩(wěn)信號。此外，在超聲波脈沖回聲混合噪聲是非高斯白噪聲，但噪聲，和與目標回波相關。TOF法不能在這樣的條件下直接使用。引用廣義相關方法估計時間延遲的[ 10 ]，我們把提出了廣義自相關方法基于小波變換的時延估計[ 11 ]出現(xiàn)在圖7。
圖7基于小波變換的廣義自相關延遲估計
其中（t）是母小波和（t）是女兒小波。該系數(shù)α是規(guī)模（或縮放
因素）和（τ）是時間位移。小波變換的信號x（t）是y（t）。實際上這是一個過濾過程使用大量的帶通濾波器的超聲回波等于的Q值，這相當于的白化濾波器對廣義相關方法的時間延遲的估計，為了消除輸入噪聲的影響做以下處理?？梢哉业?，作為
由于傅里葉變換關系自相關函數(shù)之間和他的力譜：
我們獲得的廣義自相關函數(shù)是：
最后，檢測到的峰值來完成TOF的估計和計算實際的超聲波速度。
圖8嘈雜的超聲回波
圖9基于小波去噪的回聲
圖10自相關函數(shù)
圖11峰值檢測
嘈雜的超聲回波信號如圖8所示，和利用小波變換去噪后的超聲回波顯示
圖9。很明顯，該噪聲混入的超聲波回波經(jīng)WT操作后得到有效地消除作。自動去除噪聲的超聲波回波的相關運算如圖10所示。圖11顯示了包絡線，通過希爾伯特變換。正如我們可以看到，如果每一個峰的橫坐標點確定，TOF估計可計算?？紤]的超聲回波衰減和高精度的要求在實踐中的需求，只有前4回波被用來估計TOF。在TOF估計的值是，，，，，，這是對稱于X軸。使用這種方法，估計超聲波速度可以計算出來。
到目前為止，障礙檢測和定位系統(tǒng)成功實現(xiàn)。運用該方法，障礙物檢測和定位系統(tǒng)已成功實施。
基于廣義自相關法小波變換，提出了實現(xiàn)實時超聲波速度測量，該方法可以消除溫度，濕度和風力的影響，超聲波速度測量可以在機器人工作的動態(tài)條件下完成。在這種傳感系統(tǒng)的基礎上，廣義自相關方法顯示出巨大潛力提供用于割草機器人一個強大的解決方案在動態(tài)的工作條件下。
6. 實驗結果
我們利用超聲波傳感器測量機器人和平面之間的距離。測量結果和實際距離如表一所示：
表一
超聲波傳感器的實驗數(shù)據(jù)（單位：厘米）
從表一中，我們可以看到，超聲波傳感器測量誤差在3%。
然后，基于廣義自相關法小波變換，提出了實現(xiàn)實時超聲波速度測量。
通過上述方法，我們再次測量機器人和平面對象距離的。測量結果與實際距離顯示在表二中。
表二
超聲波傳感器的基于小波變換的數(shù)據(jù)（單位：厘米）
基于小波變換的實驗結果表明，使用上述的測量誤差技術是小于1% 為5m范圍區(qū)域內(nèi)，這種傳感系統(tǒng)的障礙物檢測和定位擁有巨大的潛力，能作為—個強大的解決方案用提高于割草機器人性價比在動態(tài)工作條件下。
7. 結論
在本文中，我們提出了一個多傳感器系統(tǒng)結合超聲波傳感器測量用于割草機器人導航。該傳感系統(tǒng)具有低成本，低功耗，高性能，使割草機器人機能映射未知環(huán)境。其有效性是通過仿真研究和實驗結果得到的。
使用不同種類的傳感器集成在傳感系統(tǒng)可以克服超聲波傳感器的盲區(qū)和多傳感器融合的鏡面反射的缺陷。
一種高精度超聲波測距技術的方法基于小波變換已被引入到改善更多的超聲波傳感器的測量精度準確的感官信息。該系統(tǒng)應用于割草機器人，證明了實驗的可靠性和實時性。
今后的工作將著眼于應用所提出的跟蹤技術的多傳感器融合方案應用于在非結構化環(huán)境中的機器人割草機控制全覆蓋路徑規(guī)劃[ 12 ]。
參考文獻
騎行式草坪剪草機設計
院 － 系： XX院 XX系
專 業(yè)： XXXXXXXXXXXX
年 級： 20XX級
學生姓名： XXXXXX
學 號： XXXXXXXXXX
導師及職稱： XXXXXXXXX
201 年4月
摘 要
本次設計的騎行式剪草機主要利用輪子運動傳動變速，齒輪實現(xiàn)刀具的往復運動的功能。騎行式割草機由齒輪齒面、撥桿和剪刀等部件組成，面齒輪和撥桿是一個組合的工作。通過齒輪的轉(zhuǎn)動，將旋轉(zhuǎn)方向的力傳遞給變速桿，從而導致往復運動的水平方向。由于剪草機變矩范圍不夠大，所以在工具的選擇要特別注意提高剪草機的效率是一個重要的原則。
本設計采用騎行式驅(qū)動，不僅可以實現(xiàn)輸入動力，又能節(jié)約能源，保護環(huán)境；和類似的老理發(fā)刀頭，通過上刀具的往復直線運動，與固定刀頭實現(xiàn)剪切，從而實現(xiàn)割草運動。本設計的創(chuàng)新之處在于切割高度實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)、無發(fā)動機剪草機碎草收集功能。通過對身體兩側的割草機底盤螺桿的轉(zhuǎn)動，可以實現(xiàn)連續(xù)的刀上下移動，從而實現(xiàn)割草的連續(xù)調(diào)整高度，充分的碎草及時可以。騎式草坪功能，本設計可滿足一般用戶的需求。而通過對鏈條帶的運用，依靠待修剪的草坪將已修剪下來的碎草推上剪草機的平帶上。本次設計的騎行式草坪剪草機能較好地滿足一般用戶的需求。
關鍵詞：剪草機；往復刀具；騎行式；無引擎
I
ABSTRACT
Riding lawnmower with the design of the main transmission gear wheels move, reciprocating movement to achieve the function of the tool. The riding type lawn mowing machine is composed of a gear tooth surface, a shifting rod, a pair of scissors and other components, and a face gear and a shifting rod are combined. Through the rotation of the gear, the rotation direction of the force transmitted to the transmission, which leads to the horizontal direction of the reciprocating motion. Due to the lawnmower torque range is not big enough, so in the choice of tools to special attention to improving the efficiency of the lawn mower is an important principle.
This design uses a riding type drive, not only can realize the power input, and can save the energy, environmental protection; and similar to the old barber cutter head, through the reciprocating motion of the cutter, and the fixed cutter head realization of shear in order to achieve the movement of mowing. The innovation of this design is to achieve continuous cutting height adjustable, no engine lawnmower broken grass collection function. On both sides of the body of the lawnmower chassis screw through the rotation can achieve continuous knife mobile, so as to realize the mowing continuous height adjustment, more humane. According to the use of the belt conveyor, the broken hand pushing lawn belt which is cut off by the trimmed lawn is used, and the flat belt broken grass is installed in the grass mowing collection bag. Users only need to clean up the bag, full of broken grass in a timely manner can be. Riding lawn function, the design can meet the needs of the general user. Through the use of conveyor belt, rely on to be trimmed lawns have been trimmed down broken push lawn mower flat belt, again by a flat belt broken grass into installation in the lawnmower back broken grass collection bag. Users only need to clean up the bag full of broken grass in a timely manner can be. Riding type lawn function of this design can meet the needs of general users.
III
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT..................................................................................................................................II
1.1 我國草坪業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2 草坪剪草機的國內(nèi)市場 1
1.3 我國剪草機市場預測 2
1.3.1按城市人均應有草坪面積來預測 2
1.3.2 按新建草坪面積來預測 2
1.3.3 按國家建設部規(guī)劃來預測 2
1.4 選題意義 3
第二章 設計任務與方案的確定 6
2.1 任務主要內(nèi)容 6
2.2主要工作原理 6
2.2 傳動機構 7
2.3 用組合增速機構 8
2.4刀架高度調(diào)節(jié)機構 8
2.4 本章小結 9
第三章 結構設計 37
3.1 傳動零件的設計 37
3.1.1 齒輪機構設計 37
3.1.2 鏈輪機構設計 42
3.1.3 軸的設計 45
3.1.4 軸承校核 58
3.2 剪草機構的設計 60
3.2.1 斷草方式設計 60
3.2.2 刀架設計 61
3.2.3刀頭設計 61
3.2.3 刀架高度調(diào)節(jié)機構 62
3.3 輪子總成選擇 63
3.4 潤滑密封設計 65
第四章 總結 67
致謝 69
第一章 緒 論
1.1 我國草坪業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人們對物質(zhì)生活的改善已不再滿足，周圍環(huán)境的質(zhì)量也越來越受到人們的關注。特別是綠化程度，已成為一個國家、地區(qū)、城市文明程度的重要標志。草坪綠化在保護和美化環(huán)境中起著越來越重要的作用。近年來，我國建筑業(yè)的快速發(fā)展，如周圍景觀和各種娛樂和休閑需求的大面積高質(zhì)量草坪；斜坡保護周圍的河流和湖泊，高速鐵路和公路交通設施需要使用草坪；住宅區(qū)綠化所需的高品質(zhì)草坪。
據(jù)不完全統(tǒng)計，在全國500個城市66綠化面積000公頃，草地占1800萬公頃，1994，上海草坪300公頃的面積，1997至800公頃，連年以400的速度增長，1997北京HM；綠地面積已超過2000公頃，7.8平方米的綠地人均公共綠地面積，現(xiàn)在的年增長率為300，HM。修剪是一種不同于其他植物的草坪的特殊要求。通過修剪草坪，可以防止草坪草抽穗、開花。結果；修剪可以防止草坪的生長和病蟲害。因此，草坪業(yè)的快速發(fā)展必然會發(fā)展成一系列產(chǎn)業(yè)的崛起。中國草坪業(yè)實際發(fā)展自80年代開始，直到90年代中后期迅速發(fā)展，到2000，我國已建成各類超過30億米，草業(yè)管理公司有5000多個，草坪業(yè)從業(yè)人員超過2000萬人，超過1000億元的總產(chǎn)值，和規(guī)模呈逐年上升趨勢。
在我國500個城市，66萬公頃的綠地，草坪占18萬公頃，呈增長趨勢。自90年代以來，中國草坪業(yè)的年增長率高達30%，40%。隨著人們對環(huán)保、固土的認識不斷增強，退耕還林和草政策進一步落實，草坪業(yè)將迅速發(fā)展，修剪是草坪上其他植物的特殊要求，草坪業(yè)的快速發(fā)展意味著草坪機械的巨大需求[ 1 ]。
1.2 草坪剪草機的國內(nèi)市場
世界上第一個往復刀具割草機誕生于100年前。剪草機主要用于牧場。發(fā)展到現(xiàn)在，剪草機已經(jīng)開發(fā)了幾十個品種可以適用于不同的場合。根據(jù)其工作原理，可分為往復刀具式、懸掛式和掃雷式三類。剪草機生產(chǎn)起步較晚，生產(chǎn)規(guī)模相對較小，產(chǎn)品的使用也很簡單。這么長的時間，國內(nèi)的草坪割草機為主的進口。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至1999年底，我國各種園林機械的保有量達10萬臺，1999 年的剪草機銷售量在3萬臺左右，只有20%為國產(chǎn)。
當前，國內(nèi)生產(chǎn)的剪草機按動力劃分可分為機動和人力兩類；按配套動力和作業(yè)方式可分為騎行式、手扶推行式、手扶自動式、駕乘勢、拖拉機式等；根據(jù)刀具的類型可以分為往復刀具式和掛刀型。刀具懸刀式剪草機是安裝在垂直橫向懸掛軸的葉片，通過高速旋轉(zhuǎn)切刀片的草。它具有成本低的優(yōu)勢，維護，維修方便，是目前國內(nèi)外最流行的割草機。與圓柱形和靜床刀氣缸式割草機的工具，相對刀割草機修剪效果更理想的懸掛，適用于草坪質(zhì)量較高。主要的問題是價格太貴，和維護要求的后半部分是比較嚴格的另外和甩繩式和連枷。剪草機的剪草寬度一般為400～1000mm，剪草高度從15～100mm有幾個調(diào)節(jié)檔位。
據(jù)有關部門的調(diào)查報告，國內(nèi)生產(chǎn)的草切割機廠家只有50左右。市場上品牌的割草機。從2.6到16.2kw功率；切割寬度范圍從43.2到127厘米。
剪草機進口主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國家。大品牌和價格表1-1列出。
1.3 我國剪草機市場預測
1.3.1按城市人均應有草坪面積來預測
城市人均應有28 m左右的草坪才可以解決人們的呼吸需要。一些外國城市和中國和北京的人均草坪面積相比，見表1 2。
可以從表1和2，草坪面積人均在中國與發(fā)達國家相比有很大的差距。全國現(xiàn)有草坪面積約為19萬hm。預設的草坪需要6套每公頃剪草機，從而計算出114萬臺的市場容量。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，數(shù)量將呈線性增長。
1.3.2 按新建草坪面積來預測
新的草坪，在2種方式，種植草和草坪移植。據(jù)不完全統(tǒng)計，進口草多年來量如下，1995的總額約5900t，1996 t的結束，1998 1999年6100t 5200t。在1999個單獨的草地面積約1200萬公頃，如果每公頃6 00000剪草機，只有1999需要剪草機7200萬臺。
1.3.3 按國家建設部規(guī)劃來預測
按根據(jù)建設部的規(guī)定。2000后，城市的綠化面積達到30%。目前，深圳、珠海、廈門等多個城市達到甚至超過標準。城市人均綠地面積達到7余米，估計每年有5 ~ 60000公頃草坪，剪草機300000臺。在草坪的建設過程中，其次是大型相關的園林設備市場十分廣闊。
1.4 選題意義
從上述情況來看，我國的剪草機的市場是巨大的。據(jù)發(fā)現(xiàn)，割草機主要發(fā)動機功率目前市場的市場調(diào)查，由于功率較大，導致大量的噪音。在辦公室里，學習到一個安靜的地方，剪草機不適用。首先，剪草機是電力設備，維護成本高；第二，它主要依靠葉片旋轉(zhuǎn)切割的草，與旋轉(zhuǎn)的氣流將被粉碎的草清除，這樣就對整機的安全性要求較高了；同時，此類剪草機工作時會產(chǎn)生強烈的震動，會造成操作者很不舒服；最后，雖然發(fā)動機的動力割草機割草效率高，除草效果較好，但價格也比較昂貴，一般用戶難以接受。故而，研究一種無引擎驅(qū)動、價格低廉的剪草機勢在必行！
3
XXXX學院本科畢業(yè)論文 (設計)
第二章 設計任務與方案的確定
2.1 任務主要內(nèi)容
設計采用腳踏驅(qū)動的騎行式剪草機，無動力引擎噪音污染，適合辦公、學習等安靜場所戶外小型草坪修剪。具體內(nèi)容為：
1、查閱文獻，收集國內(nèi)外相關產(chǎn)品資料，并進行分析歸納；
2、總體方案設計；
3、傳動零件、軸系的設計計算及主要零件校核；
4、繪制部件圖及主要零件的零件圖；
5、三維建模仿真。
2.2主要工作原理
通過市場研究，我們決定設計一種無引擎驅(qū)動，無污染，操作舒適和經(jīng)濟實用的草坪剪草機。通過人力推動剪草機向前行走，帶動剪草機的車輪轉(zhuǎn)動，通過傳動機構，形成刀具的剪切運動。
一個騎式割草機主要是用輪轂電機驅(qū)動變速箱齒輪來實現(xiàn)刀具的往復運動功能設計。割草機式變速齒輪、端面齒輪、撥桿和剪刀等器物，端面齒輪和撥桿是一個相匹配的工作。通過旋轉(zhuǎn)的面齒輪驅(qū)動力的旋轉(zhuǎn)方向，由水平方向引起的往復運動，從而使往復運動的工具本身。因為剪草機變速變矩范圍不夠大，所以在刀具的選擇上尤其注重以提升剪草機自身效率為重要原則。
圖2—2 機器的運動簡圖
我們可以設計的騎行式草坪割草機將首先通過一個分力人。為了讓操作者在正常行走的速度下操作，傳球應繼續(xù)通過裝置的生長，把力的運動傳給往復刀具。通過分析框圖組成了騎行式草坪割草機。如圖2-2所示。
2.2 傳動機構
可實現(xiàn)多功能草坪割草機技術原理，但雙刃，具體分析如下：
驅(qū)動方式選擇：
1）用腳腳驅(qū)動的驅(qū)動下，運營商需要站或坐在機器運行的驅(qū)動力，除了完整的草的行動的這個割草機的設計，還承擔著運營商重。并希望有一個方向控制裝置，使機器結構相對復雜，體積大，不適合小面積的草坪。
2）用手驅(qū)動可以避免用腳驅(qū)動的問題，使小割草機的設計，操作靈活。因此我們選擇設計手動式剪草機。
變
速
機
構
工
作
機
構
動
力
機
構
圖2—2 草坪剪草機的組成框圖
斷草方式選擇：
1） 用割的方式 即用刀將草截斷。但是草是柔軟的，自由的，用切割的方法剪下的草是很難做到的。
2）用打的方法 打用刀片或稻草繩中斷。使用這種方法修復的草是非常高的，要求的速度，在草之前不被中斷，基層產(chǎn)品有，但所有必須使用的發(fā)動機驅(qū)動，不合適我們的環(huán)保設計要求。
3）用刀切刀會割草，用雙刀的相對運動原理容易剪草，而且不需要很高的速度。因此我們選擇設計剪斷方式斷草。
機械是很容易實現(xiàn)的簡單的旋轉(zhuǎn)，如果用腳搖動手柄，實現(xiàn)執(zhí)行元件的往復運動，由于剪草機還依靠人力推動的道路，操作者完成動作太多，操作非常方便。為了使操作者只能割草行動通過簡單操作，能夠通過騎行割草機，割草機行進的車輪旋轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橥鶑瓦\動和輸出執(zhí)行元件。顯然設計的騎行式草坪割草機是可行的。
2.3 用組合增速機構
為了使機器在正常的行走速度下運行，應力應通過機構的傳動，繼續(xù)傳遞。由于輸入構件的運動作為一個固定的軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換機制，使割草機發(fā)動機輸入部件的輪子和往復刀具之間的執(zhí)行委員，可用于鏈傳動和帶傳動和齒輪傳動。結果，設計了幾種傳輸方案。為了使剪草機結構設計緊湊，可用于齒輪傳動。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。由于蝸桿傳動的效率較低，蝸輪蝸桿傳動輪和軸的空間交錯，作為一個割草機，支撐結構是復雜的。交叉軸斜齒輪傳動，齒輪和一個掛將剪草機，復雜的機制。直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結構相對簡單，和剪草機不高，負載的速度不是很大，所以，齒輪可以選擇作為一個增長機制。因為齒輪傳動比不能過大，增長也不明顯，所以對直齒輪和鏈輪傳動的組成方案進行了分析。
2.4刀架高度調(diào)節(jié)機構
我們也希望設計能實現(xiàn)草坪修剪高度的調(diào)整。為了實現(xiàn)這一功能，還需要增加一個刀架（包括一個移動的葉片和一個固定的刀片）沿垂直運動的移動端，同時也保證中心之間的鏈輪從保持不變，所以使用滑塊。如圖2—4所示。
圖 2-4 刀架調(diào)節(jié)
第三章 結構設計
3.1 傳動零件的設計
3.1.1 齒輪機構設計
1 選定齒輪的類型，精度等級，材料以及齒數(shù)
1） 如圖2-1所示的傳動方案，由于軸向力的齒輪小，所以選擇直齒圓柱齒輪傳動，使簡單的能夠降低成本。
2） 該剪草機工作時的速度較低，因此選擇8級精度（GB10095-88）。
3） 材料選擇。失敗表明，牙齒的形態(tài)，設計齒輪應，齒面有較高的耐磨性，耐點蝕、膠合和抗塑性變形能力，與根有較高的抗斷裂。而齒根要有較高的抗折斷的能力。所以，對齒輪的材料性能基本要求為：齒面要硬、齒芯要韌。一般齒輪材料是鋼，鑄鐵，非金屬材料。
齒輪材料的選擇原則：齒輪材料的選材務必滿足工作的要求；應考慮齒輪尺寸、毛坯成形方法和熱處理工藝等工藝，無論是毛坯的制作方法，都只能用于生產(chǎn)工作或輕微沖擊下的齒輪的平穩(wěn)載荷，不能承受大的沖擊載荷；在中等沖擊載荷作用下，調(diào)質(zhì)鋼可用于齒輪的生產(chǎn)；合金鋼通常用于使高速、重載和在沖擊載荷下的齒輪；飛機在齒輪傳動時，盡可能小齒輪的尺寸，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼；對采用軟齒面齒輪的齒面金屬的硬度差，這是兩個輪子的匹配應保持30以上~ 50hbs。本機的工作條件是對齒輪材料的要求不高，而大尺寸齒輪一般采用鑄件毛坯，所以可以選用鑄鐵或鑄鐵作為齒輪材料。
基于齒輪材料的選擇原則以及常用材料的機械性能選擇ZG310-570齒輪材料的大小，采用表面淬火。
2 齒輪尺寸設計
開（半開）齒輪，主要是由于齒磨損失效，不太小的牙齒，所以不適合小齒輪齒數(shù)太多，一般z = 20 - 17。本設計中選擇小齒輪齒數(shù)z=20，大齒輪的齒數(shù)，取。設計傳動比。人正常步行速度約1.2m/s，步距60 ~ 75cm?？紤]到草地上，實際情況0.8m/s.后輪直徑設計割草機430mm。想象剪草機工作在理想條件下，車輪滾滾不滑。因此，在軸的速度是關于。檢查機械設計手冊：10 ~ 15 /毫米的土路表面滾動摩擦桿橡膠輪胎，因為割草機質(zhì)量設計要求不超過50公斤，沿地面滾動輪的最大阻力矩。設計剪草機工作壽命為8年。
3 軸Ⅰ和軸Ⅱ上齒輪2和齒輪1的設計
基本參數(shù)
⒈ 按齒面接觸強度設計
由設計計算公式進行計算，即
≥
1） 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)
（2）小齒輪轉(zhuǎn)矩
注：由機械設計手冊查得：圓柱齒輪機械傳動7級精度的傳動效率為0.98-0.995
（3）選取齒寬系數(shù)
（4）材料的彈性影響系數(shù)
（5）由齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限；大齒輪的接觸疲勞強度極限
（6）計算應力循環(huán)次數(shù)
（7）查得接觸疲勞壽命系數(shù);
（8）計算接觸疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，得
2）計算
（1）小齒輪節(jié)距的計算，允許應力的接觸疲勞值不大
≥
（2）計算圓周速度與齒寬
（3）計算齒寬與齒高之比
模數(shù)
齒高
（4） 計算載荷系數(shù)
根據(jù)速度,7級精度，查得動載系數(shù);
直齒輪，假設＜查得;
使用系數(shù);
7級精度小齒輪對稱支撐布置，；
由，得；故載荷系數(shù)
2. 按齒根彎曲疲勞強度設計
彎曲疲勞強度的設計公式為
≥
1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1）查得小齒輪的彎曲疲勞極限；齒輪的彎曲疲勞極限；
（2）查得彎曲疲勞壽命系數(shù)；;
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得
（4）計算載荷系數(shù)
（5）查取齒形系數(shù)
；
（6）查取應力校正系數(shù),;
（7）計算大、小齒輪的并加以比較得：
大齒輪的數(shù)值大。
2） 設計計算
≥
從上面的小齒輪的直徑大于φ22.5mm，和模量大于1.013，可滿足齒輪強度要求?？紤]到加工難易以及軸的強度故取模數(shù)m=6.5，小齒輪分度圓直徑為130mm。
3. 幾何尺寸計算
1） 計算分度圓直徑
2） 計算中心距
3） 計算齒輪寬度
取 , .
4） 計算齒頂圓直徑
5） 計算齒根圓直徑
齒輪的結構及其幾何尺寸，通常是相關材料和制造工藝，比較常用的鑄造或鍛造毛坯。當毛坯直徑大于400mm，鑄坯可以考慮；當齒輪齒根圓直徑與軸的直徑差值時，為了避免失敗，由于鍵槽輪轂太弱，齒輪和軸應加工成一個有機的整體；因為小齒輪的齒頂圓直徑小于200毫米，所以齒輪可制成固體結構。如圖所示：
圖 3—1 齒輪結構形式圖
與大齒輪齒頂圓直徑大于160毫米，因此大齒輪的結構形狀如圖3-3所示：
圖3—3 大齒輪形狀結構圖
3.1.2 鏈輪機構設計
外鏈傳動主要是用在要求可靠和遠離軸的情況下，和其他不宜使用的場合進行齒輪傳動。其中最廣泛使用的滾子鏈，和齒鏈結構復雜，價格高，制造難度大，因此，采用滾子鏈傳動。
鏈輪的材料應能確保輪齒具備足夠的耐磨性和強度。小鏈輪的嚙合頻率要比大鏈輪的嚙合頻率大，影響也比較嚴重，所以小鏈輪應用材料制成，具有良好的。因此大鏈輪的材料選用35鋼，小鏈輪則采用20鋼。
1. 選擇鏈輪齒數(shù)
假設鏈速v=0.6—3m/s，由機械設計手冊選取小鏈輪齒數(shù)；大鏈輪齒數(shù)。
2. 計算功率
由手冊查得工作情況系數(shù),故
3. 確定鏈條鏈節(jié)數(shù)
初定中心距，則鏈節(jié)數(shù)為
取節(jié)
4. 確定鏈條的節(jié)距P
通過對小鏈輪轉(zhuǎn)速的估計，當工作時處于左電源曲線的頂點鏈，可能會發(fā)生鏈板疲勞損傷。乍得小鏈輪齒系數(shù)
;
;
選取單排鏈，,故得所需傳遞的功率為
由小鏈輪轉(zhuǎn)速及功率,考慮到剪草時的實際情況，根據(jù)手冊選取鏈號為10A單排鏈。也證實了原始的估計頂點鏈的功率曲線的工作在左邊是正確。再查得鏈節(jié)距P=15.875mm。
5. 確定鏈長L及中心距a
中心距減少量
實際中心距
取
6. 驗算鏈速
與原假設相符。
7. 驗算小鏈輪轂孔
由機械設計手冊查得小鏈輪轂孔許用最大直徑為45mm。
8. 幾何尺寸計算
1） 計算分度圓直徑
2） 計算齒頂圓直徑
因此，取
因此，取
3） 計算齒根圓直徑
小直徑的直徑可制成整體式，中等尺寸的鏈輪可制成孔板式。由計算結果可以得出大小鏈輪的形狀結構。如圖3-4，3-5所示：
圖3—4 小鏈輪形狀結構圖
圖3—5 大鏈輪形狀結構圖
3.1.3 軸的設計
1 軸的材料選擇
軸是碳鋼和合金鋼的主要材料。絕大多數(shù)鋼軸毛坯，其中一些是直接輪。
鋼的低成本比合金鋼低，熱處理或化學熱處理后的耐磨性和疲勞強度得到改善，因而廣泛應用于碳鋼的制造，其中最常用的是45號鋼。
合金鋼具有較高的力學性能和較高的淬火性能。因此，在大功率的傳輸，并減少的大小和質(zhì)量，提高耐磨性的軸，和在高溫或低溫條件下的軸，使用合金鋼。
必須指出的是，在一般的操作溫度（200℃以下），對碳鋼和合金鋼的彈性模量幾乎是相同的，所以在選擇鋼的類型并確定鋼的熱處理方法，根據(jù)的是強度和耐磨性。而不是軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度。但應注意的是，在給定的條件下，有時也能夠選擇較低的強度，并用適當?shù)妮S截面面積法增加軸的剛度。
各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化等）和表面強化處理（如噴丸、滾壓等），對改善軸的疲勞強度有顯著影響。
高強度鑄鐵和球墨鑄鐵容易制造復雜形狀，且價格低廉，具有良好的吸振性和耐磨性，且對應力集中度較低的優(yōu)點，可用于制造復雜形狀的軸。
根據(jù)軸的常用材料及其主要力學性能，結合實際情況，對45鋼進行了三鋼的負載小、低速等軸的選擇。
2 軸的結構設計
指定軸的結構設計，包括合理的形狀和結構尺寸。
軸的結構主要由以下因素決定：安裝位置和軸的形式；軸類零件的類型，尺寸，數(shù)量和軸的耦合和方法；性質(zhì)的載荷，尺寸，方向和分布；軸的加工工藝等。由于結構因素對軸、結構形式和結構形式和具體情況的不同而不同，所以對軸的結構沒有標準。設計時必須針對不同情況進行具體的分析。但是，無論什么樣的特定條件下，軸的結構應滿足：軸和安裝在軸上的零件的工作位置；在軸上的零件應便于安裝和調(diào)整；軸應具有良好的工藝性等。
軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、圓螺母、軸端擋圈和軸承端蓋等來保障的。
軸肩 將方向的肩膀和肩部的位置，用肩膀的定位是最方便和最可靠的方法，但使用軸的肩膀會不可避免地使軸的直徑，和肩膀會導致應力集中由于交叉部分的突變。此外，軸肩太多時間不利于加工。其結果是，軸向的肩部位置是使用更大的軸向力的場合。
套筒結構定位簡單，工作可靠，無需開槽、鉆削螺紋軸，因此不影響軸的疲勞強度，一般用于軸方向的2個部分之間。如2部分的間隔太大，不應該用以增加定位套的量，以及套筒材質(zhì)的質(zhì)量。因套筒與軸的配合較松，如軸的轉(zhuǎn)速較高時，也不宜采納套筒定位。
圓螺母定位可以承受較大的軸向力，但軸有較大的應力集中，可減少軸的疲勞強度，所以常用于固定軸類零件，用雙圓螺母和圓螺母和雙形式固定墊圈。當兩者之間的距離是使用較大的套筒定位軸，通常用于圓螺母定位。
用螺釘或卡套管接頭端蓋軸承，使軸承外圈軸向定位。在一般情況下，整個軸的定位也經(jīng)常使用軸承端蓋。
軸的周向方向的方向是限制軸上零件的相對轉(zhuǎn)動。常用零件的圓周定位鍵、花鍵、銷、螺釘和配合緊固螺釘，這不僅在力。
隨著軸段的要求，應盡可能使用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）的軸類零件的直徑，應采取相應的標準并選用公差。
為了使齒輪、軸承等都具有操作方便的零件的要求，并減少表面磨損，在前面的坐標軸截面應采用較小的直徑。為了使干涉配合與軸件容易裝配，將壓力為軸段匹配系統(tǒng)的軸段的錐度；或?qū)ν惠S段的不同尺寸公差。
軸向長度的確定，應盡可能使該結構是緊湊的，但也確保部件裝配或調(diào)整所需的空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各部分和軸與軸的尺寸和相鄰部分的必要的間隙。為了保證軸位的定位和可靠，要配合齒輪和軸的聯(lián)接等軸的長度要短于一般的2～3mm的輪。
結合以上的設計標準，各軸的設計結構和尺寸如下：
（1） 軸Ⅰ的設計
1） 求作用在軸Ⅰ上齒輪2的力
因為 ，故
（）
由此可見，軸所承受的力很小。
2） 初步確定軸的最小直徑
根據(jù)機械設計手冊查得，取=112,因此得
考慮到需要鍵槽加工技術，所以要取。顯然，軸的最小直徑是安裝在車輪上，即。
3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
①為了滿足車輪的軸向定位要求，車輪外M16螺母套筒定位與定位。
②初步選擇滾動軸承。因軸承同時承受的徑向和軸向力均很小，故選用深溝球軸承。指的是工作要求和依據(jù)，根據(jù)， 參照國家標準GB/T 276-1994，通過初步選擇0組基本組游隙軸承產(chǎn)品目錄，6004個標準的精密單列深溝球軸承，尺寸。因為要求安裝擋油環(huán)，因此軸承內(nèi)用套筒定位，套筒用軸肩定位；外用軸承端蓋定位。軸承安裝在軸承架，其周向位置的過渡的保證，對公差的選擇軸的直徑是M6的。。
③因為軸上齒輪之間的配合原因，故?、螅舳蔚闹睆綖椋蝗?。
④取安裝齒輪處的軸段Ⅴ－Ⅵ的直徑；。齒輪的右端選用軸肩定位，軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度。齒輪左端采用圓螺母定位，取用M27圓螺母，螺紋。
⑤；。
⑥軸承端蓋采用M5的螺釘固定，軸承端蓋的總寬度為20mm，故取。
所以，已初步確定了軸Ⅰ的各段直徑和長度。
⑦軸上零件的周向定位
齒輪、車輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。按由手冊查得平鍵截面（摘自GB/T 1095-2003），鍵槽用鍵槽銑刀加工，長為50mm（摘自GB/T 1096-2003）。 同時為了確保齒輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/n6；同樣車輪與與軸的聯(lián)接，選用B型平鍵，車輪與軸的配合為H7/k6.
⑧由機械設計手冊，M16螺紋倒角2×45°；M27螺紋倒角1×45°；各軸肩處的圓角半徑取R1。
根據(jù)軸的軸的結構做一個計算圖。作為梁的軸的支承跨距=185mm+170mm=355mm.按照軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖。
從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中能夠看出截面C是軸的危險截面。現(xiàn)將計算出的截面C處的MH、MV及M值列于下表。
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
=42N, =46N
FNV1=15N,FNV2 =17N
彎矩M
=7820N·mm
MV=2890 N·mm
3.按彎矩合成力校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。按照《機械設計》式(15-5)及上表中的數(shù)據(jù)，和單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取=0.6，軸的計算應力
1）軸Ⅰ
===5.39
前已選定軸為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表得[]=60。所以<[],故安全。
2）軸Ⅱ
===19.98
前已選定軸為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表得[]=60。因此<[],故安全。
初步確定了軸的結構，如圖3 - 6。
圖3—6軸Ⅰ的結構
參照軸Ⅰ的結構設計，
1） 求作用在軸Ⅱ上齒輪1的力
2） 初步確定軸的最小直徑
取=112
考慮到需要開鍵槽以及加工工藝，故取=20mm。顯然，軸的最小直徑是安裝軸承處。
3） 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
①初步選擇滾動軸承。
初步選定由軸承產(chǎn)品目錄級0個基本的間隙組，標準精度為6004個單排深槽球軸承，其大小為，外部定位方法定位支架，內(nèi)部套筒定位。故取。
②；。
③Ⅲ-Ⅳ段和Ⅶ-Ⅷ段是安裝大鏈輪的軸段，故其直徑為30mm，長度為10mm。左右兩端定位分別為軸肩定位和套筒定位。軸肩直徑為，長度為，。
④Ⅴ－Ⅵ段為小齒輪。分度圓直徑為130mm。長度為134mm，左端用圓螺母定位，右端用軸肩定位。圓螺母選取M42,該段長25mm。軸肩直徑為52mm，長10mm。
⑤軸上零件的周向定位
齒輪和鏈輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。選用平鍵分別為和B型平鍵，配合為H7/n6。
⑥取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑取R1。
（一）高速級齒輪傳動的設計計算
1．選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1）考慮此減速器的功率及現(xiàn)場安裝的限制，故大小齒輪都選用硬齒面漸開線斜齒輪
?2）按GB/T10095－1998，選擇7級精度
3）材料：高速級小齒輪選用40Cr調(diào)質(zhì)，硬度為280HBS，高速級大齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)，硬度為240HBS
4）取小齒輪齒數(shù)=27，大齒輪齒數(shù)Z=i2×Z=4.28×27=115.56 取Z=115.
5）選取螺旋角β=12°
2．按齒面接觸強度設計
1） 確定各參數(shù)的值:
①試選=1.45
查課本圖10-30 選取區(qū)域系數(shù) Z=2.45
取0.8
②由課本公式10-13計算應力循環(huán)次數(shù)
N=60nj =60×720×1×（10×350×16）
=2.4×10h
N= N/ i=5.7×10h
③查課本圖 10-19得：K=1 K=1.05
④齒輪的疲勞強度極限
取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,應用公式10-12得:
[]==1×700=700
[]==1.05×550=577
許用接觸應力
⑤查課本由表10-6得： =189.8MP
由表10-7得: =1
⑥計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T=95.5×10×=95.5×10×7.2/1450
=4.742×10N·mm
2)計算
②計算圓周速度
③計算齒寬b和模數(shù)
b==44.3mm
⑤計算縱向重合度
=0.318=3.62
⑥計算載荷系數(shù)K
使用系數(shù)=1
根據(jù),7級精度, 查課本由表10-8得
動載系數(shù)K=1.11,
查課本由表10-4得K的計算公式:
K= +0.23×10×b
=1.12+0.18(1+0.61) ×1+0.23×10×43.59=1.42
查課本由表10-13得: K=1.35
查課本由表10-3 得: K==1.2
故載荷系數(shù):
K＝K K K K =1×1.11×1.2×1.42=1.89
⑦按實際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
d=d=43.59×=46.07
⑧計算模數(shù)
=
3．按齒根彎曲疲勞強度設計
由彎曲強度的設計公式
≥
1） 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
①載荷系數(shù)K
K＝K K K K=1×1.11×1.2×1.35＝1.798
②根據(jù)縱向重合度εβ＝1.903,從圖10－28查得
螺旋角影響系數(shù)Yβ＝0.99
? ③計算當量齒數(shù)
Zv1＝Z1/cos3β＝27/ cos13°＝29.19?
Zv2＝Z2/cos3β＝115/ cos13°＝126
?? 按對稱布置，初選齒寬系數(shù)＝1
??④?查取齒形系數(shù)Y和應力校正系數(shù)Y
查課本由表10-5得:
齒形系數(shù)Y＝2.52 Y＝2.16
?應力校正系數(shù)Y＝1.62? Y＝1.81
⑤計算大小齒輪的
?安全系數(shù)由表查得S＝1.4
查課本由表10-20c得到彎曲疲勞強度極限??????????????????
小齒輪 大齒輪
查課本由表10-18得彎曲疲勞壽命系數(shù):
K=0.85 K=0.88
取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4
[]=
[]=
⑦根據(jù)實際的負載系數(shù)修正計算的節(jié)徑
d3=d3t=72.96×=79.46
⑧計算模數(shù)
=
3. 按齒根彎曲疲勞強度設計
由彎曲強度的設計公式
≥
1）確定公式內(nèi)各計算數(shù)值
①載荷系數(shù)K
K＝K K K K=1×1.2×1.1×1.1＝1.45
③?????? 初選齒寬系數(shù)
?? 按對稱布置，由表查得＝1
??④??查取齒形系數(shù)Y和應力校正系數(shù)Y
查課本由表10-5得:
齒形系數(shù)Y＝2.57 Y＝2.20
?應力校正系數(shù)Y＝1.60? Y＝1.78
參照軸Ⅰ，軸Ⅱ的結構設計，可以得出：
取軸Ⅲ的=20mm亦滿足強度要求。顯然，軸的最小直徑是軸承的安裝。
3）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
①取=13mm。
②初步選擇滾動軸承。
軸承產(chǎn)品目錄由2組軸承的初步選擇0組基本的間隙組和標準的精密單排深槽球軸承6004，其大小為，兩者之間的軸承和鏈輪與定位套。外側采用軸承架定位。
③；。
④第III IV、VII、VIII是安裝一個小鏈輪軸，其直徑為30mm，長度為10mm。左右定位均用套筒定位。
⑤Ⅳ-Ⅴ段為安裝往復刀具處。選用套筒定位。直徑為，長度為。
⑥軸上零件的周向定位
小鏈輪與軸的周向定位均采用B型平鍵聯(lián)接。選用平鍵為B型平鍵，往復刀具與軸的聯(lián)接選用平鍵，配合均為H7/n6。
⑦軸倒角1×45°，對軸肩半徑R1。
（4）底刀軸的設計
根據(jù)設計中的經(jīng)驗，對軸的設計，使底刀軸的結構如下：
①取33.5mm。旋轉(zhuǎn)手柄外直徑30。
②初步選擇滾動軸承。
選用同上軸同樣的滾動軸承。內(nèi)用肩定位，外端支架定位，外部手柄與軸承端蓋末端定位。，
③；。
④Ⅳ－Ⅴ段是安裝底刀的部分，取。
⑤軸承端蓋的總寬度為31mm，用M5螺釘固定。
⑥在定位軸之間的刀片和過渡配合和線程連接。
⑦軸端倒角、螺紋倒角1×45°，對軸肩半徑R1。
3 提高軸強度的措施
(1) 合理安排軸上的部件，以減少軸的負荷；
(2) 改進軸的結構以減小應力集中的影響；
軸在不同的應力條件下工作，軸突變截面尺寸產(chǎn)生應力集中，疲勞損傷的軸常發(fā)生在這里。為了提高軸的疲勞強度，應盡量減小應力集中源，減小應力集中度。對于這一軸肩較大的過渡半徑應采取減少應力集中。但對于定位的定位，也務必保證零件得到可靠的定位。當靠肩部的定位零件的半徑是很小的，為了增加軸肩的半徑，可以用凹圓的角或加墊片環(huán)。
(3)改進軸上零件的結構以減小軸的載荷；
(4)改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度；
軸的表面粗糙度和表面硬化也會影響軸的疲勞強度。軸表面粗糙，疲勞強度也較低。因此，應合理的加工，以減少表面和圓角的軸粗糙度。
表面強化處理方法是：表面高頻淬火等熱處理；表面滲碳、氰化、氮化等化學熱處理；碾壓、噴丸等強化處理。通過滾壓，噴丸強化表面強化處理，產(chǎn)生預壓應力能使軸的表面，從而提升軸的疲勞抗力。
各個軸均采用淬火處理。
4 軸的結構工藝性
結構過程軸指的是軸的結構，應便于軸上零件的加工和裝配，且生產(chǎn)率高，成本低。一般而言，軸的結構簡單，過程更為好。所以，在滿足要求的前提下，應盡量簡化軸的結構。
為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出45°的倒角；需要磨削加工的軸段，需要切斷軸段的螺紋，應留有一個后刀槽。它們的大小可在標準或手動。
為了減少處理時間，減少了工件的裝夾，在相同的軸偏差應布置鍵槽（或投影）在同一總線上的軸。為了刀具種類和提高勞動生產(chǎn)率，軸的直徑相同的圓角、倒角、鍵槽寬度、磨輪、槽寬和槽寬等應盡可能采用相同的尺寸。
3.1.4 軸承校核
滾動軸承是現(xiàn)代機械中廣泛使用的零件之一，它主要依賴于滾動軸承的旋轉(zhuǎn)部件的主要部件。絕大多數(shù)常用的滾動軸承已經(jīng)標準化，并有大量的專業(yè)工廠制造，供應各種規(guī)格常用的軸承。
滾動軸承的構成：包括：內(nèi)圈、外圈、滾動體、保持架 ?
用于頸和軸總成、外環(huán)用于和軸承孔的裝配。通常是內(nèi)圈與軸頸的旋轉(zhuǎn)，外圈是固定的，但也可用于內(nèi)外環(huán)固定旋轉(zhuǎn)，或內(nèi)外環(huán)旋轉(zhuǎn)的同時。當相對旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈、外圈、滾動體的滾動，即外圈滾道。保持架的作用主要是均勻地隔開滾動體。
滾動體的基本類型有：鋼球、圓柱滾子、圓錐滾子、滾針、鼓形滾子、不對稱鼓形滾子。
與滑動軸承相比，滾動軸承精度高，起動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)動方便，使用方便等優(yōu)點。
與滑動軸承相比，滾動軸承的優(yōu)點：
1、在一般情況下，滾動軸承和流體動力潤滑軸承的效率較高，但混合潤滑軸承的軸承更高；
2、徑向間隙小，向心角接觸軸承預緊預緊間隙可消除是可行的，精度高和操作；
3、對于同一尺寸的軸徑，軸承寬度小于滑動軸承，軸的結構緊湊；
4、大多數(shù)的滾動軸承都可以是徑向和軸向載荷，所以組合結構簡單；
5、消耗潤滑劑少，便于密封，易于維護；
6、不需要有用有色金屬；
7、標準化程度高，成批生產(chǎn)，成本低；
與滑動軸承相比，滾動軸承的缺點：
1、承受沖擊載荷能力較差；
2、高速重載載荷下軸承壽命較低；
3、振動及噪聲較大；
4、徑向尺寸比滑動軸承；
可以正確使用滾動軸承，主機可以獲得良好的工作性能，延長使用壽命；企業(yè)能否縮短檢修時間，降低維修成本，提高機器運行速度，具有十分重要的作用。因此，在選擇滾動軸承時，無論是設計制造單元還是維修單元，都必須進行高值的選擇。一般而言，選擇軸承的步驟可以概括為：1。根據(jù)軸承工作條件（包括載荷方向和載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑方式和同軸度的要求，或不，安裝和維護，環(huán)境溫度等），選擇基本型，公差等級，軸承間隙。根據(jù)軸承的工作條件和受力情況和壽命要求，通過計算確定軸承類型，或根據(jù)所選軸承的要求，計算出壽命；3。所選軸承額定載荷和極限轉(zhuǎn)速的計算。
?選擇軸承極限轉(zhuǎn)速的主要因素，滌綸壽命和承載能力，其他因素有助于確定軸承類型、結構，為最終的解決方案尺寸和公差等級和游隙。類型選擇，各種滾動軸承具有不同的特性，適用于各種機械的不同使用。在選擇軸承類型時應考慮以下因素。一般：推力軸承選用推力軸承、角接觸軸承、滾珠軸承通常用于高速應用，承受徑向載荷重量，選用滾子軸承?？傊?，從不同廠家的人員選擇，很多軸承產(chǎn)品，選擇合適的類型。針對機械的空間和位置的機械設計，在一般情況下，確定軸的尺寸，然后，根據(jù)滾動軸承的軸向尺寸選擇。用球軸承通常是小軸，軸選用滾子軸承。但是，當軸承的直徑在機器方向的限制，選擇針輥軸承，特殊的輕和超輕系列球或滾子軸承；當軸承在軸向位置的機器被限制，可以選擇一個狹窄，窄范圍的球或滾子軸承。軸承的載荷大小、方向和性質(zhì)的載荷承載著最重要的因素。托輥軸承是用來進行重載的，球軸承用在輕或中等載荷下，滲碳軸承鋼或貝氏體硬化，能承受沖擊和振動載荷。在負載的方向上，在純徑向載荷下，可選擇深槽球軸承、圓柱滾子軸承或軸承滾子軸承。小純軸向載荷，可選用推力球軸承；在高純軸向載荷作用下，可選用推力滾子軸承。當軸承的徑向和軸向，角接觸球軸承一般選擇或圓錐滾子軸承。懸臂支撐結構，常使用或角接觸球軸承，圓錐滾子軸承和成對使用。
滾動軸承類型選擇應注意的問題:
1、考慮軸承的承受載荷情況
方向：采用徑向力時，徑向力為徑向軸承，采用軸向力時，采用推力軸承；徑向力和周向力聯(lián)合作用時，用向心推力軸承；
尺寸：由較大的載荷，可用的滾子軸承，或較大的一系列軸承的尺寸；當承受小載荷時，可使用滾珠軸承，或一系列較小的軸承尺寸
2、考慮對軸承尺寸的限制
當對軸承的徑向尺寸嚴格限制時，可選用滾針軸承；
3、考慮軸承的轉(zhuǎn)速
一般而言，球軸承比滾子軸承能適應更高的轉(zhuǎn)速，軸承重量輕系列軸承可以適應更高的速度；另外，各種推力軸承極限轉(zhuǎn)速低，不容易為高速旋轉(zhuǎn)速度。
4、考慮對軸承的調(diào)心性要求
自調(diào)心球軸承和調(diào)心滾子軸承能滿足一定的調(diào)心的要求（即：軸線與軸承座孔心線可以適當變形），和圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、滾針軸承滿足對準能力幾乎為零的要求
根據(jù)各個軸承的特點以及選用原則，可以肯定我們初步選定的型號6004深溝球軸承滿足要求。
由于軸3的載荷是最大的，而軸的最大速度為3，這是最危險的軸3。如果軸承壽命滿足要求，其他軸承可以滿足要求。所選6004深溝球軸承的基本額定動載荷C為9.38kN假設鏈傳動的效率為0.9。
顯然，軸承壽命滿足要求。
3.2 剪草機構的設計
3.2.1 斷草方式設計
1 用割的方式 即用刀將草截斷。但是草是柔軟的，一個末端是自由的，很難用切割的方式來切割草。
2 用刀或繩子打，把草折斷。使用這種方法修復的草是非常高的，要求的速度，在草之前沒有被中斷，這樣的草產(chǎn)品有，但他們都使用的發(fā)動機驅(qū)動，不符合我們的環(huán)保設計要求。
3 用剪斷的方式 用一把刀去割草，用相對運動的原理，很容易剪下的草，并且沒有需要很高的速度。
以上方案的優(yōu)缺點，結合實際的設計理念和實際需要，我們選擇了設計中的隔斷草。
3.2.2 刀架設計
1 剪切裝置
剪切裝置由刀和底刀組成。底刀固定在底部的工具后，剪下的草，葉片是線性的時。往復刀結構如圖3-10，往復刀具刀片形狀的條形曲面，為長條葉片，均勻分布在刀具載體上的五個刀片。草屑，往復刀具旋轉(zhuǎn)前進，開始由葉端和終點的剪切刃口，割草對往復刀具刀片螺釘旋轉(zhuǎn)夾在口面，并已切斷。在剪草的過程中，葉片始終是接觸的。
圖3-10 刀具結構圖
2 刀刃間隙調(diào)整裝置
刀片間隙調(diào)整裝置由一個旋轉(zhuǎn)輪組成，由螺紋連接組成。轉(zhuǎn)動手輪，使我們沿著螺紋軸的長度和圈底頭軸為支點，作為底頭底刀的旋轉(zhuǎn)和上下移動，可以調(diào)整間隙之間的底刀和往復刀具刀片。左邊的手柄，間隙增加，手柄是正確的，并且間隙減少。
3.2.3刀頭設計
在之前的方案設計章節(jié)，我們選擇用剪斷的方式來設計刀具。根據(jù)老式理發(fā)器（見圖3-1）的刀頭，我們同樣可以考慮用此種刀頭作為我們騎行式剪草機的刀具部分?，F(xiàn)設計刀頭由固定在刀架上的下刀片和可以水平橫向往復直線運動的上刀片組成。這樣通過上刀片的往復移動將草葉剪斷，同時又不需要太高的速度就能夠?qū)崿F(xiàn)。這樣就避免了大功率帶來的噪音污染。
刀頭主要尺寸設計如下：下刀片（固定刀片）（如圖3-2），厚度3mm，寬度343mm，齒長30mm，齒寬8mm，齒間距8mm；
上刀片（活動刀片）（如圖3-10）具體尺寸同下刀片；
刀頭整體裝配如圖3-10。
端面凸輪（如圖3-10），端面凸輪主體是由一個直徑250mm，長度38mm的圓柱，以通過圓柱中心的斜面等分成兩半組成，因此無論斷面凸輪如何旋轉(zhuǎn)，其端面任意水平線的兩點距離是不變的，因此與固定裝置內(nèi)爪永遠是保持接觸，故而可以一直帶動固定裝置做水平往復直線運動。
螺紋桿（如圖3-10），螺紋桿整體長度為306mm，直徑為30mm，螺紋起始處距離桿底部93mm，螺紋總長130mm。
螺紋桿固定裝置（如圖3-11），其中上面的裝置高度26mm，孔徑30mm，孔中心距離箱體外表面21mm；下面的裝置，高度26mm，孔徑23mm。使用M8螺釘與箱體固定。
圖3-11 剪草機構
3.2.3 刀架高度調(diào)節(jié)機構
為了實現(xiàn)對剪草高度調(diào)整，我們設計了沿垂直方向移動的刀架，移動是由軌道的兩側的導槽所決定的，我們設計了一個螺栓連接的連接柄，通過螺栓的轉(zhuǎn)動即可調(diào)節(jié)刀架的高度，同時通過螺栓的自鎖將滑塊固定在需要的位置。其結構如圖3—11所示
：
圖 3-11 刀架調(diào)節(jié)方式
3.3 輪子總成選擇
根據(jù)實際需要和成本考慮選擇由佛山市南海區(qū)環(huán)球工業(yè)腳輪廠生產(chǎn)的前輪總成，如圖3—10其參數(shù)如下：
輪徑：793 mm
輪寬：60mm
載荷：70kg
安裝尺寸高度：380mm
螺桿參數(shù)：M12×25
圖3—12 前輪總成
減速箱（HT200）由鑄造，為分體式結構確保齒輪質(zhì)量好的使用，
大端蓋分機體采用配合.
1. 機體有足夠的剛度
在車身上加筋，外輪廓為矩形，提高軸承剛度
2. 考慮到機體內(nèi)零件的潤滑，密封散熱。
由于其傳輸速度小于12m／s，所以潤滑油的入侵，為了避免油攪拌泥沙飛濺和編的油箱底面距離H為40mm
為了保證機械蓋和底座接縫密封，連接法蘭的寬度應該有足夠的，連接表面應是好的，表面粗糙度是
3. 機體結構有良好的工藝性.
鑄件壁厚為8，圓角半徑為3。身體形狀簡單，便于方便。
4. 對附件設計
A 視孔蓋和窺視孔
在頂部的機蓋打開窺視孔，可以看到齒和傳動部件的位置，并有足夠的空間，以便可以伸入，窺視孔的蓋板，對身體是一個窺視孔和法蘭，便于加工和表面強化的承載板的密封墊片，由投鐵板，用M8緊固
B 油螺塞：
底油底油池底，并安排減速器和靠近側的其它部位，不把油、排油塞堵，使油孔在本體的外壁上，由加工成軸承表面的螺絲頭，并加封油圈加以密封。
C 通氣孔：
作為減速器運轉(zhuǎn)時，體溫升高，壓力