手推式剪草機的設(shè)計【含圖紙】

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該產(chǎn)品主要用于家用，及面積不大的草坪修剪。無需引擎，可謂綠色環(huán)保的剪草機。對提倡環(huán)保的地域，是理想的剪草工具。1.3主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù)1.3.1 該手推式剪草機的總體設(shè)計參數(shù)外形尺寸：輸入功率：輪子轉(zhuǎn)速：力矩：凈質(zhì)量：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剪草載荷：同時剪草量：1.3.2 該手推式剪草機的刀具設(shè)計參數(shù)表1-1 刀具設(shè)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(fù)頻率刀片形狀配套動力操作人數(shù)凈重手推式剪草機往復(fù)切割240mm20mm單動860r/min平形149.1W113r/min1人30kg1.4主要工作原理本次設(shè)計的手推式剪草機主要利用輪子運動傳動變速箱中的齒輪實現(xiàn)刀具的往復(fù)運動的功能。手推式剪草機由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和剪刀等構(gòu)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(zhuǎn)動將旋轉(zhuǎn)方向的力傳動給撥桿，引起水平方向的往復(fù)運動，從而使刀具自身往復(fù)運動。由于剪草機變速變矩范圍不夠大，因此在刀具的選擇上尤其注意以提高剪草機自身效率為重要原則。剪草機工作時由人推動機器行走，從而使剪草機的后輪1傳動，帶動與其同在一根軸上的大齒輪2傳動，通過齒輪2與齒輪3組成的增速機構(gòu)使速度得以提升，并帶動端面凸輪4（為了實現(xiàn)幾何形狀封閉和便于調(diào)整，采取兩個端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)換機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€往復(fù)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，完成剪草動作。如圖11所示： 圖11 機器的運動簡圖1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.5.1 國內(nèi)外發(fā)展概述l9世紀(jì)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(wǎng)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(dāng)務(wù)之急。英國人Edwin Budding利用旋轉(zhuǎn)式機械工作的原理發(fā)明了滾刀式剪草機，該產(chǎn)品的問世在英國受到了廣泛的歡迎，隨后傳人美國。1868年，美國第一臺剪草機取得專利，美國的草坪業(yè)也由此起步。不過幾年，便有37項有關(guān)剪草機的發(fā)明獲得專利。到1881年，總共有4萬多臺剪草機被生產(chǎn)和銷售 。最初的剪草機均為人力驅(qū)動；1890年，在英國開始設(shè)計有動力驅(qū)動的剪草機。從最初的蒸汽動力驅(qū)動發(fā)展到小型內(nèi)燃機動力驅(qū)動；1909年，美國科學(xué)家Leoni取得了動力型機械式剪草機專利，盡管剪草機由汽油機驅(qū)動，但整個裝置仍由馬拉行走。在草坪修剪機械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個轉(zhuǎn)折點。在20世紀(jì)30年代前后，每年生產(chǎn)的各類剪草機數(shù)量約3萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經(jīng)濟得到復(fù)興，允許現(xiàn)役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設(shè)房屋并出售，促使草坪修剪機械得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)量急劇上升，1947年達36萬臺，1974年達700萬臺。20世紀(jì)70年代后期開始，剪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 。剪草機在數(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剪草機誕生；1978年，C1arence Noke研制出了一種可進行草坪修剪編程的剪草機 ；20世紀(jì)80年代，一些新的草坪設(shè)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(rèn)為是一件普通的家庭用具。我國生產(chǎn)剪草機起步較晚，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品用途單一，品種數(shù)量少，遠(yuǎn)不能滿足要求，而且質(zhì)量與發(fā)達國家的相比也有很大差距。所以長期以來，草坪剪草機多以進口為主，主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國。據(jù)統(tǒng)計，1999年的剪草機銷售量在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，剪草機進口量在316萬臺左右；近兩年，草坪機械平均年增長率達到30左右，國內(nèi)每年草坪機械的銷售總額大約為12億13億元人民幣，其中從國外進口的機械占85，國內(nèi)自行生產(chǎn)的產(chǎn)品占15左右，其合計銷量約在1萬臺左右 。1.5.2 常見的剪草機械分類剪草機械按動力劃分可以分為機動和人推的兩類。按動力又分為柴油機、汽油機和電動機3類驅(qū)動。其中以小型汽油機作為動力的較為普遍，而柴油機多用于大型的剪草機械，如牧場的割草機；按剪草時刀片運動的方式可分為滾刀式、旋刀式和剪切式3種；按切割器形狀可分為旋刀式、滾刀式、往復(fù)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。剪草機的剪草幅寬一般為400lO00mm，剪草高度從15lOOmm有幾個調(diào)節(jié)擋位 。1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理（1）滾刀式剪草機其由帶有刀片的滾筒和不動的床刀組成。滾刀的形狀像一個圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安裝在圓柱表面，滾刀旋轉(zhuǎn)帶動草莖相對于底刀產(chǎn)生一個逐漸切割的滑動剪切而將草莖剪斷。滾刀式剪草機剪草的質(zhì)量取決于滾刀上刀片數(shù)和滾刀的轉(zhuǎn)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(xì)，滾刀的刀片數(shù)一般為312片不等；滾刀的轉(zhuǎn)速越高，切下的草也越細(xì)。滾刀式剪草機是高質(zhì)量草坪最常用的剪草機型，適用于草高380mm 的草坪，其價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。（2）旋刀式剪草機(又稱懸刀式)它是由橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉(zhuǎn)打切草的上部葉片。其工作裝置為一長條形剪草刀或多把剪草刀在水平刀盤上，高速旋轉(zhuǎn)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(fēng)葉形狀，在高速旋轉(zhuǎn)下，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(jié)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，適于范圍內(nèi)剪草，它的價格相對低廉，保養(yǎng)、維修和使用都很方便，是國內(nèi)外目前最流行的剪草機。（3）甩刀式剪草機其切割裝置由多把垂直于地面的刀片鉸接在旋轉(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)軸上， 當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)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(dāng)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）甩繩式剪草機其工作裝置是由一個內(nèi)裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當(dāng)打草盤高速旋轉(zhuǎn)時，露在外面的尼龍繩在離心力作用下，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。1.6已經(jīng)考慮過的若干方案的比較1.6.1手推式剪草機的工作設(shè)計方案我們所設(shè)計的手推式草坪剪草機首先要通過一個傳力構(gòu)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(yīng)通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。因執(zhí)行修剪草動作刀片的相對運動方向與人行進的方向垂直，經(jīng)前面增速機構(gòu)傳遞過來的運動都需要再經(jīng)過一級轉(zhuǎn)換機構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。通過分析得到手推式草坪剪草機的組成框圖，如圖12所示。圖12手推式草坪剪草機的組成框圖1.6.2其他工作設(shè)計方案的比較能實現(xiàn)手推式草坪修草功能的技術(shù)原理較多，但各有利弊，具體分析如下：（1）用腳驅(qū)動 用腳驅(qū)動時，一般操作者都需站在或坐在被驅(qū)動的機器上用力，這樣所設(shè)計的修草機，除了要完成剪草動作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，不適合小面積草坪使用。（2）用手驅(qū)動 用手驅(qū)動，可避免用腳驅(qū)動時存在的問題，使所設(shè)計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設(shè)計手動式修草機。（3）用割的方式 即用刀將草截斷。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現(xiàn)。（4）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(chǎn)品已有，但效果不好。（5）用剪的方式 即用刀將草剪斷，用兩個刀片作相對運動的原理較易將草剪斷，且不需要很高的速度。因此，我們選擇設(shè)計成手動式剪草機。手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現(xiàn)的是簡單的轉(zhuǎn)動和往復(fù)直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動，由于剪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剪草動作，可以用手推剪草機向前行駛，靠剪草機輪子的轉(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)變成往復(fù)移動而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設(shè)計成手動式草坪剪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(gòu)成初步方案。由前面的分析可知，手動式草坪剪草機只需要一項運動形式變換功能（即轉(zhuǎn)動變直線往復(fù)移動），所以，不必列出矩陣表后構(gòu)型。實現(xiàn)轉(zhuǎn)動到直線往復(fù)移動變換功能最簡單的機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，直線推桿盤狀凸輪機構(gòu)和齒輪齒條機構(gòu)。1)曲柄滑塊機構(gòu) 2）直動推桿盤狀凸輪機構(gòu)3）齒輪齒條機構(gòu)圖13機構(gòu)運動簡圖1.7關(guān)鍵問題及其解決辦法1.7.1 增速機構(gòu)的設(shè)計選擇增速機構(gòu)是傳遞動力及變速的核心機構(gòu)。它的速度變化直接改變刀具的剪切運動。我的手推式剪草機采用圓柱凸輪傳動機構(gòu)?？梢岳脠A盤側(cè)面的形狀特征，為此圓盤旋轉(zhuǎn)時通過側(cè)面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調(diào)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14所示：圖14 圓柱凸輪傳動機構(gòu)1.7.2 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作，傳遞出去的力應(yīng)通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。由于轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動，這樣在剪草機動力輸入構(gòu)件輪子和轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設(shè)計的剪草機結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動。而齒輪傳動有直齒原著齒輪傳動，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(yīng)用到剪草機械中，會使支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圓錐齒輪傳動的軸線相交，且其中一個齒輪需懸置，也會使剪草機支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結(jié)構(gòu)較簡單，同時剪草機的速度不高，載荷也不大，因此，可選擇直齒圓柱齒輪作為增速機構(gòu)。機構(gòu)組成方案如圖15所示： 1) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構(gòu) 2）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構(gòu)3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構(gòu)圖15機構(gòu)運動簡圖用異變法實現(xiàn)刀具剪草運動方向與剪草機行進方向垂直，由于刀具的剪切運動方向與剪草機行進方向垂直，圖1-5中1）和2）所示的機構(gòu)組成方案不能最終滿足設(shè)計要求，還需對機構(gòu)進行進一步構(gòu)型。方案1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)滑塊在導(dǎo)軌上的往復(fù)運動，工作原理如圖16所示。圖16梅花凸輪傳動機構(gòu)方案2 利用圓柱凸輪機構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)運動，其工作原理如圖17所示。圖17圓柱凸輪傳動機構(gòu) 在圖16所示的梅花凸輪機構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動需增加一個支點和一個構(gòu)件兩個低副（或一個構(gòu)件一個高副），這樣會增加整個機構(gòu)的復(fù)雜性，且設(shè)計時應(yīng)該比短（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7，圖4所示的圓柱凸輪機構(gòu)和端面凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，可以考慮作為所設(shè)計的剪草機的運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)。但是，我們還希望所設(shè)計的剪草機能實現(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。要實現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖17所示的圓柱凸輪機構(gòu)中還需要增加一個能使刀架（包括活動刀片和固定刀片）沿垂直方向移動的移動副，使機構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。而圖27所示的端面凸輪機構(gòu)，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)剪草高度的調(diào)節(jié)。1.8 機構(gòu)的功能及特點該機采用固定刀片與活動刀片相對錯動的剪切原理，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的剪草處理；無需引擎驅(qū)動，使用安全、可靠，便于維護；剪草的高度可在120mm之間調(diào)整，割幅240mm，外形尺寸（長寬高：586369200mm）,質(zhì)量30kg（材料由45鋼制作）；采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)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(dǎo)向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使剪草機轉(zhuǎn)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(shè)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；剪草的效果較理想，且成本低，是小面積草坪修剪的首選產(chǎn)品。 1.9機構(gòu)設(shè)計與用戶的一致性分析（1）從機構(gòu)運動的功能出發(fā)，按變異組合法和類比法完成機構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)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(shè)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；（5）采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題；（6）采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題；（7）采用的剪草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題；（8）產(chǎn)品成本（制造和使用成本）低，符合廣大用戶購買能力的要求。2.設(shè)計計算說明書2.1 設(shè)計方案論證2.1.1手推式剪草機的設(shè)計原理該機構(gòu)由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉(zhuǎn)矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運動方向，最終輸出往復(fù)剪切運動?？傮w方案設(shè)計如圖21所示：圖2-1 總體方案設(shè)計2.1.2 方案的選擇選擇這個設(shè)計方案能夠更好的實現(xiàn)運動傳遞。無引擎驅(qū)動，節(jié)省能源，無污染（噪音、廢氣），采用綠色環(huán)保設(shè)計。采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題；采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的剪草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調(diào)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(gòu)更加簡單，刀具拆裝方便。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。我采用的剪草機方案結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜。并且增速機構(gòu)采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結(jié)構(gòu)簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。同時剪草的數(shù)量較多，在功率一定得情況下，剪得方式始終比割得方式效率高。蝸輪蝸桿傳動的割草機機構(gòu)方案簡圖如圖22所示：圖22 蝸輪蝸桿傳動的割草機2.2 齒輪的計算部分2.2.1機構(gòu)的動力計算草坪上的草為特殊纖維材料，較易剪斷，不需要太大的載荷。通過實際運用中割草機械的分析，可以假設(shè)剪一根草所需載荷為，同時剪草數(shù)量最多為500根。可得F=250N；端面齒輪上所受力的大小為：輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動剪刀，進行機械運動。假設(shè)輪子的直徑為；輪子周長為。假定人的正常行走步數(shù)為。假定刀具所受的力全部來自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運動。則 軸上的所傳遞的功率大小為：軸上的所傳遞的功率大小為：;輪子所傳遞的功率大小為：2.2.2齒輪設(shè)計思路及要求手推式剪草機中的齒輪設(shè)計要求（1）合理選用模數(shù)：在現(xiàn)代變速箱設(shè)計中，各檔齒輪模數(shù)的選擇是不同的。但為了經(jīng)濟性和用途的要求，初選模數(shù)：。（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(dāng)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。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。（3）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。（4）手推式剪草機中齒輪強度的計算方法概述我國的國家標(biāo)準(zhǔn)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標(biāo)準(zhǔn)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。由于汽車變速箱的工作特性，使得輪齒的載荷是波動的，對于這種不穩(wěn)定載荷的情況。從以上四點可看出國際標(biāo)準(zhǔn)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，所以在本論文中齒輪的設(shè)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(chǎn)生彎曲應(yīng)力和其它應(yīng)力，并有較大的應(yīng)力集中，為使齒輪在預(yù)定的壽命期內(nèi)不發(fā)生斷齒事故，必須使齒根的最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力。2.2.3.齒輪設(shè)計過程（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計：轉(zhuǎn)速軸上的轉(zhuǎn)速計算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩可得：軸上的轉(zhuǎn)矩為: （2）齒輪的參數(shù)設(shè)計：選擇齒輪材料、熱處理、精度等級及其齒數(shù)剪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(diào)質(zhì))，齒面硬度280HBS；大齒輪：45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。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(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 假定工作機載荷有輕微沖擊，每星期左右修剪一次草坪，每周工作8h，預(yù)期使用壽命為50年。小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：可得：大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：（5）計算接觸疲勞許用應(yīng)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： （1） （2）試算小齒輪分度圓直徑 （3）可得：為了保證制造工藝簡單，取模數(shù)： 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 小齒輪分度圓直徑： 大齒輪分度圓直徑： 大齒輪齒寬,圓整取；小齒輪齒寬 (加寬5mm) 中心距 小齒輪齒全高 大齒輪齒全高 齒輪齒數(shù)模數(shù)齒形角全齒高大齒輪 692.0204.5小齒輪 232.0204.5齒輪的相關(guān)參數(shù)如下表所示：表2-1齒數(shù)表（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), 查得齒向載荷分布系數(shù),一般經(jīng)仔細(xì)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(shè)計參數(shù)載荷系數(shù)K=小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩查得齒形系數(shù), ;應(yīng)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(yīng)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(yīng)力 結(jié)論:計算可得彎曲疲勞強度足夠。2.3 軸的計算部分2.3.1手推式剪草機中軸的設(shè)計（1）選擇軸的材料該軸無特殊要求，選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理，初步估算軸徑：按扭轉(zhuǎn)強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取根據(jù)公式，?。?）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸上零件的軸向定及位周向定位。從左輪子連接處向右?。?。考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性：考慮到軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。（3）軸的強度演算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)矩：齒輪端面分度圓直徑：圓周力：徑向力：軸向力：受力簡圖如32所示： 圖23 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24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25 水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為：圖26 水平面上截面的彎矩及合成彎矩：圖26水平面上截面的彎矩及合成彎矩按彎扭合成應(yīng)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(yīng)力：通過查表可知：材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為，由于，故安全。2.3.2手推式剪草機中軸的設(shè)計（1）選擇軸的材料該軸無特殊要求，選擇45鋼調(diào)質(zhì)處理，初步估算軸徑：按扭轉(zhuǎn)強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取根據(jù)公式，?。?）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)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，從左輪子連接處向右取?？紤]軸的結(jié)構(gòu)工藝性：考慮到軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。軸的強度演算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)矩：=3911Nmm齒輪端面分度圓直徑：圓周力：徑向力：軸向力：圖27 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28 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29軸水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為： 圖210 軸水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應(yīng)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(yīng)力：通過查表可知：材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為，由于，故安全。2.4 刀具的設(shè)計計算部分2.4.1 刀具的概述手推式剪切機采用剛性切割式，運動方式選擇往復(fù)式運動。往復(fù)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(shè)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(fù)運動；其特點是：，刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。剪切機的上、下刀片形狀相同，剪切時，草兩側(cè)同時受到切割，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剪切。刀片的速度圖如圖211所示。剪刀自點向右運動時，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211可知，大于終切速。圖211 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剪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。2.4.2 刀具的運動分析 刀片一個行程時間內(nèi)機器前進的距離稱為切刀的進程，以H表示，切刀一秒鐘內(nèi)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： 可得切刀的進程H為：由于端面齒輪旋轉(zhuǎn)一周刀具往復(fù)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)類似的茶樹修剪機和采茶機的試驗分析，可得動力轉(zhuǎn)速較小的手推式剪草機傳動的效率較高。2.4.2 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)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。表22手推式剪草機的主要參數(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(fù)頻率刀片形狀配套動力操作人數(shù)凈重手推式剪草機往復(fù)切割240mm20mm單動860r/min平形149.1W113r/min1人30kg切割角的增大使切口變得不整齊。當(dāng)?shù)镀谐淘跁r，刀片的切割角和楔角不影響剪草的質(zhì)量。往復(fù)式刀刃的切割角和楔角如圖212所示。圖212往復(fù)式刀刃的切割角和楔角試驗分析可知行程與剪草質(zhì)量的關(guān)系： 刀片的刀距行程對剪草的質(zhì)量沒有顯著的影響。剪草質(zhì)量比較好的行程在，碎片也相應(yīng)較少。切割間距在時，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(guān)系手推式剪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(zhì)量沒有大的影響。對類似作物的試驗，任何往復(fù)刀片，當(dāng)切割速度比在2.5以下時，正常芽葉稍有減少的趨勢；切割速比在時，剪草質(zhì)量無明顯的差別。切割速度比在小于3時，剪草面切口出現(xiàn)明顯的不平整。表23往復(fù)式刀片的主要技術(shù)參數(shù)項目刀片刀間距刀高切割角刀角硬度（HRC）往復(fù)式刀片動刀片20mm定刀片2.5 端面齒輪及撥桿的設(shè)計部分2.5.1端面齒輪和撥桿的概述手推式剪草機中端面齒輪和撥桿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(fù)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。2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析端面齒輪的形狀如圖213所示：圖213 端面齒輪的形狀對撥桿的運動要求為：當(dāng)端面齒輪轉(zhuǎn)過時，推桿上升20mm；端面齒輪再轉(zhuǎn)過時，撥桿下降20mm；推桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過時，撥桿又停止不動。運動狀態(tài)如圖214所示。圖214 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(yīng)的端面齒輪所旋轉(zhuǎn)的角度，c為。在端面齒輪上撥桿與端面齒輪接觸點旋轉(zhuǎn)的角度所對應(yīng)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215 端面齒輪的輪廓曲線假設(shè)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(zhuǎn)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(guān)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方程為： 推程階段 遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)。故只需研究撥桿一個往復(fù)運動的工作輪廓線即可。計算結(jié)果可得端面齒輪的工作輪廓線對應(yīng)的值表24 端面齒輪的工作輪廓線 （mm）(mm)002.2690.1184.5380.4746.8071.0669.0761.89511.3452.96013.6144.26315.8835.80218.1527.57820.4219.59122.69011.84124.95914.32827.22817.05129.49720.000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216所示。圖216 端面齒輪的工作輪廓線2.6 結(jié)論2.6.1 剪草機的使用方法修剪是草坪養(yǎng)護管理中的核心內(nèi)容?？茖W(xué)地對草坪進行定期修剪，可提高草坪質(zhì)量，使草坪整齊美觀，而且具有較高的坪用價值和經(jīng)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(yīng)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(nèi)。如修剪量過大，將會由于葉面積大量損失而導(dǎo)致草坪草光合作用急劇下降。由于修剪不及時而導(dǎo)致失剪的草坪，仍應(yīng)遵循“三分之一” 原則，切忌一次修剪就達到需求的標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)通過少量多次修剪，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(guān)。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(yīng)逐漸減少修剪次數(shù)，夏季有休眠現(xiàn)象，也應(yīng)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(zhì)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。2.6.1 剪草前應(yīng)注意的事項剪草前應(yīng)先檢查剪草機械刀片是否損壞，螺母、螺栓的緊固情況，輪胎壓力情況.；剪草前應(yīng)清除草坪上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對于固定設(shè)施，如噴灌管埋頭等，應(yīng)作好標(biāo)志，以防損壞刀片在剪草前，應(yīng)測量草坪的高度，將剪草機調(diào)整到合理的剪草高度；剛澆過水、下過大雨或者霉雨季節(jié)等，潮濕的草地最好不要剪草；不得在坡度大于15度的地方采用該手推式剪草機修剪草坪。剪草機的選擇要根據(jù)草坪要求的修剪質(zhì)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(yīng)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?？傊?，選擇的總原則是在達到修剪草坪質(zhì)量的前提下，選擇經(jīng)濟實用的機型。2.6.3 制造價格及應(yīng)用范圍根據(jù)目前市場實際:：制造原材料費用100150 元，手工費: 50100 元，因此總造價在300元以內(nèi)。目前使用于我國大部分地區(qū)的園林草坪的修建和養(yǎng)護。3. 使用說明書（SM）3.1設(shè)備的名稱 產(chǎn)品的名稱: 手推式剪草機3.2設(shè)備的安裝安裝工作必須有鉗工、起重工等專業(yè)工人參加。安裝時首先用水平儀找平基礎(chǔ)和安裝支架的水平度，然后使之固定。按制造廠出廠時各段機殼的連接標(biāo)記順序組裝，各段機槽內(nèi)口的連接應(yīng)平整、密合，如有錯位，只允許比剪草機撥桿稍低，其值不得大于1mm。機體組裝后測定其機槽兩側(cè)對稱中心面的對稱度。頭輪、尾輪必須對中。輪軸應(yīng)保持平行，以避免剪草機在運行時跑偏。安裝剪草機刀具時應(yīng)再次檢查刀具往復(fù)運動是否靈活只有運動靈活的剪草機方可進行安裝。3.3設(shè)備的試車運轉(zhuǎn)完成剪草機各部分安裝工作后，即可進行空載運轉(zhuǎn)試驗。運行前應(yīng)做如下工作：（1）所有軸承、傳動部件和減速器內(nèi)應(yīng)有足夠的潤滑油；（2）檢查和清除剪草機機槽內(nèi)部遺留的工具、鐵件或其他雜物；（3）全面檢查剪草機各部分是否完好無損，剪草機刀具的運轉(zhuǎn)松緊度是否合適。當(dāng)上述各項準(zhǔn)備工作做好后，推動剪草機，觀察小輪和大輪是否與殼體卡碰和跑偏，當(dāng)無缺陷后，可遠(yuǎn)距離運轉(zhuǎn)即可進行空載運轉(zhuǎn)。當(dāng)空載運轉(zhuǎn)并對運轉(zhuǎn)情況認(rèn)為滿意后，可進行剪草試驗。開始需要緩慢的推動剪草機，觀察齒輪、端面齒輪與撥桿嚙合的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定情況。運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，逐漸加快剪草機的運轉(zhuǎn)速度。對剪草的狀況進行原始記錄，剪草密度，剪草后草的基本狀況等。并核對和設(shè)計要求是否吻合。3.4設(shè)備的操作和維護(1)設(shè)備的操作每次使用前，應(yīng)先空載運轉(zhuǎn)一定時間，待設(shè)備運轉(zhuǎn)正常后方可進行工作，應(yīng)保持運轉(zhuǎn)速度的穩(wěn)定，不得大量突增或過載運行，容易對刀具產(chǎn)生較大的破壞。如無特殊情況，不得在剪草過程后，不清理刀具，以增加刀具的使用壽命。操作人員應(yīng)經(jīng)常檢查機器各部，特別是刀具和驅(qū)動裝置，以及端面齒輪與撥桿組合應(yīng)保持完好無損狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)有殘缺損傷的機件（如刀具嚴(yán)重變形或脫落、撥桿的斷裂、彎曲段中間導(dǎo)軌嚴(yán)重磨損等），應(yīng)及時修復(fù)或更換。(2)設(shè)備的維護正確的保養(yǎng)和維修不僅能保證設(shè)備的安全運行，而且是提高工作效率、經(jīng)濟效益和延長使用壽命的重要手段。(3)保養(yǎng)剪草機在每次使用完畢，應(yīng)對設(shè)進行清掃和檢查。如有剩余物料壓結(jié)在槽內(nèi)，應(yīng)當(dāng)清除干凈,零部件有局部、微小的事故隱患，應(yīng)及時排除。大輪上螺栓過松，應(yīng)進行調(diào)整；刀具出現(xiàn)裂墳或嚴(yán)重磨損，應(yīng)予以更換；潤滑點應(yīng)及時加油。(4)維修除應(yīng)對巳損壞的零部件及時修理或更換外，還要對關(guān)鍵部件、易磨損零件定期進行檢查， 并按安全使用要求進行修理， 使設(shè)備繼續(xù)保持最佳的工作狀態(tài)。4.標(biāo)注化審核報告（BS）4.1 產(chǎn)品圖樣的審查 手推式剪草機的傳動裝置和刀具設(shè)計已經(jīng)基本完成，現(xiàn)以具備全套圖紙和一線基本數(shù)據(jù)，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，對其進行標(biāo)注化審查，結(jié)果如下： （1） 產(chǎn)品的圖樣完整、統(tǒng)一、表達準(zhǔn)確清楚、圖樣清楚。符合GB4440-84、GB-83機械制圖的規(guī)定。（2） 產(chǎn)品圖樣公差與配合的選擇與標(biāo)準(zhǔn)符合GB/T1800、3-1998的規(guī)定。（3） 產(chǎn)品圖樣的編號符合JB/T5054.5-2000中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品圖樣及設(shè)計的完整性。（4） 圖紙的標(biāo)題欄與明細(xì)欄符合GB/T10609. 1-1989GB/T10690. 2-1989的規(guī)定。（5） 產(chǎn)品圖樣粗糙度的標(biāo)注符合GB131-83表面特征代號及注法的規(guī)定。（6） 產(chǎn)品圖樣焊縫的代號符合GB324-80焊縫代號的規(guī)定。4.2產(chǎn)品技術(shù)文件的審查（1） 產(chǎn)品的技術(shù)文件名稱、術(shù)語符合ZB/TJ01和0351-90產(chǎn)品圖樣及設(shè)計文件術(shù)語及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。（2） 量和單位符合GB3100GB3102-93的規(guī)定。（3）技術(shù)文件所用的編碼符合JB/T8823-1998機械工業(yè)企業(yè)計算機輔助管理信息分類編碼導(dǎo)則的規(guī)定。（4）技術(shù)文件的完整性符合JB/T5054.5-2000產(chǎn)品圖樣及技術(shù)文件完整性的規(guī)定及農(nóng)機部門的有關(guān)具體要求。4.3 標(biāo)注件的使用情況本設(shè)計所用的緊固件均采用標(biāo)準(zhǔn)的螺栓，材料及材料代號也符合國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。4.4 審查結(jié)論經(jīng)過對剪草機裝置和傳動設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化審查，認(rèn)為該設(shè)計基本貫徹了國家最新頒發(fā)的各種標(biāo)準(zhǔn)，圖紙和設(shè)計文件完整齊全，符合標(biāo)準(zhǔn)化得要求。參考文獻1 李森.草坪的修剪技術(shù)要點J.現(xiàn)代園藝，2008，22（11）：24-25.2 戴錦春，肖榮清，陳小圻，楊均青. 弓形鋼纖維切割刀具的優(yōu)化設(shè)計R.武漢：武漢成人教育學(xué)院，1996.3 馬少春，李洪文，何進. 壟作割刀的設(shè)計與試驗R.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.4 朱聰玲，劉江龍，盧偉. 聯(lián)合收割機往復(fù)式割刀傳動機構(gòu)動力學(xué)分析R. 佳木斯大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2004.5 陳國蘭.淺談我國園林機械R. 中國建研院建巍機械化研究所,1997.6 王振東， 涂洪森. 草坪割草機高度調(diào)節(jié)機構(gòu)對作業(yè)質(zhì)量影響分析及其優(yōu)化設(shè)計R. 哈爾濱: 哈爾濱林業(yè)機械研究所,2004.7 盧希誠,尚樹堂. 旋刀式草坪割草機旋刀裝置的減噪措施R. 北京林業(yè)大學(xué),1995.8 趙鳴,李倫良. 論剪草R. 蘭州: 蘭州昭明草坪技術(shù)咨詢研究所,2002.9 熊永森,王金雙,徐中偉.小型往復(fù)式果園割草機設(shè)計R. 金華: 金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 2007.10 張守海 ，高云江. 轉(zhuǎn)向傳動裝置運動校核J. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2006,180(7), 5111 張曉輝，李其才，法德，李修渠. 往復(fù)式切割器割刀慣性力平衡實用計算公式R. 農(nóng)機化研究,1997.12 鹿東民, 趙綿東, 田國安. 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