草坪修剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
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全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
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論文（設(shè)計）題目
草坪修剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進度
已完成的主要內(nèi)容
尚需解決的主要問題
1、?選題
2、?開題報告
3、?資料收集
4、?書本借閱
5、?相關(guān)課題研究資料收集
6、?小零件圖試畫
1、?設(shè)計說明書
2、?主要原理分析
3、?主裝配圖CAD
4、?其他零件圖CAD
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XX大學畢業(yè)論文開題報告
班級： 姓名：
論文題目
草坪修剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
一 選題背景和意義：
草坪是高度培育的特殊草地，隨著草坪面積的擴大，品質(zhì)的提高，草坪業(yè)逐漸由單一的人工作業(yè)向半自動化﹑機械化﹑自動化過度，草坪作業(yè)的機械化已經(jīng)成為十分重要的課題。
大部分的草坪一直到19世紀中葉還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊以保持草地的整齊性。隨著高爾夫球﹑網(wǎng)球以及足球等運動的興起，保持完整的草地做運動場便成為當務(wù)之急。從20世紀起出現(xiàn)以機器代替手工的趨勢，于是好的修剪機遂成為草坪管理的必需品。
草坪修剪機分滾切式﹑旋刀式﹑剪切式三類，按動力又可分為手動與機動兩類。機動有乘坐式與手推式，北京園林機修廠JUS—420型旋刀式修剪機系單缸四沖程汽油機驅(qū)動，功率2.6Kw,一把旋刀，幅寬420mm，每班可修剪2000m2,整機質(zhì)量40Kg。上海園林機械廠JCG540Ⅱ型滾切式草坪修剪機，乘坐手推兩用式，有兩個前進檔，IE50F—2汽油機功率2.3kw，5片滾刀，幅寬540mm，該機 高，但用于坡地時機組穩(wěn)定性較差。小庭院的草坪可用上海生產(chǎn)的JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪機，人推動前進并使6個滾刀旋轉(zhuǎn)切割草坪，幅寬250mm。德國SOLO522型草坪修剪機為手推式，動力系單缸四沖程汽油機，功率為2.3kW，刀片為剪切式，幅寬800mm。該產(chǎn)品的特點是刀片耐磨，機具噪聲低，振動小，對坡地適應(yīng)性好。改換工作部件可作掃雪工具。
旋刀式剪草機適用于草高25~80mm低要求的草坪，剪幅在0.5~20.m之間。滾切式剪草機適用于草高3~80mm的高要求草坪，剪幅0.5~5.0m之間。
修剪是維持優(yōu)質(zhì)草坪的重要作業(yè)，它主要是定期除掉草坪草枝條的土表部分。在特定的草坪上，根據(jù)所需要的培育強度，修剪的目的是在特定的范圍內(nèi)保持頂端生長，控制不理想的、不耐剪的營養(yǎng)生長，維持一個觀賞和游息草坪，產(chǎn)生一個真實的擊球表面或發(fā)展草坪作物。
修剪的質(zhì)量由所使用的剪草機的類型和割時草地的狀況決定。因此，隨各種特殊功能的開發(fā)，應(yīng)重視修剪機具的發(fā)展。
我國幅原廣闊，地區(qū)差異很大。草坪的功能不同，對機具的要求也不同，加之各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，用戶的購買能力也有差異，因此草坪機械只有開發(fā)系列產(chǎn)品才能滿足不同市場的需要。
另外，有些草坪機具一年只用幾次，因此草坪機具在以草坪作業(yè)為主項的同時，應(yīng)配備一些附加裝置，擴大其使用功能，提高機具的利用率。
二 難點和關(guān)鍵問題：
（1） 圍繞著零件圖紙進行分析，做出綜合性的分析。
（2） 對零件進行綜合布局，畫出總設(shè)計的圖紙。
（3） 在設(shè)計中應(yīng)合理的選擇材料，減少應(yīng)力集中（如尖角、銳邊、表面；粗糙度等）.控制尺寸公差。
（4）本課題的難點是，根據(jù)電機的功率和人行走的速度換算出三級變速齒輪的傳動比，電機和人力兩種動力間的轉(zhuǎn)換。
三 文獻總述
從地球有了人類開始，我們就磨削石塊，制造工具，開始了工具革命的過程，一直延續(xù)至今,最早的剪草工具是小鐮刀和手剪。但是I803年美國專利機構(gòu)公布了剪草機的第一個專利。然而未形成商品。在大西洋披岸 ，一位名叫Edwin Budding的英國人發(fā)明了滾刀式剪草機他是一個紡織工人，監(jiān)視旋轉(zhuǎn)式機械用于修剪呢絨絨毛。他決定將這一工作原理應(yīng)用于割草 。
1855年 Budding的剪草機在英國問世并受到歡迎,Henxy將它引入美國。
1877年在 Richmond，McGuin試圖發(fā)展這種剪草機使其容易推動更加實用 1855年美國公司一年生產(chǎn)近50000臺草坪剪草機.其構(gòu)造與今天的手推式剪草機類似 。
1890年還是在英國開始設(shè)計有動力驅(qū)動的剪草機。第一個成功的動力剪草機由LeyLandMotors制造，為蒸汽動力型，然而，另一個技術(shù)革命使它不久即被淘汰。
1885年德國工程師 Gottlieb Daimler 發(fā)展了一種小型內(nèi)燃機，并首先應(yīng)用在自行車上。建立第一個摩托車。適用的動力源導(dǎo)致發(fā)展汽車，飛機甚至洗衣機，隨之應(yīng)用于動力剪草機和園藝機具，另一個英國公司1902年皇家農(nóng)業(yè)協(xié)會舉辦的展覽會上展出了6馬力的動力剪草機.
美國工程師和革新家在本世紀初的十年中,也致力于動力剪草機的研究1909年Leoni取 到了動力型機械式剪草機專利Leoni的動力型剪草機由汽油機驅(qū)動。整個裝置行走由馬拉。大約在第1次世界大戰(zhàn)前不久 ，動力型剪草機開始用于家庭。George 是一位實業(yè)家和開發(fā)者。他最早開始經(jīng)營商業(yè)，他的馬達剪草機公司曾定名為“立即成功 ”。他設(shè)計的發(fā)動機安裝在滾刀式剪草機上。一直保持到1950年。
接著又有其他廠家生產(chǎn)類似的機械。到1927年Hardware Age“年度消費者目錄”登出了近21家公司生產(chǎn)動力型草坪剪草機其中的兩家廠商一波倫 (Bolens)和蔣索波森(Jacobsen)存在至今,并成為著名廠商 。
美國克里夫蘭市的聯(lián)合鑄造供應(yīng)公司制造的草坪剪草機備有集草袋和自動離臺器當?shù)镀龅酵饨缱枇r即與傳動裝置自動分離。
美國費拉德爾菲亞（費城）的草坪剪草機公司在廣告上登出了全系列的手動馬拉和動力驅(qū)動的剪草機，從1922年開始推出30和40英時的可乘式剪草機。
事實上，旋刀式剪草機是在戰(zhàn)前發(fā)展的，然而直到1次世界大戰(zhàn)之后才推廣。1933年 ,Bolen提出的旋刀式剪草機專利與今天使用的類似 ，有跡象表明，在 1920年之前此種旋刀式剪草機只是為私人使用。1938年出現(xiàn)的旋刀式剪草機獲得了商業(yè)上的成功Howard為 了解決大面積雜草的修剪問題 一 他立即在他的地下車間開始了研制工作。
Gravely是個花匠，為了解決他花園的耕作問題，使用手推犁刀，1920年他開始生產(chǎn)園藝用拖拉機，并 取得動力犁的專利，更早的園藝拖拉機是在1919年 GiLson Brothers制造 ，Beeman拖拉機公司銷售。1927年Hardware Age列出11個園藝拖拉機制造商。包括克里夫蘭市的Barcer～ Raulang公司，該公司推出了電動型園藝拖拉機。
1910年瑞士Konrad應(yīng)用除根的耕作機具。該裝置不是第一個轉(zhuǎn)子式中耕機 (早在1857年就有此種機型)，但是早期的機型重量大，達數(shù)噸，其動力為蒸氣機式，與現(xiàn)代機型完全不同。
1911年德國的Siemens—Sehckert～ Werk公 司 ，在它的專利基礎(chǔ)上制造了最早的電動機驅(qū)動的中耕機。但是沒有得到發(fā)展。不久被汽油機所取代 。
1930年Siemens決定將機器引入美國，他來到美國同費城的Kol sey合作。Kelsey 建立 了Rototiller公司，銷售從歐州引進的機器。1934年Kelsey的Rototiller公司生產(chǎn)了它的第一臺美國制造的中耕機 。
Rototiller公司早期競爭對手之一是 Arien公司，Arien和他的兒子成立了一個公司，聲稱為美國第一家生產(chǎn)轉(zhuǎn)子式中耕機的公司。Arien公司的第一臺轉(zhuǎn)子式中耕機重900磅，未獲得成功。隨著 1次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，園藝機械的生產(chǎn)也隨之停頓。
應(yīng)該指出，無論是 Ariens公司或 Rototiller公司的中耕機都是后齒型一1936年 Roto--Hoe公司生產(chǎn)了前齒型中耕機 ，在戰(zhàn)爭初期，它們銷售很慢，而前齒型中韉機在戰(zhàn)爭之后作為家用設(shè)備獲得成功 。
鏈鋸的發(fā)展也要追溯到 Ⅱ次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前 。第一具鏈鋸是在1904年。直到戰(zhàn)爭之后才形成商業(yè)產(chǎn)品。Sfihl的鏈鋸重105 磅 ．是在1927年。由兩人操作。
動力草坪清掃機也出現(xiàn)在戰(zhàn)爭之前。創(chuàng)建者是 Parker Pattern。他的兒子 Edwin Parker于1919年進一步發(fā)展 。1931年 Edwin作為公司董事長推出公司第一臺動力草坪清掃機 。
在園林機械發(fā)展的歷 史上 。2次世界大戰(zhàn)是一個轉(zhuǎn)折點，2次世界大戰(zhàn)之后 ，整個國家得到復(fù)興，園林機械也得到重大發(fā)展。允許復(fù)役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設(shè)房屋并 出售。促使園林設(shè)備得到空前發(fā)展。
戰(zhàn)后，鏈鋸也得到改進。1944年Claude—Poulan監(jiān)視德國人—戰(zhàn)爭囚犯在東德克薩斯州砍樹。兩人操縱鏈鋸。尚需第三個人控制撬扛。戰(zhàn)后，他立即著手建立裝有發(fā)動機的鏈鋸 。生產(chǎn)鏈鋸的公司也在不斷增長。橫過大西洋，Solo(在1948年 )和 Stihl(在1950 年)是首批生產(chǎn)一人操縱鏈鋸的公司 Stihl承認。最初的一人操縱的鏈鋸重量較重。直到1954年才生產(chǎn)了輕重量級的鏈鋸（重31 磅）。與此同時，其他廠商也發(fā)展了輕重量級的鏈鋸。例如1961年Iombard Governor 公司出售一種16英寸，27磅鏈鋸 Steve和Dave HOH試圖清除他家占地面積為240畝的莊園雜草。這促使他建立了一個大鐮刀。1949年曾形成商品。銷售灌木切割機 。
在同一時期，人們利用內(nèi)燃機為動力驅(qū)動掃雪裝置，1948年Henry Ariens發(fā)展了一種拋雪機的工作樣機。直到1960年初才進入市場。
1959年隨著園林機械工業(yè)的發(fā)展。人們意識到需要興辦一個雜志。Bill Qu Jnn．自行車 雜志的發(fā)行人開始創(chuàng)辦草坪設(shè)備期刊 ，1969年，該雜志更名為戶外動力設(shè)備 （OPE）。
在雜志創(chuàng)辦時，按照產(chǎn)品銷售的型號與今天幾乎差不多。但是隨著工業(yè)的發(fā)展，操作者 的要求在改變，必須考慮操作安全，環(huán)境污染及其他關(guān)心的問題。
1971年George Ballas為了控制自已莊園樹根周圍的雜草，他制造了多頭帶式修剪機 (繩索式割灌機)。達到了理想的效果。1977年 Weed Eater公司推出了單繩帶式修剪機 。
當然．園林機械設(shè)備的歷史沒有結(jié)束．如同沒有明顯的起點一樣，沒有終點它將繼續(xù)擴大領(lǐng)域為人類作出新的貢獻。
四 方案論證
根據(jù)電機的功率和人行走的速度換算出三級變速齒輪的傳動比，電機和人力兩種動力間的轉(zhuǎn)換。
傳動裝置是大多數(shù)機器或機組的主要組成部分。實驗證明，傳動裝置在整臺機器的質(zhì)量和成本中占有很大比例。機器的運轉(zhuǎn)性能和運轉(zhuǎn)費用在很大程度上決定了傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣。因此，不斷提高傳動裝置的設(shè)計和制造水平具有極其重要的作用。
（1）剪切裝置
剪切裝置由滾刀和底刀組成，滾刀和底刀結(jié)構(gòu)如下圖所示。底刀用六角螺栓固定在底刀架上，剪草時位置不動，刀刃為直線型。滾刀的刀片形狀為螺旋曲面，刀刃為螺旋線，五片刀片均勻分布固定在刀架上。剪草時，滾刀向前轉(zhuǎn)動，刀刃由一端開始與底刀刃逐點組成剪口，草隨著滾刀刀片螺旋面的旋轉(zhuǎn)被卷進剪口內(nèi)，并被剪斷。上下刀刃剪草過程始終為點接觸。
圖4.1滾刀和底刀外形圖
（2）離合器裝置
離合器裝置是為了使剪草機正向剪草反向停止旋轉(zhuǎn)而特意設(shè)置的工作裝置，它是由齒輪和其內(nèi)的彈簧和鋼球組成。剪草時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內(nèi)壁迫使起和其他齒輪嚙合，從而帶動滾刀旋轉(zhuǎn)然后與底刀相切剪草的，當手扶手拉動剪草機向后運動時，由于該齒輪的轉(zhuǎn)速大于與之聯(lián)結(jié)的軸的轉(zhuǎn)速，這樣在超越離合器作用下該齒輪將相對軸做超越運動，使得滾刀軸靜止不動，不與齒輪軸發(fā)生干涉。
五、進度安排
第1、2周 調(diào)查查閱 收集查閱資料
第3、4周 資料翻譯 總體方案擬定、開題
第5、6周 畢業(yè)實習
第7、8周 詳細設(shè)計
第9、10周 詳細設(shè)計
第11、12周 詳細設(shè)計
第13、14周 詳細設(shè)計
第15、16周 詳細設(shè)計
第17周 撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書
第18周 畢業(yè)答辯
六 指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日
七 教研室（或開題審查小組）意見：
簽字： 年 月 日
注：不夠可以加附頁 教務(wù)處制
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
草坪修剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
學生姓名：
全日制普通本科生
畢業(yè)設(shè)計誠信聲明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學東方科技學院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………1
1 緒論………………………………………………………………………………2
1.1 引言………………………………………………………………………2
1.2 手推式割草機在國內(nèi)外的發(fā)展和使用…………………………………2
1.3 設(shè)計手推式割草機的意義………………………………………………2
1.4 作品的結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)勢…………………………………………………3
2 總體方案設(shè)計……………………………………………………………………3
2.1 總體要求…………………………………………………………………3
2.2 手推式剪草機設(shè)計與制作的具體任務(wù)…………………………………3
2.3 其他工作設(shè)計方案比較…………………………………………………4
2.4 主要技術(shù)指標……………………………………………………………5
2.5 工作原理…………………………………………………………………5
2.6 總體結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………5
2.7 兩種方案的比較及最終選擇……………………………………………6
3 傳動機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………6
3.1 機構(gòu)的動力計算…………………………………………………………6
3.2 剪草機后輪的設(shè)計………………………………………………………7
3.3 大齒輪設(shè)計與計算過程…………………………………………………8
3.4 后輪軸的設(shè)計與計算過程………………………………………………12
3.5 后輪軸滾動軸承的選用…………………………………………………15
3.6 后輪軸鍵的選擇…………………………………………………………15
4 增速機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………16
4.1 齒輪軸的設(shè)計與計算……………………………………………………16
4.2 齒輪軸滾動軸承的選用…………………………………………………19
4.3 齒輪軸鍵的選擇…………………………………………………………20
5 轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………20
5.1 端面齒輪和撥桿的運動分析與計算……………………………………20
6 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計……………………………………………………………………23
6.1 刀具的概述………………………………………………………………23
6.2 刀具的運動分析…………………………………………………………24
6.3 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)……………………………………………25
6.4 固定刀片設(shè)計……………………………………………………………27
6.5 活動刀片設(shè)計……………………………………………………………27
7 剪草機機架與萬向輪設(shè)計………………………………………………………28
7.1 萬向輪的設(shè)計……………………………………………………………28
7.2 機架的設(shè)計………………………………………………………………28
8 剪草機的使用方法………………………………………………………………28
9 剪草機使用后的維護……………………………………………………………29
10 總結(jié)………………………………………………………………………………29
參考文獻……………………………………………………………………………30
致謝…………………………………………………………………………………31
附錄…………………………………………………………………………………31
草坪修剪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要：為了更好的適應(yīng)人們的需求，通過仔細分析對比，改進了原有的切割形式。本設(shè)計中，手推式剪草機主要利用滾動的輪子帶動機械運動。手推式剪草機結(jié)構(gòu)簡單，連接平穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分容易，既給使用人帶來方便，也給周圍的人帶來舒適，安靜的環(huán)境。能更好的滿足客戶的需要。本文基于機械設(shè)計和相關(guān)的理論研究，設(shè)計了手推式剪草機的傳動部分，并且用凸輪和推桿的設(shè)計方法設(shè)計了端面齒輪和撥桿。此次設(shè)計的手推式剪草機的左右兩側(cè)對稱，其特點是結(jié)構(gòu)簡單,受力均勻,運行平穩(wěn),摩擦阻力小，彎曲性能好,不易出現(xiàn)堵塞，具有很強的適應(yīng)性。
關(guān)鍵詞：草坪修剪機 ；剪草 ；手推 ；改進設(shè)計
Abstract : In order to adapt to the demands of the people, through analysis and comparison, I improve the original form of cutting. This design, hand thrust lawnmowers mainly use the scroll wheel drive mechanical motion. Hand thrust lawnmowers has simple structure, low noise, smooth operation, and very easy to use, bring convenience to people around, comfortable and quiet environment. To better meet the needs of the client.Based on the mechanical design and relevant theory research and design, hand thrust lawnmowers transmission part, and the design method of CAM and putting the end gear and dial design. The design of the hand thrust about lawnmowers, its characteristic is the symmetry of simple structure, smooth operation, small bending, friction, good performance, do not appear to jam, strong adaptability.
Keywords：the lawn cropper; cut grass ; hand pushing ; improvement design
1 緒論
1.1 引言
本作品設(shè)計旨在設(shè)計一款體積小，質(zhì)量輕，噪音小，使用方便，適合小面積草坪的剪草處理的手推式草坪修剪機。作品設(shè)計的應(yīng)用主要是家庭式草坪。家庭草坪面積不大，如果購買市面上的高能耗剪草機價格過于昂貴，且不需要這么大的功耗，造成了資源的浪費，所以有必要設(shè)計一款適合家庭使用的小功率，高效，低成本的剪草機來解決上述問題。本次設(shè)計作品采用人力傳動，定動刀片剪草，無污染，割草效率高，使用起來輕便靈活，適合家用庭院式草坪剪草。
1.2 手推式割草機在國內(nèi)外的發(fā)展和使用
國內(nèi)目前生產(chǎn)的剪草機械按動力劃分可以分為機動和人推的兩類。以刀具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。滾刀式剪草機由帶有刀片的滾筒和不動的床刀組成。它較旋刀式剪草機有更好的修剪質(zhì)量,是高質(zhì)量草坪最常用的剪草機型[2]。適用于草高30～80 mm 的草坪,其問題主要是價格貴,維修保養(yǎng)要求嚴格。而旋刀式剪草機(又稱懸刀式) 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,它適于25～80 mm 范圍內(nèi)剪草[3]。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。此外，還有甩繩式和甩刀式剪草機。
國外大多使用滾筒式、圓盤式或水平旋轉(zhuǎn)式割草機，這些割草機堅固耐用，工作速度快。如荷蘭公司生產(chǎn)的616和617型圓盤割草機，為使割刀接近地面就行作業(yè)，所以機器上裝有可調(diào)節(jié)的浮動系統(tǒng)，從而使割刀與地形相近[4]，降低割茬高度，北歐割草機以其操作簡單、維修方便獨特的防碰撞裝置、先進的掛鉤裝置，減少機械對草坪留茬的壓力[5]，使草苗更快、更健康的生長。
目前市面上的剪草機大多引擎這會產(chǎn)生較大的噪音，帶來環(huán)境污染，在辦公和學習的地方，這種動力引擎的剪草機非常不受歡迎[6]。由于保養(yǎng)維護費用較高;同時動力引擎剪草機主要依靠刀片的高速旋轉(zhuǎn)把草割斷，通過旋轉(zhuǎn)氣流把草排出，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，使得操作很不舒服。雖然當前的先進剪草機剪草效率較高，剪草效果較好，但是價格也較昂貴，對于一般的用戶難以接受[7]。所以研究一款操作方便，噪音小，無污染且造價較低的手推式草坪修剪機勢在必行。
1.3 設(shè)計手推式草坪修剪機的意義
大多數(shù)的剪草機都帶有動力引擎剪草機有動力裝置，保養(yǎng)，維護費用較高；同時動力引擎剪草機主要依靠刀片的高速旋轉(zhuǎn)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，使操作很不舒適。利用人力推動行走輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換作為動力源[8]，這樣的一款剪草機，結(jié)構(gòu)簡單，連接平穩(wěn)，噪音極小，適合小面積草坪修剪，并且操作十分容易，既給使用人帶來方便，也給周圍的人帶來舒適，安靜的環(huán)境。
1.4 作品的結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)勢
1）通過人力推動作為動力源，具有節(jié)省能源、無污染的特點
2）體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、保養(yǎng)方便、成本低廉，無廢氣及噪音等污染, 是小面積草坪修剪的首選產(chǎn)品。
3）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，剪草效率高。
4) 剪草的高度可在20—60mm之間調(diào)整，割幅330mm，,質(zhì)量29kg（刀片材料由9SiCr制作）；
5)采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)件，具有永不生繡、不卷曲變形的特點；
6)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；
7)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；
8)底盤獨特的設(shè)計可防止草堵塞出口通道；
9) 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。
2 總體方案設(shè)計
2.1 總體要求
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。采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），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,采用的剪草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)。
2.2 手推式割草機設(shè)計與制作的具體任務(wù)
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1所示：
圖1 手推式草坪剪草機的組成框圖
Fig 1 Hand push lawn mower composition block diagram
2.3 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。
（4）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[9]。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，操作者要完成的動作過多，操作不方便[10]。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。
2.4 主要技術(shù)指標
外形尺寸：850×490×390mm
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：f=0.5N
同時剪草量：
2.5 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[11]。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。
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。手推式草坪修剪機機構(gòu)簡圖如下圖2：
1.傳動機構(gòu) 2.增速機構(gòu) 3.轉(zhuǎn)換機構(gòu) 4.執(zhí)行機構(gòu)
圖2 手推式草坪修剪機機構(gòu)簡圖
Fig 2 Hand push lawn-trimming machine mechanism
2.6 總體結(jié)構(gòu)
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3所示：
圖3 總體方案設(shè)計
Fig 3 The overall scheme design
2.7 兩種方案的比較及最終選擇
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[12]，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，直接帶動割草圓盤旋轉(zhuǎn)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[13]。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。
3 傳動機構(gòu)設(shè)計
3.1 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f=0.5N，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(zhuǎn)矩所引起的運動。
則 （1）
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：
手推式剪草機對齒輪的設(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)：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。
合理選用螺旋角：
3.2 剪草機后輪的設(shè)計
后輪是行走輪，通過人力推動剪草機使行走輪往前轉(zhuǎn)動，行走輪安在后輪軸上，帶動軸上面的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)機器的傳動，后輪的設(shè)計尺寸如下圖所示：
圖4 后輪零件圖
Fig4 rear wheel drawing
3.3 大齒輪設(shè)計與計算過程
（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計：
轉(zhuǎn)速：
軸Ⅱ上的轉(zhuǎn)速：
計算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩： （2）
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)：=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： （3）
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：
（4）
（5）
試算小齒輪分度圓直徑：
（6）
可得：
為了保證制造工藝簡單，取
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，圓整取；
小齒輪齒寬(加寬5mm)
中心距： （7）
小齒輪齒全高：
大齒輪齒全高：
齒輪的相關(guān)參數(shù)如下表所示：
（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)仔細跑合，取
計算載荷系數(shù)：
（8）
（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
（9）
可得
由公式，，可得 （10）
齒根彎曲應(yīng)力
；
結(jié)論：計算可得彎曲疲勞強度足夠。
3.4 手推式剪草機中軸Ⅰ(后輪軸)的設(shè)計與計算
（1）選擇軸Ⅰ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C=116
根據(jù)公式：
（11）
取
（2）軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸Ⅰ上零件的軸向定位周向定位
大齒輪在軸Ⅰ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。
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。
軸Ⅰ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：=3911N·mm
齒輪端面分度圓直徑：
(12)
圓周力：
(13)
徑向力：
(14)
軸向力： （15）
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5 軸Ⅰ垂直面上截面的彎矩圖
Fig 5 vertical upper section bending moment
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6 軸Ⅰ水平面上截面的支反力
Fig 6 axis horizontal cross section of the supporting reaction force
截面C處的合成彎矩為：
圖7 軸Ⅰ水平面上截面的彎矩及合成彎矩
Fig 7 shaft water plane section moment and resultant bending moment
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：
（16）
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。
3.5 后輪軸滾動軸承的選用
軸承的轉(zhuǎn)速為=113.04r/min，軸承徑向載荷=285N,軸向力忽略不計，裝軸承處的軸頸直徑為30mm，預(yù)計計算壽命為：
=8×300×10=24000h
故可選用深溝球軸承。
3.5.1 初步計算當量動載荷
根據(jù)式p=，=1.0-1.2，取=1.2
故p==1.2×285=342N
3.5.2 求基本額定動載荷
軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值
C==1450. （17）
3.5.3 選用滾動軸承及驗算
按照設(shè)計手冊選擇C=7750N的6005深溝球軸承。此軸承的基本額定靜載荷=4950N。驗算如下：
（1） 求當量動載荷p=1.2×285=342N
（2） 驗算6005軸承的壽命，根據(jù)式
>24000h （18）
由此可見，軸承的壽命高于預(yù)期的計算壽命，符合要求。
3.6 后輪軸鍵的選擇
3.6.1 選擇鍵的聯(lián)接的類型和尺寸
鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件來選擇：鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來選定。鍵的主要尺寸是其截面尺寸（一般以鍵寬B×鍵高H表示）與長度L。鍵的截面尺寸B×H按軸的直徑D由標準中選取定。鍵的長度L一般可按輪轂的長度而定。即鍵長等于或略短于輪轂長度；而導(dǎo)向平鍵則按輪轂的一般的輪轂長度及其滑動距離而定。一般輪轂的長度可取為L=（1.5-2）d，這里d是軸的直徑。所選定的鍵長亦應(yīng)符合標準規(guī)定的長度系列[15]。普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸可以查閱機械設(shè)計手冊。
后輪軸上三處有鍵槽，中間的鍵槽用于齒輪的軸向定位，兩端用于后輪周向定位。一般8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。由于齒輪不在軸端，故選用圓頭普通平鍵A型。兩端安裝后輪處也選用普通平鍵A型。
后輪軸安裝齒輪處D=42mm，從機械設(shè)計手冊中可以查得截面尺寸為12×8，即寬度為12mm，高度為8mm，取鍵長為L=90mm。
安裝后輪的軸徑為18mm，從機械設(shè)計手冊可以查到截面尺寸為：6×6，即寬度為6mm，高度為6mm，取鍵長為L=28mm。
3.6.2 校核鍵聯(lián)接強度
（1）安裝齒輪處的鍵的強度校核
鍵、軸的材料為鋼，齒輪的材料也為鋼，故查機械設(shè)計手冊得：[]=100-120MPA,取平均值[]=110MPA。鍵的工作長度l=L-b=36-12=24mm，
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度K=0.5h=0.5×8=4mm。由式得：
==14.30mpa<110mpa
符合要求,故合格
（2）安裝后輪處的鍵的強度校核
鍵、軸的材料為鋼，輪轂為鑄鐵，所以以鑄鐵的許用擠壓應(yīng)力計算，查機械設(shè)計手冊得：[]=50-60MPA，取平均值，[]=55MPA。鍵的工作長度l=L-b=28-6=22mm，
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度K=0.5h=0.5×6=3mm。由式得：
==48.5mpa<55mpa
符合要求,故合格
4增速機構(gòu)設(shè)計
4.1 手推式剪草機中軸Ⅱ（齒輪軸）的設(shè)計
（1）選擇軸Ⅱ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C=116
根據(jù)公式：
取
（2）軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸Ⅱ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Ⅱ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：
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8 垂直面上截面的彎矩圖
Fig 8 The vertical plane section bending moment
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9 水平面上截面的支反力
Fig 9 level section of the forces
截面C處的合成彎矩為：
圖10水平面上截面的彎矩及合成彎矩圖：
圖10 水平面上截面的彎矩及合成彎矩圖
Fig 10 level section moment and resultant bending moment
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。
4.2 齒輪軸滾動軸承的選用
軸承的轉(zhuǎn)速 ，軸承徑向載荷，軸向力忽略不計，裝載軸承處的軸頸直徑為18mm，預(yù)期壽命為：
×300×10=24000h
故可選用深溝球軸承。
4.2.1 初步計算當量動載荷
根據(jù)式p=，=1.0-1.2，取=1.2
故p==321.6N
4.2.2 求基本額定動載荷
軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值
C==1967.44N （19）
4.2.3 選用滾動軸承及驗算
按照設(shè)計手冊選擇C=4620N的6003深溝球軸承。此軸承的基本額定靜載荷=4950N。驗算如下：
（1）求當量動載荷p=1.2×268=321.6N
（2） 驗算6005軸承的壽命，根據(jù)式
>24000h （20）
由此可見，軸承的壽命高于預(yù)期的計算壽命，符合要求。
4.3 齒輪軸鍵的選擇
4.3.1 選擇鍵的聯(lián)接的類型和尺寸
齒輪軸上兩處有鍵槽且對稱布置，用于端面凸輪的周向定位，一般8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接，并且選用圓頭普通平鍵A型。
齒輪軸安裝凸輪的軸徑為D=18mm，從機械設(shè)計手冊中可以查得截面尺寸為6×6，即寬度為6mm，高度為6mm，取鍵長為L=28mm。
4.3.2 校核鍵聯(lián)接強度
鍵、軸的材料為鋼，凸輪的材料也為鋼，故查機械設(shè)計手冊得：[]=100-120MPA,取平均值[]=110MPA。鍵的工作長度l=L-b=28-6=22mm，
鍵與輪轂鍵槽的接觸高度K=0.5h=0.5×6=3mm。由式得：
==13.68mpa<110mpa 強度合格
5 轉(zhuǎn)換機構(gòu)設(shè)計
5.1 端面齒輪和撥桿的運動分析與計算
端面齒輪的形狀如圖11所示：
圖11 端面齒輪的形狀
Fig11 The end gear shape
對撥桿的運動要求為：
當端面齒輪轉(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。
撥桿在端面齒輪處安裝[16]，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12 端面齒輪的輪廓曲線
Fig 12 the end gear profile curve
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：k=0.023
從而得出接觸點上下運動位移的軌跡方程為：
(21)
推程階段 ：
遠休止階段 ：
Y=20
回程階段 ：
近休止階段 ：
Y=0
由此可得出端面齒輪在各個運動階段的運動形式。
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)的值如下表：
表1 端面齒輪的工作輪廓線
Table 1 The end face gear Contour Line
（mm）
(mm)
0
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。
6 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計
6.1 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[17]。刀片的速度圖如圖2—11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。由圖可知大于終切速。
圖13 切割速度的變化
Fig 13 The cutting speed changes
6.2 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：
（22）
（23）
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： （24）
一個行程運動的絕對距離：x=20mm
可得切刀的進程H為：H=
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。
6.3 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。
手推式剪草機的主要參數(shù)如下表2所示：
表2 手推式剪草機的主要參數(shù)
Table2 The hand thrust lawnmowers Main Parameters
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
330mm
16mm
單動
860r/min
平形
149.1W
113r/min
1人
30kg
切割角的增大使切口變得不整齊。當?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14所示。
圖14 往復(fù)式刀刃的切割角和楔角
Fig14 The reciprocating blade cutting angle and wedge angle
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20mm~40mm，碎片也相應(yīng)較少。切割間距在10~30mm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(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，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3 往復(fù)式刀片的主要技術(shù)參數(shù)
Table 3 The main technical parameters of the Reciprocating Blade
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
16mm
35mm
定刀片
6.4 固定刀片設(shè)計
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，剪草幅度是330mm，因此固定刀片的長度是330mm，刀齒寬度是4m，刀齒間隙是16mm具體結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示：
圖15 固定刀片的結(jié)構(gòu)及尺寸圖
Fig15 The f ixed blade structure and size of the figure
6.5 活動刀片的設(shè)計
活動刀片相對于固定刀片往復(fù)運動的，它比固定刀片稍短，總長是300mm，刀齒寬度是4mm刀齒間隙是16mm，其具體結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示：
圖16 活動刀片的結(jié)構(gòu)及尺寸圖
Fig16 The activities of the blade structure and size figure
圖16 活動刀片的結(jié)構(gòu)及尺寸圖
Fig16 The activities of the blade structure and size figure
7剪草機機架與萬向輪設(shè)計
7.1萬向輪的設(shè)計
萬向輪的設(shè)計主要考慮剪草機在剪草機在剪草時能夠方便靈活的轉(zhuǎn)向，操作起來更加靈活自如，具體設(shè)計尺寸如下圖：
圖17 萬向輪零件圖
Fig17 Moxianglun drawing
7.2機架的設(shè)計
機架的設(shè)計主要考慮與內(nèi)部零件的配合和經(jīng)濟性，盡量降低成本，外形的設(shè)計采用簡潔實用的輪廓設(shè)計，材料選用HT200。
8 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[18]，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準，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)[19]。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。
9 剪草機使用后的維護
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[20]。對于固定設(shè)施，如噴灌管埋頭等，應(yīng)作好標志，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[21]。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。
10 總結(jié)
本次設(shè)計旨在研究出一款體積小、質(zhì)量輕、噪音小、無污染、操作靈活，適合小面積草坪的剪草處理的手推式草坪修剪機，基于以上的設(shè)計要求，經(jīng)歷了幾次大的方案變動，最后決定采用人力推動行走輪轉(zhuǎn)動，通過后輪軸傳動到齒輪機構(gòu)實現(xiàn)增速，用端面凸輪機構(gòu)運動形式作為轉(zhuǎn)換機構(gòu),將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運動，最后通過定動刀片往復(fù)式切割實現(xiàn)剪草的方案，最終決定采用這個方案是因為它更加符合設(shè)計要求，質(zhì)量輕、噪音小、無污染且操作方便靈活，取代了最開始的電動機作為動力輸出，用蝸輪蝸桿傳動，直接帶動割草圓盤旋轉(zhuǎn)割草的方式，這種方式因為刀片需要高速旋轉(zhuǎn)必須采用大功率的電機，剪草效果一般，機器的持續(xù)使用性不強，而且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,加工成本高，不適合小面積一般用戶的使用需求。方案最終確定后，我馬上查閱了許多關(guān)于機械機構(gòu)的設(shè)計與農(nóng)業(yè)機械方面的書籍，以解決方案中的不足與問題，使之更加合理與可行，隨后我對傳動機構(gòu)與增速機構(gòu)進行了具體的設(shè)計與計算，對于定動刀片的設(shè)計也查閱了相關(guān)書籍，如農(nóng)業(yè)機械學等，了解了其工作原理和結(jié)構(gòu)，完成了每個機構(gòu)的設(shè)計與計算，然后是裝配圖的初繪制，一邊繪制一邊校正其結(jié)構(gòu)尺寸的合理性與整體性，最后的階段是說明書的撰寫與零件圖和裝配圖的正式繪制。經(jīng)歷本次畢業(yè)設(shè)計，使我無論在機械設(shè)計創(chuàng)新方面，還是計算機繪圖方面的能力都有了顯著地提高，熟練掌握了機械設(shè)計的一般規(guī)律，培養(yǎng)了我分析與解決問題的能力。
總之，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我的設(shè)計與創(chuàng)新能力得到了很大的提升，設(shè)計中需要用到許多大學期間學過的專業(yè)知識，以前這些知識都是分散的，現(xiàn)在通過這次設(shè)計，我感覺我能把這些知識都整合在一起，系統(tǒng)合理的運用，這是一個很大的提升，對于我以后專業(yè)知識的運用和解決實際問題很有裨益。
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