0404059王法臣手推式草坪割草機(jī)設(shè)計(jì)

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1、濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 前言 1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù) 割草機(jī)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(jī)械為充電式。由于割草機(jī)械多在人口稠密的地區(qū)作業(yè)，流動(dòng)性大，對(duì)機(jī)械的震動(dòng)、噪音、廢氣排放、質(zhì)量等指標(biāo)要求比較高?，F(xiàn)在的草坪機(jī)機(jī)多使用汽油機(jī)或柴油機(jī)作動(dòng)力，排氣污染量相比于汽車的少，但其噪聲危害卻很大。美國(guó)EPA(美國(guó)環(huán)境保護(hù)局)及歐盟對(duì)草坪機(jī)等用發(fā)動(dòng)機(jī)的排放均有相應(yīng)的法規(guī)；德國(guó)還出臺(tái)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(dǎo)性計(jì)劃，通過稅收優(yōu)惠及獎(jiǎng)勵(lì)等措施鼓勵(lì)“綠色經(jīng)營(yíng)者” 以加速環(huán)保技術(shù)的發(fā)展。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國(guó)公民的環(huán)境意識(shí)也不斷增強(qiáng)，所以設(shè)計(jì)一款無(wú)污染

2、的草坪割草機(jī)是急需的。 手推式草坪割草機(jī)主要利用滾動(dòng)的輪子帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。手推式割草機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接平穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分簡(jiǎn)單，既給使用人帶來(lái)方便，也給周圍的人帶來(lái)舒適和安靜的環(huán)境。 1.2 產(chǎn)品的用途及使用范圍 目前市面上的割草機(jī)大多需動(dòng)力引擎（如內(nèi)燃機(jī)、蓄電池等），這會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，并帶來(lái)環(huán)境污染，在辦公或?qū)W習(xí)的地方，這種用動(dòng)力引擎的割草機(jī)就顯得非常不受歡迎。由于動(dòng)力引擎草坪割草機(jī)有動(dòng)力裝置，保養(yǎng)、維護(hù)費(fèi)用較高；同時(shí)動(dòng)力引擎割草機(jī)主要依靠刀片的高速旋轉(zhuǎn)把草排出。因此，對(duì)整機(jī)的安全性要求較高，操作時(shí)也會(huì)給工作人員帶來(lái)強(qiáng)烈的震動(dòng)，使操作很不舒服。雖然，動(dòng)力引擎草坪割草機(jī)割草效率較高

3、，割草效果較好。但是，其價(jià)格也較昂貴，就目前來(lái)說一般的用戶難以接受。 通過市場(chǎng)調(diào)研，最后決定設(shè)計(jì)一款無(wú)引擎驅(qū)動(dòng)，無(wú)噪音污染，割草高度可簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)，輕便簡(jiǎn)潔，操作方便，美觀實(shí)用，適用于一般用戶的草坪割草機(jī)。 該產(chǎn)品主要用于家用，及面積不大的草坪修理。無(wú)需引擎，可謂綠色環(huán)保的割草機(jī)。對(duì)提倡環(huán)保的現(xiàn)代社會(huì)，是理想的割草工具。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高。草坪綠化已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家、地區(qū)或城市文明程度的一個(gè)重要指標(biāo)，在美化環(huán)境、故土護(hù)坡、凈化空氣等方面已成為人類得共識(shí)，在生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)方面將扮演著越來(lái)越重要的角色。我國(guó)草坪建設(shè)也得到

4、了迅速的發(fā)展，如城市園林綠化、興建休閑場(chǎng)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(shè)施的護(hù)坡及屋頂花園、室內(nèi)綠化也都需要優(yōu)質(zhì)草坪。草坪建植后需要經(jīng)常的養(yǎng)護(hù)，以保持草坪青綠茂盛、持久不衰。高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的草坪養(yǎng)護(hù)，僅手工勞動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足綠化的要求，因此與草坪養(yǎng)護(hù)管理配套的機(jī)械設(shè)備勢(shì)必不可少的。我國(guó)園林機(jī)械發(fā)展迅速，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)企業(yè)有五十余家，與國(guó)外合資、合作的企業(yè)有十家左右。通過近幾年的技術(shù)改造，其生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品質(zhì)量也日益提高，形成了獨(dú)具特色的產(chǎn)品系列，基本能滿足園林養(yǎng)護(hù)作業(yè)的需要。 在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，現(xiàn)代草坪機(jī)現(xiàn)在主要追求低排放、低噪音、低功耗、高效率等。例如太陽(yáng)能、

5、電能等新型割草機(jī)逐漸站住了市場(chǎng)。 相對(duì)于國(guó)外技術(shù)發(fā)展，我國(guó)草坪機(jī)技術(shù)發(fā)展相對(duì)落后。隨著草坪覆蓋率要求越來(lái)越高，使得草坪機(jī)數(shù)量和種類越來(lái)越多。為此對(duì)草坪機(jī)設(shè)計(jì)提出了全新的更高要求，從而使得草坪機(jī)技術(shù)有了許多新的發(fā)展，主要體現(xiàn)在草坪機(jī)幾何參數(shù)優(yōu)化、低排放、高效率的草坪機(jī)以及結(jié)構(gòu)緊湊的草坪機(jī)結(jié)構(gòu)上面。 從整體來(lái)看，我國(guó)草坪割草機(jī)的技術(shù)水平、質(zhì)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(jī)產(chǎn)品包括旋刀式、往復(fù)式、滾刀式、甩刀式和甩繩式等系列產(chǎn)品，其中滾刀式草坪機(jī)為行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。近年我國(guó)草坪機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，行業(yè)內(nèi)的各重點(diǎn)骨干企業(yè)中，都有自己的研究所，擁有產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)隊(duì)伍、設(shè)施及必要的檢測(cè)手

6、段，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、安裝尺寸等參數(shù)及工作環(huán)境等要求，設(shè)計(jì)開發(fā)全新的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)草坪機(jī)生產(chǎn)企業(yè)與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距進(jìn)一步縮小，目前我國(guó)生產(chǎn)的草坪機(jī)已經(jīng)逐漸能夠滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際市場(chǎng)需求。 1.3.1 國(guó)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(lái)割草或放牧牛羊來(lái)保持草地的整齊性。隨著高爾夫球、網(wǎng)球及足球等運(yùn)動(dòng)的興起，保持完善的草地做運(yùn)動(dòng)場(chǎng)便成為當(dāng)務(wù)之急。英國(guó)人Edwin Budding利用旋轉(zhuǎn)式機(jī)械工作的原理發(fā)明了滾刀式割草機(jī)，該產(chǎn)品的問世在英國(guó)受到了廣泛的歡迎，隨后傳入美國(guó)，最后遍及世界。1868年，美國(guó)第一臺(tái)割草機(jī)取得專利，美國(guó)的草坪業(yè)也由此起步。不過幾年，便有40多項(xiàng)有關(guān)割草

7、機(jī)的發(fā)明獲得專利。到1881年，總共生產(chǎn)和銷售4萬(wàn)多臺(tái)割草機(jī)。最初的割草機(jī)均為人力驅(qū)動(dòng)；1890年，在英國(guó)開始設(shè)計(jì)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的割草機(jī)。從最初的蒸汽動(dòng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)展到小型內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；1909年，美國(guó)科學(xué)家Leoni取得了動(dòng)力型機(jī)械式割草機(jī)專利，盡管割草機(jī)由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，但整個(gè)裝置仍由馬拉行走。 在草坪修割機(jī)械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在20世紀(jì)30年代前后，每年生產(chǎn)的各類割草機(jī)數(shù)量約3萬(wàn)臺(tái)左右。戰(zhàn)后，美國(guó)經(jīng)濟(jì)得到復(fù)興，允許現(xiàn)役軍人低價(jià)買房不付現(xiàn)金，大批建設(shè)房屋并出售，促使草坪修割機(jī)械得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)量急劇上升，1947年達(dá)36萬(wàn)臺(tái)，1974年達(dá)700萬(wàn)臺(tái)。20世紀(jì)70年代后期開

8、始，割草機(jī)的市場(chǎng)銷售量逐漸趨向飽和，但每年仍保持在500萬(wàn)—600萬(wàn)臺(tái)的銷量 。割草機(jī)在數(shù)量增加的同時(shí)，其性能也在不斷改進(jìn)。1950年，美國(guó)第一臺(tái)無(wú)線電操縱的割草機(jī)誕生；1978年，C1arence Noke研制出了一種可進(jìn)行草坪修割編程的割草機(jī)；20世紀(jì)80年代，一些新的草坪設(shè)備又投放市場(chǎng)，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(guó)生產(chǎn)草坪割草機(jī)起步較晚，生產(chǎn)企

9、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(dá)國(guó)家的相比也有很大差距。所以長(zhǎng)期以來(lái)，草坪割草機(jī)多以進(jìn)口為主，主要來(lái)自日本、美國(guó)、意大利和瑞典等國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年的割草機(jī)銷售量在3萬(wàn)臺(tái)左右，其中80％為進(jìn)口；2000年我國(guó)各類草坪機(jī)械保有量達(dá)13余萬(wàn)臺(tái)，割草機(jī)進(jìn)口量在3．16萬(wàn)臺(tái)左右；近兩年，草坪機(jī)械平均年增長(zhǎng)率達(dá)到30％左右，國(guó)內(nèi)每年草坪機(jī)械的銷售總額大約為1．2億～1．3億元人民幣，其中從國(guó)外進(jìn)口的機(jī)械占85％，國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)的產(chǎn)品占15％左右，其合計(jì)銷量約在1萬(wàn)臺(tái)左右。 1.3.2 常見的割草機(jī)械分類 割草機(jī)械按動(dòng)力劃分可以分為機(jī)動(dòng)和人推的兩類。按動(dòng)力又分為

10、柴油機(jī)、汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)3類驅(qū)動(dòng)。其中以小型通用汽油機(jī)作為動(dòng)力的較為普遍，而柴油機(jī)多用于大型的割草機(jī)械，如牧場(chǎng)的割草機(jī)；按割草時(shí)刀片運(yùn)動(dòng)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(fù)割刀式和甩刀式等；按駕駛形式分類，可分為推動(dòng)式(步行式)、自行式、坐騎式(駕乘式)；按配套動(dòng)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(jī)式等。割草機(jī)的割草幅寬一般為400～lO00mm，割草高度從0～100mm有幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位。 1.3.3 常見幾種割草機(jī)械割草原理 （1）滾刀式割草機(jī)：它由帶有刀片的滾筒和不動(dòng)的底刀組成。滾刀的形狀像一個(gè)圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安

11、裝在圓柱表面，滾刀旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)草莖相對(duì)于底刀產(chǎn)生一個(gè)逐漸切割的滑動(dòng)割切而將草莖割斷。滾刀式割草機(jī)割草的質(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(zhǎng)度行進(jìn)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3～12片不等；滾刀的轉(zhuǎn)速越高，切下的草也越細(xì)。滾刀式割草機(jī)是高質(zhì)量草坪最常用的割草機(jī)型，適用于草高3～80mm 的草坪，其價(jià)格貴，維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。 （2）旋刀式割草機(jī)(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(zhǎng)條形割草刀或多把割草刀在水平刀盤上，高速旋轉(zhuǎn)的刀刃與草莖碰撞而將其割斷，為無(wú)支承切割。刀刃的后面是類風(fēng)葉形狀，在高速旋轉(zhuǎn)下

12、，對(duì)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25~80mm范圍內(nèi)割草，它的價(jià)格相對(duì)低廉，保養(yǎng)、維修和使用都很方便，是國(guó)內(nèi)外目前最流行的割草機(jī)。 （3）甩刀式割草機(jī)：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(shí)，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(jiān)硬沖擊不斷的物體時(shí)可以避讓而不致?lián)p壞機(jī)器。 （4）甩繩式割草機(jī)：其工作裝置是由一個(gè)內(nèi)裝尼龍繩的打草盤、背向人的護(hù)罩組成。當(dāng)打草盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)退讓，不會(huì)損壞機(jī)器本身，也不會(huì)對(duì)障礙物有較大的破壞。 2 方案設(shè)計(jì) 2.1 主要工作原理 本次設(shè)計(jì)的手推式割草機(jī)主要利用輪子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳到變速箱中的齒輪，實(shí)現(xiàn)刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能。手推式割草機(jī)由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和刀片等構(gòu)件組成，端面齒輪和撥桿是一對(duì)工作組合。端面齒輪通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)將旋轉(zhuǎn)方向的力傳動(dòng)給撥桿，引起水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使刀具自身往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于割草機(jī)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(jī)自身效率為重要原則。 割草機(jī)工作時(shí)由人推動(dòng)機(jī)器行走，從而使割草機(jī)的后輪1傳動(dòng)，帶動(dòng)與其在同一根軸上的大齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪2與齒輪3組成的增速機(jī)構(gòu)使速度得以增大，并帶動(dòng)端面凸輪4（為了實(shí)現(xiàn)幾何形狀封閉和便于調(diào)整，采取兩個(gè)端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉(zhuǎn)，端面凸輪4帶動(dòng)撥桿5運(yùn)動(dòng)，通過端面凸輪4與撥桿5組成的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使固定其上的活動(dòng)刀片與固定在機(jī)架上的固定刀片形成相對(duì)交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，完成割草動(dòng)作。如圖2.1所示： 圖2.1 機(jī)器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 2.2 主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù) 2.2.1 該手推式割草機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù) 手推

15、式草坪割草機(jī)的前進(jìn)是靠走輪，即靠人的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)。查閱《人機(jī)工程手冊(cè)》，可得人步行速度約為30—46m/min,考慮到推動(dòng)割草機(jī)進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》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(zhǎng)： 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(zhǎng)： 18—60周歲 279—349毫米 成年女性臂長(zhǎng)： 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(zhǎng)： 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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。站立工作時(shí)操作的有關(guān)尺寸，以及人體需要的可能活動(dòng)空間。 由《人機(jī)工程手冊(cè)》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(diào)節(jié)，符合人體作業(yè)適應(yīng)度。 設(shè)計(jì)原則：工作場(chǎng)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(shè)計(jì)尺寸針對(duì)男性：105—115毫米 針對(duì)女性：100—110

18、毫米） B：虎鉗固定在工作臺(tái)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(shè)計(jì)屬于D范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)。 又因?yàn)樵摬萜焊畈輽C(jī)是手推式的，行走動(dòng)力來(lái)源于人的行走以及推力。應(yīng)考慮到其結(jié)構(gòu)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(huì)較費(fèi)力，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要滿足人的推力在200N左右都能推動(dòng)這臺(tái)草坪機(jī)才可以。 綜上所述，本設(shè)計(jì)中的總體設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 外形尺

19、寸：586369200 mm 輸入功率：149.1 W 輪子轉(zhuǎn)速：113.04 r/min 力矩：T=12334.57N.mm 凈質(zhì)量：M≈30kg 變速要求：?jiǎn)渭?jí)刀具，一固定刀片和一活動(dòng)刀片相互運(yùn)動(dòng) 單根割草載荷：f=0.5N 2.2.2 該手推式割草機(jī)的刀具設(shè)計(jì)參數(shù) 項(xiàng)目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運(yùn)動(dòng)形式 刀片往復(fù)頻率 刀片形狀 配套動(dòng)力 操作人數(shù) 凈重 手推式割草機(jī) 往復(fù)切割 240mm 20mm 單動(dòng) 860r/min 平形 149.1W 113r/min 1人 30kg 2.3 已經(jīng)考慮過的若干方案的比較

20、 2.3.1 手推式割草機(jī)的工作設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的手推式草坪割草機(jī)首先要通過一個(gè)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(jī)構(gòu)繼續(xù)傳遞。因執(zhí)行修割草動(dòng)作刀片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與人行進(jìn)的方向垂直，經(jīng)前面增速機(jī)構(gòu)傳遞過來(lái)的運(yùn)動(dòng)都需要再經(jīng)過一級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。 通過分析得到手推式草坪割草機(jī)的組成框圖，如圖2.2所示。 圖2.2 手推式草坪割草機(jī)的組成框圖 2.3.2 其他工作設(shè)計(jì)方案的比較 能實(shí)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(dòng) 用腳驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般操作者都需站在或坐在被驅(qū)動(dòng)的機(jī)器上用力，

21、這樣所設(shè)計(jì)的修草機(jī)，除了要完成割草動(dòng)作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機(jī)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(dòng) 用手驅(qū)動(dòng)，可避免用腳驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的問題，使所設(shè)計(jì)的機(jī)器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設(shè)計(jì)手動(dòng)式修草機(jī)。 （3）用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。用此法修草時(shí)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，但效果并不是很好。 （4）用割的方式 即用刀將草割斷，用兩個(gè)刀片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)成手動(dòng)式割草機(jī)。 手動(dòng)的形式又用手搖動(dòng)和用手推動(dòng)兩種。機(jī)械容易實(shí)現(xiàn)的是簡(jiǎn)

22、單的轉(zhuǎn)動(dòng)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如果用手搖動(dòng)手柄實(shí)現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動(dòng)，由于割草機(jī)還要靠人力推著向前行進(jìn)，操作者要完成的動(dòng)作過多，操作不方便。要使操作者只通過簡(jiǎn)單的操作即可完成割草動(dòng)作，可以用手推割草機(jī)向前行駛，靠割草機(jī)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成往復(fù)移動(dòng)而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設(shè)計(jì)成手動(dòng)式草坪割草機(jī)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(dòng)式草坪割草機(jī)只需要一種運(yùn)動(dòng)形式變換功能（即轉(zhuǎn)動(dòng)變直線往復(fù)移動(dòng)），所以，較簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)到直線往復(fù)移動(dòng)變換功能最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，直線推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 a)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

23、 b）直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu) c）齒輪齒條機(jī)構(gòu) 圖2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 2.4 關(guān)鍵問題及其解決辦法 2.4.1 增速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 增速機(jī)構(gòu)是動(dòng)力傳遞及變速的核心機(jī)構(gòu)。它的速度變化直接改變刀具的切割運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的手推式割草機(jī)采用圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 可以利用圓盤側(cè)面的形狀特征，為此圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)通過側(cè)面推動(dòng)固定在滑塊上的撥桿（可橫向調(diào)整）左右運(yùn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu) 2.4.2 幾種增速方式的實(shí)現(xiàn)比較 （1）用組合法實(shí)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(yīng)通過增速機(jī)構(gòu)繼續(xù)傳遞。由于轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，以輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在割草機(jī)動(dòng)力輸入構(gòu)件輪子和轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸入構(gòu)件之間，可以采用鏈傳動(dòng)，帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。為了使所設(shè)計(jì)的割草機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動(dòng)。而齒輪傳動(dòng)有直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)，圓錐齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。但是蝸輪蝸桿傳動(dòng)的效率低，一般是蝸桿主動(dòng)，且軸線空間交錯(cuò)，應(yīng)用到割草機(jī)械中，會(huì)使支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圓錐齒輪傳動(dòng)的軸線相交，且其中一個(gè)齒輪需懸置，也會(huì)使割草機(jī)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(jiǎn)單，同時(shí)割草機(jī)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(jī)構(gòu)。

25、機(jī)構(gòu)組成方案如圖2.5所示： a) 帶動(dòng)齒輪增速的曲柄滑塊機(jī)構(gòu) b）帶齒輪增速的直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu) c) 帶齒輪增速的齒輪齒條機(jī)構(gòu) 圖2.5機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 （2）用異變法實(shí)現(xiàn)刀具割草運(yùn)動(dòng)方向與割草機(jī)行進(jìn)方向垂直，由于刀具的割切運(yùn)動(dòng)方向與割草機(jī)行進(jìn)方向垂直，上圖所示的機(jī)構(gòu)組成方案不能最終滿足設(shè)計(jì)要求，還需對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。 方案1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)滑塊在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作原理如圖2.6所示。 圖2.6梅花凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 方案2 利用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其工作原

26、理如圖2.7所示。 圖2.7圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在圖2.6所示的梅花凸輪機(jī)構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動(dòng)需增加一個(gè)支點(diǎn)和一個(gè)構(gòu)件兩個(gè)低副（或一個(gè)構(gòu)件一個(gè)高副），這樣會(huì)增加整個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，且設(shè)計(jì)時(shí)下面的軸應(yīng)該比上面的軸短（否則必然會(huì)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(jī)構(gòu)和端面凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以考慮作為所設(shè)計(jì)的割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。 但是，我們還希望所設(shè)計(jì)的割草機(jī)能實(shí)現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖2.6所示的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)中還需要增加一個(gè)能使刀架（包括活動(dòng)刀片和固定刀片）沿

27、垂直方向移動(dòng)的移動(dòng)副，使機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。而圖2.7所示的端面凸輪機(jī)構(gòu)，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀架上下運(yùn)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。 2.5 機(jī)構(gòu)的功能及特點(diǎn) 該機(jī)采用固定刀片與活動(dòng)刀片相對(duì)錯(cuò)動(dòng)的割切原理，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，噪音小、無(wú)污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的割草處理； 無(wú)需引擎驅(qū)動(dòng)，使用安全、可靠，便于維護(hù)； 割草的高度可在1~20mm之間調(diào)整，割幅240mm，外形尺寸（長(zhǎng)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(diǎn)； 前輪采用萬(wàn)向輪，具有良好的導(dǎo)向

28、性，后輪的一個(gè)輪子裝上壽命長(zhǎng)的球軸承，使割草機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)易于推動(dòng)； 金屬手柄易于折疊，以減少包裝尺寸，手柄長(zhǎng)度可伸縮，對(duì)于不同身高的操作者同樣適用； 底盤獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(chǎn)品。 2.6 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與用戶的一致性分析 （1）從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的功能出發(fā)，按變異—組合法和類比法完成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)計(jì)； （2）在作品樣機(jī)加工前，使用三維造型軟件進(jìn)行三維造型、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真； （3）理論上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，然后進(jìn)行樣機(jī)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(jī)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)增速），提高整機(jī)的工作效率，解決了手動(dòng)割草機(jī)工作效率不高的問題； （6）采用端面凸輪機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而滿足割草運(yùn)動(dòng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動(dòng)割草機(jī)不易實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題； （8）產(chǎn)品成本（包括制造和使用成本）低，符合廣大用戶購(gòu)買能力的要求。 3 技術(shù)設(shè)計(jì) 3.1設(shè)計(jì)方案論證 3.1.1 手推式割草機(jī)的設(shè)計(jì)原理 該機(jī)構(gòu)由輪子帶動(dòng)，通過一對(duì)單級(jí)減速器進(jìn)行傳遞轉(zhuǎn)矩，再由端面齒輪和撥桿組

30、合變化運(yùn)動(dòng)方向，最終輸出往復(fù)割切運(yùn)動(dòng)?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖3.1所示： 圖3.1 總體方案設(shè)計(jì) 3.1.2 方案的選擇 選擇這個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞。無(wú)引擎驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源，無(wú)污染（噪音、廢氣），采用綠色環(huán)保設(shè)計(jì)。采用齒輪機(jī)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)增速），提高整機(jī)的工作效率，解決了手動(dòng)割草機(jī)工作效率不高的問題；采用端面凸輪機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而滿足割草運(yùn)動(dòng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動(dòng)割草機(jī)不易實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題。 另一方案，用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直接帶動(dòng)割草圓盤，采用割草的方式。機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)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?cái)噍^難實(shí)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(shè)計(jì)采用的割草機(jī)方案結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)的割草機(jī)一水平一豎直的軸造成了機(jī)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。并且增速機(jī)構(gòu)采用端面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)組合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)實(shí)際為一凸輪推桿的運(yùn)動(dòng)組。同時(shí)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(dòng)的割草機(jī)機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖如圖3.2所示： 圖3.2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的割草機(jī) 3.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算部分 3.2.1 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)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(duì)實(shí)際運(yùn)用中割草

32、機(jī)械的分析，可以假設(shè)割一根草所需載荷為f=0.5N，同時(shí)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(zhuǎn)矩帶動(dòng)割刀，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。假設(shè)輪子的直徑為D=200mm；輪子周長(zhǎng)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(lái)自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運(yùn)動(dòng)。 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(shè)計(jì)思路及要求 手推式割草機(jī)中的齒輪設(shè)計(jì)要求 （1）合理選用模數(shù)： 在現(xiàn)代變速箱設(shè)計(jì)中，各檔齒輪模數(shù)的選擇是不同的。但為了經(jīng)濟(jì)性和用途的要

33、求，初選模數(shù)：m=2。 （2）合理選用壓力角： 對(duì)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(shí)，基圓直徑就越小，漸開線就越彎曲，輪齒的齒根就會(huì)變厚，齒面曲率半徑增大，從而可以提高輪齒的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。 （3）合理選用螺旋角： 為了保證齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性、低噪聲和少?zèng)_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(duì)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(huì)逐漸變尖。所以必須對(duì)齒輪進(jìn)行齒頂變尖的驗(yàn)算。 （5）手推式割草機(jī)中齒輪強(qiáng)度的計(jì)算方法概述 我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局所發(fā)表的漸開線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法是參照國(guó)際

34、標(biāo)準(zhǔn)化組織的計(jì)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(qiáng)度計(jì)算方法。 影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個(gè)方面，分別用四個(gè)系數(shù)來(lái)修正名義載荷，這四個(gè)系數(shù)分別為使用系數(shù)、動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算方法所采用的動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算方法所采用的齒向載荷分布系數(shù)的計(jì)算方法各不相同。 各種齒輪強(qiáng)度計(jì)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(diǎn)可看出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的齒輪強(qiáng)度計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算采用此種方法。 齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)，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。 3.2.3 齒輪設(shè)計(jì)過程 （1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)： 轉(zhuǎn)速 軸上的轉(zhuǎn)速 計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩 可得： 軸上的轉(zhuǎn)矩為: =3911.09(N/mm) （2）齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)： 選擇齒輪材料、熱處理、精度等級(jí)及其齒數(shù) 割草機(jī)為一般工作機(jī)器，齒輪選擇常用材料及熱處理，8級(jí)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。

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(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 假定工作機(jī)載荷有輕微沖擊，每星期左右修割一次草坪，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：=1.492 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： （5）計(jì)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(qiáng)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(jiǎn)單，取=40(mm)

37、 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??； 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(guān)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(jì)算載荷系數(shù)K 查得使用系數(shù) 圓周力， 查得動(dòng)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(jīng)仔細(xì)跑合，取 計(jì)算載荷系數(shù) （7）修正計(jì)算： 已取,符合接觸疲勞強(qiáng)度條件。 （8）齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核過程 確定設(shè)計(jì)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(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞強(qiáng)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(jì)算可得彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。 3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算部分 3.3.1 手推式割草機(jī)中軸2的設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料 該軸無(wú)特殊要求，選擇45

39、鋼調(diào)質(zhì)處理， 初步估算軸徑： 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成245倒角。 （3）軸的強(qiáng)度計(jì)算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，各軸段作用力大小和作用點(diǎn)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：=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(jiǎn)圖如3

40、.1所示： 圖3.4 垂直面上受力簡(jiǎn)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(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強(qiáng)度，取，該截面上的計(jì)算應(yīng)力： 通過查表可知： 材料為45鋼，調(diào)

41、質(zhì)處理的許用應(yīng)力為，由于，故安全。 3.3.2 手推式割草機(jī)中軸1的設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料 該軸無(wú)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(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸上零件的軸向定位周向定位 大齒輪在軸上為對(duì)稱定位，左右兩端靠套筒定位，裝拆，傳力較為簡(jiǎn)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(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制。確定各段軸徑和長(zhǎng)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(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端和右段均制成245倒角。 軸的強(qiáng)度計(jì)算 經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，各軸段作用力大小和作用點(diǎn)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： 圖3.8 軸垂直面上受力簡(jiǎn)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(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強(qiáng)度，取，該截面上的計(jì)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。 3.4 刀具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分 3.4.1 刀具的概述 手推式草坪機(jī)采用剛性切割式，運(yùn)動(dòng)方式選擇往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。 往復(fù)式切割裝置由上、下兩組刀片組成，分動(dòng)和雙動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。本設(shè)計(jì)采用單動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式。單動(dòng)切割器是動(dòng)刀片在定刀上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其特點(diǎn)是： ， 刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。 割草機(jī)的上、下刀片形狀相同，割草時(shí)，草兩側(cè)同時(shí)受到

44、切割，在一個(gè)行程中，運(yùn)動(dòng)速度的大小有變化，合理切割的方法是利用較大的速度來(lái)割切。刀片的速度圖如圖3.11所示。割刀自點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度自零逐漸增加，在沒有達(dá)到 之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切割。刀片到達(dá) 時(shí)，兩刀刃開始接觸，這時(shí) 稱為始切速，然后刀片繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入切割，直到刀片到達(dá) 時(shí)，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時(shí)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(jī)前進(jìn)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(jī)刀片

45、必須采用高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過特殊熱處理工藝保證刀片有較高的強(qiáng)度、鋒利度、耐磨性、抗沖擊韌性。刀架及刀片外形應(yīng)該符合空氣動(dòng)力學(xué)的要求，盡量減少運(yùn)動(dòng)時(shí)的空氣阻力，以降低功率消耗。裝配、調(diào)整刀具時(shí)，必須保證兩端力矩平衡，以減少震動(dòng)和噪聲。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》最終確定刀片材料選用彈簧鋼。彈簧鋼是專門用來(lái)制造各種彈簧和彈簧性元件或類似性能要求的結(jié)構(gòu)零件的主要材料。彈簧鋼具有優(yōu)良的綜合性能，如力學(xué)性能（特別是彈性極限、強(qiáng)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(xué)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(zhì)量（高純潔度和均勻

46、性）、良好的表面質(zhì)量（嚴(yán)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(yīng)選用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，最低硬度為 GB/T 230.1-2004 中的HRC45，脆性要求應(yīng)符合彎曲試驗(yàn)。 3.4.3 刀具的運(yùn)動(dòng)分析 刀片一個(gè)行程時(shí)間內(nèi)機(jī)器前進(jìn)的距離稱為切刀的進(jìn)程，以H表示，切刀一秒鐘內(nèi)運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)距離為： 式中：——機(jī)器的前進(jìn)速度 ——刀具水平運(yùn)動(dòng)的距離 ——輪子的周長(zhǎng) 一個(gè)行程所需要的時(shí)間為： 一個(gè)行程運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)距離： 可

47、得切刀的進(jìn)程H為： 由于端面齒輪旋轉(zhuǎn)一周刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)6次，刀具行程運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)對(duì)稱的加速減速運(yùn)動(dòng)，速度由變化，從0到達(dá)的所需的時(shí)間與到達(dá)0的時(shí)間均為。 運(yùn)動(dòng)分析可知，刀具呈現(xiàn)勻加速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程式為： 可得： 切刀的平均速度： 將切刀的平均速度與機(jī)器的前進(jìn)速度的比值稱為刀機(jī)速比。 ，據(jù)類似的茶樹修割機(jī)和采茶機(jī)的試驗(yàn)分析，可得動(dòng)力轉(zhuǎn)速較小的手推式割草機(jī)傳動(dòng)的效率較高。 3.4.4 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(yùn)動(dòng)參數(shù)的不同，使刀片的參數(shù)隨不同的機(jī)型而有些差異。 本手推式割草機(jī)的主要參數(shù)如表2-2所示： 表3.2 手推式割草

48、機(jī)的主要參數(shù) 項(xiàng)目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運(yùn)動(dòng)形式 刀片往復(fù)頻率 刀片形狀 配套動(dòng)力 凈重 手推式割草機(jī) 往復(fù)切割 240mm 20mm 單動(dòng) 860r/min 平形 149.1W 113r/min 30kg 切割角的增大使切口變得不整齊。當(dāng)?shù)镀谐淘?3.5~45mm時(shí)，刀片的切割角和楔角不影響割草的質(zhì)量。往復(fù)式刀刃的切割角和楔角如圖3.12所示。 圖3.12 往復(fù)式刀刃的切割角和楔角 試驗(yàn)分析可知行程與割草質(zhì)量的關(guān)系： 刀片的刀距行程對(duì)割草的質(zhì)量沒有顯著的影響。割草質(zhì)量比較好的行程在20mm~40mm，碎片也相應(yīng)較少

49、。切割間距在10mm~30mm時(shí)，切口平整；切割間距在30mm以上時(shí)，切口就不平整；切割間距大于40mm時(shí)，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 手推式割切機(jī)刀片的切割速度比在2.5以下時(shí)，正常芽葉多，碎片少。對(duì)采摘質(zhì)量沒有大的影響。對(duì)類似作物的試驗(yàn)，任何往復(fù)刀片，當(dāng)切割速度比在2.5以下時(shí)，正常芽葉稍有減少的趨勢(shì)；切割速比在2.5~10時(shí)，割草質(zhì)量無(wú)明顯的差別。切割速度比在小于3時(shí)，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(fù)式刀片的主要技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 刀片 刀間距 刀高 切割角 刀角 硬度（HRC）

50、 往復(fù)式刀片 動(dòng)刀片 20mm 35mm 1440′ 38 55~60 定刀片 64 3.5 端面齒輪及撥桿的設(shè)計(jì)部分 3.5.1 端面齒輪和撥桿的概述 手推式割草機(jī)中端面齒輪和撥桿是一對(duì)運(yùn)動(dòng)組合，類似于凸輪和推桿。而撥桿的運(yùn)動(dòng)直接影響其刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由撥桿在端面齒輪凹凸曲面上的規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀具的運(yùn)動(dòng)。 3.5.2 端面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)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(duì)撥桿的運(yùn)動(dòng)要求為： 當(dāng)端面齒輪轉(zhuǎn)過26時(shí)，推桿上升20mm； 端面齒輪再轉(zhuǎn)過26時(shí)，撥桿下降20mm； 推

51、桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過8時(shí)，撥桿又停止不動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3.14所示。 圖3.14 運(yùn)動(dòng)分析圖 撥桿在端面齒輪處安裝，圖中a與b為撥桿上升對(duì)應(yīng)的端面齒輪所旋轉(zhuǎn)的角度26，c為8。在端面齒輪上撥桿與端面齒輪接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度所對(duì)應(yīng)的行程為： 式中d為撥桿與端面齒輪接觸點(diǎn)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(shè)在端面齒輪上的運(yùn)動(dòng)行程為,接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)的位移為,可得運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)行程與接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)的位移的相關(guān)參數(shù)。 代入特殊值，可得： 從而得出接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)位移的軌跡

52、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(yùn)動(dòng)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(gè)相同的近似于凸輪的結(jié)構(gòu)。故只需研究撥桿一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作輪廓線即可。 計(jì)算結(jié)果可得端面齒輪的工作輪廓線對(duì)應(yīng)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(jié) 論 （1）剪草機(jī)的使用方法：修剪是草坪養(yǎng)護(hù)管理中的核心內(nèi)容?？茖W(xué)地對(duì)草坪進(jìn)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(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可促進(jìn)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(zhǎng)，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(huì)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(shí)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(dá)到需求的標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)通過少量

55、多次修剪，逐步剪到需要的高度。草坪修剪的時(shí)間與草坪草的種類、草坪草的生長(zhǎng)發(fā)育和肥料供給等有關(guān)。北方草坪草在春秋是兩個(gè)生長(zhǎng)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(zhǎng)速度和生長(zhǎng)勢(shì)。 （2）割草前應(yīng)注意的事項(xiàng)：割草前應(yīng)先檢查割草機(jī)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(yīng)清除草坪上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對(duì)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。在割草前，應(yīng)測(cè)量草坪的高度，將割草機(jī)調(diào)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(jī)修剪草坪。 割草機(jī)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(dòng)力、地形地貌及剪草機(jī)的幅寬等因素確定。無(wú)論選用何種剪草機(jī)，都應(yīng)保證剪草機(jī)的刀片始終鋒利。因?yàn)榈镀h利，草坪草的修剪傷口能迅速愈合，病菌浸染的機(jī)會(huì)少， 同時(shí)傷口不留白茬，景觀效果也好?？傊?，選擇的總原則是在達(dá)到修剪草坪質(zhì)量的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)型。 （3）制造價(jià)格及應(yīng)用范圍：根據(jù)目前市場(chǎng)實(shí)際:：制造原材料費(fèi)用100～150 元，手工費(fèi): 50～100 元，因此總造價(jià)在300元以內(nèi)。目前適合用于我國(guó)大部分地區(qū)的中小型園林草坪的修建和養(yǎng)護(hù)。 - 35 -