1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù)剪草寬度 480，長(zhǎng)：1715mm 寬：570mm 高：1020mm 凈重：47.0kg 汽油機(jī)功率(最大功率 )及相應(yīng)轉(zhuǎn)速： 2.0/3000kw/(r/min) 汽油機(jī)扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：7.5/2500N·m/r/min 前后輪胎直徑：200mm 割草高度：20-80mm 集草袋容積：73L 電機(jī)功率：1200w 左右 轉(zhuǎn)速：3000r/pm 剪草高度 20-80 。剪草機(jī)械至今已有 100 多年的歷史，目前人們普遍使用的是電動(dòng)剪草機(jī)械。由于剪草機(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)要求較高?，F(xiàn)在的剪草機(jī)多使用內(nèi)燃機(jī)作動(dòng)力，排氣污染量相對(duì)于汽車的較少，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)割草機(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 。手推自走式草坪修剪機(jī)主要利用滾動(dòng)的輪子帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。手推自走式草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。1.2 產(chǎn)品的用途及使用范圍目前市面上的剪草機(jī)大多需動(dòng)力引擎，這會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，帶來環(huán)境污染，在辦公和學(xué)習(xí)的地方，這種需動(dòng)力引擎的剪草機(jī)就顯得非常不受歡迎。由于動(dòng)力引擎剪草機(jī)有動(dòng)力裝置，保養(yǎng)，維護(hù)費(fèi)用較高；同時(shí)動(dòng)力引擎剪草機(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)給工作人員帶來強(qiáng)烈的震動(dòng)，使操作很不舒適。雖然，動(dòng)力引擎草坪剪草機(jī)剪草效率較高，剪草效果較好，但是，其價(jià)格也較昂貴，就目前來說，一般的用戶難以接受。通過市場(chǎng)調(diào)研，我們決定設(shè)計(jì)一種無引擎驅(qū)動(dòng)，無噪音污染，剪草高度可調(diào)節(jié)，輕便簡(jiǎn)潔，操作方便和美觀實(shí)用適用于一般用戶的草坪剪草機(jī)。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(jī)。對(duì)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 該手推自走式草坪修剪機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)外形尺寸：1715mm 寬：570mm 高：1020mm汽油機(jī)功率(最大功率) 及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：2.0/3000kw/(r/min) 汽油機(jī)扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：7.5/2500N·m/r/min 前后輪胎直徑：200mm凈重：47.0kg割草高度：20-80mm 集草袋容積：73L 割草高度：20-80mm1.3.2 該手推自走式草坪修剪機(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)凈重手推自走式草坪修剪機(jī)往復(fù)切割240mm 20mm 單動(dòng) 860r/min 平形 2kw3000r/min1 人 47kg1.4 主要工作原理本次設(shè)計(jì)的手推式剪草機(jī)主要利用輪子運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)變速箱中的齒輪實(shí)現(xiàn)刀具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能。手推式剪草機(jī)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(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)。由于剪草機(jī)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(jī)自身效率為重要原則。剪草機(jī)工作時(shí)由人推動(dòng)機(jī)器行走，從而使剪草機(jī)的后輪 1 傳動(dòng)，帶動(dòng)與其同在一根軸上的大齒輪 2 傳動(dòng)，通過齒輪 2 與齒輪 3 組成的增速機(jī)構(gòu)使速度得以提升，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)，完成剪草動(dòng)作。如圖 1—1 所示：圖 1—1 機(jī)器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.5.1 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(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)明了滾刀式剪草機(jī)，該產(chǎn)品的問世在英國(guó)受到了廣泛的歡迎，隨后傳人美國(guó)。1868 年，美國(guó)第一臺(tái)剪草機(jī)取得專利，美國(guó)的草坪業(yè)也由此起步。不過幾年，便有 37 項(xiàng)有關(guān)剪草機(jī)的發(fā)明獲得專利。到 1881年，總共有 4 萬多臺(tái)剪草機(jī)被生產(chǎn)和銷售 。最初的剪草機(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)的剪草機(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)械式剪草機(jī)專利，盡管剪草機(jī)由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)，但整個(gè)裝置仍由馬拉行走。在草坪修剪機(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)的各類剪草機(jī)數(shù)量約 3 萬臺(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，促使草坪修剪機(jī)械得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)量急劇上升，1947 年達(dá) 36 萬臺(tái)，1974 年達(dá) 700 萬臺(tái)。20 世紀(jì) 70 年代后期開始，剪草機(jī)的市場(chǎng)銷售量逐漸趨向飽和，但每年仍保持在 500 萬—600 萬臺(tái)的銷量 。剪草機(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)無線電操縱的剪草機(jī)誕生；1978 年，C1arence Noke 研制出了一種可進(jìn)行草坪修剪編程的剪草機(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)剪草機(jī)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(dá)國(guó)家的相比也有很大差距。所以長(zhǎng)期以來，草坪剪草機(jī)多以進(jìn)口為主，主要來自日本、美國(guó)、意大利和瑞典等國(guó)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999 年的剪草機(jī)銷售量在 3 萬臺(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余萬臺(tái)，剪草機(jī)進(jìn)口量在 3．16 萬臺(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 萬臺(tái)左右 。1.5.2 常見的剪草機(jī)械分類剪草機(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)多用于大型的剪草機(jī)械，如牧場(chǎng)的割草機(jī)；按剪草時(shí)刀片運(yùn)動(dòng)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(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。剪草機(jī)的剪草幅寬一般為400～lO00mm，剪草高度從 15～lOOmm 有幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位 。1.5.3 常見幾種剪草機(jī)械剪草原理（1）滾刀式剪草機(jī)其由帶有刀片的滾筒和不動(dòng)的床刀組成。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)剪切而將草莖剪斷。滾刀式剪草機(jī)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(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)。滾刀式剪草機(jī)是高質(zhì)量草坪最常用的剪草機(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）旋刀式剪草機(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(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 25~80m范圍內(nèi)剪草，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)外目前最流行的剪草機(jī)。（3）甩刀式剪草機(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）甩繩式剪草機(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，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。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(jī)的工作設(shè)計(jì)方案我們所設(shè)計(jì)的手推式草坪剪草機(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)行修剪草動(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剪草機(jī)的組成框圖，如圖 1—2 所示。圖 1—2 手推式草坪剪草機(jī)的組成框圖1.6.2 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，這樣所設(shè)計(jì)的修草機(jī)，除了要完成剪草動(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）用割的方式 即用刀將草截?cái)?。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)。（4）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，但效果不好。（5）用剪的方式 即用刀將草剪斷，用兩個(gè)刀片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(jì)成手動(dòng)式剪草機(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)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)，由于剪草機(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)單的操作即可完成剪草動(dòng)作，可以用手推剪草機(jī)向前行駛，靠剪草機(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)式草坪剪草機(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)式草坪剪草機(jī)只需要一項(xiàng)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，不必列出矩陣表后構(gòu)型。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)。1)曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 2）直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)圖 1—3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.7 關(guān)鍵問題及其解決辦法1.7.1 增速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇增速機(jī)構(gòu)是傳遞動(dòng)力及變速的核心機(jī)構(gòu)。它的速度變化直接改變刀具的剪切運(yùn)動(dòng)。我的手推式剪草機(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 1—4 所示：圖 1—4 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1.7.2 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)輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在剪草機(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)的剪草機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動(dòng)。而齒輪傳動(dòng)有直齒原著齒輪傳動(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)用到剪草機(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)使剪草機(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)剪草機(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)。機(jī)構(gòu)組成方案如圖 1—5 所示： 1) 帶動(dòng)齒輪增速的曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 2）帶齒輪增速的直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機(jī)構(gòu)圖 1—5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖用異變法實(shí)現(xiàn)刀具剪草運(yùn)動(dòng)方向與剪草機(jī)行進(jìn)方向垂直，由于刀具的剪切運(yùn)動(dòng)方向與剪草機(jī)行進(jìn)方向垂直，圖 3 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)一步構(gòu)型。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 1—6 所示。圖 1—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)，其工作原理如圖 1—7 所示。圖 1—7 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在圖 1—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) 1l應(yīng)該比 2l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 7，圖 4 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)的剪草機(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)的剪草機(jī)能實(shí)現(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖 1—7 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)剪草高度的調(diào)節(jié)。1.8 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(dòng)，使用安全、可靠，便于維護(hù)；剪草的高度可在 20—80mm 之間調(diào)整，割幅 240mm，,質(zhì)量 47kg（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)；前輪采用萬向輪，具有良好的導(dǎo)向性，后輪的一個(gè)輪子裝上壽命長(zhǎng)的球軸承，使剪草機(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；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(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；（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)剪草機(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)，從而滿足剪草運(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）采用的剪草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動(dòng)剪草機(jī)不易實(shí)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(gòu)買能力的要求。2.設(shè)計(jì)計(jì)算說明書2.1 設(shè)計(jì)方案論證2.1.1 手推式剪草機(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合變化運(yùn)動(dòng)方向，最終輸出往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)。2.1.2 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。無引擎驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源，無污染（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)剪草機(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)，從而滿足剪草運(yùn)動(dòng)要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的剪草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動(dòng)剪草機(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。我采用的剪草機(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)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(dòng)的割草機(jī)機(jī)構(gòu)方案2.2 齒輪的計(jì)算部分2.2.1 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算草坪上的草為特殊纖維材料，較易剪斷，不需要太大的載荷。通過實(shí)際運(yùn)用中割草機(jī)械的分析，可以假設(shè)剪一根草所需載荷為 0.5fN?，同時(shí)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： 12F輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)剪刀，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。輪子的直徑為 20Dm?；輪子周長(zhǎng)為628.3Cm?。假定人的正常行走步數(shù)為 50/ms。假定刀具所受的力全部來自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運(yùn)動(dòng)。則 121ffPFv?? 172.fPW?軸 ?上的所傳遞的功率大小為：12()38.9ffPW????軸 A上的所傳遞的功率大小為： 1246.??A;輪子所傳遞的功率大小為： 29.P?A輪2.2.2 齒輪設(shè)計(jì)思路及要求手推式剪草機(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)性和用途的要求，初選模數(shù)： 2m?。（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。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。（3）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。（4）手推式剪草機(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。由于汽車變速箱的工作特性，使得輪齒的載荷是波動(dòng)的，對(duì)于這種不穩(wěn)定載荷的情況。從以上四點(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。2.2.3.齒輪設(shè)計(jì)過程（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速 13.04/min0.56Cnr??A軸 ?上的轉(zhuǎn)速 39.12/minnir???A計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩6.50PT?輪可得： 1234.7TN?A輪軸 ?上的轉(zhuǎn)矩為: 1239.0Nmi????A（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)剪草機(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。選擇小齒輪齒數(shù)：z1=23，大齒輪齒數(shù)： 2169Zui?（3）基本參數(shù)的選擇試選載荷系數(shù)： 1.6tK?選擇的齒寬系數(shù)為： 08d?查得彈性系數(shù)為： 9.EZMpa按齒面硬度查取接觸疲勞極限：小齒輪： lim1720HP??, 大齒輪： lim2580HPa??；（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： 1160hjnL?可得：81.4920N??大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：7123.0Ni?（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 1.02HNK?, 大齒輪 20.9HNK?接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ??.S有公式：??1lim59.6HNMPa??2li2.4HHKS試算小齒輪分度圓直徑 ??2131EHtTZud???????????可得： 12.7tdm?為了保證制造工藝簡(jiǎn)單，取 140tdm?模數(shù)：1.74()z取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 2m?小齒輪分度圓直徑： 146dzm?大齒輪分度圓直徑： 238大齒輪齒寬 21.dBb??,圓整取 37b?；小齒輪齒寬 14m (加寬 5mm)中心距??29a?小齒輪齒全高 112.54afhm???大齒輪齒全高 2f齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 齒形角 全齒高大齒輪 69 2.0 20 4.5齒輪 的相關(guān)參數(shù)如下表 所示：表 2-1 齒數(shù)表（6）計(jì)算載荷系數(shù) K查得使用系數(shù) 1.25A?圓周力 170.tTFNd，1.2570.5.43AtFNbm???查得動(dòng)載荷系數(shù) .VK?查得齒間載荷分配系數(shù) 1.2H?, .FK?查得齒向載荷分布系數(shù) 39?, 一般經(jīng)仔細(xì)跑合，取 1.2HFK??計(jì)算載荷系數(shù) .04AVHK??? （7）修正計(jì)算：3312.043.16ttdm?已取 46.m??,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= 1.257.12.034AVFK?????小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 1390TNm?查得齒形系數(shù) .6FY?, 2.4F?;應(yīng)力修正系數(shù) 1.58SY?， 21.75S??查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：小齒輪 1.85NK?,大齒輪 209FNK小齒輪 23 2.0 20 4.5按齒面硬度查得彎曲疲勞極限 limF?：小齒輪 lim1620FMPa?,大齒輪lim2450FMPa??計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 ??F 取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) 1.3S?由公式??1limFNK??,可得 ??1405.FMPa由公式2li2FS，可得 23.F?齒根彎曲應(yīng)力 ??111180.5FFSFKTYMPabdm??????A??121274.FSFKTYMPabdm????A結(jié)論:計(jì)算可得彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。2.3 軸的計(jì)算部分2.3.1 手推式剪草機(jī)中軸 2 的設(shè)計(jì)（1）選擇軸 A的材料該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調(diào)質(zhì)處理， 640BMPa??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 1C根據(jù)公式5%133min20.896.619.02PdC???加，取 min20d?（2）軸 A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?。?0214210mm?。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245??倒角。（3）軸 A的強(qiáng)度演算經(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： 1234.57TNm?A輪齒輪端面分度圓直徑：2269138()coss0ndz???圓周力： 2170.5()tTFN?輪徑向力：tantan20.61.9()coscosr N????軸向力： t()aFN??受力簡(jiǎn)圖如 3—2 所示：圖 2—3 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： 12.5690.5()raBVFN????3.()DrBV?截面 C 處的彎矩為： 12.379()BVCMFm??A左12.5379()DVCMFNm??A右 圖 2—4 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： 12.58()tBHFN????DtB?截面 C 處的彎矩為： 12.504()CHBMFNm??A圖 2—5 水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22108()CHCVMNm???A左 左右 右圖 2—6 水平面上截面的彎矩及合成彎矩：圖 2—6 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 0.6??，該截面上的計(jì)算應(yīng)力： ??2248.57()vMTPaW?????通過查表可知：材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 ??160M???，由于 ??1v???，故安全。2.3.2 手推式剪草機(jī)中軸 1 的設(shè)計(jì)（1）選擇軸 ?的材料該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調(diào)質(zhì)處理， 640BMPa??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 1C根據(jù)公式5%133min10.4612.3.7PdC???加，取 min14d?（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 6bhm??，配合為76Hr，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，從左輪子連接處向右取 1461821814mm??。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 25??倒角。軸 ?的強(qiáng)度演算經(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： T?=3911N·mm齒輪端面分度圓直徑：112346()coss0nmdzm????圓周力： 1270.5()tTFN??徑向力：tantan20.61.9()coscosr N????軸向力： t()aFN??圖 2—7 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： 2110.54.0.526.30.5()r aBVFFN????? ?68.()DrBVN方向相反截面 C 處的彎矩為： 120.59672()BVCMm???A左29120.56()DVVMFm???A右圖 2—8 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： 120.5()tBHFN????8DtB?截面 C 處的彎矩為： 120.546()CHBMFNm??A圖 2—9 軸 ?水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22109()CHCVMNm???A左 左22709()CHCVMNm???A右 右圖 2—10 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 0.6??，該截面上的計(jì)算應(yīng)力： ??221.4()vMTPaW?????通過查表可知：材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 ??160Ma???，由于 ??1v???，故安全。2.4 刀具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分2.4.1 刀具的概述手推式剪切機(jī)采用剛性切割式，運(yùn)動(dòng)方式選擇往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。