農(nóng)業(yè)機械-手推式剪草機的設(shè)計【全套含CAD圖紙、說明書】

畢業(yè)設(shè)計說明書- 1 -畢業(yè)論文中文摘要畢業(yè)論文外文摘要手推式剪草機的設(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 減速器 手推 凸輪組件 改進設(shè)計手推式剪草機的設(shè)計- 2 -The design of hand pushing lawn cropperAbstract 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 reducer Hand pushing CAM components improvement design畢業(yè)設(shè)計說明書- 3 -目 錄1 技術(shù)任務(wù)書 .- 1 -1.1 設(shè)計的依據(jù) - 1 -1.2 產(chǎn)品的用途及使用范圍 .- 1 -1.3 主要技術(shù)指標和重要技術(shù)參數(shù) .- 2 -1.3.1 該手推式剪草機的總體設(shè)計參數(shù) .- 2 -1.3.2 該手推式剪草機的刀具設(shè) 計參數(shù) .- 2 -1.4 主要工作原理 .- 2 -1.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .- 3 -1.5.1 國內(nèi)外發(fā)展概述 .- 3 -1.5.2 常見的剪草機械分類 .- 4 -1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理 .- 4 -1.6 已經(jīng)考慮過的若干方案的比較 .- 5 -1.6.1 手推式剪草機的工作設(shè)計方案 - 5 -1.6.2 其他工作設(shè)計方案的比較 - 6 -1.7 關(guān)鍵問題及其解決辦法 .- 7 -1.7.1 增速機構(gòu)的設(shè)計選擇 .- 7 -1.7.2 幾種增速方式的實現(xiàn)比較 .- 8 -1.8 機構(gòu)的功能及特點 - 10 -1.9 機構(gòu)設(shè)計與用戶的一致性分析 .- 11 -2.設(shè)計計算說明書 - 12 -2.1 設(shè)計方案論證 - 12 -2.1.1 手推式剪草機的設(shè)計原理 - 12 -2.1.2 方案的選擇 .- 12 -2.2 齒輪的計算部分 - 13 -2.2.1 機構(gòu)的動力計算 - 13 -2.2.2 齒輪設(shè)計思路及要求 - 14 -2.2.3.齒輪設(shè)計過程 - 15 -2.3 軸的計算部分 - 19 -2.3.1 手推式剪草機中軸 2 的設(shè)計 - 19 -2.3.2 手推式剪草機中軸 1 的設(shè)計 - 22 -2.4 刀具的設(shè)計計算部分 - 25 -2.4.1 刀具的概述 .- 25 -2.4.2 刀具的運動分析 .- 26 -2.4.2 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù) .- 27 -手推式剪草機的設(shè)計- 4 -2.5 端面齒輪及撥桿的設(shè)計部分 - 28 -2.5.1 端面齒輪和撥桿的概述 - 28 -2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析 .- 28 -2.6 結(jié)論 - 32 -2.6.1 剪草機的使用方法 .- 32 -2.6.1 剪草前應(yīng)注意的事項 .- 33 -2.6.3 制造價格及應(yīng)用范圍 .- 33 -3. 使用說明書（SM） .- 33 -3.1 設(shè)備的名稱 .- 33 -3.2 設(shè)備的安裝 .- 34 -3.3 設(shè)備的試車運轉(zhuǎn) .- 34 -3.4 設(shè)備的操作和維護 .- 34 -4.標注化審核報告（BS） - 35 -4.1 產(chǎn)品圖樣的審查 - 35 -4.2 產(chǎn)品技術(shù)文件的審查 .- 36 -4.3 標注件的使用情況 - 36 -4.4 審查結(jié)論 - 36 -參考文獻 .- 37 -致謝 .- 39 -畢業(yè)設(shè)計說明書- 5 -1 技術(shù)任務(wù)書1.1 設(shè)計的依據(jù)剪草機械至今已有 100 多年的歷史，目前人們普遍使用的是電動剪草機械。由于剪草機械多在人口稠密的地區(qū)作業(yè)，流動性大，對機械的震動、噪音、廢氣排放、質(zhì)量等指標要求較高。現(xiàn)在的剪草機多使用內(nèi)燃機作動力，排氣污染量相對于汽車的較少，但其噪聲危害卻很大。美國 EPA(美國環(huán)境保護局 )及歐盟對割草機等用發(fā)動機的排放均有相應(yīng)的法規(guī)；德國還出臺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)性計劃，通過稅收優(yōu)惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經(jīng)營者” 以加速環(huán)保技術(shù)的發(fā)展 。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。1.2 產(chǎn)品的用途及使用范圍目前市面上的剪草機大多需動力引擎，這會產(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，這種需動力引擎的剪草機就顯得非常不受歡迎。由于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。雖然，動力引擎草坪剪草機剪草效率較高，剪草效果較好，但是，其價格也較昂貴，就目前來說，一般的用戶難以接受。通過市場調(diào)研，我們決定設(shè)計一種無引擎驅(qū)動，無噪音污染，剪草高度可調(diào)節(jié)，輕便簡潔，操作方便和美觀實用適用于一般用戶的草坪剪草機。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。手推式剪草機的設(shè)計- 6 -1.3 主要技術(shù)指標和重要技術(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： 5863920m輸入功率： 14.W輪子轉(zhuǎn)速： /inr力矩： 23.57TNA輪凈質(zhì)量： 0Mkg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： .5fN同時剪草量： 0根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240mm 20mm 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，帶動與其同在一畢業(yè)設(shè)計說明書- 7 -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 30 年手推式剪草機的設(shè)計- 8 -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 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 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 。畢業(yè)設(shè)計說明書- 9 -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，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。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 2580m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。手推式剪草機的設(shè)計- 10 -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 畢業(yè)設(shè)計說明書- 11 -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)運動簡圖手推式剪草機的設(shè)計- 12 -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)。畢業(yè)設(shè)計說明書- 13 -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)手推式剪草機的設(shè)計- 14 -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 1l應(yīng)該比 2l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：586369 200mm）,質(zhì)量 30kg（材料由 45 鋼制作） ；畢業(yè)設(shè)計說明書- 15 -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。手推式剪草機的設(shè)計- 16 -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。總體方案設(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。畢業(yè)設(shè)計說明書- 17 -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 0.5fN，同時剪草數(shù)量最多為 500 根?？傻?F=250N；端面齒輪上所受力的大小為： 12F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 20Dm；輪子周長為 628.3Cm。手推式剪草機的設(shè)計- 18 -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)矩所引起的運動。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.PA輪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)： 2m。（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準局所發(fā)表的漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法是參照國際標準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，畢業(yè)設(shè)計說明書- 19 -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準化組織 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 13.04/min0.56CnrA軸 上的轉(zhuǎn)速 92niA計算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩6.510PTn輪可得： 1234.7TNmA輪軸 上的轉(zhuǎn)矩為: 1239.0NmiA（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：手推式剪草機的設(shè)計- 20 -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： 1160hjnL可得：81.4920N大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：7123.0Ni（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 1.2HNK, 大齒輪 20.9HNK接觸疲勞強度安全系數(shù) .0S有公式：1lim59.6HNMPa（1）2li2.4HHKS（2）試算小齒輪分度圓直徑 2131EHtTZud（3）可得： 12.7tdm畢業(yè)設(shè)計說明書- 21 -為了保證制造工藝簡單，取 140tdm模數(shù)：1.74()dmz取標準模數(shù) 2小齒輪分度圓直徑： 146dmz大齒輪分度圓直徑： 238大齒輪齒寬 21.dBb,圓整取 37bm；小齒輪齒寬 14m (加寬 5mm)中心距29a小齒輪齒全高 112.54afh大齒輪齒全高 2f m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) 1.25A圓周力 170.tTFNd，1.2570.5.43AtFNbm查得動載荷系數(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)仔細跑合，取 1.2HFK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手推式剪草機的設(shè)計- 22 -計算載荷系數(shù) 2.034AVHK （7）修正計算：3312.04.16ttdm已取 46.m,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= 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按齒面硬度查得彎曲疲勞極限 limF：小齒輪 lim16MPa,大齒輪lim2450FMPa計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 F 取彎曲疲勞強度安全系數(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 111180.5FFSFKTYMPabdmA121274.FSFKTYMPabdmA結(jié)論:計算可得彎曲疲勞強度足夠。畢業(yè)設(shè)計說明書- 23 -2.3 軸的計算部分2.3.1 手推式剪草機中軸 A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， 640BMPa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 1C根據(jù)公式5%133min20.896.619.02PdC加，取 min20d（2）軸 A的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸 上零件的軸向定及位周向定位。從左輪子連接處向右?。?0214210mm?？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245倒角。（3）軸 A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： 1234.57TNmA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手推式剪草機的設(shè)計- 24 -軸向力： tan0()aFN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： 12.5690.5()raBVFN3.()DrBV截面 C 處的彎矩為： 12.379()BVCMFmA左 .5DN右圖 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： 12.58()tBHFNDtB截面 C 處的彎矩為： 12.504()CHBMFNmA畢業(yè)設(shè)計說明書- 25 -圖 25 水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22108()CHCVMNmA左 左右 右圖 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 0.6，該截面上的計算應(yīng)力： 2248.57()vMTPaW手推式剪草機的設(shè)計- 26 -通過查表可知：材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 160MPa，由于 1v，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， 640BMPa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 1C根據(jù)公式5%133min10.4612.3.7PdC加，取 min14d（2）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 6bhm，配合為76Hr，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 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： T=3911Nmm齒輪端面分度圓直徑：112346()coss0nmdzm畢業(yè)設(shè)計說明書- 27 -圓周力： 1270.5()tTFNd徑向力：tantan20.61.9()coscosr N軸向力： t()aFN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： 2110.54.0.526.30.5()r aBVFFN 68.()DrBVN方向相反截面 C 處的彎矩為： 120.59672()BVCMmA左29120.56()DVVMFmA右圖 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： 120.5()tBHFN手推式剪草機的設(shè)計- 28 -85()DHtBFN截面 C 處的彎矩為： 120.546()CHBMFNmA圖 29 軸 水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22109()CHCVMNmA左 左 7右 右圖 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 0.6，該截面上的計算應(yīng)力： 221.4()vMTPaW通過查表可知：畢業(yè)設(shè)計說明書- 29 -材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 160MPa，由于 1v，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： 0St，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 0a點向右運動時，其速度自零逐漸增加，在沒有達到 1a之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切割。刀片到達 1a時，兩刀刃開始接觸，這時 V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 1C時，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時 1cV稱為終切速。由 1aV到 c為切割速度的變化范圍。由圖 211 可知， 1a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手推式剪草機的設(shè)計- 30 -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： 10.51236286.49mvtxtnmcyt 式中： mv機器的前進速度 s（ ）1t刀具水平運動的距離C輪子的周長一個行程所需要的時間為：1020.786.49tsx一個行程運動的絕對距離： m035yvt可得切刀的進程 H 為： m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 100amvss變化，從 0 到達 1av的所需的時間與 1av到達 0 的時間均為.35。運動分析可知，刀具呈現(xiàn)勻加速運動，運動方程式為： 1210.35avt可得：27.43/6ams切刀的平均速度： 0571.438./2pvs將切刀的平均速度 pv與機器的前進速度 mv的比值 稱為刀機速比。