手推式剪草機的設計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設計】

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山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 1 - 1 技術 任務書 計的依據 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、質量等指標要求較高?，F(xiàn)在的剪草機多使用內燃機作動力，排氣污染量相對于汽車的較少，但其噪聲危害卻很大。美國 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性計劃，通過稅收優(yōu)惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經營者” 以加速環(huán)保技術的發(fā)展 。 手推式剪草機主 要利用滾動的輪子帶動機械運動。手推式剪草機結構簡單，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。 目前市面上的剪草機大多需動力引擎，這會產生較大的噪音，帶來環(huán)境污染，在辦公和學習的地方，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。 通過市場調研，我們決定設計一種無引擎驅動，無噪音污染，剪草高度可調節(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。 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 2 - 手推式剪草機的總體設計參數 外形尺寸： 5 8 6 3 6 9 2 0 0 輸入功率： 輪子轉速： 力矩： 1 2 3 3 4 . 5 7T N m m?輪 凈質量： 30M 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： 500N ? 根 手推式剪草機的刀具設計參數 表 1具設計參數 項目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 操作人數 凈重 手推式剪草機 往復切割 2400動 860r/形 13r/ 人 30本次設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動將旋轉方向的力傳動給撥桿，引起水平方向的往復運動，從而使刀具自身往復運動。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。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 3 - 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整，采取兩個端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉，端面凸輪 4 帶動撥桿 5 運動，通過端面凸輪 4 與撥桿 5 組成的轉換機構將回轉運動變?yōu)橹本€往復運動，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 1— 1 所示： 圖 1— 1 機器 的運動簡圖 內外發(fā)展概述 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務之急。英國人 用旋轉式機械工作的原理發(fā)明了滾刀式剪草機，該產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和銷售 。最初的剪草機均為 人力驅動； 1890 年，在英國開始設計有動力驅動的剪草機。從最初的蒸汽動力驅動發(fā)展到小型內燃機動力驅動；1909 年，美國科學家 得了動力型機械式剪草機專利，盡管剪草機由汽油機驅動，但整個裝置仍由馬拉行走。 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 4 - 在草坪修剪機械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個轉折點。在 20 世紀 30 年代前后，每年生產的各類剪草機數量約 3 萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經濟得到復興，允許現(xiàn)役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設房屋并出售，促使草坪修剪機械得到迅速發(fā)展，生產量急劇上升， 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， 制出了一種可進行草坪修剪編程的剪草機 " ； 20 世紀 80 年代，一些新的草坪設備又投放市場，如 ，以及清潔草坪用的 到了 80 年代 后期， 認為是一件普通的家庭用具。 我國生產剪草機起步較晚，生產企業(yè)規(guī)模普遍較小，產品用途單一，品種數量少，遠不能滿足要求，而且質量與發(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 3． 16 萬臺左右；近兩年，草坪機械平均年增長率達到 30％左右，國內每年草坪機械的銷售總額大約為 1． 2 億～ 1． 3 億元人民幣， 其中從國外進口的機械占85％，國內自行生產的產品占 15％左右，其合計銷量約在 1 萬臺左右 。 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 400～ 草高度從 15～ 幾個調節(jié)擋位 。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 5 - 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，滾刀旋轉帶動草莖相對于底刀產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量取決于滾刀上刀片數和滾刀的轉速，滾刀上刀片數越多，單位長度行進中切割的次數就越多，切下的草也越細，滾刀的刀片數一般為 3～12 片不等；滾刀的轉速越高 ，切下的草也越細。滾刀式剪草機是高質量草坪最常用的剪草機型，適用于草高 3～ 80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。刀刃的后面是類風葉形狀，在高速旋轉下，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 ~ 80圍內剪草，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組成的旋轉軸上， 當高速旋轉時，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裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當打草盤高速旋轉時，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。 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 6 - 我們所設計的手推式草坪剪草機首先要通過一個傳力構件將人力傳遞出去。為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構繼續(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，經前面增速機構傳遞過來的運動都需要再經過一級轉換機構傳遞到執(zhí)行構件。 通過分析得到手推式草坪剪草機的組成框圖，如圖 1— 2 所示。 圖 1— 2 手推式草坪剪草 機的組成框圖 能實現(xiàn)手推式草坪修草功能的技術原理較多，但各有利弊，具體分析如下： （ 1） 用腳驅動 用腳驅動時，一般操作者都需站在或坐在被驅動的機器上用力，這樣所設計的修草機，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，使機器結構復雜，尺寸較大，不適合小面積草坪使用。 （ 2） 用手驅動 用手驅動，可避免用腳驅動時存在的問題，使所設計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設計手動式修草機。 （ 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 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 7 - 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)的是簡單的轉動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構件的往復移動，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，靠剪草機輪子的轉動將轉動運動轉變成往復移動而輸出到執(zhí)行構件。顯然設計成手動式草坪剪草機是合理而可行的。 根據所查資料，可選用組合 — 變異法構成初步方案。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（即轉動變直線往復移動），所以，不必列出矩陣表后構型。實現(xiàn)轉動到直線往復移動變換功能最簡單的機構為曲柄滑塊機構，直線推桿盤狀凸輪機構和齒輪齒條機構 。 1)曲柄滑塊機構 2）直動推桿盤狀凸輪機構 3）齒輪齒條機構 圖 1— 3 機構運動簡圖 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 8 - 速機構的設計 選擇 增速機構是傳遞動力及變速的核心機構。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。 可以利用圓盤側面的形狀特征，為此圓盤旋轉時通過側面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調整）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1— 4 所示 ： 圖 1— 4 圓柱凸輪傳動機構 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 出去的力應通過增速機構繼續(xù)傳遞。由于轉換機構的運動輸入構件作定軸轉動，這樣在剪草機動力輸入構件輪子和轉換機構的運動輸入構件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設計的剪草機結構緊湊，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，應用到剪草機械中，會使支撐結構復雜。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構復雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結構較簡單， 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。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 9 - 機構組成方案如圖 1— 5 所示： 1) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構 2）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構 3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構 圖 1— 5 機構運動簡圖 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 1）和 2） 所示的機構組成方案不能最終滿足設計要求，還需對機構進行進一步構型。 方案 1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構來實現(xiàn)滑 塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖 1— 6 所示。 圖 1— 6 梅花凸輪傳動機構 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 10 - 方案 2 利用圓柱凸輪機構將凸輪軸的旋轉運動轉化為滑塊的往復運動，其工作原理如圖 1— 7 所示。 圖 1— 7 圓柱凸輪傳動機構 在圖 1— 6 所示的梅花凸輪機構中，為把凸輪的轉動變?yōu)閳?zhí)行構件的往復移動需增加一個支點和一個構件兩個低副（或一個構件一個高副），這樣會增加整個機構的復雜性，且設計時 1l 應該比 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和端面凸輪機構的結構簡單，可以考慮作為所設計的剪草機的運動轉換機構。 但是，我們還希望所設計的剪草機能實現(xiàn)剪草高度的調節(jié)。要實現(xiàn)此調節(jié)功能，在圖 1— 7 所示的圓柱凸輪機構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，使機構結構變得較為復雜。而圖 2— 7 所示的端面凸輪機構，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)剪草高度的調節(jié)。 機構的功能及特點 該機 采用固定刀片與活動刀片相對錯動的剪切原理，結構緊湊，體積小，質量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的剪草處理； 無需引擎驅動，使用安全、可靠，便于維護； 剪草的高度可在 1— 20間調整，割幅 240形尺寸（長 ? 寬 ? 高：586? 369? 200,質量 30料由 45 鋼制作 ）； 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 11 - 采用耐用的鑄鋁底盤和結構件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點； 前輪采用萬向輪，具有良好的導向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使剪草機轉彎時易于推動； 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品。 計與用戶的一致性分析 （ 1） 從機構運動的功能出發(fā)，按變異 — 組合法和類比法完成機構的構件和設計 ； （ 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（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（運動形式轉換機構），將轉動轉變?yōu)橹本€往復運動，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） 采用的剪草高度調節(jié)機構，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調節(jié)的問題； （ 8） 產品成本（制造和使用成本）低，符合廣大用 戶購買能力的要求。 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 12 - 計方案論證 該機構由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運動方向，最終輸出往復剪切運動。總體方案設計如圖 2— 1 所示： 圖 2體方案設計 案的選擇 選擇這個設計方案能夠更好的實現(xiàn)運動傳遞。無引擎驅動，節(jié)省能源，無污染（噪音、廢氣），采用綠色環(huán)保設計 。采用齒輪機構（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 （運動形式轉換機構），將轉動轉變?yōu)橹本€往復運動，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。采用的剪草高度調節(jié)機構，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調節(jié)的問題。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 13 - 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構比較簡單，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構的復雜。并且增速機構采用 端面齒輪和撥桿的運動組合，結構簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。 同時剪草的數量較多，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 機構方案 簡圖 如圖 2— 2 所示： 圖 2— 2 蝸輪蝸桿傳動的割草機 輪的 計算部分 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，可以假設剪一根草所需載荷為 ，同時剪草數量最多為 500 根。可得 F=250N；端面齒輪上所受力的大小為： 12125F F N?? 輪子提供轉矩帶動剪刀，進行機械運動。假設輪子的直徑為 200D ；輪子周長為 。 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 14 - 假定人的正常行走步數為 500 /mm s 。 假定刀具所受的力全部來自輪子的轉矩所引起的運動。 則 1 2 1 F v? ? ? 1 軸 ? 上的所傳遞的功率大小為： 12() 1 3 8 . 9 ??? 軸 上的所傳遞的功率大小為： 12 1 4 6 . 1???; 輪子所傳遞的功率大小為： 2 1 4 9 . 1?輪 路及要求 手推式剪草機中的齒輪設計要求 （ 1） 合理選用模數： 在現(xiàn)代變速 箱設計中，各檔齒輪模數的選擇是不同的。但為了經濟性和用途的要求，初選模數： 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，現(xiàn)山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 15 - 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，分別用四個系數來修正名義載荷，這四個系數分別為使用系數、動載系數、齒向載荷分布系數、齒間載荷分配系數。 各種齒輪強度計算方法所采用的動載系數 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 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)，在齒根產生彎曲應力和其它應力，并有較大的應力集中，為使齒輪在預定的壽命期內不發(fā)生斷齒事故，必須使齒根的最大應力小于其許用應力。 （ 1） 輸 出轉矩設計 ： 轉速 1 1 3 . 0 4 / m i 5 6 0? 軸 ? 上的轉速 3 3 9 . 1 2 / m i nn n i r? ? ? ? 計算輪子傳遞的轉矩 69 . 5 5 1 0 PT n? ? ?輪 可得： 1 2 3 3 4 . 5 7T N m m?輪 軸 ? 上的轉矩為 : 12 3 9 1 1 . 0 9 m ?? ??? （ 2） 齒輪 的參數 設計 ： 選擇齒輪材料、熱處理、精度等級及其齒數 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： 40質 )，齒面硬度 280齒輪： 45 鋼（調質），齒面硬度 240者硬度相差 40 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 16 - 選擇小齒輪齒數： 3，大齒輪齒數： 2 1 1 69Z u Z ? ? （ 3） 基本參數的選擇 試選載荷系數： 選擇的齒寬系數為： ? 查得彈性系數為： 1 8 9 按齒面硬度查取接觸疲勞極限： 小齒輪： li m 1 720H M P a? ? , 大齒輪： li m 2 580H M P a? ? ； （ 4） 計算應力循環(huán)次數 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，預期使用壽命為 50 年。 小齒輪的應力循環(huán)次數為： 1160 hN ? 可得： 81 1 2 1 0N ?? 大齒輪的應力循環(huán)次數為： 712 3 . 7 3 1 0NN i? ? ? （ 5） 計算接觸疲勞許用應力 查得接觸 疲勞壽命系數：小齒輪 1 , 大齒輪 2 接觸疲勞強度安全系數 ? ? 有公式： ? ? ? ?1 l i m 11 5 9 1 . 6H N K M P ??（ 1） ? ? ? ?2 l i m 22 6 6 2 . 4H N K M P ??（ 2） 試算小齒輪分度圓直徑 ? ?21312 1 Z ????? ???? （ 3） 可得： 1 2 2 td m m? 為了保證制造工藝簡單，取 1 40td 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 17 - 模數： 11 1 . 7 4 ( )dm m 取標準模數 2( )m 小齒輪分度圓直徑： 1146d m z m m?? 大齒輪分度圓直徑： 22138d m z m m?? 大齒輪齒寬 21 3 6 . 8dB b d m m?? ? ? ,圓整取 37b ； 小齒輪齒寬 1 42B (加寬 5中心距 ? ?12 922m m??? 小齒輪齒全高 1 1 1 2 2 . 5 4 . 5h h m m? ? ? ? ? 大齒輪齒全高 2 2 2 2 2 . 5 4 . 5h h m m? ? ? ? ? 齒輪的相關參數如下表所示 ： 表 2數表 （ 6） 計算載荷系數 K 查得使用系數 圓周力 1 12 1 7 0 . 0 5t ， 1 . 2 5 1 7 0 . 0 5 5 . 7 437b m m??? 查得動載荷系數 查得齒間載荷分配系數 ? , ? 查得齒向載荷分布系數 ? , 一般經仔細跑合，取 1 ?? 齒輪 齒數 模數 齒形角 全齒高 大齒輪 69 0 齒輪 23 0 亞斌：手推式剪草機的設計 - 18 - 計算載荷系數 2 . 0 3 4A V H K K K???? （ 7） 修正計算 ： 3311 2 . 0 3 44 0 4 3 . 3 31 . 6t d m ? ? 已取 1 4 6 4 3 . 3 3d m m m 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 確定設計參數 載荷系數 K= 1 . 2 5 1 . 1 7 1 . 2 1 . 2 2 . 0 3 4A V F K K?? ? ? ? ? ? 小齒輪傳遞的轉矩 1 3 9 1 1 . 0 9T N m m?? 查得齒形系數 1 ? , 2 ? ;應力修正系數 1 ? ， 2 ? 查得彎曲疲勞壽命系數：小齒輪 1 ,大齒輪 2 按 齒 面 硬 度 查 得 彎 曲 疲 勞 極 限 ： 小 齒 輪 li m 1 620F M P a? ? , 大齒輪l i m 2 450F M P a? ? 計算彎曲疲勞許用應力 ? ?F? 取彎曲疲勞強度安全系數 ? ? 由公式 ? ? ? ?1 l i m 11 F N ?,可得 ? ?1 4 0 5 P a? ? 由公式 ? ? ? ?2 l i m 22 F N ?，可得 ? ?2 3 1 1 P a? ? 齒根彎曲應力 ? ?11 1 1 112 8 0 . 5F F S Y M P ab d m????? ? ? ? ?12 1 1 212 7 4 . 2F F S Y M P ab d m????? ? ? 結論 :計算可得彎曲疲勞強度足夠。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 19 - 的計算部分 設計 （ 1） 選擇軸 的材料 該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調質處理， 640B M ? 初步估算軸徑 ： 按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按 45 鋼，取 116C? 根據公式5%1 33m i n 210 . 1 3 8 91 1 6 8 . 6 1 5 9 . 0 53 3 9 . 1 2? ? ?加，取 m 10d （ 2） 軸 的結構設計 軸 上零件的軸向定 及 位 周向定位 。 從左輪子連接處向右取 ： 1 0 1 2 1 4 1 2 1 0m m m m m m m m m m????。 考慮軸的結構工藝性 ： 考慮到軸的結構工藝性，在軸 的左端和右段均制成 2 45??倒角 。 （ 3） 軸 的強度演算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數均已知。 齒輪上作用力的大小轉矩： 1 2 3 3 4 . 5 7T N m m?輪 齒輪端面分度圓直徑： 22 2 6 9 1 3 8 ( )c o s c o s 0z m m?? ? ?? 圓周力： 22 1 7 0 . 0 5 ( )輪 徑向力： t a n t a n 2 01 7 0 . 0 5 6 1 . 9 ( )c o s c o s 0 N?? ?? ? ?? 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 20 - 軸向力： t a n 0 ( ) N?? ? ? 受力簡圖如 3— 2 所示： 圖 2— 3 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： 1 2 2 . 5 6 9 3 0 . 9 5 ( )1 2 2 . 5 1 2 2 . 5? ???? 3 0 . 9 5 ( )D V r B F N? ? ? 截面 C 處的彎矩為： 1 2 2 . 5 3 7 9 1 ( ) N m m? ? ?左 1 2 2 . 5 3 7 9 1 ( ) N m m? ? ?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： 1 2 2 . 5 8 5 ( )1 2 2 . 5 1 2 2 . 5?? 8 5 ( )D H t B F N? ? ? 截面 C 處的彎矩為： 1 2 2 . 5 1 0 4 1 2 ( )C H B N m m? ? ? 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 21 - 圖 2— 5 水平面上截面的支反力 截面 C 處的合成彎矩為： 22 1 1 0 8 1 ( ) M N m m? ? ?左 左 22 1 1 0 8 1 ( ) M N m m? ? ?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 ，該截面上的計算應力： ? ? 22 4 8 . 5 7 ( ) P ???翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 22 - 通過查表可知： 材料為 45 鋼，調質處理的許用應力為 ? ?1 60M ? ? ，由于 ? ?1v???? ，故安全。 的設計 （ 1） 選擇軸 ? 的材料 該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調質處理， 640B M ? 初步估算軸徑 ： 按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按 45 鋼，取 116C? 根據公式5%1 33m i n 110 . 1 4 6 11 1 6 1 2 . 6 4 1 3 . 2 71 1 3 . 0 4? ? ?加，取 m 14d （ 2） 軸 ? 的結構設計 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。 根據軸的直徑查得齒輪處的鍵截面尺寸為 66b h m m m m? ? ? ，配合為 7 6H r ，滾動軸承內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 1 4 1 6 1 8 2 2 1 8 1 6 1 4m m m m m m m m m m m m m m? ? ? ? ? ?。 考慮軸的結構工藝性 ： 考慮到軸的結構工藝性，在軸的左端和右段均制成 2 45??倒角 。 軸 ? 的強度演算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數均已知。 齒輪上作用力的大小轉矩： T? =3911N· 輪端面分度圓直徑： 11 2 2 3 4 6 ( )c o s c o s 0z m m?? ? ?? 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 23 - 圓周力： 12 1 7 0 . 0 5 ( )??徑向力： t a n t a n 2 01 7 0 . 0 5 6 1 . 9 ( )c o s c o s 0 N?? ?? ? ?? 軸向力： t a n 0 ( ) N?? ? ? 圖 2— 7 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： 211 2 0 . 5 2 4 . 5 1 2 0 . 5 2 1 6 . 5 1 3 0 . 5 ( )1 2 2 . 5 1 2 2 . 5 F F ? ? ? ? ? ??? ? 6 8 . 6 ( )D V r B F N? ? ? 方向相反 截面 C 處的彎矩為： 11 2 0 . 5 9 6 3 7 2 5 ( ) F N m m? ? ? ? ?左 2 9 6 1 2 0 . 5 2 0 2 6 6 ( ) F N m m? ? ? ? ?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： 1 2 0 . 5 8 5 ( )1 2 0 . 5 1 2 0 . 5?? 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 24 - 8 5 ( )D H t B F N? ? ? 截面 C 處的彎矩為： 1 2 0 . 5 1 0 2 4 6 ( )C H B N m m? ? ? 圖 2— 9 軸 ? 水平面上截面的支反力 截面 C 處的合成彎矩為： 22 1 0 9 0 2 ( ) M N m m? ? ?左 左 22 2 2 7 0 9 ( ) M N m m? ? ?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 ，該截面上的計算應力： ? ? 22 2 1 . 4 4 ( ) P ???通過查表可知： 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 25 - 材料為 45 鋼，調質處理的許用應力為 ? ?1 60M ? ? ，由于 ? ?1v???? ，故安全。 具的設計計算部分 具的概述 手推式剪切機采用剛性切割式，運動方式選擇往復式運動。 往復式切割裝置由上、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運動；其特點 是： 0S t t?? ，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 2— 11 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 1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 1為終切速。由 1 1切割速度的變化范圍。由圖 2— 11 可知， 1 圖 2— 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剪切機前進而向 前傾斜翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 26 - 狀態(tài)下切割的，使草叢表面稍欠平整。 具的運動分析 刀片一個行程時間內機器前進的距離稱為切刀的進程，以 H 表示，切刀一秒鐘內運動的絕對距離為： 1 0 . 5 12 0 3 6 2 8 6 . 4 90 . 6 2 8 3t n m ? ? ? ? ? ? ? ? 500my v t m m? ? ? 式中： — 機器的前進速度 ） 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 ： 10 201 0 . 0 72 8 6 . 4 9? ? ? 一個行程運動的絕對距離： 20x 0 35my v t m m? ? ? 可得切刀的進程 H 為： 0 35mH v t m m? ? ? 由于端面齒輪旋轉一周刀具往 復運動 6次，刀具行程運動呈現(xiàn)對稱的加速減速運動，速度由 100變化， 從 0 到達 1所需的時間與 1達 0 運動分析可知，刀具呈現(xiàn)勻加速運動，運動方程式為： 12 10 50 5????? 可得： 1 25 7 1 . 4 3 /1 6 3 2 6 . 5 /av m m sa m m s????? 切刀的平均速度： 0 5 7 1 . 4 3 2 8 5 . 7 /2pv m m s??? 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 27 - 將切刀的平均速度 機器的前進速度 比值 ? 稱為刀機速比。 0 1?? ，據類似的茶樹修剪機和采茶機的試驗分析，可得動力轉速較小的手推式剪草機傳動的效率較高。 具的結構尺寸及相關參數 刀片是切割 裝置的主要部件，由于使用條件和運動參數的不同，使刀 片的參數隨不同的機型而有些差異。 表 2— 2 手推式剪草機的主要參數 項目 切割器的形式 切割幅寬 刀片間距 刀片運動形式 刀片往復頻率 刀片形狀 配套動力 操作人數 凈重 手推式剪草機 往復切割 2400動 860r/形 13r/ 人 30割角的增大使切口變得不整齊。當刀片行程在 45，刀片的切割角 ? 和楔角 ? 不影響剪草的質量。 往復式刀刃的切割角 ? 和楔角 ? 如圖 2— 12 所示。 圖 2— 12 往復式刀刃的切割角 ? 和楔角 ? 試驗分析可知 行程與剪草質量的關系 ： 刀片的刀距行程對剪草的質量沒有顯著的影響。剪草質量比較好的行程在2 0 ~ 4 0mm 片也相應較少。 切割間 距在 10 ~ 30，切口平整；切割間距在 30推式剪草機的設計 - 28 - 以上時，切口就不平整；切割間距大于 40，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 的關系 手推式剪切機刀片的切割速度比在 下時，正常芽葉多，碎片少。對采摘質量沒有大的影響。對類似作物的試驗，任何往復刀片，當切割速度比在 下時，正常芽葉稍有減少的趨勢；切割速比在 0 時，剪草質量無明顯的差別。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 2— 3 往復式刀片的主要技術參數 項目 刀片 刀間距 刀高 切割角 刀角 硬度（ 往復式刀片 動刀片 205'1440 38 55~60 定刀片 64 面齒輪及撥桿的設計部分 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。 面齒輪和撥桿的運動分析 端面齒輪的形狀如圖 2— 13 所示： 圖 2— 13 端面齒輪的形狀 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 29 - 對撥桿的運動要求為： 當端面齒輪轉過 26 時，推桿上升 20 端面齒輪再轉過 26 時，撥桿下降 20 推桿繼續(xù)轉過 8 時，撥桿又停止不動。 運動狀態(tài)如圖 2— 14 所示。 圖 2— 14 運動分析圖 撥桿在端面齒輪 130? 處安裝， 圖中 a 與 b 為撥桿上升對應的端面齒輪所旋轉的角度26 ， c 為 8 。在端面齒輪上 撥桿與端面齒輪接觸點 旋轉的角度所對應的行程為： 26 2 9 . 5360a d m m?? ? ? 8 9 . 1360c d m m?? ? ? 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 2— 15 端面齒輪的輪廓曲線 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 30 - 假設 在端面齒輪上的運動行程為 X ,接觸點上下運動的位移為 Y ,可得運動軌跡方程為： 2360? ????? ?? 在 式中 各參數： ? 為端面齒輪旋轉的角度 ； 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參數。 代入特殊值 4 0? ? ， 2 26? ? 可得： 從而得出接觸點上下運動位移的軌跡方程為： 22 360Y k X k d ????? ? ????? 推程階段 1 1326 180???? 22 1360Y k X k d ????? ? ????? 1130,180????? ???? 遠休止 階段 2 1326 180???? 20Y? 2 13180??? 回程階段 3 1326 180???? 22 3360Y k X k d ????? ? ????? 3130,180????? ???? 近休止階段 4 8 45?? ?? 0Y? 4 0,45?? ??? ???? 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構。故只需研究撥桿一個往復運動的工山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 31 - 作輪廓線即可。 計算結果可得端面齒輪的工作輪廓線對應的值 表 2— 4 端面齒輪的工作輪廓線 ? X （ Y (0 0 0 2 0 2 4 6 8 0 2 4 6 過上述表中參數，我們可以近似加工出端面齒輪的工作輪廓線。度數越分的密，端面齒輪的形狀越精確。 工作輪廓線如圖 2— 16 所示。 圖 2— 16 端面齒輪的工作輪廓線 翟亞斌：手推式剪草機的設計 - 32 - 論 剪草機的使用方法 修剪是草坪養(yǎng)護管理中的核心內容?？茖W地對草坪進行定期修剪，可提高草坪質 量，使草坪整齊美觀，而且具有較高的坪用價值和經濟價值，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。如修剪量過大，將會由于葉面積大量損失而導致草坪草光合作用急劇下降。由于修剪不及時而導致失剪的草坪，仍應遵循“三分之一” 原則，切忌一次修剪就達到需求的標準，而應通過少量多次修剪，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。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增多，晚秋應逐漸減少修剪次數，夏季有休眠現(xiàn)象，也應根據情況減少修剪次數。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。 剪草前應注意 的事項 剪草前應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 .；剪草前應清除草坪上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對于固定設施，如噴灌管埋頭等，應作好標志，以防損壞刀片在剪草前，應測量草坪的高度，將剪草機調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草坪要求的修剪質量、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。總之，選擇的總原則是在達到修剪草坪質量的前提下，選擇經濟實用的機型。 山西農業(yè)大學工程技術學院畢業(yè) 設計說明書 - 33 - 制造價格及應用范圍 根據目前市場實際 :：制造原材料費用 100～ 150 元，手工費 : 50～ 100 元 ，因此總造價在 300 元以內。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 （ 產品的名稱 : 手推式剪草機 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記順序組裝，各段機槽內口的連接應平整、密合，如有錯位，只允許比剪草機撥桿稍低，其值不得大于 1體組裝后測定其機槽兩側對稱中心面的對稱度。頭輪、尾輪必須對中。輪軸應保持平行，以避免 剪草機 在運行時跑偏 。 安裝剪草機刀具時應再次檢查刀具往復運動是否靈活只有運動靈活的剪草機方可進行安裝。 完成剪草機各部分安裝工作后，即可進行空載運轉試驗。 運行前應做如下工作： （ 1） 所有軸承、傳動部件和減速器內應有足夠的潤滑油； （ 2） 檢查和清除剪草機機槽內部遺留的工具、鐵件或其他雜物； （ 3） 全面檢查剪草機各部分是否完好無損，剪草機刀具的運轉松緊度是否合適。 當上述各項準備工作做好后，推動剪草機，觀察小輪和大輪是否與殼體卡碰和跑偏，當無缺陷后，可遠距離運轉即可進行空載運轉。 當空載運轉并對運轉情況認為 滿意后，可進行剪草試驗。開始需