全日制普通本科生畢業(yè)論文（設計）中 期 檢 查 表學 院： 工學院 學生姓名 學 號 年級專業(yè)及班級 指導教師姓名 指導教師職稱 論文（設計）題目 手推式草坪修剪機設計已完成的主要內容 尚需解決的主要問題畢業(yè)論文（設計）工作進度1、選題2、開題報告3、資料收集4、書本借閱5、相關課題研究資料收集6、小零件圖試畫1、設計說明書2、主要原理分析3、主裝配圖CAD4、其他零件圖CAD指導教師意見簽名： 年 月 日 檢查小組意見組長簽名： 年 月 日 注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應責任人親筆填寫。2.此表可從教務處網站下載中心下載。XX 大學畢業(yè)論文開題報告班級： 姓名： 論文題目 手推式草坪修剪機設計一 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之急。從 20 世紀起出現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動，功率 2.6Kw,一把旋刀，幅寬 420mm，每班可修剪 2000m2,整機質量 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的 JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪機，人推動前進并使 6 個滾刀旋轉切割草坪，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。該產品的特點是刀片耐磨，機具噪聲低，振動小，對坡地適應性好。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，根據所需要的培育強度，修剪的目的是在特定的范圍內保持頂端生長，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，產生一個真實的擊球表面或發(fā)展草坪作物。修剪的質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，畫出總設計的圖紙。（3） 在設計中應合理的選擇材料，減少應力集中（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)視旋轉式機械用于修剪呢絨絨毛。他決定將這一工作原理應用于割草 。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近 50000 臺草坪剪草機.其構造與今天的手推式剪草機類似 。1890 年還是在英國開始設計有動力驅動的剪草機。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)展了一種小型內燃機，并首先應用在自行車上。建立第一個摩托車。適用的動力源導致發(fā)展汽車，飛機甚至洗衣機，隨之應用于動力剪草機和園藝機具，另一個英國公司 1902 年皇家農業(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。他最早開始經營商業(yè)，他的馬達剪草機公司曾定名為“立即成功 ” 。他設計的發(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)合鑄造供應公司制造的草坪剪草機備有集草袋和自動離臺器當刀片遇到外界阻力時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 應用除根的耕作機具。該裝置不是第一個轉子式中耕機 (早在 1857 年就有此種機型)，但是早期的機型重量大，達數噸，其動力為蒸氣機式，與現代機型完全不同。1911 年德國的 Siemens—Sehckert～ Werk 公 司 ，在它的專利基礎上制造了最早的電動機驅動的中耕機。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轉子式中耕機的公司。Arien 公司的第一臺轉子式中耕機重 900 磅，未獲得成功。隨著 1 次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，園藝機械的生產也隨之停頓。應該指出，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)是一個轉折點，2 次世界大戰(zhàn)之后 ，整個國家得到復興，園林機械也得到重大發(fā)展。允許復役軍人低價買房不付現金，大批建設房屋并 出售。促使園林設備得到空前發(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，人們利用內燃機為動力驅動掃雪裝置，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)辦草坪設備期刊 ，1969 年，該雜志更名為戶外動力設備 （OPE） 。在雜志創(chuàng)辦時，按照產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．園林機械設備的歷史沒有結束．如同沒有明顯的起點一樣，沒有終點它將繼續(xù)擴大領域為人類作出新的貢獻。四 方案論證根據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換。傳動裝置是大多數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量和成本中占有很大比例。機器的運轉性能和運轉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，滾刀和底刀結構如下圖所示。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被卷進剪口內，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而特意設置的工作裝置，它是由齒輪和其內的彈簧和鋼球組成。剪草時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內壁迫使起和其他齒輪嚙合，從而帶動滾刀旋轉然后與底刀相切剪草的，當手扶手拉動剪草機向后運動時，由于該齒輪的轉速大于與之聯(lián)結的軸的轉速，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 詳細設計第 9、10 周 詳細設計第 11、12 周 詳細設計第 13、14 周 詳細設計第 15、16 周 詳細設計第 17 周 撰寫畢業(yè)設計說明書第 18 周 畢業(yè)答辯六 指導教師意見：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 教務處制 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設 計 手推式草坪修剪機設計THE DESIGN OF HANDS PUSH LAWN MOWING MACHINE學生姓名： 全日制普通本科生畢業(yè)設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(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，本論文的著作權由本人與湖南農業(yè)大學東方科技學院、指導教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。畢業(yè)設計作者簽名：年 月 日目 錄摘要……………………………………………………………………………………1關鍵詞…………………………………………………………………………………11 緒論………………………………………………………………………………21.1 引言………………………………………………………………………21.2 手推式割草機在國內外的發(fā)展和使用…………………………………21.3 設計手推式割草機的意義………………………………………………21.4 作品的結構特點與優(yōu)勢…………………………………………………32 總體方案設計……………………………………………………………………32.1 總體要求…………………………………………………………………32.2 手推式剪草機設計與制作的具體任務…………………………………32.3 其他工作設計方案比較…………………………………………………42.4 主要技術指標……………………………………………………………52.5 工作原理…………………………………………………………………52.6 總體結構…………………………………………………………………52.7 兩種方案的比較及最終選擇……………………………………………63 傳動機構設計……………………………………………………………………63.1 機構的動力計算…………………………………………………………63.2 剪草機后輪的設計………………………………………………………73.3 大齒輪設計與計算過程…………………………………………………83.4 后輪軸的設計與計算過程………………………………………………123.5 后輪軸滾動軸承的選用…………………………………………………153.6 后輪軸鍵的選擇…………………………………………………………154 增速機構設計……………………………………………………………………164.1 齒輪軸的設計與計算……………………………………………………164.2 齒輪軸滾動軸承的選用…………………………………………………194.3 齒輪軸鍵的選擇…………………………………………………………205 轉換機構設計……………………………………………………………………205.1 端面齒輪和撥桿的運動分析與計算……………………………………206 執(zhí)行機構設計……………………………………………………………………236.1 刀具的概述………………………………………………………………236.2 刀具的運動分析…………………………………………………………246.3 刀具的結構尺寸及相關參數……………………………………………256.4 固定刀片設計……………………………………………………………276.5 活動刀片設計……………………………………………………………277 剪草機機架與萬向輪設計………………………………………………………287.1 萬向輪的設計……………………………………………………………287.2 機架的設計………………………………………………………………288 剪草機的使用方法………………………………………………………………289 剪草機使用后的維護……………………………………………………………2910 總結………………………………………………………………………………29參考文獻……………………………………………………………………………30致謝…………………………………………………………………………………31附錄…………………………………………………………………………………311手推式草坪修剪機設計摘 要：為了更好的適應人們的需求，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。能更好的滿足客戶的需要。本文基于機械設計和相關的理論研究，設計了手推式剪草機的傳動部分，并且用凸輪和推桿的設計方法設計了端面齒輪和撥桿。此次設計的手推式剪草機的左右兩側對稱，其特點是結構簡單,受力均勻,運行平穩(wěn),摩擦阻力小，彎曲性能好,不易出現堵塞，具有很強的適應性。關鍵詞：草坪修剪機 ；剪草 ；手推 ；改進設計Hands Push Lawn Mowing Machine DesignAbstract : 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 design1 緒論1.1 引言本作品設計旨在設計一款體積小，質量輕，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。作品設計的應用主要是家庭式草坪。家庭草坪面積2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 ，所以有必要設計一款適合家庭使用的小功率，高效，低成本的剪草??1機來解決上述問題。本次設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外的發(fā)展和使用國內目前生產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量,是高質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打切草的上部葉片,它適于 25～80 mm 范圍內剪草 [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把草割斷，通過旋轉氣流把草排出，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 設計手推式草坪修剪機的意義大多數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動轉換作為動力源 [8]，這樣的一款剪草機，結構簡單，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。31.4 作品的結構特點與優(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、質量輕、結構簡單、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，結構緊湊，剪草效率高。 4) 剪草的高度可在 20—60mm 之間調整，割幅 330mm，,質量 29kg（刀片材料由9SiCr 制作） ；5)采用耐用的鑄鋁底盤和結構件，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；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品。 2 總體方案設計2.1 總體要求利用輪子運動傳動變速箱中的齒輪實現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。采用齒輪機構（實現增速） ，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,采用的剪草高度調節(jié)機構。2.2 手推式割草機設計與制作的具體任務 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 所示：4圖 1 手推式草坪剪草機的組成框圖Fig 1 Hand push lawn mower composition block diagram2.3 其他工作設計方案的比較能實現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。機械容易實現的是簡單的轉動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現執(zhí)行構件的往復移動，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。2.4 主要技術指標外形尺寸：850×490×390mm5輸入功率： W1.49輪子轉速： min/03r力矩： 57.2??NT輪凈質量： kgM?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： 根50N2.5 工作原理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 [11]。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。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。手推式草坪修剪機機構簡圖如下圖 2：1.傳動機構 2.增速機構 3.轉換機構 4.執(zhí)行機構圖 2 手推式草坪修剪機機構簡圖Fig 2 Hand push lawn-trimming machine mechanism2.6 總體結構該機構由輪子帶動，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6合變化運動方向，最終輸出往復剪切運動?？傮w方案設計如圖 3 所示：圖 3 總體方案設計Fig 3 The overall scheme design2.7 兩種方案的比較及最終選擇選擇這個設計方案能夠更好的實現運動傳遞。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 [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。采用的剪草高度調節(jié)機構，解決了目前手動剪草機不易實現高度調節(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，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 [13]。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。3 傳動機構設計3.1 機構的動力計算7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 f=0.5N，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： NF1251?輪子提供轉矩帶動剪刀，進行機械運動。假設輪子的直徑為 D=200mm；輪子周長為 C=628.3mm。假定人的正常行走步數為 500mm/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 121ffPFv??（1）172.5fPW?軸Ⅰ上的所傳遞的功率大小為： ff 9.13821??軸Ⅱ上的所傳遞的功率大小為： P.4621?輪子所傳遞的功率大小為： W.92?輪手推式剪草機對齒輪的設計要求（1）合理選用模數：在現代變速箱設計中，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：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 剪草機后輪的設計后輪是行走輪，通過人力推動剪草機使行走輪往前轉動，行走輪安在后輪軸上，帶動軸上面的齒輪旋轉，從而實現機器的傳動，后輪的設計尺寸如下圖所示：8圖 4 后輪零件圖Fig4 rear wheel drawing3.3 大齒輪設計與計算過程（1）輸出轉矩設計：轉速： min104.1365.0rCn??軸Ⅱ上的轉速： in122.9ri計算輪子傳遞的轉矩： PT??605.9輪（2）可得： m7.1234??NT輪軸 上的轉矩為: ? mNiT???09.31211?（2）齒輪的參數設計：9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：40Cr(調質 )，齒面硬度 280HBS；大齒輪：45 鋼（調質） ，齒面硬度 240HBS。二者硬度相差 40HBS。選擇小齒輪齒數： =23，大齒輪齒數：1z 6912?iZu（3）基本參數的選擇試選載荷系數： 6.?tK選擇的齒寬系數為： 80d?查得彈性系數為： MpaZE.19按齒面硬度查取接觸疲勞極限：小齒輪： , 大齒輪： ；H7201lim??paH5802lim??（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： hLjnN1160?（3）可得： 810492.??N大齒輪的應力循環(huán)次數為： 7123.0Ni??（5）計算接觸疲勞許用應力查得接觸疲勞壽命系數：小齒輪 , 大齒輪2.1HNK92.0?HNK接觸疲勞強度安全系數 ??0.?S有公式：??1lim59.6HNMPaS??（4） 10??2lim26.4HNKMPaS??（5）試算小齒輪分度圓直徑：??21312EHtKTZud???????????（6）可得： mdt17.2?為了保證制造工藝簡單，取 mdt401?模數： ??z74.1取標準模數： m2?小齒輪分度圓直徑： mzd461大齒輪分度圓直徑： 382?大齒輪齒寬 ，圓整取 ；bBd.12??mb37?小齒輪齒寬 (加寬 5mm)m41中心距： （7） ??da921??小齒輪齒全高： 11.54afhm?大齒輪齒全高： 22.af??齒輪的相關參數如下表所示：（6）計算載荷系數 K查得使用系數 25.1?A圓周力11，NdTFt 05.172? mNbFKtA74.530.12.???查得動載荷系數 .V查得齒間載荷分配系數 , 2.1??H.?F查得齒向載荷分布系數 一般經仔細跑合，取39?K2.1??FHK計算載荷系數： .034AVHK???（8）（7）修正計算：3312.043.16ttKdm???已取 ,符合接觸疲勞強度條件。m46.（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= 034.21.725.1?????FVAK小齒輪傳遞的轉矩： mNT?09.3查得齒形系數：, 12.6FY??2.4F?應力修正系數：，1.58S?21.75S?查得彎曲疲勞壽命系數：小齒輪 ,大齒輪.01?FNK90.2?FNK按齒面硬度查得彎曲疲勞極限 ：小齒輪 ,大齒輪lim?Mpa6limlim2450FMPa??計算彎曲疲勞許用應力 ??F取彎曲疲勞強度安全系數 3.1?S12由公式??1limFNKS??（9）可得 ??MpaF4.051由公式， ，可得 ??FNSK2lim2????MpaF5.312?（10）齒根彎曲應力；??1111280.5FFSFKTYMPabdm??????A ??121274.FSFKTYPabdm?????A結論：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)的設計與計算（1）選擇軸Ⅰ的材料該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調質處理， MpaB640??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 C=116根據公式：5%133min10.4612.3.7PdC???加（11）取 41min（2）軸Ⅰ的結構設計軸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。13根據軸的直徑查得齒輪處的鍵截面尺寸為 ，配合為 ，滾6bhm??76Hr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 。14618218614mm??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 倒角。??52軸Ⅰ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： =3911N·mm1T齒輪端面分度圓直徑：(12)112346()coss0nmdzm????圓周力：(13) 17.5()tTFNd?徑向力：(14) tantan20.61.9()coscosr?????軸向力： ??NFt0??（15）垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 211.54.20.56.30.5()r aBVFN???? ?8.()DVrBVN?截面 C 處的彎矩為： 120.5963725()BVCMFm???A左96.0DN?右14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： 120.58()tBHFN????DtBH?截面 C 處的彎矩為： ??mMBCH??102465.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： 22109()CHCVMNm???A左 左 7右 右15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0.6??截面上的計算應力：??221.4()vMTPaW?????（16）通過查表可知：材料為 45 鋼，調質處理的許用應力為 ，由于 24000h hpcnLh6610.3)(0???（18）由此可見，軸承的壽命高于預期的計算壽命，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。鍵的類型應根據鍵聯(lián)接的結構特點、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，故查機械設計手冊得：[ ]=100-p?120MPA,取平均值[ ]=110MPA。鍵的工作長度 l=L-b=36-12=24mm，p?17鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 K=0.5h=0.5×8=4mm。由式得：= =14.30mpa24000h hpcnLh 66103.)(0???（20）21由此可見，軸承的壽命高于預期的計算壽命，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，故查機械設計手冊得：[ ]=100-p?120MPA,取平均值[ ]=110MPA。鍵的工作長度 l=L-b=28-6=22mm，p?鍵與輪轂鍵槽的接觸高度 K=0.5h=0.5×6=3mm。由式得：= =13.68mpa110mpa 強度合格 pKldT3102?5 轉換機構設計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：22當端面齒輪轉過 時，推桿上升 20mm；?26端面齒輪再轉過時 ，撥桿下降 20mm；推桿繼續(xù)轉過 時，撥桿又停止不動。?8撥桿在端面齒輪處安裝 [16]，撥桿上升對應的端面齒輪所旋轉的角度 ，c 為 。?26?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： 269.530adm???81c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XY程為： 2360dYkX????????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 ， 可得：k=0.023??04?26?從而得出接觸點上下運動位移的軌跡方程為：(21) 22360YkXd??????????推程階段 ： ?1803261?23221360YkXd??????????130,8?????????遠休止階段 ： ?81?Y=20 ?18032回程階段 ：22360YkXd??????????3,?????????近休止階段 ： 4584??Y=0 ???????45,0?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構。故只需研究撥桿一個往復運動的工作輪廓線即可。計算結果可得端面齒輪的工作輪廓線對應的值如下表：表 1 端面齒輪的工作輪廓線Table 1 The end face gear Contour Line?（mm）X(mm)Y0?0 02?2.269 0.11844.538 0.4746?6.807 1.06689.076 1.89510?11.345 2.9602?13.614 4.263415.883 5.80216?18.152 7.5782418? 20.421 9.5912022.690 11.841?24.959 14.328427.228 17.05126?29.497 20.000通過上述表中參數，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。6 執(zhí)行機構設計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： ，刀?ts?片的行程與上、下刀片的距離均相等。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 [17]。刀片的速度圖如圖 2—11 所示。剪刀自 點0a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1a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1aV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1C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 。1cV1aVc 1aV1c25圖 13 切割速度的變化Fig 13 The cutting speed changes6.2 刀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：10.51236286.49mvtxtnmc????（22）50myvt（23）式中： ——機器的前進速度mv??s——刀具水平運動的距離1t——輪子的周長C一個行程所需要的時間為： sxt07.49.2861????（24）一個行程運動的絕對距離：x=20mm035myvt可得切刀的進程 H 為：H= ???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 。1av1av.035s運動分析可知，刀具呈現勻加速運動，運動方程式為：121.35at?????可得：127.4/635avms切刀的平均速度： 0.8.7/2pvs??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。mv?26，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0.571pmv??手推式剪草機傳動的效率較高。6.3 刀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。手推式剪草機的主要參數如下表 2 所示： 表 2 手推式剪草機的主要參數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 330mm 16mm 單動 860r/min 平形149.1W113r/min 1 人 30kg切割角的增大使切口變得不整齊。當刀片行程在 時，刀片的切割角13.5~4m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 14 所示。?? ??圖 14 往復式刀刃的切割角 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20mm~40mm，碎片也相應較少。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。