0404059王法臣手推式草坪割草機(jī)設(shè)計(jì)

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(guò)引導(dǎo)性計(jì)劃，通過(guò)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，割草效果較好。但是，其價(jià)格也較昂貴，就目前來(lái)說(shuō)一般的用戶難以接受。通過(guò)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(guò)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、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(kāi)發(fā)隊(duì)伍、設(shè)施及必要的檢測(cè)手段，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(kāi)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(wèn)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(guò)幾年，便有40多項(xiàng)有關(guān)割草機(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(kāi)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(kāi)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316萬(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12億13億元人民幣，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(jiàn)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400lO00mm，割草高度從0100mm有幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位。1.3.3 常見(jiàn)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312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380mm 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(pán)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，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2580mm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(pán)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(pán)、背向人的護(hù)罩組成。當(dāng)打草盤(pán)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。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(guò)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(guò)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(guò)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3046m/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：1825周歲 15541830毫米2635周歲 15451851毫米3560周歲 15541798毫米平均身高：1860周歲 15431814毫米成年女性身高：1825周歲 14571709毫米2635周歲 14491698毫米3660周歲 14451683毫米平均身高：1860周歲 14491697毫米成年男性臂長(zhǎng)：1825周歲 279350毫米2635周歲 280349毫米3660周歲 278348毫米平均臂長(zhǎng)：1860周歲 279349毫米成年女性臂長(zhǎng)：1825周歲 253319毫米2635周歲 253320毫米3660周歲 251317毫米平均臂長(zhǎng)：1860周歲 252319毫米立姿工作崗位工作高度：男性：95010501150毫米105012001300毫米女性：8509501050毫米100011001200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8501300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：105115毫米 針對(duì)女性：100110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：90100毫米 女性：9095毫米）D：用勁大的工作。（男性：8095毫米 女性：7590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(guò)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(guò)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：M30kg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=0.5N2.2.2 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240mm20mm單動(dòng)860r/min平形149.1W113r/min1人30kg2.3 已經(jīng)考慮過(guò)的若干方案的比較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(guò)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(guò)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(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)都需要再經(jīng)過(guò)一級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。通過(guò)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，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(wèn)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(méi)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)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(guò)多，操作不方便。要使操作者只通過(guò)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(pán)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) b）直動(dòng)推桿盤(pán)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(wèn)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(pán)側(cè)面的形狀特征，為此圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)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作，傳遞出去的力應(yīng)通過(guò)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)。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(pán)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(guò)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120mm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(pán)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(pán)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；（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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)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)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題。另一方案，用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直接帶動(dòng)割草圓盤(pán)，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。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(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)用中割草機(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。可得F=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 軸上的所傳遞的功率大小為：軸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(kāi)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(kāi)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(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(guò)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。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)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 692.0204.5小齒輪232.0204.5（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(guò)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?。??？紤]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3.1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(guò)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。3.3.2 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，?。?）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(guò)確定定位軸肩高度，從左輪子連接處向右取?？紤]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：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(guò)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(méi)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(kāi)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(guò)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)刀片必須采用高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過(guò)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(shù)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240mm20mm單動(dòng)860r/min平形149.1W113r/min30kg切割角的增大使切口變得不整齊。當(dāng)?shù)镀谐淘?3.545mm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(méi)有顯著的影響。割草質(zhì)量比較好的行程在20mm40mm，碎片也相應(yīng)較少。切割間距在10mm30mm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(méi)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2.510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）往復(fù)式刀片動(dòng)刀片20mm35mm1440385560定刀片643.5 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(guò)26時(shí)，推桿上升20mm；端面齒輪再轉(zhuǎn)過(guò)26時(shí)，撥桿下降20mm；推桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)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)位移的軌跡方程為：推程階段 遠(yuǎn)休止階段 回程階段 近休止階段 通過(guò)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(jiàn)表3.4。表3.4 端面齒輪的工作輪廓線 （mm）(mm)002.2690.1184.5380.4746.8071.0669.0761.89511.3452.96013.6144.26315.8835.80218.1527.57820.4219.59122.69011.84124.95914.32827.22817.05129.49720.000通過(guò)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 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(chóng)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(guò)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(guò)少量多次修剪，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；剛澆過(guò)水、下過(guò)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x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100150 元，手工費(fèi): 50100 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)。- 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