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山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 1 - 1 技術(shù) 任務(wù)書(shū) 計(jì)的依據(jù) 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) 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(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 。 手推式剪草機(jī)主 要利用滾動(dòng)的輪子帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。手推式剪草機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接平穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分容易，既給使用人帶來(lái)方便，也給周圍的人帶來(lái)舒適，安靜的環(huán)境。 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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，一般的用戶難以接受。 通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，我們決定設(shè)計(jì)一種無(wú)引擎驅(qū)動(dòng)，無(wú)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(wú)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。 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 2 - 手推式剪草機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù) 外形尺寸： 5 8 6 3 6 9 2 0 0 輸入功率： 輪子轉(zhuǎn)速： 力矩： 1 2 3 3 4 . 5 7T N m m?輪 凈質(zhì)量： 30M 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) 單根剪草載荷： 同時(shí)剪草量： 500N ? 根 手推式剪草機(jī)的刀具設(shè)計(jì)參數(shù) 表 1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 手推式剪草機(jī) 往復(fù)切割 2400動(dòng) 860r/形 13r/ 人 30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(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。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 3 - 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(guò)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(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 內(nèi)外發(fā)展概述 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 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(wèn)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(guò)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(wàn)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(kāi)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 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。 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 4 - 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(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(wàn)臺(tái)， 1974 年達(dá) 700 萬(wàn)臺(tái)。 20 世紀(jì) 70 年 代后期開(kāi)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(wàn) — 600 萬(wàn)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(wú)線電操縱的剪草機(jī)誕生；1978 年， 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 ，以及清潔草坪用的 到了 80 年代 后期， 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(lái)，草坪剪草機(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 年的剪草機(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)，剪草機(jī)進(jìn)口量在 3． 16 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 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(wàn)臺(tái)左右 。 見(jiàn)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～ 草高度從 15～ 幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位 。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 5 - 見(jiàn)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～ 80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(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 25 ~ 80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。 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 6 - 我們所設(shè)計(jì)的手推式草坪剪草機(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(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 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(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） 用割的方式 即用刀將草截?cái)?。但草柔軟，且一端自由，采取?的方式將草截?cái)噍^難實(shí)現(xiàn)。 （ 4） 用打的方式 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 7 - 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(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 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 8 - 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(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1— 4 所示 ： 圖 1— 4 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 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)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)。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 9 - 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 1 1）和 2） 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(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 1— 6 所示。 圖 1— 6 梅花凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 10 - 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(guò)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)。 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(wú)污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的剪草處理； 無(wú)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 1— 20間調(diào)整，割幅 240形尺寸（長(zhǎng) ? 寬 ? 高：586? 369? 200,質(zhì)量 30料由 45 鋼制作 ）； 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 11 - 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(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。 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(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(wèn)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(wèn)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。 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 12 - 計(jì)方案論證 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)剪切運(yùn)動(dòng)?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖 2— 1 所示： 圖 2體方案設(shè)計(jì) 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)剪草機(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(wèn)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(wèn)題。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 13 - 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 簡(jiǎn)圖 如圖 2— 2 所示： 圖 2— 2 蝸輪蝸桿傳動(dòng)的割草機(jī) 輪的 計(jì)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(guò)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 ，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： 12125F F N?? 輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)剪刀，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。假設(shè)輪子的直徑為 200D ；輪子周長(zhǎng)為 。 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 14 - 假定人的正常行走步數(shù)為 500 /mm 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 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(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(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。 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(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)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 15 - 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) 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 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。 （ 1） 輸 出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì) ： 轉(zhuǎn)速 1 1 3 . 0 4 / m i 5 6 0? 軸 ? 上的轉(zhuǎn)速 3 3 9 . 1 2 / m i nn n i r? ? ? ? 計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為 : 12 3 9 1 1 . 0 9 m ?? ??? （ 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： 40質(zhì) )，齒面硬度 280齒輪： 45 鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度 240者硬度相差 40 翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 16 - 選擇小齒輪齒數(shù)： 3，大齒輪齒數(shù)： 2 1 1 69Z u Z ? ? （ 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： 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(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： 1160 hN ? 可得： 81 1 2 1 0N ?? 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： 712 3 . 7 3 1 0NN i? ? ? （ 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 , 大齒輪 2 接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ? ? 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(jiǎn)單，取 1 40td 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 17 - 模數(shù)： 11 1 . 7 4 ( )dm m 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 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(guān)參數(shù)如下表所示 ： 表 2數(shù)表 （ 6） 計(jì)算載荷系數(shù) K 查得使用系數(shù) 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(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 1 ?? 齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 齒形角 全齒高 大齒輪 69 0 齒輪 23 0 亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 18 - 計(jì)算載荷系數(shù) 2 . 0 3 4A V H K K K???? （ 7） 修正計(jì)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(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= 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(zhuǎn)矩 1 3 9 1 1 . 0 9T N m m?? 查得齒形系數(shù) 1 ? , 2 ? ;應(yīng)力修正系數(shù) 1 ? ， 2 ? 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：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(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) ? ? 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(yīng)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(jié)論 :計(jì)算可得彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 19 - 的計(jì)算部分 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， 640B M ? 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 116C? 根據(jù)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(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(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 2 45??倒角 。 （ 3） 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： 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(jī)的設(shè)計(jì) - 20 - 軸向力： t a n 0 ( ) N?? ? ? 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： 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(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 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(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： ? ? 22 4 8 . 5 7 ( ) P ???翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 22 - 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 ? ?1 60M ? ? ，由于 ? ?1v???? ，故安全。 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， 640B M ? 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 116C? 根據(jù)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(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 66b h m m m m? ? ? ，配合為 7 6H r ，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 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(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 2 45??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· 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(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 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(jiǎn)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(jī)的設(shè)計(jì) - 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(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： ? ? 22 2 1 . 4 4 ( ) P ???通過(guò)查表可知： 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 25 - 材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 ? ?1 60M ? ? ，由于 ? ?1v???? ，故安全。 具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分 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)。 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： 0S t t?? ，刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。 剪切機(jī)的上、下刀片形狀相同，剪切時(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)剪切。刀片的速度圖如圖 2— 11 所示。剪刀自 0a 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 1a 之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切割。刀片到達(dá) 1a 時(shí)，兩刀刃開(kāi)始接觸，這時(shí) 1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) 1C 時(shí)，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時(shí) 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(guò)程中，有些草是在被一刀刃頂斜著推向另一刀刃和剪切機(jī)前進(jìn)而向 前傾斜翟亞斌：手推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 26 - 狀態(tài)下切割的，使草叢表面稍欠平整。 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： 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(jī)器的前進(jìn)速度 ） 1t —— 刀具水平 運(yùn)動(dòng)的距離 C —— 輪子的周長(zhǎng) 一個(gè)行程所需要的時(shí)間為 ： 10 201 0 . 0 72 8 6 . 4 9? ? ? 一個(gè)行程運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)距離： 20x 0 35my v t m m? ? ? 可得切刀的進(jìn)程 H 為： 0 35mH v t m m? ? ? 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 100變化， 從 0 到達(dá) 1所需的時(shí)間與 1達(dá) 0 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： 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(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 27 - 將切刀的平均速度 機(jī)器的前進(jìn)速度 比值 ? 稱為刀機(jī)速比。 0 1?? ，據(jù)類似的茶樹(shù)修剪機(jī)和采茶機(jī)的試驗(yàn)分析，可得動(dòng)力轉(zhuǎn)速較小的手推式剪草機(jī)傳動(dòng)的效率較高。 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。 表 2— 2 手推式剪草機(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 操作人數(shù) 凈重 手推式剪草機(jī) 往復(fù)切割 2400動(dòng) 860r/形 13r/ 人 30割角的增大使切口變得不整齊。當(dāng)?shù)镀谐淘? 45，刀片的切割角 ? 和楔角 ? 不影響剪草的質(zhì)量。 往復(fù)式刀刃的切割角 ? 和楔角 ? 如圖 2— 12 所示。 圖 2— 12 往復(fù)式刀刃的切割角 ? 和楔角 ? 試驗(yàn)分析可知 行程與剪草質(zhì)量的關(guān)系 ： 刀片的刀距行程對(duì)剪草的質(zhì)量沒(méi)有顯著的影響。剪草質(zhì)量比較好的行程在2 0 ~ 4 0mm 片也相應(yīng)較少。 切割間 距在 10 ~ 30，切口平整；切割間距在 30推式剪草機(jī)的設(shè)計(jì) - 28 - 以上時(shí)，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(guān)系 手推式剪切機(jī)刀片的切割速度比在 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 下時(shí)，正常芽葉稍有減少的趨勢(shì)；切割速比在 0 時(shí)，剪草質(zhì)量無(wú)明顯的差別。切割速度比在小于 3 時(shí)，剪草面切口出現(xiàn)明顯的 不平整。 表 2— 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（ 往復(fù)式刀片 動(dòng)刀片 205'1440 38 55~60 定刀片 64 面齒輪及撥桿的設(shè)計(jì)部分 手推式剪草機(jī)中端面齒輪和撥桿一對(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)。 面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)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(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 29 - 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 20 端面齒輪再轉(zhuǎn)過(guò) 26 時(shí)，撥桿下降 20 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 2— 14 所示。 圖 2— 14 運(yùn)動(dòng)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(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： 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(diǎn)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(jī)的設(shè)計(jì) - 30 - 假設(shè) 在端面齒輪上的運(yùn)動(dòng)行程為 X ,接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)的位移為 Y ,可得運(yùn)動(dòng)軌跡方程為： 2360? ????? ?? 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 4 0? ? ， 2 26? ? 可得： 從而得出接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)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(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)的工山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 31 - 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 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(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 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(jī)的設(shè)計(jì) - 32 - 論 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。科學(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)。 剪草前應(yīng)注意 的事項(xiàng) 剪草前應(yīng)先檢查剪草機(jī)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(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，以防損壞刀片在剪草前，應(yīng)測(cè)量草坪的高度，將剪草機(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剪草；不得在坡度大于 15 度的地方采用該手推式剪草機(jī)修剪草坪。 剪草機(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?，選擇的總原則是在達(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。 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) - 33 - 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 100～ 150 元，手工費(fèi) : 50～ 100 元 ，因此總造價(jià)在 300 元以內(nèi)。目前使用于我國(guó)大部分地區(qū)的 園林草 坪 的修建和養(yǎng)護(hù) 。 3. 使用說(shuō)明書(shū) （ 產(chǎn)品的名稱 : 手推式剪草機(jī) 安裝工作必須有鉗工、起重工等專業(yè)工人參加。安裝時(shí)首先用水平儀找平基礎(chǔ)和安裝支架的水平度，然后使之固定。按制造廠出廠時(shí)各段機(jī)殼的連接標(biāo)記順序組裝，各段機(jī)槽內(nèi)口的連接應(yīng)平整、密合，如有錯(cuò)位，只允許比剪草機(jī)撥桿稍低，其值不得大于 1體組裝后測(cè)定其機(jī)槽兩側(cè)對(duì)稱中心面的對(duì)稱度。頭輪、尾輪必須對(duì)中。輪軸應(yīng)保持平行，以避免 剪草機(jī) 在運(yùn)行時(shí)跑偏 。 安裝剪草機(jī)刀具時(shí)應(yīng)再次檢查刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)是否靈活只有運(yùn)動(dòng)靈活的剪草機(jī)方可進(jìn)行安裝。 完成剪草機(jī)各部分安裝工作后，即可進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。 運(yùn)行前應(yīng)做如下工作： （ 1） 所有軸承、傳動(dòng)部件和減速器內(nèi)應(yīng)有足夠的潤(rùn)滑油； （ 2） 檢查和清除剪草機(jī)機(jī)槽內(nèi)部遺留的工具、鐵件或其他雜物； （ 3） 全面檢查剪草機(jī)各部分是否完好無(wú)損，剪草機(jī)刀具的運(yùn)轉(zhuǎn)松緊度是否合適。 當(dāng)上述各項(xiàng)準(zhǔn)備工作做好后，推動(dòng)剪草機(jī)，觀察小輪和大輪是否與殼體卡碰和跑偏，當(dāng)無(wú)缺陷后，可遠(yuǎn)距離運(yùn)轉(zhuǎn)即可進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)空載運(yùn)轉(zhuǎn)并對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)情況認(rèn)為 滿意后，可進(jìn)行剪草試驗(yàn)。開(kāi)始需