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手推式割草機 摘 要 ：割草機是農(nóng)、牧、園藝和園林等行業(yè)必備的一種常用機械,但適合面積狹小、形狀 不規(guī)則或地形復(fù)雜的地段且操作使用便捷、靈活的小型手推式割草機卻很少見。為此,在研究我國 廣泛應(yīng)用的一些割草機技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了簡單實用的手推式割草機 ,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、輕便、 工作頭前伸和支架高度可調(diào);本文介紹了,手推式割草機的總體結(jié)構(gòu)、工作原理、電機選擇及傳動 比的計算相關(guān)機構(gòu)的校核。實驗結(jié)果表明,該機具有操作容易、使用和攜帶方便、轉(zhuǎn)向靈活等特點 ,能 有效降低勞動強度。 關(guān)鍵詞：割草機; 設(shè)計; 手推式;簡單；輕便 Lawn Mower Goes on Type Abstract：Mowing - machine is a type of machine in normal service agriculture. But hand-push minimowing - machine which is suited close - quarter or irregularity area or complex land form and easy application is absence. Based on technic of mowing- machine which extensive used at our country, a type of simple and utility portable hand-push mowing - machine was designed. The features are simple structure and lightweight and protrusive working parts and dajustable support element. This paper explanted gross structure of hand-push minimowing - machine and operating principle and selecting motor and calculation drive ration and design cutting knife. The result of testing indicate that hand-push minimowing - machine operated easy and transported convenience and turned quickly, decreased amount of labour. Key words: Mowing Machine；Design；Hand-push；Simple ；Lightweight 目 錄 摘 要： .1 關(guān)鍵詞： .1 1 緒論 .2 1.1 割草機的發(fā)展歷史 .2 1.2 我國割草機的發(fā)展 .2 1.2.1 發(fā)展狀況 .2 1.2.2 存在問題 .3 1.3 手推式割草機的使用 .3 1.3.1 設(shè)計用途 .3 1.3.2 注意事項 .3 2 割草機概述 .4 2.1 割草機的分類 .4 2.2 割草機割草的基本要求 .4 2.3 手推式割草機的結(jié)構(gòu)特點 .5 3 割草機的總體方案設(shè)計和動力機的選擇 .7 3.1 總體方案設(shè)計 .7 3.2 動力機的選擇 .7 4 割草機傳動部分設(shè)計 .8 4.1 齒輪傳動的類型 .8 4.2 錐齒輪的計算 .8 4.3 齒輪的設(shè)計準則 .12 4.4 齒輪的材料選擇及其熱處理 .12 4.5 按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計 .12 4.6 割草機行走車輪設(shè)計 .13 5 割草機割草機構(gòu)的設(shè)計 .16 5.1 刀片材料的選擇 .17 5.2 刀片的切割過程 .17 6 軸的設(shè)計 .18 6.1 軸的概述 .18 6.2 割刀軸的設(shè)計 .18 6.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .18 6.2.2 按軸的扭轉(zhuǎn)強度計算 .18 6.2.3 按彎扭合成強度條件計算 .19 6.2.4 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 .21 6.2.5 按軸的疲勞強度條件進行精確校核 .22 6.3 長軸的校核 .24 7 軸承的選擇及校核 .24 7.1 軸承的選擇 .24 7.2 軸承的校核 .24 參考文獻 .26 致 謝 .27 1 1 緒論 1.1 割草機的發(fā)展歷史 在割草機問世之前，草坪的修剪主要工具是鐮刀，放牧牛羊也是保持草地平整的 重要方法。隨著高爾夫球、網(wǎng)球及足球等運動的興起，人們擁有平整美觀的草地做運 動場地的要求越來越迫切。1805 年英國人普拉克內(nèi)特發(fā)明了第一臺收割谷物并能切 割雜草的機器，由人推動機器，通過齒輪傳動帶動旋刀割草，這就是旋刀割草機的雛 形。1830 年，英國紡織工程師比爾.布丁取得了滾筒割草機的專利，1832 年蘭賽姆斯 農(nóng)機公司開始批量生產(chǎn)滾筒割草機，1902 年英國人倫敦恩斯制造了內(nèi)燃機做動力的 滾筒式割草機，其原理至今還在使用。在西方發(fā)達國家，20 世紀初期，割草機就得 到了快速的發(fā)展。 改革開放以來，我國的草坪業(yè)由興起到長足發(fā)展，只有十幾年的時間，卻為草坪 機械業(yè)的發(fā)展帶來了勃勃生機 。首先是機械先進， 90%以上為進口產(chǎn)品，其次外從 草坪建植到養(yǎng)護生產(chǎn)環(huán)節(jié)機械配套齊全，基本上實現(xiàn)了全程機械化，其三是產(chǎn)品品種 多、系列化程度高。而在草坪機械中割草機發(fā)展最快，我國引進使用的割草機有美國 和日本等十幾個國家的幾十種機型，我國也已經(jīng)開始生產(chǎn)割草機，目前國內(nèi)外所用的 割草機種類繁多，其分類方法也多樣化。 1.2 我國割草機的發(fā)展 1.2.1 發(fā)展狀況 據(jù)調(diào)查，國內(nèi)生產(chǎn)割草機的廠家大約有50 家左右。多數(shù)為園藝系統(tǒng)的公司以及轉(zhuǎn) 產(chǎn)割草機的機械廠。市場上草坪修剪機的品牌很多，有進口的產(chǎn)品，也有國內(nèi)制造和 中外合資的，從功率2.6-1.2 千瓦，剪幅從43.2-127厘米。 國內(nèi)的生產(chǎn)廠家主要有：中美合資江蘇淮陰泛亞園林機械有限公司，生產(chǎn)立特牌 -NEAT 草坪割草機，占國內(nèi)市場的 50%，現(xiàn)年產(chǎn) 5000 臺。目前正著手進行年產(chǎn) 5 萬 臺割草機的技術(shù)改造，其動力選用日本本田發(fā)動機。 目前，我國已經(jīng)研制開發(fā)出來草坪割草機試驗臺，草坪割草機為現(xiàn)代城市綠化的 重要設(shè)備，目前市場上國產(chǎn)的機器均有一定的市場，但質(zhì)量參差不齊。對于草坪割草 機的安全指標，僅有檢測方法，沒有現(xiàn)成的撞擊試驗專用設(shè)備。為了對其進行科學(xué)的 測試，北京市農(nóng)機試驗鑒定推廣站研制成功草坪割草機專用試驗臺。該試驗臺自動化 程度高，采用了氣動傳動技術(shù)、機電安全鎖定機構(gòu)及氣動調(diào)速技術(shù)，可對國內(nèi)各型 2 草坪割草機進行安全性能試驗，能夠完成草坪機的撞擊試驗和刀片護罩強度試驗。試 驗結(jié)果表明，該專用試驗臺達到國內(nèi)先進水平，檢測快捷，安全性高。 1.2.2 存在問題 國內(nèi)割草機械市場發(fā)展緩慢，我國草坪機械產(chǎn)品全線接受檢驗，應(yīng)用中暴露出 些質(zhì)量問題。對此，有關(guān)專家認為，當(dāng)前我國畜牧機械產(chǎn)品質(zhì)量水平低的原因有以下 幾個方面。 目產(chǎn)品技術(shù)水平低。割草機械產(chǎn)品技術(shù)水平高低是衡量該行業(yè)整體科學(xué)技術(shù)水平 的重要標志之一。一段時間內(nèi)，由于資金投入嚴重不足，技術(shù)創(chuàng)新的原動力、研發(fā)能 力、技術(shù)模仿步伐放緩甚至停頓。我國已定型的割草機械大部分屬國外上世紀的技術(shù) 水平，20 多年來基本沒有什么大的改進與創(chuàng)新。缺乏應(yīng)有的售后服務(wù)體系。 專家分 析認為，造成割草機械產(chǎn)品質(zhì)量水平低的原因有多方面，但缺乏資金投入和人才短缺 是造成研發(fā)能力和生產(chǎn)制造工藝水平低的關(guān)鍵所在。 1.3 手推式割草機的使用 1.3.1 設(shè)計用途 目前，大型生態(tài)園的綠地設(shè)計已是房地產(chǎn)開發(fā)團中一個重要環(huán)節(jié)，草地是綠化的 一種重要形式。目前，庭院里修整草地通常使用身背柴油機作動力，采用尼龍繩甩打 草葉；或者是使用電動、柴油機的割草機，這種割草機體積大、噪音大，適用于空曠 大草坪，易夾草出故障，遇到石塊可能使刀片斷裂，發(fā)生事故。隨著國內(nèi)人們生活水 平的提高，人們對居住的綠化水平要求越來越高，尤其帶花園的別墅不斷增加，更需 要開發(fā)一種適合小面積草地、無噪音的手推式割草機。 本次設(shè)計的手推割草機是專為家庭庭院及私人花園設(shè)計的，不適用于公共設(shè)施、 公園、運動場、道路、農(nóng)場和林場等場合。 1.3.2 注意事項 1）不可以將手動割草機用于割除攀藤植物、屋頂或陽臺上的青草等，那樣有可 能傷害到身體。 2）每次使用之前都需要進行一次檢查，確認所有的螺栓、螺母、工具都沒有磨 損或損壞，對于磨鈍或損壞了的刀片應(yīng)當(dāng)更換。 3）再檢查一下要割草的草坪表面，要清除干凈石頭、木塊、電線等其他堅硬的 物體，這些物品碰到刀具時會飛甩出去而無法控制。 3 4）旁邊有人，尤其是兒童和動物的時候，不要使用該割草機。 5）割草時一定要穿用防滑底做成的結(jié)實靴子。 6）旋轉(zhuǎn)的刀片轉(zhuǎn)筒可能會造成人身傷害，刀片轉(zhuǎn)筒和操作人員之間的安全距離 是通過導(dǎo)桿隔開的，一定要一直保持這個安全距離。在堤岸或斜坡上割草時尤其要注 意，一定要順著斜坡的方向割。 7）當(dāng)后退拉動割草機時要特別小心，有絆倒的危險。 8）任何時候都不要將手或腳放在運動部件的上方或下方。 9）如果刀具或割草機遇到障礙或堅硬的物體時，一定要適當(dāng)全面地檢查割草 機。 10）只有在能見度好，視野清晰的時候才可以進行工作。 2 割草機概述 2.1 割草機的分類 按切割器類型可以分為旋刀式、往復(fù)式、滾刀式、甩刀式、甩繩式。其中，應(yīng)用 最多的是滾刀式割草機和往復(fù)式割草機。 往復(fù)式割草機割茬低而整齊，草坪損失少，單位割幅的金屬用量和功率消耗低，因而 成本較低。它的作業(yè)速度一般為 68km/h。提高割刀的往復(fù)次數(shù)并解決割刀的全平 衡 問題后，作業(yè)速度可以提高到10 12km/h。往復(fù)式割草機適用于切割直立而生長密 度不過分高的草坪。 旋轉(zhuǎn)式割草機工作平穩(wěn)，對草坪的適應(yīng)性強，特別適用于稠密、倒伏、纏連的牧 草，能以8 16km/h 的作業(yè)速度工作，生產(chǎn)率高。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，單位割幅 功率消耗大。 按配套動力和作業(yè)方式分可以分為：為手推式、手扶隨行式、手扶自行式、坐騎 式和拖拉機懸掛式割草機。 按動力驅(qū)動方式主要分為人畜力驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動和電力驅(qū)動三種形式割草機。 其中，以發(fā)動機驅(qū)動的割草機最多，發(fā)動機多為單缸汽油機。太陽能割草機雖然已有 生產(chǎn)，但應(yīng)用較少。 動力驅(qū)動的割草機按牽引方式或懸掛方式可分為前置式、側(cè)置式、后置式、中置 式割草機。目前，也有旋刀式手推隨行式割草機，大部分采用中置懸掛，而滾刀手推 隨行式割草機多采用前置式掛接，大型的割草機則采用混合牽引方式。 7 2.2 割草機割草的基本要求 不論是哪一種類型的割草機對草坪修剪的基本要求是一樣的： 4 1）割草高度可根據(jù)要求調(diào)整，適應(yīng)高度調(diào)整范圍大，當(dāng)草坪要求修剪很低能達 到要求。 2）割草整齊、平整，同一行程前后割草高度一致，兩次作業(yè)行程銜接平滑、無 接茬。 3）對地形的適應(yīng)能力強，仿行能力強，隨地形變化前后剪草高度一致。 4）割草機對草坪碾壓輕、傷害少。 5）草屑收集干凈，或被切割部分細碎性能好（草屑撒在草坪中當(dāng)肥料時） ，以 便于灑落在草坪下及時腐爛。 6）割草機質(zhì)量好，故障少，節(jié)省燃料、效率高。 7）易于操作、輕便靈活、維修調(diào)試方便，零部件通用性和互換性好。 8）正確掌握修剪草坪的時間并且制定科學(xué)的修剪高度和修剪頻率。 2.3 手推式割草機的結(jié)構(gòu)特點 本次設(shè)計的手推式割草機主要由汽油機、行走輪、支架、扶手架和割草機構(gòu)組 成，割草機構(gòu)是一種割刀動力旋轉(zhuǎn)工作頭，它是在形似兩個淋浴蓮蓬頭對合而成的 a、b 殼體內(nèi)，由連接螺栓作為中心死軸，軸上裝帶有滾珠軸承的雙面圓弧錐齒輪 副；一面為齒輪副 I，同軸安裝在殼體 a 內(nèi)，齒軸與小型汽油機的驅(qū)動軸花鍵連接， 殼體端口連接支承管；另一面為齒輪副 II，同軸安裝在殼體 b 內(nèi)，齒軸伸出端口外； 圓盤割刀由開有花鍵槽的托盤和壓盤夾住，套裝在齒軸上，用螺母逼緊固定，頭部裝 上割刀。 （如圖 2-1） 圖 2-1 割草機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 Fig2-1 Lawn mower internal structure schematic drawing 5 2.4 手推式割草機的工作原理 割草機以移動式汽油機作為動力，由汽油機驅(qū)動傳動齒輪和割草裝置。行走機構(gòu) 采用手推車架。汽油機轉(zhuǎn)動帶動長軸，長軸轉(zhuǎn)動傳遞到弧形齒輪，兩個呈角度的弧形 齒輪改變轉(zhuǎn)動的方向，最后轉(zhuǎn)動傳遞到割草裝置，割草裝置通過安裝在軸上的割刀盤 帶動割刀旋轉(zhuǎn)完成割草作業(yè)。 圖 2-4 割草部件 Fig 2-4 Cutting grass parts 圖 2-4-1 整體示意圖 Fig 2-4-1 Overall schemes 6 3）本設(shè)計方案的特點是： （1）.操作容易、使用和攜帶方便； （2）.轉(zhuǎn)向靈活 ,能有效降低勞動強度； （3）.整機重量較低。 （4）.傳動部分結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。 （5）.割草動作沒有撕扯，對草坪更有益。 3 割草機的總體方案設(shè)計和動力機的選擇 3.1 總體方案設(shè)計 手推式割草機是由人手推動的。查閱人機工程手冊 ，人步行速度約為35 千 米/時，即4864米/分，考慮到要推動割草機進行切割，選取人的步行速度為48米/ 分，即0.8米/秒。 確定割草機的各項參數(shù)： 割草機的整體寬度：713mm 割草高度：3060mm 集草類型：就地灑落 3.2 動力機的選擇 選用的汽油機 1E139F 參數(shù)如下 汽油機型號 1E139F 汽油機型式 單缸、風(fēng)冷二沖程 最大功率 1.4/6500kw/r/min 噪聲 101dB(A) 最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 9000r/min 排量 33.6cc 油箱容積 1.0L 點火方式 無觸點 化油器型式 膜片式 起動方式 反沖起動 傳動軸型式 硬軸 背帶型式 雙肩背帶 凈重 7.7kg 汽油機包裝箱尺寸（mm）330302300 7 4 割草機傳動部分設(shè)計 本次設(shè)計的手推式割草機的傳動部分主要是長軸帶動錐齒輪轉(zhuǎn)動，錐齒輪帶動另 一錐齒輪轉(zhuǎn)動并且改變方向，最后傳到到割刀轉(zhuǎn)動，將草坪上多余高度的草割斷。傳 動部分的設(shè)計主要是對齒輪的設(shè)計。 4.1 齒輪傳動的類型 齒輪傳動就裝置形式分： 1）開式、半開式傳動在農(nóng)業(yè)機械、建筑機械以及簡易的機械設(shè)備中，有一些齒 輪傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外邊，這叫開式齒輪傳動。這種傳動不僅 外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用 于低速傳動。齒輪傳動裝有簡單的防護罩，有時還把大齒輪部分地浸入油池中，則稱 為半開式齒輪傳動。它工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入，潤 滑條件也不算最好。 2）閉式傳動而汽車、機床、航空發(fā)動機等所用的齒輪傳動，都是裝在經(jīng)過精確 加工而且封閉嚴密的箱體(機匣)的，這稱為閉式齒輪傳動(齒輪箱)。它與開式或半開 式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。 本次設(shè)計的手推式割草機割草總成部分尺寸比較小，傳動齒輪尺寸和質(zhì)量比較小， 轉(zhuǎn)速比較高，且沒有防護罩，如果選用開式容易損壞其壽命，因此齒輪傳動選用閉式 傳動。 4.2 錐齒輪的計算 （1） 選定齒輪的類型、精度等級，材料及齒數(shù) 1）按傳動方案簡圖所示傳動方案，選用錐齒圓柱齒輪傳動。 2）割草機為一般工作機器，速度不高，故選用 8 級精度。 3）材料選擇。由機械設(shè)計原理表 10-1 選擇小齒輪材料為 40Cr 硬度為 280HBS,大 齒輪材料為 45 號鋼，硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 4）選小齒輪齒數(shù) Z1=24,則大齒輪齒數(shù) 12.53.2412iZ 取 Z2=52。 （2）按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式（10-9a）進行試算， 即 8 (1)3 211 )(2HEdtt ZuTK 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1）試選載荷系數(shù) 6.1t 2）由圖 10-30 選取區(qū)域系數(shù) 43.2HZ 3）由圖 10-26 查得 。65.1,870,. 211 4）許用接觸應(yīng)力 (2)MpaSKHNH5469.1lim1 (3).20.2li2 (4)PaHH 25.31/).54(/)(21 其余參數(shù)與齒輪相同。 （3）計算 1） 試算小齒輪分度圓直徑 d1t,由計算公式得 mZuTKdHEdtt 62.57)2.531894(.65.109482)(1233 2） 計算圓周速度 v smnVd /4.01602.3.574.3106 (5) 3） 計算齒寬 b mdt 62.57.1 (6) 4）計算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) (7)mZdmtnt 3.241cos6.57cos 01 齒高 (8)ht .3.22. b/h=57.62/5.24=10.99 5) 計算載荷系數(shù) 9 根據(jù) V=0.4m/s，7 級精度，由圖 10-8 查得動載荷系數(shù) 1.02，由表 10-3 查得Kv ，由表 10-2 查得使用系數(shù) ，由表 10-4 查得錐齒輪 與直齒4.1FHK1A HK 輪的計算公式相同，故 bdH 320.)6.01(8.2 將數(shù)據(jù)代入后得 2.1.).(. 32Kd 由 b/h=10.99，KH=1.323 查圖 10-13 得 KF=1.3;故載荷系數(shù) 74.10.HVA 6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式（10-10a）得 (9)mkdtt 34.596.72.5331 7）計算模數(shù) m z40.21cos4.91cos (10) （4）按齒根彎曲強度計算 由式（10-5）得彎曲強度的設(shè)計公式為 (11)321)(cosFSdn YZKTm 計算式中各參數(shù) 計算載荷系數(shù) K 67.138.201.FVA (12) 2）根據(jù)縱向重和度 從圖 10-28 查得螺旋角影響系數(shù),93.1 8.0Y 3）計算當(dāng)量齒數(shù) (13)7.26cos431ZV (14)1.5332V 4）查取齒形系數(shù) 由表 10-5 查得 34.2;6.FFY 10 5）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表 10-5 可查得 72.1;58.1SSY 6）計算大、小齒輪的 并加以比較F (15)01379.5.3821FSY (16)6.42FS 大齒輪的數(shù)值大。設(shè)計計算： mYZKTmFSdn 62.1085.65.124cos038.06712)(cos23 24321 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù) mn大于由齒根彎曲強度計算的模 數(shù)， 取 mn=2,已可滿足彎曲強度。但為了同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞算得 的分度圓直徑 d1=57.62 來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是有: ，取94.271cos6.57cos 01 ndZ281Z 大齒輪齒數(shù) ，取 Z2=60。6.583.12Zi 這樣設(shè)計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根疲勞強度，并做 到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。 （5）幾何尺寸計算 1）計算中心距 mmnZa72.9014cos2)68(cos2)1( 將中心距圓整為 91mm。 2）按圓整后的中心距修正螺旋角 075.1492)608(arcos2)1(arcos nZ 因 值改變不多，故參數(shù) 等不必修正。計算大、小齒輪的分度圓直徑HK =58mmmmdn1.57.14cos810 11 =125mmmmZdn09.12475.cos602 計算齒輪寬度bd9.1.571 4.3 齒輪的設(shè)計準則 齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的，輪齒是齒輪直接參與工作的部分，所以 齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、 齒面膠合以及塑性變形等。 齒輪傳動的失效形式不大可能同時發(fā)生，但卻是互相影響的。例如齒面的點蝕會 加劇齒面的磨損，而嚴重的磨損又會導(dǎo)致輪齒折斷。在一定條件下，由于上述第一、 二種失效形式是主要的，因此設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)根據(jù)實際工作條件分析其可能發(fā)生 的主要失效形式，以確定相應(yīng)的設(shè)計準則。 齒輪傳動的強度計算是根據(jù)齒輪可能出現(xiàn)的失效形式進行的。對一般齒輪傳動， 目前廣泛采用的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度兩種計算方法足以確定其承載能力。 由于本次設(shè)計的手推割草機的齒輪傳動屬閉式傳動且屬于高速傳動的硬齒面，因 此需按齒根彎曲疲勞強度作為設(shè)計準則。 4.4 齒輪的材料選擇及其熱處理 為了保證齒輪工作的可靠性，提高其使用壽命，齒輪的材料及其熱處理應(yīng)根據(jù)工 作條件和材料的特點來選取。 對齒輪材料的基本要求是：應(yīng)使齒面具有足夠的硬度和耐磨性，齒心具有足夠的 韌性，以防止齒面的各種失效，同時應(yīng)具有良好的冷、熱加工的工藝性，以達到齒輪 的各種技術(shù)要求。 一般要求的齒輪傳動可采用軟齒面齒輪。為了減小膠合的可能性，并使配對的大 小齒輪壽命相當(dāng)，通常使小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度高出 30-50HBS。這是因 為小齒輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強度低于大齒輪。為使兩齒輪 的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。對于高速、重載或重要 的齒輪傳動，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。 綜上所述，選擇大小齒輪材料均為 20CrMnTi，滲碳后淬火處理，強度極限為 1100Mpa，屈服極限為 850Mpa，齒芯部硬度為 300HBS。 4.5 按齒根彎曲疲勞強度進行設(shè)計 齒坯基本參數(shù)的確定： 12 1） 、軸交角 與傳動比 ，是根據(jù)齒輪副的傳動要求確定的。i 2） 、根據(jù)齒輪副所要傳遞的功率、扭矩，利用經(jīng)驗公式或圖表確定小輪外端的節(jié) 圓直徑 和小輪齒數(shù) （不小于 5） ?；↓X錐齒輪的外端模數(shù) m 可以根據(jù)公式1d1z 確定。1z m 3） 、大輪的齒數(shù) 計算后圓整，且大輪與小輪的齒數(shù)之和不小于 9012zi 4） 、齒面寬 b 的確定。查表，一般選擇為 外錐距。%30 5） 、根據(jù)大輪和小輪的旋轉(zhuǎn)方向確定齒輪的旋向。齒輪的旋轉(zhuǎn)方向是根據(jù)傳動要 求確定的，它的選擇要保證齒輪副在嚙合的過程中有互相推開的軸向力。 6） 、為了保證齒輪副具有一定的重合度，應(yīng)選擇合適的螺旋角，一般選擇位 35 度?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗表格來選取適當(dāng)?shù)穆菪牵⒖筛鶕?jù)公式計算相應(yīng)的重合度。B 為 齒寬， 為外錐距， 為中點錐距， 為內(nèi)錐距， 為端面重合度。eRiRFm ieie Fb12bK 3eF )(1KPtgtF 7） 、壓力角的確定。壓力角一般有 16、19、20、21.5、22.5、25 度等，弧齒錐齒 輪一般用 20 度。壓力角太小減小了齒輪的強度，并容易發(fā)生根切，但柔性增大；壓 力角太大容易使得齒頂變尖，降低重合度。小轎車為了降低噪聲、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，采用小 壓力角。載重汽車一般用大的壓力角，以增大齒輪的強度。 8） 、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)與側(cè)隙。查表，一般當(dāng)小輪齒數(shù) 12 時，齒頂高系1z 數(shù)為 0.85，頂隙為 0.188，則工作齒高系數(shù)為 1.7，全齒高系數(shù)為 1.888。側(cè)隙查表選 取。 9） 、變位系數(shù)的選擇。根據(jù)傳動比與齒輪的齒數(shù)查表。 參數(shù)確定如下： 1）選用弧齒錐齒輪傳動;齒輪精度為 8 級; 2）計算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 由于汽油機的最高轉(zhuǎn)速 n1=6500 r/min，根據(jù)傳動比 i=2.13，則小齒輪的轉(zhuǎn)速為 n2=6500/2.13=3050r/min， 大齒輪功率近似 P=1.4kw 4.6 割草機行走車輪設(shè)計 割草機的行走輪由內(nèi)齒輪和輪胎組成。內(nèi)齒輪根據(jù)前面的設(shè)計要求材料選取 45 鋼。輪胎在此不僅僅與內(nèi)齒輪輪配合，也是與地面抓合產(chǎn)生動力的關(guān)鍵所在，因此輪 13 胎的大小尺寸應(yīng)與割草機的整體形狀和尺寸緊緊相連。輪胎的外徑是 =260mm,而 其具體形狀是參照現(xiàn)代機械設(shè)備設(shè)計手冊中驅(qū)動輪的形狀尺寸，外圈材料為橡膠。 選取外輪直徑： =260mm,由公式 n=v/D 得：外輪的轉(zhuǎn)速 n=48 103/260 3.14 58r/min。 行走輪的具體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 4-1、4-2。 圖 4-3 行走輪效果圖 Fig 4-3 Wheel rendering 14 圖 4-4 行走輪 Fig 4-4 Wheel 材料選擇依據(jù)： 45號鋼為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)用鋼,硬度不高易切削加工,模具中常用來做模板、梢子、 導(dǎo)柱等,但須熱處理。 調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特 別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。但表面硬度較低，不耐磨。 可用調(diào)質(zhì)表面淬火提高零件表面硬度。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,儀器設(shè)備的功率越來越大,轉(zhuǎn)速越來越快,振動和噪聲的 危害也越來越突出。振動和噪聲不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量和操作精度、縮短產(chǎn)品壽命、危及 安全性,而且污染環(huán)境，影響人身健康。 因此,掌握振動與噪聲控制技術(shù)是各國工業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。消除振動和噪聲 的有效方法之一是減少振動源的振動和隔離振動的傳遞。目前廣泛使用的方法是利用 橡膠材料與骨架材料(如金屬、纖維、工程塑料等)復(fù)合制成的功能裝置或特殊的橡膠 粘彈性高阻尼材料來消除振動源的振動沖擊和吸收噪聲。這種橡膠減震功能裝置已廣 泛應(yīng)用于飛機、艦船、汽車、火車和建筑工程等方面以及儀器儀表的振動隔離。 橡膠材料減震主要承受壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩以及兩種或兩種以上應(yīng)力的復(fù) 合作用,在保證機車的高速性、舒適性和安全性方面起著重要作用。 15 5 割草機割草機構(gòu)的設(shè)計 手推式割草機的割草機構(gòu)如圖 5-1 和 5-2 所示 圖 5-1 刀片 Fig5-1 blade 圖 5-2 托盤壓盤 Fig5-2 Tray pressure plate 16 割草機割草機構(gòu)由壓盤、托盤和刀片組成，刀片在壓盤和托盤中間，在壓盤外面， 由螺母扭緊固定。 5.1 刀片材料的選擇 割草機刀片必須采用高強度優(yōu)質(zhì)鋼材，經(jīng)過特殊熱處理工藝保證刀片有較高的強 度、鋒利度、耐磨性、抗沖擊韌性。刀架及刀片外形應(yīng)該符合空氣動力學(xué)要求，盡量 減少運動時的空氣阻力，以降低功率消耗。裝配、調(diào)整刀具時，必須保證兩端力矩平 衡，以減少振動和噪聲。 刀片材料選用優(yōu)質(zhì)合金鋼。在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素 而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに嚕色@得高強度、 高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。 5.2 刀片的 切割過程 在刀片割草的過程中，刀片和草是一對矛盾。要弄清切割過程的實質(zhì)，必須先了 解這兩方面的性質(zhì)和特點，才能進一步分析它們的相互作用。 草的橫截面呈扁平或槽型。非均勻體在不同方向上的機械性能并不相同（稱為各 向異性） ，這是與均勻材料（各向同性）顯著不同的特點。草的剛度很小，極易彎曲， 到一定撓度時，就會失去穩(wěn)定而彎折。 利用工具所施加的壓力來破壞材料相互之間聯(lián)系使之分離的機械加工過程，都稱 之為“切” 。刀片的切割過程同刀具切削金屬的過程及沖模沖剪材料的過程本質(zhì)是不 同的。刀片的斷面呈薄的楔形，前后兩個刃磨面組成的楔角的頂部就是刃口。刀片的 “切割”過程同“切削”及“沖剪”之不同，在于前者是利用刃口對材料產(chǎn)生很大的 單位應(yīng)力，使刃口穿透入被切材料之中來破壞材料。 齒刀片的切割過程是，刀片以齒尖刺穿草面，將其斷面分割開；隨著齒尖的繼續(xù) 插入，由于草的強度各向異性的特點，纖維之間很容易沿橫向被撕開，因而受到削弱。 草被齒尖刺入后也不會再沿刀刃向外滑出，所以被割斷。 17 6 軸的設(shè)計 6.1 軸的概述 軸是組成機器的主要零件之一。一切做回轉(zhuǎn)運動的傳動零件都必須安裝在軸上才 能進行運動及動力的傳遞。因此，軸的主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞動力和運動。 按照承受載荷的不同，軸可以分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動軸三類。工作中既能承受彎 矩又能承受扭矩的稱為轉(zhuǎn)軸。只承受彎矩而不承受扭矩的軸稱為心軸。只承受扭矩而 不承受彎矩的軸稱為傳動軸。還有很多種不同的分類方法，在此就不一一列出。 6.2 割刀軸的設(shè)計 6.2.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 已知軸的最小直徑為：9.7mm 將此值圓整為標準值。取為 10mm,查機械設(shè)計手冊 選取軸承安端的直徑為 10mm。具體尺寸如圖示： 圖 6-1 割刀軸結(jié)構(gòu)圖 Figure 6-1 Cuts the cutter bar structure drawing 6.2.2 按軸的扭轉(zhuǎn)強度計算 這種方法是只按軸所承受的扭矩來計算軸的強度；如果還受有不大的彎矩時，則 用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法以考慮。在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常用這種方法以初步 估算軸徑。軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： TTt dnpW32.095 式中： T 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa； T 軸所受的扭矩，單位 Nmm； 18 WT 軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 mm3； n 軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； p 軸傳遞的功率，單位為 KW； d 計算截面處軸的直徑，單位為 mm； T 許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa； 查機械設(shè)計手冊得 t=155MPa t= =2.64MPa t=155MPa326.019 95 軸的直徑合格 6.2.3 按彎扭合成強度條件計算 通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力 的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強 度條件對軸進行強度校核計算。一般軸用這種方法計算即可。其計算步驟如下： 軸的計算簡圖（即力學(xué)模型） 軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力， 其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中心 點算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方 式有關(guān)，深溝球軸承支反力的作用點就在軸承的中心線上與軸垂直。 在作計算簡圖時，應(yīng)先求出軸上受力零件的載荷（若為空間力系，應(yīng)把空間力 分解為圓周力、徑向力和軸向力，然后把它們?nèi)哭D(zhuǎn)化到軸上） ，并將其分解為水平 和垂直分力，然后求出各支承處的水平反力和垂直反力。 a) 作出彎矩圖 根據(jù)上述簡圖，分別按水平和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果作 出水平面上的彎矩 MH 圖和垂直面上的彎矩 MV 圖；然后按下式計算總彎矩并作出 M 圖； 2VHM b) 作出扭矩圖 如下圖 13 所示 c) 校核軸的強度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足 19 的截面）作彎扭合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應(yīng)力 24ca 通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 是對稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭矩切 應(yīng)力 則常常不是對稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合 系數(shù) ，則計算公式 224ca 式中的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力。當(dāng)扭矩切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取 =0.3；當(dāng)扭轉(zhuǎn) 切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取 =0.6；若扭矩切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取 =1； 對于直徑為 D 的圓軸，彎曲應(yīng)力 ，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 ，將 和WMWT2 代入上式，則軸的彎扭合成強度條件為 1 22224Tca 式中： ca 軸的計算應(yīng)力，單位為 MPa； M 軸所承受的彎矩，單位為 Nmm； T 軸所受的扭矩，單位為 Nmm； W 軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3； -1 對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力；查表選??； 軸主要是承受是扭矩，承受很少的彎矩，受力簡圖如下圖所示 圖 6-2 軸受力簡圖 Figure 6-2 Axis stress diagram 20 根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖與扭矩圖： 圖 6-3 彎矩圖 Figure 6-3 Bending-moment diagram 圖 6-4 扭矩圖 Figure 6-4 Torque chart Mmax=37.68NM Tmax=140.52N.M 6.2.4 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在彎矩和扭矩的截面（即危險截面）的強度。 根據(jù)上式及上求數(shù)值，并取 =0.6，軸上的計算應(yīng)力3222222 61.04503784WaTMaTWca 21 =52.52MPa -1 前已選取軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表 15-1 查得 -1=60MPa。故安全。 6.2.5 按軸的疲勞強度條件進行精確校核 這種校核計算的實質(zhì)在于確定變應(yīng)力情況下軸的安全程度。在已知軸的外形、尺 寸及載荷的基礎(chǔ)上，即可通過考慮分析確定出一個或幾個危險截面（這時不僅要考慮 彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的大小，而且要考慮應(yīng)力集中和絕對尺寸等因素的影響程度） ， 求出計算全安系數(shù) Sca 并應(yīng)使其稍大于或至少等于設(shè)計安全系數(shù) S，即Ssca2 僅有法向應(yīng)力時，應(yīng)滿足 SKSm1 僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時，應(yīng)滿足 SSma1 設(shè)計安全系數(shù)數(shù)值可按下述情況選取。 S=1.31.5，用于材料均勻，載荷與應(yīng)力計算精確時； S=1.51.8，用于材料不夠均勻，計算精確度較低時； S=1.82.5，用材料均勻性及計算精確度很低，或軸的直徑大于 200mm 時。 軸的直徑最小處在兩端裝齒輪和帶輪的地方，因為軸的直徑最小所以最有可以成 為危險截面。 第一個危險截面處右側(cè) 抗彎截面系數(shù) W=0.1d 3=0.1253=1562.5mm3 抗扭截面系數(shù) W T=0.2d3=0.2263=3125mm3 截面左側(cè)的彎矩為：M=37.68NM 截面上的扭矩為：T=140.52NM 按第三強度理論： 22 -1MPaTMW125.935.162403781 22 軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表查 -1=275mpa B=640Mpa -1=155MPa 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 及 按機械設(shè)計附表 3-2 查取。因 r/d=1/26=0.038 ,D/d=30/26=1.15,經(jīng)插值后可查得 = 2.14 = 1.7 又由附圖 3-1 可得軸的材料的敏性系數(shù)這 q =0.6 q =0.65 故有效應(yīng)力集中系數(shù)按式 684.1.26011k 575q 由附圖 3-2 得尺寸系數(shù) =0.8 ；由附圖 3-3 得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù) =0.95。 軸按精車加工，由附圖 3-4 得表面質(zhì)量系數(shù)為 = =0.8 軸未經(jīng)表面強化處理，即 q=1，則按式得綜合系數(shù)值為 35.218.0.641kK7.95. 又得碳鋼的特性系數(shù) =0.1 =0.05 于是計算安全系數(shù) Sca 值按式則得 8.2701.435.271 maKs 59.124.28.711a ssSsca 9.15.222 故其可以安全。 23 6.3 長軸的校核 長軸只受到扭轉(zhuǎn)的作用，因此需按扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來校核軸的強度。 長軸的扭矩： /min9541.9542056Nm 6KWrPT 由強度條件， ，最小截面為邊長為 5 的正方形截面。查 材料力學(xué)p96 表得 maxT a=0.208 maxa33205679.8Mpabh 對于鋼材來說，許用剪應(yīng)力一般按（0.6-0.8）b/n，n 為安全系數(shù) 查機械設(shè)計實用手冊P770 表得 40Cr 的 b=750Mpa 計算得 ，滿足強度條件。max 故長軸安全。 7 軸承的選擇 及校核 7.1 軸承的選擇 根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，滾動軸承具有摩擦阻力小，功率消耗小，機械效率 高，易起動；尺寸標準化，具有互換性，便于安裝拆卸，維修方便；精度高，轉(zhuǎn)速高， 磨損小，使用壽命長；適用于大批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，因此 在一般機器中應(yīng)用較廣，但滾動軸承也有噪音大、徑向尺寸過大、軸承座的結(jié)構(gòu)比較 復(fù)雜、成本較高等缺點。 7.2 軸承的校核 按照軸承樣本或設(shè)計手冊選擇 6000Q，其額定動載荷 =15.0kN, 額定靜載荷rC =10.0kN。軸承壽命可由式OrC 24 進行校核，由于軸承主要承受徑向載荷的作用，所以 ，查機 610()thPCfLhn rPF 械設(shè)計基礎(chǔ)314 頁表 16-5、6、7 取 取 。1,.2,tpf3 求相對軸向載荷對應(yīng)的 e 值與 Y 值 按表 13-5 注 1，對深溝球軸承取 =11.3，則相0f 對軸向載荷為 ，在表中介于 0.1720.345 之間，對0CFfa1.320/.6 應(yīng)的 e 值為 0.190.22，Y 值為 2.301.99。 用線性插值法求 Y 值 Y=1.99+ 2.319.3450.26.30.7 故 X=0.56 Y =2.203 求當(dāng)量動載荷 P P= = prafXF1.205672.03451 驗算 6200 深溝球軸承的壽命， 601()()48hCLnP年 因此所該軸承符合求。 25 參考文獻 1 王少懷， 徐東安. 機械設(shè)計實用手冊M 北京：機械工業(yè)出版社，2009 2 濮良貴, 季名剛. 機械設(shè)計. 第八版M北京：高等教育出版社，2006 3 劉鴻文. 材料力學(xué). 第四版M北京：高等教育出版社，2004 4 丁玉蘭. 人機工程手冊M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008 5 陳傳強. 草坪機械使用與維護手冊M北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002 6 毛謙德. 機械設(shè)計師手冊M北京：機械工業(yè)出版社，2003 7 王萬均. 農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊M北京：機械工業(yè)出版社，1973 8 邵陸濤. 優(yōu)化設(shè)計方法M北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007 9 李炳威. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計M北京：科學(xué)出版社，1981 10 吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊M北京：高等教育出版社 1999 11 孟憲源.機構(gòu)構(gòu)型與應(yīng)用M北京：機械工業(yè)出版社 2004 12 周克繩.AutoCAD 計算機繪圖軟件M北京：國防工業(yè)出版社 1989 13 江耕華.機械傳動設(shè)計手冊M北京：煤炭工業(yè)出版社 1992 14 劉鴻文.簡明材料力學(xué)M北京：高等教育出版社，2003 15 馬香峰，徐鳳祿.機械設(shè)計制圖M北京：高等教育出版社,2000 16 朱龍根. 簡明機械零件設(shè)計手冊M北京：機械工業(yè)出版社，1997 17 趙平. 我國固林綠化機械前景展望M北京：林業(yè)機械與木工設(shè)備，1999 18 周忠旺. 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