1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù)剪草寬度 480，長(zhǎng)：1715mm 寬：570mm 高：1020mm 凈重：47.0kg 汽油機(jī)功率(最大功率 )及相應(yīng)轉(zhuǎn)速： 2.0/3000kw/(r/min) 汽油機(jī)扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：7.5/2500N·m/r/min 前后輪胎直徑：200mm 割草高度：20-80mm 集草袋容積：73L 電機(jī)功率：1200w 左右 轉(zhuǎn)速：3000r/pm 剪草高度 20-80 。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(chē)的較少，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)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 。手推自走式草坪修剪機(jī)主要利用滾動(dòng)的輪子帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)。手推自走式草坪修剪機(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?chē)娜藥?lái)舒適，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。1.3 主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù)1.3.1 該手推自走式草坪修剪機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)外形尺寸：1715mm 寬：570mm 高：1020mm汽油機(jī)功率(最大功率) 及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：2.0/3000kw/(r/min) 汽油機(jī)扭矩及相應(yīng)轉(zhuǎn)速：7.5/2500N·m/r/min 前后輪胎直徑：200mm凈重：47.0kg割草高度：20-80mm 集草袋容積：73L 割草高度：20-80mm1.3.2 該手推自走式草坪修剪機(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)凈重手推自走式草坪修剪機(jī)往復(fù)切割240mm 20mm 單動(dòng) 860r/min 平形 2kw3000r/min1 人 47kg1.4 主要工作原理本次設(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。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1.5 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.5.1 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(zhuān)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(zhuān)利。到 1881年，總共有 4 萬(wàn)多臺(tái)剪草機(jī)被生產(chǎn)和銷(xiāo)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 Leoni 取得了動(dòng)力型機(jī)械式剪草機(jī)專(zhuān)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。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(lèi)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(mǎi)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(xiāo)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(xiāo)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，C1arence Noke 研制出了一種可進(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 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)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(xiāo)售量在 3 萬(wàn)臺(tái)左右，其中 80％為進(jìn)口；2000 年我國(guó)各類(lèi)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(xiāo)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(xiāo)量約在 1 萬(wàn)臺(tái)左右 。1.5.2 常見(jiàn)的剪草機(jī)械分類(lèi)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(lèi)。按動(dòng)力又分為柴油機(jī)、汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī) 3 類(lèi)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(lèi)，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～lO00mm，剪草高度從 15～lOOmm 有幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位 。1.5.3 常見(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 3～80mm 的草坪，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(chēng)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(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(lèi)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 25~80m范圍內(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(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）甩繩式剪草機(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?zhuān)粫?huì)損壞機(jī)器本身，也不會(huì)對(duì)障礙物有較大的破壞。1.6 已經(jīng)考慮過(guò)的若干方案的比較1.6.1 手推式剪草機(jī)的工作設(shè)計(jì)方案我們所設(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1.6.2 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，采取割的方式將草截?cái)噍^難實(shí)現(xiàn)。（4）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(pán)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(pán)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1.7 關(guān)鍵問(wèn)題及其解決辦法1.7.1 增速機(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)?？梢岳脠A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 1—4 所示：圖 1—4 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1.7.2 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)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)。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(pán)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 3 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)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)。1.8 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 20—80mm 之間調(diào)整，割幅 240mm，,質(zhì)量 47kg（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(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；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。 1.9 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(lèi)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(lèi)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(mǎi)能力的要求。2.設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)2.1 設(shè)計(jì)方案論證2.1.1 手推式剪草機(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)剪切運(yùn)動(dòng)。2.1.2 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)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(lèi)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。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。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2.2 齒輪的計(jì)算部分2.2.1 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 0.5fN?，同時(shí)剪草數(shù)量最多為 500 根?？傻?F=250N；端面齒輪上所受力的大小為： 12F輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)剪刀，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。輪子的直徑為 20Dm?；輪子周長(zhǎng)為628.3Cm?。假定人的正常行走步數(shù)為 50/ms。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 121ffPFv?? 172.fPW?軸 ?上的所傳遞的功率大小為：12()38.9ffPW????軸 A上的所傳遞的功率大小為： 1246.??A;輪子所傳遞的功率大小為： 29.P?A輪2.2.2 齒輪設(shè)計(jì)思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)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。由于汽車(chē)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 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。2.2.3.齒輪設(shè)計(jì)過(guò)程（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速 13.04/min0.56Cnr??A軸 ?上的轉(zhuǎn)速 39.12/minnir???A計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩6.50PT?輪可得： 1234.7TN?A輪軸 ?上的轉(zhuǎn)矩為: 1239.0Nmi????A（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：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)： 2169Zui?（3）基本參數(shù)的選擇試選載荷系數(shù)： 1.6tK?選擇的齒寬系數(shù)為： 08d?查得彈性系數(shù)為： 9.EZMpa按齒面硬度查取接觸疲勞極限：小齒輪： lim1720HP??, 大齒輪： lim2580HPa??；（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： 1160hjnL?可得：81.4920N??大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：7123.0Ni?（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 1.02HNK?, 大齒輪 20.9HNK?接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ??.S有公式：??1lim59.6HNMPa??2li2.4HHKS試算小齒輪分度圓直徑 ??2131EHtTZud???????????可得： 12.7tdm?為了保證制造工藝簡(jiǎn)單，取 140tdm?模數(shù)：1.74()z取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 2m?小齒輪分度圓直徑： 146dzm?大齒輪分度圓直徑： 238大齒輪齒寬 21.dBb??,圓整取 37b?；小齒輪齒寬 14m (加寬 5mm)中心距??29a?小齒輪齒全高 112.54afhm???大齒輪齒全高 2f齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 齒形角 全齒高大齒輪 69 2.0 20 4.5齒輪 的相關(guān)參數(shù)如下表 所示：表 2-1 齒數(shù)表（6）計(jì)算載荷系數(shù) K查得使用系數(shù) 1.25A?圓周力 170.tTFNd，1.2570.5.43AtFNbm???查得動(dòng)載荷系數(shù) .VK?查得齒間載荷分配系數(shù) 1.2H?, .FK?查得齒向載荷分布系數(shù) 39?, 一般經(jīng)仔細(xì)跑合，取 1.2HFK??計(jì)算載荷系數(shù) .04AVHK??? （7）修正計(jì)算：3312.043.16ttdm?已取 46.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= 1.257.12.034AVFK?????小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 1390TNm?查得齒形系數(shù) .6FY?, 2.4F?;應(yīng)力修正系數(shù) 1.58SY?， 21.75S??查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：小齒輪 1.85NK?,大齒輪 209FNK小齒輪 23 2.0 20 4.5按齒面硬度查得彎曲疲勞極限 limF?：小齒輪 lim1620FMPa?,大齒輪lim2450FMPa??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) 1.3S?由公式??1limFNK??,可得 ??1405.FMPa由公式2li2FS，可得 23.F?齒根彎曲應(yīng)力 ??111180.5FFSFKTYMPabdm??????A??121274.FSFKTYMPabdm????A結(jié)論:計(jì)算可得彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。2.3 軸的計(jì)算部分2.3.1 手推式剪草機(jī)中軸 2 的設(shè)計(jì)（1）選擇軸 A的材料該軸無(wú)特殊要求，選擇 45 鋼調(diào)質(zhì)處理， 640BMPa??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 1C根據(jù)公式5%133min20.896.619.02PdC???加，取 min20d?（2）軸 A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?。?0214210mm??？紤]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245??倒角。（3）軸 A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： 1234.57TNm?A輪齒輪端面分度圓直徑：2269138()coss0ndz???圓周力： 2170.5()tTFN?輪徑向力：tantan20.61.9()coscosr N????軸向力： t()aFN??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： 12.5690.5()raBVFN????3.()DrBV?截面 C 處的彎矩為： 12.379()BVCMFm??A左12.5379()DVCMFNm??A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： 12.58()tBHFN????DtB?截面 C 處的彎矩為： 12.504()CHBMFNm??A圖 2—5 水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22108()CHCVMNm???A左 左右 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 0.6??，該截面上的計(jì)算應(yīng)力： ??2248.57()vMTPaW?????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 ??160M???，由于 ??1v???，故安全。2.3.2 手推式剪草機(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， 640BMPa??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 1C根據(jù)公式5%133min10.4612.3.7PdC???加，取 min14d?（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(chēng)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 6bhm??，配合為76Hr，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 1461821814mm???？紤]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 25??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·mm齒輪端面分度圓直徑：112346()coss0nmdzm????圓周力： 1270.5()tTFN??徑向力：tantan20.61.9()coscosr N????軸向力： t()aFN??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： 2110.54.0.526.30.5()r aBVFFN????? ?68.()DrBVN方向相反截面 C 處的彎矩為： 120.59672()BVCMm???A左29120.56()DVVMFm???A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： 120.5()tBHFN????8DtB?截面 C 處的彎矩為： 120.546()CHBMFNm??A圖 2—9 軸 ?水平面上截面的支反力截面 C 處的合成彎矩為： 22109()CHCVMNm???A左 左22709()CHCVMNm???A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 0.6??，該截面上的計(jì)算應(yīng)力： ??221.4()vMTPaW?????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 ??160Ma???，由于 ??1v???，故安全。2.4 刀具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分2.4.1 刀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)。