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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 手推式草坪修剪機(jī)設(shè)計(jì)THE DESIGN OF HANDS PUSH LAWN MOWING MACHINE學(xué)生姓名：榮彥學(xué) 號(hào)：200841914315年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：2008 級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化(3)班 指導(dǎo)老師及職稱：全臘珍 教授學(xué)部：理工學(xué)部湖南·長(zhǎng)沙提交日期：2012 年 5 月湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)誠(chéng)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(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時(shí)，本論文的著作權(quán)由本人與湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院、指導(dǎo)教師共同擁有。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：年 月 日目 錄摘要……………………………………………………………………………………1關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………11 緒論………………………………………………………………………………21.1 引言………………………………………………………………………21.2 手推式割草機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和使用…………………………………21.3 設(shè)計(jì)手推式割草機(jī)的意義………………………………………………21.4 作品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)…………………………………………………32 總體方案設(shè)計(jì)……………………………………………………………………32.1 總體要求…………………………………………………………………32.2 手推式剪草機(jī)設(shè)計(jì)與制作的具體任務(wù)…………………………………32.3 其他工作設(shè)計(jì)方案比較…………………………………………………42.4 主要技術(shù)指標(biāo)……………………………………………………………52.5 工作原理…………………………………………………………………52.6 總體結(jié)構(gòu)…………………………………………………………………52.7 兩種方案的比較及最終選擇……………………………………………63 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………63.1 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算…………………………………………………………63.2 剪草機(jī)后輪的設(shè)計(jì)………………………………………………………73.3 大齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算過程…………………………………………………83.4 后輪軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算過程………………………………………………123.5 后輪軸滾動(dòng)軸承的選用…………………………………………………153.6 后輪軸鍵的選擇…………………………………………………………154 增速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………164.1 齒輪軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算……………………………………………………164.2 齒輪軸滾動(dòng)軸承的選用…………………………………………………194.3 齒輪軸鍵的選擇…………………………………………………………205 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………205.1 端面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算……………………………………206 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………236.1 刀具的概述………………………………………………………………236.2 刀具的運(yùn)動(dòng)分析…………………………………………………………246.3 刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)……………………………………………256.4 固定刀片設(shè)計(jì)……………………………………………………………276.5 活動(dòng)刀片設(shè)計(jì)……………………………………………………………277 剪草機(jī)機(jī)架與萬向輪設(shè)計(jì)………………………………………………………287.1 萬向輪的設(shè)計(jì)……………………………………………………………287.2 機(jī)架的設(shè)計(jì)………………………………………………………………288 剪草機(jī)的使用方法………………………………………………………………289 剪草機(jī)使用后的維護(hù)……………………………………………………………2910 總結(jié)………………………………………………………………………………29參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………30致謝…………………………………………………………………………………31附錄…………………………………………………………………………………311手推式草坪修剪機(jī)設(shè)計(jì)學(xué) 生：榮彥指導(dǎo)老師：全臘珍(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）摘 要：為了更好的適應(yīng)人們的需求，通過仔細(xì)分析對(duì)比，改進(jìn)了原有的切割形式。本設(shè)計(jì)中，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(jī)械設(shè)計(jì)和相關(guān)的理論研究，設(shè)計(jì)了手推式剪草機(jī)的傳動(dòng)部分，并且用凸輪和推桿的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了端面齒輪和撥桿。此次設(shè)計(jì)的手推式剪草機(jī)的左右兩側(cè)對(duì)稱，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,受力均勻,運(yùn)行平穩(wěn),摩擦阻力小，彎曲性能好,不易出現(xiàn)堵塞，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。關(guān)鍵詞：草坪修剪機(jī) ；剪草 ；手推 ；改進(jìn)設(shè)計(jì)Hands Push Lawn Mowing Machine DesignStudent：Rong YanTutor：Quan Lazhen（Normal College of Science and Technology , Hunan Agricultural University, Changsha 410128,China)Abstract : 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.2Keywords：the lawn cropper; cut grass ; hand pushing ; improvement design1 緒論1.1 引言本作品設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)一款體積小，質(zhì)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(jī)。作品設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要是家庭式草坪。家庭草坪面積不大，如果購(gòu)買市面上的高能耗剪草機(jī)價(jià)格過于昂貴，且不需要這么大的功耗，造成了資源的浪費(fèi) ，所以有必要設(shè)計(jì)一款適合家庭使用的小功率，高效，低成本的剪草??1機(jī)來解決上述問題。本次設(shè)計(jì)作品采用人力傳動(dòng)，定動(dòng)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(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和使用國(guó)內(nèi)目前生產(chǎn)的剪草機(jī)械按動(dòng)力劃分可以分為機(jī)動(dòng)和人推的兩類。以刀具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。滾刀式剪草機(jī)由帶有刀片的滾筒和不動(dòng)的床刀組成。它較旋刀式剪草機(jī)有更好的修剪質(zhì)量,是高質(zhì)量草坪最常用的剪草機(jī)型 [2]。適用于草高30～80 mm 的草坪,其問題主要是價(jià)格貴,維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。而旋刀式剪草機(jī)(又稱懸刀式) 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,它適于 25～80 mm 范圍內(nèi)剪草 [3]。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)。此外，還有甩繩式和甩刀式剪草機(jī)。國(guó)外大多使用滾筒式、圓盤式或水平旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，這些割草機(jī)堅(jiān)固耐用，工作速度快。如荷蘭公司生產(chǎn)的 616 和 617 型圓盤割草機(jī)，為使割刀接近地面就行作業(yè)，所以機(jī)器上裝有可調(diào)節(jié)的浮動(dòng)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(jī)以其操作簡(jiǎn)單、維修方便獨(dú)特的防碰撞裝置、先進(jìn)的掛鉤裝置，減少機(jī)械對(duì)草坪留茬的壓力 [5]，使草苗更快、更健康的生長(zhǎng)。目前市面上的剪草機(jī)大多引擎這會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，帶來環(huán)境污染，在辦公和學(xué)習(xí)的地方，這種動(dòng)力引擎的剪草機(jī)非常不受歡迎 [6]。由于保養(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)把草割斷，通過旋轉(zhuǎn)氣流把草排出，因此，對(duì)整機(jī)的安全性要求較高，操作時(shí)也會(huì)給工作人員帶來強(qiáng)烈的震動(dòng)，使得操作很不舒服。雖然當(dāng)前的先進(jìn)剪草機(jī)剪草效率較高，剪草效果較好，但是價(jià)格也較昂貴，對(duì)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(jià)較低的手推式草坪修剪機(jī)勢(shì)在必行。 1.3 設(shè)計(jì)手推式草坪修剪機(jī)的意義大多數(shù)的剪草機(jī)都帶有動(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)3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)給工作人員帶來強(qiáng)烈的震動(dòng)，使操作很不舒適。利用人力推動(dòng)行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換作為動(dòng)力源 [8]，這樣的一款剪草機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。1.4 作品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)1）通過人力推動(dòng)作為動(dòng)力源，具有節(jié)省能源、無污染的特點(diǎn)2）體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎn)品。3）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，剪草效率高。 4) 剪草的高度可在 20—60mm 之間調(diào)整，割幅 330mm，,質(zhì)量 29kg（刀片材料由9SiCr 制作） ；5)采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)件，具有永不生繡、不卷曲變形的特點(diǎn)；6)前輪采用萬向輪，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)；7)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；8)底盤獨(dú)特的設(shè)計(jì)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(chǎn)品。 2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體要求利用輪子運(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)。采用齒輪機(jī)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)增速） ，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),采用的剪草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。2.2 手推式割草機(jī)設(shè)計(jì)與制作的具體任務(wù) 我們所設(shè)計(jì)的手推式草坪剪草機(jī)首先要通過一個(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)傳遞過來的運(yùn)動(dòng)都需要再經(jīng)過一級(jí)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。4通過分析得到手推式草坪剪草機(jī)的組成框圖，如圖 1 所示：圖 1 手推式草坪剪草機(jī)的組成框圖Fig 1 Hand push lawn mower composition block diagram2.3 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，以其在草還沒被打倒之前將草打斷，這樣的修草產(chǎn)品已有，但效果不好。（4）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) [9]。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)，操作者要完成的動(dòng)作過多，操作不方便 [10]。要使操作者只通過簡(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。2.4 主要技術(shù)指標(biāo)5外形尺寸：850×490×390mm輸入功率： W1.49輪子轉(zhuǎn)速： min/03r力矩： 57.2??NT輪凈質(zhì)量： kgM?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：f=0.5N同時(shí)剪草量： 根50N2.5 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 [11]。端面齒輪通過自身的轉(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)。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。手推式草坪修剪機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖 2：1.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.增速機(jī)構(gòu) 3.轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) 4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖 2 手推式草坪修剪機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig 2 Hand push lawn-trimming machine mechanism2.6 總體結(jié)構(gòu)6該機(jī)構(gòu)由輪子帶動(dòng)，通過一對(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)。總體方案設(shè)計(jì)如圖 3 所示：圖 3 總體方案設(shè)計(jì)Fig 3 The overall scheme design2.7 兩種方案的比較及最終選擇選擇這個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞。無引擎驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源，無污染（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) [12]，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)的問題。另一方案，用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直接帶動(dòng)割草圓盤旋轉(zhuǎn)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 [13]。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。3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)73.1 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 f=0.5N，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： NF1251?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 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自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運(yùn)動(dòng)。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(jī)對(duì)齒輪的設(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：3.2 剪草機(jī)后輪的設(shè)計(jì)后輪是行走輪，通過人力推動(dòng)剪草機(jī)使行走輪往前轉(zhuǎn)動(dòng)，行走輪安在后輪軸上，8帶動(dòng)軸上面的齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的傳動(dòng)，后輪的設(shè)計(jì)尺寸如下圖所示：圖 4 后輪零件圖Fig4 rear wheel drawing3.3 大齒輪設(shè)計(jì)與計(jì)算過程（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速： min104.1365.0rCn??軸Ⅱ上的轉(zhuǎn)速： in122.9ri計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩： PT??605.9輪（2）可得： m7.1234??NT輪軸 上的轉(zhuǎn)矩為: ?9mNiT???09.31211?（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)： =23，大齒輪齒數(shù)：1z 6912?iZu（3）基本參數(shù)的選擇試選載荷系數(shù)： 6.?tK選擇的齒寬系數(shù)為： 80d?查得彈性系數(shù)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(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： hLjnN1160?（3）可得： 810492.??N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 , 大齒輪2.1HNK92.0?HNK接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ??0.?S有公式：10??1lim59.6HNKMPaS??（4） ??2lim26.4HNaS??（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(jiǎn)單，取 mdt401?模數(shù)： ??z74.1取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)： 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(guān)參數(shù)如下表所示：11（6）計(jì)算載荷系數(shù) K查得使用系數(shù) 25.1?A圓周力，NdTFt 0.71 mNbFtA74.530.12.???查得動(dòng)載荷系數(shù) .?VK查得齒間載荷分配系數(shù) , 2.1?H.??FK查得齒向載荷分布系數(shù) 一般經(jīng)仔細(xì)跑合，取39? 2.1??FHK計(jì)算載荷系數(shù)： .034AVH???（8）（7）修正計(jì)算：3312.043.16ttKdm???已取 ,符合接觸疲勞強(qiáng)度條件。m46.（8）齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核過程確定設(shè)計(jì)參數(shù)載荷系數(shù) K= 034.21.725.1?????FVAK小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： mNT?09.3查得齒形系數(shù)：, 12.6FY??2.4F?應(yīng)力修正系數(shù)：，1.58S?21.75S?查得彎曲疲勞壽命系數(shù)：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??12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) 3.1?S由公式??1limFNKS??（9）可得 ??MpaF4.051由公式， ，可得 ??FNSK2lim2????MpaF5.312?（10）齒根彎曲應(yīng)力；??1111280.5FFSFKTYMPabdm??????A ??121274.FSFKTYPabdm?????A結(jié)論：計(jì)算可得彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。3.4 手推式剪草機(jī)中軸Ⅰ(后輪軸)的設(shè)計(jì)與計(jì)算（1）選擇軸Ⅰ的材料該軸無特殊要求，選擇 45 鋼調(diào)質(zhì)處理， MpaB640??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：5%133min10.4612.3.7PdC???加（11）取 41min（2）軸Ⅰ的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸Ⅰ上零件的軸向定位周向定位大齒輪在軸Ⅰ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13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6bhm??76Hr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)度通過確定定位軸肩高度，從左輪子連接處向右取 。14618218614mm??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 倒角。??52軸Ⅰ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： =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(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0.6??截面上的計(jì)算應(yīng)力：??221.4()vMTPaW?????（16）通過查表可知：材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力為 ，由于 24000h hpcnLh6610.3)(0???（18）由此可見，軸承的壽命高于預(yù)期的計(jì)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(gè)方面。鍵的類型應(yīng)根據(jù)鍵聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用要求和工作條件來選擇：鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)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(zhǎng)度 L。鍵的截面尺寸 B×H按軸的直徑 D 由標(biāo)準(zhǔn)中選取定。鍵的長(zhǎng)度 L 一般可按輪轂的長(zhǎng)度而定。即鍵長(zhǎng)等于或略短于輪轂長(zhǎng)度；而導(dǎo)向平鍵則按輪轂的一般的輪轂長(zhǎng)度及其滑動(dòng)距離而定。一般輪轂的長(zhǎng)度可取為 L=（1.5-2）d，這里 d 是軸的直徑。所選定的鍵長(zhǎng)亦應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長(zhǎng)度系列 [15]。普通平鍵和普通楔鍵的主要尺寸可以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。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(jí)以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中可以查得截面尺寸為 12×8，即寬度為 12mm，高度為 8mm，取鍵長(zhǎng)為 L=90mm。安裝后輪的軸徑為 18mm，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以查到截面尺寸為：6×6 ，即寬度為 6mm，高度為 6mm，取鍵長(zhǎng)為 L=28mm。3.6.2 校核鍵聯(lián)接強(qiáng)度（1）安裝齒輪處的鍵的強(qiáng)度校核鍵、軸的材料為鋼，齒輪的材料也為鋼，故查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：[ ]=100-p?120MPA,取平均值[ ]=110MPA。鍵的工作長(zhǎng)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(yù)期的計(jì)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(duì)稱布置，用于端面凸輪的周向定位，一般 8 級(jí)以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中可以查得截面尺寸為6×6，即寬度為 6mm，高度為 6mm，取鍵長(zhǎng)為 L=28mm。4.3.2 校核鍵聯(lián)接強(qiáng)度鍵、軸的材料為鋼，凸輪的材料也為鋼，故查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得：[ ]=100-p?120MPA,取平均值[ ]=110MPA。鍵的工作長(zhǎng)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(qiáng)度合格 pKldT3102?5 轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)5.1 端面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)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(duì)撥桿的運(yùn)動(dòng)要求為：22當(dāng)端面齒輪轉(zhuǎn)過 時(shí)，推桿上升 20mm；?26端面齒輪再轉(zhuǎn)過時(shí) ，撥桿下降 20mm；推桿繼續(xù)轉(zhuǎn)過 時(shí)，撥桿又停止不動(dòng)。?8撥桿在端面齒輪處安裝 [16]，撥桿上升對(duì)應(yīng)的端面齒輪所旋轉(zhuǎn)的角度 ，c 為 。?26?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： 269.530adm???81c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 12 端面齒輪的輪廓曲線Fig 12 the end gear profile curve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XY程為： 2360dYkX????????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：k=0.023??04?26?從而得出接觸點(diǎn)上下運(yùn)動(dòng)位移的軌跡方程為：(21) 22360YkXd??????????推程階段 ： ?1803261?23221360YkXd??????????130,8?????????遠(yuǎn)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(gè)運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)形式。 通過上述運(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(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。6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 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)。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?ts?片的行程與上、下刀片的距離均相等。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剪切 [17]。刀片的速度圖如圖 2—11 所示。剪刀自 點(diǎn)0a向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度自零逐漸增加，在沒有達(dá)到 之前，因切刀不相接觸，不發(fā)生切1a割。刀片到達(dá) 時(shí)，兩刀刃開始接觸，這時(shí) 稱為始切速，然后刀片繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)1aV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)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(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：10.51236286.49mvtxtnmc????（22）50myvt（23）式中： ——機(jī)器的前進(jìn)速度mv??s——刀具水平運(yùn)動(dòng)的距離1t——輪子的周長(zhǎng)C一個(gè)行程所需要的時(shí)間為： sxt07.49.2861????（24）一個(gè)行程運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)距離：x=20mm035myvt可得切刀的進(jìn)程 H 為：H= ???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)，速度從 0 到達(dá) 的所需的時(shí)間與 到達(dá) 0 的時(shí)間均為 。1av1av.035s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：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(jī)器的前進(jìn)速度 的比值 稱為刀機(jī)速比。mv?26，據(jù)類似的茶樹修剪機(jī)和采茶機(jī)的試驗(yàn)分析，可得動(dòng)力轉(zhuǎn)速較小的0.571pmv??手推式剪草機(jī)傳動(dòng)的效率較高。6.3 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。手推式剪草機(jī)的主要參數(shù)如下表 2 所示： 表 2 手推式剪草機(jī)的主要參數(shù)Table2 The hand thrust lawnmowers Main Parameters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 330mm 16mm 單動(dòng) 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(dāng)?shù)镀谐淘?時(shí)，刀片的切割角13.5~4m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 14 所示。?? ??圖 14 往復(fù)式刀刃的切割角 和楔角??Fig14 The reciprocating blade cutting angle and wedge angle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)量沒有顯著的影響。剪草質(zhì)量比較好的行程在20mm~40mm，碎片也相應(yīng)較少。切割間距在 10~30mm 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。