0404059王法臣手推式草坪割草机设计

济南大学毕业设计1 前言1.1 设计的依据割草机械至今已有一百多年的历史，而目前人们最多使用的割草机械为充电式。由于割草机械多在人口稠密的地区作业，流动性大，对机械的震动、噪音、废气排放、质量等指标要求比较高。现在的草坪机机多使用汽油机或柴油机作动力，排气污染量相比于汽车的少，但其噪声危害却很大。美国EPA(美国环境保护局)及欧盟对草坪机等用发动机的排放均有相应的法规；德国还出台了控制噪声污染的兰色天使法规；欧洲一些城市推出过引导性计划，通过税收优惠及奖励等措施鼓励“绿色经营者” 以加速环保技术的发展。随着中国经济水平的不断提高，我国公民的环境意识也不断增强，所以设计一款无污染的草坪割草机是急需的。手推式草坪割草机主要利用滚动的轮子带动机械运动。手推式割草机结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分简单，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适和安静的环境。1.2 产品的用途及使用范围目前市面上的割草机大多需动力引擎（如内燃机、蓄电池等），这会产生较大的噪音，并带来环境污染，在办公或学习的地方，这种用动力引擎的割草机就显得非常不受欢迎。由于动力引擎草坪割草机有动力装置，保养、维护费用较高；同时动力引擎割草机主要依靠刀片的高速旋转把草排出。因此，对整机的安全性要求较高，操作时也会给工作人员带来强烈的震动，使操作很不舒服。虽然，动力引擎草坪割草机割草效率较高，割草效果较好。但是，其价格也较昂贵，就目前来说一般的用户难以接受。通过市场调研，最后决定设计一款无引擎驱动，无噪音污染，割草高度可简单调节，轻便简洁，操作方便，美观实用，适用于一般用户的草坪割草机。该产品主要用于家用，及面积不大的草坪修理。无需引擎，可谓绿色环保的割草机。对提倡环保的现代社会，是理想的割草工具。1.3 国内外研究现状随着经济水平的发展和社会的进步，人们对生活环境的要求越来越高。草坪绿化已经成为衡量一个国家、地区或城市文明程度的一个重要指标，在美化环境、故土护坡、净化空气等方面已成为人类得共识，在生态环境建设和保护方面将扮演着越来越重要的角色。我国草坪建设也得到了迅速的发展，如城市园林绿化、兴建休闲场所等都需要大量的草坪，江河堤坝。高速公路、铁路等交通水利设施的护坡及屋顶花园、室内绿化也都需要优质草坪。草坪建植后需要经常的养护，以保持草坪青绿茂盛、持久不衰。高质量、高标准的草坪养护，仅手工劳动远远不能满足绿化的要求，因此与草坪养护管理配套的机械设备势必不可少的。我国园林机械发展迅速，生产经营企业有五十余家，与国外合资、合作的企业有十家左右。通过近几年的技术改造，其生产规模不断扩大，产品质量也日益提高，形成了独具特色的产品系列，基本能满足园林养护作业的需要。在欧美等发达国家和地区，现代草坪机现在主要追求低排放、低噪音、低功耗、高效率等。例如太阳能、电能等新型割草机逐渐站住了市场。相对于国外技术发展，我国草坪机技术发展相对落后。随着草坪覆盖率要求越来越高，使得草坪机数量和种类越来越多。为此对草坪机设计提出了全新的更高要求，从而使得草坪机技术有了许多新的发展，主要体现在草坪机几何参数优化、低排放、高效率的草坪机以及结构紧凑的草坪机结构上面。从整体来看，我国草坪割草机的技术水平、质量状况已基本能够满足一般园林作业的需要。现有的草坪机产品包括旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式和甩绳式等系列产品，其中滚刀式草坪机为行业的主导产品。近年我国草坪机行业发展迅速，行业内的各重点骨干企业中，都有自己的研究所，拥有产品设计、开发队伍、设施及必要的检测手段，可以根据发动机的功率、安装尺寸等参数及工作环境等要求，设计开发全新的产品，国内草坪机生产企业与国外先进技术的差距进一步缩小，目前我国生产的草坪机已经逐渐能够满足国内、国际市场需求。1.3.1 国内外发展概述l9世纪中叶，大部分的草坪还在使用镰刀来割草或放牧牛羊来保持草地的整齐性。随着高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，保持完善的草地做运动场便成为当务之急。英国人Edwin Budding利用旋转式机械工作的原理发明了滚刀式割草机，该产品的问世在英国受到了广泛的欢迎，随后传入美国，最后遍及世界。1868年，美国第一台割草机取得专利，美国的草坪业也由此起步。不过几年，便有40多项有关割草机的发明获得专利。到1881年，总共生产和销售4万多台割草机。最初的割草机均为人力驱动；1890年，在英国开始设计有动力驱动的割草机。从最初的蒸汽动力驱动发展到小型内燃机动力驱动；1909年，美国科学家Leoni取得了动力型机械式割草机专利，尽管割草机由汽油机驱动，但整个装置仍由马拉行走。在草坪修割机械发展的历史上，第二次世界大战是一个转折点。在20世纪30年代前后，每年生产的各类割草机数量约3万台左右。战后，美国经济得到复兴，允许现役军人低价买房不付现金，大批建设房屋并出售，促使草坪修割机械得到迅速发展，生产量急剧上升，1947年达36万台，1974年达700万台。20世纪70年代后期开始，割草机的市场销售量逐渐趋向饱和，但每年仍保持在500万600万台的销量 。割草机在数量增加的同时，其性能也在不断改进。1950年，美国第一台无线电操纵的割草机诞生；1978年，C1arence Noke研制出了一种可进行草坪修割编程的割草机；20世纪80年代，一些新的草坪设备又投放市场，如Mulching mower，Shredder，Lawndethatcher，String trimmer等，以及清洁草坪用的Blower，Lawn vacuum，Lawn sweeper 。到了80年代后期，string trimmer被认为是一件普通的家庭用具。我国生产草坪割草机起步较晚，生产企业规模普遍较小，产品用途单一，品种数量少，远不能满足要求，而且质量与发达国家的相比也有很大差距。所以长期以来，草坪割草机多以进口为主，主要来自日本、美国、意大利和瑞典等国。据统计，1999年的割草机销售量在3万台左右，其中80为进口；2000年我国各类草坪机械保有量达13余万台，割草机进口量在316万台左右；近两年，草坪机械平均年增长率达到30左右，国内每年草坪机械的销售总额大约为12亿13亿元人民币，其中从国外进口的机械占85，国内自行生产的产品占15左右，其合计销量约在1万台左右。1.3.2 常见的割草机械分类割草机械按动力划分可以分为机动和人推的两类。按动力又分为柴油机、汽油机和电动机3类驱动。其中以小型通用汽油机作为动力的较为普遍，而柴油机多用于大型的割草机械，如牧场的割草机；按割草时刀片运动的方式可分为滚刀式、旋刀式和割切式3种；按切割器形状可分为旋刀式、滚刀式、往复割刀式和甩刀式等；按驾驶形式分类，可分为推动式(步行式)、自行式、坐骑式(驾乘式)；按配套动力和作业方式分为手推式、手扶推行式、手扶自行式、驾乘式、拖拉机式等。割草机的割草幅宽一般为400lO00mm，割草高度从0100mm有几个调节挡位。1.3.3 常见几种割草机械割草原理（1）滚刀式割草机：它由带有刀片的滚筒和不动的底刀组成。滚刀的形状像一个圆柱形鼠笼，切割刀呈螺旋形安装在圆柱表面，滚刀旋转带动草茎相对于底刀产生一个逐渐切割的滑动割切而将草茎割断。滚刀式割草机割草的质量取决于滚刀上刀片数和滚刀的转速，滚刀上刀片数越多，单位长度行进中切割的次数就越多，切下的草也越细，滚刀的刀片数一般为312片不等；滚刀的转速越高，切下的草也越细。滚刀式割草机是高质量草坪最常用的割草机型，适用于草高380mm 的草坪，其价格贵，维修保养要求严格。（2）旋刀式割草机(又称悬刀式)：它是由横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草的上部叶片。其工作装置为一长条形割草刀或多把割草刀在水平刀盘上，高速旋转的刀刃与草茎碰撞而将其割断，为无支承切割。刀刃的后面是类风叶形状，在高速旋转下，对地面形成一定的真空将草茎吹成直立状态，便于切割并与罩壳相结合，形成涡流将割下的碎草送人集草装置或从罩壳出口喷出洒到草坪，适于2580mm范围内割草，它的价格相对低廉，保养、维修和使用都很方便，是国内外目前最流行的割草机。（3）甩刀式割草机：其切割装置由多把垂直于地面的刀片铰接在旋转组成的旋转轴上，当高速旋转时，在离心力作用下，其刀片像垂直于轴芯的甩刀，端部刀刃不断地冲击切割草茎。由于刀片与刀轴或刀盘为铰接，当碰到坚硬冲击不断的物体时可以避让而不致损坏机器。（4）甩绳式割草机：其工作装置是由一个内装尼龙绳的打草盘、背向人的护罩组成。当打草盘高速旋转时，露在外面的尼龙绳在离心力作用下，像一束伸直的刀刃快速撞击草茎而切割断草。由于尼龙绳是柔性的，其撞击障碍物时退让，不会损坏机器本身，也不会对障碍物有较大的破坏。2 方案设计2.1 主要工作原理本次设计的手推式割草机主要利用轮子旋转运动传到变速箱中的齿轮，实现刀具的往复运动的功能。手推式割草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和刀片等构件组成，端面齿轮和拨杆是一对工作组合。端面齿轮通过自身的转动将旋转方向的力传动给拨杆，引起水平方向的往复运动，从而使刀具自身往复运动。由于割草机变速变矩范围不大，因此在刀具的选择上尤其注意以提高割草机自身效率为重要原则。割草机工作时由人推动机器行走，从而使割草机的后轮1传动，带动与其在同一根轴上的大齿轮2转动，通过齿轮2与齿轮3组成的增速机构使速度得以增大，并带动端面凸轮4（为了实现几何形状封闭和便于调整，采取两个端面凸轮以背靠背形式装配）回转，端面凸轮4带动拨杆5运动，通过端面凸轮4与拨杆5组成的转换机构将回转运动变为直线往复运动，使固定其上的活动刀片与固定在机架上的固定刀片形成相对交错运动，完成割草动作。如图2.1所示： 图2.1 机器的运动简图2.2 主要技术指标和重要技术参数2.2.1 该手推式割草机的总体设计参数手推式草坪割草机的前进是靠走轮，即靠人的推力来驱动。查阅人机工程手册，可得人步行速度约为3046m/min,考虑到推动割草机进行割草,选取较小速度即取人步行速度为30m/min,亦即500mm/s。查阅机械设计手册得到以下数据：成年男性身高：1825周岁 15541830毫米2635周岁 15451851毫米3560周岁 15541798毫米平均身高：1860周岁 15431814毫米成年女性身高：1825周岁 14571709毫米2635周岁 14491698毫米3660周岁 14451683毫米平均身高：1860周岁 14491697毫米成年男性臂长：1825周岁 279350毫米2635周岁 280349毫米3660周岁 278348毫米平均臂长：1860周岁 279349毫米成年女性臂长：1825周岁 253319毫米2635周岁 253320毫米3660周岁 251317毫米平均臂长：1860周岁 252319毫米立姿工作岗位工作高度：男性：95010501150毫米105012001300毫米女性：8509501050毫米100011001200毫米综合以上因素，设计扶手以及支架的尺寸，并且根据不同性别和不同年龄将扶手高度和倾斜角度设计成可以调节的。站立工作时操作的有关尺寸，以及人体需要的可能活动空间。由人机工程手册查得，人体身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推杆距地面高度取为1000毫米，且可在8501300毫米之间调节，符合人体作业适应度。设计原则：工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、视野范围等。A：精密工作，靠肘支撑工作。（设计尺寸针对男性：105115毫米 针对女性：100110毫米）B：虎钳固定在工作台上的高度：113毫米C：轻手工工作。（男性：90100毫米 女性：9095毫米）D：用劲大的工作。（男性：8095毫米 女性：7590毫米）本课题设计属于D范围内的设计。又因为该草坪割草机是手推式的，行走动力来源于人的行走以及推力。应考虑到其结构尺寸方面的因素，因而行走轮直径不易过大。其切割速度要求要大于0.8米/秒,如果小于0.8米/秒,那么草将可能被撕裂和扯断,而不是被切割断;如果轮子直径过小，则推行会较费力，不能达到设计要求，要满足人的推力在200N左右都能推动这台草坪机才可以。综上所述，本设计中的总体设计参数如下：外形尺寸：586369200 mm输入功率：149.1 W轮子转速：113.04 r/min力矩：T=12334.57N.mm净质量：M30kg变速要求：单级刀具，一固定刀片和一活动刀片相互运动单根割草载荷：f=0.5N2.2.2 该手推式割草机的刀具设计参数项目切割器的形式切割幅宽刀片间距刀片运动形式刀片往复频率刀片形状配套动力操作人数净重手推式割草机往复切割240mm20mm单动860r/min平形149.1W113r/min1人30kg2.3 已经考虑过的若干方案的比较2.3.1 手推式割草机的工作设计方案本次设计的手推式草坪割草机首先要通过一个传力构件将人力传递出去。为了让操作者在正常行走速度下操作，传递出去的力应通过增速机构继续传递。因执行修割草动作刀片的相对运动方向与人行进的方向垂直，经前面增速机构传递过来的运动都需要再经过一级转换机构传递到执行构件。通过分析得到手推式草坪割草机的组成框图，如图2.2所示。图2.2 手推式草坪割草机的组成框图2.3.2 其他工作设计方案的比较能实现手推式草坪修草功能的技术原理较多，但各有利弊，具体分析如下：（1）用脚驱动 用脚驱动时，一般操作者都需站在或坐在被驱动的机器上用力，这样所设计的修草机，除了要完成割草动作外，还要承受操作者的自重，且要有方向控制装置，使机器结构复杂，尺寸较大，不适合小面积草坪使用。（2）用手驱动 用手驱动，可避免用脚驱动时存在的问题，使所设计的机器小巧，且可灵活操作。因此，我们选择设计手动式修草机。（3）用打的方式 即用刀片或打草绳将草打断。用此法修草时所需的速度非常高，以其在草还没被打倒之前将草打断，这样的修草产品已有，但效果并不是很好。（4）用割的方式 即用刀将草割断，用两个刀片作相对运动的原理较易将草割断，且不需要很高的速度。因此，我们选择设计成手动式割草机。手动的形式又用手摇动和用手推动两种。机械容易实现的是简单的转动和往复直线运动，如果用手摇动手柄实现执行构件的往复移动，由于割草机还要靠人力推着向前行进，操作者要完成的动作过多，操作不方便。要使操作者只通过简单的操作即可完成割草动作，可以用手推割草机向前行驶，靠割草机轮子的转动将转动运动转变成往复移动而输出到执行构件。显然设计成手动式草坪割草机是合理而可行的。根据所查资料，可选用组合变异法构成初步方案。由前面的分析可知，手动式草坪割草机只需要一种运动形式变换功能（即转动变直线往复移动），所以，较简单。实现转动到直线往复移动变换功能最简单的机构为曲柄滑块机构，直线推杆盘状凸轮机构和齿轮齿条机构。a)曲柄滑块机构 b）直动推杆盘状凸轮机构c）齿轮齿条机构图2.3 机构运动简图2.4 关键问题及其解决办法2.4.1 增速机构的设计增速机构是动力传递及变速的核心机构。它的速度变化直接改变刀具的切割运动。本次设计的手推式割草机采用圆柱凸轮传动机构。可以利用圆盘侧面的形状特征，为此圆盘旋转时通过侧面推动固定在滑块上的拨杆（可横向调整）左右运动，这样就得到了一种新型的凸轮端面凸轮，其工作原理如图2.4所示：图2.4 圆柱凸轮传动机构2.4.2 几种增速方式的实现比较（1）用组合法实现增速，为了让操作者在正常行走速度下操作，传递出去的力应通过增速机构继续传递。由于转换机构的运动，以输入构件作定轴转动，这样在割草机动力输入构件轮子和转换机构的运动输入构件之间，可以采用链传动，带传动和齿轮传动。为了使所设计的割草机结构紧凑，可以采用齿轮传动。而齿轮传动有直齿圆柱齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动和蜗轮蜗杆传动等。但是蜗轮蜗杆传动的效率低，一般是蜗杆主动，且轴线空间交错，应用到割草机械中，会使支撑结构复杂。圆锥齿轮传动的轴线相交，且其中一个齿轮需悬置，也会使割草机支撑结构复杂。直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的轴线相互平行，支撑结构较简单，同时割草机的速度不高，载荷也不大，因此，可选择直齿圆柱齿轮作为增速机构。机构组成方案如图2.5所示： a) 带动齿轮增速的曲柄滑块机构 b）带齿轮增速的直动推杆盘状凸轮机构c) 带齿轮增速的齿轮齿条机构图2.5机构运动简图（2）用异变法实现刀具割草运动方向与割草机行进方向垂直，由于刀具的割切运动方向与割草机行进方向垂直，上图所示的机构组成方案不能最终满足设计要求，还需对机构进行进一步设计。方案1 利用梅花凸轮（凸轮廓线呈梅花状）和连杆机构来实现滑块在导轨上的往复运动，工作原理如图2.6所示。图2.6梅花凸轮传动机构方案2 利用圆柱凸轮机构将凸轮轴的旋转运动转化为滑块的往复运动，其工作原理如图2.7所示。图2.7圆柱凸轮传动机构在图2.6所示的梅花凸轮机构中，为把凸轮的转动变为执行构件的往复移动需增加一个支点和一个构件两个低副（或一个构件一个高副），这样会增加整个机构的复杂性，且设计时下面的轴应该比上面的轴短（否则必然会增大梅花凸轮的尺寸，或者引起梅花凸轮边缘曲线过度较急），这样将减少传送到滑块上的力。图2.6和图2.7所示的圆柱凸轮机构和端面凸轮机构的结构简单，可以考虑作为所设计的割草机的运动转换机构。但是，我们还希望所设计的割草机能实现割草高度的调节。要实现此调节功能，在图2.6所示的圆柱凸轮机构中还需要增加一个能使刀架（包括活动刀片和固定刀片）沿垂直方向移动的移动副，使机构结构变得较为复杂。而图2.7所示的端面凸轮机构，可以使推杆沿端面凸轮的任意弦上下运动，从而带动刀架上下运动，易于实现割草高度的调节。2.5 机构的功能及特点该机采用固定刀片与活动刀片相对错动的割切原理，结构紧凑，体积小，质量轻，噪音小、无污染，使用方便、灵活，适合小面积草坪的割草处理；无需引擎驱动，使用安全、可靠，便于维护；割草的高度可在120mm之间调整，割幅240mm，外形尺寸（长宽高：586369200mm）,质量30kg（材料由45钢制作）；采用耐用的铸铝底盘和结构件，具有永不生绣、永不卷曲变形的特点；前轮采用万向轮，具有良好的导向性，后轮的一个轮子装上寿命长的球轴承，使割草机转弯时易于推动；金属手柄易于折叠，以减少包装尺寸，手柄长度可伸缩，对于不同身高的操作者同样适用；底盘独特的设计可防止草堵塞出口通道；外观造型美观，更适合家庭用户的审美要求；割草的效果较理想，且成本低，是小面积草坪修割的首选产品。 2.6 机构设计与用户的一致性分析（1）从机构运动的功能出发，按变异组合法和类比法完成机构的构件和设计；（2）在作品样机加工前，使用三维造型软件进行三维造型、虚拟装配和运动仿真；（3）理论上验证设计的可行性，然后进行样机制作；（4）外观造型新颖，推杆可折叠伸缩，适合家庭用户使用；（5）采用齿轮机构（实现增速），提高整机的工作效率，解决了手动割草机工作效率不高的问题；（6）采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动，从而满足割草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题；（7）采用的割草高度调节机构，解决了目前手动割草机不易实现高度调节的问题；（8）产品成本（包括制造和使用成本）低，符合广大用户购买能力的要求。3 技术设计3.1设计方案论证3.1.1 手推式割草机的设计原理该机构由轮子带动，通过一对单级减速器进行传递转矩，再由端面齿轮和拨杆组合变化运动方向，最终输出往复割切运动。总体方案设计如图3.1所示：图3.1 总体方案设计3.1.2 方案的选择选择这个设计方案能够更好的实现运动传递。无引擎驱动，节省能源，无污染（噪音、废气），采用绿色环保设计。采用齿轮机构（实现增速），提高整机的工作效率，解决了手动割草机工作效率不高的问题；采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动，从而满足割草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题。采用的割草高度调节机构，解决了目前手动割草机不易实现高度调节的问题。另一方案，用蜗轮蜗杆传动，直接带动割草圆盘，采用割草的方式。机构更加简单，刀具拆装方便。但草柔软，且一端自由，采取割的方式将草截断较难实现，割草的数目不多。要想割的效率快，必须采用大功率。本次设计采用的割草机方案结构比较简单，与之相比轴的位置较为容易定位，而蜗轮蜗杆传动的割草机一水平一竖直的轴造成了机架结构的复杂。并且增速机构采用端面齿轮和拨杆的运动组合，结构简单，运动实际为一凸轮推杆的运动组。同时割草的数量较多，在功率一定得情况下效率较高。蜗轮蜗杆传动的割草机机构方案简图如图3.2所示：图3.2 蜗轮蜗杆传动的割草机3.2 齿轮的设计计算部分3.2.1 机构的动力计算草坪上的草为特殊纤维材料，较易割断，不需要太大的载荷。通过对实际运用中割草机械的分析，可以假设割一根草所需载荷为f=0.5N，同时割草数量最多为500根。可得F=250N；端面齿轮上所受力的大小为： 轮子提供转矩带动割刀，进行机械运动。假设轮子的直径为D=200mm；轮子周长为C=628.3mm。假定人的正常行走步数为500mm/s。假定刀具所受的力全部来自轮子的转矩所引起的运动。则 轴上的所传递的功率大小为：轴上的所传递的功率大小为：轮子所传递的功率大小为：3.2.2 齿轮设计思路及要求手推式割草机中的齿轮设计要求（1）合理选用模数：在现代变速箱设计中，各档齿轮模数的选择是不同的。但为了经济性和用途的要求，初选模数：m=2。（2）合理选用压力角：对于同一分度圆的齿轮而言，若其分度圆压力角不同，基圆也就不同。当压力角越大时，基圆直径就越小，渐开线就越弯曲，轮齿的齿根就会变厚，齿面曲率半径增大，从而可以提高轮齿的弯曲强度和接触强度。（3）合理选用螺旋角：为了保证齿轮传动的平稳性、低噪声和少冲击，所有齿轮都要选择较大的螺旋角，一般都在30左右。（4）分析齿顶宽：对于正变位齿轮，随着变位系数的增大，齿顶高也增大，而齿顶会逐渐变尖。所以必须对齿轮进行齿顶变尖的验算。（5）手推式割草机中齿轮强度的计算方法概述我国的国家标准局所发表的渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法是参照国际标准化组织的计算方法所制定的，该方法比较全面地考虑了影响齿轮承载能力的各种因素，现已成为目前最精确的、综合的齿轮强度计算方法。影响轮齿载荷的各种因素大致可归纳为四个方面，分别用四个系数来修正名义载荷，这四个系数分别为使用系数、动载系数、齿向载荷分布系数、齿间载荷分配系数。各种齿轮强度计算方法所采用的动载系数Kv在形式上有很大的差别，考虑的因素也不相同。各种齿轮强度计算方法所采用的齿向载荷分布系数的计算方法各不相同。各种齿轮强度计算方法所采用的齿间载荷分配系数的处理上有很大差别。从以上几点可看出国际标准化组织ISO的齿轮强度计算方法是一种比较合理、精确的方法，所以在本论文中齿轮的设计计算采用此种方法。齿轮在传递动力时，轮齿处于悬臂状态，在齿根产生弯曲应力和其它应力，并有较大的应力集中，为使齿轮在预定的寿命期内不发生断齿事故，必须使齿根的最大应力小于其许用应力。3.2.3 齿轮设计过程（1）输出转矩设计：转速 轴上的转速 计算轮子传递的转矩可得：轴上的转矩为: =3911.09(N/mm) （2）齿轮的参数设计：选择齿轮材料、热处理、精度等级及其齿数割草机为一般工作机器，齿轮选择常用材料及热处理，8级精度。小齿轮：40Cr(调质)，齿面硬度280HBS；大齿轮：45钢（调质），齿面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。选择小齿轮齿数：z1=23，大齿轮齿数：（3）基本参数的选择试选载荷系数：选择的齿宽系数为：查得弹性系数为：按齿面硬度查取接触疲劳极限：小齿轮：, 大齿轮：；（4）计算应力循环次数N 假定工作机载荷有轻微冲击，每星期左右修割一次草坪，每周工作8h，预期使用寿命为50年。小齿轮的应力循环次数为：可得：=1.492大齿轮的应力循环次数为：（5）计算接触疲劳许用应力查得接触疲劳寿命系数：小齿轮, 大齿轮接触疲劳强度安全系数有公式： 试算小齿轮分度圆直径可得：=22.17(mm)为了保证制造工艺简单，取=40(mm)模数： 取标准模数 小齿轮分度圆直径： 大齿轮分度圆直径： 大齿轮齿宽,圆整取；小齿轮齿宽 (加宽5mm) 中心距 小齿轮齿全高 大齿轮齿全高齿轮的相关参数如下表所示：表3.1 齿数表 齿轮齿数模数齿形角全齿高大齿轮 692.0204.5小齿轮232.0204.5（6）计算载荷系数K 查得使用系数 圆周力， 查得动载荷系数查得齿间载荷分配系数, 查得齿向载荷分布系数,一般经仔细跑合，取计算载荷系数 （7）修正计算： 已取,符合接触疲劳强度条件。（8）齿轮齿根弯曲疲劳强度校核过程确定设计参数载荷系数K=小齿轮传递的转矩查得齿形系数, ;应力修正系数，查得弯曲疲劳寿命系数：小齿轮,大齿轮按齿面硬度查得弯曲疲劳极限：小齿轮,大齿轮计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳强度安全系数由公式,可得由公式，可得齿根弯曲应力 结论:计算可得弯曲疲劳强度足够。3.3 轴的设计计算部分3.3.1 手推式割草机中轴2的设计（1）选择轴的材料该轴无特殊要求，选择45钢调质处理， 初步估算轴径：按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取C=116根据公式， 取（2）轴的结构设计轴上零件的轴向定及位周向定位。从左轮子连接处向右取：。考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成245倒角。（3）轴的强度计算经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。齿轮上作用力的大小转矩：=12334.57(M/mm) 齿轮端面分度圆直径：圆周力：径向力：轴向力：受力简图如3.1所示：图3.4 垂直面上受力简图 垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：截面C处的弯矩为： 图3.5 垂直面上截面的弯矩水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：截面C处的弯矩为：图3.6 水平面上截面的支反力截面C处的合成弯矩为：图3.7水平面上截面的弯矩及合成弯矩按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取，该截面上的计算应力：通过查表可知：材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于，故安全。3.3.2 手推式割草机中轴1的设计（1）选择轴的材料该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，初步估算轴径：按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取根据公式，取（2）轴的结构设计轴上零件的轴向定位周向定位大齿轮在轴上为对称定位，左右两端靠套筒定位，装拆，传力较为简单；两端轴承常用同一尺寸，以便于加工、安装和维修；为便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜太高。齿轮与轴的轴向固定采用普通平键联接。根据轴的直径查得齿轮处的键截面尺寸为，配合为，滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制。确定各段轴径和长度通过确定定位轴肩高度，从左轮子连接处向右取。考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成245倒角。轴的强度计算经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。齿轮上作用力的大小转矩：齿轮端面分度圆直径：圆周力：径向力：轴向力：图3.8 轴垂直面上受力简图垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩： 方向相反截面C处的弯矩为：图3.9 轴垂直面上截面的弯矩水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：截面C处的弯矩为：图3.10 轴水平面上截面的支反力截面C处的合成弯矩为：图3.11 轴水平面上截面的弯矩及合成弯矩 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取，该截面上的计算应力：通过查表可知：材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于，故安全。3.4 刀具的设计计算部分3.4.1 刀具的概述手推式草坪机采用刚性切割式，运动方式选择往复式运动。往复式切割装置由上、下两组刀片组成，分动和双动两种运动方式。本设计采用单动运动方式。单动切割器是动刀片在定刀上作往复运动；其特点是： ， 刀片的行程与上、下刀片的距离均相等。割草机的上、下刀片形状相同，割草时，草两侧同时受到切割，在一个行程中，运动速度的大小有变化，合理切割的方法是利用较大的速度来割切。刀片的速度图如图3.11所示。割刀自点向右运动时，其速度自零逐渐增加，在没有达到 之前，因切刀不相接触，不发生切割。刀片到达 时，两刀刃开始接触，这时 称为始切速，然后刀片继续向右运动而进入切割，直到刀片到达 时，两刀刃相向接触完毕，这以后不再切割，这时称为终切速。由 到 为切割速度的变化范围。由图3.11可知，大于终切速 。图3.11 切割速度的变化在切割过程中，有些草是在被一刀刃顶斜着推向另一刀刃和割切机前进而向前倾斜状态下切割的，使草丛表面稍欠平整。3.4.2 刀具的材料选择草坪机刀片必须采用高强度的优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学的要求，尽量减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平衡，以减少震动和噪声。查机械设计手册最终确定刀片材料选用弹簧钢。弹簧钢是专门用来制造各种弹簧和弹簧性元件或类似性能要求的结构零件的主要材料。弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能（特别是弹性极限、强度极限、屈服比）、抗弹减性能（即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能）、疲劳性能、淬透性、物理化学性能（耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等）。除此之外，弹簧钢还具有优良的冶金质量（高纯洁度和均匀性）、良好的表面质量（严格控制表面缺陷和脱碳）、精确的外形和尺寸。刀片材料要求刀片应选用优质钢材制造，最低硬度为 GB/T 230.1-2004 中的HRC45，脆性要求应符合弯曲试验。3.4.3 刀具的运动分析刀片一个行程时间内机器前进的距离称为切刀的进程，以H表示，切刀一秒钟内运动的绝对距离为： 式中：机器的前进速度 刀具水平运动的距离 轮子的周长一个行程所需要的时间为： 一个行程运动的绝对距离： 可得切刀的进程H为：由于端面齿轮旋转一周刀具往复运动6次，刀具行程运动呈现对称的加速减速运动，速度由变化，从0到达的所需的时间与到达0的时间均为。运动分析可知，刀具呈现匀加速运动，运动方程式为： 可得：切刀的平均速度：将切刀的平均速度与机器的前进速度的比值称为刀机速比。，据类似的茶树修割机和采茶机的试验分析，可得动力转速较小的手推式割草机传动的效率较高。3.4.4 刀具的结构尺寸及相关参数刀片是切割装置的主要部件，由于使用条件和运动参数的不同，使刀片的参数随不同的机型而有些差异。本手推式割草机的主要参数如表2-2所示：表3.2 手推式割草机的主要参数项目切割器的形式切割幅宽刀片间距刀片运动形式刀片往复频率刀片形状配套动力净重手推式割草机往复切割240mm20mm单动860r/min平形149.1W113r/min30kg切割角的增大使切口变得不整齐。当刀片行程在13.545mm时，刀片的切割角和楔角不影响割草的质量。往复式刀刃的切割角和楔角如图3.12所示。图3.12 往复式刀刃的切割角和楔角试验分析可知行程与割草质量的关系：刀片的刀距行程对割草的质量没有显著的影响。割草质量比较好的行程在20mm40mm，碎片也相应较少。切割间距在10mm30mm时，切口平整；切割间距在30mm以上时，切口就不平整；切割间距大于40mm时，采摘面就象抓采样的，漏采的也增多。切割速度比与正常草芽叶、碎片的关系手推式割切机刀片的切割速度比在2.5以下时，正常芽叶多，碎片少。对采摘质量没有大的影响。对类似作物的试验，任何往复刀片，当切割速度比在2.5以下时，正常芽叶稍有减少的趋势；切割速比在2.510时，割草质量无明显的差别。切割速度比在小于3时，割草面切口出现明显的不平整。刀片的主要参数如表3.3所示：表3.3 往复式刀片的主要技术参数项目刀片刀间距刀高切割角刀角硬度（HRC）往复式刀片动刀片20mm35mm1440385560定刀片643.5 端面齿轮及拨杆的设计部分3.5.1 端面齿轮和拨杆的概述手推式割草机中端面齿轮和拨杆是一对运动组合，类似于凸轮和推杆。而拨杆的运动直接影响其刀具的往复运动。由拨杆在端面齿轮凹凸曲面上的规则运动，从而带动刀具的运动。3.5.2 端面齿轮和拨杆的运动分析端面齿轮的形状如图3.13所示：图3.13 端面齿轮的形状对拨杆的运动要求为：当端面齿轮转过26时，推杆上升20mm；端面齿轮再转过26时，拨杆下降20mm；推杆继续转过8时，拨杆又停止不动。运动状态如图3.14所示。图3.14 运动分析图拨杆在端面齿轮处安装，图中a与b为拨杆上升对应的端面齿轮所旋转的角度26，c为8。在端面齿轮上拨杆与端面齿轮接触点旋转的角度所对应的行程为：式中d为拨杆与端面齿轮接触点在端面齿轮上离中心位置的直径大小。图3.15 端面齿轮的轮廓曲线假设在端面齿轮上的运动行程为,接触点上下运动的位移为,可得运动轨迹方程为：在式中各参数：为端面齿轮旋转的角度；k为与端面齿轮运动行程与接触点上下运动的位移的相关参数。代入特殊值，可得：从而得出接触点上下运动位移的轨迹方程为：推程阶段 远休止阶段 回程阶段 近休止阶段 通过上述运动分析可以求出拨杆在端面齿轮上的工作轮廓线。由于端面齿轮为六个相同的近似于凸轮的结构。故只需研究拨杆一个往复运动的工作轮廓线即可。计算结果可得端面齿轮的工作轮廓线对应的值见表3.4。表3.4 端面齿轮的工作轮廓线 （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通过上述表中参数，我们可以近似加工出端面齿轮的工作轮廓线。度数越分的密，端面齿轮的形状越精确。工作轮廓线如图3.16所示。图3.16 端面齿轮的工作轮廓线4 结 论（1）剪草机的使用方法：修剪是草坪养护管理中的核心内容。科学地对草坪进行定期修剪，可提高草坪质量，使草坪整齐美观，而且具有较高的坪用价值和经济价值，可促进分蘖，形成致密的草坪，改善通气性，减少病虫害的发生，有效地抑制杂草生长，提高其美观性。草坪修剪应遵循“三分之一” 原则，即被剪去的部分占草坪总高度的三分之一以内。如修剪量过大，将会由于叶面积大量损失而导致草坪草光合作用急剧下降。由于修剪不及时而导致失剪的草坪，仍应遵循“三分之一” 原则，切忌一次修剪就达到需求的标准，而应通过少量多次修剪，逐步剪到需要的高度。草坪修剪的时间与草坪草的种类、草坪草的生长发育和肥料供给等有关。北方草坪草在春秋是两个生长高峰期，修剪量加大和修剪次数增多，晚秋应逐渐减少修剪次数，夏季有休眠现象，也应根据情况减少修剪次数。草坪修剪频率决定于草坪的生育状态、草坪的用途、草坪的质量及草坪草的种类，其中主要取决于草坪的生长速度和生长势。（2）割草前应注意的事项：割草前应先检查割草机刀片是否损坏，螺母、螺栓的紧固情况，轮胎压力情况.；割草前应清除草坪上的木棍、石头、瓦块、铁丝等杂物。对于固定设施，如喷灌管埋头等，应作好标志，以防损坏刀片。在割草前，应测量草坪的高度，将割草机调整到合理的剪草高度；刚浇过水、下过大雨或者霉雨季节等，潮湿的草地最好不要割草；不得在坡度大于15的地方采用该手推式草坪割草机修剪草坪。割草机的选择要根据草坪要求的修剪质量、草坪草种、修剪高度、配套动力、地形地貌及剪草机的幅宽等因素确定。无论选用何种剪草机，都应保证剪草机的刀片始终锋利。因为刀片锋利，草坪草的修剪伤口能迅速愈合，病菌浸染的机会少， 同时伤口不留白茬，景观效果也好。总之，选择的总原则是在达到修剪草坪质量的前提下，选择经济实用的机型。（3）制造价格及应用范围：根据目前市场实际:：制造原材料费用100150 元，手工费: 50100 元，因此总造价在300元以内。目前适合用于我国大部分地区的中小型园林草坪的修建和养护。- 35 -