環(huán)保草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
環(huán)保草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),環(huán)保草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),環(huán)保,草坪,修剪,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
在當(dāng)代，走在中國的馬路上，隨處可見馬路邊上綠油油的草坪，城市的美觀與綠化，與草坪密不可分。隨著社會的發(fā)展，我國對于城市綠化也越來越重視。環(huán)保草坪修剪機(jī)選用無引擎驅(qū)動的手推形式提供動力,替代傳統(tǒng)的電力驅(qū)動以及其他驅(qū)動形式,利用兩個(gè)齒輪之間齒的嚙合的原理將車輪運(yùn)動的力傳遞到鏈接的活動刀具使其來回移動，使之與保持狀態(tài)不變的刀具的幾何關(guān)系為相切。這樣就可以起到類似于剪子的作用。
接下來會從基本原理，齒輪與齒輪的嚙合，齒輪與軸的配合，刀具的剪切等方面對修剪機(jī)開展的計(jì)算和設(shè)計(jì)。相應(yīng)計(jì)算確定了標(biāo)準(zhǔn)件的選擇、非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)的結(jié)果,用AutoCAD完成無引擎草坪修剪機(jī)的裝配圖、部分非標(biāo)準(zhǔn)件的零件二維圖。這款機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)為無噪聲、無振動、無污染等，適合家庭、學(xué)校草坪，小面積草坪，辦公地方的草坪。
關(guān)鍵詞：環(huán)保；草坪修剪機(jī)；手推式
I
ABSTRACT
In modern times, on the roads in China, there are green lawns on the roadside. The beauty and greenery of the city are inseparable from the lawn. With the development of society, our country is paying more and more attention to urban greening. The environmentally friendly lawn trimmer is powered by an engine-less pusher, which replaces the traditional electric drive and other drive forms. It uses the principle of meshing teeth between two gears to transfer the force of the wheel motion to the linked movable cutter to make it back and forth. Move it so that it is tangent to the geometry of the tool that holds it. This can play a similar role as a scissors.
The calculation and design of the pruning machine will be carried out from the basic principles, the meshing of the gear and the gear, the cooperation of the gear and the shaft, and the cutting of the tool. Corresponding calculations determine the selection of standard parts and the design of non-standard parts. According to the results of the calculation data, the assembly drawing of the engineless lawn trimmer and the part two-dimensional drawing of the non-standard parts are completed using AutoCAD. This machine has the advantages of no noise, no vibration, no pollution, etc. It is suitable for families, school lawns, small lawns, office lawns.
Keywords: environmental protection; lawn trimmer; hand push
目錄
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
1 緒論 1
1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù) 1
1.2 修剪機(jī)的作用和使用地區(qū) 1
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
2 設(shè)計(jì)修剪機(jī)方案的選定 3
2.2主要工作原理 3
2.3主要問題和解決計(jì)劃 6
2.4 修剪機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 9
2.5設(shè)計(jì)基本的原理 9
3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪 11
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算軸 15
3.3 端面齒輪及撥桿的計(jì)算設(shè)計(jì) 22
4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 26
4.1刀具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分 26
5 總體設(shè)計(jì)參數(shù)及使用說明 31
5.1端蓋與車輪的參數(shù) 31
5.2總體設(shè)計(jì)參數(shù) 31
5.3使用說明書 32
6 結(jié)論 34
參考文獻(xiàn) 35
致謝 45
環(huán)保草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 設(shè)計(jì)的依據(jù)
從第一臺草坪修剪機(jī)出現(xiàn)可以追溯到一百多年前,經(jīng)過人們的不斷設(shè)計(jì)和改進(jìn),現(xiàn)在大部分都是用電的修剪機(jī)。因?yàn)椴萜憾荚谌鐚W(xué)校,公園等人多的地方鋪設(shè)的，用機(jī)械修剪草坪的時(shí)候容易對人產(chǎn)生各種各樣的影響(噪聲、廢棄等)?，F(xiàn)在市場上絕大多數(shù)的修剪機(jī)都為內(nèi)燃機(jī)提供能量，其噪聲污染非常大，但排氣危害對比汽車的較少。歐盟和美國環(huán)境保護(hù)局針對于草坪剪草機(jī)等使用發(fā)動機(jī)的排放量都實(shí)行對應(yīng)的法律規(guī)定；德國施行了節(jié)制噪聲污染的《蘭色天使》法規(guī)；歐洲局部城市出臺過具有引導(dǎo)性規(guī)劃，以稅收優(yōu)惠及嘉獎等辦法激勵“綠色經(jīng)營者”來推動環(huán)保生活的進(jìn)程[6]。
而本文的環(huán)保草坪修剪機(jī)順應(yīng)提倡節(jié)能減排的國策，主要采用人力提供能量，利用滾動的輪子帶動機(jī)械運(yùn)動。修剪機(jī)構(gòu)造簡易，接觸平穩(wěn)，噪聲極小，而且操縱非常簡單，不僅讓操作者的剪草工作順利進(jìn)行，也不會讓周圍人聽到令人煩躁的噪音。
1.2 修剪機(jī)的作用和使用地區(qū)
現(xiàn)在市場上銷售的絕大多數(shù)草坪修剪機(jī)都安裝動力裝置，開始剪草的時(shí)候，聲音特別大而且伴隨著強(qiáng)烈的震動感，再加上排放灰塵，非常令人們感到反感。因?yàn)檠b有動力系統(tǒng)的草坪修剪機(jī)購買的價(jià)格昂貴，同時(shí)隨著它的后期使用需要很貴的保養(yǎng)修理的價(jià)格，即便能接受價(jià)格高的問題，但是使用這種機(jī)械剪草的時(shí)候，操作者不僅要忍受動力發(fā)出強(qiáng)大的震動帶來的不適，還要注意強(qiáng)大動力剪草時(shí)碎草飛起來的危險(xiǎn)。盡管動力的修剪機(jī)剪草速度快，剪完的草地近看又很整齊，但是對于絕大多數(shù)僅需要小型的使用場所來講，價(jià)格就會令人望而止步。
根據(jù)市場調(diào)查和資料閱讀，我打算就以上問題給出解決的方案，在我的設(shè)計(jì)中，不需要動力裝置，從而因動力引發(fā)的噪聲、震動、灰塵就通通不存在，缺少動力系統(tǒng)其主要構(gòu)造也更簡易，因?yàn)樾枰藜舨煌L短的草，所以其修剪的高度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變，以及外型美觀適合大多小型用戶的草坪修剪機(jī)。
- 2 -
該產(chǎn)品主要為住宅區(qū)、辦公區(qū)使用，修剪類似學(xué)校，公園，家庭花園等地方的草坪，不需要動力驅(qū)動，可以在當(dāng)下強(qiáng)調(diào)環(huán)境重要性的我國，顯示出絕無僅有的生產(chǎn)價(jià)值。
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
l9世紀(jì)中葉，大部分的草坪還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊來保持草地的整齊性。隨著高爾夫球、網(wǎng)球及足球等運(yùn)動的興起，保持完善的草地做運(yùn)動場便成為當(dāng)務(wù)之急。英國人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)品的問世在英國受到了廣泛的歡迎，隨后傳人美國。1868年，美國第一臺剪草機(jī)取得專利，美國的草坪業(yè)也由此起步。不過幾年，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4萬多臺剪草機(jī)被生產(chǎn)和銷售 。最初的剪草機(jī)均為人力驅(qū)動；1890年，在英國開始設(shè)計(jì)有動力驅(qū)動的剪草機(jī)。從最初的蒸汽動力驅(qū)動發(fā)展到小型內(nèi)燃機(jī)動力驅(qū)動；1909年，美國科學(xué)家Leoni取得了動力型機(jī)械式剪草機(jī)專利，盡管剪草機(jī)由汽油機(jī)驅(qū)動，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)的各類剪草機(jī)數(shù)量約3萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經(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)36萬臺，1974年達(dá)700萬臺。20世紀(jì)70年代后期開始，剪草機(jī)的市場銷售量逐漸趨向飽和，但每年仍保持在500萬—600萬臺的銷量 。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，美國第一臺無線電操縱的剪草機(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，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。
2 設(shè)計(jì)修剪機(jī)方案的選定
2.1擬定作業(yè)方案
我設(shè)計(jì)的這個(gè)修剪機(jī)需要一個(gè)能夠令它執(zhí)行的外力作用，以及把這個(gè)力傳送到下一個(gè)構(gòu)件的裝置。操縱者應(yīng)該在一般行走速度下進(jìn)行，傳遞出的人力需要傳到能夠把人步行速度變大的裝置而且還要繼續(xù)向下一個(gè)裝置進(jìn)行傳遞，為確保整個(gè)工作過程的連續(xù)性，最后的剪草工作需要一個(gè)力，才可以使兩個(gè)刀片做相切割運(yùn)動，也就是說，這個(gè)力與一開始的人向前行走的方向相互垂直，因此我的設(shè)計(jì)中它們之間還需要添加一個(gè)裝置去改變力的運(yùn)動方向。根據(jù)以上的論述得到如圖2.1所示的框架圖。
圖2.1修剪機(jī)的框架圖
2.2主要工作原理
此修剪機(jī)的車輪開始向前運(yùn)動產(chǎn)生的力傳到能夠改變速度的齒輪當(dāng)中，齒輪受力轉(zhuǎn)動兩齒輪嚙合，把力傳給刀具，刀具開始做往返的來回移動。基本構(gòu)造：能夠改變速度的齒輪組、呈相切狀態(tài)的兩個(gè)刀片、與直齒輪成90度軸交角度的配合齒輪和撥動杠桿。后面兩個(gè)構(gòu)造需要配合工作。與直齒輪成90度軸交角度的配合齒輪開始旋轉(zhuǎn)把力傳給撥動杠桿，先引起縱向的來回移動，再傳給刀片做往返移動。整個(gè)過程刀具的設(shè)計(jì)是最后一個(gè)最重要的步驟，由于沒有動力速度受到很大的限制，刀具的設(shè)計(jì)選擇就存在更大的影響，也顯得尤為重要。
剪草機(jī)開始工作的時(shí)候，人推著機(jī)器向前剪草，首先是后面的車輪1開始滾動，這樣可以讓后輪的運(yùn)動帶起與其在同樣軸上連接的大齒輪2，軸的傳動可以讓大齒輪2也跟著轉(zhuǎn)動，齒輪2和齒輪3兩個(gè)齒輪相嚙合組成能夠使速度加快的裝置，并且能夠帶著兩個(gè)與直齒輪成90度軸交角度的配合齒輪4轉(zhuǎn)動，之所以選用兩個(gè)是為了結(jié)構(gòu)的能夠呈現(xiàn)幾何閉合，這兩個(gè)齒輪后對著安裝，并且與連著的撥動杠桿5一起運(yùn)動，構(gòu)件4和構(gòu)件5配合組成一個(gè)能夠改變運(yùn)動形式的裝置，就是將齒輪的轉(zhuǎn)動運(yùn)動這種活動形式變?yōu)橹本€的來回運(yùn)動，可以簡單的說就是把圓周運(yùn)動變成直線運(yùn)動，這個(gè)做直線往返運(yùn)動的能夠活動的其中一個(gè)刀片來回切割另一個(gè)固定不動的刀片，構(gòu)成類似剪刀的相切形式開始剪草。上面敘述了完整的運(yùn)動步驟，如圖2.2所示：
圖2.2修剪機(jī)的機(jī)構(gòu)簡易圖
2.3不同設(shè)計(jì)方案的論述和選定
能夠?qū)崿F(xiàn)上文敘述要求的機(jī)構(gòu)有很多，我要選擇相比之下能夠達(dá)到需求的最好的方式，詳細(xì)的評判如下文：
（1）腳踩或腳蹬的方式
采用腳踩或腳蹬的方式時(shí)，就必須要求使用人員站在修剪機(jī)旁邊或者坐在修剪機(jī)上面，考慮到這個(gè)方面由此就會接連出現(xiàn)不得不設(shè)計(jì)類似汽車的座位，還需要控制剪草方向的設(shè)備，并且考慮到與車輪怎樣的連接配合，還要計(jì)算修剪機(jī)在人坐上去之后能夠承受的重力以及自身的重量，由此引發(fā)的一系列設(shè)計(jì)問題都違背一開始的設(shè)計(jì)意愿，這樣設(shè)計(jì)的機(jī)器繁瑣，外形也過大。
（2）手推或手搖的方式
就不必像用腳的方式那樣，使用人員只需要站在機(jī)器旁邊就可以操作了，操作者想修剪哪個(gè)方向的剪草可以直接使用手去操作，不需要控制方向的系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)械外形尺寸會減小一些，剪草的操作也相對變簡單了，我認(rèn)為這個(gè)方式比較符合我的方案。
（3）打斷草
即用刀將草截?cái)?。然而草一端在土?一端靈活且很軟，采取這種方法將草割斷很難。
機(jī)器中的刀具部分主要是尼龍打草繩、割草線，市面上一直有這類機(jī)械的售賣，機(jī)械整體十分小巧，通過動力提供的高速運(yùn)動連接的特殊材料的尼龍線會像鋒利的刀片一樣直接打斷，噪聲很大，作業(yè)的效果不太理想。
（4）割斷草
草是莖干比較柔軟的植物，我們拔草的時(shí)候，都不能一把保證都拔到，高度也不一樣，割草時(shí)同樣的道理，由于草不都是整齊并且直立的，單用刀去割的效果很差。
（5）剪斷草
即用刀將草剪斷。沒有必要選擇用速度很快的兩個(gè)刀片，刀片只要求作相對運(yùn)動就能夠把草剪斷。于是，我采用用手驅(qū)動用剪的方式的修剪機(jī)。
我既然選擇使用手去操作修剪機(jī)，那么如果是使用手搖提供人力供給機(jī)械做動力的話，使用人員不僅僅需要在剪草的過程中一只手不停的搖動手柄，另一只手還要推動機(jī)器來控制方向，同時(shí)兼顧這兩項(xiàng)工作的同時(shí)，如果遇到碎石或者屏障，剪草工作就要停下，操作者工作過程中既手忙腳亂又付出很大的體力，這樣的剪草機(jī)很不實(shí)用。如果是使用手推提供人力的話，使用人員只需要推動機(jī)器往前正常行走，這個(gè)力讓車輪旋轉(zhuǎn)，然后只需要經(jīng)過幾個(gè)齒輪、軸等簡單的零件把力傳到刀具就可以實(shí)現(xiàn)剪草，工作過程很輕松。因此，整個(gè)設(shè)計(jì)方案可以定為：手推式剪草機(jī)。
就我上網(wǎng)閱讀的文獻(xiàn)來看，在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的選擇條件的約束下，普遍設(shè)計(jì)者們都通過組合—變異法來排除機(jī)構(gòu)，選出相對好的機(jī)構(gòu)，所以我也選擇這種方法。此設(shè)計(jì)僅僅采取一次運(yùn)動的更改，就是前文剛才提到的車輪的圓周活動到刀具的來回往返的活動形式，可以很容易就達(dá)到我設(shè)計(jì)需求的機(jī)構(gòu)是如圖2.3所呈現(xiàn)的3個(gè)機(jī)構(gòu)。
圖2.3機(jī)構(gòu)的運(yùn)動示意圖
2.3主要問題和解決計(jì)劃
2.3.1 增速機(jī)構(gòu)的方案選定
因?yàn)榍拔囊灿猩婕暗剑藱C(jī)構(gòu)就是為了把正常使用人員的步行速度增大，之后傳遞到下一個(gè)機(jī)構(gòu)，所以這個(gè)機(jī)構(gòu)間接的影響刀具的運(yùn)動。我為這個(gè)機(jī)構(gòu)選擇的設(shè)計(jì)方案為圓柱凸輪傳動機(jī)構(gòu)。如圖2.4所示可以觀察到圖片中的圓盤，顯而易見的是它的側(cè)面很有特點(diǎn)，這個(gè)圓盤在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時(shí)候，利用側(cè)面的外形優(yōu)勢能夠帶動撥桿，圖中的撥桿和滑塊連接使其能夠移動，全部的機(jī)構(gòu)組成新的結(jié)構(gòu)：凸輪—端面凸輪。
2.3.2論述與比較增速方案
（1）用組合法實(shí)現(xiàn)增速
因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的修剪機(jī)需要使用人員手推前進(jìn)，要求他在正常人的步速條件剪草，用手推動產(chǎn)生的力經(jīng)過該機(jī)構(gòu)可以把速度增大，然后緊接著向轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞力。該機(jī)構(gòu)做軸固定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在我之前的機(jī)械設(shè)計(jì)課程中學(xué)習(xí)到，有三種傳遞的方式分別是鏈傳動，帶傳動以及齒輪傳動。我選用的是最后一個(gè)，考慮到其應(yīng)該安裝在修剪機(jī)的后輪前面，用齒輪的話全部的零部件安裝更貼合緊序。齒輪傳動可以大概分為
1、 圓錐齒輪傳動 齒形從大端到小端逐漸減小,使用時(shí)一個(gè)錐齒輪要立起。
2、 蝸輪蝸桿傳動 齒間相對滑動速度大，機(jī)械效率低，磨損大。
3、 直齒圓柱齒輪傳動 軸線平行。
4、 斜齒圓柱齒輪傳動 工作時(shí)產(chǎn)生軸向力,而且螺旋角越大,軸向力越大。[9]
基于以文描述，我選擇3號齒輪用作增速方案。如圖2.5所示：
圖2.5機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖
選用異變的方法，為了讓刀具剪草運(yùn)動方向與剪草機(jī)行進(jìn)方向垂直，圖2.5里1）與2）表示的機(jī)構(gòu)都沒有辦法達(dá)到，于是還需要再從頭選擇方案。
方案1 選用凸輪廓線顯示梅花形狀的凸輪和連桿機(jī)構(gòu)，達(dá)到滑塊在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動。
方案2 選用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)把凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)變成滑塊的往復(fù)移動。
我重新選用方案的原因是為了達(dá)到運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)換，如果采用如圖2.6所示的方案，要添加構(gòu)件改變自由度，設(shè)計(jì)時(shí)需要比短（不然肯定要增加梅花凸輪的大小），要不然傳力以后最后到滑塊將會比之前小。如圖6，圖3的兩種機(jī)構(gòu)能夠選擇用來作為改變運(yùn)動形式的中間媒介，它們的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造嚴(yán)密且簡易。
并且，我要求此剪草機(jī)還能夠調(diào)整剪草的高度。欲要達(dá)到其調(diào)整的功能，如圖2.7所表示的機(jī)構(gòu)里要增添一個(gè)移動副，為了刀架可以沿垂直方向活動，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的整體構(gòu)造繁雜。而如圖2.4表示的，能夠讓推桿沿著端面凸輪的側(cè)面向上、向下移動，于是接連著讓刀架向上、向下移動，可以讓調(diào)整剪草高度的要求簡單的得以實(shí)現(xiàn)。
2.4 修剪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
這臺剪草機(jī)是上滾刀和下底刀呈現(xiàn)相切的切割方式，重量低，整體構(gòu)造嚴(yán)密，占地體積小，沒有動力驅(qū)動，無噪聲，操作簡單，可以在大部分小型地區(qū)使用。
機(jī)器便于收納、保養(yǎng)、修理；拆裝容易，成本低廉，外形美觀，實(shí)用性強(qiáng)，剪草效果突出。
鑄鋁材料的底盤和構(gòu)件，優(yōu)點(diǎn)是不會彎曲、也不會生銹。并且別具一格的底盤能夠防止修剪的草削四處亂飛卡在出口。
機(jī)器的車前輪安裝導(dǎo)向性好的萬向輪，車后輪的其中一個(gè)輪子安裝上有利于轉(zhuǎn)彎時(shí)推動的使用年限長的球軸承。
能夠長度收縮并且質(zhì)地為金屬的推動手柄，適用身高有差別的操縱者。
2.5設(shè)計(jì)基本的原理
這個(gè)剪草機(jī)由人力輸入推動輪子轉(zhuǎn)動，經(jīng)過單級傳動裝置改變一次速度，然后傳到轉(zhuǎn)換運(yùn)動形式的裝置，最后傳給刀具輸出。如圖2.8所示：
最終選擇的方案能夠極佳的滿足我的設(shè)計(jì)要求。首先，用以增大速度的齒輪，把原本沒有動力速度低導(dǎo)致的剪草效率低的問題得到了明顯的提高；用以改變運(yùn)動形式的機(jī)構(gòu)組合，把我要達(dá)到的輸出刀具的移動形式得到解決；并且這個(gè)機(jī)構(gòu)相當(dāng)于推桿和凸輪組，在一定程度上還解決了割草需要很大效率的問題。刀具剪草高度是很大的剪草難題，這個(gè)問題的突破是想法上出現(xiàn)了刀架上下移動的調(diào)節(jié)裝置。
3 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪
3.1.1計(jì)算修剪機(jī)的動力
莖干比較柔軟的植物就是廣義上對草的定義，我們不用使勁就可以輕松拔草，所以剪草同樣不需要多大的力就可以輕松剪短。根據(jù)我之前查閱的資料，大概能夠同時(shí)剪草500根左右，用刀具剪一根草需要的力是。計(jì)算結(jié)果是：F=250N；前面我選擇的是兩個(gè)端面齒輪背對背安裝的，所以它們分別為受到的力大小是：。
假設(shè)沒有多余的能量損失，能夠讓刀具移動的力都由車輪轉(zhuǎn)動的力矩導(dǎo)致的活動。
于是能夠得到: (3.1)
取正常人的步行速度是。
取車輪的直徑為；輪子的周長為。
傳遞的功率大小分別是：
: (3.2)
: (3.3)
: (3.4)
3.1.2齒輪的計(jì)算步驟
（1）計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩：
:
: (3.5)
能夠得到
(3.6)
（2）齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)：
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[3]。
初定齒數(shù)為 小齒輪：z1=23，大齒輪：
（3）設(shè)定基礎(chǔ)參數(shù)
根據(jù)齒面的硬度查資料得出是：
小齒輪：, 大齒輪：
假設(shè)齒寬系數(shù)是：
選擇的是：
根據(jù)資料查表格能夠得到是：
（4）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的計(jì)算
草坪修剪機(jī)的剪草過程肯定要收到作業(yè)損耗，并且草的生長速度很快，為了草坪整體的美觀，每一周都要盡量使用機(jī)械去修剪，按照使用人員正常工作時(shí)間8h計(jì)算，預(yù)計(jì)修剪機(jī)的使用年限大概是50年左右。
: 小齒輪 (3.7)
于是帶入公式能夠得出：
大齒輪
（5）接觸疲勞許用應(yīng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算
:
:小齒輪, 大齒輪
有計(jì)算公式： (3.8)
（3.9）
: （3.10）
于是能夠計(jì)算出：
:
通常選用標(biāo)準(zhǔn)的
: 小齒輪：
大齒輪：
: 大齒輪：，取圓整；
小齒輪： (需要增加度5mm)
:
: 小齒輪：
大齒輪：
通過上訴計(jì)算總結(jié)得到下表：
表3.1所示
（6）載荷系數(shù)K的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)資料可以查表得出:
: (3.11)
(3.12)
由閱讀機(jī)械設(shè)計(jì)資料可以查表得出:
: 齒間：
齒向： 通常需要再跑合，得出
: (3.13)
（7）修正計(jì)算：
(3.14)
前面已經(jīng)選取的，計(jì)算結(jié)果滿足接觸疲勞強(qiáng)度的要求。
（8）彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
由公式 (3.13)能夠得到:
K=
:
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的材料能夠查表格得到以下參數(shù)：
:, ； :，
: 小齒輪：
大齒輪：
:小齒輪：
大齒輪：
:
由公式 (3.15)
得到
由公式 (3.16)
得到
: σF1=2KT1bmd1gYFa1gYSa1 (3.17)
σF1=80.5MPa≤σF1 σF1=74.2MPa≤σF2
所以,根據(jù)以上的計(jì)算的結(jié)果，能夠得到彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算軸
3.2.1軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
出于軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端、右端均制成倒角。
（1）軸的材料選擇
這個(gè)軸沒有什么技術(shù)上的額外問題，所以我選用45鋼然后經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，于是可以得到。
粗略的估計(jì)軸的直徑大?。?
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算輸入端的最小軸徑[5]。由于材料選用的是45鋼，
根據(jù)公式 (3.18)
（2）軸的基礎(chǔ)計(jì)算
軸上零件都是限制其沿著軸向方向移動和限制軸沿著圓周方向移動。
我設(shè)計(jì)的方案從左邊車輪到右邊車輪選取的長度為：
。
（3）軸的強(qiáng)度計(jì)算設(shè)計(jì)
：
：
： (3.19)
： (3.20)
： (3.21)
受到的外力示意圖如3.1所示：
：
水平面：
C點(diǎn)位置：
垂直面：
C點(diǎn)位置：
：
根據(jù)合成彎矩的應(yīng)力來檢驗(yàn)軸的強(qiáng)度
一般情況下我們想要去檢驗(yàn)軸的強(qiáng)度，只需要去計(jì)算截面受到的最大的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。我選擇，
： (3.22)
根據(jù)我所學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計(jì)知識：
當(dāng)結(jié)構(gòu)的材料選擇45鋼的時(shí)候，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，，，所以能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需要。
3.2.2軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）軸的材料選擇
這個(gè)軸沒有什么技術(shù)上的額外問題，所以我選用45鋼然后經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，于是可以得到。
粗略的估計(jì)軸的直徑大?。河捎诓牧线x用的是45鋼，
根據(jù)公式 (3.18)得:
（2）軸的基礎(chǔ)計(jì)算
軸上都是限制其沿著軸向方向移動和限制軸沿著圓周方向移動。
大齒輪在軸上為對稱定位，使傳遞動力簡易，左端和右端由套筒定位，便于拆卸安裝；軸的左面和右面用的軸承都要使用一樣的，這樣的話可以避免生產(chǎn)過程的中的麻煩，對于購買者來說安裝簡單，方便修理，特別注意安裝的時(shí)候軸肩位置的高度。
軸和齒輪沿著軸向方向的定位一般情況下都選用的是普通的平鍵聯(lián)接的。根據(jù)閱讀的資料查找表格能找到：齒輪的鍵截面，配合，軸承與軸的配合為：基孔制。通過選定的軸承的固定軸肩的位置能夠使其選定軸的每一段的長度以及軸的直徑大小。我設(shè)計(jì)的方案從左邊車輪到右邊車輪選取的長度為：
。
(3) 軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
： =3911N·mm
： (3.23)
： (3.24)
： (3.25)
： (3.26)
：
垂直面：
方向相反
C點(diǎn)位置：
水平面：
C點(diǎn)位置：
：
同理可得，由公式 (3.22)：
根據(jù)我所學(xué)習(xí)的機(jī)械設(shè)計(jì)知識：
當(dāng)結(jié)構(gòu)的材料選擇45鋼的時(shí)候，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，，，所以能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需要。
3.3 端面齒輪及撥桿的計(jì)算設(shè)計(jì)
3.3.1設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
在我的設(shè)計(jì)中，有一對機(jī)構(gòu)配合工作類似凸輪與推桿的工作過程，是由端面齒輪和撥桿組成的機(jī)構(gòu)組，而且它們的配合非常重要，與剪切刀具的工作過程緊密相關(guān)。
3.3.2 運(yùn)動分析
的外形如圖3.9所示：
設(shè)計(jì)需要撥桿滿足：
端面齒輪轉(zhuǎn)動時(shí)，其向上20mm；
再轉(zhuǎn)動時(shí)，其向下20mm；
接著轉(zhuǎn)動時(shí)，其停下來不動。如圖3.10所示。
如圖3.10所示，位置在的端面齒輪處安裝撥桿，a段、b段均為撥桿向上升的時(shí)候，所對應(yīng)的端面齒輪轉(zhuǎn)過的角度為，。：
(3.27)
同理得到：
式中--
假設(shè)在端面齒輪上的運(yùn)動行程為，接觸點(diǎn)上下運(yùn)動的位移為，：
參數(shù)解釋： --；
K--。
當(dāng)，
：
上面的軌跡方程可以畫出運(yùn)動曲線，我們僅僅研究一個(gè)往復(fù)運(yùn)動就可以了，因?yàn)槎嗣纨X輪外形的特殊對稱性，不需要分析其他的5個(gè)完全一樣的內(nèi)容，把角度帶入公式得出相應(yīng)的結(jié)果做出表格如下。
運(yùn)功輪廓線如圖3.13所示。根據(jù)上面表格的數(shù)值，可以把它做成折線圖，可以更加直觀的看出變化情況。我的角度之間選取的差值越小，得到的折線圖就越清晰。
4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1刀具的設(shè)計(jì)計(jì)算部分
4.1.1 刀具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
修剪機(jī)我選用的是堅(jiān)硬不易的刀片切割草，刀具做的是來回往返方式的移動。上刀片和下刀片構(gòu)成這樣的往返剪草結(jié)構(gòu)。因?yàn)榍拔囊呀?jīng)提及過，兩個(gè)刀片一起運(yùn)動還是一個(gè)刀片運(yùn)動、一個(gè)刀片固定，這兩種我選擇的是后面的方式，因?yàn)榭梢詷?gòu)成類似剪刀的相切的道理，滾到在底刀上做往返來回移動。如果用方程表示它的運(yùn)動：，刀片運(yùn)動的距離數(shù)值上和兩個(gè)刀之間的距離一樣。
修剪機(jī)我選用的是堅(jiān)硬不易的刀片切割草，刀具做的是來回往返方式的移動。上刀片和下刀片構(gòu)成這樣的往返剪草結(jié)構(gòu)。因?yàn)榍拔囊呀?jīng)提及過，兩個(gè)刀片一起運(yùn)動還是一個(gè)刀片運(yùn)動、一個(gè)刀片固定，這兩種我選擇的是后面的方式，因?yàn)榭梢詷?gòu)成類似剪刀的相切的道理，滾到在底刀上做往返來回移動。如果用方程表示其運(yùn)動特點(diǎn)
我的設(shè)計(jì)方案大致是，刀具兩個(gè)刀片雖然是分為上滾刀和下底刀，但是不影響修剪草地，就是草還是收到兩方向的切割動作，之所以大多數(shù)剪草機(jī)都是動力驅(qū)動是可以提供很大的切割速度，因此，速度比較大的時(shí)候剪切的效果好。我現(xiàn)在模擬一整個(gè)剪草活動中速度的變化大小，如圖4.1所示。我們只看一個(gè)工作循環(huán)，自開始，可以相當(dāng)于原點(diǎn)就是速度為零的點(diǎn)。還未到達(dá)以前，由于切刀沒有產(chǎn)生互相接觸，所以尚未開始切割運(yùn)動。
到達(dá)，上滾刀和下底刀開始接觸，的速度就叫做開始切割的速度，然后刀片接著往右移動并且開始切割運(yùn)動，當(dāng)達(dá)到，上滾刀和下底刀分離，的速度就叫做終止切割的速度。能夠變化的區(qū)間是到之間的速度大小之差。并且＞。
整個(gè)工作循環(huán)里，一個(gè)刀具刀刃頂斜著移到另外一個(gè)刀具刀刃以及修剪機(jī)工作時(shí)向前傾斜的情況下把部分的草剪切的，導(dǎo)致草坪輪廓略微不齊。
4.1.2 刀具的計(jì)算設(shè)計(jì)
刀片的一個(gè)行程時(shí)間里機(jī)械行進(jìn)的距離叫做切刀的進(jìn)程，以H來表示。[11]
——
——
——
：
由公式 (4.1) 、(4.2)可知
：
：
因?yàn)槎嗣纨X輪轉(zhuǎn)動一圈刀具來回往返為六回，運(yùn)動軌跡曲線是加速減速相互對稱的曲線，速度的改變是，0→和→0用的時(shí)間是。
通過以上的分析，刀具做的是勻加速運(yùn)動，：
：
： (4.1)
通過調(diào)查資料了解到采茶機(jī)和茶樹修剪機(jī)的參數(shù)，類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我的計(jì)算參數(shù)相對比，能夠得到動力轉(zhuǎn)速不大的手推式剪草機(jī)傳動的效率相對大。證明我設(shè)計(jì)的剪草機(jī)的機(jī)械效率比另外的兩臺機(jī)器高。
4.1.3 刀具的基本參數(shù)
刀片是剪切結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，因?yàn)椴煌倪\(yùn)動參數(shù)以及使用前提，導(dǎo)致不一樣機(jī)型的刀具參數(shù)存在差別。
選擇刀片是非常重要的，直接影響剪草的直觀效果，對剪草效果也有間接的影響，機(jī)器的用途不同選擇的刀都是不同的，市面上也有可以更換刀進(jìn)行不同操作的機(jī)器。
如圖4.3所示是刀刃的楔角、切割角。如果增大切割角的話就會導(dǎo)致剪切口不太規(guī)整。而且刀片行進(jìn)距離是，、不起任何作用。
圖4.3刀刃的角度
刀具行程對修剪效果的影響
行程是，碎草比較少，草的外觀和整體修剪高度較好。當(dāng)切割間距為的時(shí)候，切割口處較整齊；當(dāng)切割間距為30mm以上的時(shí)候，切割口處便不整齊了；當(dāng)切割間距大于40mm的時(shí)候剪切表面好像是隨機(jī)采樣一樣，一塊草坪部分修剪部分沒修剪，雜亂并且不均勻。剪草的品質(zhì)與刀片的刀距行程沒有太大的影響。
剪切速比對草嫩芽、碎葉的影響
針對類似作物的試驗(yàn)，刀具的切割速度比，為2.5之下的時(shí)候，草的芽葉多，細(xì)小的碎葉少，對草切割之后基本沒有什么的影響。所以，選取任意的剪切速比在2.5下的刀片做來回往返移動，正常切割長度草削呈現(xiàn)略微消減的趨向；剪切速比為，修剪草的時(shí)候修剪的效果沒有顯著的不同。剪切速比為＜3，修剪之后的草邊緣凹凸不平。[2]
5 總體設(shè)計(jì)參數(shù)及使用說明
5.1端蓋與車輪的參數(shù)
5.1.1前輪萬向輪
根據(jù)成本預(yù)估、實(shí)際需要前輪采用萬向輪,由于修剪機(jī)在修剪草坪時(shí)需要轉(zhuǎn)動靈活,采用的前輪參數(shù)為: 輪徑:100mm 輪寬:30mm 載荷:60kg 安裝尺寸高度105mm 螺桿參數(shù)M12x25 如圖5.1所示:
圖5.1萬向輪
車后輪的其中一個(gè)輪子安裝上有利于轉(zhuǎn)彎時(shí)推動的使用年限長的球軸承。
5.1.2 端蓋的選擇
端蓋重要的是:修剪機(jī)與其里面構(gòu)件的配合、經(jīng)濟(jì)性,盡可能減少成本預(yù)算。外形輪廓采用簡單適用的表面, 厚度：1mm，材料選擇:HT200。
5.2 總體設(shè)計(jì)參數(shù)
我設(shè)計(jì)的這款機(jī)器，就當(dāng)下的市場價(jià)格，整個(gè)機(jī)器的成本價(jià)格大概在一百到二百之間，加工需要的人力手工費(fèi)用大概在一百以下。也就是說，價(jià)格在三百左右?，F(xiàn)在可以在大部分小型園林草坪區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。
5.3使用說明書
5.3.1修剪機(jī)的名稱
環(huán)保草坪修剪機(jī)(手推式)
5.3.2修剪機(jī)的組裝
安裝修剪機(jī)時(shí)，需要從事過機(jī)械工作的專業(yè)工人加入。開始組裝前需要使用水平儀確定平基準(zhǔn)以及組裝支架的水平度，讓其牢固住。根據(jù)剪草機(jī)出廠時(shí)，每段機(jī)殼的連接標(biāo)志次序安裝，每段機(jī)槽內(nèi)口的接觸需要整齊、密封，發(fā)生錯位的情況，僅要求比剪草機(jī)撥桿略矮，數(shù)值不能夠比1mm大。機(jī)體安裝以后，測量機(jī)槽左右邊對稱中心面的對稱度。機(jī)器的前輪、后輪一定要和中心對直，齒軸安裝以后必須保持平行的狀態(tài)，不能側(cè)偏。組裝剪草機(jī)刀具時(shí)，需要重復(fù)確認(rèn)刀具往復(fù)移動能否靈活，作業(yè)矯捷的剪草機(jī)才可以開始組裝。
5.3.3修剪機(jī)的試運(yùn)轉(zhuǎn)
修剪機(jī)組裝完成以后，嘗試讓機(jī)器空載運(yùn)行一段時(shí)間。
準(zhǔn)備工作完成以后，向前或向后推行剪草機(jī)，察看小輪、大輪能否和外殼接觸或跑偏，如果沒有缺點(diǎn)，適當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的空載運(yùn)行。
5.3.4修剪機(jī)器的使用和維護(hù)
(1)修剪機(jī)的操作
要開始修剪草地的話，需要一段時(shí)間的空載運(yùn)行，等到機(jī)器運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定就可以開始剪草工作，需要穩(wěn)定剪草機(jī)運(yùn)行的速度，不可以突然過量增速和過載運(yùn)轉(zhuǎn)，會輕易對刀片造成很大傷害。
沒有特殊問題，在剪草工作結(jié)束后，必須清理刀具，這樣可以剪草的刀片可以多用幾次。我們?nèi)绻_始修剪草地，肯定要先大致看一下草的高度，然后確定大概剪短多高，根據(jù)以上把調(diào)節(jié)剪草機(jī)調(diào)節(jié)到需要的剪草高度。操作者需要首先查看剪草機(jī)的各個(gè)構(gòu)件，尤其是刀具是否損壞，驅(qū)動裝置，端面齒輪和撥桿組合是否完好，螺母、螺栓的緊固狀況，輪胎壓力狀況。如果存在損壞的機(jī)件（如刀片發(fā)生裂縫和過度損壞、撥桿的斷裂、彎曲段中間導(dǎo)軌嚴(yán)重磨損等），需要予以維修或換新。[4]
(2)保養(yǎng)
剪草機(jī)工作結(jié)束以后，必須清理、檢查。若發(fā)現(xiàn)槽內(nèi)有殘余草卡在里面，需要掃除清潔，如果發(fā)現(xiàn)構(gòu)件存在部分、細(xì)小的安全問題，需要立即解決。大輪上螺栓松緊程度，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。潤滑點(diǎn)需要加油。
(3)維修
排出需要給損壞件予以維修或換新，應(yīng)該按期進(jìn)行查看主要構(gòu)件、易磨損零件，而且需要參照安全用法的要求維修，讓機(jī)械始終維持極好的作業(yè)狀況。
6 結(jié)論
我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是：環(huán)保草坪修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)于這個(gè)設(shè)計(jì)首先我擬定大體工作方案，然后選擇動力提供和剪草方式，在方案選擇中花費(fèi)很多時(shí)間，實(shí)際機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求不符合，我一步步分析論證最終克服困難，解決了增速結(jié)構(gòu)的選擇、改變運(yùn)動形式的機(jī)構(gòu)選擇、剪草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的選擇。
在全部的設(shè)計(jì)方案里完成以下工作：1、上網(wǎng)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)記載，學(xué)習(xí)現(xiàn)代國內(nèi)外剪草機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展前景，也了解到創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠帶來無窮的發(fā)展機(jī)遇。2、依靠資料學(xué)習(xí)的剪草機(jī)用處，把剪草機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了剖析和充分的論證，最終選擇了設(shè)計(jì)方案。3、具體的設(shè)計(jì)計(jì)算了主要零部件例如齒輪、軸，并且進(jìn)行了校核。針對刀具進(jìn)行了細(xì)致的計(jì)算設(shè)計(jì)。4、通過二維制圖軟件完成非標(biāo)準(zhǔn)件的零件圖和裝配圖。使我學(xué)習(xí)到嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的工作態(tài)度，同時(shí)為我以后能夠在社會道路上學(xué)習(xí)更多的專業(yè)知識奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為我提供了一次可以把所學(xué)習(xí)的理論知識應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)里的絕佳磨煉機(jī)會，勢必將影響我以后的工作生活。
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[23]Dongming Gao,Decheng Wang,Guanghui Wang,Liying Hao. Topology optimizationof conditioner suspension for mower conditioner considering multiple loads[J].Mathematical and Computer Modelling,2013 年,(58 期)
致謝
本文從選題、方案論證到課題的研究都是在導(dǎo)師何榮國老師的全面、悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、豐富的創(chuàng)造力、高瞻遠(yuǎn)矚的學(xué)術(shù)思想，以及敏銳的洞察力，始終令學(xué)生敬佩，并將影響我的一生。值此成文之際，謹(jǐn)向?qū)煴磉_(dá)我深深的敬意和衷心的感謝！
對于我來說此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅僅是我四年大學(xué)知識成果的檢驗(yàn)，也對我以后的學(xué)習(xí)、工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉讓我重新復(fù)習(xí)了之前遺忘的知識，并且深感自己所學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的博大精深。這是一次理論與實(shí)際相結(jié)合的鍛煉。即使在整個(gè)設(shè)計(jì)方案里，我遇到了很多麻煩，甚至是之前完全沒有過接觸過的東西，但是都在老師的指導(dǎo)以及我的努力學(xué)習(xí)下逐一戰(zhàn)勝了，而且積累了很多實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。雖然我所設(shè)計(jì)的方案可能還存在很多缺點(diǎn)，但是我盡力去更好的完成整個(gè)設(shè)計(jì)，這個(gè)過程對我未來的學(xué)習(xí)與工作都是很重要的。
通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動手能力和設(shè)計(jì)能力，為學(xué)生日后順利進(jìn)入工作崗位作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生收獲頗多，這與何老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。何老師公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)。
特別要感謝的是我的父母和家人!感謝父母在我成長的道路上給予的無私的愛。感謝所有關(guān)心和幫助過我的人們！
最后，在本文結(jié)束之際，向所有為我的論文提出寶貴意見的評閱老師們表示衷心的感謝和崇高的敬意！謝謝！
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