手推式割草機設計【草坪修剪機除草機三維SW模型+仿真+CAD圖紙+說明書】

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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.Keywords The lawn cropper Cut grass reducer Hand pushing CAM components improvement design目錄1 技術任務書- 1 -1.1 設計的依據- 1 -1.2產品的用途及使用范圍- 1 -1.3主要技術指標和重要技術參數- 2 -1.3.1 該手推式剪草機的總體設計參數- 2 -1.3.2 該手推式剪草機的刀具設計參數- 2 -1.4主要工作原理- 2 -1.5國內外研究現狀- 3 -1.5.1 國內外發展概述- 3 -1.5.2 常見的剪草機械分類- 4 -1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理- 4 -1.6已經考慮過的若干方案的比較- 5 -1.6.1手推式剪草機的工作設計方案- 5 -1.6.2其他工作設計方案的比較- 6 -1.7關鍵問題及其解決辦法- 7 -1.7.1 增速機構的設計選擇- 7 -1.7.2 幾種增速方式的實現比較- 8 -1.8 機構的功能及特點- 10 -1.9機構設計與用戶的一致性分析- 11 -2.設計計算說明書- 12 -2.1 設計方案論證- 12 -2.1.1手推式剪草機的設計原理- 12 -2.1.2 方案的選擇- 12 -2.2 齒輪的計算部分- 13 -2.2.1機構的動力計算- 13 -2.2.2齒輪設計思路及要求- 14 -2.2.3.齒輪設計過程- 15 -2.3 軸的計算部分- 19 -2.3.1手推式剪草機中軸2的設計- 19 -2.3.2手推式剪草機中軸1的設計- 22 -2.4 刀具的設計計算部分- 25 -2.4.1 刀具的概述- 25 -2.4.2 刀具的運動分析- 26 -2.4.2 刀具的結構尺寸及相關參數- 27 -2.5 端面齒輪及撥桿的設計部分- 28 -2.5.1端面齒輪和撥桿的概述- 28 -2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析- 28 -2.6 結論- 32 -2.6.1 剪草機的使用方法- 32 -2.6.1 剪草前應注意的事項- 33 -2.6.3 制造價格及應用范圍- 33 -3. 使用說明書（SM）- 33 -3.1設備的名稱- 33 -3.2設備的安裝- 34 -3.3設備的試車運轉- 34 -3.4設備的操作和維護- 34 -4.標注化審核報告（BS）- 35 -4.1 產品圖樣的審查- 35 -4.2產品技術文件的審查- 36 -4.3 標注件的使用情況- 36 -4.4 審查結論- 36 -參考文獻- 37 -致謝- 39 -1 技術任務書1.1 設計的依據剪草機械至今已有100多年的歷史，目前人們普遍使用的是電動剪草機械。由于剪草機械多在人口稠密的地區作業，流動性大，對機械的震動、噪音、廢氣排放、質量等指標要求較高?，F在的剪草機多使用內燃機作動力，排氣污染量相對于汽車的較少，但其噪聲危害卻很大。美國EPA(美國環境保護局)及歐盟對割草機等用發動機的排放均有相應的法規；德國還出臺了控制噪聲污染的蘭色天使法規；歐洲一些城市推出過引導性計劃，通過稅收優惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經營者” 以加速環保技術的發展 。手推式剪草機主要利用滾動的輪子帶動機械運動。手推式剪草機結構簡單，連接平穩，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，安靜的環境。1.2產品的用途及使用范圍目前市面上的剪草機大多需動力引擎，這會產生較大的噪音，帶來環境污染，在辦公和學習的地方，這種需動力引擎的剪草機就顯得非常不受歡迎。由于動力引擎剪草機有動力裝置，保養，維護費用較高；同時動力引擎剪草機主要依靠刀片的高速旋轉把草排出，因此，對整機的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強烈的震動，使操作很不舒適。雖然，動力引擎草坪剪草機剪草效率較高，剪草效果較好，但是，其價格也較昂貴，就目前來說，一般的用戶難以接受。通過市場調研，我們決定設計一種無引擎驅動，無噪音污染，剪草高度可調節，輕便簡潔，操作方便和美觀實用適用于一般用戶的草坪剪草機。 該產品主要用于家用，及面積不大的草坪修剪。無需引擎，可謂綠色環保的剪草機。對提倡環保的地域，是理想的剪草工具。1.3主要技術指標和重要技術參數1.3.1 該手推式剪草機的總體設計參數外形尺寸：輸入功率：輪子轉速：力矩：凈質量：變速要求：單級刀具，一固定刀片和一活動刀片相互運動單根剪草載荷：同時剪草量：1.3.2 該手推式剪草機的刀具設計參數項目切割器的形式切割幅寬刀片間距刀片運動形式刀片往復頻率刀片形狀配套動力操作人數凈重手推式剪草機往復切割240mm20mm單動860r/min平形149.1W113r/min1人30kg1.4主要工作原理本次設計的手推式剪草機主要利用輪子運動傳動變速箱中的齒輪實現刀具的往復運動的功能。手推式剪草機由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和剪刀等構件組成，端面齒輪和撥桿是一對工作組合。端面齒輪通過自身的轉動將旋轉方向的力傳動給撥桿，引起水平方向的往復運動，從而使刀具自身往復運動。由于剪草機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自身效率為重要原則。剪草機工作時由人推動機器行走，從而使剪草機的后輪1傳動，帶動與其同在一根軸上的大齒輪2傳動，通過齒輪2與齒輪3組成的增速機構使速度得以提升，并帶動端面凸輪4（為了實現幾何形狀封閉和便于調整，采取兩個端面凸輪以背靠背形式裝配）回轉，端面凸輪4帶動撥桿5運動，通過端面凸輪4與撥桿5組成的轉換機構將回轉運動變為直線往復運動，使固定其上的活動刀片與固定在機架上的固定刀片形成相對交錯運動，完成剪草動作。如圖11所示： 圖11 機器的運動簡圖1.5國內外研究現狀1.5.1 國內外發展概述l9世紀中葉，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、網球及足球等運動的興起，保持完善的草地做運動場便成為當務之急。英國人Edwin Budding利用旋轉式機械工作的原理發明了滾刀式剪草機，該產品的問世在英國受到了廣泛的歡迎，隨后傳人美國。1868年，美國第一臺剪草機取得專利，美國的草坪業也由此起步。不過幾年，便有37項有關剪草機的發明獲得專利。到1881年，總共有4萬多臺剪草機被生產和銷售 。最初的剪草機均為人力驅動；1890年，在英國開始設計有動力驅動的剪草機。從最初的蒸汽動力驅動發展到小型內燃機動力驅動；1909年，美國科學家Leoni取得了動力型機械式剪草機專利，盡管剪草機由汽油機驅動，但整個裝置仍由馬拉行走。在草坪修剪機械發展的歷史上，第二次世界大戰是一個轉折點。在20世紀30年代前后，每年生產的各類剪草機數量約3萬臺左右。戰后，美國經濟得到復興，允許現役軍人低價買房不付現金，大批建設房屋并出售，促使草坪修剪機械得到迅速發展，生產量急劇上升，1947年達36萬臺，1974年達700萬臺。20世紀70年代后期開始，剪草機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 。剪草機在數量增加的同時，其性能也在不斷改進。1950年，美國第一臺無線電操縱的剪草機誕生；1978年，C1arence Noke研制出了一種可進行草坪修剪編程的剪草機 ；20世紀80年代，一些新的草坪設備又投放市場，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被認為是一件普通的家庭用具。我國生產剪草機起步較晚，生產企業規模普遍較小，產品用途單一，品種數量少，遠不能滿足要求，而且質量與發達國家的相比也有很大差距。所以長期以來，草坪剪草機多以進口為主，主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國。據統計，1999年的剪草機銷售量在3萬臺左右，其中80為進口；2000年我國各類草坪機械保有量達13余萬臺，剪草機進口量在316萬臺左右；近兩年，草坪機械平均年增長率達到30左右，國內每年草坪機械的銷售總額大約為12億13億元人民幣，其中從國外進口的機械占85，國內自行生產的產品占15左右，其合計銷量約在1萬臺左右 。1.5.2 常見的剪草機械分類剪草機械按動力劃分可以分為機動和人推的兩類。按動力又分為柴油機、汽油機和電動機3類驅動。其中以小型汽油機作為動力的較為普遍，而柴油機多用于大型的剪草機械，如牧場的割草機；按剪草時刀片運動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、往復割刀式和甩刀式等；按駕駛形式分類，可分為推動式(步行式)、自行式、坐騎式(駕乘式)；按配套動力和作業方式分為手推式、手扶推行式、手扶自行式、駕乘式、拖拉機式等。剪草機的剪草幅寬一般為400lO00mm，剪草高度從15lOOmm有幾個調節擋位 。1.5.3 常見幾種剪草機械剪草原理（1）滾刀式剪草機其由帶有刀片的滾筒和不動的床刀組成。滾刀的形狀像一個圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安裝在圓柱表面，滾刀旋轉帶動草莖相對于底刀產生一個逐漸切割的滑動剪切而將草莖剪斷。滾刀式剪草機剪草的質量取決于滾刀上刀片數和滾刀的轉速，滾刀上刀片數越多，單位長度行進中切割的次數就越多，切下的草也越細，滾刀的刀片數一般為312片不等；滾刀的轉速越高，切下的草也越細。滾刀式剪草機是高質量草坪最常用的剪草機型，適用于草高380mm 的草坪，其價格貴，維修保養要求嚴格。（2）旋刀式剪草機(又稱懸刀式)它是由橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉打切草的上部葉片。其工作裝置為一長條形剪草刀或多把剪草刀在水平刀盤上，高速旋轉的刀刃與草莖碰撞而將其割斷，為無支承切割。刀刃的后面是類風葉形狀，在高速旋轉下，對地面形成一定的真空將草莖吹成直立狀態，便于切割并與罩殼相結合，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，適于范圍內剪草，它的價格相對低廉，保養、維修和使用都很方便，是國內外目前最流行的剪草機。（3）甩刀式剪草機其切割裝置由多把垂直于地面的刀片鉸接在旋轉組成的旋轉軸上， 當高速旋轉時，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為鉸接， 當碰到堅硬沖擊不斷的物體時可以避讓而不致損壞機器。（4）甩繩式剪草機其工作裝置是由一個內裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當打草盤高速旋轉時，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，其撞擊障礙物時退讓，不會損壞機器本身，也不會對障礙物有較大的破壞。1.6已經考慮過的若干方案的比較1.6.1手推式剪草機的工作設計方案我們所設計的手推式草坪剪草機首先要通過一個傳力構件將人力傳遞出去。為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構繼續傳遞。因執行修剪草動作刀片的相對運動方向與人行進的方向垂直，經前面增速機構傳遞過來的運動都需要再經過一級轉換機構傳遞到執行構件。通過分析得到手推式草坪剪草機的組成框圖，如圖12所示。圖12手推式草坪剪草機的組成框圖1.6.2其他工作設計方案的比較能實現手推式草坪修草功能的技術原理較多，但各有利弊，具體分析如下：（1）用腳驅動 用腳驅動時，一般操作者都需站在或坐在被驅動的機器上用力，這樣所設計的修草機，除了要完成剪草動作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機器結構復雜，尺寸較大，不適合小面積草坪使用。（2）用手驅動 用手驅動，可避免用腳驅動時存在的問題，使所設計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設計手動式修草機。（3）用割的方式 即用刀將草截斷。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現。（4）用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。用此法修草時所需的速度非常高，以其在草還沒被打倒之前將草打斷，這樣的修草產品已有，但效果不好。（5）用剪的方式 即用刀將草剪斷，用兩個刀片作相對運動的原理較易將草剪斷，且不需要很高的速度。因此，我們選擇設計成手動式剪草機。手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現的是簡單的轉動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現執行構件的往復移動，由于剪草機還要靠人力推著向前行進，操作者要完成的動作過多，操作不方便。要使操作者只通過簡單的操作即可完成剪草動作，可以用手推剪草機向前行駛，靠剪草機輪子的轉動將轉動運動轉變成往復移動而輸出到執行構件。顯然設計成手動式草坪剪草機是合理而可行的。根據所查資料，可選用組合變異法構成初步方案。由前面的分析可知，手動式草坪剪草機只需要一項運動形式變換功能（即轉動變直線往復移動），所以，不必列出矩陣表后構型。實現轉動到直線往復移動變換功能最簡單的機構為曲柄滑塊機構，直線推桿盤狀凸輪機構和齒輪齒條機構。1)曲柄滑塊機構 2）直動推桿盤狀凸輪機構3）齒輪齒條機構圖13機構運動簡圖1.7關鍵問題及其解決辦法1.7.1 增速機構的設計選擇增速機構是傳遞動力及變速的核心機構。它的速度變化直接改變刀具的剪切運動。我的手推式剪草機采用圓柱凸輪傳動機構?？梢岳脠A盤側面的形狀特征，為此圓盤旋轉時通過側面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調整）左右運動，這樣就得到了一種新型的凸輪端面凸輪，其工作原理如圖14所示：圖14 圓柱凸輪傳動機構1.7.2 幾種增速方式的實現比較（1）用組合法實現增速 為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構繼續傳遞。由于轉換機構的運動輸入構件作定軸轉動，這樣在剪草機動力輸入構件輪子和轉換機構的運動輸入構件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設計的剪草機結構緊湊，可以采用齒輪傳動。而齒輪傳動有直齒原著齒輪傳動，斜齒圓柱齒輪傳動，圓錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等。但是蝸輪蝸桿傳動的效率低，一般是蝸桿主動，且軸線空間交錯，應用到剪草機械中，會使支撐結構復雜。圓錐齒輪傳動的軸線相交，且其中一個齒輪需懸置，也會使剪草機支撐結構復雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結構較簡單，同時剪草機的速度不高，載荷也不大，因此，可選擇直齒圓柱齒輪作為增速機構。機構組成方案如圖15所示： 1) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構 2）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構圖15機構運動簡圖用異變法實現刀具剪草運動方向與剪草機行進方向垂直，由于刀具的剪切運動方向與剪草機行進方向垂直，圖3所示的機構組成方案不能最終滿足設計要求，還需對機構進行進一步構型。方案1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構來實現滑塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖16所示。圖16梅花凸輪傳動機構方案2 利用圓柱凸輪機構將凸輪軸的旋轉運動轉化為滑塊的往復運動，其工作原理如圖17所示。圖17圓柱凸輪傳動機構 在圖16所示的梅花凸輪機構中，為把凸輪的轉動變為執行構件的往復移動需增加一個支點和一個構件兩個低副（或一個構件一個高副），這樣會增加整個機構的復雜性，且設計時應該比短（否則必然會增大梅花凸輪的尺寸，或者引起梅花凸輪邊緣曲線過度較急），這樣將減少傳送到滑塊上的力。圖7，圖4所示的圓柱凸輪機構和端面凸輪機構的結構簡單，可以考慮作為所設計的剪草機的運動轉換機構。但是，我們還希望所設計的剪草機能實現剪草高度的調節。要實現此調節功能，在圖17所示的圓柱凸輪機構中還需要增加一個能使刀架（包括活動刀片和固定刀片）沿垂直方向移動的移動副，使機構結構變得較為復雜。而圖27所示的端面凸輪機構，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運動，從而帶動刀架上下運動，易于實現剪草高度的調節。1.8 機構的功能及特點該機采用固定刀片與活動刀片相對錯動的剪切原理，結構緊湊，體積小，質量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的剪草處理；無需引擎驅動，使用安全、可靠，便于維護；剪草的高度可在120mm之間調整，割幅240mm，外形尺寸（長寬高：586369200mm）,質量30kg（材料由45鋼制作）；采用耐用的鑄鋁底盤和結構件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點；前輪采用萬向輪，具有良好的導向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使剪草機轉彎時易于推動；金屬手柄易于折疊，以減少包裝尺寸，手柄長度可伸縮，對于不同身高的操作者同樣適用；底盤獨特的設計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品。 1.9機構設計與用戶的一致性分析（1）從機構運動的功能出發，按變異組合法和類比法完成機構的構件和設計；（2）在作品樣機加工前，使用三維造型軟件進行三維造型、虛擬裝配和運動仿真；（3）理論上驗證設計的可行性，然后進行樣機制作；（4）外觀造型新穎，推桿可折疊伸縮，適合家庭用戶使用；（5）采用齒輪機構（實現增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題；（6）采用端面凸輪機構（運動形式轉換機構），將轉動轉變為直線往復運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題；（7）采用的剪草高度調節機構，解決了目前手動剪草機不易實現高度調節的問題；（8）產品成本（制造和使用成本）低，符合廣大用戶購買能力的要求。2.設計計算說明書2.1 設計方案論證2.1.1手推式剪草機的設計原理該機構由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運動方向，最終輸出往復剪切運動?？傮w方案設計如圖21所示：圖2-1 總體方案設計2.1.2 方案的選擇選擇這個設計方案能夠更好的實現運動傳遞。無引擎驅動，節省能源，無污染（噪音、廢氣），采用綠色環保設計。采用齒輪機構（實現增速），提高整機的工作效率，解決了手動剪草機工作效率不高的問題；采用端面凸輪機構（運動形式轉換機構），將轉動轉變為直線往復運動，從而滿足剪草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的剪草高度調節機構，解決了目前手動剪草機不易實現高度調節的問題。另一方案，用蝸輪蝸桿傳動，直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機構更加簡單，刀具拆裝方便。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現，割草的數目不多。要想割的效率快，必須采用大功率。我采用的剪草機方案結構比較簡單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動的割草機一水平一豎直的軸造成了機架結構的復雜。并且增速機構采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結構簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。同時剪草的數量較多，在功率一定得情況下，剪得方式始終比割得方式效率高。蝸輪蝸桿傳動的割草機機構方案簡圖如圖22所示：圖22 蝸輪蝸桿傳動的割草機2.2 齒輪的計算部分2.2.1機構的動力計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。通過實際運用中割草機械的分析，可以假設剪一根草所需載荷為，同時剪草數量最多為500根?？傻肍=250N；端面齒輪上所受力的大小為：輪子提供轉矩帶動剪刀，進行機械運動。假設輪子的直徑為；輪子周長為。假定人的正常行走步數為。假定刀具所受的力全部來自輪子的轉矩所引起的運動。則 軸上的所傳遞的功率大小為：軸上的所傳遞的功率大小為：;輪子所傳遞的功率大小為：2.2.2齒輪設計思路及要求手推式剪草機中的齒輪設計要求（1）合理選用模數：在現代變速箱設計中，各檔齒輪模數的選擇是不同的。但為了經濟性和用途的要求，初選模數：。（2）合理選用壓力角：對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。當壓力角越大時，基圓直徑就越小，漸開線就越彎曲，輪齒的齒根就會變厚，齒面曲率半徑增大，從而可以提高輪齒的彎曲強度和接觸強度。合理選用螺旋角： 為了保證齒輪傳動的平穩性、低噪聲和少沖擊，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：對于正變位齒輪，隨著變位系數的增大，齒頂高也增大，而齒頂會逐漸變尖。所以必須對齒輪進行齒頂變尖的驗算。（4）手推式剪草機中齒輪強度的計算方法概述我國的國家標準局所發表的漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法是參照國際標準化組織的計算方法所制定的，該方法比較全面地考慮了影響齒輪承載能力的各種因素，現已成為目前最精確的、綜合的齒輪強度計算方法。影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個方面，分別用四個系數來修正名義載荷，這四個系數分別為使用系數、動載系數、齒向載荷分布系數、齒間載荷分配系數。各種齒輪強度計算方法所采用的動載系數Kv在形式上有很大的差別，考慮的因素也不相同。各種齒輪強度計算方法所采用的齒向載荷分布系數的計算方法各不相同。各種齒輪強度計算方法所采用的齒間載荷分配系數的處理上有很大差別。由于汽車變速箱的工作特性，使得輪齒的載荷是波動的，對于這種不穩定載荷的情況。從以上四點可看出國際標準化組織ISO的齒輪強度計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計計算采用此種方法。 齒輪在傳遞動力時，輪齒處于懸臂狀態，在齒根產生彎曲應力和其它應力，并有較大的應力集中，為使齒輪在預定的壽命期內不發生斷齒事故，必須使齒根的最大應力小于其許用應力。2.2.3.齒輪設計過程（1）輸出轉矩設計：轉速軸上的轉速計算輪子傳遞的轉矩可得：軸上的轉矩為: （2）齒輪的參數設計：選擇齒輪材料、熱處理、精度等級及其齒數剪草機為一般工作機器，齒輪選擇常用材料及熱處理，8級精度。小齒輪：40Cr(調質)，齒面硬度280HBS；大齒輪：45鋼（調質），齒面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。選擇小齒輪齒數：z1=23，大齒輪齒數：（3）基本參數的選擇試選載荷系數：選擇的齒寬系數為：查得彈性系數為：按齒面硬度查取接觸疲勞極限：小齒輪：, 大齒輪：；（4）計算應力循環次數N 假定工作機載荷有輕微沖擊，每星期左右修剪一次草坪，每周工作8h，預期使用壽命為50年。小齒輪的應力循環次數為：可得：大齒輪的應力循環次數為：（5）計算接觸疲勞許用應力查得接觸疲勞壽命系數：小齒輪, 大齒輪接觸疲勞強度安全系數有公式： 試算小齒輪分度圓直徑可得：為了保證制造工藝簡單，取模數： 取標準模數 小齒輪分度圓直徑： 大齒輪分度圓直徑： 大齒輪齒寬,圓整??；小齒輪齒寬 (加寬5mm) 中心距 小齒輪齒全高 大齒輪齒全高 齒輪齒數模數齒形角全齒高大齒輪 692.0204.5小齒輪 232.0204.5齒輪的相關參數如下表所示：表2-1齒數表（6）計算載荷系數K 查得使用系數 圓周力， 查得動載荷系數查得齒間載荷分配系數, 查得齒向載荷分布系數,一般經仔細跑合，取計算載荷系數 （7）修正計算： 已取,符合接觸疲勞強度條件。（8）齒輪齒根彎曲疲勞強度校核過程確定設計參數載荷系數K=小齒輪傳遞的轉矩查得齒形系數, ;應力修正系數，查得彎曲疲勞壽命系數：小齒輪,大齒輪按齒面硬度查得彎曲疲勞極限：小齒輪,大齒輪計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞強度安全系數由公式,可得由公式，可得齒根彎曲應力 結論:計算可得彎曲疲勞強度足夠。2.3 軸的計算部分2.3.1手推式剪草機中軸2的設計（1）選擇軸的材料該軸無特殊要求，選擇45鋼調質處理，初步估算軸徑：按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取根據公式，?。?）軸的結構設計軸上零件的軸向定及位周向定位。從左輪子連接處向右?。??？紤]軸的結構工藝性：考慮到軸的結構工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。（3）軸的強度演算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數均已知。齒輪上作用力的大小轉矩：齒輪端面分度圓直徑：圓周力：徑向力：軸向力：受力簡圖如32所示： 圖23 垂直面上受力簡圖 垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩：截面C處的彎矩為： 圖24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：截面C處的彎矩為：圖25 水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為：圖26 水平面上截面的彎矩及合成彎矩：圖26水平面上截面的彎矩及合成彎矩按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力：通過查表可知：材料為45鋼，調質處理的許用應力為，由于，故安全。2.3.2手推式剪草機中軸1的設計（1）選擇軸的材料該軸無特殊要求，選擇45鋼調質處理，初步估算軸徑：按扭轉強度估算輸入端的最小軸徑。按45鋼，取根據公式，?。?）軸的結構設計軸上零件的軸向定位周向定位 大齒輪在軸上為對稱定位，左右兩端靠套筒定位，裝拆，傳力較為簡單；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接。根據軸的直徑查得齒輪處的鍵截面尺寸為，配合為，滾動軸承內圈與軸的配合采用基孔制。確定各段軸徑和長度通過確定定位軸肩高度，從左輪子連接處向右取?？紤]軸的結構工藝性：考慮到軸的結構工藝性，在軸的左端和右段均制成倒角。軸的強度演算 經結構設計之后，各軸段作用力大小和作用點位置、軸承跨距、各段軸徑等參數均已知。齒輪上作用力的大小轉矩：=3911Nmm齒輪端面分度圓直徑：圓周力：徑向力：軸向力：圖27 軸垂直面上受力簡圖垂直面上軸承的支反力及主要截面的彎矩： 方向相反截面C處的彎矩為：圖28 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：截面C處的彎矩為：圖29軸水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為： 圖210 軸水平面上截面的彎矩及合成彎矩 按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面強度，取，該截面上的計算應力：通過查表可知：材料為45鋼，調質處理的許用應力為，由于，故安全。2.4 刀具的設計計算部分2.4.1 刀具的概述手推式剪切機采用剛性切割式，運動方式選擇往復式運動。往復式切割裝置由上、下兩組刀片組成，分動和雙動兩種運動方式。本設計采用單動運動方式。單動切割器是動刀片在定刀上作往復運動；其特點是：，刀片的行程與上、下刀片的距離均相等。剪切機的上、下刀片形狀相同，剪切時，草兩側同時受到切割，在一個行程中，運動速度的大小有變化，合理切割的方法是利用較大的速度來剪切。刀片的速度圖如圖211所示。剪刀自點向右運動時，其速度自零逐漸增加，在沒有達到之前，因切刀不相接觸，不發生切割。刀片到達時，兩刀刃開始接觸，這時稱為始切速，然后刀片繼續向右運動而進入切割，直到刀片到達時，兩刀刃相向接觸完畢，這以后不再切割，這時稱為終切速。由到為切割速度的變化范圍。由圖211可知，大于終切速。圖211 切割速度的變化在切割過程中，有些草是在被一刀刃頂斜著推向另一刀刃和剪切機前進而向前傾斜狀態下切割的，使草叢表面稍欠平整。2.4.2 刀具的運動分析 刀片一個行程時間內機器前進的距離稱為切刀的進程，以H表示，切刀一秒鐘內運動的絕對距離為： 式中：機器的前進速度 刀具水平運動的距離 輪子的周長一個行程所需要的時間為：一個行程運動的絕對距離： 可得切刀的進程H為：由于端面齒輪旋轉一周刀具往復運動6次，刀具行程運動呈現對稱的加速減速運動，速度由變化，從0到達的所需的時間與到達0的時間均為。運動分析可知，刀具呈現勻加速運動，運動方程式為： 可得：切刀的平均速度：將切刀的平均速度與機器的前進速度的比值稱為刀機速比。，據類似的茶樹修剪機和采茶機的試驗分析，可得動力轉速較小的手推式剪草機傳動的效率較高。2.4.2 刀具的結構尺寸及相關參數刀片是切割裝置的主要部件，由于使用條件和運動參數的不同，使刀片的參數隨不同的機型而有些差異。手推式剪草機的主要參數如表2-2所示：項目切割器的形式切割幅寬刀片間距刀片運動形式刀片往復頻率刀片形狀配套動力操作人數凈重手推式剪草機往復切割240mm20mm單動860r/min平形149.1W113r/min1人30kg表22手推式剪草機的主要參數切割角的增大使切口變得不整齊。當刀片行程在時，刀片的切割角和楔角不影響剪草的質量。往復式刀刃的切割角和楔角如圖212所示。圖212往復式刀刃的切割角和楔角試驗分析可知行程與剪草質量的關系： 刀片的刀距行程對剪草的質量沒有顯著的影響。剪草質量比較好的行程在，碎片也相應較少。切割間距在時，切口平整；切割間距在30mm以上時，切口就不平整；切割間距大于40mm時，采摘面就象抓采樣的，漏采的也增多。切割速度比與正常草芽葉、碎片的關系手推式剪切機刀片的切割速度比在2.5以下時，正常芽葉多，碎片少。對采摘質量沒有大的影響。對類似作物的試驗，任何往復刀片，當切割速度比在2.5以下時，正常芽葉稍有減少的趨勢；切割速比在時，剪草質量無明顯的差別。切割速度比在小于3時，剪草面切口出現明顯的不平整。刀片的主要參數如表23所示：項目刀片刀間距刀高切割角刀角硬度（HRC）往復式刀片動刀片20mm定刀片表23往復式刀片的主要技術參數2.5 端面齒輪及撥桿的設計部分2.5.1端面齒輪和撥桿的概述手推式剪草機中端面齒輪和撥桿一對運動組合類似于凸輪和推桿，而撥桿的運動直接影響其刀具的往復運動。由撥桿在端面齒輪凹凸曲面上的規則運動，從而帶動刀具的運動。2.5.2 端面齒輪和撥桿的運動分析端面齒輪的形狀如圖213所示：圖213 端面齒輪的形狀對撥桿的運動要求為：當端面齒輪轉過時，推桿上升20mm；端面齒輪再轉過時，撥桿下降20mm；推桿繼續轉過時，撥桿又停止不動。運動狀態如圖214所示。圖214 運動分析圖撥桿在端面齒輪處安裝，圖中a與b為撥桿上升對應的端面齒輪所旋轉的角度，c為。在端面齒輪上撥桿與端面齒輪接觸點旋轉的角度所對應的行程為：式中d為撥桿與端面齒輪接觸點在端面齒輪上離中心位置的直徑大小。圖215 端面齒輪的輪廓曲線假設在端面齒輪上的運動行程為,接觸點上下運動的位移為,可得運動軌跡方程為：在式中各參數：為端面齒輪旋轉的角度；k為與端面齒輪運動行程與接觸點上下運動的位移的相關參數。代入特殊值，可得：從而得出接觸點上下運動位移的軌跡方程為：推程階段 遠休止階段 回程階段 近休止階段 通過上述運動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相同的近似于凸輪的結構。故只需研究撥桿一個往復運動的工作輪廓線即可。計算結果可得端面齒輪的工作輪廓線對應的值見表24。 （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表24 端面齒輪的工作輪廓線通過上述表中參數，我們可以近似加工出端面齒輪的工作輪廓線。度數越分的密，端面齒輪的形狀越精確。工作輪廓線如圖216所示。圖216 端面齒輪的工作輪廓線2.6 結論2.6.1 剪草機的使用方法修剪是草坪養護管理中的核心內容?？茖W地對草坪進行定期修剪，可提高草坪質量，使草坪整齊美觀，而且具有較高的坪用價值和經濟價值，可促進分蘗，形成致密的草坪，改善通氣性，減少病蟲害的發生，有效地抑制雜草生長，提高其美觀性。草坪修剪應遵循“三分之一” 原則，即被剪去的部分占草坪總高度的三分之一以內。如修剪量過大，將會由于葉面積大量損失而導致草坪草光合作用急劇下降。由于修剪不及時而導致失剪的草坪，仍應遵循“三分之一” 原則，切忌一次修剪就達到需求的標準，而應通過少量多次修剪，逐步剪到需要的高度。草坪修剪的時間與草坪草的種類、草坪草的生長發育和肥料供給等有關。北方草坪草在春秋是兩個生長高峰期，修剪量加大和修剪次數增多，晚秋應逐漸減少修剪次數，夏季有休眠現象，也應根據情況減少修剪次數。草坪修剪頻率決定于草坪的生育狀態、草坪的用途、草坪的質量及草坪草的種類，其中主要取決于草坪的生長速度和生長勢。2.6.1 剪草前應注意的事項剪草前應先檢查剪草機械刀片是否損壞，螺母、螺栓的緊固情況，輪胎壓力情況.；剪草前應清除草坪上的木棍、石頭、瓦塊、鐵絲等雜物。對于固定設施，如噴灌管埋頭等，應作好標志，以防損壞刀片在剪草前，應測量草坪的高度，將剪草機調整到合理的剪草高度；剛澆過水、下過大雨或者霉雨季節等，潮濕的草地最好不要剪草；不得在坡度大于15度的地方采用該手推式剪草機修剪草坪。剪草機的選擇要根據草坪要求的修剪質量、草坪草種、修剪高度、配套動力、地形地貌及剪草機的幅寬等因素確定。無論選用何種剪草機，都應保證剪草機的刀片始終鋒利。因為刀片鋒利，草坪草的修剪傷口能迅速愈合，病菌浸染的機會少， 同時傷口不留白茬，景觀效果也好?？傊?，選擇的總原則是在達到修剪草坪質量的前提下，選擇經濟實用的機型。2.6.3 制造價格及應用范圍根據目前市場實際:：制造原材料費用100150 元，手工費: 50100 元，因此總造價在300元以內。目前使用于我國大部分地區的園林草坪的修建和養護。3. 使用說明書（SM）3.1設備的名稱 產品的名稱: 手推式剪草機3.2設備的安裝安裝工作必須有鉗工、起重工等專業工人參加。安裝時首先用水平儀找平基礎和安裝支架的水平度，然后使之固定。按制造廠出廠時各段機殼的連接標記順序組裝，各段機槽內口的連接應平整、密合，如有錯位，只允許比剪草機撥桿稍低，其值不得大于1mm。機體組裝后測定其機槽兩側對稱中心面的對稱度。頭輪、尾輪必須對中。輪軸應保持平行，以避免剪草機在運行時跑偏。安裝剪草機刀具時應再次檢查刀具往復運動是否靈活只有運動靈活的剪草機方可進行安裝。3.3設備的試車運轉完成剪草機各部分安裝工作后，即可進行空載運轉試驗。運行前應做如下工作：（1）所有軸承、傳動部件和減速器內應有足夠的潤滑油；（2）檢查和清除剪草機機槽內部遺留的工具、鐵件或其他雜物；（3）全面檢查剪草機各部分是否完好無損，剪草機刀具的運轉松緊度是否合適。當上述各項準備工作做好后，推動剪草機，觀察小輪和大輪是否與殼體卡碰和跑偏，當無缺陷后，可遠距離運轉即可進行空載運轉。當空載運轉并對運轉情況認為滿意后，可進行剪草試驗。開始需要緩慢的推動剪草機，觀察齒輪、端面齒輪與撥桿嚙合的運轉穩定情況。運轉穩定后，逐漸加快剪草機的運轉速度。對剪草的狀況進行原始記錄，剪草密度，剪草后草的基本狀況等。并核對和設計要求是否吻合。3.4設備的操作和維護(1)設備的操作每次使用前，應先空載運轉一定時間，待設備運轉正常后方可進行工作，應保持運轉速度的穩定，不得大量突增或過載運行，容易對刀具產生較大的破壞。如無特殊情況，不得在剪草過程后，不清理刀具，以增加刀具的使用壽命。操作人員應經常檢查機器各部，特別是刀具和驅動裝置，以及端面齒輪與撥桿組合應保持完好無損狀態。一旦發現有殘缺損傷的機件（如刀具嚴重變形或脫落、撥桿的斷裂、彎曲段中間導軌嚴重磨損等），應及時修復或更換。(2)設備的維護正確的保養和維修不僅能保證設備的安全運行，而且是提高工作效率、經濟效益和延長使用壽命的重要手段。(3)保養剪草機在每次使用完畢，應對設進行清掃和檢查。如有剩余物料壓結在槽內，應當清除干凈,零部件有局部、微小的事故隱患，應及時排除。大輪上螺栓過松，應進行調整；刀具出現裂墳或嚴重磨損，應予以更換；潤滑點應及時加油。(4)維修除應對巳損壞的零部件及時修理或更換外，還要對關鍵部件、易磨損零件定期進行檢查， 并按安全使用要求進行修理， 使設備繼續保持最佳的工作狀態。4.標注化審核報告（BS）4.1 產品圖樣的審查 手推式剪草機的傳動裝置和刀具設計已經基本完成，現以具備全套圖紙和一線基本數據，根據有關規定，對其進行標注化審查，結果如下： （1） 產品的圖樣完整、統一、表達準確清楚、圖樣清楚。符合GB4440-84、GB-83機械制圖的規定。（2） 產品圖樣公差與配合的選擇與標準符合GB/T1800、3-1998的規定。（3） 產品圖樣的編號符合JB/T5054.5-2000中華人民共和國機械行業標準產品圖樣及設計的完整性。（4） 圖紙的標題欄與明細欄符合GB/T10609. 1-1989GB/T10690. 2-1989的規定。（5） 產品圖樣粗糙度的標注符合GB131-83表面特征代號及注法的規定。（6） 產品圖樣焊縫的代號符合GB324-80焊縫代號的規定。4.2產品技術文件的審查（1） 產品的技術文件名稱、術語符合ZB/TJ01和0351-90產品圖樣及設計文件術語及有關標準的規定。（2） 量和單位符合GB3100GB3102-93的規定。（3）技術文件所用的編碼符合JB/T8823-1998機械工業企業計算機輔助管理信息分類編碼導則的規定。（4）技術文件的完整性符合JB/T5054.5-2000產品圖樣及技術文件完整性的規定及農機部門的有關具體要求。4.3 標注件的使用情況本設計所用的緊固件均采用標準的螺栓，材料及材料代號也符合國家標準和部頒標準的相關規定。4.4 審查結論經過對剪草機裝置和傳動設計的標準化審查，認為該設計基本貫徹了國家最新頒發的各種標準，圖紙和設計文件完整齊全，符合標準化得要求。參考文獻1 李森.草坪的修剪技術要點J.現代園藝，2008，22（11）：24-25.2 戴錦春，肖榮清，陳小圻，楊均青. 弓形鋼纖維切割刀具的優化設計R.武漢：武漢成人教育學院，1996.3 馬少春，李洪文，何進. 壟作割刀的設計與試驗R.北京：中國農業大學，2006.4 朱聰玲，劉江龍，盧偉. 聯合收割機往復式割刀傳動機構動力學分析R. 佳木斯大學學報( 自然科學版),2004.5 陳國蘭.淺談我國園林機械R. 中國建研院建巍機械化研究所,1997.6 王振東， 涂洪森. 草坪割草機高度調節機構對作業質量影響分析及其優化設計R. 哈爾濱: 哈爾濱林業機械研究所,2004.7 盧希誠,尚樹堂. 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DESIGN OF NONCIRCULAR GEARS NITH DISCONTINUOUS PITCH CURVEJ School of Mechanical Engineering,2006, 19(4):594-599.致謝本文從選題、方案論證到課題的研究都是在導師張淑娟老師的全面、悉心指導下完成的。導師嚴謹的治學態度、淵博的知識、豐富的創造力、高瞻遠矚的學術思想，以及敏銳的洞察力，始終令學生敬佩，并將影響我的一生。值此成文之際，謹向導師表達我深深的敬意和衷心的感謝!通過這次訓練，提高了自己的動手能力和設計能力，為學生日后順利進入工作崗位作下了鋪墊。本次畢業設計，學生收獲頗多，這與張老師的悉心指導是分不開的。張老師公務繁忙，但是還是經常抽時間來視察學生畢業設計進度，就畢業設計過程中遇到的問題給予耐心指導。 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。感謝所有關心和幫助過我的人們!最后，在本文結束之際，向所有為我的論文提出寶貴意見的評閱專家們表示衷心的感謝和崇高的敬意! 謝謝!