手推式剪草機(jī)的設(shè)計.docx

1、1技術(shù)任務(wù)書1.1設(shè)計的依據(jù)剪草機(jī)械至今己有100多年的歷史，目前人們普遍使用的是電動剪草機(jī)械。由于剪 草機(jī)械多在人口稠密的地區(qū)作業(yè)，流動性大，對機(jī)械的震動、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(huán)境保護(hù)局）及歐盟對割草機(jī)等用發(fā)動機(jī)的排放均有 相應(yīng)的法規(guī)；德國還出臺了控制噪聲污染的蘭色天使法規(guī)；歐洲一些城市推出過引 導(dǎo)性計劃，通過稅收優(yōu)惠及獎勵等措施鼓勵“綠色經(jīng)營者”以加速環(huán)保技術(shù)的發(fā)展。手推式剪草機(jī)主要利用滾動的輪子帶動機(jī)械運(yùn)動。手推式剪草機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，連接平 穩(wěn)，噪音極小，并且操作十分容易，既給

2、使用人帶來方便，也給周圍的人帶來舒適，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)大多需動力引擎，這會產(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，這種需動力引擎的剪草機(jī)就顯得非常不受歡迎。由于動力引擎剪草機(jī) 有動力裝置，保養(yǎng)，維護(hù)費(fèi)用較高；同時動力引擎剪草機(jī)主要依靠刀片的高速旋轉(zhuǎn)把草 排出，因此，對整機(jī)的安全性要求較高，操作時也會給工作人員帶來強(qiáng)烈的震動，使操 作很不舒適。雖然，動力引擎草坪剪草機(jī)剪草效率較高，剪草效果較好，但是，其價格 也較昂貴，就目前來說，一般的用戶難以接受。通過市場調(diào)研，我們決定設(shè)計一種無引擎驅(qū)動，無噪音污染，剪草高度可調(diào)節(jié)，輕便簡 潔，操作方便和美

3、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。無需引擎，可謂綠色環(huán)保的剪草機(jī)。對提倡環(huán)保的地域，是理想的剪草工具。方案2利用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復(fù)運(yùn)動，其工作原理 如圖17所示。圖17圓柱凸輪傳動機(jī)構(gòu)在圖16所示的梅花凸輪機(jī)構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動需增 加一個支點(diǎn)和一個構(gòu)件兩個低副（或一個構(gòu)件一個高副），這樣會增加整個機(jī)構(gòu)的復(fù)雜 性，且設(shè)計時4應(yīng)該比2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(jī)構(gòu)和端面 凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，可以考慮作為所設(shè)計

4、的剪草機(jī)的運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。但是，我們還希望所設(shè)計的剪草機(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17所示的圓柱凸輪機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜。而圖27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，從而帶動刀架上下運(yùn)動，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刀片相對錯動的剪切原理，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)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(qū)動，使用安全、可靠，便于維護(hù)；剪草的高度可在120mm之間調(diào)整，割幅240mm,外形尺寸（長x寬x

5、高:586 x 369 x 200mm），質(zhì)量30kg （材料由45鋼制作）;采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點(diǎn)；前輪采用萬向輪，具有良好的導(dǎo)向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使剪 草機(jī)轉(zhuǎn)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(dú)特的設(shè)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(chǎn)品。1.9機(jī)構(gòu)設(shè)計與用戶的一致性分析（1）從機(jī)構(gòu)運(yùn)動的功能出發(fā)，按變異一組合法和類比法完成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)計；（2）在作品樣機(jī)加工前，使用三維造型軟件進(jìn)行三維

6、造型、虛擬裝配和運(yùn)動仿真；（3）理論上驗證設(shè)計的可行性，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，解決了手動剪草機(jī)工作效率 不高的問題；（6）采用端面凸輪機(jī)構(gòu)（運(yùn)動形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動，從而滿 足剪草運(yùn)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動剪草機(jī)不易實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題；（8）產(chǎn)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(shè)計計算說明書2.1設(shè)計方案論證2.1.1手推式剪草機(jī)的設(shè)計原理該機(jī)構(gòu)由輪子帶動，通過一對單級減速器進(jìn)

7、行傳遞轉(zhuǎn)矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運(yùn)動方向，最終輸出往復(fù)剪切運(yùn)動?？傮w方案設(shè)計如圖21所示：O一：.0圖2-1總體方案設(shè)計2.1.2方案的選擇選擇這個設(shè)計方案能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動傳遞。無引擎驅(qū)動，節(jié)省能源，無污染（噪 音、廢氣），采用綠色環(huán)保設(shè)計。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)動形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn) 動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動，從而滿足剪草運(yùn)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動剪草機(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，直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機(jī)構(gòu)更

8、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(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(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)動組合，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動實(shí)際為一凸輪推桿的運(yùn)動組。同時剪草的數(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 輪蝸桿傳動的割草機(jī)機(jī)構(gòu)方案簡圖如圖22所示：圖22蝸輪蝸桿傳動的割草機(jī)2.2齒輪的計算部分2.2.1機(jī)構(gòu)的動力計算此處省去NNNNN需要更多更完整的圖紙和說明書請聯(lián)系 秋30537030611

9、.3主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù)1.3.1該手推式剪草機(jī)的總體設(shè)計參數(shù)外形尺寸:586 x 369 x200mm輸入功率:149.1W輪子轉(zhuǎn)速:113.04r/min力矩 丁輪=' 2334.57 N rnm凈質(zhì)量：M J30kg 變速要求：單級刀具，一固定刀片和一活動刀片相互運(yùn)動 單根剪草載荷：f = “5N 同時剪草量：-50°根1.3.2該手推式剪草機(jī)的刀具設(shè)計參數(shù)表1-1刀具設(shè)計參數(shù)項目切割 器的 形式切割幅寬刀片 間距刀片 運(yùn)動 形式刀片往復(fù) 頻率刀片 形狀配套動力操作 人數(shù)凈重手推 式剪 草機(jī)往復(fù) 切割240mm20mm單動860r/min平形149.1W113r/

10、min1人30kg1.4主要工作原理本次設(shè)計的手推式剪草機(jī)主要利用輪子運(yùn)動傳動變速箱中的齒輪實(shí)現(xiàn)刀具的往復(fù) 運(yùn)動的功能。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 和撥桿是一對工作組合。端面齒輪通過自身的轉(zhuǎn)動將旋轉(zhuǎn)方向的力傳動給撥桿，引起水 平方向的往復(fù)運(yùn)動，從而使刀具自身往復(fù)運(yùn)動。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)工作時由人推動機(jī)器行走，從而使剪草機(jī)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(jī)構(gòu)使速度得以提升，并帶動端 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

11、端面凸輪以背靠背形式裝配） 回轉(zhuǎn)，端面凸輪4帶動撥桿5運(yùn)動，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) 動變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動，使固定其上的活動刀片與固定在機(jī)架上的固定刀片形成相對交錯 運(yùn)動，完成剪草動作。如圖1一1所示：6 （活動刀片）7 （固定刀片）圖11機(jī)器的運(yùn)動簡圖1.5國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.5.1國內(nèi)外發(fā)展概述19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。1

12、868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 軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設(shè)房屋并出售，促使草坪修剪

13、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500萬一600萬臺的銷量。剪草機(jī)在數(shù) 量增加的同時，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，Clarence 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

14、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)國家的相比也有很大差距。所以長期以來，草坪剪草 機(jī)多以進(jìn)口為主，主要來自日本、美國、意大利和瑞典等國。據(jù)統(tǒng)計，1999年的剪草機(jī) 銷售量在3萬臺左右，其中80%為進(jìn)口； 2000年我國各類草坪機(jī)械保有量達(dá)13余萬臺, 剪草機(jī)進(jìn)口量在3. 16萬臺左右；近兩年，草坪機(jī)械平均年增長率達(dá)到30%左右，國內(nèi) 每年草坪機(jī)械的銷售總額大約為1. 2億1. 3億元人民幣，其中從國外進(jìn)口的機(jī)械占 85%,國內(nèi)自行

15、生產(chǎn)的產(chǎn)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(jī)械分類剪草機(jī)械按動力劃分可以分為機(jī)動和人推的兩類。按動力又分為柴油機(jī)、汽油機(jī)和 電動機(jī)3類驅(qū)動。其中以小型汽油機(jī)作為動力的較為普遍，而柴油機(jī)多用于大型的剪草 機(jī)械，如牧場的割草機(jī)；按剪草時刀片運(yùn)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(fù)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(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4001000mm, 剪草高度從15lOOmm有幾個調(diào)節(jié)擋位。1.

16、5.3常見幾種剪草機(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(zhuǎn)帶動草莖相對于底刀產(chǎn)生一個逐漸切割的滑動剪切而 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380mm的草坪，其價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。(2) 旋刀式剪草機(jī)(又稱懸刀式)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

17、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(zhuǎn)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(fēng)葉形狀，在高速旋轉(zhuǎn)下，對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 - 80mm范圍內(nèi)剪草，它的價格相對低廉，保養(yǎng)、維修和使 用都很方便，是國內(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釵接在旋轉(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)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 片與刀軸或刀盤為皎接，當(dāng)碰到堅硬沖擊不斷的物體時可以避讓而

18、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內(nèi)裝尼龍繩的打草盤、背向人的護(hù)罩組成。當(dāng)打草盤高速旋轉(zhuǎn) 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(jī)器本身，也不會對障礙物有較 大的破壞。手推式剪草機(jī)的設(shè)計1.6已經(jīng)考慮過的若干方案的比較1.6.1手推式剪草機(jī)的工作設(shè)計方案我們所設(shè)計的手推式草坪剪草機(jī)首先要通過一個傳力構(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 動作刀片的相對運(yùn)動方向與人行進(jìn)的方向垂直，經(jīng)前面增速機(jī)構(gòu)傳遞過來的運(yùn)動都需要 再經(jīng)過一級

19、轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。通過分析得到手推式草坪剪草機(jī)的組成框圖，如圖12所示。傳力構(gòu)件增速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)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)動用腳驅(qū)動時，一般操作者都需站在或坐在被驅(qū)動的機(jī)器上用力，這樣所設(shè)計的修草 機(jī)，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(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)動用手驅(qū)動，可避免用腳驅(qū)動時存在的問題，使所設(shè)計的機(jī)器小巧，且可靈活操作。 因此，我們選擇設(shè)計手動式修草機(jī)。（3）用割的方式即用刀將草截斷。但草柔軟

20、，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實(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。（5）用剪的方式即用刀將草剪斷，用兩個刀片作相對運(yùn)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(shè)計成手動式剪草機(jī)。手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機(jī)械容易實(shí)現(xiàn)的是簡單的轉(zhuǎn)動和往復(fù)直線 運(yùn)動，如果用手搖動手柄實(shí)現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動，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(jī)向前行駛，靠剪草機(jī)輪子的轉(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)動運(yùn)動轉(zhuǎn)變成往復(fù)移動 而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設(shè)計成手動式草坪剪草機(jī)是合理而可行的。根據(jù)所查資料，可選用組合一變異法構(gòu)成初步方案。由前面的分析可知，手動式草 坪剪草機(jī)只需要一項運(yùn)動形式變換功能（即轉(zhuǎn)動變直線往復(fù)移動），所以，不必列出矩 陣表后構(gòu)型。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動到直線往復(fù)移動變換功能最簡單的機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，直線推 桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。1）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)2）直動推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)3）齒輪齒條機(jī)構(gòu)1.7關(guān)鍵問題及其解決辦法1.7.1增速機(jī)構(gòu)的設(shè)計選