手推式剪草機的設(shè)計

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手推式剪草機的設(shè)計- 0 -1 技術(shù)任務書1.1 設(shè)計的依據(jù)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(qū)作業(yè)，流動性大，對機械的震動、噪音、廢氣排放、質(zhì)量等指標要求較高?，F(xiàn)在的剪草機多使用內(nèi)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(huán)境保護局 )及歐盟對割草機等用發(fā)動機的排放均有相應的法規(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 。手推式剪草機主要利用滾動的輪子帶動機械運動。手推式剪草機結(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(yǎng)，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(zhuǎn)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(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，操作方便和美觀實用適用于一般用戶的草坪剪草機。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。對提倡環(huán)保的地域，是理想的剪草工具。- 1 -1.3 主要技術(shù)指標和重要技術(shù)參數(shù)1.3.1 該手推式剪草機的總體設(shè)計參數(shù)外形尺寸： 5863920m?輸入功率： 14.W輪子轉(zhuǎn)速： /inr力矩： 23.57TN?A輪凈質(zhì)量： 0Mkg?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： .5fN?同時剪草量： 0?根1.3.2 該手推式剪草機的刀具設(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動形式刀片往復頻率刀片形狀配套動力 操作人數(shù)凈重手推式剪草機往復切割240mm 20mm 單動 860r/min 平形 149.1W113r/min1 人 30kg1.4 主要工作原理本次設(shè)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(xiàn)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(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，帶動與其同在一手推式剪草機的設(shè)計- 2 -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(gòu)使速度得以提升，并帶動端面凸輪 4（為了實現(xiàn)幾何形狀封閉和便于調(diào)整，采取兩個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 運動，通過端面凸輪 4 與撥桿 5 組成的轉(zhuǎn)換機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€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 1—1 所示：圖 1—1 機器的運動簡圖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(wǎng)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(zhuǎn)式機械工作的原理發(fā)明了滾刀式剪草機，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)剪草機的發(fā)明獲得專利。到 1881年，總共有 4 萬多臺剪草機被生產(chǎn)和銷售 。最初的剪草機均為人力驅(qū)動；1890 年，在英國開始設(shè)計有動力驅(qū)動的剪草機。從最初的蒸汽動力驅(qū)動發(fā)展到小型內(nèi)燃機動力驅(qū)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(qū)動，但整個裝置仍由馬拉行走。在草坪修剪機械發(fā)展的歷史上，第二次世界大戰(zhàn)是一個轉(zhuǎn)折點。在 20 世紀 30 年- 3 -代前后，每年生產(chǎn)的各類剪草機數(shù)量約 3 萬臺左右。戰(zhàn)后，美國經(jīng)濟得到復興，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，促使草坪修剪機械得到迅速發(fā)展，生產(chǎn)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(shù)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(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 被認為是一件普通的家庭用具。我國生產(chǎn)剪草機起步較晚，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，遠不能滿足要求，而且質(zhì)量與發(fā)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(jù)統(tǒng)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 3．16 萬臺左右；近兩年，草坪機械平均年增長率達到 30％左右，國內(nèi)每年草坪機械的銷售總額大約為 1．2 億～1．3 億元人民幣，其中從國外進口的機械占 85％，國內(nèi)自行生產(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(qū)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(yè)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400～lO00mm，剪草高度從 15～lOOmm 有幾個調(diào)節(jié)擋位 。手推式剪草機的設(shè)計- 4 -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(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，單位長度行進中切割的次數(shù)就越多，切下的草也越細，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。滾刀式剪草機是高質(zhì)量草坪最常用的剪草機型，適用于草高 3～80mm 的草坪，其價格貴，維修保養(yǎng)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(zhuǎn)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(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 25~80m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。（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(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)軸上， 當高速旋轉(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鉸接， 當碰到堅硬沖擊不斷的物體時可以避讓而不致?lián)p壞機器。（4）甩繩式剪草機其工作裝置是由一個內(nèi)裝尼龍繩的打草盤、背向人的護罩組成。當打草盤高速旋轉(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，不會損壞機器本身，也不會對障礙物有較大的破壞。- 5 -1.6 已經(jīng)考慮過的若干方案的比較1.6.1 手推式剪草機的工作設(shè)計方案我們所設(shè)計的手推式草坪剪草機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，傳遞出去的力應通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。因執(zhí)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(jīng)前面增速機構(gòu)傳遞過來的運動都需要再經(jīng)過一級轉(zhuǎn)換機構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。通過分析得到手推式草坪剪草機的組成框圖，如圖 1—2 所示。圖 1—2 手推式草坪剪草機的組成框圖1.6.2 其他工作設(shè)計方案的比較能實現(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)動的機器上用力，這樣所設(shè)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(jié)構(gòu)復雜，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)計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設(shè)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(xiàn)。（4）用打的方式 手推式剪草機的設(shè)計- 6 -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。手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現(xiàn)的是簡單的轉(zhuǎn)動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)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(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)變成往復移動而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設(shè)計成手動式草坪剪草機是合理而可行的。根據(jù)所查資料，可選用組合—變異法構(gòu)成初步方案。由前面的分析可知，手動式草坪剪草機只需要一項運動形式變換功能（即轉(zhuǎn)動變直線往復移動） ，所以，不必列出矩陣表后構(gòu)型。實現(xiàn)轉(zhuǎn)動到直線往復移動變換功能最簡單的機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，直線推桿盤狀凸輪機構(gòu)和齒輪齒條機構(gòu)。1)曲柄滑塊機構(gòu) 2）直動推桿盤狀凸輪機構(gòu)3）齒輪齒條機構(gòu)圖 1—3 機構(gòu)運動簡圖- 7 -1.7 關(guān)鍵問題及其解決辦法1.7.1 增速機構(gòu)的設(shè)計選擇增速機構(gòu)是傳遞動力及變速的核心機構(gòu)。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(gòu)?？梢岳脠A盤側(cè)面的形狀特征，為此圓盤旋轉(zhuǎn)時通過側(cè)面推動固定在滑塊上的撥桿（可橫向調(diào)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 1—4 所示：圖 1—4 圓柱凸輪傳動機構(gòu)1.7.2 幾種增速方式的實現(xiàn)比較（1）用組合法實現(xiàn)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(gòu)繼續(xù)傳遞。由于轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動，這樣在剪草機動力輸入構(gòu)件輪子和轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設(shè)計的剪草機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)。手推式剪草機的設(shè)計- 8 -機構(gòu)組成方案如圖 1—5 所示：1) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構(gòu) 2）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構(gòu)3) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構(gòu)圖 1—5 機構(gòu)運動簡圖用異變法實現(xiàn)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 1-5 中 1）和 2）所示的機構(gòu)組成方案不能最終滿足設(shè)計要求，還需對機構(gòu)進行進一步構(gòu)型。方案 1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)滑塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖 1—6 所示。圖 1—6 梅花凸輪傳動機構(gòu)- 9 -方案 2 利用圓柱凸輪機構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復運動，其工作原理如圖 1—7 所示。圖 1—7 圓柱凸輪傳動機構(gòu)在圖 1—6 所示的梅花凸輪機構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復移動需增加一個支點和一個構(gòu)件兩個低副（或一個構(gòu)件一個高副） ，這樣會增加整個機構(gòu)的復雜性，且設(shè)計時 1l應該比 2l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(gòu)和端面凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，可以考慮作為所設(shè)計的剪草機的運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)。但是，我們還希望所設(shè)計的剪草機能實現(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。要實現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖 1—7 所示的圓柱凸輪機構(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，使機構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復雜。而圖 2—7 所示的端面凸輪機構(gòu)，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(xiàn)剪草高度的調(diào)節(jié)。1.8 機構(gòu)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(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；剪草的高度可在 1—20mm 之間調(diào)整，割幅 240mm，外形尺寸（長 ?寬 高：586?369 200mm）,質(zhì)量 30kg（材料由 45 鋼制作） ；手推式剪草機的設(shè)計- 10 -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；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(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 機構(gòu)設(shè)計與用戶的一致性分析（1）從機構(gòu)運動的功能出發(fā)，按變異—組合法和類比法完成機構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)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(shè)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(gòu)（實現(xiàn)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(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)） ，將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€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(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(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。- 11 -2.設(shè)計計算說明書2.1 設(shè)計方案論證2.1.1 手推式剪草機的設(shè)計原理該機構(gòu)由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉(zhuǎn)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(shè)計如圖 2—1 所示：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現(xiàn)運動傳遞。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。采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)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(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)） ，將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€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(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動剪草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題。手推式剪草機的設(shè)計- 12 -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(gòu)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(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一水平一豎直的軸造成了機架結(jié)構(gòu)的復雜。并且增速機構(gòu)采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結(jié)構(gòu)簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。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機構(gòu)方案簡圖如圖 2—2 所示：圖 2—2 蝸輪蝸桿傳動的割草機2.2 齒輪的計算部分2.2.1 機構(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 3053703061