环保型草坪剪草机设计--毕业设计Word格式文档下载.doc
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滚刀式剪草机由带有刀片的滚筒和不动的床刀组成。
它较旋刀式剪草机有更好的修剪质量,是高质量草坪最常用的剪草机型。
适用于草高3～80mm的草坪,其问题主要是价格贵,维修保养要求严格。
而旋刀式剪草机（又称悬刀式）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,它适于25～80mm范围内剪草。
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剪草机。
此外，还有甩绳式和甩刀式剪草机。
据调查,国内生产剪草机的厂家约有50家左右。
多数为园艺系统的公司以及转产剪草机的机械厂。
市场上草坪修剪机的品牌很多,有进口产品,也有国内制造和中外合资的。
功率从2.6～16.2kW,剪幅从43.2～127cm不等。
进口剪草机主要来自于日本、美国、意大利和瑞典等国,主要品牌和售价详见表1—1。
表1—1 进口剪草机的主要品牌和售价
国别
型式
价格
日本
本田H1011坐骑式带草袋76cm
H3011坐骑式带草袋71cm
LM5360HX自行可控刀式带草袋53cm
5.2万元/台
5.8万元/台
1.08万元/台
美国
MID（美神）:
B560C坐骑式带草袋76cm
38C自行式侧除草53cm
2.98万元/台
0.5万元/台
Murray（美丽）:
2.6～2.8kW手推式后草袋型
22355型、22545型手推式侧排草
21386型手推式、21855型自行式
21975、22855、22856型适用大面积长时间剪草
意大利
花园牌:
R484TR自行式带草箱46cm
R484手推式带草箱46cm
0.43万元/台
0.38万元/台
瑞典
Kusovarna系列剪草机
1.3 我国剪草机市场预测
1.3.1 按城市人均应有的草坪面积来预测
根据国外有关专家的研究,城市人均应有25～30m²
的草坪才能解决人们的二氧化碳和氧气交换的需要。
国外一些城市人均草坪面积与中国及北京的对比表见表1—2。
从表1—2可以看出,我国人均占有草坪面积与发达国家相比,有着较大的差距。
全国现有各类草坪面积约为18万hm²
若每公顷需5台剪草机,现有市场容量就达90万台。
随着中国经济的快速发展,剪草机的市场容量将成倍增长。
表1—2 国外一些城市和中国及北京人均草坪面积
名称
面积/m2
伦敦
70.4
巴黎
24.7
纽约
45.7
堪培拉
70.5
莫斯科
37.0
中国
1
华沙
73.5
北京
8
1.3.2 按种草草坪面积来预测
新建草坪有两种方式,一种是以种草种为主,另一种是移植草皮。
据不完全统计,历年进口草种的吨数如下,1995年前约为6000t,1996年为2500t,1998年为5000t,1999年为6000t。
一般1m²
需20g草种,按此计算,1999年种草面积为3万hm²
移种面积为9万hm²
共约12万hm²
若按每公顷需5台剪草机,仅1999年时就需剪草机60万台。
1.3.3 按国家建设部规划来预测
按国家建设部规定,2000年后城市绿化面积需达到30%。
目前深圳、珠海、厦门等城市的绿化面积已超过此值。
城市人均绿地面积需达到7m²
以上。
照此估计每年约需5～6万hm²
草坪,剪草机30万台。
在草坪的建设过程中,随之而来的相关园林设备的市场无疑是十分广阔的。
1.4选题目的意义：
综上所述,我国绿化环境使剪草机行业的迅速发展势在必行,为此必须防止为争夺这一市场一哄而起、在低水平低质量上重复建厂生产的不良局面,建议有志于开发这类产品的企业联合起来开发产销对路的产品。
在创名牌,上规模,上品种,上档次等方面进行有益的竞争,抓住这个商机,充分利用原有的厂房设备,适当地进行技术改造进行一定规模的生产。
根据市场调查发现，剪草机必须符合当今人类对环境保护方面的需求,目前市面上的剪草机大多都是动力引擎这会产生较大的噪音，带来环境污染，在办公和学习的地方，这种动力引擎的剪草机非常不受欢迎。
由于动力引擎剪草机有动力装置，保养维护费用较高;
同时动力引擎剪草机主要依靠刀片的高速旋转把草割断，通过旋转气流把草排出，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，使得操作很不舒服。
虽然动力引擎剪草机剪草效率较高，剪草效果较好，但是价格也较昂贵，对于一般的用户难以接受。
所以研究一种无引擎驱动且造价较低的剪草机势在必行！
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第二章方案设计
2.1工作原理
通过市场调研，我们决定设计一种无引擎驱动，无噪音污染，剪草高度可调节，简洁轻便，操作舒适和美观适用的草坪剪草机。
工作原理如图2—1所示，剪草机工作时由人推动机器行走，从而使剪草机的后轮1转动，带动大齿轮2的转动，通过齿轮2和1组成的增速机构使得速度得以提升，并带动大链轮4回转，通过大链轮4带动小链轮5运动将运动传递给滚刀，使固定其上的刀片与固定在底刀轴上的固定刀片形成剪切运动。
图2—1机构运动简图
我们所设计的手推式草坪剪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的速度下操作，传递出去的力应该通过增速机构继续传递，运动传递到滚刀。
通过分析得到手推式草坪剪草机的组成框图，如图2—2所示。
2.2传动机构
能够实现手推草坪剪草机功能的技术原理很多，但各有利有弊，具体分析如下：
驱动方式选择：
1）用脚驱动用脚驱动时，一般操作者都需要站在或者坐在被驱动的的机器上用力操作，这样所设计的剪草机除了要完成剪草动作外，还要承受操作者的自重，且要有方向控制装置，使的机器结构较复杂、尺寸较大，不适合小面积草坪使用。
2）用手驱动用手驱动可以避免用脚驱动时存在的问题，使得所设计的剪草机小巧，且可以灵活操作。
因此我们选择设计手动式剪草机。
传
力
机
构
增
速
执
行
图2—2草坪剪草机的组成框图
断草方式选择：
1）用割的方式即用刀将草截断。
但是草柔软，而且一端自由，采用割的方式将草截断较难以实现。
2）用打的方式即用刀片或打草绳将草打断。
用这种方法修草时所需要的速度非常高，要求在草还没被打倒之前将草打断，这样的修草产品也有，但是都得用引擎驱动，不符合我们的环保设计要求。
3）用剪断的方式即用刀将草剪断，用两个刀片作相对运动的原理较容易将草剪断，而且不需要很高的速度。
因此我们选择设计剪断方式断草。
手动的形式又有用手摇动和用手推动两种。
机械容易实现的是简单的转动，如果用手摇动手柄实现执行构件的往复移动，由于剪草机还要靠人力推着向前行进，操作者要完成的动作太多，操作很不方便。
要使得操作者只通过简单的操作即可完成剪草动作，可以用手推着剪草机向前行进，靠剪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。
显然设计成手推动式草坪剪草机是合理可行的。
2.3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输入构件作定轴转动，这样在剪草机动力输入构件轮子和执行构件滚刀之间，可以采用链传动，带传动和齿轮传动。
由此，设计了以下几种传动方案。
为了让设计的剪草机结构紧凑，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。
由于蜗轮蜗杆传动的传动效率低，一般是蜗杆为主动轮，且轴线空间交错，用来做剪草机，会使得支撑结构复杂。
圆锥齿轮传动的轴线相交，且其中一个齿轮需悬挂，也会使剪草机机构复杂。
直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的轴线互相平行，支撑结构较简单，同时剪草机的速度不高，载荷也不大，因此，可以选择直齿圆柱齿轮作为增速机构。
由于齿轮传动的传动比不能太大，增速不够明显，因此采用直齿轮加链轮传动的组成方案。
机构组成方案如图2—3所示。
图2—3机构组成方案
2.4刀架高度调节机构
我们还希望所设计的剪草机能实现剪草高度的调节。
要实现此功能，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，同时又要保证两链轮之间的中心距保持不变，因此选用曲面滑块,如图2—4所示。
图2—4曲面滑块
第三章结构设计
3.1传动零件的设计
3.1.1齿轮机构设计
1选定齿轮的类型，精度等级，材料以及齿数
1）按照图2—1所示的传动方案，因为齿轮受轴向力很小，故选用直齿圆柱齿轮传动，制作比较简单可以降低成本。
2）该剪草机工作时的速度较低，所以选择8级精度（GB10095-88）。
3）材料选择。
由轮齿的失效形式可知，设计齿轮时，应该使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合以及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。
因此，对齿轮的材料性能基本要求为：
齿面要硬、齿芯要韧。
一般齿轮材料有钢，铸铁，以及非金属材料。
齿轮材料的选择原则：
齿轮材料必须满足工作的要求；
应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型的方法以及热处理和制造工艺：
如正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；
调质碳钢可以用于制作在中等冲击载荷平稳下工作的齿轮；
合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下的齿轮；
飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢；
金属制作的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30~50HBS或更多。
由剪草机的工作条件可知对齿轮材料要求不高，而且大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，因此可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。
根据齿轮材料选择的原则以及常用材料的力学特性选择大小齿轮的材料为ZG310-570，采用表面淬火。
2齿轮尺寸设计
开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使得轮齿不至于过小，故小齿轮不适宜选用过多的齿数，一般可取Z=17~20。
本设计中选择小齿轮齿数z=20，大齿轮的齿数，取。
设计传动比。
人正常行走时的速度为大约1.2m/s,步距60~75cm。
考虑到剪草时的实际情况，取0.8m/s。
设计剪草机的后轮直径为430mm。
设想剪草机工作时处于理想状况下即轮子只滚动不滑动。
由此可得，后轮轴的转速约为。
查机械设计手册得：
橡胶轮胎对土路面的滚动摩擦力臂为10~15/mm，由于设计要求剪草机质量不大于50Kg，则车轮沿地面的最大滚动阻力矩为。
设计剪草机工作寿命为8年。
3轴Ⅰ和轴Ⅱ上齿轮2和齿轮1的设计
基本参数
⒈按齿面接触强度设计
由设计计算公式进行计算，即
≥
1）确定公式内各计算数值
（1）试选载荷系数
（2）小齿轮转矩
注：
由机械设计手册查得：
圆柱齿轮机械传动7级精度的传动效率为0.98-0.995
（3）选取齿宽系数
（4）材料的弹性影响系数
（5）由齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；
大齿轮的接触疲劳强度极限
（6）计算应力循环次数
（7）查得接触疲劳寿命系数;
（8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为1%，安全系数S=1，得
2）计算
（1）计算小齿轮分度圆直径，代入接触疲劳许用应力中的较小值
（2）计算圆周速度与齿宽
（3）计算齿宽与齿高之比
模数
齿高
（4）计算载荷系数
根据速度,7级精度，查得动载系数;
直齿轮，假设＜查得;
使用系数;
7级精度小齿轮对称支撑布置，；
由，得；
故载荷系数
2.按齿根弯曲疲劳强度设计
弯曲疲劳强度的设计公式为
1）确定公式内的各计算数值
（1）查得小齿轮的弯曲疲劳极限；
齿轮的弯曲疲劳极限；
（2）查得弯曲疲劳寿命系数；
;
（3）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得
（4）计算载荷系数
（5）查取齿形系数
；
（6）查取应力校正系数,;
（7）计算大、小齿轮的并加以比较得：
大齿轮的数值大。
2）设计计算
由上可得，小齿轮的分度圆直径大于22.5mm，模数大于1.013即可满足齿轮强度要求。
考虑到加工难易以及轴的强度故取模数m=6.5，小齿轮分度圆直径为130mm。
3.几何尺寸计算
1）计算分度圆直径
2）计算中心距
3）计算齿轮宽度
取,.
4）计算齿顶圆直径
5）计算齿根圆直径
齿轮结构通常与其几何尺寸，材料及制造工艺有关，一般多采用铸造或者锻造毛坯。
当毛坯直径大于400mm时，可以考虑铸造毛坯；
当齿轮根圆直径与该处轴所需直径差值过小时，为避免由于键槽处轮毂过于薄弱而发生失效，应将齿轮与轴加工成一体；
由于小齿轮的齿顶圆直径＜160mm，所以可以做成实心结构的齿轮。
如图示：
图3—1齿轮结构形式图
图3—2小齿轮形状结构图
而大齿轮的齿顶圆直径＞160mm，所以大齿轮的形状结构如图3-3所示：
图3—3大齿轮形状结构图
3.1.2链轮机构设计
链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其它不宜采用齿轮传动的场合。
其中滚子链使用最广，且齿形链结构复杂，价格较高，制造较难，故此处采用滚子链链传动。
链轮的材料应能保证轮齿具有足够的耐磨性和强度。
由于小链轮轮齿的啮合次数比大链轮轮齿的啮合次数多，所受冲击也较严重，故小链轮应采用较好的材料制造。
所以大链轮的材料选用35钢，小链轮则选用20钢。
1.选择链轮齿数
假设链速v=0.6—3m/s，由机械设计手册选取小链轮齿数；
大链轮齿数。
2.计算功率
由手册查得工作情况系数,故
3.确定链条链节数
初定中心距，则链节数为
取节
4.确定链条的节距P
由小链轮转速估计，链工作在功率曲线顶点左侧时，可能出现链板疲劳破坏。
查得小链轮齿数系数
选取单排链，,故得所需传递的功率为
由小链轮转速及功率,考虑到剪草时的实际情况，根据手册选取链号为10A单排链。
同时也证实原估计链工作在额定功率曲线顶点左侧是正确的。
再查得链节距P=15.875mm。
5.确定链长L及中心距a
中心距减少量
实际中心距
取
6.验算链速
与原假设相符。
7.验算小链轮毂孔
由机械设计手册查得小链轮毂孔许用最大直径为45mm。
8.几何尺寸计算
1）计算分度圆直径
2）计算齿顶圆直径
因此，取
3）计算齿根圆直径
小直径的直径可制成整体式，中等尺寸的链轮可制成孔板式。
由计算结果可以得出大小链轮的形状结构。
如图3-4，3-5所示：
图3—4小链轮形状结构图
图3—5大链轮形状结构图
3.1.3轴的设计
1轴的材料选择
轴的材料主要是碳钢和合金钢。
钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。
由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常用的是45号钢。
合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。
因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。
必须指出：
在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。
但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。
各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。
高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。
根据轴的常用材料及其主要力学性能，结合此处的实际的情况，所受载荷小而且转速低所以三个轴均选择用45钢（调质）。
2轴的结构设计
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
轴的结构主要取决于以下因素：
轴在机器中的安装位置以及形式；
轴上零件的类型，尺寸，数量以及和轴联接的方法；
载荷的性质，大小，方向以及分布情况；
轴的加工工艺等。
由于影响轴的结构因素较多，而且结构形式又要随着具体情况的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。
设计时必须针对不同情况进行具体的分析。
但是，不论何种具体条件，轴的结构都应该满足：
轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；
轴上的零件应便于装拆和调整；
轴应具有良好的制造工艺性等。
轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。
轴肩 分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。
另外，轴肩过多时也不利于加工。
因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。
套筒定位 结构简单，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。
如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。
因套筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒定位。
圆螺母 定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。
当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。
轴承端盖 用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。
在一般情况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。
轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。
常用的周向定位零件有键﹑花键、销﹑紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处
有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。
安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。
为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。
为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；
或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。
确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。
轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。
为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短2～3mm。
结合以上设计准则设计各个轴的结构尺寸如下：
（1）轴Ⅰ的设计
1）求作用在轴Ⅰ上齿轮2的力
因为，故
（）
由此可见，轴所承受的力很小。
2）初步确定轴的最小直径
根据机械设计手册查得，取=112,于是得
考虑到需要开键槽以及加工工艺，故取。
显然，轴的最小直径是安装车轮处，即。
3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
①为了满足车轮的轴向定位要求，车轮外用M16的螺母定位；
内用套筒定位。
②初步选择滚动轴承。
因轴承同时承受的径向和轴向力均很小，故选用深沟球轴承。
参照工作要求并根据，参照国家标准GB/T276-1994,由轴承产品目录中初步选取0组基本游隙组、标准精度级的单列深沟球轴承6004，其尺寸为，由于需要安装挡油环，所以轴承内用套筒定位，套筒用轴肩定位；
外用轴承端盖定位。
轴承安装在轴承架里，其周向定位是借助过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。
③由于轴上齿轮之间的配合原因，故取Ⅲ－Ⅳ段的直径为；
取。
④取安装齿轮处的轴段Ⅴ－Ⅵ的直径；
齿轮的右端采用轴肩定位，轴环处的直径。
轴环宽度。
齿轮左端采用圆螺母定位，取用M27圆螺母，螺纹。
⑤；
⑥轴承端盖采用M5的螺钉固定，轴承端盖的总宽度为20mm，故取。
至此，已初步确定了轴Ⅰ的各段直径和长度。
⑦轴上零件的周向定位
齿轮、车轮与轴
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