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1、全日制普通本科生毕业设计 手推式草坪修剪机设计THE DESIGN OF HANDS PUSH LAWN MOWING MACHINE由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706 学生姓名： 学 号：年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自动 指导老师及职称： 学部：理工学部提交日期：2012 年 5 月全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献
2、的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日目 录 摘要1 关键词11 绪论21.1 引言2 1.2 手推式割草机在国内外的发展和使用2 1.3 设计手推式割草机的意义2 1.4 作品的结构特点与优势3 2 总体方案设计3 2.1 总体要求3 2.2 手推式剪草机设计与制作的具体任务3 2.3 其他工作设计方案比较4 2.4 主要技术指标5 2.5 工作原理5 2.6 总体结构5 2.7 两种方案的比较及最终选择6 3 传动机构设计63.1 机构
3、的动力计算63.2 剪草机后轮的设计73.3 大齿轮设计与计算过程83.4 后轮轴的设计与计算过程123.5 后轮轴滚动轴承的选用153.6 后轮轴键的选择15 4 增速机构设计164.1 齿轮轴的设计与计算164.2 齿轮轴滚动轴承的选用194.3 齿轮轴键的选择205 转换机构设计205.1 端面齿轮和拨杆的运动分析与计算206 执行机构设计23 6.1 刀具的概述23 6.2 刀具的运动分析24 6.3 刀具的结构尺寸及相关参数25 6.4 固定刀片设计276.5 活动刀片设计277 剪草机机架与万向轮设计28 7.1 万向轮的设计287.2 机架的设计28 8 剪草机的使用方法28 9
4、 剪草机使用后的维护29 10 总结29 参考文献30 致谢31 附录31手推式草坪修剪机设计 摘 要：为了更好的适应人们的需求，通过仔细分析对比，改进了原有的切割形式。本设计中，手推式剪草机主要利用滚动的轮子带动机械运动。手推式剪草机结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境。能更好的满足客户的需要。本文基于机械设计和相关的理论研究，设计了手推式剪草机的传动部分，并且用凸轮和推杆的设计方法设计了端面齿轮和拨杆。此次设计的手推式剪草机的左右两侧对称，其特点是结构简单,受力均匀,运行平稳,摩擦阻力小，弯曲性能好,不易出现堵塞，具有很强的适
5、应性。关键词：草坪修剪机 ；剪草 ；手推 ；改进设计Hands Push Lawn Mowing Machine Design Abstract : In order to adapt to the demands of the people, through analysis and comparison, I improve the original form of cutting. This design, hand thrust lawnmowers mainly use the scroll wheel drive mechanical motion. Hand thrust law
6、nmowers has simple structure, low noise, smooth operation, and very easy to use, bring convenience to people around, comfortable and quiet environment. To better meet the needs of the client.Based on the mechanical design and relevant theory research and design, hand thrust lawnmowers transmission p
7、art, 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 law
8、n cropper; cut grass ; hand pushing ; improvement design1 绪论1.1 引言 本作品设计旨在设计一款体积小，质量轻，噪音小，使用方便，适合小面积草坪的剪草处理的手推式草坪修剪机。作品设计的应用主要是家庭式草坪。家庭草坪面积不大，如果购买市面上的高能耗剪草机价格过于昂贵，且不需要这么大的功耗，造成了资源的浪费，所以有必要设计一款适合家庭使用的小功率，高效，低成本的剪草机来解决上述问题。本次设计作品采用人力传动，定动刀片剪草，无污染，割草效率高，使用起来轻便灵活，适合家用庭院式草坪剪草。1.2 手推式割草机在国内外的发展和使用国内目前生产的剪
9、草机械按动力划分可以分为机动和人推的两类。以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。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2。适用于草高3080 mm 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2580 mm 范围内剪草3。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。 国外大多使用滚筒式、圆盘式或水平旋转式割草机，这些割草机坚固耐用，工作速度快。如荷兰公司生产的616和617型
10、圆盘割草机，为使割刀接近地面就行作业，所以机器上装有可调节的浮动系统，从而使割刀与地形相近4，降低割茬高度，北欧割草机以其操作简单、维修方便独特的防碰撞装置、先进的挂钩装置，减少机械对草坪留茬的压力5，使草苗更快、更健康的生长。目前市面上的剪草机大多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6。由于保养维护费用较高;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。虽然当前的先进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
11、户难以接受7。所以研究一款操作方便，噪音小，无污染且造价较低的手推式草坪修剪机势在必行。 1.3 设计手推式草坪修剪机的意义大多数的剪草机都带有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，使操作很不舒适。利用人力推动行走轮的转动转换作为动力源8，这样的一款剪草机，结构简单，连接平稳，噪音极小，适合小面积草坪修剪，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境。1.4 作品的结构特点与优势 1）通过人力推动作为动力源，具有节省能源、无污染的特点2）体积小、
12、质量轻、结构简单、操作方便、保养方便、成本低廉，无废气及噪音等污染, 是小面积草坪修剪的首选产品。3）该机采用固定刀片与活动刀片相对错动的剪切原理，结构紧凑，剪草效率高。 4) 剪草的高度可在2060mm之间调整，割幅330mm，,质量29kg（刀片材料由9SiCr制作）；5)采用耐用的铸铝底盘和结构件，具有永不生绣、不卷曲变形的特点；6)前轮采用万向轮，具有良好的导向性，后轮的一个轮子装上寿命长的球轴承，使剪草机转弯时易于推动；7)金属手柄易于折叠，以减少包装尺寸，手柄长度可伸缩，对于不同身高的操作者同样适用；8)底盘独特的设计可防止草堵塞出口通道；9) 剪草的效果较理想，且成本低，是小面积
13、草坪修剪的首选产品。 2 总体方案设计2.1 总体要求利用轮子运动传动变速箱中的齿轮实现刀具的往复运动的功能。手推式剪草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和剪刀等构件组成，端面齿轮和拨杆是一对工作组合。端面齿轮通过自身的转动将旋转方向的力传动给拨杆，引起水平方向的往复运动，从而使刀具自身往复运动。采用齿轮机构（实现增速），采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动,采用的剪草高度调节机构。2.2 手推式割草机设计与制作的具体任务 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速度下操作，传递出去的力应通过增速机构继续传递。因执行修剪草动作
14、刀片的相对运动方向与人行进的方向垂直，经前面增速机构传递过来的运动都需要再经过一级转换机构传递到执行构件。通过分析得到手推式草坪剪草机的组成框图，如图1所示： 图1 手推式草坪剪草机的组成框图 Fig 1 Hand push lawn mower composition block diagram2.3 其他工作设计方案的比较能实现手推式草坪修草功能的技术原理较多，但各有利弊，具体分析如下：（1）用脚驱动 用脚驱动时，一般操作者都需站在或坐在被驱动的机器上用力，这样所设计的修草机，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，使机器结构复杂，尺寸较大，不适合小面积草坪使用。（
15、2）用手驱动 用手驱动，可避免用脚驱动时存在的问题，使所设计的机器小巧，且可灵活操作。因此，我们选择设计手动式修草机。（3）用打的方式 即用刀片或打草绳将草打断。用此法修草时所需的速度非常高，以其在草还没被打倒之前将草打断，这样的修草产品已有，但效果不好。（4）用剪的方式 即用刀将草剪断，用两个刀片作相对运动的原理较易将草剪断，且不需要很高的速度。因此，我们选择设计成手动式剪草机9。手动的形式又用手摇动和用手推动两种。机械容易实现的是简单的转动和往复直线运动，如果用手摇动手柄实现执行构件的往复移动，操作者要完成的动作过多，操作不方便10。要使操作者只通过简单的操作即可完成剪草动作，可以用手推剪
16、草机向前行驶，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。显然设计成手动式草坪剪草机是合理而可行的。2.4 主要技术指标外形尺寸：850490390mm输入功率：轮子转速：力矩：净质量：变速要求：单级刀具，一固定刀片和一活动刀片相互运动单根剪草载荷：f=0.5N同时剪草量：2.5 工作原理本次设计的手推式剪草机主要利用轮子运动传动变速箱中的齿轮实现刀具的往复运动的功能。手推式剪草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和剪刀等构件组成，端面齿轮和拨杆是一对工作组合11。端面齿轮通过自身的转动将旋转方向的力传动给拨杆，引起水平方向的往复运动，从而使刀具自身往复运动。剪草机工作时由人推动机器行
17、走，从而使剪草机的后轮1传动，带动与其同在一根轴上的大齿轮2传动，通过齿轮2与齿轮3组成的增速机构使速度得以提升，并带动端面凸轮4（为了实现几何形状封闭和便于调整，采取两个端面凸轮以背靠背形式装配）回转，端面凸轮4带动拨杆5运动，通过端面凸轮4与拨杆5组成的转换机构将回转运动变为直线往复运动，使固定其上的活动刀片与固定在机架上的固定刀片形成相对交错运动，完成剪草动作。手推式草坪修剪机机构简图如下图2： 1.传动机构 2.增速机构 3.转换机构 4.执行机构 图2 手推式草坪修剪机机构简图 Fig 2 Hand push lawn-trimming machine mechanism2.6 总体
18、结构该机构由轮子带动，通过一对单级减速器进行传递转矩，再由端面齿轮和拨杆组合变化运动方向，最终输出往复剪切运动。总体方案设计如图3所示： 图3 总体方案设计 Fig 3 The overall scheme design2.7 两种方案的比较及最终选择选择这个设计方案能够更好的实现运动传递。无引擎驱动，节省能源，无污染（噪音、废气），采用绿色环保设计。采用齿轮机构（实现增速），提高整机的工作效率，解决了手动剪草机工作效率不高的问题；采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动12，从而满足剪草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题。采用的剪草高度调节机构，解决了目
19、前手动剪草机不易实现高度调节的问题。另一方案，用蜗轮蜗杆传动，直接带动割草圆盘旋转割草的方式。机构更加简单，刀具拆装方便。但草柔软，且一端自由，采取割的方式将草截断较难实现，割草的数目不多。要想割的效率快，必须采用大功率。我采用的剪草机方案结构比较简单，与之相比轴的位置较为容易定位，而蜗轮蜗杆传动的割草机一水平一竖直的轴造成了机架结构的复杂。并且增速机构采用端面齿轮和拨杆的运动组合，结构简单，运动实际为一凸轮推杆的运动组13。同时剪草的数量较多，在功率一定得情况下，剪得方式始终比割得方式效率高。3 传动机构设计3.1 机构的动力计算草坪上的草为特殊纤维材料，较易剪断，不需要太大的载荷。通过实际
20、运用中割草机械的分析，可以假设剪一根草所需载荷为f=0.5N，同时剪草数量最多为500根。可得F=250N；端面齿轮上所受力的大小为：轮子提供转矩带动剪刀，进行机械运动。假设轮子的直径为D=200mm；轮子周长为C=628.3mm。此处已删除表1 端面齿轮的工作轮廓线 Table 1 The end face gear Contour Line（mm）(mm)002.2690.1184.5380.4746.8071.0669.0761.89511.3452.96013.6144.26315.8835.80218.1527.57820.4219.59122.69011.84124.95914.3
21、2827.22817.05129.49720.000通过上述表中参数，我们可以近似加工出端面齿轮的工作轮廓线。度数越分的密，端面齿轮的形状越精确。6 执行机构设计6.1 刀具的概述手推式剪切机采用刚性切割式，运动方式选择往复式运动。往复式切割装置由上、下两组刀片组成，分动和双动两种运动方式。本设计采用单动运动方式。单动切割器是动刀片在定刀上作往复运动；其特点是：，刀片的行程与上、下刀片的距离均相等。剪切时，草两侧同时受到切割，在一个行程中，运动速度的大小有变化，合理切割的方法是利用较大的速度来剪切17。刀片的速度图如图211所示。剪刀自点向右运动时，其速度自零逐渐增加，在没有达到之前，因切刀不
22、相接触，不发生切割。刀片到达时，两刀刃开始接触，这时称为始切速，然后刀片继续向右运动而进入切割，直到刀片到达时，两刀刃相向接触完毕，这以后不再切割，这时称为终切速。由到为切割速度的变化范围。由图可知大于终切速。 图13 切割速度的变化 Fig 13 The cutting speed changes6.2 刀具的运动分析 刀片一个行程时间内机器前进的距离称为切刀的进程，以H表示，切刀一秒钟内运动的绝对距离为： （22） （23）式中：机器的前进速度 刀具水平运动的距离 轮子的周长一个行程所需要的时间为： （24）一个行程运动的绝对距离：x=20mm 可得切刀的进程H为：H=由于端面齿轮旋转一周
23、刀具往复运动6次，刀具行程运动呈现对称的加速减速运动，速度从0到达的所需的时间与到达0的时间均为。运动分析可知，刀具呈现匀加速运动，运动方程式为： 可得：切刀的平均速度：将切刀的平均速度与机器的前进速度的比值称为刀机速比。，据类似的茶树修剪机和采茶机的试验分析，可得动力转速较小的手推式剪草机传动的效率较高。6.3 刀具的结构尺寸及相关参数刀片是切割装置的主要部件，由于使用条件和运动参数的不同，使刀片的参数随不同的机型而有些差异。手推式剪草机的主要参数如下表2所示： 表2 手推式剪草机的主要参数 Table2 The hand thrust lawnmowers Main Parameters项
24、目切割器的形式切割幅宽刀片间距刀片运动形式刀片往复频率刀片形状配套动力操作人数净重手推式剪草机往复切割330mm16mm单动860r/min平形149.1W113r/min1人30kg切割角的增大使切口变得不整齐。当刀片行程在时，刀片的切割角和楔角不影响剪草的质量。往复式刀刃的切割角和楔角如图14所示。 图14 往复式刀刃的切割角和楔角 Fig14 The reciprocating blade cutting angle and wedge angle试验分析可知行程与剪草质量的关系： 刀片的刀距行程对剪草的质量没有显著的影响。剪草质量比较好的行程在20mm40mm，碎片也相应较少。切割间距
25、在1030mm时，切口平整；切割间距在30mm以上时，切口就不平整；切割间距大于40mm时，采摘面就象抓采样的，漏采的也增多。切割速度比与正常草芽叶、碎片的关系：手推式剪切机刀片的切割速度比在2.5以下时，正常芽叶多，碎片少。对采摘质量没有大的影响。对类似作物的试验，任何往复刀片，当切割速度比在2.5以下时，正常芽叶稍有减少的趋势；切割速比在2.510时，剪草质量无明显的差别。切割速度比在小于3时，剪草面切口出现明显的不平整。 表3 往复式刀片的主要技术参数 Table 3 The main technical parameters of the Reciprocating Blade项目刀片
26、刀间距刀高切割角刀角硬度（HRC）往复式刀片动刀片16mm35mm 定刀片 6.4 固定刀片设计 根据设计任务书的要求，剪草幅度是330mm，因此固定刀片的长度是330mm，刀齿宽度是4m，刀齿间隙是16mm具体结构及尺寸如下图所示： 图15 固定刀片的结构及尺寸图 Fig15 The f ixed blade structure and size of the figure6.5 活动刀片的设计 活动刀片相对于固定刀片往复运动的，它比固定刀片稍短，总长是300mm，刀齿宽度是4mm刀齿间隙是16mm，其具体结构及尺寸如下图所示：图16 活动刀片的结构及尺寸图 Fig16 The activi
27、ties of the blade structure and size figure 图16 活动刀片的结构及尺寸图 Fig16 The activities of the blade structure and size figure7剪草机机架与万向轮设计7.1万向轮的设计万向轮的设计主要考虑剪草机在剪草机在剪草时能够方便灵活的转向，操作起来更加灵活自如，具体设计尺寸如下图： 图17 万向轮零件图 Fig17 Moxianglun drawing7.2机架的设计 机架的设计主要考虑与内部零件的配合和经济性，尽量降低成本，外形的设计采用简洁实用的轮廓设计，材料选用HT200。8 剪草机的使
28、用方法 修剪是草坪养护管理中的核心内容。科学地对草坪进行定期修剪，可提高草坪质量，使草坪整齐美观，而且具有较高的坪用价值和经济价值，可促进分蘖，形成致密的草坪，改善通气性，减少病虫害的发生18，有效地抑制杂草生长，提高其美观性。草坪修剪应遵循“三分之一” 原则，即被剪去的部分占草坪总高度的三分之一以内。如修剪量过大，将会由于叶面积大量损失而导致草坪草光合作用急剧下降。由于修剪不及时而导致失剪的草坪，仍应遵循“三分之一” 原则，切忌一次修剪就达到需求的标准，而应通过少量多次修剪，逐步剪到需要的高度。草坪修剪的时间与草坪草的种类、草坪草的生长发育和肥料供给等有关。北方草坪草在春秋是两个生长高峰期，
29、修剪量加大和修剪次数增多，晚秋应逐渐减少修剪次数，夏季有休眠现象，也应根据情况减少修剪次数19。草坪修剪频率决定于草坪的生育状态、草坪的用途、草坪的质量及草坪草的种类，其中主要取决于草坪的生长速度和生长势。9 剪草机使用后的维护剪草前应先检查剪草机械刀片是否损坏，螺母、螺栓的紧固情况，轮胎压力情况.；剪草前应清除草坪上的木棍、石头、瓦块、铁丝等杂物20。对于固定设施，如喷灌管埋头等，应作好标志，以防损坏刀片在剪草前，应测量草坪的高度，将剪草机调整到合理的剪草高度；刚浇过水、下过大雨或者霉雨季节等，潮湿的草地最好不要剪草；不得在坡度大于15度的地方采用该手推式剪草机修剪草坪。剪草机的选择要根据草
30、坪要求的修剪质量、草坪草种、修剪高度、配套动力、地形地貌及剪草机的幅宽等因素确定21。无论选用何种剪草机，都应保证剪草机的刀片始终锋利。因为刀片锋利，草坪草的修剪伤口能迅速愈合，病菌浸染的机会少， 同时伤口不留白茬，景观效果也好。总之，选择的总原则是在达到修剪草坪质量的前提下，选择经济实用的机型。10 总结 本次设计旨在研究出一款体积小、质量轻、噪音小、无污染、操作灵活，适合小面积草坪的剪草处理的手推式草坪修剪机，基于以上的设计要求，经历了几次大的方案变动，最后决定采用人力推动行走轮转动，通过后轮轴传动到齿轮机构实现增速，用端面凸轮机构运动形式作为转换机构,将转动转变为直线往复运动，最后通过定
31、动刀片往复式切割实现剪草的方案，最终决定采用这个方案是因为它更加符合设计要求，质量轻、噪音小、无污染且操作方便灵活，取代了最开始的电动机作为动力输出，用蜗轮蜗杆传动，直接带动割草圆盘旋转割草的方式，这种方式因为刀片需要高速旋转必须采用大功率的电机，剪草效果一般，机器的持续使用性不强，而且蜗轮蜗杆传动的割草机一水平一竖直的轴造成了机架结构的复杂,加工成本高，不适合小面积一般用户的使用需求。方案最终确定后，我马上查阅了许多关于机械机构的设计与农业机械方面的书籍，以解决方案中的不足与问题，使之更加合理与可行，随后我对传动机构与增速机构进行了具体的设计与计算，对于定动刀片的设计也查阅了相关书籍，如农业
32、机械学等，了解了其工作原理和结构，完成了每个机构的设计与计算，然后是装配图的初绘制，一边绘制一边校正其结构尺寸的合理性与整体性，最后的阶段是说明书的撰写与零件图和装配图的正式绘制。经历本次毕业设计，使我无论在机械设计创新方面，还是计算机绘图方面的能力都有了显著地提高，熟练掌握了机械设计的一般规律，培养了我分析与解决问题的能力。总之，通过这次毕业设计，我的设计与创新能力得到了很大的提升，设计中需要用到许多大学期间学过的专业知识，以前这些知识都是分散的，现在通过这次设计，我感觉我能把这些知识都整合在一起，系统合理的运用，这是一个很大的提升，对于我以后专业知识的运用和解决实际问题很有裨益。参考文献1
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