草坪修剪机的结构设计
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全日制普通本科生毕业论文（设计）
中 期 检 查 表
学 院： 工学院
学生姓名
学 号
年级专业及班级
指导教师姓名
指导教师职称
论文（设计）题目
草坪修剪机的结构设计
毕业论文（设计）工作进度
已完成的主要内容
尚需解决的主要问题
1、 选题
2、 开题报告
3、 资料收集
4、 书本借阅
5、 相关课题研究资料收集
6、 小零件图试画
1、 设计说明书
2、 主要原理分析
3、 主装配图CAD
4、 其他零件图CAD
指导教师意见
签名： 年 月 日
检查小组意见
组长签名： 年 月 日
注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。
2.此表可从教务处网站下载中心下载。
XX大学毕业论文开题报告
班级： 姓名：
论文题目
草坪修剪机的结构设计
一 选题背景和意义：
草坪是高度培育的特殊草地，随着草坪面积的扩大，品质的提高，草坪业逐渐由单一的人工作业向半自动化﹑机械化﹑自动化过度，草坪作业的机械化已经成为十分重要的课题。
大部分的草坪一直到19世纪中叶还在使用镰刀来割草或放牧牛羊以保持草地的整齐性。随着高尔夫球﹑网球以及足球等运动的兴起，保持完整的草地做运动场便成为当务之急。从20世纪起出现以机器代替手工的趋势，于是好的修剪机遂成为草坪管理的必需品。
草坪修剪机分滚切式﹑旋刀式﹑剪切式三类，按动力又可分为手动与机动两类。机动有乘坐式与手推式，北京园林机修厂JUS—420型旋刀式修剪机系单缸四冲程汽油机驱动，功率2.6Kw,一把旋刀，幅宽420mm，每班可修剪2000m2,整机质量40Kg。上海园林机械厂JCG540Ⅱ型滚切式草坪修剪机，乘坐手推两用式，有两个前进档，IE50F—2汽油机功率2.3kw，5片滚刀，幅宽540mm，该机 高，但用于坡地时机组稳定性较差。小庭院的草坪可用上海生产的JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪机，人推动前进并使6个滚刀旋转切割草坪，幅宽250mm。德国SOLO522型草坪修剪机为手推式，动力系单缸四冲程汽油机，功率为2.3kW，刀片为剪切式，幅宽800mm。该产品的特点是刀片耐磨，机具噪声低，振动小，对坡地适应性好。改换工作部件可作扫雪工具。
旋刀式剪草机适用于草高25~80mm低要求的草坪，剪幅在0.5~20.m之间。滚切式剪草机适用于草高3~80mm的高要求草坪，剪幅0.5~5.0m之间。
修剪是维持优质草坪的重要作业，它主要是定期除掉草坪草枝条的土表部分。在特定的草坪上，根据所需要的培育强度，修剪的目的是在特定的范围内保持顶端生长，控制不理想的、不耐剪的营养生长，维持一个观赏和游息草坪，产生一个真实的击球表面或发展草坪作物。
修剪的质量由所使用的剪草机的类型和割时草地的状况决定。因此，随各种特殊功能的开发，应重视修剪机具的发展。
我国幅原广阔，地区差异很大。草坪的功能不同，对机具的要求也不同，加之各地区经济发展不平衡，用户的购买能力也有差异，因此草坪机械只有开发系列产品才能满足不同市场的需要。
另外，有些草坪机具一年只用几次，因此草坪机具在以草坪作业为主项的同时，应配备一些附加装置，扩大其使用功能，提高机具的利用率。
二 难点和关键问题：
（1） 围绕着零件图纸进行分析，做出综合性的分析。
（2） 对零件进行综合布局，画出总设计的图纸。
（3） 在设计中应合理的选择材料，减少应力集中（如尖角、锐边、表面；粗糙度等）.控制尺寸公差。
（4）本课题的难点是，根据电机的功率和人行走的速度换算出三级变速齿轮的传动比，电机和人力两种动力间的转换。
三 文献总述
从地球有了人类开始，我们就磨削石块，制造工具，开始了工具革命的过程，一直延续至今,最早的剪草工具是小镰刀和手剪。但是I803年美国专利机构公布了剪草机的第一个专利。然而未形成商品。在大西洋披岸 ，一位名叫Edwin Budding的英国人发明了滚刀式剪草机他是一个纺织工人，监视旋转式机械用于修剪呢绒绒毛。他决定将这一工作原理应用于割草 。
1855年 Budding的剪草机在英国问世并受到欢迎,Henxy将它引入美国。
1877年在 Richmond，McGuin试图发展这种剪草机使其容易推动更加实用 1855年美国公司一年生产近50000台草坪剪草机.其构造与今天的手推式剪草机类似 。
1890年还是在英国开始设计有动力驱动的剪草机。第一个成功的动力剪草机由LeyLandMotors制造，为蒸汽动力型，然而，另一个技术革命使它不久即被淘汰。
1885年德国工程师 Gottlieb Daimler 发展了一种小型内燃机，并首先应用在自行车上。建立第一个摩托车。适用的动力源导致发展汽车，飞机甚至洗衣机，随之应用于动力剪草机和园艺机具，另一个英国公司1902年皇家农业协会举办的展览会上展出了6马力的动力剪草机.
美国工程师和革新家在本世纪初的十年中,也致力于动力剪草机的研究1909年Leoni取 到了动力型机械式剪草机专利Leoni的动力型剪草机由汽油机驱动。整个装置行走由马拉。大约在第1次世界大战前不久 ，动力型剪草机开始用于家庭。George 是一位实业家和开发者。他最早开始经营商业，他的马达剪草机公司曾定名为“立即成功 ”。他设计的发动机安装在滚刀式剪草机上。一直保持到1950年。
接着又有其他厂家生产类似的机械。到1927年Hardware Age“年度消费者目录”登出了近21家公司生产动力型草坪剪草机其中的两家厂商一波伦 (Bolens)和蒋索波森(Jacobsen)存在至今,并成为著名厂商 。
美国克里夫兰市的联合铸造供应公司制造的草坪剪草机备有集草袋和自动离台器当刀片遇到外界阻力时即与传动装置自动分离。
美国费拉德尔菲亚（费城）的草坪剪草机公司在广告上登出了全系列的手动马拉和动力驱动的剪草机，从1922年开始推出30和40英时的可乘式剪草机。
事实上，旋刀式剪草机是在战前发展的，然而直到1次世界大战之后才推广。1933年 ,Bolen提出的旋刀式剪草机专利与今天使用的类似 ，有迹象表明，在 1920年之前此种旋刀式剪草机只是为私人使用。1938年出现的旋刀式剪草机获得了商业上的成功Howard为 了解决大面积杂草的修剪问题 一 他立即在他的地下车间开始了研制工作。
Gravely是个花匠，为了解决他花园的耕作问题，使用手推犁刀，1920年他开始生产园艺用拖拉机，并 取得动力犁的专利，更早的园艺拖拉机是在1919年 GiLson Brothers制造 ，Beeman拖拉机公司销售。1927年Hardware Age列出11个园艺拖拉机制造商。包括克里夫兰市的Barcer～ Raulang公司，该公司推出了电动型园艺拖拉机。
1910年瑞士Konrad应用除根的耕作机具。该装置不是第一个转子式中耕机 (早在1857年就有此种机型)，但是早期的机型重量大，达数吨，其动力为蒸气机式，与现代机型完全不同。
1911年德国的Siemens—Sehckert～ Werk公 司 ，在它的专利基础上制造了最早的电动机驱动的中耕机。但是没有得到发展。不久被汽油机所取代 。
1930年Siemens决定将机器引入美国，他来到美国同费城的Kol sey合作。Kelsey 建立 了Rototiller公司，销售从欧州引进的机器。1934年Kelsey的Rototiller公司生产了它的第一台美国制造的中耕机 。
Rototiller公司早期竞争对手之一是 Arien公司，Arien和他的儿子成立了一个公司，声称为美国第一家生产转子式中耕机的公司。Arien公司的第一台转子式中耕机重900磅，未获得成功。随着 1次世界大战爆发，园艺机械的生产也随之停顿。
应该指出，无论是 Ariens公司或 Rototiller公司的中耕机都是后齿型一1936年 Roto--Hoe公司生产了前齿型中耕机 ，在战争初期，它们销售很慢，而前齿型中鞯机在战争之后作为家用设备获得成功 。
链锯的发展也要追溯到 Ⅱ次世界大战爆发之前 。第一具链锯是在1904年。直到战争之后才形成商业产品。Sfihl的链锯重105 磅 ．是在1927年。由两人操作。
动力草坪清扫机也出现在战争之前。创建者是 Parker Pattern。他的儿子 Edwin Parker于1919年进一步发展 。1931年 Edwin作为公司董事长推出公司第一台动力草坪清扫机 。
在园林机械发展的历 史上 。2次世界大战是一个转折点，2次世界大战之后 ，整个国家得到复兴，园林机械也得到重大发展。允许复役军人低价买房不付现金，大批建设房屋并 出售。促使园林设备得到空前发展。
战后，链锯也得到改进。1944年Claude—Poulan监视德国人—战争囚犯在东德克萨斯州砍树。两人操纵链锯。尚需第三个人控制撬扛。战后，他立即着手建立装有发动机的链锯 。生产链锯的公司也在不断增长。横过大西洋，Solo(在1948年 )和 Stihl(在1950 年)是首批生产一人操纵链锯的公司 Stihl承认。最初的一人操纵的链锯重量较重。直到1954年才生产了轻重量级的链锯（重31 磅）。与此同时，其他厂商也发展了轻重量级的链锯。例如1961年Iombard Governor 公司出售一种16英寸，27磅链锯 Steve和Dave HOH试图清除他家占地面积为240亩的庄园杂草。这促使他建立了一个大镰刀。1949年曾形成商品。销售灌木切割机 。
在同一时期，人们利用内燃机为动力驱动扫雪装置，1948年Henry Ariens发展了一种抛雪机的工作样机。直到1960年初才进入市场。
1959年随着园林机械工业的发展。人们意识到需要兴办一个杂志。Bill Qu Jnn．自行车 杂志的发行人开始创办草坪设备期刊 ，1969年，该杂志更名为户外动力设备 （OPE）。
在杂志创办时，按照产品销售的型号与今天几乎差不多。但是随着工业的发展，操作者 的要求在改变，必须考虑操作安全，环境污染及其他关心的问题。
1971年George Ballas为了控制自已庄园树根周围的杂草，他制造了多头带式修剪机 (绳索式割灌机)。达到了理想的效果。1977年 Weed Eater公司推出了单绳带式修剪机 。
当然．园林机械设备的历史没有结束．如同没有明显的起点一样，没有终点它将继续扩大领域为人类作出新的贡献。
四 方案论证
根据电机的功率和人行走的速度换算出三级变速齿轮的传动比，电机和人力两种动力间的转换。
传动装置是大多数机器或机组的主要组成部分。实验证明，传动装置在整台机器的质量和成本中占有很大比例。机器的运转性能和运转费用在很大程度上决定了传动系统的优劣。因此，不断提高传动装置的设计和制造水平具有极其重要的作用。
（1）剪切装置
剪切装置由滚刀和底刀组成，滚刀和底刀结构如下图所示。底刀用六角螺栓固定在底刀架上，剪草时位置不动，刀刃为直线型。滚刀的刀片形状为螺旋曲面，刀刃为螺旋线，五片刀片均匀分布固定在刀架上。剪草时，滚刀向前转动，刀刃由一端开始与底刀刃逐点组成剪口，草随着滚刀刀片螺旋面的旋转被卷进剪口内，并被剪断。上下刀刃剪草过程始终为点接触。
图4.1滚刀和底刀外形图
（2）离合器装置
离合器装置是为了使剪草机正向剪草反向停止旋转而特意设置的工作装置，它是由齿轮和其内的弹簧和钢球组成。剪草时，钢球在弹簧的作用下压紧齿轮内壁迫使起和其他齿轮啮合，从而带动滚刀旋转然后与底刀相切剪草的，当手扶手拉动剪草机向后运动时，由于该齿轮的转速大于与之联结的轴的转速，这样在超越离合器作用下该齿轮将相对轴做超越运动，使得滚刀轴静止不动，不与齿轮轴发生干涉。
五、进度安排
第1、2周 调查查阅 收集查阅资料
第3、4周 资料翻译 总体方案拟定、开题
第5、6周 毕业实习
第7、8周 详细设计
第9、10周 详细设计
第11、12周 详细设计
第13、14周 详细设计
第15、16周 详细设计
第17周 撰写毕业设计说明书
第18周 毕业答辩
六 指导教师意见：
签字： 年 月 日
七 教研室（或开题审查小组）意见：
签字： 年 月 日
注：不够可以加附页 教务处制
全日制普通本科生毕业设计
草坪修剪机的结构设计
学生姓名：
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…………………………………………………………………………………1
1 绪论………………………………………………………………………………2
1.1 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……………………………………………………………………6
3.1 机构的动力计算…………………………………………………………6
3.2 剪草机后轮的设计………………………………………………………7
3.3 大齿轮设计与计算过程…………………………………………………8
3.4 后轮轴的设计与计算过程………………………………………………12
3.5 后轮轴滚动轴承的选用…………………………………………………15
3.6 后轮轴键的选择…………………………………………………………15
4 增速机构设计……………………………………………………………………16
4.1 齿轮轴的设计与计算……………………………………………………16
4.2 齿轮轴滚动轴承的选用…………………………………………………19
4.3 齿轮轴键的选择…………………………………………………………20
5 转换机构设计……………………………………………………………………20
5.1 端面齿轮和拨杆的运动分析与计算……………………………………20
6 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……………………………………………………………27
6.5 活动刀片设计……………………………………………………………27
7 剪草机机架与万向轮设计………………………………………………………28
7.1 万向轮的设计……………………………………………………………28
7.2 机架的设计………………………………………………………………28
8 剪草机的使用方法………………………………………………………………28
9 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
草坪修剪机的结构设计
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，具有很强的适应性。
关键词：草坪修剪机 ；剪草 ；手推 ；改进设计
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 lawnmowers 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 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 ; hand pushing ; improvement design
1 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30～80 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25～80 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、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20—60mm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 diagram
2.3 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。
（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：850×490×390mm
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 mechanism
2.6 总体结构
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 design
2.7 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。
假定人的正常行走步数为500mm/s。
假定刀具所受的力全部来自轮子的转矩所引起的运动。
则 （1）
轴Ⅰ上的所传递的功率大小为：
轴Ⅱ上的所传递的功率大小为：
轮子所传递的功率大小为：
手推式剪草机对齿轮的设计要求
（1）合理选用模数：
在现代变速箱设计中，各档齿轮模数的选择是不同的。但为了经济性和用途的要求，初选模数：m=2。
（2）合理选用压力角：
对于同一分度圆的齿轮而言，若其分度圆压力角不同，基圆也就不同。当压力角越大时，基圆直径就越小，渐开线就越弯曲，轮齿的齿根就会变厚，齿面曲率半径增大，从而可以提高轮齿的弯曲强度和接触强度。
合理选用螺旋角：
3.2 剪草机后轮的设计
后轮是行走轮，通过人力推动剪草机使行走轮往前转动，行走轮安在后轮轴上，带动轴上面的齿轮旋转，从而实现机器的传动，后轮的设计尺寸如下图所示：
图4 后轮零件图
Fig4 rear wheel drawing
3.3 大齿轮设计与计算过程
（1）输出转矩设计：
转速：
轴Ⅱ上的转速：
计算轮子传递的转矩： （2）
可得：
轴上的转矩为:
（2）齿轮的参数设计：
选择齿轮材料、热处理、精度等级及其齿数
剪草机为一般工作机器，齿轮选择常用材料及热处理，8级精度。小齿轮：40Cr(调质)，齿面硬度280HBS；大齿轮：45钢（调质），齿面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。
选择小齿轮齿数：=23，大齿轮齿数：
（3）基本参数的选择
试选载荷系数：
选择的齿宽系数为：
查得弹性系数为：
按齿面硬度查取接触疲劳极限：
小齿轮：, 大齿轮：；
（4）计算应力循环次数N
假定工作机载荷有轻微冲击，每星期左右修剪一次草坪，每周工作8h，预期使用寿命为50年。
小齿轮的应力循环次数为： （3）
可得：
大齿轮的应力循环次数为：
（5）计算接触疲劳许用应力
查得接触疲劳寿命系数：小齿轮, 大齿轮
接触疲劳强度安全系数
有公式：
（4）
（5）
试算小齿轮分度圆直径：
（6）
可得：
为了保证制造工艺简单，取
模数：
取标准模数：
小齿轮分度圆直径：
大齿轮分度圆直径：
大齿轮齿宽，圆整取；
小齿轮齿宽(加宽5mm)
中心距： （7）
小齿轮齿全高：
大齿轮齿全高：
齿轮的相关参数如下表所示：
（6）计算载荷系数K
查得使用系数
圆周力
，
查得动载荷系数
查得齿间载荷分配系数,
查得齿向载荷分布系数 一般经仔细跑合，取
计算载荷系数：
（8）
（7）修正计算：
已取>,符合接触疲劳强度条件。
（8）齿轮齿根弯曲疲劳强度校核过程
确定设计参数
载荷系数K=
小齿轮传递的转矩：
查得齿形系数：
,
应力修正系数：
，
查得弯曲疲劳寿命系数：小齿轮,大齿轮
按齿面硬度查得弯曲疲劳极限：小齿轮,大齿轮
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳强度安全系数
由公式
（9）
可得
由公式，，可得 （10）
齿根弯曲应力
；
结论：计算可得弯曲疲劳强度足够。
3.4 手推式剪草机中轴Ⅰ(后轮轴)的设计与计算
（1）选择轴Ⅰ的材料
该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，
初步估算轴径：
按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取C=116
根据公式：
（11）
取
（2）轴Ⅰ的结构设计
轴Ⅰ上零件的轴向定位周向定位
大齿轮在轴Ⅰ上为对称定位，左右两端靠套筒定位，装拆，传力较为简单；两端轴承常用同一尺寸，以便于加工、安装和维修；为便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜太高。
齿轮与轴的轴向固定采用普通平键联接。
根据轴的直径查得齿轮处的键截面尺寸为，配合为，滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制。确定各段轴径和长度通过确定定位轴肩高度，从左轮子连接处向右取。
考虑轴的结构工艺性：考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成倒角。
轴Ⅰ的强度演算
经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。
齿轮上作用力的大小转矩：=3911N·mm
齿轮端面分度圆直径：
(12)
圆周力：
(13)
径向力：
(14)
轴向力： （15）
垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：
截面C处的弯矩为：
图5 轴Ⅰ垂直面上截面的弯矩图
Fig 5 vertical upper section bending moment
水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：
截面C处的弯矩为：
图6 轴Ⅰ水平面上截面的支反力
Fig 6 axis horizontal cross section of the supporting reaction force
截面C处的合成弯矩为：
图7 轴Ⅰ水平面上截面的弯矩及合成弯矩
Fig 7 shaft water plane section moment and resultant bending moment
按弯扭合成应力校核轴的强度
进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取，该截面上的计算应力：
（16）
通过查表可知：
材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于<，故安全。
3.5 后轮轴滚动轴承的选用
轴承的转速为=113.04r/min，轴承径向载荷=285N,轴向力忽略不计，装轴承处的轴颈直径为30mm，预计计算寿命为：
=8×300×10=24000h
故可选用深沟球轴承。
3.5.1 初步计算当量动载荷
根据式p=，=1.0-1.2，取=1.2
故p==1.2×285=342N
3.5.2 求基本额定动载荷
轴承应有的基本额定动载荷值
C==1450. （17）
3.5.3 选用滚动轴承及验算
按照设计手册选择C=7750N的6005深沟球轴承。此轴承的基本额定静载荷=4950N。验算如下：
（1） 求当量动载荷p=1.2×285=342N
（2） 验算6005轴承的寿命，根据式
>24000h （18）
由此可见，轴承的寿命高于预期的计算寿命，符合要求。
3.6 后轮轴键的选择
3.6.1 选择键的联接的类型和尺寸
键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择：键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来选定。键的主要尺寸是其截面尺寸（一般以键宽B×键高H表示）与长度L。键的截面尺寸B×H按轴的直径D由标准中选取定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定。即键长等于或略短于轮毂长度；而导向平键则按轮毂的一般的轮毂长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为L=（1.5-2）d，这里d是轴的直径。所选定的键长亦应符合标准规定的长度系列[15]。普通平键和普通楔键的主要尺寸可以查阅机械设计手册。
后轮轴上三处有键槽，中间的键槽用于齿轮的轴向定位，两端用于后轮周向定位。一般8级以上精度的齿轮有定心精度要求，应选用平键联接。由于齿轮不在轴端，故选用圆头普通平键A型。两端安装后轮处也选用普通平键A型。
后轮轴安装齿轮处D=42mm，从机械设计手册中可以查得截面尺寸为12×8，即宽度为12mm，高度为8mm，取键长为L=90mm。
安装后轮的轴径为18mm，从机械设计手册可以查到截面尺寸为：6×6，即宽度为6mm，高度为6mm，取键长为L=28mm。
3.6.2 校核键联接强度
（1）安装齿轮处的键的强度校核
键、轴的材料为钢，齿轮的材料也为钢，故查机械设计手册得：[]=100-120MPA,取平均值[]=110MPA。键的工作长度l=L-b=36-12=24mm，
键与轮毂键槽的接触高度K=0.5h=0.5×8=4mm。由式得：
==14.30mpa<110mpa
符合要求,故合格
（2）安装后轮处的键的强度校核
键、轴的材料为钢，轮毂为铸铁，所以以铸铁的许用挤压应力计算，查机械设计手册得：[]=50-60MPA，取平均值，[]=55MPA。键的工作长度l=L-b=28-6=22mm，
键与轮毂键槽的接触高度K=0.5h=0.5×6=3mm。由式得：
==48.5mpa<55mpa
符合要求,故合格
4增速机构设计
4.1 手推式剪草机中轴Ⅱ（齿轮轴）的设计
（1）选择轴Ⅱ的材料
该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，
初步估算轴径：
按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取C=116
根据公式：
取
（2）轴Ⅱ的结构设计
轴Ⅱ上零件的轴向定及位周向定位。
从左轮子连接处向右取：
。
考虑轴的结构工艺性：考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成倒角。
（3）轴Ⅱ的强度演算
经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。
齿轮上作用力的大小转矩：
齿轮端面分度圆直径：
圆周力：
径向力：
轴向力：
垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：
截面C处的弯矩为：
图8 垂直面上截面的弯矩图
Fig 8 The vertical plane section bending moment
水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：
截面C处的弯矩为：
图9 水平面上截面的支反力
Fig 9 level section of the forces
截面C处的合成弯矩为：
图10水平面上截面的弯矩及合成弯矩图：
图10 水平面上截面的弯矩及合成弯矩图
Fig 10 level section moment and resultant bending moment
按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取，该截面上的计算应力：
通过查表可知：
材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于<，故安全。
4.2 齿轮轴滚动轴承的选用
轴承的转速 ，轴承径向载荷，轴向力忽略不计，装载轴承处的轴颈直径为18mm，预期寿命为：
×300×10=24000h
故可选用深沟球轴承。
4.2.1 初步计算当量动载荷
根据式p=，=1.0-1.2，取=1.2
故p==321.6N
4.2.2 求基本额定动载荷
轴承应有的基本额定动载荷值
C==1967.44N （19）
4.2.3 选用滚动轴承及验算
按照设计手册选择C=4620N的6003深沟球轴承。此轴承的基本额定静载荷=4950N。验算如下：
（1）求当量动载荷p=1.2×268=321.6N
（2） 验算6005轴承的寿命，根据式
>24000h （20）
由此可见，轴承的寿命高于预期的计算寿命，符合要求。
4.3 齿轮轴键的选择
4.3.1 选择键的联接的类型和尺寸
齿轮轴上两处有键槽且对称布置，用于端面凸轮的周向定位，一般8级以上精度的齿轮有定心精度要求，应选用平键联接，并且选用圆头普通平键A型。
齿轮轴安装凸轮的轴径为D=18mm，从机械设计手册中可以查得截面尺寸为6×6，即宽度为6mm，高度为6mm，取键长为L=28mm。
4.3.2 校核键联接强度
键、轴的材料为钢，凸轮的材料也为钢，故查机械设计手册得：[]=100-120MPA,取平均值[]=110MPA。键的工作长度l=L-b=28-6=22mm，
键与轮毂键槽的接触高度K=0.5h=0.5×6=3mm。由式得：
==13.68mpa<110mpa 强度合格
5 转换机构设计
5.1 端面齿轮和拨杆的运动分析与计算
端面齿轮的形状如图11所示：
图11 端面齿轮的形状
Fig11 The end gear shape
对拨杆的运动要求为：
当端面齿轮转过时，推杆上升20mm；
端面齿轮再转过时，拨杆下降20mm；
推杆继续转过时，拨杆又停止不动。
拨杆在端面齿轮处安装[16]，拨杆上升对应的端面齿轮所旋转的角度，c为。在端面齿轮上拨杆与端面齿轮接触点旋转的角度所对应的行程为：
式中d为拨杆与端面齿轮接触点在端面齿轮上离中心位置的直径大小。
图12 端面齿轮的轮廓曲线
Fig 12 the end gear profile curve
假设在端面齿轮上的运动行程为,接触点上下运动的位移为,可得运动轨迹方程为：
在式中各参数：
为端面齿轮旋转的角度；
k为与端面齿轮运动行程与接触点上下运动的位移的相关参数。
代入特殊值，可得：k=0.023
从而得出接触点上下运动位移的轨迹方程为：
(21)
推程阶段 ：
远休止阶段 ：
Y=20
回程阶段 ：
近休止阶段 ：
Y=0
由此可得出端面齿轮在各个运动阶段的运动形式。
通过上述运动分析可以求出拨杆在端面齿轮上的工作轮廓线。
由于端面齿轮为六个相同的近似于凸轮的结构。故只需研究拨杆一个往复运动的工作轮廓线即可。计算结果可得端面齿轮的工作轮廓线对应的值如下表：
表1 端面齿轮的工作轮廓线
Table 1 The end face gear Contour Line
（mm）
(mm)
0
0
2.269
0.118
4.538
0.474
6.807
1.066
9.076
1.895
11.345
2.960
13.614
4.263
15.883
5.802
18.152
7.578
20.421
9.591
22.690
11.841
24.959
14.328
27.228
17.051
29.497
20.000
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2—11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 changes
6.2 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
330mm
16mm
单动
860r/min
平形
149.1W
113r/min
1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20mm~40mm，碎片也相应较少。切割间距在10~30mm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2.5~10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
刀间距
刀高
切割角
刀角
硬度（HRC）
往复式刀片
动刀片
16mm
35mm
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 figure
6.5 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 activities 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 figure
7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 drawing
7.2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，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。
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