农业机械学课程设计

SHANDONG 手推割草机传动机构设计 Design of driving mechanism of push hand mower 学 院 ： 农 业 工 程 与 食 品 科 学 学 院 专 业 ： 农 业 机 械 化 及 自 动 化 学 生 姓 名 ： 陶梦华 学 号： 1011034069 指 导 教 师 ： 耿 端 阳 2013 年 9 月 目录 1 摘要 2 1.1 割草机的发展历史 2 1.2 存在的问题 .3 1.3 手推割草机的设计用途 .3 2手推滚刀式割草机的结构特点 .4 3割草机的总体方案设计 .5 4割草机传动部分设计 .6 1 摘要 1.1 割草机的发展历史 在割草机问世之前，草坪的修剪主要工具是镰刀，放牧牛羊也是保持草地平整的重要方法。随着 高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，人们拥有平整美观的草地做运动场地的要求越来越迫切。1805 年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并能切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动 旋刀割草，这就是旋刀割草机的雏形。1830 年，英国纺织工程师比尔.布丁取得了滚筒割草机的专 利，1832 年兰赛姆斯农机公司开始批量生产滚筒割草机，1902 年英国人伦敦恩斯制造了内燃机做动力 的滚筒式割草机，其原理至今还在使用。在西方发达国家，20 世纪初期，割草机就得到了快速的发 展。 随着社会的进步和经济的发展，人们对生存环境的要求也越来越高，城市环境的保护得到越来越 多的重视。我国草坪建设也得到了迅速的发展。草坪美化环境，固土护坡，净化空气多种功能已经成 为人们的共识。 从第一台滚刀式割草机的问世，到现在已经过了 100多年了。改革开放以来，我国的草坪业由兴 起到长足发展，只有十几年的时间，却为草坪机械业的发展带来了勃勃生机 。首先是机械先进，90% 以上为进口产品，其次外从草坪建植到养护生产环节机械配套齐全，基本上实现了全程机械化，其三 是产品品种多、系列化程度高。而在草坪机械中割草机发展最快，我国引进使用的割草机有美国和日 本等十几个国家的几十种机型，我国也已经开始生产割草机，目前国内外所用的割草机种类繁多，其 分类方法也多样化。 我国目前生产的割草机以刀具类型可分为滚刀式和旋刀式两大类。滚刀式割草机由带有刀片的滚 筒和和不动的床刀组成。它较旋刀式割草机有更好的修剪质量，是高质量草坪最常用的割草机型。适 用于草高 3-80毫米的草坪，其问题主要是价格贵，维修保养要求严格。而旋刀式割草机是由横向悬挂 在直立轴上的刀片高速旋转打切草的上部叶片，它适合于在 25-80毫米范围内的剪草。由于其价格低 廉，保养、维修方便、使用灵活，只要将刀片磨快，剪草效果还是可以的。因此，一般要求的草坪都 选用它，成为目前国内外最流行的割草机。 以动力划分可以分为机动和人推两类。人推的主要是滚刀式，小巧灵活，适于家庭庭院中小型草 坪使用。机动的又分为柴油机、汽油机和电动机三类驱动。其中以小型汽油机作为动力的较为普遍， 而柴油机多用于大型的割草机械，如牧场的割草机。 1.2 存在的问题 国内割草机械市场发展缓慢，我国草坪机械产品全线接受检验，应用中暴露出些质量问题。对 此，有关专家认为，当前我国畜牧机械产品质量水平低的原因有以下几个方面。 目前草地草坪业投入始终严重不足，相对支持力度减缓甚至下降，使得许多割草机械制造企业纷 纷转产或停产，再加上我国与欧美等发达国家存在着技术、制造手段、工艺等方面的差距，制造能力 和水平进一步拉大了距离。如现有割草机械生产制造企业的产品质量低，使用故障多、可靠性差。往 复式割草机工作半天即需刃磨，使用可靠性不到 80。国外割草机工作 400公顷，故障率仅为 4左 右，而我国的产品在同样的作业量其故障率为 25左右。在相同作业情况下，我国的割草机完成的工 作量仅是国外同类机型的一半。 产品品种不全，成套性差。美国约翰迪尔公司的割草机械有 13个品种 49个机型；纽荷兰公司现 生产 12个品种 25个机型，可供各种经营规模的用户选择。我国的用户不能根据自己的经营规模选择 合适的机具，机具使用效益不高。 产品技术水平低。割草机械产品技术水平高低是衡量该行业整体科学技术水平的重要标志之一。 一段时间内，由于资金投入严重不足，技术创新的原动力、研发能力、技术模仿步伐放缓甚至停顿。 我国已定型的割草机械大部分属国外上世纪的技术水平，20 多年来基本没有什么大的改进与创新。缺 乏应有的售后服务体系。 专家分析认为，造成割草机械产品质量水平低的原因有多方面，但缺乏资金 投入和人才短缺是造成研发能力和生产制造工艺水平低的关键所在。 1.3 手推割草机的设计用途 目前，大型生态园的绿地设计已是房地产开发团中一个重要环节，草地是绿化的一种重要形式。 目前，庭院里修整草地通常使用身背柴油机作动力，采用尼龙绳甩打草叶；或者是使用电动、柴油机 的割草机，这种割草机体积大、噪音大，适用于空旷大草坪，易夹草出故障，遇到石块可能使刀片断 裂，发生事故。随着国内人们生活水平的提高，人们对居住的绿化水平要求越来越高，尤其带花园的 别墅不断增加，更需要开发一种适合小面积草地、无噪音的手推式割草机。 本次设计的手推割草机是专为家庭庭院及私人花园设计的，不适用于公共设施、公园、运动场、 道路、农场和林场等场合。 注意事项： （1）不可以将手动割草机用于割除攀藤植物、屋顶或阳台上的青草等，那样有可能伤害到身体。 （2）每次使用之前都需要进行一次检查，确认所有的螺栓、螺母、工具都没有磨损或损坏，对于 磨钝或损坏了的刀片应当更换。 （3）再检查一下要割草的草坪表面，要清除干净石头、木块、电线等其他坚硬的物体，这些物品 碰到刀具时会飞甩出去而无法控制。 （4）旁边有人，尤其是儿童和动物的时候，不要使用该割草机。 （5）割草时一定要穿用防滑底做成的结实靴子。 （6）旋转的刀片转筒可能会造成人身伤害，刀片转筒和操作人员之间的安全距离是通过导杆隔开 的，一定要一直保持这个安全距离。在堤岸或斜坡上割草时尤其要注意，一定要顺着斜坡的方向割。 （7）当后退拉动割草机时要特别小心，有绊倒的危险。 （8）任何时候都不要将手或脚放在运动部件的上方或下方。 （9）如果刀具或割草机遇到障碍或坚硬的物体时，一定要适当全面地检查割草机。 （10）只有在能见度好，视野清晰的时候才可以进行工作。 2手推滚刀式割草机的结构特点 （1）本次设计的手推滚刀式割草机主要由连接成框形的行走轮、支架、扶手架和割草机构组成， 行走轮的内圈具有齿轮，割草机构由滚刀和定刀构成，滚刀的轴架于支架上，该轴的两端分别装置有 与行走轮的内圈齿轮相啮合形成行星轮系的小齿轮，定刀固定于支架上，定刀的刃部与滚刀的刃部相 切。 （2）手推滚刀式割草机的工作原理 当推动扶手架使割草机在草地上前行时，行走轮的内齿轮带动小齿轮旋转，使得滚刀也一起转 动，通过滚刀刃与定刀刃形成的剪切动作，将草坪上多余高度的草割断。 （3）本设计方案的特点是： 1）用人力作为动力，具有节省能源、无污染的特点. 2）其传动部分结构简单，维护方便。 3）体积小、重量轻、结构简单、操作方便、保养方便、成本低廉，且采用人的推力为动力，无废 气及噪音等污染。 4）割草动作没有撕扯，对草坪更有益。 3割草机的总体方案设计 手推式割草机的动力是来源于行走轮驱动，即靠人的推力来驱动。查阅人机工程手册 ，人步行 速度约为 35千米/时，即 4864米/分，考虑到要推动割草机进行切割，选取人的步行速度为 48米 /分，即 0.8米/秒。 综合以上因素，设计扶手以及支架的尺寸，并且根据不同性别和不同年龄将扶手的高度和倾斜角 度设计成可以调节的。站立工作时操作的有关尺寸，以及人体需要的可能活动空间. 由人机工程手册查得，人体身高尺寸（成年男性）多在 170cm左右。因此，推杆距地面的高 度取为 1000毫米,且可在 850-1300毫米之间调节，符合人体作业适应度。 设计原则：工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、以及视野范 围。 A：精密工作，靠肘支撑工作。 （设计尺寸针对男性：105115 毫米 针对女性：100110 毫米） B：虎钳固定在工作台上的高度：113 毫米 C：轻手工工作。 （男性：95100 毫米 女性：9095 毫米） D：用劲大的工作。 （男性：8095 毫米 女性：7590 毫米） 本设计属于 D范围内的设计。 又因为该割草机是手推式的，动力来源于人的行走以及推力。应考虑到其结构尺寸方面的因素， 因而行走轮直径不宜过大。其切割速度要求要大于 0.8m/s,如果小于这个速度,那么草将被撕裂和扯 断,而不是被切割了;如果轮子直径过小,则推行比较费力,不能达到设计要求,要满足人的推力在 200N 左右都能推动这部割草机才行。 初步选取外轮直径 =260mm,由公式 n=v/D 得： 外轮的转速 n=48 103/260 3.14 58r/min。 由人机工程手册查得，人体身高尺寸（成年男性）多在 170cm左右。因此，推杆距地面的高 度取为 100cm,且可在 100-140cm之间调节，符合人体作业适应度。 由以上分析确定割草机的各项参数： 割草机的整体宽度：648mm 割草机的割幅：400mm 割草高度：1242mm 滚刀的直径： d=160mm 行走轮直径： =260mm 行走轮的转速： n=48 103/260 3.14 58r/min 传动比： i12=1/5.3 滚刀的转速： n2=58 5.3=307.4r/min 滚刀的切割速度： =2.57m/s 23.14607.60dnv 切割速度大于 0.8m/s，合适。 人的持续推力为 1520kg，取 F=20 10=200N 则 p=F v=200 0.8=0.16kW 集草类型：就地洒落 4割草机传动部分设计 本次设计的手推滚刀式割草机的传动部分由行走轮及滚刀轴的两端分别设置的与行走轮的内圈齿 轮相啮合形成行星轮系的小齿轮组成。当推动扶手架使割草机在草地上前行时，行走轮的内齿轮带动 小齿轮旋转，使得滚刀也一起转动，通过滚刀刃与定刀刃形成的剪切动作，将草坪上多余高度的草割 断。 4.1 割草机齿轮的设计 4.1.1 齿轮传动的类型 齿轮传动就装置形式分： （1）开式、半开式传动 在农业机械、建筑机械以及简易的机械设备中，有一些齿轮传动没有防 尘罩或机壳，齿轮完全暴露在外边，这叫开式齿轮传动。这种传动不仅外界杂物极易侵入，而且润滑 不良，因此工作条件不好，轮齿也容易磨损，故只宜用于低速传动。齿轮传动装有简单的防护罩，有 时还把大齿轮部分地浸入油池中，则称为半开式齿轮传动。它工作条件虽有改善，但仍不能做到严密 防止外界杂物侵入，润滑条件也不算最好。 （2）闭式传动 而汽车、机床、航空发动机等所用的齿轮传动，都是装在经过精确加工而且封闭 严密的箱体(机匣)的，这称为闭式齿轮传动(齿轮箱)。它与开式或半开式的相比，润滑及防护等条件 最好，多用于重要的场合。 本次设计的手推割草机属于农业机械，且是简易的机械设备，因此齿轮传动属于开式、半开式传 动。 4.1.2 齿轮的设计准则 齿轮传动是靠齿与齿的啮合进行工作的，轮齿是齿轮直接参与工作的部分，所以齿轮的失效主要 发生在轮齿上。主要的失效形式有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损、齿面胶合以及塑性变形等。 齿轮传动的失效形式不大可能同时发生，但却是互相影响的。例如齿面的点蚀会加剧齿面的磨 损，而严重的磨损又会导致轮齿折断。在一定条件下，由于上述第一、二种失效形式是主要的，因此 设计齿轮传动时，应根据实际工作条件分析其可能发生的主要失效形式，以确定相应的设计准则。 对于软齿面(硬度350HBS)的闭式齿轮传动，润滑条件良好，齿面点蚀将是主要的失效形式，在 设计时，通常按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。 对于硬齿面(硬度350HBS)的闭式齿轮传动，抗点蚀能力较强，轮齿折断的可能性大，在设计计算 时，通常按齿根弯曲疲劳强度设计，再按齿面接触疲劳强度校核。 开式齿轮传动，主要失效形式是齿面磨损。但由于磨损的机理比较复杂，目前尚无成熟的设计计 算方法，故只能按齿根弯曲疲劳强度作为设计准则，为了延长开式、半开式齿轮传动的寿命，可用增 大模数 10-20的办法来考虑磨损的影响。 由于本次设计的手推割草机的齿轮传动属于开式、半开式传动，因此需按齿根弯曲疲劳强度作为 设计准则。 4.1.3 齿轮的材料选择及其热处理 齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意 两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较 高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作 条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降 低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地 选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。 为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的 特点来选取。 对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿 面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。 常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般 多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可 采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好 的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的 材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。 钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种： (1)表面淬火 常用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、40Cr 钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为 4055HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧 性，能承受不大的冲击载荷。 (2)渗碳淬火 常用于低碳钢和低碳合金钢，如 20、20Cr 钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达 5662HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，轮齿的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受 冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。 (3)渗氮 渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达 700900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿 轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如 38CrMoAlA。 (4)调质 调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、40Cr、35SiMn 钢等。调质处理后齿面硬度 一般为 220280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。 (5)正火 正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可 采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。 一般要求的齿轮传动可采用软齿面齿轮。为了减小胶合的可能性，并使配对的大小齿轮寿命相 当，通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出 30-50HBS。这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮 多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮 的齿面硬一些。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。 从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选 用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽 可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。 综上所述，选择小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45钢，同样经过调 质热处理，硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS。 4.1.4 齿轮精度的选择 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围列于下表中，按载荷及速度推荐的齿轮传动精度等级如下 图所示。 各类机器所用齿轮传动的精度等级范围： 表 4-1齿轮传动的精度等级 机 器 名 称 精 度 等 级 机 器 名 称 精 度 等 级 汽轮机 36 拖拉机 68 金属切削机床 38 通用减速器 68 航空发动机 48 锻压机床 69 轻型汽车 58 起重机 710 载重汽车 79 农业机器 811 手推割草机属于农业机械，速度、精度要求都不高，故选用 8级精度（GB1009588） 。 4.1.5 按齿根弯曲疲劳强度进行设计 （1）按图 4-1所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动;齿轮精度为 8级;小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45钢（调质） ，硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS; 闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的平稳性，减小冲击振动，以齿数多一些为好，小齿轮的 齿数可取 Z=2040。开式、半开式齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不致过小，故小齿 轮不宜选用过多的齿数，一般可取小齿轮齿数 Z=1720。初选小齿轮齿数 Z2=20,根据传动比 i12=1：5.3，为了使各个相啮合齿对磨损均匀，传动平稳， Z2和 Z1一般互为质数，故可取大齿轮的齿 数为 Z1=106。 图 4-1 传动简图 （2）计算小齿轮传递的转矩。 由人机工程手册查得人的持续推力为 1520kg , 由于外轮的转速 n1=48 103/260 3.14 58r/min，根据传动比 i12=1：5.3，则小齿轮的转速为 n2=58 5.3=307.4r/min， 取 F=20 10=200N，人的步行速度为 48米/分，即 0.8米/秒， 则 P=F V=200 0.8=0.16 kW， 根据公式算得： 55 3/min9.10.69.104.9710Nm37KWrT （3）由机械设计表 10-7选取齿宽系数 =0.8。d （4）由机械设计式（10-5）得轮齿的弯曲强度设计公式为： 321SFwdYzKTm （mm） （5）确定公式内的各计算数值 1）由机械设计图 10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 FE2=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强 度极限 FE1=380MPa； 2）由机械设计图 10-18取弯曲疲劳寿命系数 KFN2=0.85, KFN1=0.88； 3)计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（10-12）得： MPa=303.57MPa 2kFNES0.8514 MPa=238.86MPa1.3F 4）计算载荷系数 K。 K=KAKVKF KF = .21.52 5)查取齿形系数。 由机械设计表 10-5查得 YFa2 =2.80； YFa1 =2.18。 6）查取应力校正系数。 由机械设计表 10-5查得 YSa2=1.55； YSa1=1.79。 7)计算大、小齿轮的 并加以比较。 aFS 0.01429 a2FSY.801537 = 0.01634 a1FSY2.8936 大齿轮的数值大。 （6）设计计算 =0.850mm 33221.54.9710.648m 为了延长开式、半开式齿轮传动的寿命，可用适当增大模数的办法来考虑磨损的影响，因此，可 取由弯曲强度算得的模数圆整为标准值 m=2mm。 （7)几何尺寸的计算 1)计算分度圆直径 d2=Z1m=20 2mm=40mm d1=Z2m=106 2mm=212mm 2）计算中心距 86mm 1240a 3）计算齿轮宽度 b= d2=0.8 40mm=32mm 取 B2=35, B1=38 （8）结构设计及绘制齿轮零件图 小齿轮的结构及尺寸见图 4-2。 图 4-2小齿轮 4.2 割草机行走轮的设计 割草机的行走轮由内齿轮和轮胎组成。内齿轮根据前面的设计要求材料选取 45钢。轮胎在此不仅 仅与内齿轮轮配合，也是与地面抓合产生动力的关键所在，因此轮胎的大小尺寸应与割草机的整体形 状和尺寸紧紧相连。轮胎的外径是 =260mm,而其具体形状是参照现代机械设备设计手册中驱 动轮的形状尺寸，外圈材料为橡胶。 选取外轮直径： =260mm,由公式 n=v/D 得：外轮的转速 n=48 103/260 3.14 58r/min。 行走轮的具体结构及尺寸如图 4-3、4-4。 图 4-3行走轮效果图 图 4-4行走轮 材料选择依据： 45号钢为优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板、梢子、导柱等,但须热 处理。 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变 负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用调质表面淬火提高零件 表面硬度。 随着现代工业的飞速发展,仪器设备的功率越来越大,转速越来越快,振动和噪声的危害也越来越突 出。振动和噪声不仅影响产品质量和操作精度、缩短产品寿命、危及安全性,而且污染环境，影响人身 健康。 因此,掌握振动与噪声控制技术是各国工业发展面临的重大课题。消除振动和噪声的有效方法之一 是减少振动源的振动和隔离振动的传递。目前广泛使用的方法是利用橡胶材料与骨架材料(如金属、纤 维、工程塑料等)复合制成的功能装置或特殊的橡胶粘弹性高阻尼材料来消除振动源的振动冲击和吸收 噪声。这种橡胶减震功能装置已广泛应用于飞机、舰船、汽车、火车和建筑工程等方面以及仪器仪表 的振动隔离。 橡胶材料减震主要承受压缩应力、剪切应力和扭转力矩以及两种或两种以上应力的复合作用,在保 证机车的高速性、舒适性和安全性方面起着重要作用。 结 论 手推滚刀式割草机适于庭院小型草地使用