家用低碳环保割草机的研究和设计_毕业设计论文.doc

昆 明 学 院毕业设计（论文）设计（论文）题目 家用低碳环保割草机的研究和设计 子课题题目 所属院系 自动控制与机械工程学院 专业年级 2009级机械设计制造及其自动化 摘 要割草机在当今社会已经越来越成为农、牧、园艺等行业的必备机械，但是适合面积小、形状不规则的地形操作的割草机却很少，为此，在研究我国大部分割草机的基础上，设计了简单的三轮往复式割草机，其特点是结构简单、轻便、工作座位可调，本文介绍了三轮骑行式割草机的总体结构、工作原理、传动机构的传动比等相关的计算。实验结果表明，该机构具有操作容易、使用和携带方便、低碳环保、对空气和环境无影响等特点。关键词：家用；低碳环保；割草机abstractthe mower has more and more become essential in todays society of agricultural, animal husbandry machinery, gardening and other industries, but for small size, shape irregular terrain operation mower rarely, therefore, based on the majority of the mower in china, designed three reciprocating mower is simple, it has the advantages of simple structure, light, work the adjustable seats, this paper presents the transmission tricycle riding mower of the overall structure, working principle, transmission ratio and related calculation. the experimental results show that, the mechanism has the advantages of easy operation, convenient use and carrying, low carbon environmental protection, no influence on the air and the environment.keywords:household;lowcarbon;lawnmower目录第一章 绪论11.割草机的发展历史12.我国割草机的发展12.1 发展状况12.2存在问题22.3推移式割草机的使用23.割草机原理方案选择34.低碳环保割草机的结构分析54.1割草机刀片结构分析54.2割草机驱动装置分析5第二章 本项目的创新设计思路61.驱动装置创新设计思路61.1合理传动比保证行走与割草相对合理61.2脚踏板机构61.3凸轮机构71.4可升降座位82.割草部分的创新设计思路82.1铰链机构与凸轮机构相互间力的传递82.2刀具部分运动创新9第三章 确定设计目标和要求91.割草机割草的基本要求92.割草机的设计目标10第四章 各零部件的分析及其计算112.割草机传动部分设计113.齿轮传动的类型113.1齿轮传动就装置形式113.2大、小齿轮的计算123.3 齿轮的材料选择及其热处理143.4 普通碳素钢制齿轮的热处理方法153.5 齿轮精度的选择163.6按齿根弯曲疲劳强度进行设计163.8割草机行走轮的设计183.9割草机割草机构的设计204.刀片材料的选择205.轴的概述22第五章 总体工程图241.割草机的总体方案设计的工程图241.1总体方案设计251.2割草机传动部分设计的零件图样27参考文献29总结与心得30谢辞32家用低碳环保割草机的研究和应用第一章 绪论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。 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。 2.我国割草机的发展2.1 发展状况 据调查，国内生产割草机的厂家大约有50家左右。多数为园艺系统的公司以及转产割草机的机械厂。市场上草坪修剪机的品牌很多，有进口的产品，也有国内制造和中外合资的，从功率2.6-1.2千瓦，剪幅从43.2-127厘米。 国内的生产厂家主要有：中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司，生产立特牌 -neat 草坪割草机，占国内市场的50%，现年产5000 台。目前正着手进行年产5 万台割草机的技术改造，其动力选用日本本田发动机。 目前，我国已经研制开发出来草坪割草机试验台，草坪割草机为现代城市绿化的重要设备，目前市场上国产的机器均有一定的市场，但质量参差不齐。对于草坪割草机的安全指标，仅有检测方法，没有现成的撞击试验专用设备。为了对其进行科学的测试，北京市农机试验鉴定推广站研制成功草坪割草机专用试验台。该试验台自动化程度高，采用了气动传动技术、机电安全锁定机构及气动调速技术，可对国内各型 3 草坪割草机进行安全性能试验，能够完成草坪机的撞击试验和刀片护罩强度试验。试验结果表明，该专用试验台达到国内先进水平，检测快捷，安全性高。2.2存在问题 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。 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。 2.3推移式割草机的使用 2.3.1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。 2.3.2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。3.割草机原理方案选择通过对目前市场上的非人力驱动割草机进行结构分析和布局分析总结得出本方案具有以下优点。1.以人为动力源将人的内能转化为机器的机械能最终完成割草动作，它体现了低碳环保的理念并且对空气环境无污染，且采用人的内能为动力，无废气及噪音等污染，最大限度的做到了生活零排放。2.考虑到人为动力源以及转速的需要在刀型的选择方面我们产用往复剪刀式割草机的类型，在不需要高速旋转的条件下就可以很轻易的将草割掉并且刀具的布局简单不会引起碰刀情况的发生，最大限度的消除了割草机在设计方面所要顾虑到的安全隐患。3.本次设计的家用低碳环保型割草机的结构简单设计方便，其中包括：铰链机构、链传动机构、凸轮飞轮组合机构、弹簧机构等各类机构间的串联组合工作而成。它体积小、重量轻、结构简单、操作方便、保养方便、成本低廉，4.割草动作没有撕扯，对草坪更有益。 根据市场现有的旋刀是割草机结构和所学知识分析，此方案可行。 方案一 方案二 局部放大图（销） 割草部分的方案（凸轮机构）如上图所示为主动轮上控制刀架运动的凸轮机构，动力驱动部分与方案一相同，主要区别于方案一的是割草部分的传动方式。当圆柱凸轮1回转时，凹槽侧面迫使构件2摆动，从而驱使与之相连的刀架运动。至于刀架的运动规律则完全取决于凹槽的形状。综上所述：由于方案一在传动系统上损失的力较多直接导致最终传到割草机上的力大大减少，从而降低了割草机动刀片的往复运动频率，使得割草效率大大降低。而方案二的优点在于力的传递更加稳定，机构相互间配合紧密以及运动效率较高，所以最终确定选取方案二作为本次设计的原理方案。4.低碳环保割草机的结构分析4.1割草机刀片结构分析目前市场上的割草机绝大部分产用旋刀式或者甩刀式来进行切割运动，而往复剪刀式刀片产用动刀片和定刀片之间往复运动来完成割草运动，其中动刀片的一端与滑块相连接，该滑块在定刀片中的键槽内做往复运动，定刀片固定不动从而使动刀片与定刀片作为参考对象做相对往复运动。为保证切割动作高效迅速并且不会有撕扯动作的产生需在两刀片接触的中心位置嵌入一个易紧螺母来调两刀 片之间的松紧问4.2割草机驱动装置分析本次设计的家用低碳环保割草机为三轮式人力驱动结构，通过割草机构、传动机构以及驱动机构组合而成，其中驱动机构的动力源为人力驱动，集中体现了低碳环保的设计理念。割草机构的结构由铰链机构和曲柄滑块机构以及弹力系统（复位以及减轻人力消耗）组成。传动机构的结构由齿轮、链条、钢丝绳、飞轮（增加转动惯量减轻人力消耗最终增加割草机的割草频率）。在割草机构中为保证动刀片与定刀片之间的剪切力相对合理（既不产生过大间隙导致阻刀现象又不使两刀片过紧而降低工作效率）应在两刀片中心位置安装一个易紧螺母。以人为动力源借助脚踏板驱动同轴的凸轮机构和带有飞轮的齿轮，一方面该齿轮通过链条带动割草行走轮上的齿轮运动另一方面由同轴上的凸轮高速转动拉动连接凸轮上的钢丝绳拉动割草机构上铰链机构的一端，铰链机构连接动刀片上的滑块做割草“往”运动，同时铰链机构压缩弹簧，当凸轮从最远点运动到最近点时弹簧通过弹性势能以及飞轮的转动惯量驱动铰链机构做“复”运动，如此往复运动完成割草工作。第二章 本项目的创新设计思路1.驱动装置创新设计思路 1.1合理传动比保证行走与割草相对合理 在整个驱动装置中，人将动力源通过主齿轮上的脚踏板带动主齿轮运动，主齿轮通过链条与行走轮上的齿轮相连接，在通过一系列计算后得出结论为：主齿轮与行走轮的传动比要大才能够保证整个割草机构在相对较合适的速度下行走并完成割草（行走轮的行走速度与割草机的割草速度相对合理） 1.2脚踏板机构脚踏板上的大链轮通过链条与后轮胎上同轴的小链轮相互连接使彼此之间的传动比为三比一，从而保证车的行走速度降下来。1.3凸轮机构凸轮机构的巧妙运用是保证力从驱动装置传向割草装置的关键，与主齿轮同轴的凸轮机构在与主齿轮共同转动的同时还拉动一端连接铰链机构的部分，凸轮高速转动拉动连接凸轮上的钢丝绳拉动割草机构上铰链机构的一端，铰链机构连接动刀片上的滑块做割草“往”运动，同时铰链机构压缩弹簧，当凸轮从最远点运动到最近点时弹簧通过弹性势能以及飞轮的转动惯量驱动铰链机构做“复”运动，如此往复运动完成割草工作。 1.4可升降座位 支撑座位部分的杆为可调节部件，为满足不同身高的人群而设计，当人的身高相对较高或较矮时为保证骑行人员能够舒适的骑行可以调节升降杆来完成。 2.割草部分的创新设计思路2.1连杆机构与凸轮机构相互间力的传递 凸轮与摇杆、连杆等连接再与铰链机构相互连接使得力可以传递到割草机构上去，最终完成割草运动如上图所示。2.2刀具部分运动创新本次设计的家用低碳环保割草机的刀型产用往复剪刀式刀片，而在动刀片往复运动的过程中可以在行走轮的单侧边缘固定一个与行走轮同轴的”s”型槽，动刀片的一端用一根轴连接，轴的另一端固定一个实心圆球，该圆球嵌入“s”型槽中，在行走轮运动的同时轴上的“s”型槽也跟着转动，从而让圆球在槽中呈“s”型运动最终变为动刀片的往复式运动而完成割草运动。第三章 确定设计目标和要求1.割草机割草的基本要求 不论是哪一种类型的割草机对草坪修剪的基本要求是一样的： 1.1.1割草高度可根据要求调整，适应高度调整范围大，当草坪要求修剪很低能达到要求。1.1.2割草整齐、平整，同一行程前后割草高度一致，两次作业行程衔接平滑、无接茬。1.1.3对地形的适应能力强，仿行能力强，随地形变化前后剪草高度一致。1.1.4割草机对草坪碾压轻、伤害少。1.1.5草屑收集干净，或被切割部分细碎性能好（草屑撒在草坪中当肥料时除外），以便于洒落在草坪下及时腐烂。1.1.6割草机质量好，故障少，节省燃料（本方案不需燃料）、效率高。1.1.7易于操作、轻便灵活、维修调试方便，零部件通用性和互换性好。1.1.8正确掌握修剪草坪的时间并且制定科学的修剪高度和修剪频率。2.割草机的设计目标 2.1保证割草机行走轮的速度与割草机割草部分的速度成合理比例。（既让行走轮速度适中又保证割草机的割草速度合适）。 2.2割草机整体的结构设计应保证人为操作的安全合理性，确保机构不会对人造成伤害。 2.3割草机在整个割草过程中对草无拉扯动作，且动作合理连贯不会产生刀片卡死现象，草的落地方式为散落。 2.4割草机的设计理念为低碳环保，所以应尽量保证环保、无噪音、无除人外的其他能源消耗。总体方案设计 三轮往复剪刀式割草机结构动力部分传动部分工作部分行走轮车架人力驱动齿轮、链条往复剪刀式刀片同轴的凸轮及飞轮机构铰链机构、链传动机构可调节组装车架割草机内部结构示意图第四章 各零部件的分析及其计算推移式割草机是由人力通过两腿驱动的。查阅相关资料及文献得出：人考虑到要驱动割草机进行切割，选取人的步行速度为48米/分，即0.8米/秒。 确定1.割草机的各项参数： 割草机的整体宽度：600-700mm 割草高度：10-30mm 集草类型：就地洒落2.割草机传动部分设计 本次设计的人力驱动剪刀式割草机的传动部分主要是齿轮带动齿轮转动，齿轮带动与齿轮同轴的凸轮转动并且改变方向，最后通过铰链机构传到割刀往复运动，将草坪上多余高度的草割断。传动部分的设计主要是对齿轮的设计。3.齿轮传动的类型 3.1齿轮传动就装置形式3.1.1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。 3.1.2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。 本次设计的推移式割草机割草总成部分尺寸比较小，传动齿轮尺寸和质量比较小，转速比较高，且没有防护罩，如果选用开式容易损坏其寿命，因此齿轮传动选用闭式传动。 3.2大、小齿轮的计算 3.2.1 选定齿轮的类型、精度等级，材料及齿数 3.2.1.1按传动方案简图所示传动方案，选用齿轮啮合传动。 2）割草机为一般工作机器，速度不高，故选用8 级精度。3.2.1.2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。 由于本次设计的骑行三轮式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。 3.3 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。3.4 普通碳素钢制齿轮的热处理方法 (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，选择大、小齿轮的材料应为普通碳素钢或者白口、灰口铸铁类即可。 3.5 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：机器名称精度等级 机器名称 精度等级载重汽车 7-9 起重机 7-10 轻型汽车 5-8 农业机器 8-11 航空发动机 4-8 锻压机床 6-9 汽轮机 3-6 拖拉机 6-8 金属切削机床 3-8 通用减速器 6-83.6按齿根弯曲疲劳强度进行设计 3.6.1按上图所示的传动方案，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z 2 =20, 根据传动比i 12 =1：5.3，为了使各个相啮合齿对磨损均匀，传动平稳，z 2 和z 1 一般互为质数，故可取大齿轮的齿数为z 1 =106。传动简图 3.6.2计算小齿轮传递的转矩。 由人机工程手册知：由于外轮的转速n 1 =48 10 3 /260 3.14 58r/min，根据传动比i 12 =1：5.3，则小齿轮的转速为n 2 =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：5 5 3 / min 95.5 10 0.16 95.5 10 4.971 10 n mm 307.4 kw r p t n 3.6.3由机械设计表10-7 选取齿宽系数 d=0.8。3.6.4由机械设计式（10-5）得轮齿的弯曲强度设计公式为： 3 2 1 1 2 s f w d y y z kt m （mm） 3.6.5确定公式内的各计算数值 3.6.5.1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； 3.6.5.2由机械设计图10-18 取弯曲疲劳寿命系数k fn2 =0.85, k fn1 =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： 2 2 2 k fn fe f s 0 . 8 5 5 0 0 1 . 4 mpa=303.57mpa 1 1 1 k 0.88 380 1.4 fn fe f s mpa=238.86mpa 3.6.5.3计算载荷系数k。 k=k a k v k f k f = 1 1.12 1 1.35 1.512 3.6.5.4查取齿形系数。 由机械设计表10-5 查得y fa2 =2.80；y fa1 =2.18。 3.6.5.5查取应力校正系数。 由机械设计表10-5 查得y sa2 =1.55； y sa1 =1.79。 3.6.5.6计算大、小齿轮的 a a f s f y y 并加以比较。 a2 a2 2 f s f y y 2.80 1.55 303.57 0.01429 a1 a1 1 f s f y y = 2.18 1.79 238.86 0.01634 大齿轮的数值大。 3.6.5.7设计计算 3 3 2 2 1 . 5 1 2 4 . 9 7 1 1 0 0 . 0 1 6 3 4 0 . 8 2 0 m =0.850mm 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。 3.7几何尺寸的计算 3.7.1计算分度圆直径 d 2 =z 1 m=20 2mm=40mm d 1 =z 2 m=106 2mm=212mm 2）计算中心距 1 2 212 40 2 2 d d a 86mm 3）计算齿轮宽度 b= d d 2 =0.8 40mm=32mm 取b 2 =35, b 1 =38 3.7.2结构设计及绘制齿轮零件图 小齿轮的结构及尺寸见图 3.8割草机行走轮的设计 割草机的行走轮由轮毂与同轴的大链轮组成。大齿轮根据查阅相关资料选择普通碳素钢或者铸铁类均可，这样不仅可以最大限度的减少生产陈本，而且大大减轻了整个车的重量。轮胎在此不仅仅与轮毂配合，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400mm,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（增加摩擦力）。 选取外轮直径：400mm,由公式n=v/d 得：外轮的转速 n=48 10 3 /260 3.14 58r/min。 行走轮的具体结构及尺寸如图 材料选择依据： 45号钢为优质碳素结构用钢因价格方面我们不予以考虑,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。 3.9割草机割草机构的设计 三轮骑行式割草机的割草机构由动刀片和定刀片以及圆弧槽构成，定刀固定于支架上，定刀的刃部与动刀的刃部相切。 通过调节滚刀与定刀的相对位置，可以得到不同的剪切高度。 动刀与定刀的密接调整。这里指的是动刀片和定刀片的接合状态。如果密接不良，在切割的过程中容易导致草的根拔和撕扯，不能顺利的割断。动刀片和定刀片的刀刃部分应该相切，最大允许有0.5 毫米的间隙。 4.刀片材料的选择 割草机刀片必须采用高强度优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学要求，尽量减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平衡，以减少振动和噪声。 动刀片和定刀的刀片材料均选用弹簧钢。弹簧钢是专门用来制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件的主要材料。弹簧钢具有优良的综合性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。除此之外，弹簧钢还具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。4.1刀片材料的选择 割草机刀片必须采用高强度优质钢材，经过特殊热处理工艺保证刀片有较高的强度、锋利度、耐磨性、抗冲击韧性。刀架及刀片外形应该符合空气动力学要求，尽量减少运动时的空气阻力，以降低功率消耗。装配、调整刀具时，必须保证两端力矩平衡，以减少振动和噪声。 刀片材料选用优质合金钢。在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。 定刀片 动刀片4.2刀片的切割过程 在刀片割草的过程中，刀片和草是一对矛盾。要弄清切割过程的实质，必须先了解这两方面的性质和特点，才能进一步分析它们的相互作用。 草的横截面呈扁平或槽型。利用工具所施加的压力来破坏材料相互之间联系使之分离的机械加工过程，都称之为“切”。刀片的切割过程同刀具切削金属的过程及冲模冲剪材料的过程本质是不同的。刀片的断面呈薄的楔形，前后两个刃磨面组成的楔角的顶部就是刃口。刀片的“切割”过程同“切削”及“冲剪”之不同，在于前者是利用刃口对材料产生很大的单位应力，使刃口穿透入被切材料之中来破坏材料。 齿刀片的切割过程是，刀片以齿尖刺穿草面，将其断面分割开；随着齿尖的继续插入，由于草的强度各向异性的特点，纤维之间很容易沿横向被撕开，因而受到削弱。草被齿尖刺入后也不会再沿刀刃向外滑出，所以被割断。综上所述：刀片材料的选择为t10或者t08系列的金属材料或者上述论述中的弹簧钢（性价比不高）。5.轴的概述 轴是组成机器的主要零件之一。一切做回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递动力和运动。 按照承受载荷的不同，轴可以分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既能承受弯矩又能承受扭矩的称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴综上所述轴的材料选择为40cr（调质）。 后轮主轴第五章 总体工程图1.割草机的总体方案设计的工程图1.1总体方案设计 骑行式割草机是由人力驱动的。查阅人机工程手册，人骑行速度与步行速度基本相同，速度约为35千米 /时，即4864米/分，考虑到要驱动割草机进行切割，选取人的骑行速度为48米/分，即0.8米/秒。 确定割草机的各项参数： 割草机的整体宽度：713mm 割草高度：3060mm 集草类型：就地洒落 。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（骑行速度）约为35千米/时，即4864米/分，考虑到要驱动割草机进行切割，选取人的步行速度为48米/分，即0.8米/秒。 成年男性身高（mm）年龄岁数成年女性身高（mm）年龄岁数成年男性臂长年龄岁数成年女性臂长年龄岁数1554-183018-251457-170918-25279-35018-25253-31918-251545-185126-351449-169826-35280-34926-35253-32026-351553-179836-601445-168336-60278-34836-60251-31736-601543-181418-601449-169718-60279-34918-60252-31918-60男性立姿工作岗位高度950-1050-11501050-1200-1300女性立姿工作岗位高度850-950-10501000-1100-1200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。 因为该割草机是人力骑行驱动的，动力来源于人。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 左右都能驱动这部割草机才行。 初步选取外轮直径 =260mm,由公式n=v/d 得： 外轮的转速n=48 10 3 /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，扶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。切割速度大于0.8m/s，合适。 人的持续驱动力为1520kg，取f=20，10=200n 则p=f， v=200， 0.8=0.16kw 集草类型：就地洒落 1.2割草机传动部分设计的零件图样本次设计的骑行式割草机的传动部分主要是脚踏板上的链条带动锥齿轮转动，锥齿轮带动另一锥齿轮转动并且改变方向，最后传到到割刀转动，将草坪上多余高度的草割断。传动部分的设计主要是对齿轮的设计以及连杆的设计。参考文献1 徐灏机械设计手册m 北京：机械工业出版社，2003.2 丘宜怀机械设计m 第三版.北京：高等教育出版社，19893 濮良贵机械设计m 第五版北京：高等教育出版社，1989