【文章內(nèi)容簡介】 力構(gòu)件將人力傳遞出去。為了讓濟南大學畢業(yè)設(shè)計 9 操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。因執(zhí)行修 割草動作刀片的相對運動方向與人行進的方向垂直，經(jīng)前面增速機構(gòu)傳遞過來的運動都需要再經(jīng)過一級轉(zhuǎn)換機構(gòu)傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。 通過分析得到手推式草坪 割 草機的組成框圖，如圖 所示。 圖 手推式草坪 割 草機的組成框圖 其他工作設(shè)計方案的比較 能實現(xiàn)手推式草坪修草功能的技術(shù)原理較多，但各有利弊，具體分析如下： （ 1） 用腳驅(qū)動 用腳驅(qū)動時，一般操作者都需站在或坐在被驅(qū)動的機器上用力，這樣所設(shè)計的 修草機，除了要完成 割 草動作外，還要承受操作者的自重，且要有方向控制裝置，使機器結(jié)構(gòu)復雜，尺寸較大，不適合小面積草坪使用。 （ 2） 用手驅(qū)動 用手驅(qū)動，可避免用腳驅(qū)動時存在的問題，使所設(shè)計的機器小巧，且可靈活操作。因此，我們選擇設(shè)計手動式修草機。 （ 3） 用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。用此法修草時所需的速度非常高，以其在草還沒被打倒之前將草打斷，這樣的修草產(chǎn)品已有，但效果 并 不 是很 好。 （ 4） 用 割 的方式 即用刀將草 割 斷，用兩個刀片作相對運動的原理較易將草 割斷，且不需要很高的速度。因此，我們選擇設(shè)計成手 動式 割 草機。 手動的形式又用手搖動和用手推動兩種。機械容易實現(xiàn)的是簡單的轉(zhuǎn)動和往復直線運動，如果用手搖動手柄實現(xiàn)執(zhí)行構(gòu)件的往復移動，由于 割 草機還要靠人力推著向前行進，操作者要完成的動作過多，操作不方便。要使操作者只通過簡單的操作即可完成 割 草動作，可以用手推 割 草機向前行駛，靠 割 草機輪子的轉(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)動運動轉(zhuǎn)變成往復移動而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。顯然設(shè)計成手動式草坪 割 草機是合理而可行的。 根據(jù)所查資料，可選用組合 — 變異法構(gòu)成初步方案。由前面的分析可知，手動式草坪 割 草機只需要一 種 運動形式變換功能（即轉(zhuǎn)動變直線往復移動），所以 ， 較簡單 。實現(xiàn)轉(zhuǎn)動到直線往復移動變換功能最簡單的機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，直線推桿盤狀凸輪機構(gòu)和齒輪齒條機構(gòu) 。 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 10 a)曲柄滑塊機構(gòu) b）直動推桿盤狀凸輪機構(gòu) c）齒輪齒條機構(gòu) 圖 機構(gòu)運動簡圖 關(guān)鍵問題及其解決辦法 增速機構(gòu)的設(shè)計 增速機構(gòu)是 動力 傳遞及變速的核心機構(gòu)。它的速度變化直接改變刀具的切 割 運動。 本次設(shè)計的 手推式 割 草機采用圓柱凸輪傳動機構(gòu)。 可以利用圓盤側(cè)面的形狀特征，為此圓盤旋轉(zhuǎn)時通過側(cè)面推動固定在滑塊上的撥桿（可 橫向調(diào)整）左右運動，這樣就得到了一種新型的凸輪 — 端面凸輪，其工作原理如圖 所示： 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 11 圖 圓柱凸輪傳動機構(gòu) 幾種增速方式的實現(xiàn)比較 （ 1） 用組合法實現(xiàn)增速 ， 為了讓操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應通過增速機構(gòu)繼續(xù)傳遞。由于轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動 ，以 輸入構(gòu)件作定軸轉(zhuǎn)動，這樣在 割草機動力輸入構(gòu)件輪子和轉(zhuǎn)換機構(gòu)的運動輸入構(gòu)件之間，可以采用鏈傳動，帶傳動和齒輪傳動。為了使所設(shè)計的 割 草機結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動。而齒輪傳動有直齒圓柱 齒輪傳動，斜齒圓柱齒輪傳動，圓錐齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等 。但是蝸輪蝸桿傳動的效率低，一般是蝸桿主動，且軸線空間交錯，應用到 割 草機械中，會使支撐結(jié)構(gòu)復雜。圓錐齒輪傳動的軸線相交，且其中一個齒輪需懸置，也會使 割 草機支撐結(jié)構(gòu)復雜。直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪的軸線相互平行，支撐結(jié)構(gòu)較簡單，同時 割 草機的速度不高，載荷也不大，因此，可選擇直齒圓柱齒輪作為增速機構(gòu)。 機構(gòu)組成方案如圖 所示： a) 帶動齒輪增速的曲柄滑塊機構(gòu) b）帶齒輪增速的直動推桿盤狀凸輪機構(gòu) 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 12 c) 帶齒輪增速的齒輪齒條機構(gòu) 圖 機構(gòu)運動簡圖 （ 2） 用異變 法實現(xiàn)刀具 割 草運動方向與 割 草機行進方向垂直 ， 由于刀具的 割 切運動方向與 割 草機行進方向垂直， 上 圖所示的機構(gòu)組成方案不能最終滿足設(shè)計要求，還需對機構(gòu)進行進一步 設(shè)計 。 方案 1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機構(gòu)來實現(xiàn)滑塊在導軌上的往復運動，工作原理如圖 所示。 圖 梅花凸輪傳動機構(gòu) 方案 2 利用圓柱凸輪機構(gòu)將凸輪軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為滑塊的往復運動，其工作原理如圖 所示。 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 13 圖 圓柱凸輪傳動機構(gòu) 在圖 所示的梅花凸輪機構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復移動需增加一個支點和一個 構(gòu)件兩個低副（或一個構(gòu)件一個高副），這樣會增加整個機構(gòu)的復雜性，且設(shè)計時 下面的軸 應該比 上面的軸 短（否則必然會增大梅花凸輪的尺寸，或者引起梅花凸輪邊緣曲線過度較急），這樣將減少傳送到滑塊上的力。圖 和圖 所示的圓柱凸輪機構(gòu)和端面凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，可以考慮作為所設(shè)計的 割 草機的運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)。 但是，我們還希望所設(shè)計的 割 草機能實現(xiàn) 割 草高度的調(diào)節(jié)。要實現(xiàn)此調(diào)節(jié)功能，在圖 所示的圓柱凸輪機構(gòu)中還需要增加一個能使刀架（包括活動刀片和固定刀片）沿垂直方向移動的移動副，使機構(gòu)結(jié)構(gòu)變得較為復雜。而圖 所示的端 面凸輪機構(gòu)，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運動，從而帶動刀架上下運動，易于實現(xiàn) 割 草高度的調(diào)節(jié)。 機構(gòu)的功能及特點 該機采用固定刀片與活動刀片相對錯動的 割 切原理，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量輕，噪音小、無污染，使用方便、靈活，適合小面積草坪的 割 草處理； 無需引擎驅(qū)動，使用安全、可靠，便于維護； 割 草的高度可在 1~20mm 之間調(diào)整，割幅 240mm，外形尺寸（長 ?寬 ? 高：586? 369? 200mm） ,質(zhì)量 30kg（材料由 45 鋼制作）； 采用耐用的鑄鋁底盤和結(jié)構(gòu)件，具有永不生繡、永不卷曲變形的特點； 前輪采用萬向輪，具有良好的導向性，后輪的一個輪子裝上壽命長的球軸承，使割 草機轉(zhuǎn)彎時易于推動； 金屬手柄易于折疊，以減少包裝尺寸，手柄長度可伸縮，對于不同身高的操作者同樣適用； 底盤獨特的設(shè)計可防止草堵塞出口通道； 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 14 外觀造型美觀，更適合家庭用戶的審美要求； 割 草的效果較理想，且成本低，是小面積草坪修 割 的首選產(chǎn)品。 機構(gòu)設(shè)計與用戶的一致性分析 （ 1） 從機構(gòu)運動的功能出發(fā)，按變異 — 組合法和類比法完成機構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)計 ； （ 2） 在作品樣機加工前，使用三維造型軟件進行三維造型、虛擬裝配和運動仿真 ； （ 3） 理論上驗證設(shè)計的可行性，然后進行樣機制作； （ 4） 外觀造型新穎，推桿可折疊伸縮，適合家庭用戶使用； （ 5） 采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動 割 草機工作效率不高的問題； （ 6） 采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足 割 草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的 問題； （ 7） 采用的 割 草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動 割 草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題； （ 8） 產(chǎn)品成本（ 包括 制造和使用成本）低，符合廣大用戶購買能力的要求。 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 15 3 技術(shù)設(shè)計 設(shè)計方案論證 手推式 割 草機的設(shè)計原理 該機構(gòu)由輪子帶動，通過一對單級減速器進行傳遞轉(zhuǎn)矩，再由端面齒輪和撥桿組合變化運動方向，最終輸出往復 割 切運動?？傮w方案設(shè)計如圖 所示： 圖 總體方案設(shè)計 方案的選擇 選擇這個設(shè)計方案能夠更好的實現(xiàn)運動傳遞。無引擎驅(qū)動，節(jié)省 能源，無污染（噪音、廢氣），采用綠色環(huán)保設(shè)計。采用齒輪機構(gòu)（實現(xiàn)增速），提高整機的工作效率，解決了手動 割 草機工作效率不高的問題；采用端面凸輪機構(gòu)（運動形式轉(zhuǎn)換機構(gòu)），將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復運動，從而滿足 割 草運動要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問題。采用的 割 草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，解決了目前手動 割 草機不易實現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問題。 另一方案，用蝸輪蝸桿傳動，直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機構(gòu)更加簡單，刀具拆裝方便。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截斷較難實現(xiàn)，割草的數(shù)目不多。要想割的效率快，必須采用大功率 。 本次設(shè)計 采用的 割 草機方案結(jié)構(gòu)比較簡單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動的割草機一水平一豎直的軸造成了機架結(jié)構(gòu)的復雜。并且增速機構(gòu)采用端面齒輪和撥桿的運動組合，結(jié)構(gòu)簡單，運動實際為一凸輪推桿的運動組。同時 割 草濟南大學畢業(yè)設(shè)計 16 的數(shù)量較多，在功率一定得情況下效率 較 高。蝸輪蝸桿傳動的割草機機構(gòu)方案簡圖如圖 所示： 圖 蝸輪蝸桿傳動的割草機 齒輪的 設(shè)計 計算部分 機構(gòu)的動力計算 草坪上的草為特殊纖維材料，較易 割 斷，不需要太大的載荷。通過 對 實際運用中割草機械的分析，可以假設(shè) 割 一根草所 需載荷為 f=，同時 割 草數(shù)量最多為 500根。可得 F=250N；端面齒輪上所受力的大小為： NFF 25021 ?? 輪子提供轉(zhuǎn)矩帶動 割 刀，進行機械運動。假設(shè)輪子的直徑為 D=200mm；輪子周長為 C=。 假定人的正常行走步數(shù)為 500mm/s。 假定刀具所受的力全部來自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運動。 則 vFPP ff ??? 21 WPf ? 軸 Ⅰ 上的所傳遞的功率大小為： )()( 21 WPPP ff ???? ? 軸 Ⅱ 上的所傳遞的功率大小為： ）（ 21 ?? ??? ??PP 輪子所傳遞的功率大小為： ）（輪 2 ?? ? ?P 濟南大學畢業(yè)設(shè)計 17 齒輪設(shè)計思路及要求 手推式 割 草機中的齒輪設(shè)計要求 （ 1） 合理選用模數(shù)： 在現(xiàn)代變速 箱設(shè)計中，各檔齒輪模數(shù)的選擇是不同的。但為了經(jīng)濟性和用途的要求， 初選模數(shù)： m=2。 （ 2） 合理選用壓力角： 對于同一分度圓的齒輪而言，若其分度圓壓力角不同，基圓也就不同。當壓力角越大時，基圓直徑就越小，漸開線就越彎曲，輪齒的齒根就會變厚，齒面曲率半徑增大，從而可 以提高輪齒的彎曲強度和接觸強度。 （ 3） 合理選用螺旋角： 為了保證齒輪傳動的平穩(wěn)性、低噪聲和少沖擊，所有齒輪都要選擇較大的螺旋角，一般都在 30176。 左右。 （ 4） 分析齒頂寬： 對于正變位齒輪，隨著變位系數(shù)的增大，齒頂高也增大，而齒頂會逐漸變尖。所以必須對齒輪進行齒頂變尖的驗算。 （ 5） 手推式 割 草機中齒輪強度的計算方法概述 我國的國家標準局所發(fā)表的漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法是參照國際標準化組織的計算方法所制定的，該方法比較全面地考慮了影響齒輪承載能力的各種因素，現(xiàn)已成為目前最精確的、綜合的齒輪強度計算方法。 影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個方面，分別用四個系數(shù)來修正名義載荷，這四個系數(shù)分別為使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)。 各種齒輪強度計算方法所采用的動載系數(shù) Kv 在形式上有很大的差別，考慮的因素也不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒向載荷分布系數(shù)的計算方法各不相同。 各種齒輪強度計算方法所采用的齒間載荷分配系數(shù)的處理上有很大差別。 從以上 幾 點可看出國際標準化組織 ISO 的齒輪強度計算方法是一種比較合理、精確的方法，所以在本論文中齒輪的設(shè)計計算采用此種方法。 齒輪在傳遞動力時，輪齒 處于懸臂狀態(tài)，在齒根產(chǎn)生彎曲應力和其它應力，并有較大的應力集中，為使齒輪在預定的壽命期內(nèi)不發(fā)生斷齒事故，必須使齒根的最大應力小于其許用應力。 齒輪設(shè)計 過程 （ 1） 輸出