【正文】 坪設(shè)備又投放市場(chǎng)，如 Mulching mower， Shredder，Lawndethatcher， String trimmer 等，以及清潔草坪用的 Blower， Lawn vacuum， Lawn sweeper 。 我國(guó)生產(chǎn) 草坪割 草機(jī)起步較晚，生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品用途單一，品種數(shù)量少，遠(yuǎn)不能滿足要求，而且質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家的相比也有很大差距。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1999年的 割 草機(jī)銷售量在 3 萬(wàn)臺(tái)左右，其中 80％為進(jìn)口； 2021 年我國(guó)各類草坪機(jī)械保有量達(dá) 13 余萬(wàn)臺(tái)， 割 草機(jī)進(jìn)口量在 3． 16 萬(wàn)臺(tái)左右 ；近兩年，草坪機(jī)械平均年增長(zhǎng)率達(dá)到 30％左右，國(guó)內(nèi)每年草坪機(jī)械的銷售總額大約為 1． 2 億～ 1． 3 億元人民幣，其中從國(guó)外進(jìn)口的機(jī)械占 85％，國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)的產(chǎn)品占 15％左右，其合計(jì)銷量約在 1萬(wàn)臺(tái)左右。按動(dòng)力又分為柴油機(jī)、汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī) 3 類驅(qū)動(dòng)。 割 草機(jī)的 割 草幅寬一般為 400～ lO00mm， 割 草高度從 0～ 100mm 有幾個(gè)調(diào)節(jié)擋位。滾刀的形狀像一個(gè)圓柱形鼠籠，切割刀呈螺旋形安裝在圓柱表面，滾刀旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)草莖相對(duì)于底刀產(chǎn)生一個(gè)逐漸切割的滑動(dòng) 割 切而將草莖 割 斷。滾刀式 割 草機(jī)是高質(zhì)量草坪最常用的 割 草機(jī)型，適用于草高 3～ 80mm 的草坪，其價(jià)格貴，維修保養(yǎng)要求嚴(yán)格。其工作裝置為一長(zhǎng)條形 割 草刀或多把 割 草刀在水平刀盤(pán)上，高速旋轉(zhuǎn)的刀刃與草莖碰撞而將其割斷，為無(wú)支承切割。 （ 3）甩刀式 割 草機(jī)： 其切割裝置由多把垂直于地面的刀片鉸接在旋轉(zhuǎn)組成的旋轉(zhuǎn)軸上， 當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力作用下，其刀片像垂直于軸芯的甩刀，端部刀刃不斷地沖擊切割草莖。 （ 4）甩繩式 割 草機(jī)： 其工作裝置是由一個(gè)內(nèi)裝尼龍繩的打草盤(pán)、背向人的護(hù)罩組成。由于尼龍繩是柔性的，其撞擊障礙物時(shí)退讓，不會(huì)損壞機(jī)器本身，也不會(huì)對(duì)障礙物有較大的破壞。手推式 割 草機(jī)由變速齒輪、端面齒輪、撥桿和刀 片 等構(gòu)件組成，端面齒輪和撥桿是一對(duì)工作組合。由于 割 草機(jī)變速變矩范圍不大，因此在刀具的選擇上尤其注意以提高 割 草機(jī)自身效率為重要原則。如圖 所示： 圖 機(jī)器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 主要 技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù) 該手推式割草機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù) 手推式草坪割草機(jī)的前進(jìn)是靠走輪，即靠人的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)。 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到以下數(shù)據(jù)： 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 成年男性身高： 18— 25 周歲 1554— 1830 毫米 26— 35 周歲 1545— 1851 毫米 35— 60 周歲 1554— 1798 毫米 平均身高： 18— 60 周歲 1543— 1814 毫米 成年女性身高： 18— 25 周歲 1457— 1709 毫米 26— 35 周歲 1449— 1698 毫米 36— 60 周歲 1445— 1683 毫米 平均身高： 18— 60 周歲 1449— 1697 毫米 成年男性臂長(zhǎng)： 18— 25 周歲 279— 350 毫米 26— 35 周歲 280— 349 毫米 36— 60 周歲 278— 348 毫米 平均臂長(zhǎng)： 18— 60 周歲 279— 349 毫米 成年女性臂長(zhǎng)： 18— 25 周歲 253— 319 毫米 26— 35 周歲 253— 320 毫米 36— 60 周歲 251— 317 毫米 平均臂長(zhǎng)： 18— 60 周歲 252— 319 毫米 立姿工作崗位工作高度： 男性： 950— 1050— 1150 毫米 1050— 1200— 1300 毫米 女性： 850— 950— 1050 毫米 1000— 1100— 1200 毫米 綜合以上因素，設(shè)計(jì)扶手以及支架的尺寸，并且根據(jù)不同性別和不同年齡將扶手高度和傾斜角度設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)的。 由《人機(jī)工程手冊(cè)》查得， 人體身高尺寸（成年男性）多在 170cm 左右。 設(shè)計(jì)原則：工作場(chǎng)地的高度取決于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、視野范圍等。（設(shè)計(jì)尺寸針對(duì)男性： 105— 115 毫米 針對(duì)女性：100— 110 毫米） B：虎鉗固定在工作臺(tái)上的高度： 113 毫米 C：輕手工工作。（男性： 80— 95 毫米 女性： 75— 90 毫米） 本課 題設(shè)計(jì)屬于 D 范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)。應(yīng)考慮到其結(jié)構(gòu)尺寸方面的因素，因而行走輪直徑不易過(guò)大。如果輪子直徑過(guò)小，則推行會(huì)較費(fèi)力，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要滿足人的推力在 200N 左右都能推動(dòng)這臺(tái)草坪機(jī)才可以。為了讓濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 操作者在正常行走速度下操作，傳遞出去的力應(yīng)通過(guò)增速機(jī)構(gòu)繼續(xù)傳遞。 通過(guò)分析得到手推式草坪 割 草機(jī)的組成框圖，如圖 所示。 （ 2） 用手驅(qū)動(dòng) 用手驅(qū)動(dòng)，可避免用腳驅(qū)動(dòng)時(shí)存在的問(wèn)題，使所設(shè)計(jì)的機(jī)器小巧，且可靈活操作。 （ 3） 用打的方式 即用刀片或打草繩將草打斷。 （ 4） 用 割 的方式 即用刀將草 割 斷，用兩個(gè)刀片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理較易將草 割斷，且不需要很高的速度。 手動(dòng)的形式又用手搖動(dòng)和用手推動(dòng)兩種。要使操作者只通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可完成 割 草動(dòng)作，可以用手推 割 草機(jī)向前行駛，靠 割 草機(jī)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)將轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成往復(fù)移動(dòng)而輸出到執(zhí)行構(gòu)件。 根據(jù)所查資料，可選用組合 — 變異法構(gòu)成初步方案。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)到直線往復(fù)移動(dòng)變換功能最簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，直線推桿盤(pán)狀凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪齒條機(jī)構(gòu) 。它的速度變化直接改變刀具的切 割 運(yùn)動(dòng)。 可以利用圓盤(pán)側(cè)面的形狀特征，為此圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)側(cè)面推動(dòng)固定在滑塊上的撥桿（可 橫向調(diào)整）左右運(yùn)動(dòng)，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(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 幾種增速方式的實(shí)現(xiàn)比較 （ 1） 用組合法實(shí)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(yīng)通過(guò)增速機(jī)構(gòu)繼續(xù)傳遞。為了使所設(shè)計(jì)的 割 草機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可以采用齒輪傳動(dòng)。但是蝸輪蝸桿傳動(dòng)的效率低，一般是蝸桿主動(dòng)，且軸線空間交錯(cuò)，應(yīng)用到 割 草機(jī)械中，會(huì)使支撐結(jié)構(gòu)復(fù)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(jiǎn)單，同時(shí) 割 草機(jī)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(jī)構(gòu)。 方案 1 利用梅花凸輪（凸輪廓線呈梅花狀）和連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)滑塊在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作原理如圖 所示。 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 圖 圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在圖 所示的梅花凸輪機(jī)構(gòu)中，為把凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)閳?zhí)行構(gòu)件的往復(fù)移動(dòng)需增加一個(gè)支點(diǎn)和一個(gè) 構(gòu)件兩個(gè)低副（或一個(gè)構(gòu)件一個(gè)高副），這樣會(huì)增加整個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，且設(shè)計(jì)時(shí) 下面的軸 應(yīng)該比 上面的軸 短（否則必然會(huì)增大梅花凸輪的尺寸，或者引起梅花凸輪邊緣曲線過(guò)度較急），這樣將減少傳送到滑塊上的力。 但是，我們還希望所設(shè)計(jì)的 割 草機(jī)能實(shí)現(xiàn) 割 草高度的調(diào)節(jié)。而圖 所示的端 面凸輪機(jī)構(gòu)，可以使推桿沿端面凸輪的任意弦上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀架上下運(yùn)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn) 割 草高度的調(diào)節(jié)。 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與用戶的一致性分析 （ 1） 從機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的功能出發(fā)，按變異 — 組合法和類比法完成機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和設(shè)計(jì) ； （ 2） 在作品樣機(jī)加工前，使用三維造型軟件進(jìn)行三維造型、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真 ； （ 3） 理論上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，然后進(jìn)行樣機(jī)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(jī)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)增速），提高整機(jī)的工作效率，解決了手動(dòng) 割 草機(jī)工作效率不高的問(wèn)題； （ 6） 采用端面凸輪機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而滿足 割 草運(yùn)動(dòng)要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的 問(wèn)題； （ 7） 采用的 割 草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，解決了目前手動(dòng) 割 草機(jī)不易實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)的問(wèn)題； （ 8） 產(chǎn)品成本（ 包括 制造和使用成本）低，符合廣大用戶購(gòu)買能力的要求?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖 所示： 圖 總體方案設(shè)計(jì) 方案的選擇 選擇這個(gè)設(shè)計(jì)方案能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞。采用齒輪機(jī)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)增速），提高整機(jī)的工作效率，解決了手動(dòng) 割 草機(jī)工作效率不高的問(wèn)題；采用端面凸輪機(jī)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)），將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而滿足 割 草運(yùn)動(dòng)要求，形狀類似冠輪，解決了端面凸輪加工難的問(wèn)題。 另一方案，用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直接帶動(dòng)割草圓盤(pán)，采用割草的方式。但草柔軟，且一端自由，采取割的方式將草截?cái)噍^難實(shí)現(xiàn)，割草的數(shù)目不多。 本次設(shè)計(jì) 采用的 割 草機(jī)方案結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與之相比軸的位置較為容易定位，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)的割草機(jī)一水平一豎直的軸造成了機(jī)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。同時(shí) 割 草濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 的數(shù)量較多，在功率一定得情況下效率 較 高。通過(guò) 對(duì) 實(shí)際運(yùn)用中割草機(jī)械的分析，可以假設(shè) 割 一根草所 需載荷為 f=，同時(shí) 割 草數(shù)量最多為 500根。假設(shè)輪子的直徑為 D=200mm；輪子周長(zhǎng)為 C=。 假定刀具所受的力全部來(lái)自輪子的轉(zhuǎn)矩所引起的運(yùn)動(dòng)。但為了經(jīng)濟(jì)性和用途的要求， 初選模數(shù)： m=2。當(dāng)壓力角越大時(shí)，基圓直徑就越小，漸開(kāi)線就越彎曲，輪齒的齒根就會(huì)變厚，齒面曲率半徑增大，從而可 以提高輪齒的彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。 左右。所以必須對(duì)齒輪進(jìn)行齒頂變尖的驗(yàn)算。 影響輪齒載荷的各種因素大致可歸納為四個(gè)方面，分別用四個(gè)系數(shù)來(lái)修正名義載荷，這四個(gè)系數(shù)分別為使用系數(shù)、動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算方法所采用的齒向載荷分布系數(shù)的計(jì)算方法各不相同。 從以上 幾 點(diǎn)可看出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 的齒輪強(qiáng)度計(jì)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(jì)計(jì)算采用此種方法。 齒輪設(shè)計(jì) 過(guò)程 （ 1） 輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)： 轉(zhuǎn)速 ）（ m in/ ????? Cn 軸 ? 上的轉(zhuǎn)速 m in )/( 3 9 rinn ??? ??? 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩 6??輪T 可得： N /m 2 3 3 4T ?輪 軸 ? 上的轉(zhuǎn)矩為 :211 iTT ???? 輪 =(N/mm) （ 2） 齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)： 選擇齒輪材料、熱處理、精度等級(jí)及其齒數(shù) 割 草機(jī)為一般工作機(jī)器，齒輪選擇常用材料及熱處理， 8 級(jí)精度。二者硬度相差40HBS。 小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： 1160 hN jnL? 可得： 1N = 810? 大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為： 712 ??? iNN （ 5） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 查得接觸疲勞壽命系數(shù)：小齒輪 1 ? , 大齒輪 2 ? 接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ? ? ? 有公式： )(]S[K][ H 1H limH N 11H Mpa?? ?? 濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 )(]S[K][ H 2H limH N 12H Mpa?? ?? 試算小齒輪分度圓直徑 ? ?2131 2 1 EHtHK T Z Zuddu??????? ???? 可得： td1 =(mm) 為了保證制造工藝簡(jiǎn)單，取 td1 =40(mm) 模數(shù)： 11 4( )dm mmz?? 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù) 2( )m mm? 小齒輪分度圓直徑： )(4611 mmmzd ?? 大齒輪分度圓直徑： )(13822 mmmzd ?? 大齒輪齒寬 )( mmdbB d ??? ? ,圓整取 37b mm? ； 小齒輪齒寬 1 42B mm? (加寬 5mm) 中心距 )(922)( 21 mmdda ??? 小齒輪齒全高 )(