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动力 滚刀式 草坪 修剪 设计

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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）中期检查表学 部： 理工学部 学生姓名黄铭安学 号200841914329年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导教师姓名汤兴初指导教师职称副教授毕业论文（设计）题目无动力滚刀式草坪修剪机设计工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题（宋体五号，行间距单倍行距）（宋体五号，行间距单倍行距）指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日检查（考核）小组意见检查小组组长签名： 年 月 日湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计）开题论证记录学 院： 东方科技学院 学生姓名黄铭安学 号200841914329年级专业及班级2008 级 机械设计制造及其自动化 （三）班指导教师姓名汤 兴 初指导教师职称副 教 授论文（设计）题目无动力滚刀式草坪修剪机设计论证小组质疑：1、 对于不同的草坪高度怎么调整2、 在一般情况下，转速的高低对类型的选择有什么影响3、 怎样处理草屑学生回答简要记录：1. 剪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2. 在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速教高的时候，才会有比较显著的影响3. 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），以便于洒落在草坪下及时腐烂。 论证小组成员签名 论证地点： 论证时间：20 年 月 日注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计无动力滚刀式草坪修剪机设计THE DESIGN OF NO POWER HOB MOWER IN LAWN学生姓名: 黄铭安学 号: 200841914329年级专业及班级:2008级机械设计制造及其自动化(3)班指导老师及职称: 汤兴初 副教授学 部: 理工学部湖南长沙提交日期：2012 年 5月湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业论文（设计）诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计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。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 3关键词 31 前言 41.1 无动力滚刀式草坪修剪机的背景41.2 无动力滚刀式草坪修剪机的发展趋势41.3 无动力滚刀式草坪修剪机71.4 本课题的设计任务72 手推式草坪修剪机的总体设计72.1 工作原理82.2 手推式草坪修剪机主要的结构82.2.2 剪草机构92.3 用组合法实现增速112.4 刀架高度调节机构113 手推式草坪修剪机机械结构设计计算113.1 传动系统113.1.1 齿轮的确定113.1.2 轴的确定243.2 剪草机构303.2.1 底刀的设计313.2.2 滚刀的设计314 结束语32参考文献32致 谢33附录33 无动力滚刀式草坪修剪机设计学 生: 黄铭安指导老师: 汤兴初(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)摘 要:草坪是现代社会的重要组成部分，也是社会文明及环境的重要标志。近年随着草坪面积的增加，对草坪的护养也随之增加。手推式草坪修剪机通过齿轮传动机构把驱动轮的扭矩传给滚刀使滚刀旋转，利用滚刀与底刀相切形成剪刀原理对草坪进行剪切的。本文对草坪修剪机的工作原理，传动系统和剪草机构等具体结构做了详细介绍，并且重点计算确定了传动系统中齿轮和轴的基本尺寸，对各个标准零件、非标准零件的选取也做了相应的计算。在计算数据的基础上用Auto CAD完成无动力草坪修剪机的装配图、部分非标准件的零件二维图,并用Solid Edge完成所有零件的三维造型和装配。该机具有无污染、无噪音、无振动等优点，适用于庭院草坪，小面积草坪，园林区域草坪。关键词：草坪；草坪修剪机；滚刀 The Design of No Power Hob Mower in LawnStudent: Huang Ming anTutor: Tang Xing chu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract:The lawn is the important part in the modern society, which is an important symbol of the social civilization and the environment. In the recent years, with the increment of lawn area, the lawn cultivating is also increased. Hand mower in lawn is a machine which transfers the running of the wheel to the spiral hob by the gear wheel box. The spiral hob meshes with the fixed tool, which likes a pair of scissors, and cuts down the grass. In this paper，the work principle of the hand mower in lawn, the transmission part, the cut part and the adjusting part are reviewed. The design of the wheels and axes of the gear box is particularly studied. And the choice of the standard parts and non-standard parts is also particularly discussed. The assembly drawing of the machine and drawings of non-standard parts are finished by Auto CAD. Moreover, the three-dimensional shapes are finished by Solid Edge. The machine has many merits which traditional lawnmower does not have, such as without air pollution, noises, vibration and so on. It is fit for court lawn, small area lawn and riot region lawn. Key words: Lawn；mower in lawn；Hob1 前言1.1 无动力滚刀式草坪修剪机的背景 在剪草机问世之前，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剪草机，1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机做动力的滚筒式剪草机，其原理至今还在使用。在西方发达国家，20世纪初期，剪草机就得到了快速的发展。我国目前生产的剪草机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。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剪草机。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剪草机械，如牧场的割草机。1.2 无动力滚刀式草坪修剪机的发展趋势从世界上第一台滚刀式剪草机的问世,到现在已经过了100多年 ,原来主要应用于牧场的机械已经发展成为有几十个品种,适用于不同场合的剪草机。根据其工作原理和形式可分为滚刀式、悬刀式和扫雷式三种类型。我国生产剪草机起步较晚,生产企业规模普遍较小，产品用途较为单一，均没有形成规模批量，所以长期以来,草坪剪草机均以进口为主。据统计，到1999年底我国有各种园林机械保有量达10万台，1999年的剪草机销售量在3万台左右，其中80%为进口。据调查，国内生产剪草机的厂家约有50家左右。多数为园艺系统的公司以及转产剪草机的机械厂。市场上草坪修剪机的品牌很多，有进口产品，也有国内制造和中外合资的。功率从2.616.2 kW，剪幅从43.2127cm。国内生产厂家主要有：中美合资江苏淮阴泛亚园林机械有限公司,生产立特牌NEAT 草坪剪草机，占国内市场50%，现年产5000台。目前正着手进行年产5万台剪草机的技术改造，其动力选用日本本田发动机。安徽飞彩车辆股份有限公司“十五”期间将进行技术改造，计划年产6万台剪草机。其中代表产品之一是手扶式宽幅剪草机系列，年产5万台, 以22161型为例，发动机为4 冲程,418 kW，剪草宽度53cm,自走式；代表产品之二是驾乘式剪草机系列，年产1 万台,以16238HXL型为例，为4冲程，11.7kW,97cm循环剪草，带驱动。表1 进口剪草机的主要品牌和售价Table1 Major brands and price of the imported lawnmower国别 型式 价格日本 本田H1011 坐骑式带草袋76 cm 5. 2 万元/ 台H3011坐骑式带草袋71 cm 5. 8 万元/ 台LM5360HX自行可控刀式带草袋53 cm 1. 08 万元/ 台美国 MID(美神) ：LM5360HX自行可控刀式带草袋53 cm 1. 08 万元/ 台B560C 坐骑式带草袋76 cm 2. 98 万元/ 台138C 自行式侧除草53 cm 0. 5 万元/ 台Murray(美丽)：2. 62. 8 kW手推式后草袋型22355 型、22545 型手推式侧排草21386 型手推式、21855 型自行式意大利 花园牌：R484TR 自行式带草箱46 cm 0. 43 万元/ 台瑞典 R484 手推式带草箱46 cm 0. 38 万元/ 台Husovarna 系列剪草机根据国外有关专家的研究,城市人均应有2530 的草坪才能解决人们的二氧化碳和氧气交换的需要。下面是国外一些城市人均草坪面积与中国及北京的对比表如表2所示。表2 国外一些城市和中国及北京人均草坪面积 Table2 Some foreign cities and the lawn area per capita in china and Beijing名称 面积/ 名称 面积/ 伦敦 70. 4 巴黎 24. 7纽约 45. 7 堪培拉 70. 5莫斯科 37. 0 中国 1华沙 73. 5 北京 8从上表可以看出，我国人均占有草坪面积与发达国家相比,有着较大的差距。全国城镇人均草坪面积为1，按中国目前城镇人口3亿人计算，全国现有各类草坪面积约为3 万，若每公顷需5台剪草机,现有市场容量就达15万台。随着中国经济的快速发展,剪草机的市场容量将成倍增长。新建草坪有两种方式,一种是以种草种为主,另一种是移植草皮。据不完全统计,历年进口草种的吨数如下，1995年前约为6000t ,1996年为2500t，1998年为5000t，1999 年为6000t 。一般1需20g 草种，按此计算，1999年种草面积为3万，移种面积为9万,共约12万，若按每公顷需5台剪草机，仅1999年时就需剪草机60万台。按国家建设部规定，2000年后城市绿化面积需达到30%。目前深圳、珠海、厦门等城市的绿化面积已超过此值。城市人均绿地面积需达到7 以上。专家按此标准测算,2000年至2005年重点绿化目标有24万km 的堤坝,3 亿城市居民公共绿地的建设,6 个飞机场的扩建,80余个高新技术开发区,2000个高标准足球场、网球场,200个高尔夫球场,至少需植草坪30多万 。今后6 年平均每年约需56万草坪,约需剪草机30万台。在草坪的建设过程中,随之而来的相关园林设备的市场无疑是十分广阔的。1.3 无动力滚刀式草坪修剪机 国内目前生产的剪草机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。适用于草高380 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2580 mm 范围内剪草。由于其价格低廉,保养、维修方便，使用灵活，只要将刀磨快，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剪草机。以动力划分可分为机动和人推两类。人推的主要是滚刀式，机动的分柴油机、汽油机和电动机三种。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剪草机械，如牧场的割草机。在草坪建设中，草坪修剪机是主要的机械设备之一。目前，大片草坪的修剪，一般是使用小型汽油机为动力的草坪修剪机，其速度快，效率高。但对小面积的草坪，如庭院式草坪，使用机动式草坪修剪机就显得“大材小用。它不仅消耗地球上有限的能源，排出的废气对环境造成污染，工作中发动机产生的高分贝噪音对操作者听力造成伤害，同时也严重干扰了附近居民的正常生活；而且，这种类型的草坪修剪机在工作中常伴有强烈的振动，对操作者的双手和身体都有很大的伤害，普通的家庭妇女和有心帮助父母做家务的青少年也很难对其进行正常操作。无动力滚刀式草坪修剪机正是针对这样的情况而设计的，它不需要能源，具有结构简单、体积小、无噪音、无污染、无振动等优点，适用于小面积草坪，庭院式草坪，防暴区域草坪等的修剪。另外，它还备有由蓄电池驱动的小型电动机，在操作者体力欠佳或不愿意过度疲劳的情况下，可以替代人力驱动滚刀进行修剪。随着人民生活水平的不断提高和庭院式草坪的增加，手推式草坪修剪机将拥有更广阔的市场，成为对庭院式草坪进行修剪养护的理想机具。1.4 本课题的设计任务本课题要求通过手推式草坪修剪机构造及工作原理的了解分析，深入理解其整体系统的结构原理，进行系统总体设计、附件的详细设计、并对其部分零件进行强度校核。这次课题设计的手推式草坪修剪机，主要设计参数如下：1)修剪幅宽0.4m，修剪高度（离地）5-10cm修剪草高20cm以下；修剪效率200/小时2)修剪机重量；15kg;扶把高度1.2-1.5m可调3)滚刀式手动螺旋搅龙式刀片2 手推式草坪修剪机的总体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。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。(1)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）(2)轻手工工作（男性：95100 毫米 女性：9095 毫米）(3)用劲大的工作（男性：8095 毫米 女性：7590 毫米）本设计属于(3)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，因而外轮直径不宜过大。如果轮子直径过大，则推行起来比较容易，比较省力，但是达不到往复式切割的速度要求，其速度要求要大于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。2.1 工作原理无动力手推式草坪修剪机结构如图1所示。其底部装有四个轮子，可随意移动。剪草时，手扶手把向前推动剪草机，两个前轮（即驱动轮）沿地面向前滚动。前轮内镶有内齿轮，通过三级增速传动机构，将前轮的转动传给滚刀轴，从而带动滚刀向前旋转。螺旋状的滚刀刃与底刀刃相切作用形成剪刀原理，构成一对剪刀，将由滚刀揽至的草茬剪断，剪断的草将沿滚刀旋转方向被带入集草袋，或因草屑很短，将其留置草坪中，成为肥料。考虑到剪草劳动强度比较大，对操作者的体能有一定的要求，在未镶有内齿轮的另一前轮内安装了由蓄电池驱动的小型直流电动机，用套筒联轴器将其转动轴与滚刀轴联结。当操作者不使用前轮滚动来驱动滚刀时，可将蓄电池接上，滚刀便由直流电动机驱动。滚刀的转动反传给带超越离合器的齿轮，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，和由前轮传给轴的转动不发生干涉。因此,当推动剪草机向前运动时滚刀正向旋转,相反当拉动剪草机向后运动时滚刀因超越离合器的作用而静止不动,从而可以获得平坦光滑的草坪。图1 剪草机视图Fig1 Lawnmower view2.2 手推式草坪修剪机主要的结构手推式草坪修剪机的总体机构可分为两大部分：传动系统和剪草机构。2.2.1 传动机构传动系统是修剪机传动与变换动力的装置。(1)传动的重要性。工作机一般都要靠原动机供给一定形式的能量（绝大多数为机械能）才能工作，但是把原动机和工作机直接连接起来的情况是很少的，往往需要在二者之间加入传递动力或改变运动状态的传动装置。其主要原因是：1)工作机所要求的速度，一般与原动机的最优速度不相符合，故需增速或减速（实用中多为减速）。此外，原动机的输出轴通常只作匀速回转运动，但工作机所要求的工作形式却是多种多样的，如直线运动，间歇运动等。2)很多工作机都需要根据工作要求而进行速度调整，但依靠调整原动机的速度来达到这一目的往往是不经济的，甚至是不可能的。3)在有些情况下，需要用一个工作机带动几个工作速度不同的工作机。4)为了工作安全及维护方便，或因机器的外廓尺寸受到限制等其他原因有时不能将原动机和工作机直接连接在一起。由此可见，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。2.2.2 剪草机构(1)剪切装置。剪切装置由滚刀和底刀组成，滚刀和底刀结构如图2 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2 滚刀和底刀外形图 Fig2 The outline of the hob and the bottom knife(2)刀刃间隙调整装置。滚刀和底刀间的间隙，对剪草机构的性能影响很大。间隙太大，草茬不容易被切断；间隙太小，刀刃容易磨损，且切削负载加大。因此要调整好此间隙的大小。刀刃间隙是通过调整底刀架相对滚刀的位置实现的。调整时，左右螺栓必须均匀地进行。首先拧松底刀的固定螺栓，旋转手轮，使螺栓旋转，进而使底刀架前后移动，根据剪草需要选择底刀和滚刀的间隙。以滚刀能用单手轻轻拨动，两刀刃口在全刃内微微相檫，均匀切合，并能剪去0.1mm厚的纸片时为最佳的调整位置。选好后将固定螺栓拧紧，即完成底刀和滚刀刀刃间的间隙调整。(3)剪草高度调整装置。剪草高度调整装置由装配图中的调节高度块、支架、螺栓、螺母组成。调整底刀刀刃距地面的高度，即可以调整草坪保留的高度。调节高度块上开有三个圆孔，最下面一个13mm的圆孔与后轮轴联结，只要将上面两个11mm的圆孔之一与支架上三个同直径的圆孔之一对齐，用螺栓将其联结，就可以达到调整剪草高度的目的。把螺母拧下，将螺栓取出，根据剪草高度需要选择调节高度块上合适的圆孔之一与支架上圆孔之一配合，用螺栓固定，然后将螺母拧紧，就可完成对剪草高度的调整。(4)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。2.3 用组合法实现增速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。由于转换机构的运动输入构件作定轴转动，这样在剪草机动力输入构件轮子和执行构件滚刀之间，可以采用链传动，带传动和齿轮传动。由此，设计了以下几种传动方案。为了让设计的剪草机结构紧凑，可以采用齿轮传动。而齿轮传动有直齿圆柱齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动和蜗轮蜗杆传动等。由于蜗轮蜗杆传动的传动效率低，一般是蜗杆为主动轮，且轴线空间交错，用来做剪草机，会使得支撑结构复杂。圆锥齿轮传动的轴线相交，且其中一个齿轮需悬挂，也会使剪草机机构复杂。直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的轴线互相平行，支撑结构较简单，同时剪草机的速度不高，载荷也不大，因此，可以选择直齿圆柱齿轮作为增速机构。由于齿轮传动的传动比不能太大，增速不够明显，因此采用直齿轮加链轮传动的组成方案。机构组成方案如图3所示。图3 传动简图Fig3 Transmission diagram2.4 刀架高度调节机构我们还希望所设计的剪草机能实现剪草高度的调节。要实现此功能，还需要增加一个能使刀架（包括活动刀片和固定刀片）沿垂直方向移动的移动副，同时又要保证两链轮之间的中心距保持不变，因此选用曲面滑块,如图4所示。图4 曲面滑块Fig4 Surface slider3 手推式草坪修剪机机械结构设计计算3.1 传动系统手推式草坪修剪机的传动系统由齿轮、轴、轴承和离合器等组成，下面着重介绍齿轮和轴的确定、计算和校核。3.1.1 齿轮的确定(1)选定齿轮的类型，精度等级，材料以及齿数1)按照图21所示的传动方案，因为齿轮受轴向力很小，故选用直齿圆柱齿轮传动，制作比较简单可以降低成本。2)该剪草机工作时的速度较低，所以选择8级精度（GB10095-88）。3)材料选择。由轮齿的失效形式可知，设计齿轮时，应该使齿面具有较高的抗磨损、抗点蚀、抗胶合以及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断的能力。因此，对齿轮的材料性能基本要求为：齿面要硬、齿芯要韧。一般齿轮材料有钢，铸铁，以及非金属材料。齿轮材料的选择原则：齿轮材料必须满足工作的要求；应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型的方法以及热处理和制造工艺：如正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可以用于制作在中等冲击载荷平稳下工作的齿轮；合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下的齿轮；飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢；金属制作的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为3050HBS或更多。由剪草机的工作条件可知对齿轮材料要求不高，而且大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，因此可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。根据齿轮材料选择的原则以及常用材料的力学特性选择大小齿轮的材料为ZG310-570，采用表面淬火。由原始数据选定电动机型号为Y160M-4。滚刀轴转速为1000r/min。初步估计轮子直径320mm，内齿轮直径270mm；根据需要滚刀每秒次数为20转左右，定传动比为。由此可以得出转矩T为：T=11042Nmm齿轮1，2的确定及计算1)初步计算转矩根据以上数据计算得 =11042Nmm 齿宽系数 由参考书表12.13，取得 =1.0接触疲劳极限 由参考书图12.17d =1250MPa 参考书图12.17c =710MPa初步计算的许用 0.9接触应力 =0.91250 =1125 MPa 0.9 =0.9 710 =639MP值 由参考书表12.16，取=85 =85初步计算齿轮1的直径 （1）其中：为转矩；为齿宽系数；为接触应力。 =85 （2） =28.1mm 取=30mm初步齿宽 =1.030 =30mm 2)齿轮1，2的校核计算圆周速度 = （3）= m/s精度等级 由参考书表12.6 选8级精度齿数和模数 初取； 由参考书表12.3，取mm mm则，圆整取 齿轮1直径 mm mm mm mm使用系数 由参考书表12.9 动载系数 由参考书图12.9 齿间载荷分配系数 由参考书表12.10，先求 N （4） N/mm （5） N/mm 由此得 齿向载荷分布系数 由参考书表12.11 （6） 其中：。载荷系数 （7） 弹性系数 由参考书表12.12 节点区域系数 由参考书图12.16 接触最小安全系数 由参考书表12.14 总工作时间 预期使用寿命10年，每年100个工作日，每个工作日时间为2h，则： h应力循环次数 （8） 接触寿命系数 由参考书图12.18 许用接触应力 MPa MPa验算 （9） MPa 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。(3)确定齿轮1、2传动主要尺寸实际分度圆直径 mm mm mm mm中心距 mm mm齿宽 mm 取mm mm其它尺寸 ： mm mm mm mm mm mm mm mm(4)齿轮1、2齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 齿间载荷分配系数 由参考书表12.10， 齿向载荷分布系数 由参考书图12.14 载荷系数 齿形系数 由参考书图12.21 应力修正系数 由参考书图12.22 弯曲疲劳极限 由参考书图12.23c MPa MPa弯曲最小安全系数 由参考书表12.14 应力循环次数 弯曲寿命系数 由参考书图12.24 尺寸系数 由参考书图12.25 许用弯曲应力 (4) MPa MPa验算 （10） MPa MPa 传动无严重过载，故不作静强度校核。(5)齿轮3、4、5的确定计算。齿轮3用20Cr，渗碳淬火+低温回火处理，硬度为5662HRC，平均取59HRC；齿轮4用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取260HB；齿轮5用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取240HB。计算步骤如下：1)初步计算转矩 Nmm齿宽系数 由参考书表12.13，取得 接触疲劳极限 由参考书图12.17d 参考书图12.17c 初步计算的许用 接触应力 值 由参考书表12.16，取=85 =85初步计算齿轮3的直径 ： （11） mm 取mm初步齿宽 mm2)齿轮3校核计算圆周速度 m/s （12）精度等级 由参考书表12.6 选8级精度齿数和模数 初取 mm 由参考书表12.3，取mm mm 则 mm使用系数 由参考书表12.9 动载系数 由参考书图12.9 齿间载荷分配系数 由参考书表12.10，先求 N （13） N/mm N/mm 由此得 齿向载荷分布系数 由参考书表12.11 （14） 载荷系数 弹性系数 由参考书表12.12 节点区域系数 由参考书图12.16 接触最小安全系数 由参考书表12.14 总工作时间 应力循环次数 接触寿命系数 由参考书图12.18 许用接触应力 MPa （15） MPa 验算 （16） MPa 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。3)确定传动主要尺寸实际分度圆直径 mm mm中心距 mm齿宽 mm 取mm mm其它尺寸 ： mmmm mm mm mm mm mm mm4)齿轮3齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 齿间载荷分配系数 由参考书表12.10， 齿向载荷分布系数 （17） 由参考书图12.14 载荷系数 齿形系数 由参考书图12.21 应力修正系数 由参考书图12.22 弯曲疲劳极限 由参考书图12.23d MPa 参考书图12.23c MPa弯曲最小安全系数由参考书表12.14 应力循环次数 弯曲寿命系数 由参考书图12.24 尺寸系数 由参考书图12.25 许用弯曲应力 MPa MPa验算 （18） MPa MPa 传动无严重过载，故不作静强度校核。5)齿轮4、5齿面接触疲劳强度校核计算转矩 Nmm齿数和模数 分度圆直径 mm mm 齿宽 由mm取 mm齿宽系数 圆周速度 m/s精度等级 由参考书表12.6 选8级精度使用系数 由参考书表12.9 动载系数 由参考书图12.9 齿间载荷系数分配系数 由参考书表12.10，先求： N （19） N/mm N/mm 由此得 齿向载荷分布系数 由参考书表12.11 （20） 载荷系数 弹性系数 由参考书表12.12 节点区域系数 由参考书图12.16 接触最小安全系数 由参考书表12.14 总工作时间 应力循环次数 接触寿命系数 由参考书图12.18 许用接触应力 MP验算 MPa 计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。6)齿轮3、4齿根弯曲疲劳强度验算重合度系数 齿间载荷分配系数 由参考书表12.10， 齿向载荷分布系数 由参考书图12.14 载荷系数 齿形系数 由参考书图12.21 应力修正系数 由参考书图12.22 弯曲疲劳极限 由参考书图12.23c MPa MPa弯曲最小安全系数 由参考书表12.14 应力循环次数 弯曲寿命系数 由参考书图12.24 尺寸系数 由参考书图12.25 许用弯曲应力 MPa MPa验算 Mpa MPa 传动无严重过载，故不作静强度校核。3.1.2 轴的确定(1)轴的材料选择。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常用的是45号钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。必须指出：在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。根据轴的常用材料及其主要力学性能，结合此处的实际的情况，所受载荷小而且转速低所以三个轴均选择用45钢（调质）。(2)轴1的计算。材料选用40Cr，轴以传递转矩为主，所以只要进行许用切应力计算即可。1)估算轴径 （21）mm 取mm。2)轴的结构设计。轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置以及形式；轴上零件的类型，尺寸，数量以及和轴联接的方法；载荷的性质，大小，方向以及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素较多，而且结构形式又要随着具体情况的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。设计时必须针对不同情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应该满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈和轴承端盖等来保证的。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外，轴肩过多时也不利于加工。因此，轴肩定位多用于轴向力较大的场合。套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位，以免增大套筒的质量及材料用量。因套筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒定位。圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母与止动垫片两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时，也常采用圆螺母定位。轴承端盖用螺钉或榫槽与箱体联接而使滚动轴承的外圈得到轴向定位。在一般情况下，整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。轴上零件的周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键花键、销紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。为了使与轴作过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥度；或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23mm。由于齿轮直径较小，轴的直径也很小，所以做成齿轮轴的形式，如图5所示。图5 轴1 Fig5 Axis one3)轴承的选择。滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造即供应各种规格常用的轴承。 与滑动轴承相比，滚动轴承的优点：1)一般条件下，滚动轴承的效率和液体动力润滑轴承相当，但较混合润滑轴承要高一些；2)径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧可用预紧力消除游 隙， 运转精度高；3)对于同尺寸的轴径，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的 轴向结构紧凑；4)大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷，故轴承组合结构简单；5)消耗润滑剂少，便于密封，易于维护；6)不需要有用有色金属；7)标准化程度高，成批生产，成本低；与滑动轴承相比，滚动轴承的缺点：1)承受冲击载荷能力较差；2)高速重载载荷下轴承寿命较低；3)振动及噪声较大；4)径向尺寸比滑动轴承；选择轴承的主要考虑因素是极限转速、要求的确良寿命和载荷能力，其它的因素则有助于确定轴承类型、结构、尺寸及公差等级和游隙工求的最终方案。类型选择，各类滚动轴承具有不同的特性，适用于各种机械的不同使用情况。选择轴承类型时，通常应考虑下列因素。一般情况下：对承受推力载荷时选用推力轴承、角接触轴承，对高速应用场合通常使用球轴承，承受重的径向载荷时，则选用滚子轴承。总之，选用人员应从不同生产厂家、众多的轴承产品中，选用合适的类型。轴承所占机械的空间和位置在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择滚动轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。滚子轴承用于承受较重的载荷，球轴承用于承受较轻的或中等载荷，渗碳钢制造或贝氏体淬火的轴承，可承受冲击与振动载荷。在载荷的作用方向方面，承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。承受较小的纯轴向载荷时，可选用推力球轴承；承受较大的纯轴向载荷时，可选用推力滚子轴承。当轴承承受径向和轴向联合载荷时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。对于悬臂支撑结构，常采用圆锥滚子轴承或角接触球轴承，且成对使用。根据轴径选取型号: 选用两对型号为6003的深沟球轴承，其基本参数如下：。4)轴上零件的固定。由于轴跨距较短（L400mm），在常温下工作，所以支点采用两端单向固定的方式，每个轴承分别承受一个方向的轴向力，轴承两端各用轴肩固定内圈，弹性挡圈固定外圈。(3)轴2的计算。材料选用40Cr，轴以传递转矩为主，所以只要进行许用切应力计算即可。1)估算轴径 （22） mm 取20mm。2)轴的结构设计如图6所示。图6 轴2 Fig6 Axis two3)轴承的选择。根据轴径选取型号: 选用两对型号为 6202 的深沟球轴承，其基本参数如下：。4)轴上零件的固定。齿轮3向右用轴肩定位，向左用套筒，套筒内径取15mm，外径取25mm；同样齿轮2向左用轴肩定位，向右用套筒，套筒内径取15mm，外径取25mm；轴承两端各用套筒固定内圈，弹性挡圈固定外圈。(4)轴3的计算1)估算轴径 mm 取20mm。2)轴的结构设计。图7 轴3 Fig7 Axis three3)轴承的选择。根据轴径选取型号:选用两对型号为 60024的深沟球轴承，其基本参数如下：。4)轴上零件的固定。齿轮4向右用轴肩定位，向左用套筒，套筒内径取20mm，外径取28mm；左端轴承用套筒固定内圈，弹性挡圈固定外圈；右端轴承用轴肩固定内圈，弹性挡圈固定外圈。3.1.3 离合器本文中选用带超越离合器的齿轮取代了一般的离合器，目的在于更好的完成齿轮的离合。如图7所示。当用人工为动力时，齿轮完成啮合，正常传动，使整个系统顺利完成工作。图8 带超越离合器的齿轮Fig8 With overrunning clutch gear3.2 剪草机构3.2.1 底刀的设计剪草过程中，底刀固定，滚刀旋转与之相切，形成剪刀式剪切原理来切断草茬，底刀宜有一定的倾斜角，即前角。由于底刀很薄，取该角30。3.2.2 滚刀的设计(1)滚刀螺旋角的确定。滚刀基本参数：直径：150mm；滚刀长度：350mm；滚刀片数：5。如图3.6所示，Px为螺旋线导程，L为滚刀长度，D为滚刀直径。由图8所示可知： 图9 滚刀 Fig9 HobPx=5L=5350=1750mm螺旋角公式： （23）从而可以求得：=15.06。考虑到剪草的连续性，实际的螺旋角应该比该值大，取。(2)滚刀前角和后角的选择。前角决定切削刃的锋利程度和刃口强固程度。锋利的刀片刃口会使被切割的草坪获得较高的平滑度，而钝的刃口则会使草坪分叉、粗糙不平。因此保持刀片刃口的锋利是非常重要的。因此前角对剪草质量有着至关重要的影响。前角越大，切削刃越锋利，切削力越小，滚刀的磨损越小。剪草过程中滚刀的切削力很小，前角增大对刃口强度和刀具耐用度的影响很小。综合考虑多种因素，最终取滚刀法向前角=30。 后角的大小影响后刀面与草坪之间的摩擦，对剪草质量有重要影响。增大后角，刃口锋利，更易切入。考虑到滚刀用来剪草，并且滚刀和底刀相互作用形成剪刀式剪切原理，所以滚刀刀刃的后角取较大值，以保证获得锋利刀刃，决定取后角=20。(3)假设每次剪断一根草的阻力为1N，而一次性可以剪400根草，所以可以得每次剪草时，切割阻力为400N。4