剪草机设计Word文档格式.docx

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通过市场调研，我们决定设计一种无引擎驱动，无噪音污染，剪草高度可调节，轻便简洁，操作方便和美观实用适用于一般用户的草坪剪草机。

该产品主要用于家用，及面积不大的草坪修剪。

无需引擎，可谓绿色环保的剪草机。

对提倡环保的地域，是理想的剪草工具。

1.3主要技术指标和重要技术参数

1.3.1该手推式剪草机的总体设计参数

外形尺寸：

输入功率：

轮子转速：

力矩：

净质量：

变速要求：

单级刀具，一固定刀片和一活动刀片相互运动

单根剪草载荷：

同时剪草量：

1.3.2该手推式剪草机的刀具设计参数

表1-1刀具设计参数

项目

切割器的形式

切割幅宽

刀片间距

刀片运动形式

刀片往复频率

刀片形状

配套动力

操作人数

净重

手推式剪草机

往复切割

240mm

20mm

单动

860r/min

平形

149.1W

113r/min

1人

30kg

1.4主要工作原理

本次设计的手推式剪草机主要利用轮子运动传动变速箱中的齿轮实现刀具的往复运动的功能。

手推式剪草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和剪刀等构件组成，端面齿轮和拨杆是一对工作组合。

端面齿轮通过自身的转动将旋转方向的力传动给拨杆，引起水平方向的往复运动，从而使刀具自身往复运动。

由于剪草机变速变矩范围不够大，因此在刀具的选择上尤其注意以提高剪草机自身效率为重要原则。

剪草机工作时由人推动机器行走，从而使剪草机的后轮1传动，带动与其同在一根轴上的大齿轮2传动，通过齿轮2与齿轮3组成的增速机构使速度得以提升，并带动端面凸轮4（为了实现几何形状封闭和便于调整，采取两个端面凸轮以背靠背形式装配）回转，端面凸轮4带动拨杆5运动，通过端面凸轮4与拨杆5组成的转换机构将回转运动变为直线往复运动，使固定其上的活动刀片与固定在机架上的固定刀片形成相对交错运动，完成剪草动作。

如图1—1所示：

图1—1机器的运动简图

1.5国内外研究现状

1.5.1国内外发展概述

l9世纪中叶，大部分的草坪还在使用镰刀来割草或放牧牛羊来保持草地的整齐性。

随着高尔夫球、网球及足球等运动的兴起，保持完善的草地做运动场便成为当务之急。

英国人EdwinBudding利用旋转式机械工作的原理发明了滚刀式剪草机，该产品的问世在英国受到了广泛的欢迎，随后传人美国。

1868年，美国第一台剪草机取得专利，美国的草坪业也由此起步。

不过几年，便有37项有关剪草机的发明获得专利。

到1881年，总共有4万多台剪草机被生产和销售。

最初的剪草机均为人力驱动；

1890年，在英国开始设计有动力驱动的剪草机。

从最初的蒸汽动力驱动发展到小型内燃机动力驱动；

1909年，美国科学家Leoni取得了动力型机械式剪草机专利，尽管剪草机由汽油机驱动，但整个装置仍由马拉行走。

在草坪修剪机械发展的历史上，第二次世界大战是一个转折点。

在20世纪30年代前后，每年生产的各类剪草机数量约3万台左右。

战后，美国经济得到复兴，允许现役军人低价买房不付现金，大批建设房屋并出售，促使草坪修剪机械得到迅速发展，生产量急剧上升，1947年达36万台，1974年达700万台。

20世纪70年代后期开始，剪草机的市场销售量逐渐趋向饱和，但每年仍保持在500万—600万台的销量。

剪草机在数量增加的同时，其性能也在不断改进。

1950年，美国第一台无线电操纵的剪草机诞生；

1978年，C1arenceNoke研制出了一种可进行草坪修剪编程的剪草机"

；

20世纪80年代，一些新的草坪设备又投放市场，如Mulchingmower，Shredder，Lawndethatcher，Stringtrimmer等，以及清洁草坪用的Blower，Lawnvacuum，Lawnsweeper。

到了80年代后期，stringtrimmer被认为是一件普通的家庭用具。

我国生产剪草机起步较晚，生产企业规模普遍较小，产品用途单一，品种数量少，远不能满足要求，而且质量与发达国家的相比也有很大差距。

所以长期以来，草坪剪草机多以进口为主，主要来自日本、美国、意大利和瑞典等国。

据统计，1999年的剪草机销售量在3万台左右，其中80％为进口；

2000年我国各类草坪机械保有量达13余万台，剪草机进口量在3．16万台左右；

近两年，草坪机械平均年增长率达到30％左右，国内每年草坪机械的销售总额大约为1．2亿～1．3亿元人民币，其中从国外进口的机械占85％，国内自行生产的产品占15％左右，其合计销量约在1万台左右。

1.5.2常见的剪草机械分类

剪草机械按动力划分可以分为机动和人推的两类。

按动力又分为柴油机、汽油机和电动机3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；

按剪草时刀片运动的方式可分为滚刀式、旋刀式和剪切式3种；

按切割器形状可分为旋刀式、滚刀式、往复割刀式和甩刀式等；

按驾驶形式分类，可分为推动式（步行式）、自行式、坐骑式（驾乘式）；

按配套动力和作业方式分为手推式、手扶推行式、手扶自行式、驾乘式、拖拉机式等。

剪草机的剪草幅宽一般为400～lO00mm，剪草高度从15～lOOmm有几个调节挡位。

1.5.3常见几种剪草机械剪草原理

（1）滚刀式剪草机

其由带有刀片的滚筒和不动的床刀组成。

滚刀的形状像一个圆柱形鼠笼，切割刀呈螺旋形安装在圆柱表面，滚刀旋转带动草茎相对于底刀产生一个逐渐切割的滑动剪切而将草茎剪断。

滚刀式剪草机剪草的质量取决于滚刀上刀片数和滚刀的转速，滚刀上刀片数越多，单位长度行进中切割的次数就越多，切下的草也越细，滚刀的刀片数一般为3～12片不等；

滚刀的转速越高，切下的草也越细。

滚刀式剪草机是高质量草坪最常用的剪草机型，适用于草高3～80mm的草坪，其价格贵，维修保养要求严格。

（2）旋刀式剪草机（又称悬刀式）

它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。

其工作装置为一长条形剪草刀或多把剪草刀在水平刀盘上，高速旋转的刀刃与草茎碰撞而将其割断，为无支承切割。

刀刃的后面是类风叶形状，在高速旋转下，对地面形成一定的真空将草茎吹成直立状态，便于切割并与罩壳相结合，形成涡流将割下的碎草送人集草装置或从罩壳出口喷出洒到草坪，适于范围内剪草，它的价格相对低廉，保养、维修和使用都很方便，是国内外目前最流行的剪草机。

（3）甩刀式剪草机

其切割装置由多把垂直于地面的刀片铰接在旋转组成的旋转轴上，当高速旋转时，在离心力作用下，其刀片像垂直于轴芯的甩刀，端部刀刃不断地冲击切割草茎。

由于刀片与刀轴或刀盘为铰接，当碰到坚硬冲击不断的物体时可以避让而不致损坏机器。

（4）甩绳式剪草机

其工作装置是由一个内装尼龙绳的打草盘、背向人的护罩组成。

当打草盘高速旋转时，露在外面的尼龙绳在离心力作用下，像一束伸直的刀刃快速撞击草茎而切割断草。

由于尼龙绳是柔性的，其撞击障碍物时退让，不会损坏机器本身，也不会对障碍物有较大的破坏。

1.6已经考虑过的若干方案的比较

1.6.1手推式剪草机的工作设计方案

我们所设计的手推式草坪剪草机首先要通过一个传力构件将人力传递出去。

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。

因执行修剪草动作刀片的相对运动方向与人行进的方向垂直，经前面增速机构传递过来的运动都需要再经过一级转换机构传递到执行构件。

通过分析得到手推式草坪剪草机的组成框图，如图1—2所示。

图1—2手推式草坪剪草机的组成框图

1.6.2其他工作设计方案的比较

能实现手推式草坪修草功能的技术原理较多，但各有利弊，具体分析如下：

（1）用脚驱动

用脚驱动时，一般操作者都需站在或坐在被驱动的机器上用力，这样所设计的修草机，除了要完成剪草动作外，还要承受操作者的自重，且要有方向控制装置，使机器结构复杂，尺寸较大，不适合小面积草坪使用。

（2）用手驱动

用手驱动，可避免用脚驱动时存在的问题，使所设计的机器小巧，且可灵活操作。

因此，我们选择设计手动式修草机。

（3）用割的方式

即用刀将草截断。

但草柔软，且一端自由，采取割的方式将草截断较难实现。

（4）用打的方式

即用刀片或打草绳将草打断。

用此法修草时所需的速度非常高，以其在草还没被打倒之前将草打断，这样的修草产品已有，但效果不好。

（5）用剪的方式

即用刀将草剪断，用两个刀片作相对运动的原理较易将草剪断，且不需要很高的速度。

因此，我们选择设计成手动式剪草机。

手动的形式又用手摇动和用手推动两种。

机械容易实现的是简单的转动和往复直线运动，如果用手摇动手柄实现执行构件的往复移动，由于剪草机还要靠人力推着向前行进，操作者要完成的动作过多，操作不方便。

要使操作者只通过简单的操作即可完成剪草动作，可以用手推剪草机向前行驶，靠剪草机轮子的转动将转动运动转变成往复移动而输出到执行构件。

显然设计成手动式草坪剪草机是合理而可行的。

根据所查资料，可选用组合—变异法构成初步方案。

由前面的分析可知，手动式草坪剪草机只需要一项运动形式变换功能（即转动变直线往复移动），所以，不必列出矩阵表后构型。

实现转动到直线往复移动变换功能最简单的机构为曲柄滑块机构，直线推杆盘状凸轮机构和齿轮齿条机构。

1）曲柄滑块机构2）直动推杆盘状凸轮机构

3）齿轮齿条机构

图1—3机构运动简图

1.7关键问题及其解决办法

1.7.1增速机构的设计选择

增速机构是传递动力及变速的核心机构。

它的速度变化直接改变刀具的剪切运动。

我的手推式剪草机采用圆柱凸轮传动机构。

可以利用圆盘侧面的形状特征，为此圆盘旋转时通过侧面推动固定在滑块上的拨杆（可横向调整）左右运动，这样就得到了一种新型的凸轮—端面凸轮，其工作原理如图1—4所示：

图1—4圆柱凸轮传动机构

1.7.2几种增速方式的实现比较

（1）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转换机构的运动输入构件之间，可以采用链传动，带传动和齿轮传动。

为了使所设计的剪草机结构紧凑，可以采用齿轮传动。

而齿轮传动有直齿原著齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动，圆锥齿轮传动和蜗轮蜗杆传动等。

但是蜗轮蜗杆传动的效率低，一般是蜗杆主动，且轴线空间交错，应用到剪草机械中，会使支撑结构复杂。

圆锥齿轮传动的轴线相交，且其中一个齿轮需悬置，也会使剪草机支撑结构复杂。

直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮的轴线相互平行，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