手扶自走式草坪修剪机的设计.docx

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手扶自走式草坪修剪机的设计

本科毕业设计（论文）

题目:

手扶自走式草坪修剪机的设计

学院:

机械电子工程学院

专业:

机械设计制造及其自动化

班级:

1003011

学号:

100301118

学生姓名：

指导教师:

职称:

二○一四年五月二十日

手扶自走式草坪修剪机的设计

摘要

草坪是现代社会的重要组成部分，近年随着草坪面积的增加，对草坪的护养也随之增加。

草坪修剪机是一款专门用于对草坪进行修剪作业的草坪养护机械。

它有许多的种类分支，按行动能力，大体上可以分为手推式和手扶自走式。

手推式草坪机的行走由操作者推行，操作较为费力，不适合长时间作业。

手扶自走式草坪机则避免了这个缺陷，它的作业动力与行走动力来源于发动机，通过带轮与齿轮的传动，来完成草坪机的作业与行走，可以极大地减少操作者的工作强度，为草坪的养护工作带来便利。

本文对手扶自走式草坪修剪机的工作原理，传动系统和修剪机构等具体结构做了详细介绍，并结合任务书计算确定了传动系统中齿轮和轴的基本尺寸，设计了一台功能全面，能够满足生活需要的手扶自走式草坪修剪机。

关键词：

手扶自走式；草坪修剪机；工作原理，传动系统

Designofwalkingself-propelledlawnmowingmachine

ABSTRACT

Lawnisanimportantpartofmodernsociety,inrecentyears,withtheincreaseinthelawnareaonthelawnofthenursingincreases.Lawnmowerisaspecialjobforlawntrimlawnmaintenancemachinery.Ithasmanytypesofbranches,accordingtoabilitytoact,canbedividedintohand-handpushandself-propelled.Walkinghand-pushlawnmowerimplementedbytheoperator,theoperationismorelaborious,notsuitableforlongtimeoperation.Handself-propelledlawnmoweristoavoidthisdefect,itsoperatingpowerfromtheenginewiththepowertowalkthroughthedrivepulleyandgeartocompletethejobandwalkingmower,cangreatlyreducetheintensityoftheworkoftheoperatorbringconvenienceforlawnmaintenancework.

Inthispaper,theprincipleofself-propelledwalkbehindlawntrimmers,concretestructures,suchastransmissionandtrimbodymade​​adetailedintroduction,combinedwiththemissionstatementofthebasiccalculationtodeterminethesizeoftransmissiongearsandshafts,designedafull-featured,handtomeettheneedsofself-propelledlawnmower.

Keywords:

Handself-propelled;lawnmower;workingprinciple,;transmission

system

1前言

1.1课题来源

本课题来源于南京林业大学机械电子工程学院2014届毕业设计选题。

1.2课题研究的目的和意义

草坪是高度培育的特殊草地，随着草坪面积的扩大，品质的提高，草坪业逐渐由单一的人工作业向半自动化﹑机械化﹑自动化过度，草坪作业的机械化已经成为十分重要的课题。

大部分的草坪一直到19世纪中叶还在使用镰刀来割草或放牧牛羊以保持草地的整齐性。

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

从20世纪起出现以机器代替手工的趋势，于是好的修剪机遂成为草坪管理的必需品。

草坪修剪机分滚切式﹑旋刀式﹑剪切式三类，按动力又可分为手动与机动两类。

机动有乘坐式与手推式，北京园林机修厂JUS—420型旋刀式修剪机系单缸四冲程汽油机驱动，功率2.6Kw,一把旋刀，幅宽420mm，每班可修剪2000m2,整机质量40Kg。

上海园林机械厂JCG540Ⅱ型滚切式草坪修剪机，乘坐手推两用式，有两个前进档，IE50F—2汽油机功率2.3kw，5片滚刀，幅宽540mm，该机高，但用于坡地时机组稳定性较差。

小庭院的草坪可用上海生产的JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪机，人推动前进并使6个滚刀旋转切割草坪，幅宽250mm。

德国SOLO522型草坪修剪机为手推式，动力系单缸四冲程汽油机，功率为2.3kW，刀片为剪切式，幅宽800mm。

该产品的特点是刀片耐磨，机具噪声低，振动小，对坡地适应性好。

改换工作部件可作扫雪工具。

旋刀式剪草机适用于草高25-80mm低要求的草坪，剪幅在0.5-20.m之间。

滚切式剪草机适用于草高3-80mm的高要求草坪，剪幅0.5-5.0m之间。

修剪是维持优质草坪的重要作业，它主要是定期除掉草坪草枝条的土表部分。

在特定的草坪上，根据所需要的培育强度，修剪的目的是在特定的范围内保持顶端生长，控制不理想的、不耐剪的营养生长，维持一个观赏和游息草坪，产生一个真实的击球表面或发展草坪作物。

修剪的质量由所使用的剪草机的类型和割时草地的状况决定。

因此，随各种特殊功能的开发，应重视修剪机具的发展。

我国幅原广阔，地区差异很大。

草坪的功能不同，对机具的要求也不同，加之各地区经济发展不平衡，用户的购买能力也有差异，因此草坪机械只有开发系列产品才能满足不同市场的需要。

1.3本课题研究的主要内容

本课题要求通过队手扶自走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。

1.首先根据任务书所给参数确定手扶自走式草坪修剪机的行走及工作结构类型以及相关结构参数。

2.由结构参数选择发动机，并完成带轮传动的设计。

3.完成差速器的设计。

1.4草坪修剪机的发展概况及存在的问题

在草坪修剪机问世之前，修剪草坪的主要工具是最原始的镰刀，当然保持草地平整的重要方法是放牧牛羊。

一个叫托马斯·普拉克内特的工程师在1805年获得了第一台割草机的发明专利。

但同时其他发明家看到普拉克内特的机器后，认为他们能够干得更好。

最成功的是埃温·巴丁。

他在1830年制造了一台割草机，而且非常类似于今天使用的那些草坪修剪机。

1830年，英国纺织工程师比尔.布丁取得了滚筒割草机的专利，此后割草机就正式登上了历史的舞台，并且得到了快速的发展。

我国生产割草机起步较晚，生产企业的规模普遍较小，均没有形成规模批量，长期以来，均以进口为主。

据统计，到1999年底我国有各种园林机械10万台，1999年的割草机销售量在3万台左右，其中80%为进口。

我国割草机进口主要来自于日本、美国、意大利、瑞典等国家，进口价格在0.38万元到5.8万元。

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，南通机床厂为转产生产割草机的厂家两家大型厂家，及其他一些小型厂家。

总的来说，我国草坪修剪机市场的前景很广阔，有很大的发展舞台。

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，一些专家普遍认为，以下几个方面是导致当前我国畜牧业类机械产品质量水平低的主要原因：

一、目前草地草坪业投入的资金不足，国家对其支持力度有所减缓甚至下降，使得许多割草机械制造企业纷纷转产甚至停产；再加上我国技术、制造手段、工艺等方面的想对比较落后，起步晚，在这种情况下，我国的草坪修剪机完成的工作量仅仅是其他国家同类机型的二分之一。

制造能力和水平进一步拉大了距离。

产品品种不全，成套性差。

我国的用户不能根据各自的经营规模来选择最合适自己的机具，很多是被动的选择，产品种类不齐全导致割草机效益不高。

我们割草机的生产技术水平想对比较低。

这个行业整体科学技术水平的标志就是该行业的技术水平高低。

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，但很多厂家缺乏比较好的售后服务系统、缺乏资金投入、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。

1.5草坪修剪机的发展前景

根据国外有关专家的研究,城市人均应有25～302m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2.1-1所示。

表2.1-1国外一些城市和中国及北京人均草坪面积

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12m，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3万2hm，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1m2需20g草种，按此计算，1999年种草面积为3万2hm，移种面积为9万2hm,共约12万2hm，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72m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多万2hm。

今后6年平均每年约需5～6万2hm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。

2手扶自走式草坪修剪机概述

2.1手扶自走式草坪修剪机的定义

手扶自走式草坪修剪机是在手扶推行基础上设置行走轮驱动机构便成为手扶自走式，由于机器能够自行行走，操作者只需掌握行进方向随行，大大减轻了劳动强度。

手扶自走式草坪修剪机在国外主要用于小面积庭院草坪的自娱性工作。

由于这种小型草坪修剪机结构简单、价格低、使用方便灵活，目前在我国的小块公用绿地剪草也大量采用，特别是加强型在公共绿地、商业草坪与林木、建筑物边界等处使用很广。

手扶自走式草坪修剪机的分类及特点

手扶自走式草坪修剪机按照修剪方式的不同可以分大体为两大类：

（1）手扶自走旋刀式草坪修剪机；

（2）手扶自走滚刀式草坪修剪机。

特点：

①滚刀式割草机的传动装置位于切割器的上方。

一台滚刀式割草机一般装有4个立式圆柱形或圆锥形滚筒。

而这，为了避免漏割相邻刀盘上刀片的回转轨迹有一定重叠量，每个滚筒的下方一般都装有铰接2～6个刀片的刀盘。

相邻两滚筒相对旋转，滚筒由胶带或锥齿轮传动。

②旋刀式草坪修剪机工作机构由刀盘和刀具组成，发动机主轴旋转时，带动刀盘旋转，从而使刀具旋转做切割工作。

刀具与刀盘的连接采用铰接方式，当刀片高速运转时，因为在离心力作用下保持其切割状态。

但是当阻力过大或遇障时，刀片可以马上回摆，这样避免损坏。

当刀片一边的刃口磨损以后可以换边使用。

在旋刀式割草机上，装有安全装置，而且在切割器上方还加设防护罩，这样可以充分保证人身安全。

这里选用手扶自走旋刀式草坪修剪机。

2.2手扶自走式草坪修剪机的的构造及原理

2.2.1手扶自走式草坪修剪机的基本构造

修剪机是一种用于修剪草坪、植被等的机械工具，它是由刀盘、发动机、行走轮、留草高度调节机构、行走机构、刀片、扶手、控制部分组成。

刀盘装在行走轮上，刀盘上装有发动机，发动机的输出轴上装有刀片，刀片利用发动机的高速旋转在速度方面提高很多，节省了除草工人的作业时间，减少了大量的人力资源。

手扶自走旋刀式草坪修剪机在普通修剪机的基础上添加了自动行走机构，使发动机提供的功率不在完全使用的修剪草坪上，而是分出一部分作为行走轮的原动力，驱动草坪机的行走，使操作者在进行修剪草坪工作的过程中更加轻松。

小型割草机结构上可以分为5个系统：

1.动力系统；2.动力传递系统；3.行走系统；4.切割系统；5操作系统。

各系统相互配合，完成机器自走和割草任务。

动力系统：

从这类产品的发展现状看，动力系统主要有两种形式，一种是传统的以小型汽油机或柴油机为代表的常规内燃动力系统。

这种动力系统的特点是：

功率较大、持续工作时间长，但其最大的缺点是噪声和振动较大，所以，此类动力系统的产品适宜在环境要求不高的场所。

另一种是新型的以蓄电池作为动力源的动力系统。

这种动力系统的特点是：

工作噪声小、运行平稳，其最大的缺点是功率较少，持续工作时间短，需要经常充电，不适合在远离充电电源的场所工作。

首先看看传统的以汽油机和柴油机动力源的动力系统，该类可选用5-7马力的柴油机，或者汽油机，发动机提供机器行走和割草的全部动力，发动机用螺丝安装在下面的发动机支架上。

发动机主要部件有：

油箱、水箱、燃烧缸，油箱上面有油箱盖，打开油箱盖后，里面有一层滤网，通过滤网向油箱加燃油时，可以滤掉油中的杂物。

在油箱的下部是油箱开关，这是开的位置，这是关的位置，油箱中的燃油通过油路管将燃油送到发动机燃烧缸。

水箱上有水箱盖和水位浮标，水箱中水位越高，浮标位置越高，水箱中的清水主要是为发动机降温的。

这款机器使用的是单发动机，使用手柄手摇启动发动机。

这是空气滤清器，外面的空气经过空气滤清器进入燃烧缸。

这是机油加油口，上面装有机油油标尺，可以显示机油油位，机油从这里加入，机油是用来润滑发动机的。

油门开关，用拉线儿可以控制油门的大小，开关处于最上面位置时，油门关闭，机器停止，开关处于最下位置时，油门最大，在发动机的另一侧有发动机动力输出轮，卸下一侧的金属护板，就可以清楚地看到动力传递系统。

动力传递：

在动力输出轮上装有两副动力传输皮带，向前的一副皮带将动力传向切割系统，称为切割动力皮带，向后的一副皮带将动力传向行走系统，称为行走动力皮带。

切割动力皮带，通过这个转动轮与切割系统相连。

这是一个压带轮，与一个拉线开关相连，当拉线开关拉紧时，压带轮压紧传输皮带，发动机的动力传向切割系统。

拉线开关松弛时，就切断了动力向前传输。

在行走动力皮带的一旁也装有一个压带轮，压带轮与一个拉线开关相连，当压带轮处于这个位置时，皮带处于松弛状态，发动机的动力不能向后传递，同样，拉紧拉线开关时，压带轮靠近并压紧动力皮带，从而将发动机的动力传到后面的转动轮上，与这个转动轮相连的是变速箱。

这是变速箱，里面是几组齿轮组合，通过齿轮的不同组合方式，完成发动机转速和转动方向的调整，对于变速箱，这个转动轮是它的动力输入，变速箱内部的齿轮组合由这个变速杆操作完成，这是变速箱的动力输出轴，将动力输出到行走系统。

割草系统：

动力系统通过皮带传动将动力传送到这个转动轮，转动轮连接的是割台部分，割台里安装的是齿轮传动箱，割台下面连接的是圆形割盘，割盘上均匀的安装着三片割刀，割台带盘上均匀的安装着三片割刀，割台带动圆形割盘高速旋转割。

割台通过这个两个连接点与机器架相连，上面的这个连接处的位置可以改变，通过改变这两个螺丝的位置，可以适度地调节割台离地间隙，达到调整割茬的高度的目的。

这是割台防护罩，连接在机架上面，主要作用是挡住割刀作业时卷起的杂物，以免伤到后面的操作员。

操作系统：

，以上几个系统必须在操作系统的统一控制下才能完成各项作业操作，操作系统处于整机的后部，所有的操作都在变速器操作杆和操作手把上完成，操作手把不仅是操作员的扶手，它上面还安装有各种操作手柄。

这里是手把与机器的连接孔，分为高、中、低三个连接孔，操作手把可以根据操作员的身高，进行适当的调整。

在操作手把的这一边，安装有变速箱离合手柄，手柄的下方与一根金属拉线相连，这个拉线的另一端与前面介绍的变速箱压带轮相连，因此变速箱离合手柄可以控制动力向变速箱传递。

在操作手把的另一边安装有切割系统的离合手柄，同样这个离合手柄的下方也连接着一根金属拉线，它的另一端与前面介绍的这个压带轮相连，同理：

当离合手柄处于前面位置时，拉线拉紧，压带轮靠紧皮带，动力连接上，通过皮带将动力传送到割台部分；当离合手柄处于后面位置时，拉线松弛，压带轮松开动力皮带，动力断开，因此这个离合器手柄可以直接控制割台的运转和停止。

油门控制手柄，它也是通过一根金属拉线与发动机油门相连的，这个油门控制手柄有三个位置区域，分别是前面、中间、后面，分别对应油门上的这三个区域，当手柄放在最后位置时，油门关闭，当控制手柄放在中间位置时，油门适中，一般在发动机启动时，手柄放在中间位置，当手柄向前推时，油门逐渐加大。

油门越大，发动机输出的动力越强劲，在行走、收割时可以随时调整油门手柄位置，以获得所需要的动力。

变速箱操作杆，它与变速箱相连，其实就是档位手柄，发动机传来的动力，必须经过变速箱进行动力变换，才能输出到行走轮，这款割草机设计了六个前进档，两个倒退档，可以区分为高速档和低速档，它的位置分布是：

当手柄处于最下面中间位置时，处于空挡位置，变速箱没有动力输出；当手柄往左搬时，选择低速档位，当手柄向右搬时，选择高速档位，具体操作是这样的：

先将手柄向左搬一次，然后将手柄搬向这个位置，则选择了低速一档，如果手柄搬向这个位置，则选择了低速二档，这里就是低速三档；如果先将手柄向右搬一次，然后再将手柄搬向这个位置，则选择了高速四档，依次类推，这是高速五档，这是高速六档。

由此可见，下面的这两个位置是高速挡和低速挡的转换位置。

上面的这个位置是倒档，同样有高速和低速之分，选择方法和前进档道理相同。

正常作业时选择前进二档作业，牧草密度大时，收割阻力增加，应选择前进低速档作业。

运输状态下，可以根据需要随时选择行走档位

2.2.2手扶自走式草坪修剪机的工作原理

发动机的曲轴通过离心式离合器驱动刀盘和与刀盘装在同一根轴上的主动皮带轮旋转，主动皮带轮通过V型带把运动传给被动皮带轮。

被动皮带轮安装在差速器上，差速器的通过安装在输出轴轴端的小齿轮带动驱动轮的转动，从而使草坪修剪机自行行走。

2.3手扶自走式草坪修剪机的主要部件选择

2.3.1壳体

低功率小型草坪机壳体通常由板金冲压或高性能有机塑料注塑而成。

大功率草坪机壳体采用铝合金铸造而成，如图1.4-1所示。

出草通道是壳体上最重要的结构，出草的通常与否，不但影响机器的工作效率，也对草坪的修剪质量有重要的影响。

目前，比较常用的出草通道是蜗壳状从前向后逐渐扩大的形状，通道内装配有过渡导板以保持出草通常，获得最佳的割草效果。

图2-1草坪机壳

2.3.2升降机构

草坪机的升降机构可以控制机壳与地面之间的高度，从而控制修剪的留草高度。

手扶式的草坪修剪机一般都是通过调节行走轮对机架和刀盘间的相对高度来调节留草高度。

有的剪草机前后轮之间设有联动机构，只调节其中一个轮子，通过联动机构便可实现四个轮子一起调节。

有的剪草机四个轮子是分别调节的。

这里采用四个轮子独立调节，因为涉及到自行走系统的设计，采用四连杆升降机构相对比较复杂。

而滚刀式的草坪修剪机滚刀离地高度由前支持滚子控制，拧动调节螺旋，通过杠杆机构，便可以调节支持滚子的高低，从而达到调节割草高度的目的。

2.3.3差速器

差速器是一种能使旋转运动自一根轴传至两根轴，并使后者相互间能以不同转速旋转的差动机构。

一般由齿轮组成。

普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。

发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。

差速器的设计要求满足：

（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。

当机器直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在机器转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。

差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。

差速器发展到今天，为了满足在各种条件下的功能需求，出现了许多种类。

如图1.4-2是一种典型的差速器结构。

图2-2差速器结构

1-轴承；2和8-差速器壳；3和5-调整垫片；6-行星齿轮；7

-从动锥齿轮；4-半轴齿轮；9-行星齿轮轴；

差速器采用行星齿轮结构时，动力输入件是行星架。

这种差速器的特性就是，向二个半轴传递的扭矩相同，或者是固定的比例（按行星齿轮机构的特点而定）。

常见的普通差速器有圆锥行星齿轮差速器与圆柱行星齿轮差速器。

普通差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶，普通差速器的适用于在好路面行驶的车辆，前桥驱动和后桥驱动都可以采用。

普通差速器的优点是在好路面上行驶效果最好，缺点就是在一个驱动轮丧失附着条件的情况下，另外一个也不能增大驱动力。

当左右驱动轮存在转速差时，差速器转矩均分特性使得分配给二侧驱动轮的转矩一样。

为了保证车辆在复杂的越野路况下的行驶性能，通过一定的机械结构把差速器锁死，取消差速功能，实现两个半轴的同步转动。

方案有三个，把一个半轴齿轮和行星架锁止、把行星架和行星齿轮锁死、把两个半轴齿轮锁死。

通常需要在停车后锁止差速器或取消锁止。

锁止式差速器，在没有锁止的时候，其传动特性与普通差速器完全相同，在锁止的情况下，差速器没有差速功能，运动由齿轮传递到二侧驱动轮。

这种差速器在越野路面提供了最大的驱动力，缺点是在差速器锁止的情况下，车辆转向极其困难；存在一侧驱动轮承受发动机100％的扭矩的可能，一侧传动轴会因为扭矩过大而损坏；车辆在转向的过程中，二侧传动轴承受相反的扭矩，如果二侧驱动轮的附着力都很大，会损坏传动轴。

如果在车辆行驶中进行锁止操作，会产生比较大的噪音。

锁止式差速器具备普通差速器的所有结构和特性，在未锁止的情况下，应用范围与普通差速器相同；在锁止的情况下，只适合于低速行驶在坏路面，不能在好路面上行驶，否则会导致车辆损坏和转向失控。

一侧驱动轮打滑时，限滑差速器能使大部分甚至全部转矩传给在另一侧驱动轮，以充分利用这一侧驱动轮的附着力产生驱动力。

差速器有限止驱动轮打滑的功能，就是限滑差速器。

限滑差速器（LSD）的二侧驱动轮的转速差限止在一定范围之内。

图2-3普通差速器结构

1-下壳体；2-内壳体及从动锥齿轮；3、14-锥齿轮轴；4-上壳体；

5-主动锥齿轮；6、7、12、13-轴承；8-带轮；9-键；10-调整垫片；

11-行星齿轮；15-行星齿轮轴；

全轮驱动轿车AWD系统（AWD是指全时四驱系统）具有3个差速器，分别控制着前轮、后轮、前后驱动间轴的扭矩分配，用于消除前后传动轴和前后桥左右驱动轮间的运动干涉。

这3个差速器是LSD差速器，并带有锁止功能。

世界上的LSD差速器有好几种形式。

因为草坪修剪机的工作的地面环境较为特殊，草坪修剪机的行走速度通常较慢，所以选用普通的差速器就足以满足