环保型手推式草坪剪草机设计说明书汇总

机械设计论文

设计题目: 环保型手推式校园社区草坪剪

草机

学生姓名: 崔瑞瑞

学生学号: 12101603

所在班级:_____121016___________

指导老师：______________ _

环保型手推式校园社区草坪剪草机

摘要

伴随着人类的生活水平的提高，人们对绿化环境的要求也越来越高。通过市场调研，我们了解到在我们居住的校园或者社区中尤其是夏天就能听见刺耳令人心烦的剪草机声,使得本来安静的环境变得嘈杂起来,有时更会影响人们的学习和休息.因此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。手推式剪草机主要利用滚动的轮子带动机械运动，结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境。该产品主要用于校园以及社区使用，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。

关键词：环保低噪；手推式；剪草机

Environmentally friendly community

&campus hand push lawn mower

Abstract

With the improvement of human life，Green environment people are increasingly high demands. Through market research，we have had a good grasp of that every summer in our community or campus we can hear the very huge and harsh noisy which the engine movers make, which always makes our quiet environment grow loud even severely affects our rest and lean. SO we decided to design a non-engine driven, no noise pollution, grass height adjustable, lightweight compact, easy operation and beautiful and practical for the average user of the lawn mower. Hand-push lawn mower driven mainly use the scroll wheel mechanical movement, simple structure, stable connection, the noise is extremely small, and the operation is very easy, not only bring convenience to the users, but also to the people around comfort, quiet environment. The product is mainly used for campus or community, and small lawn area. No engine can be described as green lawnmower. Region in promoting environmental protection, is ideal for grass-cutting tool.

Key words: environmental protection low noisy; hand push; lawn mowers

1 技术任务书

1.1 设计的依据

剪草机械至今已有100多年的历史，目前人们普遍使用的是电动剪草机械。由于剪草机械多在人口稠密的地区作业，流动性大，对机械的震动、噪音、废气排放、质量等指标要求较高。现在的剪草机多使用内燃机作动力，排气污染量相对于汽车的较少，但其噪声危害却很大。美国EPA(美国环境保护局)及欧盟对割草机等用发动机的排放均有相应的法规；德国还出台了控制噪声污染的《兰色天使》法规；欧洲一些城市推出过引导性计划，通过税收优惠及奖励等措施鼓励“绿色经营者”以加速环保技术的发展。

手推式剪草机主要利用滚动的轮子带动机械运动。手推式剪草机结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境。

1.2产品的用途及使用范围

目前市面上的剪草机大多需动力引擎，这会产生较大的噪音，带来环境污染，在办公和学习的地方，这种需动力引擎的剪草机就显得非常不受欢迎。由于动力引擎剪草机有动力装置，保养，维护费用较高；同时动力引擎剪草机主要依靠刀片的高速旋转把草排出，因此，对整机的安全性要求较高，操作时也会给工作人员带来强烈的震动，使操作很不舒适。虽然，动力引擎草坪剪草机剪草效率较高，剪草效果较好，但是，其价格也较昂贵，就目前来说，一般的用户难以接受。

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：586369200mm ??

净质量：30M kg ≤

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：0.5f N =

同时剪草量：500N ≤根

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Edwin Budding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，C1arence Noke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Mulching mower，Shredder，Lawndethatcher，String trimmer等，以及清洁草坪用的Blower，Lawn vacuum，Lawn sweeper 。到了80年代后期，string trimmer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25~80mm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4）盘状凸轮机构

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，可选择直齿圆柱齿轮作为增速机构。

机构组成方案如图1—5所示：

1) 带动齿轮增速的曲柄滑块机构2）带齿轮增速的直动推杆盘状凸轮机构

3) 带齿轮增速的齿轮齿条机构4）盘状凸轮机构

图1—5机构运动简图

用异变法实现刀具剪草运动方向与剪草机行进方向垂直，由于刀具的剪切运动方向与剪草机行进方向垂直，图1-5中1）和2）所示的机构组成方案不能最终满足设计要求，还需对机构进行进一步构型。

方案1 利用梅花凸轮（凸轮廓线呈梅花状）和连杆机构来实现滑块在导轨上的往复运动，工作原理如图1—6所示。

图1—6梅花凸轮传动机构

方案2 利用圆柱凸轮机构将凸轮轴的旋转运动转化为滑块的往复运动，其工作原理如图1—7所示。

图1—7圆柱凸轮传动机构

在图1—6所示的梅花凸轮机构中，为把凸轮的转动变为执行构件的往复移动需增加一个支点和一个构件两个低副（或一个构件一个高副），这样会增加整个机构的复杂性，且设计时1l应该比2l短（否则必然会增大梅花凸轮的尺寸，或者引起梅花凸轮边缘曲线过度较急），这样将减少传送到滑块上的力。图7，图4所示的圆柱凸轮机构和端面凸轮机构的结构简单，可以考虑作为所设计的剪草机的运动转换机构。

但是，我们还希望所设计的剪草机能实现剪草高度的调节。要实现此调节功能，在图1—7所示的圆柱凸轮机构中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，使机构结构变得较为复杂。而图2—7所示的端面凸轮机构，可以使推杆沿端面凸轮的任意弦上下运动，从而带动刀架上下运动，易于实现剪草高度的调节。

1.8 机构的功能及特点

该机采用固定刀片与活动刀片相对错动的剪切原理，结构紧凑，体积小，质量轻，噪音小、无污染，使用方便、灵活，适合小面积草坪的剪草处理；

无需引擎驱动，使用安全、可靠，便于维护；

剪草的高度可在1—20mm之间调整，割幅240mm，外形尺寸（长?宽?高：586?369?200mm）,质量30kg（材料由45钢制作）；

采用耐用的铸铝底盘和结构件，具有永不生绣、永不卷曲变形的特点；

前轮采用万向轮，具有良好的导向性，后轮的一个轮子装上寿命长的球轴承，使剪

草机转弯时易于推动；

金属手柄长度可伸缩，对于不同身高的操作者同样适用；

底盘独特的设计可防止草堵塞出口通道；

外观造型美观，更适合家庭用户的审美要求；

剪草的效果较理想，且成本低，是小面积草坪修剪的首选产品。

1.9机构设计与用户的一致性分析

（1）从机构运动的功能出发，按变异—组合法和类比法完成机构的构件和设计；（2）在作品样机加工前，使用三维造型软件进行三维造型、虚拟装配和运动仿真；（3）理论上验证设计的可行性，然后进行样机制作；

（4）外观造型新颖，推杆可折叠伸缩，适合家庭用户使用；

（5）采用齿轮机构（实现增速），提高整机的工作效率，解决了手动剪草机工作效率不高的问题；

（6）采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动，从而满足剪草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题；

（7）采用的剪草高度调节机构，解决了目前手动剪草机不易实现高度调节的问题；（8）产品成本（制造和使用成本）低，符合广大用户购买能力的要求。

2.设计计算说明书

2.1 设计方案论证

2.1.1手推式剪草机的设计原理

该机构由轮子带动，通过一对单级减速器进行传递转矩，再由端面齿轮和拨杆组合变化运动方向，最终输出往复剪切运动。总体方案设计如图2—1所示：

图2-1 总体方案设计

2.1.2 方案的选择

选择这个设计方案能够更好的实现运动传递。无引擎驱动，节省能源，无污染（噪音、废气），采用绿色环保设计。采用齿轮机构（实现增速），提高整机的工作效率，解决了手动剪草机工作效率不高的问题；采用端面凸轮机构（运动形式转换机构），将转动转变为直线往复运动，从而满足剪草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题。采用的剪草高度调节机构，解决了目前手动剪草机不易实现高度调节的问题。

另一方案，用蜗轮蜗杆传动，直接带动割草圆盘，采用割草的方式。机构更加简单，

刀具拆装方便。但草柔软，且一端自由，采取割的方式将草截断较难实现，割草的数目不多。要想割的效率快，必须采用大功率。

我采用的剪草机方案结构比较简单，与之相比轴的位置较为容易定位，而蜗轮蜗杆传动的割草机一水平一竖直的轴造成了机架结构的复杂。并且增速机构采用端面齿轮和拨杆的运动组合，结构简单，运动实际为一凸轮推杆的运动组。

盘状凸轮机构

2.2 轴的计算部分

2.2.1机构的动力计算

草坪上的草为特殊纤维材料，较易剪断，不需要太大的载荷。通过实际运用中割草机械的分析，可以假设剪一根草所需载荷为0.5f N =，同时剪草数量最多为500根。可得F=250N ；端面齿轮上所受力的大小为：12125F F N ==

轮子提供转矩带动剪刀，进行机械运动。假设轮子的直径为200D mm =；轮子周长为628.3C mm =。

假定人的正常行走步数为500/mm s 。

假定刀具所受的力全部来自轮子的转矩所引起的运动。

则121f f P P F v ==? 172.5f P W =

轴I 上的所传递的功率大小为：12()138.9f f P P P W ηI +== 轴上的所传递的功率大小为：12146.1P P W ηηI =

=;

轮子所传递的功率大小为：2149.1P P W η==轮

齿轮的相关参数如下表所示：

表2-1齿数表

2.2.2手推式剪草机中轴的设计

（1）选择轴的材料

该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，640B MPa σ=

初步估算轴径：

按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取116

C =

根据公式5%min 28.6159.05d ==→加，取min210d mm =

（2）轴的结构设计

轴上零件的轴向定及位周向定位。

从左轮子连接处向右取：

1012141210mm mm mm mm mm →→→→。

齿轮 齿数 模数 齿形角 全齿高 大齿轮 69 2.0 20 4.5 小齿轮 23 2.0 20 4.5

考虑轴的结构工艺性：考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成245??倒角。

（3）轴的强度演算

经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。

齿轮上作用力的大小转矩：

12334.57T N mm =轮 齿轮端面分度圆直径：22269138()cos cos0n m d z mm β===? 圆周力：22170.05()t T F N d =

=轮 径向力：tan tan 20170.0561.9()cos cos0n r t F F N αβ?===?

轴向力：tan 0()a t F F N β=?=

受力简图如3—2所示：

图2—3 垂直面上受力简图

垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：

122.56930.95()122.5122.5r a BV F F F N ?+?==+

30.95()DV r BV F F F N =-=

截面C 处的弯矩为：122.53791()BV CV M F N mm =?=左

122.53791()DV CV M F N mm =?=右

图2—4垂直面上截面的弯矩

水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：

122.585()122.5122.5t BH F F N ?==+

85()DH t BH F F F N =-=

截面C 处的弯矩为：122.510412()CH BH M F N mm =?=

图2—5 水平面上截面的支反力

截面C 处的合成弯矩为：

11081()

C M N mm ==左

11081()C M N mm ==右

图2—6 水平面上截面的弯矩及合成弯矩：

图2—6水平面上截面的弯矩及合成弯矩

按弯扭合成应力校核轴的强度

进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取0.6α=，该截面上的计算应力：

48.57()v MPa σ==

通过查表可知：

材料为45钢，调质处理的许用应力为[

]160MPa σ-=，由于[]1v σσ-<，故安全。

2.2.3手推式剪草机中轴I 的设计

（1）选择轴I 的材料

该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，640B MPa σ=

初步估算轴径： 按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取116C =