第二章 方案设计
2.1 工作原理
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，简洁轻便，操作舒适和美观适用的草坪剪草机。工作原理如图2—1所示，剪草机工作时由人推动机器行走，从而使剪草机的后轮1转动，带动大齿轮2的转动，通过齿轮2和1组成的增速机构使得速度得以提升，并带动大链轮4回转，通过大链轮4带动小链轮5运动将运动传递给滚刀，使固定其上的刀片与固定在底刀轴上的固定刀片形成剪切运动。
图 2—1 机构运动简图
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的速度下操作，传递出去的力应该通过增速机构继续传递，运动传递到滚刀。通过分析得到手推式草坪剪草机的组成框图，如图2—2所示。
2.2 传动机构
能够实现手推草坪剪草机功能的技术原理很多，但各有利有弊，具体分析如下：
驱动方式选择：
1） 用脚驱动 用脚驱动时，一般操作者都需要站在或者坐在被驱动的的机器上用力操作，这样所设计的剪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，使的机器结构较复杂、尺寸较大，不适合小面积草坪使用。
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2） 用手驱动 用手驱动可以避免用脚驱动时存在的问题，使得所设计的剪草机小巧，且可以灵活操作。因此我们选择设计手动式剪草机。
图2—2 草坪剪草机的组成框图
传 力 机 构 增 速 机 构 执 行 机 构 断草方式选择：
1） 用割的方式 即用刀将草截断。但是草柔软，而且一端自由，采用割的方式将草截断较难以实现。
2） 用打的方式 即用刀片或打草绳将草打断。用这种方法修草时所需要的速度非常高，要求在草还没被打倒之前将草打断，这样的修草产品也有，但是都得用引擎驱动，不符合我们的环保设计要求。
3） 用剪断的方式 即用刀将草剪断，用两个刀片作相对运动的原理较容易将草剪断，而且不需要很高的速度。因此我们选择设计剪断方式断草。
手动的形式又有用手摇动和用手推动两种。机械容易实现的是简单的转动，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太多，操作很不方便。要使得操作者只通过简单的操作即可完成剪草动作，可以用手推着剪草机向前行进，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。显然设计成手推动式草坪剪草机是合理可行的。
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
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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2—3所示。
图2—3 机构组成方案
2.4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2—4所示?18?。
图2—4 曲面滑块
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第三章 结构设计
3.1 传动零件的设计
3.1.1 齿轮机构设计
1 选定齿轮的类型，精度等级，材料以及齿数
1） 按照图2—1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30~50HBS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。
2 齿轮尺寸设计
开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿主要为磨损失效，为使得轮齿不至于过小，故小齿轮不适宜选用过多的齿数，一般可取Z=17~20。本设计中选择小齿轮齿数z1=20，大齿轮的齿数Z2?uZ1?2.4?20?40.8，取Z2?41。设计传动比
u?2.4。人正常行走时的速度为大约1.2m/s,步距60~75cm。考虑到剪草时的实际情况，取0.8m/s。设计剪草机的后轮直径为430mm。设想剪草机工作时处于理想状况下即轮子只滚动不滑动。由此可得，后轮轴的转速约为0.64r/s。查机械设计手册得：橡胶轮胎对土路面的滚动摩擦力臂为10~15/mm，由于设计要求剪草机质量不大于50Kg，则车轮沿地面的最大滚动阻力矩为M?NK?50?10?15?7500N?mm。设计剪草机工作寿命为8年。
3 轴Ⅰ和轴Ⅱ上齿轮2和齿轮1的设计 基本参数
Z1?20 Z2?41 u?2.4
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