手推式草坪修剪機設計【含13張CAD圖紙+文檔】【NJ系列】

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2007年IEEE的程序 機器人與仿生學國際會議 2007年12月15日-18，三亞，中國 割草機器人多傳感器融合與導航技術的研究 從明和房波 大連理工大學機械工程學院 大連，116024，中國 congm@dlut.edu.cn 引言——本文提出了一種多傳感器系統(tǒng)從超聲波傳感器和導航相結合的測量機器人割草機。利用傳感系統(tǒng)使機器人割草機來映射未知的環(huán)境。對于自動割草機器人能在未知的環(huán)境中進行定位和導航執(zhí)行割草任務是很重要的。由于環(huán)境的復雜性，簡單的一種傳感器是不足夠割草機器人來完成這些任務。我們開發(fā)了一個配有DSPTMS320F2812作為CPU割草機器人。感測系統(tǒng)集成由超聲波傳感器，紅外傳感器，碰撞傳感器，編碼器，一個溫度傳感器和電子羅盤組成。超聲波測距技術變換是基于小波變換的精度高來表示的，以提高超聲波傳感器測量精度。仿真研究表明，所提出的多傳感器信息融合的方法是非常有效的對于導航割草機器人。實驗結果表明，該傳感系統(tǒng)基于相關的規(guī)定障礙檢測和定位顯示出巨大的潛力，為在動態(tài)工作條件下的割草機器人提供一個強大的高性價比的解決方案。 關鍵詞——多傳感器融合，超聲波傳感器，割草機機器人，定位，導航。 1.緒論 草坪修剪被許多人認為是一個最枯燥，累人的日常任務。首先迫切需要執(zhí)行的任務是能適應環(huán)境的機器人。一些預測表明，割草機器人將是一個最有前途的個人機器人應用，并有重大的市場在世界上。因此，智能化的概念割草機器人（IRM）在1997年度會議的OPEI（ 戶外電力會議設備研究所）上第一次提出[ 1 ]。該機器人主要面對一般家庭幫助忙碌的人們和乏力的老人們節(jié)省支付雇傭勞動力的報酬，同時消除人們來自噪聲中，花粉和割草刀片的危害。割草機器人是服務于家庭護理的室外移動機器人，是那種真正的智能機電一體化的環(huán)境清理設備[ 2 ] [ 3 ]。最重要的是割草機器人為代表的一些地區(qū)覆蓋的環(huán)保機器人不僅用于室內(nèi)地面清潔，如[ 4 ]也在危險的環(huán)境中，例如去地雷，清理輻射點，勘探資源等。與室內(nèi)移動機器人不同，割草機器人得到很大的挑戰(zhàn)。 在整個工作區(qū)域內(nèi)，割草機器人使用傳感器來感知環(huán)境以及識別他們的實時狀態(tài)下的環(huán)境障礙，地圖構建，定位和導航。由于環(huán)境的復雜性，一種簡單的傳感器是不足以讓割草機器人來完成這些任務的。因此有必要結合來自不同的傳感器上觀察到的傳感器數(shù)據(jù)減少機器人在任何工作環(huán)境工作的不確定性。為來自各種傳感器的信息能合并，傳感器魯棒性和實時性的融合是必需的[ 5 ]。在傳感器出現(xiàn)誤差或失敗的情況下，多融合傳感器融合也可以減少不確定信息，并提高其可靠性。 低成本的傳感系統(tǒng)，說明其低功耗，高性能。超聲波傳感器檢測范圍是0.3m~ 5m，他們提供良好的范圍信息。然而，環(huán)境引起的鏡面漫反射是超聲波傳感器的不確定因素，讓他們不具吸引力。紅外傳感器的檢測范圍是0.02m~ 1m，他們可以檢測在超聲波傳感器的盲區(qū)的障礙。 為了滿足割草機器人低成本和高精度的測距技術的需求，在研究超聲波測距技術基于高精度的小波分析變換（WT）的數(shù)據(jù)報道，提高超聲波傳感器的測量精度。測量數(shù)據(jù)從傳感系統(tǒng)集成，實現(xiàn)規(guī)劃最佳的，可靠地，完全覆蓋整個工作計劃的地區(qū)，使割草機器人避免未知的障礙。 最后，通過仿真研究和實驗結果表明該傳感系統(tǒng)的導航效果，障礙物檢測和割草機器人定位。 2.信息資源管理系統(tǒng)的硬件 IRM采用DSP TMS320F2812作為其CPU，包括四個單元：車輛系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳感系統(tǒng)是用來收集外部動態(tài)信息的工作環(huán)境 避障，地圖構建，導航與定位。它也可以用來檢測車輛系統(tǒng)的運動參數(shù)和切削機構的工作狀況。該控制器將獲得的信息與數(shù)據(jù)庫進行比較，然后發(fā)出修正后精確的命令讓機器人完成任務。信息資源管理的硬件，如圖1所示。 IMR硬件概要圖1 機器人必須身體強壯，計算速度快，行動準確和安全。它應該有能力 ，而在全部或大部分的割草期間無需人的干預。IRM由于模塊化設計，各單元的管理是相對獨立的。模塊化設計使維護更容易。IRM任何損壞單元都可以直接取代而不影響其它單元的功能。 3.傳感系統(tǒng) A：超聲波傳感器單元 超聲波傳感器可以提供良好的范圍是基于飛行時間（TOF）信息原理，主要是由于其簡單性和成本相對較低，他們已廣泛應用于移動機器人的障礙物回避，地圖構建等。這種類型的外部傳感器能很好測量的障礙物的距離。靈敏度函數(shù)的主瓣內(nèi)包含一個20度角，如圖2所示的【6】。大量的試驗結果表明，傳感器的精度范圍為±2cm。 圖2為超聲波傳感器的典型的強度分布 對于IRM，我們建立了一個傳感器陣列由12超聲波傳感器間隔30度的間隔。超聲波信號可以覆蓋所有的空間，可以要求哪些機器人檢測整個空間的環(huán)境信號。用基于TOF的測量的超聲換能器的經(jīng)典技術，計算出的距離最近的反射器利用聲音在空氣中的速度從發(fā)射脈沖到回波到達時間。距離D為反映對象的計算 D =（C×T）/ 2 （1） 其中C是聲音的速度，T是飛行時間。該TOF法產(chǎn)生一系列的值時，回波幅度首次超過臨界值后發(fā)送，忽略第二回波從進一步的反射。 超聲波傳感器單元包括一個觸發(fā)脈沖生成單元，一個多通道選擇單元和回聲接收單元。傳感器接口電路設計發(fā)送和接收超聲波脈沖，捕獲的總是第一個返回的回聲。一個對象相關的數(shù)據(jù)的范圍要考慮到即使是位于在錐軸離軸。 超聲波頻率通常在40和180千赫之間，而在該系統(tǒng)中超聲波傳感器的頻率使用的是40千赫。光束角度是20度。40千赫PWM脈沖是由通用DSP的定時器單元產(chǎn)生的。驅動發(fā)射機有效而不帶來大的振動，40千赫的超聲波一次突發(fā)的時間是8周期。當超聲波脈沖發(fā)射時，傳感器將經(jīng)歷“振鈴”。振鈴引起的由所發(fā)送的脈沖可以使接收器檢測到一個錯誤回聲。這個不能夠捕獲解決DSP中斷問題，直到延遲間隔已過。這意味著在延遲的時間間隔那測距儀不能檢測物體距離該傳感器是少于一半的聲音傳播的距離。這是該超聲波傳感器的盲區(qū)，如圖3所示。 圖3超聲波發(fā)射和接收示意圖 B.：.紅外傳感器裝置和其他傳感器 針對超聲波傳感器的盲區(qū)，增加了紅外傳感器。紅外傳感器可以檢測在20cm內(nèi)的障礙，這彌補了超聲波傳感器由于失明問題所造成的區(qū)域的問題。 這個單元有16個紅外傳感器。每個紅外搜索器范圍有6度，是靈敏度函數(shù)主要的圓錐曲線的視圖。該傳感器具有一個高精度測量范圍，有效測量范圍是一個目標到一米左右。一些測試表明，該傳感器的測距精度在±1cm左右。 為了節(jié)省DSP的資源，16個紅外傳感器采用DSP TMS320F2812的數(shù)據(jù)接口代替IO接口。這種結構也可以同時讀取傳感器的狀態(tài)，以確保該系統(tǒng)的時間性能。傳感器接口電路用于發(fā)送和接收紅外脈沖并總是捕獲第一個回波來處理其振幅。 割草機器人在室外環(huán)境中工作時，其溫度變化迅速。溫度的變化會影響聲音的速度。因此，溫度傳感器用于保證超聲波傳感器的精度。碰撞傳感器是一組敏感的樣本，采用它是為了防止意外的碰撞造成的損害。由于潮濕的環(huán)境會危害IRM電路，濕度傳感器被引入用于檢測濕度環(huán)境。雖然這些傳感器不完全是 一個自主割草機器人機必要的，但他們可以提供有益的功能，讓工作更具有效性和安全性。 4.導航技術 A. 映射 正如圖4所示，基準方向的X定義和機器人的坐標為，。關于內(nèi)置電子羅盤對于機器人的幫助，角，這是從第一個傳感器得來的角度，可容易衡量。實際上，如果只在角（標題的機器人角）的測量，從其他傳感器的角度可以發(fā)現(xiàn) 角是我們的世界坐標中心。該超聲波傳感器組的最大環(huán)數(shù)為n，半徑為R（在我們的系統(tǒng)中，n = 12和R = 0.25m）。該環(huán)的原點到中心之間的距離是r，并且該向中心的基準角度是Ω。根據(jù)參考位置機器人的中心是（，）。這個距離是從原點到通過兩個傳感器數(shù)據(jù)檢測的二維平面稱之為。 現(xiàn)在讓我們用DMI測量值來分別表示從超聲波和紅外傳感器得到的數(shù)據(jù)，用于精確距離。這些值之間會有一個誤差 在這項工作中，我們自然假設是一個均勻隨機變量在（W，W）范圍內(nèi)。在這里，W表示最大距離測量誤差。這里的問題是，給定的，，r ，，，，，和，，，，，估計占用的坐標細胞和（或等價的）以最有效的方法。涉及檢測對象的方程可以寫為 圖4所示機器人在X-Y段的位置 由于對象涉及機器人的方程被寫為 如果我們定義的位置為：=，，，，，然后我們有 將插入到中， 在這里我們有N個這樣的方程。我們把它們矩陣形式 如果我們引入新的矩陣 ，然后（10）， 可以寫為 在這里，如果我們進行最小二乘法估計，我們得到 因此，我們用最小二乘法估計找到最好的位置。 B. 仿真研究 基于傳感器導航系統(tǒng)已經(jīng)進行了測試在顯示該傳感器融合方法的有效性的兩種環(huán)境分別如圖5和圖6所示。割草機是一個結構化的實驗室初步測試如圖5所示。開始在（0.3m，0.5m，0°），一個虛擬的機器人在虛擬廣場走廊一次。墻在人工環(huán)境中是由真正的地圖表示的。 全車是獨立的。它有一個最大的運行速度是0.4米/秒。實驗室面積調(diào)查出在10cm精度優(yōu)于1cm為佳。提取映射，提出了一開始的目標。機器人位置和方向是由電子羅盤成立[ 8 ]。 圖5數(shù)據(jù)采集與導航在結構化環(huán)境中的結果 圖5中的結果顯示的映射質量和該傳感器融合方法的有效性。在測試中，我們發(fā)現(xiàn)，在估計的位置的平均誤差（ε）在環(huán)境中的障礙是在[ 0.2 ，0.2]米范圍內(nèi)。 在模擬中，我們看到，在（11）中，實際上應該得到的是不滿足 。在可以為位置更好的估計的情況下可以表示為 在這種情況下，估計角不會改變但估計距離是縮放到它的最佳估計。 因此，對于位置，距離估計是和以前一樣，而最小二乘估計的作品只對角 。仿真結果表明，這種方法產(chǎn)生更精確的結果。 圖6仿真結果的墻下行為 墻后，被選定為初值問題域是因為它建立一個相當簡單的問題評價[ 9 ]。它這也奠定了更為復雜的基礎的問題領域，如迷宮的穿越，映射和用于草坪修剪和吸塵全覆蓋路徑規(guī)劃。墻上的仿真結果—圖6所示的行為后和實驗結果在圖6表明，該IRM有能力在非結構化的環(huán)境中執(zhí)行它的割草任務。 在圖5中傳感器的程序導航仿真如下。 5 . 超聲波測距技術基于小波變換 遺憾的是，由于環(huán)境的復雜性和噪聲的影響，實際接收到的多回波具有隨時間變化的特性，并且是一個典型的非平穩(wěn)信號。此外，在超聲波脈沖回聲混合噪聲是非高斯白噪聲，但噪聲，和與目標回波相關。TOF法不能在這樣的條件下直接使用。引用廣義相關方法估計時間延遲的[ 10 ]，我們把提出了廣義自相關方法基于小波變換的時延估計[ 11 ]出現(xiàn)在圖7。 圖7基于小波變換的廣義自相關延遲估計 其中（t）是母小波和（t）是女兒小波。該系數(shù)α是規(guī)模（或縮放 因素）和（τ）是時間位移。小波變換的信號x（t）是y（t）。實際上這是一個過濾過程使用大量的帶通濾波器的超聲回波等于的Q值，這相當于的白化濾波器對廣義相關方法的時間延遲的估計，為了消除輸入噪聲的影響做以下處理?？梢哉业?，作為 由于傅里葉變換關系自相關函數(shù)之間和他的力譜： 我們獲得的廣義自相關函數(shù)是： 最后，檢測到的峰值來完成TOF的估計和計算實際的超聲波速度。 圖8嘈雜的超聲回波 圖9基于小波去噪的回聲 圖10自相關函數(shù) 圖11峰值檢測 嘈雜的超聲回波信號如圖8所示，和利用小波變換去噪后的超聲回波顯示 圖9。很明顯，該噪聲混入的超聲波回波經(jīng)WT操作后得到有效地消除作。自動去除噪聲的超聲波回波的相關運算如圖10所示。圖11顯示了包絡線，通過希爾伯特變換。正如我們可以看到，如果每一個峰的橫坐標點確定，TOF估計可計算?？紤]的超聲回波衰減和高精度的要求在實踐中的需求，只有前4回波被用來估計TOF。在TOF估計的值是，，，，，，這是對稱于X軸。使用這種方法，估計超聲波速度可以計算出來。 到目前為止，障礙檢測和定位系統(tǒng)成功實現(xiàn)。運用該方法，障礙物檢測和定位系統(tǒng)已成功實施。 基于廣義自相關法小波變換，提出了實現(xiàn)實時超聲波速度測量，該方法可以消除溫度，濕度和風力的影響，超聲波速度測量可以在機器人工作的動態(tài)條件下完成。在這種傳感系統(tǒng)的基礎上，廣義自相關方法顯示出巨大潛力提供用于割草機器人一個強大的解決方案在動態(tài)的工作條件下。 6. 實驗結果 我們利用超聲波傳感器測量機器人和平面之間的距離。測量結果和實際距離如表一所示： 表一 超聲波傳感器的實驗數(shù)據(jù)（單位：厘米） 從表一中，我們可以看到，超聲波傳感器測量誤差在3%。 然后，基于廣義自相關法小波變換，提出了實現(xiàn)實時超聲波速度測量。 通過上述方法，我們再次測量機器人和平面對象距離的。測量結果與實際距離顯示在表二中。 表二 超聲波傳感器的基于小波變換的數(shù)據(jù)（單位：厘米） 基于小波變換的實驗結果表明，使用上述的測量誤差技術是小于1% 為5m范圍區(qū)域內(nèi)，這種傳感系統(tǒng)的障礙物檢測和定位擁有巨大的潛力，能作為—個強大的解決方案用提高于割草機器人性價比在動態(tài)工作條件下。 7. 結論 在本文中，我們提出了一個多傳感器系統(tǒng)結合超聲波傳感器測量用于割草機器人導航。該傳感系統(tǒng)具有低成本，低功耗，高性能，使割草機器人機能映射未知環(huán)境。其有效性是通過仿真研究和實驗結果得到的。 使用不同種類的傳感器集成在傳感系統(tǒng)可以克服超聲波傳感器的盲區(qū)和多傳感器融合的鏡面反射的缺陷。 一種高精度超聲波測距技術的方法基于小波變換已被引入到改善更多的超聲波傳感器的測量精度準確的感官信息。該系統(tǒng)應用于割草機器人，證明了實驗的可靠性和實時性。 今后的工作將著眼于應用所提出的跟蹤技術的多傳感器融合方案應用于在非結構化環(huán)境中的機器人割草機控制全覆蓋路徑規(guī)劃[ 12 ]。 參考文獻 山東建筑大學 畢業(yè)設計開題報告 學生姓名： 劉傳濤 學 號： 2003071256 班 級： 機本035 所在學院： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計(論文)題目：手推式草坪修剪機設計 指導教師： 湯愛君 王全景 2007 年 4 月 23 日 山東建筑大學畢業(yè)論文開題報告 班級：機本035 姓名：劉傳濤 論文題目 手推式草坪修剪機設計 一 選題背景和意義： 草坪是高度培育的特殊草地，隨著草坪面積的擴大，品質的提高，草坪業(yè)逐漸由單一的人工作業(yè)向半自動化﹑機械化﹑自動化過度，草坪作業(yè)的機械化已經(jīng)成為十分重要的課題。 大部分的草坪一直到19世紀中葉還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊以保持草地的整齊性。隨著高爾夫球﹑網(wǎng)球以及足球等運動的興起，保持完整的草地做運動場便成為當務之急。從20世紀起出現(xiàn)以機器代替手工的趨勢，于是好的修剪機遂成為草坪管理的必需品。 草坪修剪機分滾切式﹑旋刀式﹑剪切式三類，按動力又可分為手動與機動兩類。機動有乘坐式與手推式，北京園林機修廠JUS—420型旋刀式修剪機系單缸四沖程汽油機驅動，功率2.6Kw,一把旋刀，幅寬420mm，每班可修剪2000m2,整機質量40Kg。上海園林機械廠JCG540Ⅱ型滾切式草坪修剪機，乘坐手推兩用式，有兩個前進檔，IE50F—2汽油機功率2.3kw，5片滾刀，幅寬540mm，該機 高，但用于坡地時機組穩(wěn)定性較差。小庭院的草坪可用上海生產(chǎn)的JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪機，人推動前進并使6個滾刀旋轉切割草坪，幅寬250mm。德國SOLO522型草坪修剪機為手推式，動力系單缸四沖程汽油機，功率為2.3kW，刀片為剪切式，幅寬800mm。該產(chǎn)品的特點是刀片耐磨，機具噪聲低，振動小，對坡地適應性好。改換工作部件可作掃雪工具。 旋刀式剪草機適用于草高25~80mm低要求的草坪，剪幅在0.5~20.m之間。滾切式剪草機適用于草高3~80mm的高要求草坪，剪幅0.5~5.0m之間。 修剪是維持優(yōu)質草坪的重要作業(yè)，它主要是定期除掉草坪草枝條的土表部分。在特定的草坪上，根據(jù)所需要的培育強度，修剪的目的是在特定的范圍內(nèi)保持頂端生長，控制不理想的、不耐剪的營養(yǎng)生長，維持一個觀賞和游息草坪，產(chǎn)生一個真實的擊球表面或發(fā)展草坪作物。 修剪的質量由所使用的剪草機的類型和割時草地的狀況決定。因此，隨各種特殊功能的開發(fā)，應重視修剪機具的發(fā)展。 我國幅原廣闊，地區(qū)差異很大。草坪的功能不同，對機具的要求也不同，加之各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，用戶的購買能力也有差異，因此草坪機械只有開發(fā)系列產(chǎn)品才能滿足不同市場的需要。 另外，有些草坪機具一年只用幾次，因此草坪機具在以草坪作業(yè)為主項的同時，應配備一些附加裝置，擴大其使用功能，提高機具的利用率。 二 難點和關鍵問題： （1） 圍繞著零件圖紙進行分析，做出綜合性的分析。 （2） 對零件進行綜合布局，畫出總設計的圖紙。 （3） 在設計中應合理的選擇材料，減少應力集中（如尖角、銳邊、表面；粗糙度等）.控制尺寸公差。 （4）本課題的難點是，根據(jù)電機的功率和人行走的速度換算出三級變速齒輪的傳動比，電機和人力兩種動力間的轉換。 三 文獻總述 從地球有了人類開始，我們就磨削石塊，制造工具，開始了工具革命的過程，一直延續(xù)至今,最早的剪草工具是小鐮刀和手剪。但是I803年美國專利機構公布了剪草機的第一個專利。然而未形成商品。在大西洋披岸 ，一位名叫Edwin Budding的英國人發(fā)明了滾刀式剪草機他是一個紡織工人，監(jiān)視旋轉式機械用于修剪呢絨絨毛。他決定將這一工作原理應用于割草 。 1855年 Budding的剪草機在英國問世并受到歡迎,Henxy將它引入美國。 1877年在 Richmond，McGuin試圖發(fā)展這種剪草機使其容易推動更加實用 1855年美國公司一年生產(chǎn)近50000臺草坪剪草機.其構造與今天的手推式剪草機類似 。 1890年還是在英國開始設計有動力驅動的剪草機。第一個成功的動力剪草機由LeyLandMotors制造，為蒸汽動力型，然而，另一個技術革命使它不久即被淘汰。 1885年德國工程師 Gottlieb Daimler 發(fā)展了一種小型內(nèi)燃機，并首先應用在自行車上。建立第一個摩托車。適用的動力源導致發(fā)展汽車，飛機甚至洗衣機，隨之應用于動力剪草機和園藝機具，另一個英國公司1902年皇家農(nóng)業(yè)協(xié)會舉辦的展覽會上展出了6馬力的動力剪草機. 美國工程師和革新家在本世紀初的十年中,也致力于動力剪草機的研究1909年Leoni取 到了動力型機械式剪草機專利Leoni的動力型剪草機由汽油機驅動。整個裝置行走由馬拉。大約在第1次世界大戰(zhàn)前不久 ，動力型剪草機開始用于家庭。George 是一位實業(yè)家和開發(fā)者。他最早開始經(jīng)營商業(yè)，他的馬達剪草機公司曾定名為“立即成功 ”。他設計的發(fā)動機安裝在滾刀式剪草機上。一直保持到1950年。 接著又有其他廠家生產(chǎn)類似的機械。到1927年Hardware Age“年度消費者目錄”登出了近21家公司生產(chǎn)動力型草坪剪草機其中的兩家廠商一波倫 (Bolens)和蔣索波森(Jacobsen)存在至今,并成為著名廠商 。 美國克里夫蘭市的聯(lián)合鑄造供應公司制造的草坪剪草機備有集草袋和自動離臺器當?shù)镀龅酵饨缱枇r即與傳動裝置自動分離。 美國費拉德爾菲亞（費城）的草坪剪草機公司在廣告上登出了全系列的手動馬拉和動力驅動的剪草機，從1922年開始推出30和40英時的可乘式剪草機。 事實上，旋刀式剪草機是在戰(zhàn)前發(fā)展的，然而直到1次世界大戰(zhàn)之后才推廣。1933年 ,Bolen提出的旋刀式剪草機專利與今天使用的類似 ，有跡象表明，在 1920年之前此種旋刀式剪草機只是為私人使用。1938年出現(xiàn)的旋刀式剪草機獲得了商業(yè)上的成功Howard為 了解決大面積雜草的修剪問題 一 他立即在他的地下車間開始了研制工作。 Gravely是個花匠，為了解決他花園的耕作問題，使用手推犁刀，1920年他開始生產(chǎn)園藝用拖拉機，并 取得動力犁的專利，更早的園藝拖拉機是在1919年 GiLson Brothers制造 ，Beeman拖拉機公司銷售。1927年Hardware Age列出11個園藝拖拉機制造商。包括克里夫蘭市的Barcer～ Raulang公司，該公司推出了電動型園藝拖拉機。 1910年瑞士Konrad應用除根的耕作機具。該裝置不是第一個轉子式中耕機 (早在1857年就有此種機型)，但是早期的機型重量大，達數(shù)噸，其動力為蒸氣機式，與現(xiàn)代機型完全不同。 1911年德國的Siemens—Sehckert～ Werk公 司 ，在它的專利基礎上制造了最早的電動機驅動的中耕機。但是沒有得到發(fā)展。不久被汽油機所取代 。 1930年Siemens決定將機器引入美國，他來到美國同費城的Kol sey合作。Kelsey 建立 了Rototiller公司，銷售從歐州引進的機器。1934年Kelsey的Rototiller公司生產(chǎn)了它的第一臺美國制造的中耕機 。 Rototiller公司早期競爭對手之一是 Arien公司，Arien和他的兒子成立了一個公司，聲稱為美國第一家生產(chǎn)轉子式中耕機的公司。Arien公司的第一臺轉子式中耕機重900磅，未獲得成功。隨著 1次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，園藝機械的生產(chǎn)也隨之停頓。 應該指出，無論是 Ariens公司或 Rototiller公司的中耕機都是后齒型一1936年 Roto--Hoe公司生產(chǎn)了前齒型中耕機 ，在戰(zhàn)爭初期，它們銷售很慢，而前齒型中韉機在戰(zhàn)爭之后作為家用設備獲得成功 。 鏈鋸的發(fā)展也要追溯到 Ⅱ次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前 。第一具鏈鋸是在1904年。直到戰(zhàn)爭之后才形成商業(yè)產(chǎn)品。Sfihl的鏈鋸重105 磅 ．是在1927年。由兩人操作。 動力草坪清掃機也出現(xiàn)在戰(zhàn)爭之前。創(chuàng)建者是 Parker Pattern。他的兒子 Edwin Parker于1919年進一步發(fā)展 。1931年 Edwin作為公司董事長推出公司第一臺動力草坪清掃機 。 在園林機械發(fā)展的歷 史上 。2次世界大戰(zhàn)是一個轉折點，2次世界大戰(zhàn)之后 ，整個國家得到復興，園林機械也得到重大發(fā)展。允許復役軍人低價買房不付現(xiàn)金，大批建設房屋并 出售。促使園林設備得到空前發(fā)展。 戰(zhàn)后，鏈鋸也得到改進。1944年Claude—Poulan監(jiān)視德國人—戰(zhàn)爭囚犯在東德克薩斯州砍樹。兩人操縱鏈鋸。尚需第三個人控制撬扛。戰(zhàn)后，他立即著手建立裝有發(fā)動機的鏈鋸 。生產(chǎn)鏈鋸的公司也在不斷增長。橫過大西洋，Solo(在1948年 )和 Stihl(在1950 年)是首批生產(chǎn)一人操縱鏈鋸的公司 Stihl承認。最初的一人操縱的鏈鋸重量較重。直到1954年才生產(chǎn)了輕重量級的鏈鋸（重31 磅）。與此同時，其他廠商也發(fā)展了輕重量級的鏈鋸。例如1961年Iombard Governor 公司出售一種16英寸，27磅鏈鋸 Steve和Dave HOH試圖清除他家占地面積為240畝的莊園雜草。這促使他建立了一個大鐮刀。1949年曾形成商品。銷售灌木切割機 。 在同一時期，人們利用內(nèi)燃機為動力驅動掃雪裝置，1948年Henry Ariens發(fā)展了一種拋雪機的工作樣機。直到1960年初才進入市場。 1959年隨著園林機械工業(yè)的發(fā)展。人們意識到需要興辦一個雜志。Bill Qu Jnn．自行車 雜志的發(fā)行人開始創(chuàng)辦草坪設備期刊 ，1969年，該雜志更名為戶外動力設備 （OPE）。 在雜志創(chuàng)辦時，按照產(chǎn)品銷售的型號與今天幾乎差不多。但是隨著工業(yè)的發(fā)展，操作者 的要求在改變，必須考慮操作安全，環(huán)境污染及其他關心的問題。 1971年George Ballas為了控制自已莊園樹根周圍的雜草，他制造了多頭帶式修剪機 (繩索式割灌機)。達到了理想的效果。1977年 Weed Eater公司推出了單繩帶式修剪機 。 當然．園林機械設備的歷史沒有結束．如同沒有明顯的起點一樣，沒有終點它將繼續(xù)擴大領域為人類作出新的貢獻。 四 方案論證 根據(jù)電機的功率和人行走的速度換算出三級變速齒輪的傳動比，電機和人力兩種動力間的轉換。 傳動裝置是大多數(shù)機器或機組的主要組成部分。實驗證明，傳動裝置在整臺機器的質量和成本中占有很大比例。機器的運轉性能和運轉費用在很大程度上決定了傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣。因此，不斷提高傳動裝置的設計和制造水平具有極其重要的作用。 （1）剪切裝置 剪切裝置由滾刀和底刀組成，滾刀和底刀結構如下圖所示。底刀用六角螺栓固定在底刀架上，剪草時位置不動，刀刃為直線型。滾刀的刀片形狀為螺旋曲面，刀刃為螺旋線，五片刀片均勻分布固定在刀架上。剪草時，滾刀向前轉動，刀刃由一端開始與底刀刃逐點組成剪口，草隨著滾刀刀片螺旋面的旋轉被卷進剪口內(nèi)，并被剪斷。上下刀刃剪草過程始終為點接觸。 圖4.1滾刀和底刀外形圖 （2）離合器裝置 離合器裝置是為了使剪草機正向剪草反向停止旋轉而特意設置的工作裝置，它是由齒輪和其內(nèi)的彈簧和鋼球組成。剪草時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內(nèi)壁迫使起和其他齒輪嚙合，從而帶動滾刀旋轉然后與底刀相切剪草的，當手扶手拉動剪草機向后運動時，由于該齒輪的轉速大于與之聯(lián)結的軸的轉速，這樣在超越離合器作用下該齒輪將相對軸做超越運動，使得滾刀軸靜止不動，不與齒輪軸發(fā)生干涉。 五、進度安排 第1、2周 調(diào)查查閱 收集查閱資料 第3、4周 資料翻譯 總體方案擬定、開題 第5、6周 畢業(yè)實習 第7、8周 詳細設計 第9、10周 詳細設計 第11、12周 詳細設計 第13、14周 詳細設計 第15、16周 詳細設計 第17周 撰寫畢業(yè)設計說明書 第18周 畢業(yè)答辯 六 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 七 教研室（或開題審查小組）意見： 簽字： 年 月 日 注：不夠可以加附頁 教務處制 本科畢業(yè)設計說明書 題 目：手推式草坪修剪機設計 院 （部）： 機電工程學院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 機本035 姓 名： 劉傳濤 學 號： 2003071256 指導教師： 湯愛君 王全景 完成日期： 2007年7月1日 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 目 錄 摘 要··································································Ⅲ ABSTRACT····························································Ⅳ 1 前 言 1.1 手推式草坪修剪機的背景及研究意義····································1 1.2 手推式草坪修剪機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢································2 1.3 手推式草坪修剪機····················································4 1.4 本課題的設計任務····················································5 2 手推式草坪修剪機的總體設計 2.1 手推式草坪修剪機的工作原理··········································6 2.2 手推式草坪修剪機的主要結構·········································6 2.2.1 傳動系統(tǒng)························································7 2.2.2 剪草機構························································7 3 手推式草坪修剪機機械結構設計計算 3.1 傳動系統(tǒng)···························································9 3.1.1 齒輪的確定······················································9 3.1.2 軸的確定·······················································22 3.2 剪草機構···························································26 3.1.1 滾刀的設計·····················································26 3.1.2 底刀的設計·····················································27 4 手推式草坪修剪機的使用說明 4.1 安全事項···························································28 4.2 安裝·······························································28 4.3 維護保養(yǎng)···························································30 5 結 論································································31 謝 辭··································································32 參考文獻·······························································33 IV 摘 要 草坪是現(xiàn)代社會的重要組成部分，也是社會文明及環(huán)境的重要標志。近年隨著草坪面積的增加，對草坪的護養(yǎng)也隨之增加。手推式草坪修剪機通過齒輪傳動機構把驅動輪的轉動傳給滾刀使?jié)L刀旋轉，利用滾刀與底刀相切形成剪刀原理對草坪進行剪切的。 本文對手推式草坪修剪機的工作原理，傳動系統(tǒng)和剪草機構等具體結構做了詳細介紹，并且重點計算確定了傳動系統(tǒng)中齒輪和軸的基本尺寸，對各個標準零件、非標準零件的選取也做了相應的計算。在計算數(shù)據(jù)的基礎上用Auto CAD完成無動力草坪修剪機的裝配圖、部分非標準件的零件二維圖,并用Solid Edge完成所有零件的三維造型和裝配。該機具有無污染、無噪音、無振動等優(yōu)點，適用于庭院草坪，小面積草坪，防暴區(qū)域草坪。 關鍵詞：草坪；手推式草坪修剪機；傳動系統(tǒng) The Design of Hand Mower in Lawn 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；Hand mower in lawn；Transmission device 山東建筑大學畢業(yè)設計說明書 1前 言 1.1手推式草坪修剪機的背景及研究意義 草坪是高度培育的特殊草地，隨著草坪面積的擴大，品質的提高，草坪業(yè)逐漸由單一的人工作業(yè)向半自動化﹑機械化﹑自動化過度，草坪作業(yè)的機械化已經(jīng)成為十分重要的課題。 大部分的草坪一直到19世紀中葉還在使用鐮刀來割草或放牧牛羊以保持草地的整齊性。隨著高爾夫球﹑網(wǎng)球以及足球等運動的興起，保持完整的草地做運動場便成為當務之急。從20世紀起出現(xiàn)以機器代替手工的趨勢，于是好的修剪機遂成為草坪管理的必需品。 草坪修剪機分滾切式﹑旋刀式﹑剪切式三類，按動力又可分為手動與機動兩類。機動有乘坐式與手推式，北京園林機修廠JUS—420型旋刀式修剪機系單缸四沖程汽油機驅動，功率2.6Kw,一把旋刀，幅寬420mm，每班可修剪2000m2,整機質量40Kg。上海園林機械廠JCG540Ⅱ型滾切式草坪修剪機，乘坐手推兩用式，有兩個前進檔，IE50F—2汽油機功率2.3kw，5片滾刀，幅寬540mm，該機 高，但用于坡地時機組穩(wěn)定性較差。小庭院的草坪可用上海生產(chǎn)的JCG—250Ⅱ型手推草坪修剪機，人推動前進并使6個滾刀旋轉切割草坪，幅寬250mm。德國SOLO522型草坪修剪機為手推式，動力系單缸四沖程汽油機，功率為2.3kW，刀片為剪切式，幅寬800mm。該產(chǎn)品的特點是刀片耐磨，機具噪聲低，振動小，對坡地適應性好。改換工作部件可作掃雪工具。 旋刀式剪草機適用于草高25-80mm低要求的草坪，剪幅在0.5-20.m之間。滾切式剪草機適用于草高3-80mm的高要求草坪，剪幅0.5-5.0m之間。 修剪是維持優(yōu)質草坪的重要作業(yè)，它主要是定期除掉草坪草枝條的土表部分。在特定的草坪上，根據(jù)所需要的培育強度，修剪的目的是在特定的范圍內(nèi)保持頂端生長，控制不理想的、不耐剪的營養(yǎng)生長，維持一個觀賞和游息草坪，產(chǎn)生一個真實的擊球表面或發(fā)展草坪作物。 修剪的質量由所使用的剪草機的類型和割時草地的狀況決定。因此，隨各種特殊功能的開發(fā)，應重視修剪機具的發(fā)展。 我國幅原廣闊，地區(qū)差異很大。草坪的功能不同，對機具的要求也不同，加之各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，用戶的購買能力也有差異，因此草坪機械只有開發(fā)系列產(chǎn)品才能滿足不同市場的需要。 另外，有些草坪機具一年只用幾次，因此草坪機具在以草坪作業(yè)為主項的同時，應配備一些附加裝置，擴大其使用功能，提高機具的利用率。 1.2手推式草坪修剪機的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢 從世界上第一臺滾刀式剪草機的問世,到現(xiàn)在已經(jīng)過了100多年 ,原來主要應用于牧場的機械已經(jīng)發(fā)展成為有幾十個品種,適用于不同場合的剪草機。根據(jù)其工作原理和形式可分為滾刀式、懸刀式和掃雷式三種類型。我國生產(chǎn)剪草機起步較晚,生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，產(chǎn)品用途較為單一，均沒有形成規(guī)模批量，所以長期以來,草坪剪草機均以進口為主。據(jù)統(tǒng)計，到1999年底我國有各種園林機械保有量達10萬臺，1999年的剪草機銷售量在3萬臺左右，其中80%為進口。 據(jù)調(diào)查，國內(nèi)生產(chǎn)剪草機的廠家約有50家左右。多數(shù)為園藝系統(tǒng)的公司以及轉產(chǎn)剪草機的機械廠。市場上草坪修剪機的品牌很多，有進口產(chǎn)品，也有國內(nèi)制造和中外合資的。功率從2.6～16.2 kW，剪幅從43.2～127cm。國內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有： 中美合資江蘇淮陰泛亞園林機械有限公司,生產(chǎn)立特牌—NEAT 草坪剪草機，占國內(nèi)市場50%，現(xiàn)年產(chǎn)5000臺。目前正著手進行年產(chǎn)5萬臺剪草機的技術改造，其動力選用日本本田發(fā)動機。 安徽飛彩車輛股份有限公司“十五”期間將進行技術改造，計劃年產(chǎn)6萬臺剪草機。其中代表產(chǎn)品之一是手扶式寬幅剪草機系列，年產(chǎn)5萬臺, 以22161型為例，發(fā)動機為4 沖程,418 kW，剪草寬度53cm,自走式；代表產(chǎn)品之二是駕乘式剪草機系列，年產(chǎn)1 萬臺,以16238HXL型為例，為4沖程，11.7kW,97cm循環(huán)剪草，帶驅動。 江蘇淮陰林海股份有限公司也正進行技術改造，計劃年產(chǎn)3萬臺剪草機。 另外相繼做規(guī)劃上剪草機產(chǎn)品的企業(yè)還有春蘭、新大洲、金城等公司。 進口剪草機主要來自于日本、美國、意大利和瑞典等國，主要品牌和售價詳見表1.1。 表1.1 　進口剪草機的主要品牌和售價 國別 型式 價格 日本 本田H1011 坐騎式帶草袋76 cm 5. 2 萬元/ 臺 H3011坐騎式帶草袋71 cm 5. 8 萬元/ 臺 LM5360HX自行可控刀式帶草袋53 cm 1. 08 萬元/ 臺 美國 MID(美神) ： LM5360HX自行可控刀式帶草袋53 cm 1. 08 萬元/ 臺 B560C 坐騎式帶草袋76 cm 2. 98 萬元/ 臺 138C 自行式側除草53 cm 0. 5 萬元/ 臺 Murray(美麗)： 2. 6～2. 8 kW手推式后草袋型 22355 型、22545 型手推式側排草 21386 型手推式、21855 型自行式 21975、22855、22856 型適用大面積長時間剪草 意大利 花園牌： R484TR 自行式帶草箱46 cm 0. 43 萬元/ 臺 R484 手推式帶草箱46 cm 0. 38 萬元/ 臺 瑞典 Husovarna 系列剪草機 根據(jù)國外有關專家的研究,城市人均應有25～30 的草坪才能解決人們的二氧化碳和氧氣交換的需要。下面是國外一些城市人均草坪面積與中國及北京的對比表如表1.2所示。 表1.2 　國外一些城市和中國及北京人均草坪面積 名稱 面積/ 名稱 面積/ 倫敦 70. 4 巴黎 24. 7 紐約 45. 7 堪培拉 70. 5 莫斯科 37. 0 中國 1 華沙 73. 5 北京 8 從上表可以看出，我國人均占有草坪面積與發(fā)達國家相比,有著較大的差距。全國城鎮(zhèn)人均草坪面積為1，按中國目前城鎮(zhèn)人口3億人計算，全國現(xiàn)有各類草坪面積約為3 萬，若每公頃需5臺剪草機,現(xiàn)有市場容量就達15萬臺。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,剪草機的市場容量將成倍增長。 新建草坪有兩種方式,一種是以種草種為主,另一種是移植草皮。據(jù)不完全統(tǒng)計,歷年進口草種的噸數(shù)如下，1995年前約為6000t ,1996年為2500t，1998年為5000t，1999 年為6000t 。一般1m2需20g 草種，按此計算，1999年種草面積為3萬，移種面積為9萬,共約12萬，若按每公頃需5臺剪草機，僅1999年時就需剪草機60萬臺。 按國家建設部規(guī)定，2000年后城市綠化面積需達到30%。目前深圳、珠海、廈門等城市的綠化面積已超過此值。城市人均綠地面積需達到7 以上。專家按此標準測算,2000年至2005年重點綠化目標有24萬km 的堤壩,3 億城市居民公共綠地的建設,6 個飛機場的擴建,80余個高新技術開發(fā)區(qū),2000個高標準足球場、網(wǎng)球場,200個高爾夫球場,至少需植草坪30多萬 。今后6 年平均每年約需5～6萬草坪,約需剪草機30萬臺。在草坪的建設過程中,隨之而來的相關園林設備的市場無疑是十分廣闊的。 1.3手推式草坪修剪機 國內(nèi)目前生產(chǎn)的剪草機以刀具類型可分為滾刀式和旋刀式兩大類。滾刀式剪草機由帶有刀片的滾筒和不動的床刀組成。它較旋刀式剪草機有更好的修剪質量,是高質量草坪最常用的剪草機型。適用于草高3～80 mm 的草坪,其問題主要是價格貴，維修保養(yǎng)要求嚴格。而旋刀式剪草機(又稱懸刀式) 是由橫向懸掛在直立軸上的刀片高速旋轉打切草的上部葉片，它適于25～80 mm 范圍內(nèi)剪草。由于其價格低廉,保養(yǎng)、維修方便，使用靈活，只要將刀磨快，剪草效果還是可以的。因此，一般要求的草坪都選用它，成為目前國內(nèi)外最流行的剪草機。以動力劃分可分為機動和人推兩類。人推的主要是滾刀式，機動的分柴油機、汽油機和電動機三種。其中以小型汽油機作為動力的較為普遍，而柴油機多用于大型的剪草機械，如牧場的割草機。 在草坪建設中，草坪修剪機是主要的機械設備之一。目前，大片草坪的修剪，一般是使用小型汽油機為動力的草坪修剪機，其速度快，效率高。但對小面積的草坪，如庭院式草坪，使用機動式草坪修剪機就顯得“大材小用。它不僅消耗地球上有限的能源，排出的廢氣對環(huán)境造成污染，工作中發(fā)動機產(chǎn)生的高分貝噪音對操作者聽力造成傷害，同時也嚴重干擾了附近居民的正常生活；而且，這種類型的草坪修剪機在工作中常伴有強烈的振動，對操作者的雙手和身體都有很大的傷害，普通的家庭婦女和有心幫助父母做家務的青少年也很難對其進行正常操作。 手推式草坪修剪機正是針對這樣的情況而設計的，它不需要能源，具有結構簡單、體積小、無噪音、無污染、無振動等優(yōu)點，適用于小面積草坪，庭院式草坪，防暴區(qū)域草坪等的修剪。另外，它還備有由蓄電池驅動的小型電動機，在操作者體力欠佳或不愿意過度疲勞的情況下，可以替代人力驅動滾刀進行修剪。隨著人民生活水平的不斷提高和庭院式草坪的增加，手推式草坪修剪機將擁有更廣闊的市場，成為對庭院式草坪進行修剪養(yǎng)護的理想機具。 1.4本課題的設計任務 本課題要求通過手推式草坪修剪機構造及工作原理的了解分析，深入理解其整體系統(tǒng)的結構原理，進行系統(tǒng)總體設計、附件的詳細設計、并對其部分零件進行強度校核。這次課題設計的手推式草坪修剪機，主要設計參數(shù)如下： ① 桿長：130cm； ② 轉速：1000r/min； ③ 電壓：24v； ④ 功率:110w； ⑤ 主機重量：2.5kg，尼龍繩式。 2 手推式草坪修剪機的總體設計 2.1手推式草坪修剪機的工作原理 手推式草坪修剪機結構如圖2.1所示。其底部裝有四個輪子，可隨意移動。剪草時，手扶手把向前推動剪草機，兩個前輪（即驅動輪）沿地面向前滾動。前輪內(nèi)鑲有內(nèi)齒輪，通過三級增速傳動機構，將前輪的轉動傳給滾刀軸，從而帶動滾刀向前旋轉。螺旋狀的滾刀刃與底刀刃相切作用形成剪刀原理，構成一對剪刀，將由滾刀攬至的草茬剪斷，剪斷的草將沿滾刀旋轉方向被帶入集草袋，或因草屑很短，將其留置草坪中，成為肥料。考慮到剪草勞動強度比較大，對操作者的體能有一定的要求，在未鑲有內(nèi)齒輪的另一前輪內(nèi)安裝了由蓄電池驅動的小型直流電動機，用套筒聯(lián)軸器將其轉動軸與滾刀軸聯(lián)結。當操作者不使用前輪滾動來驅動滾刀時，可將蓄電池接上，滾刀便由直流電動機驅動。滾刀的轉動反傳給帶超越離合器的齒輪，由于該齒輪的轉速大于與之聯(lián)結的軸的轉速，這樣在超越離合器作用下該齒輪將相對軸做超越運動，和由前輪傳給軸的轉動不發(fā)生干涉。因此,當推動剪草機向前運動時滾刀正向旋轉,相反當拉動剪草機向后運動時滾刀因超越離合器的作用而靜止不動,從而可以獲得平坦光滑的草坪。 2.2手推式草坪修剪機主要的結構 手推式草坪修剪機的總體機構可分為兩大部分：傳動系統(tǒng)和剪草機構。如圖2.1所示。 圖2.1剪草機視圖 2.2.1 傳動系統(tǒng) 傳動系統(tǒng)是修剪機傳動與變換動力的裝置。 1、傳動的重要性 工作機一般都要靠原動機供給一定形式的能量（絕大多數(shù)為機械能）才能工作。但是把原動機和工作機直接連接起來的情況是很少的，往往需要在二者之間加入傳遞動力或改變運動狀態(tài)的傳動裝置。其主要原因是： （1）工作機所要求的速度，一般與原動機的最優(yōu)速度不相符合，故需增速或減速（實用中多為減速）。此外，原動機的輸出軸通常只作勻速回轉運動，但工作機所要求的工作形式卻是多種多樣的，如直線運動，間歇運動等。 （2）很多工作機都需要根據(jù)工作要求而進行速度調(diào)整，但依靠調(diào)整原動機的速度來達到這一目的往往是不經(jīng)濟的，甚至是不可能的。 （3）在有些情況下，需要用一個工作機帶動幾個工作速度不同的工作機。 （4）為了工作安全及維護方便，或因機器的外廓尺寸受到限制等其他原因有時不能將原動機和工作機直接連接在一起。 由此可見，傳動裝置是大多數(shù)機器或機組的主要組成部分。實驗證明，傳動裝置在整臺機器的質量和成本中占有很大比例。機器的運轉性能和運轉費用在很大程度上決定了傳動系統(tǒng)的優(yōu)劣。因此，不斷提高傳動裝置的設計和制造水平具有極其重要的作用。 2、傳動的分類 按照工作原理的不同，可將傳動分為兩大類：a）機械能不改變?yōu)榱硪环N形式的能的傳動——機械傳動（指廣義的機械傳動）；b）機械能改變?yōu)殡娔?，或電能改變?yōu)闄C械能的傳動——電傳動。機械傳動又分為摩擦傳動，嚙合傳動，液力傳動和氣力傳動。摩擦傳動和嚙合傳動的形式很多，發(fā)展甚為迅速，新型的高速大功率或大傳動比的傳動不斷涌現(xiàn)。 2.2.2剪草機構 1、剪切裝置 剪切裝置由滾刀和底刀組成，滾刀和底刀結構如圖2.2所示。底刀用六角螺栓固定在底刀架上，剪草時位置不動，刀刃為直線型。滾刀的刀片形狀為螺旋曲面，刀刃為螺旋線，五片刀片均勻分布固定在刀架上。剪草時，滾刀向前轉動，刀刃由一端開始與底刀刃逐點組成剪口，草隨著滾刀刀片螺旋面的旋轉被卷進剪口內(nèi)，并被剪斷。上下刀刃剪草過程始終為點接觸。 圖2.2 滾刀和底刀外形圖 2、刀刃間隙調(diào)整裝置 滾刀和底刀間的間隙，對剪草機構的性能影響很大。間隙太大，草茬不容易被切斷；間隙太小，刀刃容易磨損，且切削負載加大。因此要調(diào)整好此間隙的大小。刀刃間隙是通過調(diào)整底刀架相對滾刀的位置實現(xiàn)的。調(diào)整時，左右螺栓必須均勻地進行。首先擰松底刀的固定螺栓，旋轉手輪，使螺栓旋轉，進而使底刀架前后移動，根據(jù)剪草需要選擇底刀和滾刀的間隙。以滾刀能用單手輕輕撥動，兩刀刃口在全刃內(nèi)微微相檫，均勻切合，并能剪去0.1mm厚的紙片時為最佳的調(diào)整位置。選好后將固定螺栓擰緊，即完成底刀和滾刀刀刃間的間隙調(diào)整。 3、剪草高度調(diào)整裝置 剪草高度調(diào)整裝置由裝配圖中的調(diào)節(jié)高度塊、支架、螺栓、螺母組成。調(diào)整底刀刀刃距地面的高度，即可以調(diào)整草坪保留的高度。調(diào)節(jié)高度塊上開有三個圓孔，最下面一個ф13mm的圓孔與后輪軸聯(lián)結，只要將上面兩個ф11mm的圓孔之一與支架上三個同直徑的圓孔之一對齊，用螺栓將其聯(lián)結，就可以達到調(diào)整剪草高度的目的。把螺母擰下，將螺栓取出，根據(jù)剪草高度需要選擇調(diào)節(jié)高度塊上合適的圓孔之一與支架上圓孔之一配合，用螺栓固定，然后將螺母擰緊，就可完成對剪草高度的調(diào)整。 4、離合器裝置 離合器裝置是為了使剪草機正向剪草反向停止旋轉而特意設置的工作裝置，它是由齒輪和其內(nèi)的彈簧和鋼球組成。剪草時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內(nèi)壁迫使起和其他齒輪嚙合，從而帶動滾刀旋轉然后與底刀相切剪草的，當手扶手拉動剪草機向后運動時，由于該齒輪的轉速大于與之聯(lián)結的軸的轉速，這樣在超越離合器作用下該齒輪將相對軸做超越運動，使得滾刀軸靜止不動，不與齒輪軸發(fā)生干涉。 3 手推式草坪修剪機機械結構設計計算 3.1 傳動系統(tǒng) 手推式草坪修剪機的傳動系統(tǒng)由齒輪、軸、軸承和離合器等組成，下面著重介紹齒輪和軸的確定、計算和校核。 3.1.1齒輪的確定 齒輪以傳遞運動為主，由于標準直齒圓柱齒輪傳動的功率和速度可以很大，效率高，對中心距的敏感性小，裝配維修方便，成本低，因此在該傳動裝置中全部采用標準直齒圓柱齒輪。齒輪的計算準則由失效形式確定，閉式傳動的齒輪，主要失效形式是接觸疲勞磨損、彎曲疲勞折斷和膠合。一般只進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度計算。有短時過載時，還應進行靜強度計算。擬定采用三級傳動，傳動簡圖如圖3.1所示。由原始數(shù)據(jù)選定電動機型號為Y160M-4。滾刀軸轉速為1000r/min。初步估計輪子直徑320mm，內(nèi)齒輪直徑270mm；根據(jù)需要滾刀每秒次數(shù)為20轉左右，定傳動比為。由柴油機動力草坪修剪機可以大致估算剪草所需的轉矩。根據(jù)資料取功率3.7kw，轉速n=3200r/min，由此可以計算得轉矩T為：T===11042Nmm。 圖3.1 傳動簡圖 1、齒輪1，2的確定及計算 根據(jù)傳動要求齒輪1用20C r，滲碳淬火+低溫回火處理，硬度為56~62HRC，平均取 59HRC；齒輪2用40Cr，調(diào)質處理，硬度為241~286HB，平均取260HB。 （1）初步計算 轉矩根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算得 =11042Nmm 齒寬系數(shù) 由參考書表12.13，取得 =1.0 接觸疲勞極限 由參考書圖12.17d =1250MPa 參考書圖12.17c =710MPa 初步計算的許用 0.9 接觸應力 =0.91250 =1125 MPa 0.9 =0.9 710 =639MP 值 由參考書表12.16，取=85 =85 初步計算齒輪1的直徑 （3.1） 其中：為轉矩； 為齒寬系數(shù)； 為接觸應力。 =85 =28.1mm 取=30mm 初步齒寬 ==1.030 =30mm （2）齒輪1，2的校核計算 圓周速度 = = m/s 精度等級 由參考書表12.6 選8級精度 齒數(shù)和模數(shù) 初取； 由參考書表12.3，取mm mm 則?，圓整取 齒輪1直徑 mm mm mm mm 使用系數(shù) 由參考書表12.9 動載系數(shù) 由參考書圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由參考書表12.10，先求 N N/mm N/mm 由此得 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書表12.11 其中：。 載荷系數(shù) （3.2） 彈性系數(shù) 由參考書表12.12 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由參考書圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由參考書表12.14 總工作時間 預期使用壽命10年，每年100個工作日，每個工作日時間為2h，則： h 應力循環(huán)次數(shù) 接觸壽命系數(shù) 由參考書圖12.18 許用接觸應力 MPa MPa 驗算 MPa 計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。 （3）確定齒輪1、2傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 mm mm mm mm 中心距 mm mm 齒寬 mm 取mm mm 其它尺寸 ： mm mm mm mm mm mm mm mm （4）齒輪1、2齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 由參考書表12.10， 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由參考書圖12.21 應力修正系數(shù) 由參考書圖12.22 彎曲疲勞極限 由參考書圖12.23c MPa MPa 彎曲最小安全系數(shù) 由參考書表12.14 應力循環(huán)次數(shù) 彎曲壽命系數(shù) 由參考書圖12.24 尺寸系數(shù) 由參考書圖12.25 許用彎曲應力 MPa MPa 驗算 MPa MPa 傳動無嚴重過載，故不作靜強度校核。 2、齒輪3、4、5的確定計算 齒輪3用20Cr，滲碳淬火+低溫回火處理，硬度為56~62HRC，平均取59HRC；齒輪4用40Cr，調(diào)質處理，硬度241HB~286HB，平均取260HB；齒輪5用45鋼，調(diào)質處理，硬度229HB~286HB，平均取240HB。計算步驟如下： （1）初步計算 轉矩 Nmm 齒寬系數(shù) 由參考書表12.13，取得 接觸疲勞極限 由參考書圖12.17d 參考書圖12.17c 初步計算的許用 接觸應力 值 由參考書表12.16，取=85 =85 初步計算齒輪3的直徑 ： mm 取mm 初步齒寬 mm （2）齒輪3校核計算 圓周速度 m/s 精度等級 由參考書表12.6 選8級精度 齒數(shù)和模數(shù) 初取 mm 由參考書表12.3，取mm mm 則 mm 使用系數(shù) 由參考書表12.9 動載系數(shù) 由參考書圖12.9 齒間載荷分配系數(shù) 由參考書表12.10，先求 N N/mm N/mm 由此得 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由參考書表12.12 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由參考書圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由參考書表12.14 總工作時間 應力循環(huán)次數(shù) 接觸壽命系數(shù) 由參考書圖12.18 許用接觸應力 MPa MPa 驗算 MPa 計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。 （3）確定傳動主要尺寸 實際分度圓直徑 mm mm 中心距 mm 齒寬 mm 取mm mm 其它尺寸 ： mm mm mm mm mm mm mm mm （4）齒輪3齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 由參考書表12.10， 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由參考書圖12.21 應力修正系數(shù) 由參考書圖12.22 彎曲疲勞極限 由參考書圖12.23d MPa 參考書圖12.23c MPa 彎曲最小安全系數(shù)由參考書表12.14 應力循環(huán)次數(shù) 彎曲壽命系數(shù) 由參考書圖12.24 尺寸系數(shù) 由參考書圖12.25 許用彎曲應力 MPa MPa 驗算 MPa MPa 傳動無嚴重過載，故不作靜強度校核。 （5）齒輪4、5齒面接觸疲勞強度校核計算 轉矩 Nmm 齒數(shù)和模數(shù) 分度圓直徑 mm mm 齒寬 由mm取 mm 齒寬系數(shù) 圓周速度 m/s 精度等級 由參考書表12.6 選8級精度 使用系數(shù) 由參考書表12.9 動載系數(shù) 由參考書圖12.9 齒間載荷系數(shù)分配系數(shù) 由參考書表12.10，先求： N N/mm N/mm 由此得 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書表12.11 載荷系數(shù) 彈性系數(shù) 由參考書表12.12 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由參考書圖12.16 接觸最小安全系數(shù) 由參考書表12.14 總工作時間 應力循環(huán)次數(shù) 接觸壽命系數(shù) 由參考書圖12.18 許用接觸應力 MP 驗算 MPa 計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整。 （6）齒輪3、4齒根彎曲疲勞強度驗算 重合度系數(shù) 齒間載荷分配系數(shù) 由參考書表12.10， 齒向載荷分布系數(shù) 由參考書圖12.14 載荷系數(shù) 齒形系數(shù) 由參考書圖12.21 應力修正系數(shù) 由參考書圖12.22 彎曲疲勞極限 由參考書圖12.23c MPa MPa 彎曲最小安全系數(shù) 由參考書表12.14 應力循環(huán)次數(shù) 彎曲壽命系數(shù) 由參考書圖12.24 尺寸系數(shù) 由參考書圖12.25 許用彎曲應力 MPa MPa 驗算 Mpa MPa 傳動無嚴重過載，故不作靜強度校核。 3.1.2軸的確定 1、軸1的計算 材料選用40Cr，軸以傳遞轉矩為主，所以只要進行許用切應力計算即可。 （1）估算軸徑