手推式草坪割草机设计.doc

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
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5.装订顺序
1）设计（论文）
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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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济南大学毕业设计
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
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2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
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三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
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2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
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3、论文（设计说明书所体现的整体水平
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评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日

1 前言
1.1 设计的依据
割草机械至今已有一百多年的历史，而目前人们最多使用的割草机械为充电式。由于割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、质量等指标要求比较高。现在的草坪机机多使用汽油机或柴油机作动力，排气污染量相比于汽车的少，但其噪声危害却很大。美国EPA(美国环境保护局)及欧盟对草坪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。随着中国经济水平的不断提高，我国公民的环境意识也不断增强，所以设计一款无污染的草坪割草机是急需的。
手推式草坪割草机主要利用滚动的轮子带动机械运动。手推式割草机结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分简单，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适和安静的环境。
1.2 产品的用途及使用范围
目前市面上的割草机大多需动力引擎（如内燃机、蓄电池等），这会产生较大的噪音，并带来环境污染，在办公或学习的地方，这种用动力引擎的割草机就显得非常不受欢迎。由于动力引擎草坪割草机有动力装置，保养、维护费用较高；同时动力引擎割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，使操作很不舒服。虽然，动力引擎草坪割草机割草效率较高，割草效果较好。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，最后决定设计一款无引擎驱动，无噪音污染，割草高度可简单调节，轻便简洁，操作方便，美观实用，适用于一般用户的草坪割草机。
该产品主要用于家用，及面积不大的草坪修理。无需引擎，可谓绿色环保的割草机。对提倡环保的现代社会，是理想的割草工具。
1.3 国内外研究现状
随着经济水平的发展和社会的进步，人们对生活环境的要求越来越高。草坪绿化已经成为衡量一个国家、地区或城市文明程度的一个重要指标，在美化环境、故土护坡、净化空气等方面已成为人类得共识，在生态环境建设和保护方面将扮演着越来越重要的角色。我国草坪建设也得到了迅速的发展，如城市园林绿化、兴建休闲场所等都需要大量的草坪，江河堤坝。高速公路、铁路等交通水利设施的护坡及屋顶花园、室内绿化也都需要优质草坪。草坪建植后需要经常的养护，以保持草坪青绿茂盛、持久不衰。高质量、高标准的草坪养护，仅手工劳动远远不能满足绿化的要求，因此与草坪养护管理配套的机械设备势必不可少的。我国园林机械发展迅速，生产经营企业有五十余家，与国外合资、合作的企业有十家左右。通过近几年的技术改造，其生产规模不断扩大，产品质量也日益提高，形成了独具特色的产品系列，基本能满足园林养护作业的需要。
在欧美等发达国家和地区，现代草坪机现在主要追求低排放、低噪音、低功耗、高效率等。例如太阳能、电能等新型割草机逐渐站住了市场。
相对于国外技术发展，我国草坪机技术发展相对落后。随着草坪覆盖率要求越来越高，使得草坪机数量和种类越来越多。为此对草坪机设计提出了全新的更高要求，从而使得草坪机技术有了许多新的发展，主要体现在草坪机几何参数优化、低排放、高效率的草坪机以及结构紧凑的草坪机结构上面。
从整体来看，我国草坪割草机的技术水平、质量状况已基本能够满足一般园林作业的需要。现有的草坪机产品包括旋刀式、往复式、滚刀式、甩刀式和甩绳式等系列产品，其中滚刀式草坪机为行业的主导产品。近年我国草坪机行业发展迅速，行业内的各重点骨干企业中，都有自己的研究所，拥有产品设计、开发队伍、设施及必要的检测手段，可以根据发动机的功率、安装尺寸等参数及工作环境等要求，设计开发全新的产品，国内草坪机生产企业与国外先进技术的差距进一步缩小，目前我国生产的草坪机已经逐渐能够满足国内、国际市场需求。
1.3.1 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割草机，该产品的问世在英国受到了广泛的欢迎，随后传入美国，最后遍及世界。1868年，美国第一台割草机取得专利，美国的草坪业也由此起步。不过几年，便有40多项有关割草机的发明获得专利。到1881年，总共生产和销售4万多台割草机。最初的割草机均为人力驱动；1890年，在英国开始设计有动力驱动的割草机。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割草机专利，尽管割草机由汽油机驱动，但整个装置仍由马拉行走。
在草坪修割机械发展的历史上，第二次世界大战是一个转折点。在20世纪30年代前后，每年生产的各类割草机数量约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，促使草坪修割机械得到迅速发展，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，割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 。割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割草机诞生；1978年，C1arence Noke研制出了一种可进行草坪修割编程的割草机；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。
我国生产草坪割草机起步较晚，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，草坪割草机多以进口为主，主要来自日本、美国、意大利和瑞典等国。据统计，1999年的割草机销售量在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，割草机进口量在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。
1.3.2 常见的割草机械分类
割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。其中以小型通用汽油机作为动力的较为普遍，而柴油机多用于大型的割草机械，如牧场的割草机；按割草时刀片运动的方式可分为滚刀式、旋刀式和割切式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。割草机的割草幅宽一般为400～lO00mm，割草高度从0～100mm有几个调节挡位。
1.3.3 常见几种割草机械割草原理
（1）滚刀式割草机：它由带有刀片的滚筒和不动的底刀组成。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割切而将草茎割断。滚刀式割草机割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。滚刀式割草机是高质量草坪最常用的割草机型，适用于草高3～80mm 的草坪，其价格贵，维修保养要求严格。
（2）旋刀式割草机(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割草刀或多把割草刀在水平刀盘上，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范围内割草，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割草机。
（3）甩刀式割草机：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）甩绳式割草机：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。

2 方案设计
2.1 主要工作原理
本次设计的手推式割草机主要利用轮子旋转运动传到变速箱中的齿轮，实现刀具的往复运动的功能。手推式割草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和刀片等构件组成，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。由于割草机变速变矩范围不大，因此在刀具的选择上尤其注意以提高割草机自身效率为重要原则。
割草机工作时由人推动机器行走，从而使割草机的后轮1传动，带动与其在同一根轴上的大齿轮2转动，通过齿轮2与齿轮3组成的增速机构使速度得以增大，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，完成割草动作。如图2.1所示：

图2.1 机器的运动简图

2.2 主要技术指标和重要技术参数
2.2.1 该手推式割草机的总体设计参数
手推式草坪割草机的前进是靠走轮，即靠人的推力来驱动。查阅《人机工程手册》，可得人步行速度约为30—46m/min,考虑到推动割草机进行割草,选取较小速度即取人步行速度为30m/min,亦即500mm/s。
查阅《机械设计手册》得到以下数据：
成年男性身高：
18—25周岁 1554—1830毫米
26—35周岁 1545—1851毫米
35—60周岁 1554—1798毫米
平均身高：
18—60周岁 1543—1814毫米
成年女性身高：
18—25周岁 1457—1709毫米
26—35周岁 1449—1698毫米
36—60周岁 1445—1683毫米
平均身高：
18—60周岁 1449—1697毫米
成年男性臂长：
18—25周岁 279—350毫米
26—35周岁 280—349毫米
36—60周岁 278—348毫米

平均臂长：
18—60周岁 279—349毫米
成年女性臂长：
18—25周岁 253—319毫米
26—35周岁 253—320毫米
36—60周岁 251—317毫米
平均臂长：
18—60周岁 252—319毫米
立姿工作岗位工作高度：
男性：
950—1050—1150毫米
1050—1200—1300毫米
女性：
850—950—1050毫米
1000—1100—1200毫米
综合以上因素，设计扶手以及支架的尺寸，并且根据不同性别和不同年龄将扶手高度和倾斜角度设计成可以调节的。站立工作时操作的有关尺寸，以及人体需要的可能活动空间。
由《人机工程手册》查得，人体身高尺寸（成年男性）多在170cm左右。因此，推杆距地面高度取为1000毫米，且可在850—1300毫米之间调节，符合人体作业适应度。
设计原则：工作场地的高度取决于作用力、操作者的身高、操作者操作物件的尺寸、视野范围等。
A：精密工作，靠肘支撑工作。（设计尺寸针对男性：105—115毫米 针对女性：100—110毫米）
B：虎钳固定在工作台上的高度：113毫米
C：轻手工工作。（男性：90—100毫米 女性：90—95毫米）
D：用劲大的工作。（男性：80—95毫米 女性：75—90毫米）
本课题设计属于D范围内的设计。
又因为该草坪割草机是手推式的，行走动力来源于人的行走以及推力。应考虑到其结构尺寸方面的因素，因而行走轮直径不易过大。其切割速度要求要大于0.8米/秒,如果小于0.8米/秒,那么草将可能被撕裂和扯断,而不是被切割断;如果轮子直径过小，则推行会较费力，不能达到设计要求，要满足人的推力在200N左右都能推动这台草坪机才可以。
综上所述，本设计中的总体设计参数如下：
外形尺寸：586×369×200 mm
输入功率：149.1 W
轮子转速：113.04 r/min
力矩：T=12334.57N.mm
净质量：M≈30kg
变速要求：单级刀具，一固定刀片和一活动刀片相互运动
单根割草载荷：f=05N
2.2.2 该手推式割草机的刀具设计参数

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
手推式割草机
往复切割
240mm
20mm
单动
860r/min
平形
149.1W
113r/min
1人
30kg

2.3 已经考虑过的若干方案的比较
2.3.1 手推式割草机的工作设计方案
本次设计的手推式草坪割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。因执行修割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割草机的组成框图，如图2.2所示。

图2.2 手推式草坪割草机的组成框图

2.3.2 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，除了要完成割草动作外，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，但效果并不是很好。
（4）用割的方式 即用刀将草割断，用两个刀片作相对运动的原理较易将草割断，且不需要很高的速度。因此，我们选择设计成手动式割草机。
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，由于割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割草动作，可以用手推割草机向前行驶，靠割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割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，手动式草坪割草机只需要一种运动形式变换功能（即转动变直线往复移动），所以，较简单。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。

a)曲柄滑块机构

b）直动推杆盘状凸轮机构

c）齿轮齿条机构
图2.3 机构运动简图

2.4 关键问题及其解决办法
2.4.1 增速机构的设计
增速机构是动力传递及变速的核心机构。它的速度变化直接改变刀具的切割运动。本次设计的手推式割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2.4所示：

图2.4 圆柱凸轮传动机构

2.4.2 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，以输入构件作定轴转动，这样在割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。为了使所设计的割草机结构紧凑，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。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，应用到割草机械中，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，也会使割草机支撑结构复杂。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，同时割草机的速度不高，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2.5所示：

a) 带动齿轮增速的曲柄滑块机构 b）带齿轮增速的直动推杆盘状凸轮机构

c) 带齿轮增速的齿轮齿条机构
图2.5机构运动简图

（2）用异变法实现刀具割草运动方向与割草机行进方向垂直，由于刀具的割切运动方向与割草机行进方向垂直，上图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设计。
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2.6所示。

图2.6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2.7所示。

图2.7圆柱凸轮传动机构

在图2.6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，且设计时下面的轴应该比上面的轴短（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2.6和图2.7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割草机的运动转换机构。
但是，我们还希望所设计的割草机能实现割草高度的调节。要实现此调节功能，在图2.6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，易于实现割草高度的调节。
2.5 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割切原理，结构紧凑，体积小，质量轻，噪音小、无污染，使用方便、灵活，适合小面积草坪的割草处理；
无需引擎驱动，使用安全、可靠，便于维护；
割草的高度可在1~20mm之间调整，割幅240mm，外形尺寸（长宽高：586369200mm）,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，使割草机转弯时易于推动；
金属手柄易于折叠，以减少包装尺寸，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；
割草的效果较理想，且成本低，是小面积草坪修割的首选产品。
2.6 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，解决了手动割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，从而满足割草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题；
（7）采用的割草高度调节机构，解决了目前手动割草机不易实现高度调节的问题；
（8）产品成本（包括制造和使用成本）低，符合广大用户购买能力的要求。

3 技术设计
3.1设计方案论证
3.1.1 手推式割草机的设计原理
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，最终输出往复割切运动。总体方案设计如图3.1所示：

图3.1 总体方案设计

3.1.2 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，解决了手动割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，从而满足割草运动要求，形状类似冠轮，解决了端面凸轮加工难的问题。采用的割草高度调节机构，解决了目前手动割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。
本次设计采用的割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。同时割草的数量较多，在功率一定得情况下效率较高。蜗轮蜗杆传动的割草机机构方案简图如图3.2所示：

图3.2 蜗轮蜗杆传动的割草机

3.2 齿轮的设计计算部分
3.2.1 机构的动力计算
草坪上的草为特殊纤维材料，较易割断，不需要太大的载荷。通过对实际运用中割草机械的分析，可以假设割一根草所需载荷为f=0.5N，同时割草数量最多为500根。可得F=250N；端面齿轮上所受力的大小为：
轮子提供转矩带动割刀，进行机械运动。假设轮子的直径为D=200mm；轮子周长为C=628.3mm。
假定人的正常行走步数为500mm/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
轴Ⅰ上的所传递的功率大小为：
轴Ⅱ上的所传递的功率大小为：
轮子所传递的功率大小为：

3.2.2 齿轮设计思路及要求
手推式割草机中的齿轮设计要求
（1）合理选用模数：
在现代变速箱设计中，各档齿轮模数的选择是不同的。但为了经济性和用途的要求，初选模数：m=2。
（2）合理选用压力角：
对于同一分度圆的齿轮而言，若其分度圆压力角不同，基圆也就不同。当压力角越大时，基圆直径就越小，渐开线就越弯曲，轮齿的齿根就会变厚，齿面曲率半径增大，从而可以提高轮齿的弯曲强度和接触强度。
（3）合理选用螺旋角：
为了保证齿轮传动的平稳性、低噪声和少冲击，所有齿轮都要选择较大的螺旋角，一般都在30°左右。
（4）分析齿顶宽：
对于正变位齿轮，随着变位系数的增大，齿顶高也增大，而齿顶会逐渐变尖。所以必须对齿轮进行齿顶变尖的验算。
（5）手推式割草机中齿轮强度的计算方法概述
我国的国家标准局所发表的渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法是参照国际标准化组织的计算方法所制定的，该方法比较全面地考虑了影响齿轮承载能力的各种因素，现已成为目前最精确的、综合的齿轮强度计算方法。
影响轮齿载荷的各种因素大致可归纳为四个方面，分别用四个系数来修正名义载荷，这四个系数分别为使用系数、动载系数、齿向载荷分布系数、齿间载荷分配系数。
各种齿轮强度计算方法所采用的动载系数Kv在形式上有很大的差别，考虑的因素也不相同。
各种齿轮强度计算方法所采用的齿向载荷分布系数的计算方法各不相同。
各种齿轮强度计算方法所采用的齿间载荷分配系数的处理上有很大差别。
从以上几点可看出国际标准化组织ISO的齿轮强度计算方法是一种比较合理、精确的方法，所以在本论文中齿轮的设计计算采用此种方法。
齿轮在传递动力时，轮齿处于悬臂状态，在齿根产生弯曲应力和其它应力，并有较大的应力集中，为使齿轮在预定的寿命期内不发生断齿事故，必须使齿根的最大应力小于其许用应力。
3.2.3 齿轮设计过程
（1）输出转矩设计：
转速
轴上的转速
计算轮子传递的转矩
可得：
轴上的转矩为: =3911.09(N/mm)
（2）齿轮的参数设计：
选择齿轮材料、热处理、精度等级及其齿数
割草机为一般工作机器，齿轮选择常用材料及热处理，8级精度。小齿轮：40Cr(调质)，齿面硬度280HBS；大齿轮：45钢（调质），齿面硬度240HBS。二者硬度相差40HBS。
选择小齿轮齿数：z1=23，大齿轮齿数：
（3）基本参数的选择
试选载荷系数：
选择的齿宽系数为：
查得弹性系数为：
按齿面硬度查取接触疲劳极限：
小齿轮：, 大齿轮：；
（4）计算应力循环次数N
假定工作机载荷有轻微冲击，每星期左右修割一次草坪，每周工作8h，预期使用寿命为50年。
小齿轮的应力循环次数为：
可得：=1.492
大齿轮的应力循环次数为：
（5）计算接触疲劳许用应力
查得接触疲劳寿命系数：小齿轮, 大齿轮
接触疲劳强度安全系数
有公式：

试算小齿轮分度圆直径
可得：=22.17(mm)
为了保证制造工艺简单，取=40(mm)
模数：
取标准模数
小齿轮分度圆直径：
大齿轮分度圆直径：
大齿轮齿宽,圆整取；
小齿轮齿宽 (加宽5mm)
中心距
小齿轮齿全高
大齿轮齿全高
齿轮的相关参数如下表所示：

表3.1 齿数表
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

（6）计算载荷系数K
查得使用系数
圆周力，
查得动载荷系数
查得齿间载荷分配系数,
查得齿向载荷分布系数, 一般经仔细跑合，取
计算载荷系数
（7）修正计算：

已取,符合接触疲劳强度条件。
（8）齿轮齿根弯曲疲劳强度校核过程
确定设计参数
载荷系数K=
小齿轮传递的转矩
查得齿形系数 ;应力修正系数，
查得弯曲疲劳寿命系数：小齿轮,大齿轮
按齿面硬度查得弯曲疲劳极限：小齿轮,大齿轮
计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳强度安全系数
由公式,可得
由公式，可得
齿根弯曲应力

结论:计算可得弯曲疲劳强度足够。
3.3 轴的设计计算部分
3.3.1 手推式割草机中轴2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，
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C=116

根据公式，
取
（2）轴的结构设