趙佳麗

（山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著新時代我國經(jīng)濟(jì)的健康高速發(fā)展，城市園林綠化和環(huán)境保護(hù)日益受到人們的重視。大部分的傳統(tǒng)草坪機(jī)使用內(nèi)燃機(jī)，這種形式的弊端一方面是燃料利用率低，另一方面是污染嚴(yán)重，加重了環(huán)保工作的負(fù)擔(dān)。而且草坪附近多數(shù)為居民居住區(qū)，機(jī)器工作時產(chǎn)生的噪聲給居民的生活帶來不便。伴隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，研發(fā)輕噪音、低污染、多樣化能源和綠色清潔化的草坪機(jī)械顯然是未來園林機(jī)械的主要發(fā)展趨勢。

如今市面上的草坪修剪機(jī)基本上是由電動機(jī)帶動的，一般情況下，在電力供應(yīng)正常的情況下可以實(shí)現(xiàn)修剪機(jī)啟動快、壽命長、工作可靠的特征。另一大優(yōu)點(diǎn)是電力比燃油便宜，管理操作和維修方便。但一般園林機(jī)械設(shè)備大多在戶外作業(yè)，地點(diǎn)不集中，在電力提供方面或多或少會受影響，造成機(jī)器的運(yùn)行不正常。

本文研究的主要內(nèi)容包括：（1）動力系統(tǒng)的選定，考慮到產(chǎn)品的綠色環(huán)保性，故采取太陽能板+電機(jī)驅(qū)動結(jié)合的方式。（2）動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計，機(jī)器通過驅(qū)動輪使機(jī)器運(yùn)行，通過齒輪傳動和組合增速的方式，使?jié)L刀的速度達(dá)到要求。（3）執(zhí)行系統(tǒng)的確定，刀片為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，故要對刀片的型號、材料進(jìn)行篩選。通過增速組合使得滾刀旋轉(zhuǎn)，在刀片后安裝泄草口，通過刀片的高速旋轉(zhuǎn)，在刀片與底盤間形成氣流，將草屑通過泄草口排出機(jī)器，便于收集。（4）操作系統(tǒng)的設(shè)計，此部分主要是根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，可使不同身高使用者都可以操作此產(chǎn)品。

1 總體方案設(shè)計

草坪修剪機(jī)共有4個輪子，進(jìn)行修剪作業(yè)時，人的推力通過手柄驅(qū)動前輪使得機(jī)器前進(jìn)。鑲在前輪內(nèi)部的齒輪可以使傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)增速效果，滾刀軸帶動滾刀向前旋轉(zhuǎn)。通過發(fā)揮剪刀機(jī)理作用，即底刀刃與滾刀刃相切，使草實(shí)現(xiàn)剪斷效果。草坪修剪機(jī)一般包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)，如圖1所示。執(zhí)行結(jié)構(gòu)包括滾刀和底刀?？傮w來說，草坪修剪機(jī)整體寬度為500 mm，割后的草高度為40～50 mm。

圖1 動力傳遞圖

1.1 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

傳動機(jī)構(gòu)的性能對整個機(jī)器的使用性能和運(yùn)行費(fèi)用具有直接的影響，需要提高傳動機(jī)構(gòu)的性能以保證整個機(jī)器的性能。本設(shè)計提供的草坪修剪機(jī)是專門供家庭庭院的草坪使用的，一般家庭庭院的草坪面積低于1 000 m2，故人力推行式的草坪機(jī)便于普通家庭使用。機(jī)器的前輪為驅(qū)動輪，在修剪草坪時，人推著機(jī)器緩慢行駛，電機(jī)帶動滾刀快速旋轉(zhuǎn)，保障草坪的修剪質(zhì)量。機(jī)器的動力傳動如圖2所示，整個機(jī)器主要是通過齒輪傳動傳遞。

圖2 機(jī)器動力傳動簡圖

1.2 驅(qū)動方式的確定

1.2.1 腳踏驅(qū)動

腳踏驅(qū)動方式需要操作者站在或者坐在機(jī)器上，這樣會使得草坪修剪機(jī)在承受機(jī)身的重力之外還要承受操作者的重量，不僅如此，機(jī)器必須配有控制方向的裝置，使機(jī)器的構(gòu)造趨向復(fù)雜，使其占地面積較大，用于家庭草坪會顯得“大材小用”。因此不易采納。

1.2.2 手動驅(qū)動

手動驅(qū)動可避免上述問題，而且設(shè)計出來的產(chǎn)品占地面積小且操作簡便。手動的方式分為手搖式和手推式。手搖式除了要實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，還要通過手搖來帶動整個機(jī)器的運(yùn)行，操作者要實(shí)現(xiàn)的步驟繁多，操作不便。采用手推式可通過驅(qū)動輪使執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，從而實(shí)現(xiàn)剪草作業(yè)，這樣只一步就可實(shí)現(xiàn)草坪修剪的目的。綜合以上，考慮選擇手推式手動驅(qū)動草坪修剪機(jī)。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合裝置的設(shè)計

1.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計

滾刀和底刀組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，底刀的刀刃為直線型，作業(yè)時的位置保持不動，被固定在底刀架上；滾刀的形狀為螺旋曲面，其刀刃為螺旋型，均勻分布且固定在刀架上。在進(jìn)行修剪作業(yè)時，剪口由底刀刃與滾刀刃組成，將草通過螺旋式旋轉(zhuǎn)方式卷進(jìn)剪口內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最終的修剪效果。設(shè)計滾刀的基本參數(shù)為：

D=150 mm，L=350 mm，刀片數(shù)為5片，螺旋線導(dǎo)程Px=5×L＝1 750 mm。

根據(jù)相關(guān)公式圖表求得刀的螺旋角β=15.06°，考慮實(shí)際因素取β=17°。綜合考慮多種因素，最終取刀的法向前角γ=30°，后角α=20°，底刀的前角為 30°。經(jīng)調(diào)查，草坪修剪機(jī)的刀片均為5Mn鋼，其具有很好的綜合性能，耐熱、抗氧化、耐腐蝕。

1.3.2 離合器裝置的設(shè)計

為了使剪草機(jī)實(shí)現(xiàn)正向剪草，反向停止旋轉(zhuǎn)，設(shè)置了離合器裝置。它是由齒輪與內(nèi)部的彈簧和鋼球組成的。在進(jìn)行修剪作業(yè)時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內(nèi)壁，帶動滾刀旋轉(zhuǎn)然后與底刀相切。由于離合器的齒輪轉(zhuǎn)速大于與之聯(lián)結(jié)的軸的轉(zhuǎn)速，當(dāng)草坪修剪機(jī)向后運(yùn)動時，該齒輪會做超越運(yùn)動，令滾刀軸靜止不動，從而不與齒輪軸發(fā)生干涉。

1.4 操縱把柄的設(shè)計

根據(jù)人體工程學(xué)的要求，可根據(jù)操作者的高度調(diào)整操作的高度，可調(diào)節(jié)高度范圍為100～150 mm。

方案一：初設(shè)計修剪機(jī)的操縱把手的整體造型如圖3（a）所示，兩把手之間由桿連接，太陽能電池板不易安裝。且電池板的存在使得桿承受的力不均勻。故此設(shè)計不佳。

圖3 操縱把手簡圖

方案二：改善后的操縱把手將太陽能電池板安裝在中間桿上，如圖3（b）所示，保證了桿的受力均勻，因此選擇方案二。最終，整個機(jī)架設(shè)計如圖4所示。

圖4 草坪修剪機(jī)簡圖

1.5 斷草方式的選擇

（1）用刀將草割斷的方式，就是用高速旋轉(zhuǎn)的旋刀將草割斷，但刀片的運(yùn)動需要消耗過多的能量，不符合環(huán)保設(shè)計要求。

（2）用打草繩將草打斷的方式，打草繩在修剪時具備極高的速度，所產(chǎn)生的氣流會將草打倒，這樣的修剪機(jī)會損傷草莖，對草的發(fā)育產(chǎn)生影響，不符合課題的綠色設(shè)計要求。

（3）用刀片將草剪斷的方式，滾刀與底刀兩個刀片通過相對運(yùn)動將草剪斷，再由電機(jī)帶動滾刀工作，效率高，效果佳，節(jié)省人力。

考慮以上因素和通過調(diào)查家庭庭院的草坪情況，本草坪修剪機(jī)選擇滾刀割草方式。

1.6 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

1.6.1 人力驅(qū)動

按照《人機(jī)工程手冊》，人的步行速度約為3～5 km/h，也就是48～64 m/min，考慮到本產(chǎn)品必須由人力推行，且要保障割草質(zhì)量，故取人的步行速度為30 m/min，即0.5 m/s。又因大多數(shù)成年人（以男性為準(zhǔn)）的身高在170 cm左右。取手推把柄距地面的高度為110 cm，且可在70～150 cm間進(jìn)行調(diào)整，充分適應(yīng)各種身高的操作者使用。因?yàn)楸驹O(shè)計是家庭專用型的，機(jī)體的尺寸不宜過大，所以驅(qū)動輪的直徑不宜過大。直徑過大，離地高度較大，受力不穩(wěn)，影響機(jī)體的協(xié)調(diào)性，且機(jī)器的速度過快，不能保證割草質(zhì)量。而直徑過小，會使機(jī)體很容易與地面接觸，增加推行時的阻力，推行起來比較麻煩。初步設(shè)計驅(qū)動輪的直徑為D=320 mm。由《機(jī)械設(shè)計手冊》可知，一般驅(qū)動輪均采用橡膠制輪子，因所設(shè)計的產(chǎn)品的質(zhì)量小于50 kg，初設(shè)計本產(chǎn)品的壽命為10 a。

1.6.2 電機(jī)驅(qū)動

根據(jù)所設(shè)計的修剪機(jī)滾刀轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，草坪機(jī)的功率為3.7 kW，由參考文獻(xiàn)和設(shè)計手冊選取電機(jī)的型號為Y2-100L2-4。

1.6.3 太陽能板的應(yīng)用

由《太陽能電池板在剪草機(jī)上應(yīng)用的研究》一文，可以了解到市面上的電動修剪機(jī)的工作時間受電瓶約束太大，而且蓄電池的使用不夠環(huán)保。硅電池板光譜響應(yīng)區(qū)寬，性能穩(wěn)定，因而應(yīng)用廣泛，電池板的電壓、電流相關(guān)特性隨著日照角度的變化而變化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光電池的電壓受日照角度變化較小，電流則變化很大，所以太陽能電池板可以應(yīng)用在草坪修剪機(jī)上，為電動機(jī)儲蓄電能。

2 傳動系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計選用的是超越離合器，它的工作原理是利用主動件和從動件的轉(zhuǎn)速變化或回轉(zhuǎn)方向而自動接合和脫開。當(dāng)主動件帶動從動件一起轉(zhuǎn)動時，稱為結(jié)合狀態(tài)；當(dāng)主動件和從動件脫開以各自的速度回轉(zhuǎn)時，稱為超越狀態(tài)。

超越離合器有多種類型，本設(shè)計選用滾柱定向離合器，它在反向時能夠?qū)崿F(xiàn)自動分離，因此只能在傳遞扭矩時遵循一個轉(zhuǎn)向原則。當(dāng)動力源為人工條件時，齒輪完成嚙合，保證整個系統(tǒng)完成作業(yè)。當(dāng)動力源切換為使用電力條件時，離合器將齒輪斷開，使整個系統(tǒng)仍然能順利完成修剪作業(yè)。

2.1 齒輪的設(shè)計

根據(jù)傳動方案，由于齒輪受的軸向力較小，考慮到制作工藝和成本，選擇直齒圓柱齒輪傳動。按照齒輪的失效形式和剪草機(jī)的工作條件，需進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計算。

2.1.1 齒輪1、2的設(shè)計

考慮修剪作業(yè)推行速度較慢的因素，本設(shè)計選擇8級精度的齒輪類型。同時，遵循齒輪制造材料選用的原則以及參考常用材料的力學(xué)性能表，選擇大小齒輪1的材料為20Cr，使用低溫回火+滲碳淬火處理方法，硬度為56～62 HRC，取平均值59 HRC；齒輪2的材料為40Cr，使用調(diào)質(zhì)處理方法，硬度為 241～286 HB，取平均值260 HB。

2.1.2 齒輪 3、4、5 的設(shè)計

選齒輪3的材料為20Cr，采用低溫回火+滲碳淬火處理方法，硬度為56～62 HRC，取平均值59 HRC；齒輪4的材料為40Cr，采用調(diào)質(zhì)處理方法，硬度為241～286 HB，取平均值260 HB。齒輪5選材為45鋼，采用調(diào)質(zhì)處理方法，硬度229～286 HB，取平均值240 HB。

3 軸的設(shè)計

3.1 軸1的設(shè)計計算

（1）軸的最小直徑的計算

根據(jù)《軸系零部件設(shè)計與使用數(shù)據(jù)速查》，取C=112，則：

所求的d應(yīng)為安裝大齒輪處的軸徑處。又因此處需安鍵槽，所以：d=1.03×10.3＝10.6 mm，取d=15 mm。

（2）根據(jù)軸向定位的要求確定各段直徑與長度

考慮軸向與周向定位、軸上零件的定位以及拆裝等因素，本設(shè)計采用階梯軸結(jié)構(gòu)類型。同時支點(diǎn)采用兩端單向固定的方式，以保證滿足軸跨距較短的條件，能夠?qū)崿F(xiàn)在常溫下工作的效果。這種方式具體來說就是軸承兩端各用軸肩固定內(nèi)圈，外圈則由彈性擋圈固定，最終使每個軸承分別承受一個方向的軸向力。考慮到聯(lián)軸器的軸向固定以及方便拆裝等因素，設(shè)計聯(lián)軸處的最小軸徑為外伸段直徑d=15 mm，而且第二段軸徑必須大于第一段軸徑，即d2=17 mm，裝軸承處軸徑d3應(yīng)大于d2，取d3=21 mm，齒輪的兩端軸承從兩側(cè)裝入。因?yàn)辇X輪軸和齒輪不用軸向與周向定位，通過查詢軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑，選取與小齒輪配合處直徑d4=33 mm。齒輪兩側(cè)軸承對稱布置，兩側(cè)軸承型號相同，選取d5=21 mm。

3.2 軸2的設(shè)計計算

（1）由《軸系零部件設(shè)計與使用數(shù)據(jù)速查》，取C=112，則

取d=20 mm。

（2）根據(jù)軸向定位的要求確定各段直徑與長度

最終內(nèi)圈在軸承兩端各用套筒固定，外圈由彈性擋圈進(jìn)行固定。齒輪2向左用軸肩定位，向右用套筒，套筒內(nèi)徑尺寸取15 mm，外徑取25 mm；齒輪3向右用軸肩定位，向左用套筒，套筒內(nèi)徑尺寸取15 mm，外徑取25 mm。外伸段直徑d=15 mm為安裝聯(lián)軸器處的最小軸徑。同時，第二段軸徑必須大于第一段，這是遵循了聯(lián)軸器的軸向固定原則，因此設(shè)計d2=20 mm，齒輪的兩端軸承從兩側(cè)裝入，裝軸承處軸徑d3應(yīng)大于d2，取d3=24 mm。大帶輪兩側(cè)軸承采用對稱布置的方式，兩側(cè)軸承型號相同。

3.3 軸3的設(shè)計計算

軸頸的計算，由《軸系零部件設(shè)計與使用數(shù)據(jù)速查》，選取C=112，由前面可知，則：

故軸的直徑應(yīng)該大于19.5 mm，取d3=20 mm。

4 結(jié)論

本設(shè)計為一款家庭庭院專用的草坪修剪機(jī)，其最突出的特點(diǎn)為綠色環(huán)保。

在產(chǎn)品的動力選用上，選擇了人工驅(qū)動和電力驅(qū)動的方式，減小了傳統(tǒng)的草坪修剪機(jī)所帶來的環(huán)境污染以及運(yùn)行時的噪音。在設(shè)計過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，后輪為驅(qū)動輪，通過齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等方式，將人力傳遞給旋刀，也通過傳動機(jī)構(gòu)的增速使旋刀達(dá)到能夠把草割斷的速度。