绿色环保家庭草坪修剪机的设计

赵佳丽

（山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）

随着新时代我国经济的健康高速发展，城市园林绿化和环境保护日益受到人们的重视。大部分的传统草坪机使用内燃机，这种形式的弊端一方面是燃料利用率低，另一方面是污染严重，加重了环保工作的负担。而且草坪附近多数为居民居住区，机器工作时产生的噪声给居民的生活带来不便。伴随着人们环保意识的增强，研发轻噪音、低污染、多样化能源和绿色清洁化的草坪机械显然是未来园林机械的主要发展趋势。

如今市面上的草坪修剪机基本上是由电动机带动的，一般情况下，在电力供应正常的情况下可以实现修剪机启动快、寿命长、工作可靠的特征。另一大优点是电力比燃油便宜，管理操作和维修方便。但一般园林机械设备大多在户外作业，地点不集中，在电力提供方面或多或少会受影响，造成机器的运行不正常。

本文研究的主要内容包括：（1）动力系统的选定，考虑到产品的绿色环保性，故采取太阳能板+电机驱动结合的方式。（2）动力传动系统的设计，机器通过驱动轮使机器运行，通过齿轮传动和组合增速的方式，使滚刀的速度达到要求。（3）执行系统的确定，刀片为主要执行机构，故要对刀片的型号、材料进行筛选。通过增速组合使得滚刀旋转，在刀片后安装泄草口，通过刀片的高速旋转，在刀片与底盘间形成气流，将草屑通过泄草口排出机器，便于收集。（4）操作系统的设计，此部分主要是根据人机工程学，可使不同身高使用者都可以操作此产品。

1 总体方案设计

草坪修剪机共有4个轮子，进行修剪作业时，人的推力通过手柄驱动前轮使得机器前进。镶在前轮内部的齿轮可以使传动机构实现增速效果，滚刀轴带动滚刀向前旋转。通过发挥剪刀机理作用，即底刀刃与滚刀刃相切，使草实现剪断效果。草坪修剪机一般包括驱动机构、传动机构、执行结构，如图1所示。执行结构包括滚刀和底刀。总体来说，草坪修剪机整体宽度为500 mm，割后的草高度为40～50 mm。

图1 动力传递图

1.1 传动机构设计

传动机构的性能对整个机器的使用性能和运行费用具有直接的影响，需要提高传动机构的性能以保证整个机器的性能。本设计提供的草坪修剪机是专门供家庭庭院的草坪使用的，一般家庭庭院的草坪面积低于1 000 m2，故人力推行式的草坪机便于普通家庭使用。机器的前轮为驱动轮，在修剪草坪时，人推着机器缓慢行驶，电机带动滚刀快速旋转，保障草坪的修剪质量。机器的动力传动如图2所示，整个机器主要是通过齿轮传动传递。

图2 机器动力传动简图

1.2 驱动方式的确定

1.2.1 脚踏驱动

脚踏驱动方式需要操作者站在或者坐在机器上，这样会使得草坪修剪机在承受机身的重力之外还要承受操作者的重量，不仅如此，机器必须配有控制方向的装置，使机器的构造趋向复杂，使其占地面积较大，用于家庭草坪会显得“大材小用”。因此不易采纳。

1.2.2 手动驱动

手动驱动可避免上述问题，而且设计出来的产品占地面积小且操作简便。手动的方式分为手摇式和手推式。手摇式除了要实现执行机构的转动，还要通过手摇来带动整个机器的运行，操作者要实现的步骤繁多，操作不便。采用手推式可通过驱动轮使执行机构工作，从而实现剪草作业，这样只一步就可实现草坪修剪的目的。综合以上，考虑选择手推式手动驱动草坪修剪机。

1.3 执行机构和离合装置的设计

1.3.1 执行机构的设计

滚刀和底刀组成执行机构，底刀的刀刃为直线型，作业时的位置保持不动，被固定在底刀架上；滚刀的形状为螺旋曲面，其刀刃为螺旋型，均匀分布且固定在刀架上。在进行修剪作业时，剪口由底刀刃与滚刀刃组成，将草通过螺旋式旋转方式卷进剪口内，实现最终的修剪效果。设计滚刀的基本参数为：

D=150 mm，L=350 mm，刀片数为5片，螺旋线导程Px=5×L＝1 750 mm。

根据相关公式图表求得刀的螺旋角β=15.06°，考虑实际因素取β=17°。综合考虑多种因素，最终取刀的法向前角γ=30°，后角α=20°，底刀的前角为 30°。经调查，草坪修剪机的刀片均为5Mn钢，其具有很好的综合性能，耐热、抗氧化、耐腐蚀。

1.3.2 离合器装置的设计

为了使剪草机实现正向剪草，反向停止旋转，设置了离合器装置。它是由齿轮与内部的弹簧和钢球组成的。在进行修剪作业时，钢球在弹簧的作用下压紧齿轮内壁，带动滚刀旋转然后与底刀相切。由于离合器的齿轮转速大于与之联结的轴的转速，当草坪修剪机向后运动时，该齿轮会做超越运动，令滚刀轴静止不动，从而不与齿轮轴发生干涉。

1.4 操纵把柄的设计

根据人体工程学的要求，可根据操作者的高度调整操作的高度，可调节高度范围为100～150 mm。

方案一：初设计修剪机的操纵把手的整体造型如图3（a）所示，两把手之间由杆连接，太阳能电池板不易安装。且电池板的存在使得杆承受的力不均匀。故此设计不佳。

图3 操纵把手简图

方案二：改善后的操纵把手将太阳能电池板安装在中间杆上，如图3（b）所示，保证了杆的受力均匀，因此选择方案二。最终，整个机架设计如图4所示。

图4 草坪修剪机简图

1.5 断草方式的选择

（1）用刀将草割断的方式，就是用高速旋转的旋刀将草割断，但刀片的运动需要消耗过多的能量，不符合环保设计要求。

（2）用打草绳将草打断的方式，打草绳在修剪时具备极高的速度，所产生的气流会将草打倒，这样的修剪机会损伤草茎，对草的发育产生影响，不符合课题的绿色设计要求。

（3）用刀片将草剪断的方式，滚刀与底刀两个刀片通过相对运动将草剪断，再由电机带动滚刀工作，效率高，效果佳，节省人力。

考虑以上因素和通过调查家庭庭院的草坪情况，本草坪修剪机选择滚刀割草方式。

1.6 驱动机构的设计

1.6.1 人力驱动

按照《人机工程手册》，人的步行速度约为3～5 km/h，也就是48～64 m/min，考虑到本产品必须由人力推行，且要保障割草质量，故取人的步行速度为30 m/min，即0.5 m/s。又因大多数成年人（以男性为准）的身高在170 cm左右。取手推把柄距地面的高度为110 cm，且可在70～150 cm间进行调整，充分适应各种身高的操作者使用。因为本设计是家庭专用型的，机体的尺寸不宜过大，所以驱动轮的直径不宜过大。直径过大，离地高度较大，受力不稳，影响机体的协调性，且机器的速度过快，不能保证割草质量。而直径过小，会使机体很容易与地面接触，增加推行时的阻力，推行起来比较麻烦。初步设计驱动轮的直径为D=320 mm。由《机械设计手册》可知，一般驱动轮均采用橡胶制轮子，因所设计的产品的质量小于50 kg，初设计本产品的寿命为10 a。

1.6.2 电机驱动

根据所设计的修剪机滚刀转速为1 000 r/min，草坪机的功率为3.7 kW，由参考文献和设计手册选取电机的型号为Y2-100L2-4。

1.6.3 太阳能板的应用

由《太阳能电池板在剪草机上应用的研究》一文，可以了解到市面上的电动修剪机的工作时间受电瓶约束太大，而且蓄电池的使用不够环保。硅电池板光谱响应区宽，性能稳定，因而应用广泛，电池板的电压、电流相关特性随着日照角度的变化而变化，实验发现光电池的电压受日照角度变化较小，电流则变化很大，所以太阳能电池板可以应用在草坪修剪机上，为电动机储蓄电能。

2 传动系统设计

本设计选用的是超越离合器，它的工作原理是利用主动件和从动件的转速变化或回转方向而自动接合和脱开。当主动件带动从动件一起转动时，称为结合状态；当主动件和从动件脱开以各自的速度回转时，称为超越状态。

超越离合器有多种类型，本设计选用滚柱定向离合器，它在反向时能够实现自动分离，因此只能在传递扭矩时遵循一个转向原则。当动力源为人工条件时，齿轮完成啮合，保证整个系统完成作业。当动力源切换为使用电力条件时，离合器将齿轮断开，使整个系统仍然能顺利完成修剪作业。

2.1 齿轮的设计

根据传动方案，由于齿轮受的轴向力较小，考虑到制作工艺和成本，选择直齿圆柱齿轮传动。按照齿轮的失效形式和剪草机的工作条件，需进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算。

2.1.1 齿轮1、2的设计

考虑修剪作业推行速度较慢的因素，本设计选择8级精度的齿轮类型。同时，遵循齿轮制造材料选用的原则以及参考常用材料的力学性能表，选择大小齿轮1的材料为20Cr，使用低温回火+渗碳淬火处理方法，硬度为56～62 HRC，取平均值59 HRC；齿轮2的材料为40Cr，使用调质处理方法，硬度为 241～286 HB，取平均值260 HB。

2.1.2 齿轮 3、4、5 的设计

选齿轮3的材料为20Cr，采用低温回火+渗碳淬火处理方法，硬度为56～62 HRC，取平均值59 HRC；齿轮4的材料为40Cr，采用调质处理方法，硬度为241～286 HB，取平均值260 HB。齿轮5选材为45钢，采用调质处理方法，硬度229～286 HB，取平均值240 HB。

3 轴的设计

3.1 轴1的设计计算

（1）轴的最小直径的计算

根据《轴系零部件设计与使用数据速查》，取C=112，则：

所求的d应为安装大齿轮处的轴径处。又因此处需安键槽，所以：d=1.03×10.3＝10.6 mm，取d=15 mm。

（2）根据轴向定位的要求确定各段直径与长度

考虑轴向与周向定位、轴上零件的定位以及拆装等因素，本设计采用阶梯轴结构类型。同时支点采用两端单向固定的方式，以保证满足轴跨距较短的条件，能够实现在常温下工作的效果。这种方式具体来说就是轴承两端各用轴肩固定内圈，外圈则由弹性挡圈固定，最终使每个轴承分别承受一个方向的轴向力。考虑到联轴器的轴向固定以及方便拆装等因素，设计联轴处的最小轴径为外伸段直径d=15 mm，而且第二段轴径必须大于第一段轴径，即d2=17 mm，装轴承处轴径d3应大于d2，取d3=21 mm，齿轮的两端轴承从两侧装入。因为齿轮轴和齿轮不用轴向与周向定位，通过查询轴的标准直径，选取与小齿轮配合处直径d4=33 mm。齿轮两侧轴承对称布置，两侧轴承型号相同，选取d5=21 mm。

3.2 轴2的设计计算

（1）由《轴系零部件设计与使用数据速查》，取C=112，则

取d=20 mm。

（2）根据轴向定位的要求确定各段直径与长度

最终内圈在轴承两端各用套筒固定，外圈由弹性挡圈进行固定。齿轮2向左用轴肩定位，向右用套筒，套筒内径尺寸取15 mm，外径取25 mm；齿轮3向右用轴肩定位，向左用套筒，套筒内径尺寸取15 mm，外径取25 mm。外伸段直径d=15 mm为安装联轴器处的最小轴径。同时，第二段轴径必须大于第一段，这是遵循了联轴器的轴向固定原则，因此设计d2=20 mm，齿轮的两端轴承从两侧装入，装轴承处轴径d3应大于d2，取d3=24 mm。大带轮两侧轴承采用对称布置的方式，两侧轴承型号相同。

3.3 轴3的设计计算

轴颈的计算，由《轴系零部件设计与使用数据速查》，选取C=112，由前面可知，则：

故轴的直径应该大于19.5 mm，取d3=20 mm。

4 结论

本设计为一款家庭庭院专用的草坪修剪机，其最突出的特点为绿色环保。

在产品的动力选用上，选择了人工驱动和电力驱动的方式，减小了传统的草坪修剪机所带来的环境污染以及运行时的噪音。在设计过程中，最关键的环节就是传动机构的设计，后轮为驱动轮，通过齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等方式，将人力传递给旋刀，也通过传动机构的增速使旋刀达到能够把草割断的速度。