綠色環保家庭草坪修剪機的設計

趙佳麗

（山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

隨著新時代我國經濟的健康高速發展，城市園林綠化和環境保護日益受到人們的重視。大部分的傳統草坪機使用內燃機，這種形式的弊端一方面是燃料利用率低，另一方面是污染嚴重，加重了環保工作的負擔。而且草坪附近多數為居民居住區，機器工作時產生的噪聲給居民的生活帶來不便。伴隨著人們環保意識的增強，研發輕噪音、低污染、多樣化能源和綠色清潔化的草坪機械顯然是未來園林機械的主要發展趨勢。

如今市面上的草坪修剪機基本上是由電動機帶動的，一般情況下，在電力供應正常的情況下可以實現修剪機啟動快、壽命長、工作可靠的特征。另一大優點是電力比燃油便宜，管理操作和維修方便。但一般園林機械設備大多在戶外作業，地點不集中，在電力提供方面或多或少會受影響，造成機器的運行不正常。

本文研究的主要內容包括：（1）動力系統的選定，考慮到產品的綠色環保性，故采取太陽能板+電機驅動結合的方式。（2）動力傳動系統的設計，機器通過驅動輪使機器運行，通過齒輪傳動和組合增速的方式，使滾刀的速度達到要求。（3）執行系統的確定，刀片為主要執行機構，故要對刀片的型號、材料進行篩選。通過增速組合使得滾刀旋轉，在刀片后安裝泄草口，通過刀片的高速旋轉，在刀片與底盤間形成氣流，將草屑通過泄草口排出機器，便于收集。（4）操作系統的設計，此部分主要是根據人機工程學，可使不同身高使用者都可以操作此產品。

1 總體方案設計

草坪修剪機共有4個輪子，進行修剪作業時，人的推力通過手柄驅動前輪使得機器前進。鑲在前輪內部的齒輪可以使傳動機構實現增速效果，滾刀軸帶動滾刀向前旋轉。通過發揮剪刀機理作用，即底刀刃與滾刀刃相切，使草實現剪斷效果。草坪修剪機一般包括驅動機構、傳動機構、執行結構，如圖1所示。執行結構包括滾刀和底刀。總體來說，草坪修剪機整體寬度為500 mm，割后的草高度為40～50 mm。

圖1 動力傳遞圖

1.1 傳動機構設計

傳動機構的性能對整個機器的使用性能和運行費用具有直接的影響，需要提高傳動機構的性能以保證整個機器的性能。本設計提供的草坪修剪機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便于普通家庭使用。機器的前輪為驅動輪，在修剪草坪時，人推著機器緩慢行駛，電機帶動滾刀快速旋轉，保障草坪的修剪質量。機器的動力傳動如圖2所示，整個機器主要是通過齒輪傳動傳遞。

圖2 機器動力傳動簡圖

1.2 驅動方式的確定

1.2.1 腳踏驅動

腳踏驅動方式需要操作者站在或者坐在機器上，這樣會使得草坪修剪機在承受機身的重力之外還要承受操作者的重量，不僅如此，機器必須配有控制方向的裝置，使機器的構造趨向復雜，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 手動驅動

手動驅動可避免上述問題，而且設計出來的產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。手搖式除了要實現執行機構的轉動，還要通過手搖來帶動整個機器的運行，操作者要實現的步驟繁多，操作不便。采用手推式可通過驅動輪使執行機構工作，從而實現剪草作業，這樣只一步就可實現草坪修剪的目的。綜合以上，考慮選擇手推式手動驅動草坪修剪機。

1.3 執行機構和離合裝置的設計

1.3.1 執行機構的設計

滾刀和底刀組成執行機構，底刀的刀刃為直線型，作業時的位置保持不動，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。在進行修剪作業時，剪口由底刀刃與滾刀刃組成，將草通過螺旋式旋轉方式卷進剪口內，實現最終的修剪效果。設計滾刀的基本參數為：

D=150 mm，L=350 mm，刀片數為5片，螺旋線導程Px=5×L＝1 750 mm。

根據相關公式圖表求得刀的螺旋角β=15.06°，考慮實際因素取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°。經調查，草坪修剪機的刀片均為5Mn鋼，其具有很好的綜合性能，耐熱、抗氧化、耐腐蝕。

1.3.2 離合器裝置的設計

為了使剪草機實現正向剪草，反向停止旋轉，設置了離合器裝置。它是由齒輪與內部的彈簧和鋼球組成的。在進行修剪作業時，鋼球在彈簧的作用下壓緊齒輪內壁，帶動滾刀旋轉然后與底刀相切。由于離合器的齒輪轉速大于與之聯結的軸的轉速，當草坪修剪機向后運動時，該齒輪會做超越運動，令滾刀軸靜止不動，從而不與齒輪軸發生干涉。

1.4 操縱把柄的設計

根據人體工程學的要求，可根據操作者的高度調整操作的高度，可調節高度范圍為100～150 mm。

方案一：初設計修剪機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，整個機架設計如圖4所示。

圖4 草坪修剪機簡圖

1.5 斷草方式的選擇

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

（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，所產生的氣流會將草打倒，這樣的修剪機會損傷草莖，對草的發育產生影響，不符合課題的綠色設計要求。

（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動將草剪斷，再由電機帶動滾刀工作，效率高，效果佳，節省人力。

考慮以上因素和通過調查家庭庭院的草坪情況，本草坪修剪機選擇滾刀割草方式。

1.6 驅動機構的設計

1.6.1 人力驅動

按照《人機工程手冊》，人的步行速度約為3～5 km/h，也就是48～64 m/min，考慮到本產品必須由人力推行，且要保障割草質量，故取人的步行速度為30 m/min，即0.5 m/s。又因大多數成年人（以男性為準）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間進行調整，充分適應各種身高的操作者使用。因為本設計是家庭專用型的，機體的尺寸不宜過大，所以驅動輪的直徑不宜過大。直徑過大，離地高度較大，受力不穩，影響機體的協調性，且機器的速度過快，不能保證割草質量。而直徑過小，會使機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。初步設計驅動輪的直徑為D=320 mm。由《機械設計手冊》可知，一般驅動輪均采用橡膠制輪子，因所設計的產品的質量小于50 kg，初設計本產品的壽命為10 a。

1.6.2 電機驅動

根據所設計的修剪機滾刀轉速為1 000 r/min，草坪機的功率為3.7 kW，由參考文獻和設計手冊選取電機的型號為Y2-100L2-4。

1.6.3 太陽能板的應用

由《太陽能電池板在剪草機上應用的研究》一文，可以了解到市面上的電動修剪機的工作時間受電瓶約束太大，而且蓄電池的使用不夠環保。硅電池板光譜響應區寬，性能穩定，因而應用廣泛，電池板的電壓、電流相關特性隨著日照角度的變化而變化，實驗發現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用在草坪修剪機上，為電動機儲蓄電能。

2 傳動系統設計

本設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速變化或回轉方向而自動接合和脫開。當主動件帶動從動件一起轉動時，稱為結合狀態；當主動件和從動件脫開以各自的速度回轉時，稱為超越狀態。

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

2.1 齒輪的設計

根據傳動方案，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的工作條件，需進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度計算。

2.1.1 齒輪1、2的設計

考慮修剪作業推行速度較慢的因素，本設計選擇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，使用調質處理方法，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，采用調質處理方法，硬度為241～286 HB，取平均值260 HB。齒輪5選材為45鋼，采用調質處理方法，硬度229～286 HB，取平均值240 HB。

3 軸的設計

3.1 軸1的設計計算

（1）軸的最小直徑的計算

根據《軸系零部件設計與使用數據速查》，取C=112，則：

所求的d應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，本設計采用階梯軸結構類型。同時支點采用兩端單向固定的方式，以保證滿足軸跨距較短的條件，能夠實現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。考慮到聯軸器的軸向固定以及方便拆裝等因素，設計聯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應大于d2，取d3=21 mm，齒輪的兩端軸承從兩側裝入。因為齒輪軸和齒輪不用軸向與周向定位，通過查詢軸的標準直徑，選取與小齒輪配合處直徑d4=33 mm。齒輪兩側軸承對稱布置，兩側軸承型號相同，選取d5=21 mm。

3.2 軸2的設計計算

（1）由《軸系零部件設計與使用數據速查》，取C=112，則

取d=20 mm。

（2）根據軸向定位的要求確定各段直徑與長度

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

3.3 軸3的設計計算

軸頸的計算，由《軸系零部件設計與使用數據速查》，選取C=112，由前面可知，則：

故軸的直徑應該大于19.5 mm，取d3=20 mm。

4 結論

本設計為一款家庭庭院專用的草坪修剪機，其最突出的特點為綠色環保。

在產品的動力選用上，選擇了人工驅動和電力驅動的方式，減小了傳統的草坪修剪機所帶來的環境污染以及運行時的噪音。在設計過程中，最關鍵的環節就是傳動機構的設計，后輪為驅動輪，通過齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等方式，將人力傳遞給旋刀，也通過傳動機構的增速使旋刀達到能夠把草割斷的速度。