0604027李陽全自動模紋修剪機設(shè)計

1、1 前言1.1 園林修剪機械研究現(xiàn)狀模紋花壇的修剪目前僅僅使用簡單的綠籬機或者手提式割草機，由工作人員進入花壇中進行操作，至今未有自動行走的模紋修剪機進行花壇修剪和維護。自古以來便有園林的建設(shè)和維護，相應(yīng)的機械也得以發(fā)展。隨著現(xiàn)今城市人民生活水平的提高，人們對于生活質(zhì)量的要求越來越高，隨之發(fā)展的就是城市的生態(tài)建設(shè)和綠化建設(shè)。要想擁有好的綠化建設(shè)，園林機械是必不可少。在國外，由于土地資源、人文環(huán)境、生活水平等許多因素影響，國外的綠化園林機械發(fā)展較早，20世紀初，國外發(fā)達國家就已開始大規(guī)模的綠化建設(shè)和綠化宣傳等工作，并且使用園林機械代替繁重的體力勞動。21世紀初，發(fā)達國家從企業(yè)到公共綠地全部實現(xiàn)機

2、械化作業(yè)，并向更高層次發(fā)展。經(jīng)過近百年的發(fā)展，美國、日本、德國、意大利、瑞典等國家小動力園林機械得到了長足的發(fā)展，培養(yǎng)出許多國際知名品牌，如美國的b&s（百力通）、kohler、mtd、tecumsen,日本的小松、yamaha、honda，意大利的emark，德國的stihl、solo，瑞典的husqvarna等。這些企業(yè)在行業(yè)中有較大的影響。我國的園林機械生產(chǎn)起始于20世紀70年代，但是進入90年代以來，特別是最近幾年，隨著市政建設(shè)、工業(yè)用途和城市園林綠化需求規(guī)模的迅速擴大及模紋花壇、立體花壇的的持續(xù)發(fā)展，帶動了園林機械的生產(chǎn)和不斷更新進步。外資企業(yè)的加盟縮小了我國園林機械產(chǎn)品與國外的差距

3、，也使競爭日趨激烈。加入wto后，面對歐美園林機械的巨大市場，中國小型綠化園林機械以其低價格、簡易、耐用等優(yōu)勢，出口量得以大幅度提高，促進了國內(nèi)園林機械的發(fā)明和迅速發(fā)展。我國小型柴油機產(chǎn)品品種較少，與某些國家相比差距較大。美國和日本的產(chǎn)品已實現(xiàn)系列化、統(tǒng)一化、標準化，各公司均有自成體系的系列產(chǎn)品，產(chǎn)品覆蓋很大的功率范圍，配套幾十種機具。目前，我國配套的園林機具僅有十幾種，技術(shù)含量低。產(chǎn)品性能普遍低于國外同類產(chǎn)品。1.2 模紋修剪機的發(fā)展趨勢近年來，隨著我國基礎(chǔ)綠化建設(shè)的持續(xù)深入和建設(shè)中模紋花壇的推廣應(yīng)用，人們對園林機械產(chǎn)品的發(fā)展提出了新的要求，具體如下：產(chǎn)品規(guī)格上向大型化和微型化方向發(fā)展。模紋

4、修剪機的應(yīng)用范圍日漸廣泛，為適應(yīng)大型模紋花壇的修剪和維護，為實現(xiàn)高效修剪大型模紋花壇，修剪機的規(guī)格不斷發(fā)展；為滿足市政花壇建設(shè)和公園花壇建設(shè)的需要，小型的精致花壇修剪產(chǎn)品不斷成熟。產(chǎn)品功能上向多功能化和專用化方向發(fā)展。園林的作物種類不同，但共通點頗多，使得修剪機械趨向于一機多能，配備多種工作裝置，以滿足各種施工需要；立體修剪、模紋修剪和草坪修剪等專用機械也得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品性能上向節(jié)能化、智能化方向發(fā)展。能耗大、操作復(fù)雜的修剪機械逐漸退出市場，更節(jié)能更“聰明”更簡潔的修剪機械可有效降低人力和物力成本。也更加符合國家的節(jié)能減排的相關(guān)要求。產(chǎn)品技術(shù)上向信息化、智能化方向發(fā)展。電控系統(tǒng)、傳感器的廣泛

5、應(yīng)用可幫助用戶分析各種參數(shù)，了解工作狀況，以此來對花壇的修剪進行嚴格的定位和操作，實現(xiàn)半自動化甚至自動化，以確保安全使用和提高工作效率。修剪機械產(chǎn)品各部件逐漸實現(xiàn)標準化，操作逐漸實現(xiàn)自動化，對機械的維護便利性以及操作人員的工作安全性和專業(yè)性要求不斷增強。1.3 本課題研究的目的和意義隨著社會科學(xué)的發(fā)展，各種園林機械被廣泛應(yīng)用于園林及綠化建設(shè)過程中。大大的減輕了綠化建設(shè)的難度，為人與自然的和諧打下了基礎(chǔ)。但在模紋花壇的修剪和維護方面，還主要是應(yīng)用綠籬機或剪刀，通過人力進行定位和剪切，存在輔助時間長、修剪效率低、精度低等問題，除此之外，該方法對于大型模紋花壇的修剪不得不進入花壇中進行操作，將破壞花

6、壇的灌木生長和整體形象；采用高性能機器人修剪機械或者高空剪切等手段，則價格昂貴，在一定程度上造成資源浪費。因此，為了實現(xiàn)模紋花壇修剪維護的機械化、節(jié)約化和自動化，以及降級對花壇自身的傷害，就需要設(shè)計一種新型的模紋修剪機械。本次設(shè)計，運用獨特的發(fā)散思維和仿生學(xué)的知識，將各種限制進行分析，采用先進的機械設(shè)計理念，以內(nèi)燃機為動力，重點對其行走系等部分進行改進，能夠極大自動化程度，有效的提高工作效率，提高修剪精度。為大范圍的模紋花壇修剪提供有力的保障。通過對此課題進行研究，目的在于通過對日常機械的基本結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)用，完成模紋修剪機的整體底盤設(shè)計和工作部件設(shè)計，從而積累對整套機械系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗、掌握制圖

7、軟件應(yīng)用、比較自己的設(shè)計思路與傳統(tǒng)設(shè)計方法的優(yōu)劣，為今后的研究和學(xué)習(xí)提供動力和幫助。1.4 設(shè)計任務(wù)近年來，我國國內(nèi)市場對園林修剪機械的需求有增無減，需要新的更加符合工作環(huán)境要求的產(chǎn)品不斷投入實際生產(chǎn)。本次設(shè)計任務(wù)為設(shè)計一臺自走式的中型模紋花壇修剪機的工作裝置部分和行走系部分。動力裝置是由汽油機或柴油機作為主要動力，通過變速箱將動力分配變換來實現(xiàn)工作部位的驅(qū)動。工作裝置是一個較簡單的機構(gòu)，國內(nèi)外對其力學(xué)分析、運動分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方面都作了較深入的研究，設(shè)計已經(jīng)趨于成熟。針對這一部分研究情況和我國產(chǎn)品壽命短、質(zhì)量不高的情況，偏重于尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，保證其能滿足工作要求，并具有一定的工作壽

8、命。行走系設(shè)計是一個較為復(fù)雜的全新設(shè)計，由于模紋修剪機的工作環(huán)境是在小灌木等植株上勻速行走，而且花壇不能被碾壓損壞，所以便對模紋修剪機的行走系提出了較多的要求。首先模紋修剪機的行進必須有最大工作速度2km/h和最大非工作運輸速度5km/h兩種勻速模式，其次行走于花壇上，不能對花壇造成碾壓等損傷。從行走系的功用出發(fā)，在保證其承載能力和牽引能力的同時，著重對其輪系進行設(shè)計。在這里選擇合適的四輪一帶部件，并對履帶進行變形。在圖紙中表達清楚其結(jié)構(gòu)尺寸和配合狀況。2 模紋修剪機總體方案的設(shè)計全自動模紋修剪機顧名思義是自動化的對模紋花壇進行修剪和維護的園林機械，考慮到現(xiàn)有模紋修剪方法存在修剪效率低、精度低

9、和破換花壇等問題。本設(shè)計是在一頂?shù)臈l件下自行作業(yè)的機械，有動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的配合下自動作業(yè)。其自走結(jié)構(gòu)可以高效簡潔的對模紋花壇進行作業(yè)，因此如何設(shè)計兩種速度的切換以及行走系的結(jié)構(gòu)，是本次設(shè)計的重點。按照全自動模紋修剪機的作業(yè)要求，本設(shè)計采用特殊輪系設(shè)計，特殊輪系設(shè)計可以是機械在勻速水平行走的同時不對模紋花壇造成傷害，從機械的頭部對花壇進行修剪，并在修剪后將廢枝葉灑下花壇，形成有機肥料。此設(shè)計既能自動行走，又能合理的處理修剪后的廢枝葉，一次十分適合大型模紋花壇的修剪。考慮到發(fā)動機、減速器、工作頭等的重量較大，機械要進行平穩(wěn)運作，必須進行平衡配置，盡量保持整機的平衡。履帶的更換決定了剪切的高度，

10、一次此全自動模紋修剪機可適應(yīng)模紋花壇等平面或浮雕式花壇的修剪，而且了對草坪等場地進行修剪和維護，這便做到一機多用從而使其可應(yīng)用范圍大幅度增加。模紋修剪機主要由行走輪系、變速器、修剪頭、支撐架、速度調(diào)節(jié)裝置等幾大部分組成。其中行走輪系、變速器以及速度調(diào)節(jié)裝置屬于行走系，支撐并帶動支撐架行走。修剪器、轉(zhuǎn)動軸和柴油機等分布于支撐架上，從而構(gòu)成完整的機械。行走系采用仿生學(xué)特殊履帶行走，變速器采用電磁離合器與電磁控制開關(guān)，修剪器采用雙齒鋸修剪，廢物處理的方式采用直接回歸食物鏈法，用風扇將剪掉的枝葉送回地面。在選定柴油機動力、行駛速度基礎(chǔ)上，憑借經(jīng)驗公式給出模紋修剪機的基本參數(shù)，包括尺寸參數(shù)（工作尺寸、機

11、體外形尺寸、工作裝置尺寸）和重量參數(shù)、功率參數(shù)、剪切力、針對水平地面的最高剪切高度等等。該全自動模紋修剪機總設(shè)計方案如圖2-1所示圖2-1 全自動模紋修剪機總體設(shè)計主視圖2.1 全自動模紋修剪機修剪部件的方案設(shè)計由于機械行走系統(tǒng)進行勻速行走，因此模紋修剪機的剪切裝置必須進行線剪切，為了保證工作過程的順利和效率，剪切刃的選擇需要慎重，在螺旋剪切，鋸齒剪切，雙刃綠籬機等剪切機械中，我選擇了雙刃綠籬機的刀刃，該刀刃的零部件組成精密，傳動軸耐磨性強，傳動連接齒合精準，運作流暢，可以修剪不同的植物，從而大大的提高了修剪效率。修剪部件的工作由內(nèi)燃機帶動，修剪速度要求適中，速度太快對刀具造成損傷，太慢則有損

12、工作效率。由于不同的模紋花壇要求的剪切力有所不同，設(shè)計時間有限，因此修剪機的動力，參考已經(jīng)比較成熟的綠籬機的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)查閱同種刀具工作，參考發(fā)動機機型為發(fā)動機型號：1e32f發(fā)動機排量：23cc 功率：0.65kw/6500rpm割幅：750mm 修剪部的毛重/凈重7.1/5.6kg。2.2 行走部件的設(shè)計全自動模紋修剪機的行走部件是此次設(shè)計最重要的部分。模紋花壇主要特點為：由小型灌木組成、面積大、土質(zhì)較結(jié)實。因此變對修剪機提出了較為苛刻的要求：首先，模紋修剪機必須在灌木上行走而不能對花壇造成損傷；其次，模紋修剪機必須在花壇中實現(xiàn)自走，自行轉(zhuǎn)彎以及差速行駛等動作；第三，模紋修剪機的重量應(yīng)滿

13、足土地的承受能力，雖然地面有一定的承受能力，但是對地壓強不能過大。2.2.1 行走輪系設(shè)計方案輪系的設(shè)計作為行走部件的重點項目，將其進行充分的構(gòu)思和優(yōu)化。首先，在工作過程中，由于機械處于半懸空狀態(tài)，不能對地面進行碾壓，因此必須采用特殊輪系，我們可以試著將輪系分為兩部分設(shè)計。采用triz理論進行設(shè)計，參照仿生學(xué)水黽的水上行走，將行走系下部設(shè)計成為柱狀支撐體。由于行走系使整個機械平穩(wěn)前進，因此行走系的上部必須是保持水平運動，顯而易見的我們必須拋棄輪式結(jié)構(gòu)，在這里，我們參照履帶式的行走過程中履帶底部與地面始終保持平行的特點，將輪系的上半部設(shè)計為仿履帶式結(jié)構(gòu)。以上方案綜合便得到如圖2-2的簡易結(jié)構(gòu)，有

14、圖中我們可以發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)基本符合全自動模紋修剪機的行走要求。但是由于履帶是軟性傳動，在行進中必然會產(chǎn)生前傾、偏移和履帶變形等情況，造成模紋修剪機的不穩(wěn)定。因此必須對其進行更深層的改造，已達到滿足在花壇中行走的要求。對履帶的支撐架進行改造，對履帶進行約束，從而保證修剪機運動的穩(wěn)定。圖2-2 全自動輪系方案分析初步組合效果圖2.2.2 運動狀態(tài)的方案要求全自動模紋修剪機的工作環(huán)境是大型模紋花壇，因此對比電動機、內(nèi)燃機和液壓馬達等動力裝置，我們選擇內(nèi)燃機這種對外界依賴小、操作簡單的動力機作為模紋修剪機的主要動力。全自動模紋修剪機根據(jù)設(shè)計要求有四種運動形式，因此行走系的傳動設(shè)計比較復(fù)雜。其中，修剪機的四

15、種運動形式分別是：停止、3km/h勻速前進、5km/h勻速前進和轉(zhuǎn)彎前進。停止是指在下達停止命令時修剪機必須立即停止，需要關(guān)閉柴油機的同時消滅修剪機前行中的慣性，兩種勻速前進速度分別為非工作和工作速度，切換時必須平穩(wěn)。由于此機械采用半懸空狀態(tài)，因此拐彎與常規(guī)履帶式機械有所區(qū)別，必須保持雙邊同時前進，運用雙邊的差速進行轉(zhuǎn)彎。2.2.3 實現(xiàn)差速行駛的設(shè)計方案履帶式行走系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向是一側(cè)停止，另一側(cè)運動，從而產(chǎn)生差速使機械轉(zhuǎn)彎。但是在花壇中為保持灌木的完整性，必須使兩側(cè)同時前進差速前進。而汽車的轉(zhuǎn)向器和差速器顯然不能應(yīng)用在模紋修剪機上。因此設(shè)計中，我選擇將兩側(cè)的履帶分為不相關(guān)的兩部分，自主設(shè)計小型齒

16、輪箱，以達到單側(cè)變速、差速行駛。運動中的變速需要使用到離合器和齒輪箱。參考離合器的種類以及變速范圍，我選擇采用電磁離合器，小巧簡便又能實現(xiàn)可控離合。齒輪箱參考機床齒輪箱進行設(shè)計，由電磁體實現(xiàn)齒輪的變換，從而達到轉(zhuǎn)速的改變。由于速度為3km/h和5km/h兩種，因此采用三軸兩速的齒輪箱。2.3 全自動模紋修剪機裁剪枝葉的處理方案在修剪過程中產(chǎn)生的枝葉，可以進行收集或者直接還之于花壇。考慮到模紋修剪機的工作環(huán)境，我們應(yīng)盡量減輕其重量，以使修剪機更加高效實用，我們選擇將修剪枝葉靠刀具打散到花壇中，使之成為有機肥料。這樣既優(yōu)化了模紋修剪機，又能達到處理廢枝葉的目的。3 修剪裝置的運動分析及設(shè)計在修剪裝

17、置的設(shè)計過程中主要針對行走系的穩(wěn)定性以及機體的大小，設(shè)計修剪道刃的長度，設(shè)計動力的減速和傳遞的齒輪組合相關(guān)機構(gòu)，采用自帶小型柴油機，確定外載荷，對工作裝置進行受力分析。根據(jù)估算情況及其受力分析，即可按強度理論對工作裝置主要構(gòu)件進行強度校核，為簡化計算，選定危險截面最大受力情況，大致得出剪切力和剪切阻力及其分布。3.1修剪裝置的設(shè)計方案由任務(wù)書提出的修剪方式及給定工作環(huán)境，選取修剪裝置，如圖3-1所示：1-傳動軸；2- 錐齒輪； 3-底部齒輪； 4-連桿； 5-修剪刀刃； 6-傳動齒輪；圖3-1 工作裝置組成圖圖3-1為全自動模紋修剪機的工作裝置即修剪部的基本組成就傳動示意圖，如圖修剪工作裝置由

18、傳動軸1、連桿4、修剪刀刃5以及傳動齒輪2、3、5等組成。刀刃的下刀刃是靜片，下刀刃與支撐架焊接在一起，以保證其固定不動，刀刃的上刀片是動片，由連桿4帶動其進行左右往復(fù)平移，使上下刀刃產(chǎn)生相對移動。上下刀刃之間由凹槽想連接，以保證上刀刃的運動保持水平左右運動，而不會產(chǎn)生偏動或變位，從而對花壇產(chǎn)生修剪力。工作時，啟動柴油機，通過變速將動力通過皮帶傳達到修剪部的帶輪上，如圖所示的通過傳動軸1傳遞動力，通過錐齒輪2改變傳動方向，然后帶動下部底部齒輪3調(diào)節(jié)好道具的高度，傳遞到傳動齒輪6進行增速并帶動連桿4進行運動，通過凸輪連桿機構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為刀具所需要的平移運動，上刀刃與下刀刃相對移動產(chǎn)生剪切力，

19、對花壇進行修剪。在此過程中，全自動模紋修剪機的自動行進裝置進行移動，使刀具與花壇產(chǎn)生相對移動，從而對花壇進行整體修剪和維護。在在實際修剪作業(yè)中，由于所需修剪植物屬性、修剪高度等不同，修剪部可以進行拆卸進行切換，模紋修剪機的修剪可以使多樣性的、靈活性的。上述上述過程僅為一般的理想過程。全自動模紋修剪機的刀刃設(shè)計是基于綠籬機的修剪方式產(chǎn)生的，由于綠籬機修剪的綠籬的強度往往大于模紋花壇中小灌木的修剪強度，因此我們可以修改其傳動裝置，采用其刀片，既能保證修剪的效率，又能保證刀具的各方面參數(shù)達到修剪要求。鑒于在國內(nèi)外園林機械的發(fā)展中，綠籬機的設(shè)計已經(jīng)非常成熟，且修剪要求不大，因此我通過查閱對比國內(nèi)外的相

20、關(guān)綠籬機刀具的參數(shù)，選定適中的參數(shù)進行設(shè)計。根據(jù)全自動模紋修剪機的整體長寬數(shù)據(jù)，按最效率的設(shè)計將模紋修剪機的刀具長度選為900mm（修剪機前部正常工作的最大寬度）參考相關(guān)書籍和綠籬機數(shù)據(jù)，初選刀具幾何和組合是專為重型齒輪修剪。用刀片切割速度可以達到極高的往返速度。刀片運動型式為單刀運動，刀片長度l1=750 mm，刀刃齒距l(xiāng)2= 35 mm，刀刃厚度d=2.5mm，速度調(diào)節(jié)模式為無調(diào)整式。此修剪刀具可以保證在前進修剪過程中可以全面的修剪花壇。3.2 修剪裝置的運動分析修剪部的工作，動力由傳動齒輪6傳遞至連桿4，連桿4將力傳遞給刀具上刀刃，從而與下刀刃相對移動產(chǎn)生剪切力。以此便能對其進行力學(xué)分析

21、，得到如圖3-2所示的受力分析：圖3-2 修剪機修剪部受力草圖如圖所示，由齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動對連桿產(chǎn)生作用力，作用力fa2方向沿著齒輪的切線方向，力作用與連桿，因此對其進行受力分析得到fa2=fa1+fa3 （3-1）其中fa3的力沿著連桿傳遞給刀具與連桿的交接螺栓處。因此，刀具處連桿給予刀具的力為fb2=fa3。而將fb2進行分解可以得到fb2= fb1+fb3 （3-2）參照力矢量關(guān)系我們可以得到fa3= fa2cosa （3-3）fb3= fb2cosb= fa2cosacosb （3-4）式中：a：fa3和fa2間的夾角；b：fb2和fb3間的夾角；因此我們可以發(fā)現(xiàn)力的傳遞跟連桿和刀具間的

22、夾角有函數(shù)關(guān)系，而且連桿長度和傳遞齒輪和刀具見距離有函數(shù)關(guān)系。傳遞齒輪與刀具間距離越小力的傳遞效率越高，反之則傳遞效率低；連桿的長度越長傳遞動力的效率越高，反之則效率降低。因此設(shè)計時，在條件允許的范圍內(nèi)，我們應(yīng)當適當?shù)募娱L連桿的長度和減小傳遞齒輪于刀具間的距離。已達到傳遞效率的最優(yōu)化。在刀具的勻速前進修剪過程中，由于修剪是均勻分布的，因此對于各修剪刀口的受力幾乎是一樣的，根據(jù)現(xiàn)有的合格修剪刀具的參數(shù)，我們可以認為，刀具是符合實際要求的，是經(jīng)過驗證的合格產(chǎn)品。為了簡化設(shè)計，就不再對刀具的受力及危險截面的受力進行分析。另外，刀刃的下刀刃是靜片與支撐架焊接在一起，刀刃的上刀片是動片由連桿4帶動其進行

23、左右往復(fù)平移，使上下刀刃產(chǎn)生相對移動。上下刀刃之間由凹槽想連接，以保證上刀刃的運動保持水平左右運動，而不會產(chǎn)生偏動或變位。連接間可在內(nèi)部裝如小鋼珠以減少摩擦力并固定刀具。如圖3-3所示：圖3-3 修剪機修剪部刀頭設(shè)計4 行走裝置的運動分析及設(shè)計全自動模紋修剪機靠柴油機提供動力，在工作過程中，機械處于半懸空狀態(tài)，不能對地面進行碾壓，必須采用特殊輪系四種運動形式；運動的四種行進狀態(tài)分別是：停止、5km/h勻速前進、3km/h勻速前進和轉(zhuǎn)彎前進。4.1 輪系裝置的設(shè)計方案由前面的設(shè)計分析我們可以得到對于模紋修剪機我們有很多特殊的要求，首先，在工作過程中，由于機械處于半懸空狀態(tài)，不能對地面進行碾壓，因

24、此必須采用特殊輪系。這樣我們應(yīng)該想到模紋修剪機的行走只有兩種情況：一是懸空行走，如：吊車或懸掛梁；二是局部支撐，采用局部支撐的方式，如：仿生蜘蛛腿或支架挪移前進。而由于模紋花壇較大，考慮到修剪的簡便效益問題。我們不得不選擇更合理的局部支撐方式，即全自動模紋修剪在行走過程中與地面的接觸是點接觸，行進屬于點挪移方式，而非線型前進。因此我們得到底部支撐如圖4-1所示：圖4-1 行走輪系支柱式設(shè)計此設(shè)計利用支柱式支撐住模紋修剪機的機體，使其可以自由在上面進行工作，而不會對花壇小灌木造成損壞。雖然模紋花壇相較于普通土質(zhì)路面較為結(jié)實，但是全自動模紋修剪機使用柴油機、減速器以及鋼質(zhì)支撐架等較為沉重的部件，造

25、成其自身重量非常大，多支柱也未必能很好的起到平穩(wěn)支撐作用。因此，我們設(shè)計底部的鐵片進行輔助支撐，可以有效的將分散力的分布，從而減小模紋修剪機對于地面的壓強，保證其不會因為下陷等造成變形。底部的支撐片可以繞圓柱銷范圍移動，從而不論支柱與地面的角度為多少，支撐片始終與地面相接觸并平行。而且，在支撐片與灌木頂部枝葉接觸時也會因為受力情況，產(chǎn)生傾斜運動，減少對植株造成的影響。4.2 行走裝置的設(shè)計方案底部采用triz理論進行設(shè)計，參照仿生學(xué)水黽的水上行走，將行走系下部設(shè)計成為柱狀支撐體。要使行走系使整個機械平穩(wěn)前進，因此行走系的上部必須是保持水平運動，顯而易見的我們必須拋棄輪式結(jié)構(gòu)，在這里，我們參照履

26、帶式的行走過程中履帶底部與地面始終保持平行的特點，將輪系的上半步設(shè)計為仿履帶式結(jié)構(gòu)，從而得到整個輪系的組成。4.2.1 履帶支撐體的設(shè)計方案在這里我們著重解決兩方面的問題：第一，履帶式前進的轉(zhuǎn)彎，正常履帶轉(zhuǎn)彎將對花壇造成破壞性影響；第二，履帶屬于軟性傳動，在行進中必然會產(chǎn)生前傾、偏移和履帶變形等情況，造成模紋修剪機的不穩(wěn)定。因此必須對其進行更深層的改造，已達到滿足在花壇中行走的要求。履帶的轉(zhuǎn)彎我們可以在后面的差速設(shè)計中解決。針對履帶的軟性，我們可以參考吊掛式傳送鏈，對履帶進行約束，使其只能進行前后移動而不能存在其他自由度，以使修剪機運動的穩(wěn)定。如圖4-2所示：圖4-2 履帶支撐約束裝置設(shè)計底部

27、平行支撐處的履帶行進，采用此約束裝置，可以支撐約束履帶的行進，已達到我們希望得到的在行進中必然不會產(chǎn)生前傾、偏移和履帶變形等情況，使模紋修剪機穩(wěn)定的以各種狀態(tài)行駛。4.2.2 履帶的設(shè)計方案模紋修剪機屬于中型園林機械，其支柱式行走必然限制了整機的重量。但是由于使用柴油機、減速器以及鋼質(zhì)支撐架等較為沉重的部件，造成其自身重量非常大。因此我們必須優(yōu)化設(shè)計所有部件，以最大化的減小其重量為目標。模紋修剪機的履帶支撐屬于約束支撐，普通的履帶板狀連接會造成內(nèi)部摩擦力過大、難以行駛、磨損嚴重等缺點。因此我們必須重新設(shè)計履帶的帶板，并使其與支撐柱結(jié)合在一起。我們可以參照支架支撐的設(shè)計，對其進行優(yōu)化改進，在安全

28、承受支撐力的前提下，減少鋼材應(yīng)用。如圖4-3所示：圖4-3 履帶單節(jié)設(shè)計方案以上履帶帶板的邊有四個輪子，能與支撐架產(chǎn)生滾動摩擦，從而可以最大限度的減少能量消耗，從而達到效率最大化。整機重量較重，但是多節(jié)共同支撐可以有效的減少每節(jié)履帶帶板所需分擔的壓力，因此看似脆弱的履帶帶板足以保證全自動模紋修剪機的行走設(shè)計。單節(jié)履帶帶板間有前后兩輪間用剛性連接裝置連接，以使履帶的前進過程中不會產(chǎn)生變形或偏差。4.2.3 履帶零部件的確定驅(qū)動輪時將轉(zhuǎn)動軸傳來的動力通過相互咬合來傳遞給履帶，因此驅(qū)動輪應(yīng)該與履帶嚙合正確。為減少磨損和功率損失，將驅(qū)動輪置于后部。由于模紋修剪機屬于小型履帶，屬于創(chuàng)新設(shè)計，因此沒有標準

29、的履帶驅(qū)動輪，驅(qū)動輪齒塊也無專門標準，借鑒履帶式推土機驅(qū)動輪齒塊標準jb/t 2984.4-1999。自定節(jié)圓直徑為104mm、齒頂圓直徑為124mm，選用等距齒驅(qū)動輪，齒數(shù)為6。驅(qū)動輪每轉(zhuǎn)一周則履帶行駛6塊。簡單計算為：驅(qū)動輪每轉(zhuǎn)一周，修剪機前進距離：l=6l=6115=690(mm) （4-1）驅(qū)動輪輪齒主要受履帶銷套反作用的彎曲正應(yīng)力，且輪齒和銷套間有磨料磨損。因此，驅(qū)動輪應(yīng)選用淬透性較好的鋼材。履帶帶板及驅(qū)動輪中的軸和軸套、軸套和鐵套、鐵套和輪體間均為間隙配合，可起到軸承作用。由jb/t 2985-2001選取雙金屬軸套。鐵套的設(shè)計建立在軸套和輪體形狀尺寸的選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，外圈小槽可

30、安放密封圈，左端沉孔用于安裝浮封環(huán)，其形狀由jb/t 8293.1-1999確定。輪體選用蜂孔式，在保證安全使用的基礎(chǔ)上，減小其質(zhì)量。行走架是行走裝置的承重骨架，由橫梁和履帶架組成，底架連接轉(zhuǎn)臺，將上部載荷通過橫梁傳給履帶架。此次設(shè)計選取整體式行走架。其尺寸根據(jù)整體尺寸和驅(qū)動輪尺寸選定，并依照結(jié)構(gòu)質(zhì)量最優(yōu)化設(shè)計。4.3 轉(zhuǎn)向變速裝置的設(shè)計方案全自動模紋修剪機的行走系的傳動設(shè)計比較復(fù)雜。模紋修剪機存在四種運動形式分別是：停止、3km/h勻速前進、5km/h勻速前進和轉(zhuǎn)彎前進。其中勻速前進和停止運動均可以通過開關(guān)的開合來實現(xiàn)。但是，在此模紋修剪機的設(shè)計中存在3km/h和5km/h的速度切換行駛以及

31、在花壇中轉(zhuǎn)彎。4.3.1 變速行駛的設(shè)計方案汽車的變速行駛，需要離合器和變速齒輪箱共同作用，參照其設(shè)計，我們將利用離合器首先可以改變傳動比，滿足不同行駛條件對牽引力的需要，使發(fā)動機盡量工作在有利的工況下，滿足可能的行駛速度要求；其次中斷動力傳遞，在發(fā)動機起動，怠速運轉(zhuǎn)，汽車換檔或需要停車進行動力輸出時，中斷向驅(qū)動輪的動力傳遞。針對便于控制的需要，我們采用電磁式離合器進行動力離合。電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離。由于機械的行駛速度較小，所以再柴油機停止工作或使用離合器怠速運轉(zhuǎn)時，由于地面支撐柱與地面的接觸，前后動力柱將轉(zhuǎn)化為停止裝置，阻止模紋修剪機的繼續(xù)前進。在對于停止要求不是

32、很嚴格的模紋修剪機的運作里，將不再設(shè)計停止剎車片等額外裝置。考自身進行行進停止。4.3.2 轉(zhuǎn)彎的設(shè)計方案由于此機械采用半懸空狀態(tài)，因此修剪機的轉(zhuǎn)彎與常規(guī)履帶式機械以及輪式行進機械的轉(zhuǎn)彎有所區(qū)別，必須保持雙邊同時前進，運用雙邊的差速進行轉(zhuǎn)彎。我們參考其余機械的轉(zhuǎn)彎可以發(fā)現(xiàn)必須通過復(fù)雜的差速器等一系列的裝置才能實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)彎行駛。但是這勢必增加了修剪機的重量以及復(fù)雜性。根據(jù)模紋修剪機本身具有3km/h和5km/h兩種行進速度，我們可以假使需要轉(zhuǎn)彎行駛時，一側(cè)的履帶行駛速度為3km/h，另一側(cè)的履帶行駛速度為5km/h。這樣便實現(xiàn)了差速行駛以及轉(zhuǎn)彎。排除差速器的復(fù)雜裝置，我們可以假使行進中左右履帶

33、由不同的速度控制器控制。則四種行駛狀態(tài)都可以輕易的得到。而且設(shè)計中應(yīng)當盡量使速度控制器重量最輕。為此，設(shè)計如圖4-4所示的單側(cè)速度控制裝置。圖4-4 速度控制裝置結(jié)構(gòu)簡圖1-電磁離合器；2- 彈簧； 3-齒輪組； 4-電磁鐵； 5-鐵頭滑動齒輪軸；速度控制器變速過程：1.電磁離合器1閉合，速度控制器進入3km/h的行駛模式；2.電磁離合器1斷開，離合器不在傳遞動力，齒輪組停止工作；3.電磁體4通電產(chǎn)生磁力，吸引可動軸上的鐵盤，使軸承克服彈簧2的拉力并移動一定距離，齒輪組重新組合進入5km/h的檔位；4. 電磁離合器1重新閉合，速度改變。5.關(guān)鍵設(shè)備的選擇本章主要是對全自動模紋修剪機的關(guān)鍵設(shè)備的

34、選擇，其中主要包括：柴油機、齒輪減速箱、電磁離合器、電磁鐵的選擇。根據(jù)本設(shè)計的要求，進行合理的柴油機、減速器、離合器的選擇對整個設(shè)計的性能影響是非常大的，所以合理的外購件也是非常重要的一部分。5.1 柴油機的選擇本設(shè)計屬于中型園林機械，主要針對大型模紋花壇的全自動模紋修剪機。先對與其他綠籬機、割草機等機械來講，體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時整機又要行走和切割，所以要求的內(nèi)燃機功率比較大，根據(jù)功率以及功率要求，選擇大功率的柴油機作為動力源。根據(jù)查閱相關(guān)材料以及初步估算，修剪裝置需要1kw的功率，整機高速檔最大行駛速度5.0km/h，低速檔最大行駛速度3.0km/h，選定傳動系統(tǒng)總效率為0.85。

35、所以選用12kw左右的柴油機作為動力源。經(jīng)過市場調(diào)查，王野動力生產(chǎn)的柴油機we290f符合要求，故選擇we290f作為動力源。主要參數(shù)見圖5-1所示：圖5-1 we290f柴油機主要動力參數(shù)5.2 齒輪減速器的選擇在傳動中由于柴油機轉(zhuǎn)速大于3000轉(zhuǎn)每秒，屬于高轉(zhuǎn)速，對于切割刀具以及行走速度來說都非常大，因此為了方便使用，將柴油機與齒輪減速器相連，首先進行初級變速后，再將動力分配到修剪裝置和行走裝置。減速器主要為初級減速，減速比不需要太大，同時由于整機的要求選擇的減速器重量盡量輕便。因此根據(jù)調(diào)查選用h2sh系列雙級圓柱齒減速器，功率為15千瓦，第一級傳動比：4，第二級傳動比：3.17。5.3

36、電磁離合器的選擇全自動模紋修剪機在花壇中工作，無法人力切換檔位，因此必須使用離合器部件對其進行操作，對比而言，選擇較為實用輕便的電磁離合器，主要優(yōu)點有：因為是干式類所以扭力的傳達很快，可以達到便捷的動作看；散熱情況良好，而且使用了高級的材料，即使是高頻率，高能量的使用，也十分耐用；動作確定，使用板狀彈片，雖有強烈震動亦不會產(chǎn)生松動，耐久性佳。根據(jù)市場調(diào)查及模紋修剪機的相關(guān)設(shè)計要求，選擇mz 16d型電磁齒牙離合器。主要優(yōu)點：因為轉(zhuǎn)矩是通過齒的咬合傳遞所以為小型化，可以獲得高轉(zhuǎn)矩；切斷電流后，通過彈簧進行的齒的咬合被完全解除，所以不會發(fā)生拖動轉(zhuǎn)矩所造成的拖轉(zhuǎn)動作；轉(zhuǎn)矩傳遞過程中不會產(chǎn)生滑動，旋轉(zhuǎn)

37、過程中即使施加了所有負荷，只有切斷電流就可以迅速釋放；因為轉(zhuǎn)子和銜鐵之間的空氣間隙一直是保持一定的，所以安裝后不需要進行調(diào)整。 5.4 電磁鐵的選擇電磁鐵主要是用于速度調(diào)節(jié)裝置中的拉動滑動軸，實現(xiàn)齒輪組的重新組合，從而實現(xiàn)速度改變的裝置，所需要的技術(shù)要求較低。設(shè)計選用南通鑫磁公司的強力電磁吸盤，電磁吸力大于150n/cm2，足以滿足滑動軸滑動的要求。6.主要參數(shù)計算6.1 牽引力的計算全自動模紋修剪機的動力主要提供于整機的行進。根據(jù)查閱的相關(guān)參數(shù)修剪機的修剪部功率約為1kw，大部分柴油機動力供給力行進裝置。修剪機的行進靠履帶的移動來實現(xiàn)，雖然下部有支撐住但是總體移動牽引可參照履帶式機械進行計算

38、。6.1.1 整體尺寸選取全自動模紋修剪機的高速檔最大行駛速度5.0km/h，低速檔最大行駛速度3.0km/h，前后輪距1040mm。選定柴油功率為12.5kw，選定傳動系統(tǒng)總效率為0.85?？傊丶s350kg6.1.2行走裝置的計算（1）行走牽引力計算： （6-1）式中：p：發(fā)動機支持行進的功率，p=11kw；：傳到驅(qū)動輪總效率，其值取為0.85；vs為低速檔行走速度，vs=3.0km/h。（2）履帶行走阻力的計算：平道時擠壓土壤造成的運行阻力： （6-2）式中：運行阻力，=0.12不穩(wěn)定運動時的慣性阻力 （6-3）平道行駛外部阻力： （6-4）（3）內(nèi)阻力的計算：履帶運行時由于履帶銷軸間的摩擦以及驅(qū)動輪、履帶帶輪等滾動阻力和軸頸的摩擦阻力形成履帶運行的內(nèi)阻力。粗算如下： fk=（0.050.07）mg=0.063509.8=205.8 (n) （6-5）（4）履帶行走裝置牽引力驗算平道行駛時： （6-6） 其中：vh為高速檔最大行駛速度。所以，平道高速行駛滿足要求。說明全自動模紋修剪機的柴油機功率滿足牽引力的要求，機器能正常工作。6.