机械系统设计-绿化带修剪机

机械系统设计

【绿化带修剪机】

－刀具结构与传动设计

机械工程学院 学号： 第 17 组 姓名： 2012年07月06日

0.引言

随着社会的发展，交通日加便利，高速公路在现今生活中扮演着越来越重要的角色，对高速公路的养护也提出了新的要求。

高速公路中央绿化带是指

高速公路中央绿化带修剪现阶段主要采取两种形式：人工修剪和人工手持油锯式修剪方式。但这种修剪方式的缺点明显，效率低并存在安全问题，所以现在又提出一种车载式修剪机，汽车承载，刀架侧向伸出的形式。提高了工作效率，也增加了工作安全性。

基于以上的情况，我们提出一种新的想法，将刀架放在汽车正前方或者正后方，汽车跨过护栏，利用护栏两侧的小空间进行行走，完成绿化带的修剪。

1. 功能要求

高速公路中央绿化带修剪。将刀架放在汽车正前方或者正后方，汽车跨过护栏，利用护栏两侧的小空间进行行走，完成绿化带的修剪。

设定高速公路中央绿化带形式为绿篱带，三面修剪，修剪宽度为1.4m，修剪高度为1.2—1.5m，最大修剪绿篱树枝直径为8mm，修剪时行驶速度0.5m/s。

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2. 设计方案（原理）

现有的绿篱修剪的刀具形式主要有旋转式刀具修剪和直线往复式刀具修剪两种形式，考虑成本及安装空间的影响，选用直线往复式刀具的形式设计刀具。

直线往复式刀具主要是依据剪刀原理，通过两个刀片的相对运动，实现侧向刀刃的啮合，最终达到修剪的目的。目前市场上的刀片剪切的方式主要有两种，一种是两个刀片都运动，一种是只有一个刀片运动。而刀片的运动多是通过将动力源传出的旋转动作转换为动刀片的直线往复运动。

出于成本以及刀具安装空间的考虑，选用单刀动作的方式，采用曲柄连杆机构实现直线往复运动。

2.1 刀片结构设计：

由于修剪宽度较大，故单个刀刃设计较大，一方面可以增加单个刀刃的强度，另一方面也可以增强整个刀片的刚度，具体设计如下：

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图2.1 主刀具二维图

图2.2 主刀具刀刃局部图

刀片均采用……材料，单刃长×宽=60*50mm，工作过程中，主刀组有效切削刀刃数为14个，有效切削宽度为1.4m，侧刀组有效切削刀刃数为8个，有效切削宽度为0.8m，刀刃中心线间距100mm，则刀片相对运动行程为100mm。

车速0.5m/s，刀刃切削的重复度按50%计算，则切屑速度为1000次/min，一次往复运动实现2次切割，每分钟剪切1000次，则刀片往复运动为500次/分钟。

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2.2 刀具传动设计

图2.3 刀具传动简图

刀具传动动力源选汽油发动机，通过两级直齿圆柱齿轮的传

动，及三次锥齿轮的转向，实现三面刀刃同速同时切削。

刀具动、静刀片的相对运动通过曲柄滑块机构的设计实现，完成切削。

2.3 初设曲柄滑块机构

曲柄滑块机构是通过主动杆的转动，通过从动连杆带动滑块在

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固定轨道上滑动。为了使设计过程更加简便和便于控制，采用无偏距的对心曲柄滑块机构，机构简图如图2.4与图2.5所示。考虑空间位置布局，设定主刀具的曲柄滑块机构的压力角?z?8?，侧刀具的曲柄滑块机构的压力角为?c?12?。

图2.4 主刀具曲柄滑块机构传动简图

图2.5 侧刀具曲柄滑块机构传动简图

3. 设计计算

3.1 发动机选择

设刀具工作时单刃所需最大切削力为45N，则： 主刀具切削力Fz?45?14?630N；

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侧刀具切削力Fc?45?8?2?720N；

曲柄滑块机构结构与从动杆受力情况如上图2.4与图2.5所示，则刀具最大切削力位置处，主、侧刀具驱动连杆（曲柄滑块机构结构从动杆）受力：

Fz1?Fzcos(?z)?630cos(8?)?636NFc1?Fc

?736Ncos(?c)?720cos(12?)

主、侧刀具驱动连杆所需扭矩为：

Tz?636*0.5?31.8N?m

Tc?736*0.5?36.8N?m

（T?T）?nP0?cz?3.6kW则刀具运动切削所需功率为 9550设计方案中共有10组齿轮传动，齿轮的机械传动效率取

?cl?0.97，发动机输出功率P?P0/?cl10?4.9kW。

考虑中间轴承等结构的传递效率，取发动机额定输出功率5.2kW。

根据现有汽油发动机的性能参数，本设计选取的汽油发动机的型号及相关参数如下：

额定功率5.2KW;最大功率6KW ;转速3600r/min；单缸，空冷，

电启动；6.0L油箱；外形尺寸为380×430×410 mm；重量25㎏。

3.2 传动比分配

刀具传动机构总传动比为i总?n额3600??7.2 nw500 7

方案中通齿轮进行两级减速传动，设定一级减速传动比为

i1?3，二级减速传动比为i2?i总?2.4。 i11) 各轴转速计算：

发动机轴为轴为轴Ⅰ，一级减速两轴为轴Ⅱ（高速轴）、轴Ⅲ（低速轴），二级减速两轴为轴Ⅳ（高速轴）、轴Ⅴ（低速轴），侧刀具传动轴轴Ⅵ。则：

n1?n2?nw?3600r/min

n3?n4?n23600??1200r/mini13

n5?n41200??500r/min i22.4n6?n5?500r/min

2) 按发动机额定功率计算各轴输入功率：

P1?P额?5.2kW

只考虑齿轮传动效率时，Pi?Pi?1??cl

则： 表3.1 各轴输入功率 单位：kW P1 P2 P3 P4 P5 P6 5.2 5 4.89 4.75 4.6 4.4 3) 各轴转矩计算

由Ti?9550?pi、Ti?1?Ti（i为奇数）得 ni 表3.2 各轴传递转矩为 单位：N.m

T1 13.8

T2 13.38 T3 38.94 T4 37.77 T5 87.93 T6 85.29 8

4) 根据《机械设计》中公式（15－2）得轴的直径为

d?A03Pn

A0?3式中，A0——

值112；

95500000.2???T?，查《机械设计》中表（15－3），取

P——轴传递的功率，单位kW； n——轴的转速，单位r/min。

表3.3 各轴的直径为 单位：mm

d1≥ 13 d2≥ 13 d3≥ 18 d4≥ 18 d5≥ 24 d6≥ 24 3.3 初选齿轮

1) 选择材料、精度

a . 按图3.3所示传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动

b .本绿化修剪机为一般工作机器，速度不高，故选用8级精度（GB10095-88）

c . 材料选择。查机械设计教材图表（P75表6-2），选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240 HBS，二者的硬度差为40 HBS。 2) 初定齿轮参数

设定齿轮模数均为m?4，一级减速小齿轮齿数z1?23，二级减速小齿轮齿数z3?17，则有减速齿轮对数据如下：

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表3.4 减速齿轮设计数据表 单位：mm

小齿轮数 大齿轮数 分度圆直径/mm 中心距/mm 齿宽/mm 小齿轮 大齿轮 小齿轮 大齿轮 一级减速 i1?3 23 55 93 229 156 20 25 二级减速 i2?2.4 17 51 68 204 136 25 30 4. 总结

在设计过程中重新温习了很多已经有些淡忘的机械设计知识，通过完全机械传动完成了刀具的结构设计和三面同时修剪的传动要求，基本实现了原定目标。

不足之处主要在于，纯机械式的传动，增加了整体结构与机构的复杂性，设计过程中工作量很大，设计只完成了主体方案，给定初始数值，但确实校核及优化，同时齿轮与轴想过的结构没有细化。

有很多不足，但是也还是学到了很多知识，也在过程中与同组

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人员从无到有，讨论、争吵、合作、互助，最终完成了原定的基本目标。

参考文献：

[1] 成大先主编．机械设计手册．北京：化学工业出版社，1994 [2] 濮良贵主编．机械设计（第八版）．北京：高等教育出版社，2006 [3] 孙 桓主编．机械原理（第七版）．北京：高等教育出版社，2006 [4] 《电动成形绿篱修剪机的研究》 向北平著．机械设计与制作．2008 [5] 《高速公路绿化隔离带液压箭枝机的设计》 向北平著．机械设计与

制作．2009

[6] 《道路绿化带液压剪枝机的研究与设计》 向北平著．液压与气动．

2008

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人员从无到有，讨论、争吵、合作、互助，最终完成了原定的基本目标。

参考文献：

[1] 成大先主编．机械设计手册．北京：化学工业出版社，1994 [2] 濮良贵主编．机械设计（第八版）．北京：高等教育出版社，2006 [3] 孙 桓主编．机械原理（第七版）．北京：高等教育出版社，2006 [4] 《电动成形绿篱修剪机的研究》 向北平著．机械设计与制作．2008 [5] 《高速公路绿化隔离带液压箭枝机的设计》 向北平著．机械设计与

制作．2009

[6] 《道路绿化带液压剪枝机的研究与设计》 向北平著．液压与气动．

2008

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fi66.html