一种新型家用除草机的装置及其设计方法 |
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申请号 | CN201710474321.9 | 申请日 | 2017-06-21 | 公开(公告)号 | CN107124963A | 公开(公告)日 | 2017-09-05 |
申请人 | 昆明学院; | 发明人 | 沈明秀; 刘警枫; 孙艳萍; | ||||
摘要 | 本 发明 属于日常用具领域,公开了一种新型家用除草机的装置及其设计方法,装置设置有摇杆;摇杆套接在Ⅰ轴的一端;Ⅰ轴的另一端套接有第一锥形 齿轮 ;第一锥形齿轮 啮合 有第二锥形齿轮;第二锥形齿轮通过Ⅱ轴连接有主动 直齿轮 ;主动直齿轮啮合有被动直齿轮;被动直齿轮通过Ⅲ轴连接有刀片;设计方法包括通过人 力 带动 齿轮传动 ,齿轮传动包括锥形齿轮和直齿轮,最终带动刀片运动的机械零件、装配的设计;主要对齿轮的参数进行计算。本发明通过新颖的人力带动机械传动来减少对环境的污染,排除柴油机的大量排放有毒气体对环境进行保护,无形中带来健康的锻炼身体,同时也是对 能源 的保护起着至关重要的作用。 | ||||||
权利要求 | 1.一种新型家用除草机的设计方法,其特征在于,所述新型家用除草机的设计包括: |
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说明书全文 | 一种新型家用除草机的装置及其设计方法技术领域[0001] 本发明属于日常用具技术领域,尤其涉及一种新型家用除草机的装置及其 设计方法。 背景技术[0002] 目前,在农村的田野里,杂草是对农作物生长影响的其中之一。因为地形 的多变很少能用得到大型机械去去除杂草,只能通过人里去拔草。同时,除草 的时候经常会遇到下雨过后草上带着的水珠和凸凹不平的地形。在城市里同样 也需要简单小巧的除草装置来完成修剪。考虑到经济、环保、节能等方面问题, 设计一个经济、环保、节能为一体的家用除草机是一个非常可靠的想法。 [0003] 目前,除草机主要有两种类型。 [0004] (1)往复式除草机,通过两刀片来回所产生的位移差来进行切割除草。通 过依靠切割器上的动刀和定刀进行相对的运动,从运动中产生剪切的切割牧草。 对它的特点是切割的过程相对整齐,切割的草面平整,同时单位割幅所需要的 功率较小,也有缺点就是对牧草不同的生长状态的适应程度较差,容易堵塞, 使用平坦的地面环境和较广的人工草场。由于切割的幅度过于大,震动大,也 就限制了速度和效率。 [0005] (2)旋转式除草机,通过高速旋转的刀片进行切割除草。通过刀片盘上的 冲击切割牧草,切割的速度需要达到1400r/min以上。工作相对平稳,前进的 速度可以达到15公里/小时以上。他的特点就是对草的适应性能强,但是切割 不整齐,重复的切割和单位割幅较大。在先进制造中属于优质、高效的产品, 同时又对环境污染较小。 [0006] 在农村的田间、地里,农作物生长环境周围生长着许多杂草,这些杂草生 长在田间、地里没有任何经济、利用价值,反而严重影响了农作物的生长收成。 市场上的除草机有往复式和旋转式两类。往复式除草机,依靠切割器上动刀和 定刀的相对剪切运动切割牧草;对牧草不同生长状态的适应性差,易堵塞;由 于切割器在作业时振动大,限制了作业速度的提高。旋转式除草机,依靠高速 旋转刀盘上的刀片冲击切割牧草;但切割不够整齐,重割较多,单位割幅所需 功率较大。 [0008] 对现在的除草机进行电动机驱动,来减少相对于柴油机的噪音。通过电动 机为主要动力源。 [0009] 现有技术缺点: [0010] 柴油机为主要动力来源:(1)部分零件难以生产,过小的设计带来的副作 用就是制造难度自然成本价格就提高了。(2)越小的零件,它对精度要求特别 高,装配的时候容易出现错误。 [0011] 通过电动作动力源带动整个装置运动,缺点:(1)必须要移动电源,对能 源限定;(2)危险系数比较大。 [0012] 综上所述,现有技术存在的问题是:市场上的除草机功率较小,适应性差, 易堵塞,振动大,切割不整齐,重割多,功率较大;而且不环保、不能节约能 源、操作不简单。 发明内容[0013] 针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种新型家用除草机的装置及其 设计方法。 [0014] 本发明是这样实现的,一种新型家用除草机的设计方法,所述新型家用除 草机的设计包括: [0015] (1)传动比值的设计: [0017] [0018] i总-整个过程的总传动比; [0019] n人-初步假设的人力转动转速; [0020] n刀-最终刀具达到的转动转速; [0021] 根据公式: [0022] [0023] (2)传动比值的分配: [0024] 根据i总的取值范围设定传动级数为3级; [0025] 因此: [0026] i总=i齿3; [0027] 根据以上公式,i齿=0.26; [0028] 3)轴的传动比的设计: [0029] Ⅰ轴 i齿Ⅰ=0.26; [0030] Ⅱ轴 i齿Ⅱ=0.26; [0031] Ⅲ轴 i齿Ⅲ=0.26; [0032] 对各轴的功率计算r/mi: [0033] n手=25r/min; [0034] Ⅰ轴 [0035] Ⅱ轴 [0036] Ⅲ轴 [0037] 对各轴功率的计算: [0038] Ⅲ轴 PⅢ=P刀=800w; [0039] Ⅱ轴 [0040] Ⅰ轴 [0041] 对各轴转矩的计算: [0042] [0043] Ⅲ轴 TⅢ=T刀x i齿Ⅲxη齿轮=5.371x0.26x0.97=1.354N·mm; [0044] Ⅱ轴 TⅡ=TⅢx i齿Ⅱxη齿轮xη轴 [0045] =1.354x0.26x0.97x0.992=0.338N·mm; [0046] Ⅰ轴 TⅠ=TⅡx i齿Ⅰxη齿轮xη轴 [0047] =0.338x0.26x0.97x0.992=0.085N·mm; [0048] 4)齿轮的设计: [0049] 根据初选的i齿=0.26,取小齿轮齿数Z1=30,得: [0050] [0051] 解得:大齿轮齿数Z2=115; [0053] [0054] 其中,Kt=1.4; Ha=1;C=0.25;ZH=2.467;εα=1.765; [σH]=613.275MPa; [0055] 带入式子 [0056] [0057] [0058] 计算齿宽B; [0059] [0060] 中心距a,取m=2; [0061] [0062] d1=Z1·m=30X2=60mm; [0063] d2=Z2·m=115X2=230mm [0064] da1=d1+2Ha·m=60+2X1X2=64mm; [0065] 因为da1≤160mm,所以齿轮采用实心结构; [0066] da2=d2+2Ha·m=230+2X1X2=234mm; [0067] 因为160mm≤da2≤300mm,所以齿轮采用腹板式; [0068] df1=d1-2(Ha+C)·m=60-2X(1+0.25)X 2=55mm; [0069] df2=d2-2(Ha+C)·m=230-2X(1+0.25)X 2=225mm; [0070] db1=d1·cos(B)=56.38mm; [0071] db2=d2·cos(B)=216.13mm。 [0073] 本发明另一目的在于提供一种新型家用除草机的装置,所述新型家用除草 机的装置设置有摇杆;所述摇杆套接在Ⅰ轴的一端;所述Ⅰ轴的另一端套接有 第一锥形齿轮;所述第一锥形齿轮啮合有第二锥形齿轮;所述第二锥形齿轮通 过Ⅱ轴连接有主动直齿轮;所述主动直齿轮啮合有被动直齿轮;所述被动直齿 轮通过Ⅲ轴连接有刀片。 [0075] 进一步,所述新型家用除草机的装置的底部通过螺栓固定有滚轮。 [0076] 本发明的优点及积极效果为:该家用割草机在设计新颖,采用人手臂动力 运转割草机,而不是运用于消耗性动力装置,在先进制造方面属优质、高效、 零耗、清洁型产品。 [0077] 此设计的特色和创新之处在于采用人手臂动力运转除草机,而不是运用于 消耗性动力装置,在先进制造方面属优质、高效、零耗、清洁型产品。它的优 势在于工作效率较高(相比于锄、镰刀),采用塑料及普通钢材制造而成,成本 低廉,便于携带,经济适用,不拘泥于其他割草机动力装置带来的无意料的故 障问题。 [0078] 本发明可以更好的对人们在家自己动手来健康的除草,除草的同时也得到 了简单的运动锻炼。本发明没有使用柴油等能源,对空气环保有着很不错的效 果,大量减少了有还气体的排放和二氧化碳的排放,对温室效应有着很重要的 帮助。同时也减少了对有限资源的运用,是一种高效的节能方式,能源缺乏的 今天需要新能源的改善。本发明必要的减少了噪音的排放,对环境起到至关重 要的作用。 [0079] 本发明主要通过人力带动齿轮传动,齿轮传动包括锥形齿轮和直齿轮,最 终带动刀片运动的机械零件、装配的设计。主要对齿轮的参数进行计算,和对 一个叫Pro/Engineer5.0的软件的实际运用。通过新颖的人力带动机械传动来 减少对环境的污染,排除柴油机的大量排放有毒气体对环境进行保护,无形中 带来健康的锻炼身体,同时也是对能源的保护起着至关重要的作用。附图说明 [0080] 图1是本发明实施例提供的新型家用除草机的装置示意图。 [0081] 图2是本发明实施例提供的摇杆三维图。 [0082] 图中:1、摇杆;2、Ⅰ轴;3、第一锥形齿轮;4、第二锥形齿轮;5、Ⅱ轴; 6、主动直齿轮;7、被动直齿轮;8、Ⅲ轴;9、刀片。 具体实施方式[0083] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例, 对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明,并不用于限定本发明。 [0084] 现有技术存在的问题是:市场上的除草机功率较小,适应性差,易堵塞, 振动大,切割不整齐,重割多,功率较大;而且不环保、不能节约能源、操作 不简单。 [0085] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作详细步描述。 [0086] 如图1和图2所示,本发明实施例提供的新型家用除草机的装置,包括: 设置有摇杆1;所述摇杆套接在Ⅰ轴2的一端;所述Ⅰ轴的另一端套接有第一锥 形齿轮3;所述第一锥形齿轮3啮合有第二锥形齿轮4;所述第二锥形齿轮4通 过Ⅱ轴5连接有主动直齿轮6;所述主动直齿轮6啮合有被动直齿轮7;所述被 动直齿轮通过Ⅲ轴8连接有刀片9。 [0087] 所述第一锥形齿轮、第二锥形齿轮、主动直齿轮、被动直齿轮采用45钢; 摇杆采用硬质塑料。 [0088] 所述新型家用除草机的装置的底部通过螺栓固定有滚轮。 [0089] 所述的新型家用除草机的装置还包括齿轮和刀片的轴Ⅳ和锥形齿轮的轴 Ⅴ。(图中未示出)。 [0090] 下面结合工作原理对本发明做进一步描述。 [0091] 本发明通过人力带动摇杆来带动齿轮,从而带动刀片进行高速转动,以旋 转式方式割草,又能环保又能锻炼身体,同时,也节约了能源,但是材料要求 严格,不能过重但也不能太轻,本发明通过齿轮采用45钢,手柄采用硬质塑料, 采用轮子滚动带动整个装置运动。人力为主要动力来源,对运动过程示意图设 想人力家用除草机示意图,如图1所示。 [0092] 通过使用人力操作摇杆带动锥形齿轮进行转动,通过锥形齿轮带动下一个 锥形齿轮,传送到主动齿轮再传送到被动齿轮,通过被动齿轮带动刀片,一级 一级的带动下去,最终带动刀片进行转动。 [0093] 本发明的家用割草机在设计新颖,采用人手臂动力运转割草机,而不是运 用于消耗性动力装置,在先进制造方面属优质、高效、零耗、清洁型产品。 [0094] 此设计的特色和创新之处在于采用人手臂动力运转除草机,而不是运用于 消耗性动力装置,在先进制造方面属优质、高效、零耗、清洁型产品。它的优 势在于工作效率较高(相比于锄、镰刀),采用塑料及普通钢材制造而成,成本 低廉,便于携带,经济适用,不拘泥于其他割草机动力装置带来的无意料的故 障问题。 [0095] 本发明主要对齿轮的参数进行计算,和对一个Pro/Engineer5.0的软件的 实际运用。通过新颖的人力带动机械传动来减少对环境的污染,排除柴油机的 大量排放有毒气体对环境进行保护,无形中带来健康的锻炼身体,同时也是对 能源的保护起着至关重要的作用。 [0096] 下面结合各结构的设计原理对本发明作进一步描述。 [0097] 本发明实施例提供的新型家用除草机设计方法,需要设计的零件有摇杆、 直齿轮、锥形齿轮、轴、刀片的选择。 [0098] 1.各零件之间要能进行装配,就必须计算好数值,合理设定数值。 [0099] 1.1 摇杆的设计,如图2所示, [0100] 摇杆是通过人力摇动手柄,使其能围绕下一个轴进行运动。 [0102] 1.2齿轮的设计 [0103] 齿轮传动所具备众多的特点,其中有: [0104] (1)效率相对比较高,通过对常用机械传动进行比较,齿轮传动的效率是 最高的,高达99%。 [0105] (2)工作相对可靠、使用寿命高,一般的可以达到10年到20年。 [0106] (3)传动比稳定,不容易出现错误。 [0107] (4)结构很紧密。 [0108] 1.3传动比值的设计 [0109] η齿轮齿轮的效率设定为0.97,η轴轴的效率设定为0.992,根据查找资 料,家用除草机刀片转速的范围在1400r/min到1600r/min之间输出功率500w 到800w的功率就可以对草进行切割,人力气一般能达到25r/min,那么: [0110] [0111] i总-整个过程的总传动比; [0112] n人-初步假设的人力转动转速; [0113] n刀-最终刀具达到的转动转速; [0114] 根据公式: [0115] [0116] 1.4传动比值的分配: [0117] 根据i总的取值范围初步设定为传动级数为3级; [0118] 因此: [0119] i总=i齿3; [0120] 根据以上公式,i齿=0.26(一个大约的值) [0121] 1.5运动参数的计算: [0122] 对各轴的传动比的设计: [0123] Ⅰ轴 i齿Ⅰ=0.26; [0124] Ⅱ轴 i齿Ⅱ=0.26; [0125] Ⅲ轴 i齿Ⅲ=0.26; [0126] 对各轴的功率计算(r/mi): [0127] n手=25r/min; [0128] Ⅰ轴 [0129] Ⅱ轴 [0130] Ⅲ轴 [0131] 对各轴功率的计算(w): [0132] Ⅲ轴 PⅢ=P刀=800w [0133] Ⅱ轴 [0134] Ⅰ轴 [0135] 对各轴转矩的计算(N·mm): [0136] [0137] Ⅲ轴 TⅢ=T刀x i齿Ⅲxη齿轮=5.371x0.26x0.97=1.354N·mm [0138] Ⅱ轴 TⅡ=TⅢx i齿Ⅱxη齿轮xη轴 [0139] =1.354x0.26x0.97x0.992=0.338N·mm [0140] Ⅰ轴 TⅠ=TⅡx i齿Ⅰxη齿轮xη轴 [0141] =0.338x0.26x0.97x0.992=0.085N·mm。 [0142] 根据以上的计算,为了方便计算和观察,统计成表格如,表1所示。 [0143]Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴 传动比i 0.26 0.26 0.26 转速(r/min) 96.15384 369.8224 1422.3941 功率(w) 740.724 769.792 800 转矩(N·mm) 0.085 0.338 1.354 [0144] 表1 齿轮轴的相关数据 [0145] 1.6齿轮的基本数据: [0146] 根据以上初选的i齿=0.26,去小齿轮齿数Z1=30,得: [0147] [0148] 解得: [0149] Z2=115; [0150] 按齿面接触强度设计 [0151] [0152] 查资料Kt=1.4; Ha=1;C=0.25 [0153] ZH=2.467; [0154] 由图查得εα=1.765 [0155] [σH]=613.275MPa [0156] 带入式子 [0157] [0158] [0159] 计算齿宽B; [0160] [0161] 中心距a,取m=2; [0162] [0163] d1=Z1·m=30X2=60mm [0164] d2=Z2·m=115X2=230mm [0165] da1=d1+2Ha·m=60+2X1X2=64mm [0166] 因为da1≤160mm,所以采用实心结构。 [0167] da2=d2+2Ha·m=230+2X1X2=234mm [0168] 因为160mm≤da2≤300mm,所以采用腹板式。 [0169] df1=d1-2(Ha+C)·m=60-2X(1+0.25)X2=55mm [0170] df2=d2-2(Ha+C)·m=230-2X(1+0.25)X2=225mm [0171] db1=d1·cos(B)=56.38mm [0172] db2=d2·cos(B)=216.13mm [0173] 1.7使用Pro/E绘制齿轮 [0176] (2)通过“从方程”笛卡尔公式绘制一条渐开线。 [0177] 笛卡尔公式: [0178] [0179] theta=t·90 [0180] x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 [0181] y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 [0182] z=0 [0183] (3)然后设置“基准点”,面通过基准点“镜像”成另外一个渐开线;通 过“拉伸”命令“使用”齿顶圆线,生成齿宽B=20mm的一个圆柱形,对圆柱菱 边进行“倒角”为“45 X D”的“D=0.5”的倒角。 [0184] (4)对两条渐开线进行“拉伸”成“齿”啮合的部位。对其进行“矩阵” 得到小齿轮。 [0185] 大小齿轮绘制方法一样。分别绘制出大小齿轮。 [0186] 1.8锥形齿轮的绘制 [0187] 锥形齿轮只用考虑到将垂直方向的速度传送到水平方向,采用已有的数据 进行绘制就可以完成。 [0188] 绘制前进行锥形齿轮参数的设定如,表2所示。 [0189] [0190] 表2 Pre/E锥形齿轮参数表 [0191] 和锥形齿轮关系: [0192] HA=(HAX+X)*M [0193] HF=(HAX+CX-X)*M [0194] H=(2*HAX+CX)*M [0195] DELTA=ATAN(Z/ZD) [0196] D=M*Z [0197] DB=D*cos(ALPHA) [0198] DA=D+2*HA*cos(DELTA) [0199] DF=D-2*HF*cos(DELTA) [0200] DDA=(DA/2)*cos(DELTA) [0201] DD=(D/2)*cos(DELTA) [0202] DDF=(DF/2)*cos(DELTA) [0203] DDB=(DB/2)*cos(DELTA) [0204] D1=DDA [0205] D2=DDB [0206] D3=DD [0207] D6=DDF [0208] D12=DB [0209] D13=D [0210] D14=DF [0211] d24=B [0212] d25=0.8*H [0213] d26=H。 [0214] 旋转成锥形齿轮的大概形状,并用“扫描”画出“齿”。最终生成锥形齿轮。 [0215] 1.9轴的设计 [0216] 本发明绘制了5个轴,除了以上的三个轴外。添加了齿轮和刀片的轴Ⅳ, 锥形齿轮的轴Ⅴ。定位销的孔直径为5mm,轴承直径为10mm,大齿轮内径为42mm, 小齿轮为15mm。 [0217] 1.10其他零件的设计 [0218] 定位销直径为5mm的长型圆柱。 [0219] 下面结合材料的选择对本发明作一步描述。 [0220] 2、齿轮材料的选择 [0221] 考虑到家用除草机的传递功率并不大,按照课本资料表可以查到,小齿轮 选用硬质塑料进行加工。大齿轮则选用45钢,采用正火,225HBS的齿面硬度。 通过查表可以得知选7级精度。Ra≤1.6~3.2μm为齿面粗糙度。 [0222] 3、轴材料的选择 [0224] 4、Pro/E的特点 [0225] 主要采用Pro/Engineer5.0对产品进去设计和装配。 [0226] Pro/Engineer5.0是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化 的三维软件,他是以参数著称,是参数化技术的最早应用者。pro/Engineer5.0 是现在为止最先进的画图软件之一,并得到大力发展,是现今主流的 CAD/CAM/CAE。 [0227] 特别是在国内产品设计领域是有主要的位置。通过Pro/Engineer5.0,本发 明还可以采用系统自身带有的标注件库,是可以直接生产使用的实用工具,其 包括机械中常有的键、螺栓、密封圈、弹簧、螺钉、螺柱、销、垫圈、挡圈、 型材、螺母、法兰等常用零部件等。 [0228] Pro/Engineer4.0现在已经无法使用了,相对Pro/Engineer4.0,Pre/Engineer5.0已经相对完善和实用,在市场上能见到的物品,都可以通过 Pro/Engineer5.0进行绘制,利用3D就可以进行打印,生产出来。可以进行修 改尺寸参数和公式来改变零件的大小和一些参数方程所画出的人类自身无法完 成的零件设计,大大缩减了一个零件的成本。 [0229] 同时可以通过装备来就行检验和修改参数。通过Pro/Engineer5.0对已经 装配好的产品进去电脑绘制工程图,直接导入,不需要对每个尺进行重新设计, 导入的物品直接就有原来设计的尺寸,非常方便,只需要对有需要的尺寸就是 显示就可以了。生成的工程图直接就可以进行打印。 [0230] 因此,本发明选择使用Pro/Engineer5.0来做该家用除草机,方便设计和 制作。主要通过拉伸、旋转命令进行零件的设计,设计参数和关系式,齿轮等 会用到参数公式方程来设计。 [0231] 下面结合典型零件的装配过程对本发明做进一步描述。 [0232] 1)齿轮啮合的装配过程 [0233] 步骤有一下几个: [0234] (1)在两个面间创建一个“轴线”; [0235] (2)将放入第一个齿轮,用“销钉”将零件的轴对齐第一步创建的轴上, 再进行齿轮侧面对齐软件的面上,确定; [0236] (3)再在第一步创建的轴的基础上创建一个新“轴线”,距离为144.5mm; [0237] (4)再将另外一个齿轮,用第二步一样的步骤销钉在第三步的轴上,并按 住“Ctrl”+“Alt”将两零件移动到啮合位置; [0238] (5)点击菜单栏“应用程序”-“机构”后,找到“齿轮”键,分别将两 齿轮的运动方向点入,再输入基圆直径55mm和255mm。 [0239] 通过以上步骤就可以运作了,齿轮啮合。 [0240] 2)锥形齿轮啮合的装配过程 [0241] 锥形齿轮啮合的装配步骤和齿轮装配类似。 [0242] 3)运动仿真 [0243] 通过使用摇杆带动三级的齿轮传动,最终带动刀片进行切割。从手摇的 25r/min到最后刀片的1400r/min。 [0244] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明 的保护范围之内。 |