一种植物切割装置 【技术领域】
本发明涉及对植物切割装置的改进，这种装置可用于切割植物，如野草，灌木或青草。背景技术
一般来说，由于长在稻田等之间的小路上的杂草容易成为害虫的滋生处，因此这些野草每年都必须切割几次。由于切割野草的工作通常十分繁重，因此迄今为止出现了多种自动野草切割机并投入实际使用。其中，肩挂式野草切割机由于体积较小、易于操作而十分流行。在大多数肩挂式野草切割机中，从管形操作杆中穿过的驱动力传动轴或驱动轴由设置在操作杆一端的发动机带动旋转，从而驱动设置在操作杆另一端的切割刀片旋转。在大多数情况下，操作者用悬挂带将野草切割机悬挂在其肩上，握住操作杆中部的U形把手，在前后和左右方向上摆动操作杆，从而通过旋转的切割刀片切割野草。
近年来，对进一步改善农业劳动环境的要求十分强烈。对于肩挂式野草切割机，考虑到减轻操作者的负荷，对减轻由发动机通过操作杆传给U形把手的振动的要求也日益增长。
由于野草或青草切割机经常使用于没有交流电源的农田或类似地方，通常是不配备减弱二次振动的平衡器地小型发动机用作原动机或驱动源装置。在这种小型发动机中，当活塞往复运动带动曲柄轴旋转时所产生的振动力方向(振动方向)可以绕曲柄轴在整个360°范围变化。连接到驱动源装置的驱动轴和操作杆受到转动的曲柄轴造成的振动的影响，传递到驱动轴和操作杆的振动的方向也绕操作杆的轴中心线在360°的范围变化。从驱动源装置传递到驱动轴的振动包括两个组成部分：一个组成部分是从驱动源装置通过驱动轴传递到操作杆；另一个组成部分是从驱动源装置直接传递到操作杆。
一种设计成可减少从驱动源装置经过驱动轴传递到操作杆的振动的野草切割机的示例可见日本实用新型公报No.昭和-2-16593。在这个公报公开的野草切割机中，穿过管状操作杆的驱动轴被内燃机带动旋转，因而带动位于操作杆远端的切割刀片旋转。驱动轴通过结合在操作杆中的轴承组件可转动地支承在操作杆内部。然而，所公开的这种野草切割机在减少从驱动源装置通过驱动轴传递到操作杆的振动上将受到严重的局制。
在另一方面，一种设计成可减少从驱动源装置直接传递到操作杆的振动的野草切割机的示例可见日本公开实用新型公报No.51-64732。在该公报中披露的野草切割机中，设置了振动隔离机构。驱动源装置通过离合器外壳固定到驱动轴从中穿过的管状操作杆的一端。离合器外壳中已经容纳了在驱动源装置的输出轴和驱动轴之间的离合器。另外在所披露的野草切割机中，一连接管固定在操作杆一端并朝发动机延伸，振动隔离机构的振动隔离件设置在连接管和离合器外壳的相对表面之间。因此，驱动源装置是通过振动隔离件支承于操作杆，因而从驱动源装置传递到操作杆的阵动可以通过振动隔离件来抑制。然而，这种野草切割机在减少从驱动源装置传递到操作杆的振动上也要受到严重的局限。那就是，尽管设置了振动隔离机构，切割机仍不能令人满意地防止从驱动源装置传递到操作杆的振动。
但是，考虑到减少操作人员的负荷，操作人员总是希望将操作杆的振动减到最少。为了这个目的，不得不采取一些措施来防止操作杆与来自驱动源装置的振动产生共振，而且操作杆本身也有改进的空间。但是，来自驱动源装置的振动的频率有很大的变化，对全部的振动频率都有适当的处理是难以实现的。
为了避免操作杆的共振，可以设想将操作杆的固有振动频率设置得大于从驱动源装置传递来的振动的全部可能频率。然而由于野草切割机的操作杆有驱动轴从中穿过的细长件，其必须是重量轻和价格便宜的部件，这样才能保证实现所需功能的必要的机械强度，如抗扭和弯曲强度，以及纵向弹性模量。发明内容
鉴于上述原因，本发明的一个目的是提供一种植物切割装置，其可以有效地防止操作杆与从驱动源装置传递到操作杆的振动产生共振，并且可减少操作杆的重量和成本，同时保证杆有必要的机械强度。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括操作杆的植物切割装置，操作杆包括外管部分，穿过外管部分的内管部分和三个连接外管和内管部分的径向支撑部分，从轴套穿过和可转动地支承在所述内管部分内部的驱动轴，固定在所述操作杆的一端可使所述驱动轴转动的驱动源装置，固定在所述操作杆的另一端的可被通过所述驱动源装置由所述驱动轴的转动带动旋转的切割刀片。在本发明的切割装置中，三个支撑部分，即第一、第二和第三支撑部分，以不相等的角间隔设置，使第一和第二支撑部分形成的角度θ1、第二和第三支撑部分形成的角度θ2、与第一和第三支撑部分形成的角度θ3互不相等。而且，本发明的切割装置中的外管部分和内管部分整体地形成为一体。
本发明的特征在于连接外和内管部分的三个支撑部分围绕操作杆的轴中心线以不相等的角度间隔设置，在三个支撑部分之间形成的角度θ1、θ2、θ3互不相等。因此，操作杆的三个支承部分呈现绕轴中心线不对称的截面结构。因此这种结构的操作杆的几何惯性矩在绕轴中心线的全部角度位置具有不同的值，因而杆的固有振动频率在全部角度位置也具有不同的值。
从驱动源装置传递到操作杆的振动在围绕杆的轴中心线的整个360°的方向出现变化。当来自驱动源装置的在给定的振动方向上产生振动的振动频率与杆的固有振动频率重合时，这种频率重合仅仅是暂时或偶然发生。这就是说，杆的固有振动频率只在一个角度位置与来自驱动源装置的振动频率重合，所以操作杆的共振可以相对容易地避免。
由于操作杆是整体形成的双管结构，其中内管和外管部分是通过支撑部分而互相连接的，支撑部分互相以不相等的角度间隔设置，所以杆可以制成具有简化的截面结构的单体构件，同时可以有很大的机械强度。因此本发明可以减少操作杆的制作成本和整体重量，同时保证杆具有必要的机械强度。
在一个优选实施例中，第一和第二支撑部分形成的角度θ1大于60°但小于120°。如果角度θ1设定为小于120°的一个较大度数，三个角度θ1、θ2、θ3可变得相互更加接近。这样将实现几何惯性矩的更好的平衡，还可以在杆的任何角度位置得到较大的几何惯性矩。附图说明
下面将结合附图通过示例对本发明的某些优选实施例进行详细介绍，其中：
图1是显示了根据本发明一个实施例的植物切割装置的侧视图；
图2是图1所示植物切割装置用来切割野草的方式的说明性视图；
图3是图1所示植物切割装置的放大剖视图；
图4是植物切割装置的放大剖视图，特别显示了图3所示操作杆和离合器外壳是如何相互连接的；
图5是图4所示离合器外壳的透视图；
图6是图5沿线6-6的剖视图；
图7是操作杆沿图4的线7-7的剖视图；
图8是沿图4线8-8的剖视图，特别显示了操作杆和操作杆安装部分是如何相互连接的；
图9是与图4相对应的剖视图，为清楚起见只显示了处于未连接状态下的操作杆和离合器外壳；和
图10是显示相对由杆的第一和第二径向支撑部分形成角度的操作杆的几何惯性矩特性的视图。具体实施方式
图1和2显示了根据本发明一个实施例的植物切割装置10，其可以用于切割不希望有的植物如灌木、野草或青草。植物切割装置10包括：管形的操作杆11；纵向地从操作杆11中穿过的驱动力传动轴或驱动轴12；安装在操作杆11一端的原动机或驱动源装置13，如发动机或电动机；以及安装在操作杆11另一端的切割刀片14。通过促动驱动源装置13可以使驱动轴12旋转，因此，切割刀片14可以由驱动源装置13通过驱动轴12而带动旋转。植物切割装置10还包括U形把手15，其固定在操作杆11纵向上的基本中间的位置。具体地说，把手15通过把手架16固定在操作杆11上，并具有左右手柄17和18。把手15的右手柄18是一操作件，其设有控制驱动源装置13的油门杆和锁定杆。
从图2中可以看出，操作人员M通过悬挂带19将植物切割装置10挂在其肩上，悬挂带19的两相对端固定在操作杆11的中间部分上。操作人员M通过驱动源装置13使切割刀片14旋转，同时用手柄17和18在前后和左右方向上摆动切割刀片14，从而可以切割野草。
图3是植物切割装置10的剖视图，尤其显示了安装在离合器外壳40内并位于驱动轴12和驱动源装置13的输出轴13a(即发动机的曲柄轴的输出端)之间的离合器机构30。即，驱动源装置13通过离合器外壳40安装在操作杆11的一端。在植物切割装置10中，操作杆11和驱动轴12设置成与驱动源装置13的输出轴13a同轴。
驱动轴12是“不同金属的组合轴”，其由不同种类的金属的组合体制成。具体地说，驱动轴12包括由钛合金制成的管状轴主体部分21，固定在管形轴主体部分21的一端上的驱动侧轴端部部分22，如通过真空铜焊；以及固定在轴主体部分21的另一端上的切割侧轴端部部分26，如通过真空铜焊；驱动侧轴端部部分22和切割侧轴端部部分26均由钢制成。钛合金具有基本上与钢相同的机械强度(抗扭强度，弯曲强度，纵向弹性模量，等等)。因此钛合金制成的主轴21可完全保证植物切割机的驱动轴通常要求具有的扭曲和弯曲刚度，即便轴主体部分21具有与传统对应件相同的直径。
另外，尽管钢具有约7.8的比重，而钛合金的比重约为4.5；即，钛合金的比重要比钢小很多。因此，用于此实施例的钛合金制成的轴主体部分21可以减少由于轴部分21自重造成的下垂而产生的振动(下垂振动)。因此，可以采用简单的结构来减少驱动源装置13启动时从驱动轴12经过操作杆11传递到把手15的振动，结果造成操作人员M的负荷可以有相当程度的减轻。此外，由于钢制成的驱动侧轴端部部分22和切割侧轴端部部分26是整体连接到钛合金制成的轴主体部分21的相对端，可以确保轴端部部分22和26连接到轴主体部分21的驱动轴12部分的耐久性。
离合机构30是离心离合器，其包括通过花键连接到驱动轴12的驱动侧轴端部22的离合器鼓31，连接到驱动源装置13的输出轴13a的转动件32和离合件33，其只在转动件32以高速转动的时候才可以使转动件32与离合器鼓31接合。离合器鼓31是围绕转动件32的杯状件。
离合器外壳40是由树脂材料制成的整体模制零件，其包括：与操作杆11的一个端部11a相连的操作杆安装部分41；具有给定弹性并从操作杆安装部分41向着驱动源装置13延伸的弹性连接部分42；从弹性连接部分42向着驱动源装置13延伸并和驱动源装置13相连的驱动源安装部分43。离合器外壳40最好由混合有玻璃纤维的尼龙树脂制成。
上述操作杆安装部分41和驱动源安装部分43具有比弹性连接部42更高的刚度，因此能可靠地支撑操作杆11和驱动源13。弹性连接部42的刚度较低，因此它的弹性可以有效地减轻驱动源装置13的振动。驱动源安装部分43通过螺栓连接到驱动源装置13的外壳13b上。
由于离合器外壳40是设有操作杆安装部分41、弹性连接部42和驱动源安装部分43的整体模制的单体零件，因此就减少了切割装置的零件数目，因而简化了切割装置的结构。
切割刀片14通过传动机构外壳61可旋转地连接到操作杆11的另一端11c。在传动机构外壳61中设置了传动机构62，其位于驱动轴12和切割刀片14之间。传动机构62包括：与切割侧轴端部部分26相连接的主动锥齿轮63；与主动锥齿轮63相啮合的从动锥齿轮64；以及安装在从动锥齿轮64和切割刀片14上的从动轴65。
驱动轴12沿其纵向方向在相互间隔开的多个位置上被可旋转地支撑，如下面所介绍的。
首先，驱动轴12的一端部由驱动源安装部分43通过凸台34和多个轴承35可旋转地支撑。具体地说，驱动轴12的驱动侧轴端部部分22通过花键与离合器鼓31的凸台34相连接，而凸台34由多个轴承35支撑。
其次，驱动轴12的另一端部由传动机构外壳61通过主动锥齿轮63和多个轴承66可旋转地支撑。具体地说，驱动轴12的切割侧轴端部部分26与主动锥齿轮63连接，而主动锥齿轮63由多个轴承66支撑。
第三，驱动轴12位于驱动侧轴端部部分22和切割侧轴端部部分26之间的中间部分由操作杆11通过多个衬套76可旋转地支撑。衬套76位于驱动轴12上，并在其纵向方向上间隔开均匀的间距。应注意图3中的标记67代表支撑从动轴65的轴承。
图4到图8显示了操作杆11和离合器外壳40是如何相互连接的。
从图4中可以清楚地看出，操作杆安装部分41和弹性安装部分42一起组成了一个圆柱体，管形操作杆11的一个端部11a就插入其中。驱动源安装部分43具有锥形的外圆柱部分43a，其沿朝向离合器机构30的方向上直径逐渐增加，驱动源安装部分43还具有与锥形的外圆柱部分43a同心并一体形成的内圆柱部分43b。内圆柱部分43b具有轴向松配合的孔43c，以及在孔43c深处的对接区域43d。驱动源安装部分43还具有轴承35。
松配合的孔43c可以容纳操作杆11的一个端部11a，此端部通过操作杆安装部分41以松配合的方式插入离合器外壳40中，使得此杆的端部11a可以在轴向上滑动。松配合的孔43c在朝向对接区域43d的方向上逐渐变小。操作杆11的一个端部11a的端面11b可以靠在内圆柱部分43b的孔43c深处的对接区域43d上。图中标号36表示锁定环36。操作杆安装部分41具有设置在其圆柱体41a(图5)上的轴向狭缝41b。安装部分41的细节将结合图8进行讨论。
从图5中可以看出，离合器外壳40的弹性连接部分42具有以预定的轴向间距隔开的多排圆周狭缝42b。每一圆周狭缝42b均为圆柱形壁42a厚度上的通孔，其与弹性连接部分42的轴向通孔42c相连通(因此与松配合的孔连通)，并在连接部分42的圆周壁42a的周向上延长；每一圆周狭缝42b只在圆柱形壁42a的部分圆周上延伸。这些狭缝42b沿圆柱形壁42a的轴向交错设置。因此，通过在具有两个圆周狭缝42b的区域十字状地剖开连接区域42得到的弹性连接部分42的假想剖视图中，两个圆周狭缝42b关于沿圆柱壁42a的轴向中心线相互对称。这些圆周狭缝42b的设置使得连接部分42具有所需的弹性。
图6是沿图5线6-6的剖视图，显示了驱动源安装部分43的周边区域，在此区域嵌入了一个通到安装部分43内部的插入螺母51，螺钉52从嵌入螺母51中拧入。具体地说，操作杆11包括内管部分72和具有轴向通孔11d的外管部分71。螺钉52拧入插入螺母51进入操作杆11的轴向通孔11d中，可以防止操作杆11意外从驱动源安装部分43中脱落。此防脱落螺钉52可以用螺栓、铆钉或其它具有类似防脱落功能的零件来代替。
图7是操作杆11沿图4中线7-7的剖视图。在操作杆11中，内管部分72在外管部分71的内部延伸，内管部分72和外管部分71通过三个径向隆起或撑条73，74和75相互连接。内外管部分72和71与径向撑条73，74和75一体地形成了单体零件。即，操作杆11基本上是一具有圆形截面的整体形成的双管结构，内、外管部分72和71通过撑条73，74和75相互连接成同心圆。在下文中三个撑条73，74和75分别被称为第一撑条73，第二撑条74和第三撑条75。在操作杆11中，由第一和第二撑条73，74形成的角θ1大于60度但小于120度(60°＜θ1＜120°>，由第二和第三撑条74，75形成的角θ2约为120度，由第三和第一撑条75，73形成的角θ3为余角，(即360°-θ1-θ2)；注意角度θ1既不等于角θ2也不等于角θ3(θ1≠θ2，和θ1≠θ3)。
也就是说，三个径向撑条部分73，74和75围绕操作杆11的轴中心线P1以不相等的角度间隔(θ1≠θ2，θ2≠θ3和θ3≠θ1)设置。换句话，三个撑条部分73，74，75绕轴中心线P1是不对称的。因此，操作杆11上的撑条73，74，75具有围绕轴中心线P1不对称的截面结构。三个撑条部分73，74，75为什么围绕操作杆11的轴中心线P1以不相等的角度间隔设置的原因将在后面说明。
图8是沿图4线8-8的剖视图，显示了操作杆11是如何连接到操作杆安装部分41上的。如图所示，驱动杆12从操作杆11的内管部分72中穿过，并由安装在内管部分72中作为圆柱滑动轴承的衬套76支撑。
操作杆安装部分41通常是设有狭缝41b的圆柱体41a的形式，并有相对地设置在狭缝41b内的一对凸缘41c。操作杆11的外管部分71安装在圆柱体41a的轴向通孔41d中，相对的凸缘41c由螺栓53固定在一起，因此外管部分71的一端摩擦固定在操作杆安装部分41的内表面。
图9是与图4相对应的分解剖视图，为清楚起见只显示了处于未连接状态下的操作杆11和离合器外壳40。如图所示，操作杆安装部分41的轴向通孔41d，弹性安装部分42的轴向通孔42c以及驱动源安装部分43的轴向松配合孔43c一起形成了一个轴向连续的孔，其在朝向对接区域43d的方向上直径逐渐变小。
当操作杆11的端部11a沿图9中右箭头所示方向通过轴向通孔41d和42c插入到松配合孔43c中时，操作杆11的端面11b靠在对接区域43d上，对接区域43d是在形成松配合孔43c的驱动源安装部分43的内圆周面上形成的台阶面。应注意到端面11b是和杆11的轴线正交的平面。松配合的孔43c在朝向驱动源装置13的方向上直径逐渐变小，其靠在对接端面43d上的最深处部分的直径比操作杆11的外管部分71的外径稍大。
以上述方式制造的离合器40以下面的方式操作。
在此实施例中，离合器40的特征在于，支撑驱动源装置13的功能和减轻从驱动源装置13传给操作杆11的振动的功能是相互独立地执行的，即，离合器40分别地执行支撑驱动源的功能和隔离振动的功能，而不会在两个功能间产生关联操作。
更具体地说，驱动源安装部分43通过操作杆11的端面11b靠在安装部分43的对接端面43d上可受到轴向支撑。因此，驱动源装置13可以由操作杆11的端面11b通过驱动源安装部分43来支撑。应注意到，由于驱动源安装部分43通过弹性连接部分42和以上述方式制造的操作杆安装部分41而与杆11连接，因此能可靠地防止驱动源安装部分43从操作杆11上意外地脱落。
另外，由于松配合的孔43c的直径可以容纳操作杆11的端部11a进行轴向滑动，因此在操作杆11的外圆周面和形成松配合的孔43c的驱动源安装部分43的内壁表面之间形成了小间隙。此小间隙可允许驱动源装置13绕支撑装置13的杆11的端部11a在一定限度内振动；这就是说，这个小间隙执行隔离振动的功能。由于驱动源装置13如上述地由操作杆11的端面11b轴向支撑，则不需要弹性连接部分42来支撑装置13，因此，弹性连接部分42可以独立于支撑驱动源的功能而完全地执行减小振动的功能。
在上述方式中，本实施例可以显著地减小从驱动源装置13传给操作杆11的不希望有的振动，同时允许杆11可靠地支撑装置13。
图10是显示相对操作杆的第一和第二径向撑条部分形成的角度θ1的操作杆11的几何惯性矩特性的视图。在图10中，水平轴代表操作杆11的第一和第二撑条部分73和74之间的角度θ1，而垂直轴显示操作杆11的几何惯性矩I；要注意到这里的几何惯性矩是以自然轴NL为基础来表达。另外该图显示了在杆的第二和第三撑条74和75之间的角度θ2保持在120°时，相对第一和第二撑条部分73和74之间的角度θ1变化的几何惯性矩I的变化。
具体地，图10的截面(a)显示当角度θ1为120°时杆的几何惯性矩I。该示例假定杆的几何惯性矩为100。
图10的截面(b)显示当角度θ1为60°时杆的几何惯性矩I。与例(a)中的100作比较，在该示例中杆的几何惯性矩为95。
图10的截面(c)显示当角度θ1为180°时杆的几何惯性矩I。在该示例中，杆的几何惯性矩与图10中(b)示例同为95。
如图10中所清楚显示的，操作杆11的几何惯性矩I显示出一条特征曲线，该曲线在图10的截面(a)处的角度下具有最大值，其值随角度接近图10中截面(b)或(c)的角度而逐渐下降。考虑到这种几何惯性矩的特征，下一段将介绍为什么三个撑条围绕操作杆11的轴中心线P1以不相等角度间隔或以互相不对称的关系设置的原因。
由于操作杆11的撑条部分73到75的不对称的截面结构，操作杆11的几何惯性矩I在杆11的全部角度位置上具有不同的值；即是，几何惯性矩I在围绕轴中心线P1的全部角度位置上具有不同的值。因此杆11的固有振动频率在围绕轴中心线P1的全部角度位置上具有不同的值。
另外，从驱动源装置13传递到操作杆11的振动在从驱动源装置13的曲柄轴的转动所造成的振动的作用下围绕杆的轴中心线P1的整个360°范围的方向上变化；即是，杆11的振动方向在围绕轴中心线P1的全部360°角度范围可以连续的变化。
现在考虑来自驱动源装置13的在给定的振动方向产生的振动的振动频率与杆在该给定振动方向上固有振动频率重合的情况，然而正如早就注意到的，操作杆11的固有振动方向在围绕杆的轴中心线P1的全部角度位置具有不同的值。因此，即使当在给定振动方向上的振动频率已经与杆的给定方向上固有振动频率重合时，频率的重合只限于杆11上的一个角度位置；换句话说，共振只能在杆11的一个角度位置上发生。另外，频率重合非常快地通过一个角度位置。那即是说，即使当在给定振动方向上的振动频率已经与杆的固有振动频率重合时，这个频率重合只是暂时或瞬间的重合，所以操作杆11的共振频率可以相对容易地避免。
此外，由于操作杆11具有整体形成的双管结构，其中内管和外管部分72和71是通过在管部分72和71的纵向上延伸并互相以不同的θ1到θ3角度间隔开的撑条部分73到75来互相连接的，杆11可以单件零件的形式制成，具有简化的截面形状，尽管可以具有很大的扭曲和弯曲刚度。另外当处于角度θ1，θ2，θ3互相相等的情况时，在此实施例中的操作杆11可以具有相同截面积因而具有相同总重量。
因为在此实施例中的操作杆11是整体形成的单件部件，其具有如前面所述的简化的截面形状，与传统的对应件相比，杆11可以相当大地降低生产成本和总重量。
以上面介绍的方式制造的本实施例可有效地避免操作杆11的振动与从驱动源装置13传递到操作杆11的振动发生共振并可以减少杆11的成本和重量，同时确保杆11的必要的机械强度，如抗扭和弯曲强度。
由第一和第二撑条73，74形成的θ1最好大于90度但小于120度(90°＜θ1＜120°>。如果角θ1是小于120度的较大角度，三个角度θ1，θ2和θ3可以互相更接近些，这将实现几何惯性矩I在杆11的任何角度都有更好的平衡，并确保几何惯性矩I有相对较大的值。θ1最好大约为110°，在这种情况下，θ2和θ3可分别约为120°和130°。这样，角θ1设定为110°将有利地使杆的几何惯性矩I接近如涉及图10的截面(a)所提到的最大值。
由于只有角度θ1到θ3相对如上面提到的固定的撑条部分73到75的数字进行变化，此实施例可以确保几何惯性矩I具有较大的值而不必改变操作杆11的重量。因此，操作杆11的固有振动频率可设定在一个较大的值。即是，操作杆11的固有振动频率可以容易地设定在大于从驱动源装置13传递到操作杆11的振动的可能振动频率，结果是操作杆11的共振频率可以相对容易地避开。
应当理解第一、第二和第三径向撑条部分73、74和75的设置顺序可以是顺时针的，而不是图7说明性显示的逆时针方向。