UNIVERSITY OF LOUISVILLE

Reel Lawnmower Me 380 Design Project 

 

Nathan Fletcher 

3/15/2007  

 

 

   

Reel lawnmowers have been around for centuries. Today they are used for grass cutting in high‐end applications, such as athletic fields and golf courses. In this design project, a modern reel lawnmower will be analyzed and partially redesigned for improved performance. 

Problem Definition  

Background: Reel  lawnmowers were  invented  in  the 19th  century,  and  allowed  for easy,  consistent  grass  cutting. Today,  reel  lawn  mowers  are  used  commercially  for  grounds  keeping  in  such  applications  as  golf courses, sports fields, and other venues where short, consistent grass is desirable. Reel lawn mowers are also available for consumer use as an alternative to gas and electric powered mowers.  Need: The reel lawn mower that I own has a couple of problems. First, it gets "clogged" by thick areas of grass, causing the mower to stop instantly, throwing the pusher into the handle bars. I am going to modify the design of this mower in order to reduce that problem.  Goal: The goal of this project is to increase the efficiency of the reel lawnmower being analyzed. Specifically, the wheel radius will be increased to allow the blades to spin faster, increasing the force with which they cut the grass, and reducing the chances of the mower becoming clogged.  Objectives: 

• Accurately model the components of the reel lawnmower in Solid Edge 

• Modify the parts in Solid Edge to achieve more desirable performance 

• Create an assembly and animation of the lawnmower, with parts moving accurately 

• Analyze the original and redesigned parts in Solid Edge  Design Requirements: The first priority of this project is to achieve the goal of increasing the lawnmower's efficiency by increasing its blade speed. The modifications made to this mower will be done with a negligible increase in stress in the components.  Constraints: The redesigned parts must be as easily manufactured as the original parts. No exotic materials will be used for strength increases or weight reductions.    

Synthesis  

Information Retrieval: Before  beginning  modifications  to  the  original  reel  lawnmower  that  was  studied,  research  was conducted to find out  information about other reel  lawnmower designs. The closest patent to the reel lawnmower that I modified is held by Amariah M. Hills. Patent number 73,807 was filed for on Jan. 28, 1868.  Preliminary Design: The  simplest  thing  to  modify  on  the  reel  lawnmower  to  make  it  more  efficient  is  the  wheel.  By increasing  the wheel diameter,  the blades will spin  faster, allowing  them  to cut more grass  in a given time.  Design Alternatives: A few design alternatives were considered for this project. Increasing the blade diameter and changing the gear  ratio between  the wheel and  the pinion gear on  the blade were both considered. However, increasing the diameter of the wheel would accomplish the same goals as the above two redesign ideas in one easy to manufacture step.  Feasibility Assessment: The redesign for this  lawnmower  is very feasible. The modifications to the wheel do not require much more  material  than  the  original  where.  Also,  manufacturing  the  part  will  take  only  a  few  slight modifications to machinery already in existence.  Final Design: Modifying the radius of the wheel was found to be the most effective way to increase the efficiency of the lawnmower, while staying within the project guidelines. The radius was increased by 2 cm. 

Modified Wheel Original Wheel 

Figure 1. Wheels Modeled in Solid Edge 

Analysis  Finite Element Model: The  original  and  modified  wheels  were  imported  into  SolidWorks  and  analyzed  with  Cosmos.  The wheel’s geometry was too complex to mesh  in Ansys. Below  is a picture of the original wheel meshed with boundary conditions. The center of the wheel was constrained axially. The tooth that meshes with the pinion  gear was  constrained  to  simulate  the maximum  force  that  the  gears  could  exert on  each other (green arrows). A force of 20  lbs. was applied to the treads on the bottom of the wheel (purple arrows) to act as the force of the ground on the wheel as it moves forward.  

  Figure 2. Meshes Wheel with Boundary Conditions  Finite Element Solution: Both the original wheel and the redesigned wheel were tested with the same boundary conditions. The following page shows details of the Von Misses stress in the original wheel compared to the Von Misses stress in the modified wheel.    

Below is a picture of the Von Misses stress on the original wheel, as well as a close up of the stress on the tooth where the gears mesh. 

Figure 3. FEA of Original Wheel  The picture below  shows  the Von Misses  stress analysis of  the  redesigned wheel, as well as an  inset picture of the stress on the tooth where the gears mesh. 

Figure 4. FEA of Modified Wheel  It  is clear  that  the  stress on  the  tooth has been  reduced on  the modified wheel, as compared  to  the original design of the wheel. The overall stress in the wheel has also been decreased. 

Construction  

STL File: An  .stl  file  of  the  lawnmower  assembly was  expo   from  Solid  Edge  and  sent  to  the University  of 

’s  Rapid  Prototyping  Center.  The model  was  scaled  down  by  a  factor  of  four  and  all  thin 

elow are pictures of the model completed by the rapid prototyping machine. 

  

Fi

rtedLouisvillefeatures were at least doubled in thickness in order to ensure that the part would be structurally sound after prototyping. As a result, the prototyped model is functional.  Rapid Prototype: B

gure 5. Rapid Prototype Model Assembled

Figure 6. Detail of wheel  Figure 7. Top View of Assembled Lawnmower 

 

Testing  

Assembly: Below  is a picture of the assembled  lawnmower,  including all of the parts that were modeled  in Solid Edge. Each part was modeled individually then assembled. Visible are the frame, blades, wheels, one of the  pinion  gears  (a mirrored  copy  is  on  the  other  side  of  the  frame),  and  the  pin  (light  gray)  that transfers mechanical energy from the pinion gear to the shaft of the blades. The  left wheel and pinion gear have been made translucent to show how they interface with each other and the blades. 

 Clearances/Interferences: Interference  checks were  run  in  Solid  Edge  and  none were  found.  Clearances were  also  checked  to ensure that when prototyped, the assembly would work. After receiving and assembling the prototype, the mower did work as designed, with no clearance or interference issues.  Bill of Materials:  

Part  Number Required 

Frame  1 

Blades  1 

Wheel  2 

Pinion Gear  2 

Figure 8. View of Assembly in Solid Edge

Pin  2 

Evaluation  

Results: This project was completed exactly as intended and exceeded the initial goals. Not only is the redesign more efficient than the original, the modified wheel has less stress in the wheel and the teeth.  Conclusions: As  is  apparent  from  the  finite  element  analysis  of  the wheel,  the modifications were  successful  in accomplishing the goals that were  initially set.  Increasing the Wheel diameter with the pictured spoke design reduced the stress on the plastic, while  increasing the blade rotation speed, making the mower more efficient.  Recommendations: Modifying the entire frame may help with the  implementation of the  larger wheel, which may provide for slightly  less ergonomic operation as  is.  I would also recommend using a higher grade steel  for  the cutting surfaces, as they have rusted after about a year of use.