0 引言

    物流現(xiàn)狀：貨物批發(fā)市場(chǎng)，瓜果蔬菜基地、物流站等一些裝載貨物的場(chǎng)所，必然需要使用起吊設(shè)備和搬運(yùn)設(shè)備，設(shè)備的使用極大地減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了物流運(yùn)作效率和服務(wù)質(zhì)量，降低了物流成本，極大地促進(jìn)了物流的快速發(fā)展。目前的起吊裝置主要有吊車、行車、鏟車等，此類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是起吊質(zhì)量大�？捎糜诖笮突蛑匦拓浳锲鸬�。但是對(duì)于小型物流場(chǎng)所較輕貨物(150kg以下)的搬運(yùn)設(shè)備較少，主要還是人工裝載，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且易發(fā)生安全事故。

    發(fā)展趨勢(shì)：隨著現(xiàn)代物流的發(fā)展。對(duì)于適用于小空間，較輕貨物運(yùn)載的物流設(shè)備需求量增大，作為其物質(zhì)基礎(chǔ)表現(xiàn)出了以下方面的發(fā)展趨勢(shì)。

    1)實(shí)用化：對(duì)于較輕貨物場(chǎng)合使用，工作并不很繁重，因此應(yīng)實(shí)用、易維護(hù)、易操作。

    2)輕型化：這類設(shè)備批量較大、用途廣。為了提高利用率，設(shè)備應(yīng)輕型、易攜帶。

    3)綠色化：“綠色”就是要達(dá)到環(huán)保要求，要有效利用能源，減少污染排放，使用清潔能源及新型動(dòng)力。

    因此為實(shí)現(xiàn)較輕貨物簡(jiǎn)易起吊，順應(yīng)物流發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)了一款新型的物流裝載運(yùn)輸設(shè)備一起吊推車。

    設(shè)計(jì)目標(biāo)：新型起吊推車主要機(jī)械動(dòng)作是在狹小空間內(nèi)可搬運(yùn)貨物，利用起吊懸臂起吊裝運(yùn)較輕貨物(150 kg以下)。其中，起吊懸臂設(shè)計(jì)的難度最大，主要為：1)為使貨物在貨運(yùn)車輛上擺放整齊、穩(wěn)定可靠，懸臂伸出的行程應(yīng)足夠。2)為了適用于狹小空間，吊臂結(jié)構(gòu)不宜復(fù)雜龐大，在滿足剛度要求下，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。3)為了方便隨車攜帶，整機(jī)可折疊，懸臂可伸縮，吊臂伸縮機(jī)構(gòu)的原動(dòng)機(jī)應(yīng)盡可能質(zhì)量輕，體積小。4)為使懸臂起吊搬運(yùn)動(dòng)作靈活可靠，懸臂伸縮機(jī)構(gòu)應(yīng)盡可能減小摩擦阻力，提高效率。

    因此。起吊懸臂設(shè)計(jì)方案是以齒輪齒條為基礎(chǔ)的三級(jí)差動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)，蓄電池電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、輕型化、綠色化、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

1 工作原理

    起吊推車主要由可伸縮起吊臂和自由推車鉸接組成．如圖1所示。自由推車由傾斜一定角度的支撐架2、三角形的后輪支架1和左右扶手10組成。支撐架前下端裝有一個(gè)定向輪3，前端合適部位裝有可調(diào)整高度的滑套4，滑套上裝有圓錐滾子5以減少摩擦力。起吊懸臂7采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，懸臂與支撐架之間采用俯仰調(diào)整機(jī)構(gòu)6，可以調(diào)整懸臂角度，并利用卷筒鋼絲繩系統(tǒng)8起吊貨物。起吊臂利用齒輪齒條，實(shí)現(xiàn)起吊臂的差動(dòng)伸縮。

    圖1 起吊推車結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 齒輪齒條直線差動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理

    如圖2所示為1個(gè)滾動(dòng)齒輪與2個(gè)齒條組成的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，從動(dòng)齒條2在滾動(dòng)齒輪3的上方，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，滾動(dòng)齒輪與固定齒條的節(jié)點(diǎn)為二者的速度瞬心，當(dāng)滾動(dòng)齒輪相對(duì)于固定齒條1滾動(dòng)時(shí)。從動(dòng)齒條2將沿滾動(dòng)齒輪中心運(yùn)動(dòng)方向。以滾動(dòng)齒輪中心2倍的速度平行移動(dòng)，這樣，就形成了從動(dòng)齒條2相對(duì)于滾動(dòng)齒輪中心速度與行程的增倍機(jī)構(gòu)．為滿足起吊推車懸臂伸縮的動(dòng)作要求提供了保障。

    圖2 齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)

l.2 三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊懸臂的組成和工作原理

    為了滿足起吊推車起吊懸臂的伸縮行程要求，僅采用雙層齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)使行程增倍是不夠的，還必須實(shí)現(xiàn)三節(jié)臂的行程增倍直線差動(dòng)，因此設(shè)計(jì)中還增加了同步齒形帶。

    三級(jí)差動(dòng)伸縮的起吊懸臂(圖3)，由固定齒條箱l(一節(jié)臂)、中滑板5(二節(jié)臂)、移動(dòng)齒條板8(三節(jié)臂)組成。固定齒條箱1鉸接在支撐架上部，中滑板5右端裝有后齒輪3，后齒輪3由微型直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)．與固定齒條箱1中的齒條2嚙合。中滑板5左端裝有前齒輪6，前齒輪6與固定于移動(dòng)齒條板8上的齒條9嚙合。后帶輪4和后齒輪3同軸，前帶輪7和前齒輪6同軸，兩者通過同步齒形帶傳動(dòng)。

    圖3 三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊懸臂原理圖

    左扶手下裝有懸臂伸縮觸點(diǎn)開關(guān)，直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)微型直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，后齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，通過后齒輪3與固定齒條箱4中的齒條2嚙合傳動(dòng)，使后齒輪3、前齒輪6和固定在兩齒輪上的中滑板5一起向左移動(dòng)，使中滑板5伸出。同時(shí)，與后齒輪同軸的后帶輪4轉(zhuǎn)動(dòng)后，通過同步齒形帶驅(qū)動(dòng)前帶輪7與后帶輪4同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)，即與前帶輪7同軸的前齒輪6轉(zhuǎn)動(dòng)，前齒輪6與固定于移動(dòng)齒條板8上的齒條9嚙合傳動(dòng)，帶動(dòng)移動(dòng)齒條板8相對(duì)中滑板5向左移動(dòng)伸出。

    與齒輪齒條傳動(dòng)時(shí)。速度、行程增倍原理相同，當(dāng)中滑板5水平移動(dòng)時(shí)，通過同步帶傳動(dòng)，移動(dòng)齒條板8將沿滾動(dòng)齒輪(后齒輪)3中心運(yùn)動(dòng)相同的方向，以滾動(dòng)齒輪(后齒輪)3中心兩倍的速度平行移動(dòng)。這樣，當(dāng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)齒輪3水平行走一個(gè)長(zhǎng)度行程時(shí)，即此時(shí)中滑板5水平移動(dòng)1個(gè)長(zhǎng)度行程：而同時(shí)移動(dòng)齒條板8相對(duì)中滑板5水平移動(dòng)1個(gè)長(zhǎng)度行程。即相對(duì)固定齒條箱1水平移動(dòng)了2個(gè)長(zhǎng)度行程。最終滿足了吊臂三級(jí)伸縮的行程動(dòng)作要求。同時(shí)，為了最大限度的縮小吊臂機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，在滿足速度及功率的基礎(chǔ)上，選用微型直流減速電機(jī)，其體積小，可提供較大轉(zhuǎn)矩。

    本裝置的設(shè)計(jì)利用齒輪齒條機(jī)構(gòu)和同步帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)固定齒條箱1、中滑板5、移動(dòng)齒條板8三級(jí)直線差動(dòng)伸縮運(yùn)動(dòng)。

1.3 三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊懸臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    在三節(jié)臂的全部行程中。二節(jié)臂相對(duì)一節(jié)臂行走1個(gè)行程；三節(jié)臂相對(duì)二節(jié)臂行走1個(gè)行程，每段節(jié)臂之間均有合適的導(dǎo)向接觸面長(zhǎng)度，保證三節(jié)臂伸出時(shí)的相對(duì)剛度要求。同時(shí)，節(jié)臂為套筒式伸縮結(jié)構(gòu)，三段節(jié)臂相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用了滾輪與滾道的純滾動(dòng)摩擦，最大限度地減小了工作摩擦阻力，間接保障了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)靈活性。三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊懸臂采用了齒輪齒條組成的三級(jí)差動(dòng)行程增倍機(jī)構(gòu)．在保證基本尺寸不增加的基礎(chǔ)上，大大提高了起吊懸臂的伸縮速度及起吊高度。

2 三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊懸臂優(yōu)勢(shì)

2.1 齒輪齒條伸縮裝置

    如圖4所示，固定節(jié)臂1上安裝有固定齒條和原動(dòng)機(jī)一雙向液壓缸3，在液壓缸活塞桿端安裝2個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的滾動(dòng)齒輪4，滾動(dòng)齒輪4上方設(shè)置有固定在中層節(jié)臂5上的從動(dòng)齒條，中間節(jié)臂端設(shè)置有2個(gè)可轉(zhuǎn)的鏈輪。

    圖4 原理示意圖

2.2 起吊懸臂三級(jí)差動(dòng)伸縮裝置優(yōu)勢(shì)

    與目前使用的齒輪齒條伸縮裝置相比較，三級(jí)差動(dòng)伸縮起吊裝置有以下優(yōu)勢(shì)：

    1)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，方便環(huán)保。

    已有的輪齒齒條伸縮裝置為液壓驅(qū)動(dòng)．雖然液壓驅(qū)動(dòng)的推力大、體積小、調(diào)速方便，但系統(tǒng)成本高，可靠性差，不易維修保養(yǎng)，主要用于貨叉等起重質(zhì)量較大的機(jī)械中，而本懸臂伸縮裝置是應(yīng)用于起重質(zhì)量相對(duì)較小(<150 kg)的起吊推車上，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，效率更高，成本更低。為了方便隨車攜帶，擴(kuò)大使用范圍，設(shè)計(jì)采用蓄電池提供動(dòng)力，使用方便，更加環(huán)保，符合物流設(shè)備綠色化的發(fā)展趨勢(shì)。

    2)采用同步齒形帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。

    已有的齒輪齒條伸縮機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)．瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)，傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差，有一定的沖擊和噪聲。裝置設(shè)計(jì)時(shí)為了實(shí)現(xiàn)速度與行程翻倍，采用了齒輪齒條組成的直線差動(dòng)行程增倍機(jī)構(gòu)和同步齒形帶傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)為同步帶齒與同步帶輪齒之間的嚙合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。兩者無相對(duì)滑動(dòng)、傳動(dòng)比恒定、結(jié)構(gòu)緊湊、帶薄而輕、相對(duì)質(zhì)量小、抗拉強(qiáng)度高，且效率高達(dá)98％。因此，本伸縮裝置更適用于起吊推車滿足實(shí)用化、輕型化的要求。

    3)采用同步伸縮方式，成本低，效率高。

    吊臂伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮方式為同步伸縮，各節(jié)臂以相同的相對(duì)速度進(jìn)行伸縮。同步伸縮機(jī)構(gòu)與順序伸縮機(jī)構(gòu)性能對(duì)比如表1所示。采用同步伸縮方式更滿足起吊推車高效率、低成本、穩(wěn)定性好的綜合要求。

    表1 同步伸縮機(jī)構(gòu)與順序伸縮機(jī)構(gòu)性能對(duì)比

3 建模

    Creo是一款整合了PTC公司的3個(gè)軟件Pm／Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和Product．View的三維可視化技術(shù)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，具備互操作性、開放、易用3大特點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩粼O(shè)計(jì)出富有創(chuàng)意的三維產(chǎn)品。Creo 2．0是目前工作中最優(yōu)秀的2D和3DCAD軟件。

    設(shè)計(jì)采用CreoParametric2．0進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)與三維建模，對(duì)伸縮懸臂進(jìn)行建模采用自底向上的方式進(jìn)行．即先依據(jù)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸建立起三維模型，再進(jìn)行裝配體建模，按照各零部件之間的裝配以及約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，完成伸縮懸臂的裝配，可以通過Creo裝配模式下的分析模塊的全局干涉命令，對(duì)懸臂整體進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，確認(rèn)無干涉，如圖5所示。懸臂仿真數(shù)據(jù)可以與其他CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，建模完成后可以利用CreoSimu1ate2．0模塊對(duì)吊臂進(jìn)行靜態(tài)有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，也可以將建好的模型導(dǎo)人ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。

    圖5 三維仿真圖

4 結(jié)語

    隨著現(xiàn)代物流的發(fā)展，對(duì)于適用于小空間，較輕貨物運(yùn)載的物流設(shè)備需求量在急劇增大。新型起吊推車既能推送貨物，也可裝卸貨物。并能將貨物整齊地碼放在貨車上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于攜帶，能在狹小的場(chǎng)地使用，實(shí)用價(jià)值巨大。伸縮懸臂的伸縮方式為同步伸縮，采用了齒輪齒條組成的三級(jí)差動(dòng)行程增倍機(jī)構(gòu)。不僅成本低，穩(wěn)定性好。而且大大提高了起吊懸臂的伸縮速度及起吊高度。采用蓄電池提供動(dòng)力，方便環(huán)保，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，特別適用于小型起吊裝置。三級(jí)差動(dòng)伸縮懸臂機(jī)構(gòu)的應(yīng)用為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：新型起吊推車三級(jí)差動(dòng)可伸縮式懸臂的設(shè)計(jì)

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