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叉車升降機構的創(chuàng)新設計
清華大學精密儀器和機械學部門, 100084, 北京,中國
文章歷史:
2010年6月17收到題目,2010年8月3日開始修訂到2010年8月4日,2010年9月1日網(wǎng)上可用。
關鍵詞:
叉車,空間多連桿機構,連桿
摘要:
在物流中叉車是一種最重要的工具。然而,一個叉車采用通用桅桿系統(tǒng),不僅影響駕駛員的視野,而且增加了卡車的重量,從而降低了燃油經濟性。因此,本文主要對叉車升降機構進行創(chuàng)新設計。首先,提議一個空間多連桿升降機構。然后,根據(jù)約束條件、流動性、在理論上研究了叉架。最后,確定升降機構,在計算機上模擬,證明運動的可行性。此多連桿式升降機構利用了靈活的電纜驅動和連桿,不僅給駕駛員提供了更大范圍的視野,也降低了叉車重量,因此提高了燃油經濟性。
1. 介紹：
叉車通常用于火車站、倉庫、港口和工廠裝卸與運輸。叉車由底盤和工作裝置組成,可傾斜吊和垂直吊。然而,一般的叉車有以下主要缺點。首先,桅桿系統(tǒng)由幾個大組件組成且在司機前面,將嚴重影響司機的視野。許多叉車碰撞行人的事故本質上都是由于可見性[1、2]。此外,在支持負載和指導叉架垂直提升時,桅桿系統(tǒng)扮演一個重要的角色,所以它的強度和剛度必須足夠好,它的自重也必須增加。后面的重量平衡裝置也增加,這就造成不必要的浪費。
擴大駕駛員的視野一直是一個重要的研究項目。一些類型的叉車已經通過改變桅桿[2、3],而加大了司機的視野范圍,而其他的利用視覺制導方法空間操作[4]或計算機指導[5,6]加大視野范圍。這些叉車司機有更好的視野,但是對于通用桅桿結構的不足和自重問題,他們不是根本的解決方案。為了提高駕駛的舒適性和駕駛員的安全,減少能源消耗,重點考慮叉車升降機構的創(chuàng)新設計。先提出一個升降機構的設計方案,然后確定他的可行性,最后確定方案.這種機制不僅擴展了司機的視野,也減少了車輛的重量。
2. 機構的提升:
眾所周知,三個轉動副和兩個鏈接,生成平面運動。假設兩個這樣的平面以非零的角度放置,如圖1。兩端的兩個連桿機構都與同一剛體連接并轉動，如圖1所示。連桿1是基礎，連桿4是連桿1通過兩個平行的連桿機構ABC和DEF從而傳遞運動。很容易發(fā)現(xiàn),這兩個連桿機構之間有很緊密的聯(lián)系。因此,剛體4必須平行于倆個連桿機構所在的平面α和β。即剛體4只能是直的。
機制和機理論45(2010)1892 – 1896
圖1空間多連桿結構
曲柄滑塊機構是一種常見的開鏈結構。在汽油和柴油引擎[7]中被廣泛使用。然而,在曲柄滑塊機構中,死點是一個致命的缺點。為了提高穩(wěn)定性,避免死點,本文取代了曲柄滑塊機構中的運動鏈,是由兩個轉動副和運動副組成, 可以在沒有死點的前提下生成平面運動。
假設兩個垂直平面,滑塊及運動鏈位于與縱向對稱的平面內。兩個運動鏈如圖2。
對空間多連桿升降機構的運動原則進行理論分析。研究叉架的自由度,可以建立一個笛卡爾坐標系,來確定A和D對軸的轉動,A和D的交點為原點,軸的轉動副a為x軸 .坐標系如圖3。
假設軸對D的轉動角度用φ(0°＜φ＜180°)表示,與 A和D坐標系統(tǒng)的起源是相同的。D的坐標可以表示為（a 0 0）和（acosφ asinφ所示,兩者之間的對角用θ(0°bθb180°)表示。每個運動鏈包括兩個轉動副和一個運動副、一連桿和滑道。連桿和滑道都連接在一個運動副中，叉架有兩個運動鏈。在這個空間多連桿結構中,軌道和叉架是在一條直線的。此外, 在每一個垂直平面中添加另一個類似的運動鏈可以提高強度和剛度。在該滑塊的位置,連接叉架和叉車底盤，與此同時,上下運動鏈是連接約束棒的。隨著軌道的上下運動,約束棒提供約束,提高剛度和穩(wěn)定性，從而提升[8]的承載能力0）。C、F的坐標可以表示為（a yc zc）和（xF yF zF）。
不難發(fā)現(xiàn),A和C對軸的轉動是平行的,所以研究D和F對軸的轉動。A和C對軸的轉動用s1 =（1 0 0）T表示, D和F對軸的轉動用s2 =（cosφ sinφ 0）T表示, B對矢量方向的位移用s3 =（0 yc zc）T表示，E對矢量方向的位移用s4 =（xF?bcosφ yF? bsinφ zF）T表示。
1894 j- y wang etal。/機制和機理論45(2010)1892 - 1896
圖2升降機構
1叉;2叉架;3擠壓轉動副;4連桿;5約束桿;6導軌;7支持塊
根據(jù)螺旋理論[9],終端約束螺旋矩陣可以得到方程:
$TE$τ = 0
其中$是一個螺旋矩陣,$τ是終端約束螺旋。
ABC是這個運動螺旋矩陣的一個運動鏈,可以表示為:
$ABC =[ $A $B $C]= 1 0 0 0 0 0 t
0 0 0 0 yC zC
1 0 0 0 zC ?yC
依照Eq.(1)可以得到,終端約束螺旋矩陣由一組基本的終端約束螺旋組成。
$τABC =1 0 0 0 0 0 t
0 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 1
圖3笛卡爾坐標系
依照Eq.(1)可以得到,終端約束螺旋矩陣由一組基本的終端約束螺旋組成。
圖4 計算機模擬升降機構
1叉架;2前皮帶輪;3前支持桿;4后支持桿;5電纜;6回輪
同樣得到終端約束螺旋矩陣的運動鏈:
$τDEF = cosφ sinφ 0 0 0 0 t
0 0 0 sinφ ?cosφ 0
0 0 0 0 0 1
因此,終端約束螺旋矩陣在CF上可以表示為:
$τCF = [$τABC $τDEF]
根據(jù)Eq. (1), 只要0°＜φ＜180°CF可以表示為：
$CF =（0 0 0 0 0 1）t
由此證明了：叉架沿z軸方向只有一個自由度,即叉架為一條直線。在此約束下的升降機構中，叉架垂直于地面。
3. 實現(xiàn)升降機構:
在計算機上模擬叉車升降機構的運動。如上所述, 升降機構的軌跡和叉架在一條直線上。在不影響司機視野的前提下,為了提升貨物可以使用錨機和軟鋼電纜，結構如圖4所示。錨機在叉車的后面，回輪和支持桿在頂部，每個電纜的一端連接叉架,另一端固定在錨機上。當錨機運動時,電纜將帶動叉架上下運動。
為了驗證這種叉車是否能實現(xiàn)預期的運動,特別是保證叉架的垂直運動,用Proe來模擬它的運動，如圖4中(a)、(b)(c)顯示不同的位置時叉架的運動?？梢钥闯霾婕苁窃诖怪庇诘孛娴囊粭l直線上運動。此外,沒有桅桿系統(tǒng),司機可以有一個更好的視野范圍。 這種升降機構有柔性電纜和剛體使它有更好的結構性能。鋼絲繩牽引的機械手以其獨特的優(yōu)勢,如低慣性、低重量等,被廣泛應用。貨物的重量主要由電纜支持,因此對升降機構的強度和剛度要求是較低的,它的重量也可以減輕。通用叉車的組件,如氣缸、鏈條、鏈輪子和支架系統(tǒng),錨機、電纜和連桿,他們的重量和重心向后移動。因此,后面的重量平衡裝置,大大減小了整個卡車的重量。所以提出的叉車升降機構降低了能耗,提高了車輛的燃油經濟性。
4. 結論:
本文基于空間多連桿升降機構，提出了一種新型的叉車升降機構。為了驗證升降機構的可行性，對其進行了理論分析和計算機模擬。升降機構由靈活的電纜驅動和連桿組成,降低了自重。與一般的叉車對比,司機有一個更廣泛的視野, 明顯的提高了叉車的可靠性和駕駛舒適性。此外對升降機構的強度和剛度要求低,使的整個叉車的重量大大降低。提高了叉車的燃油經濟性。
致謝:
作者在中國國家自然科學基金的資助下，設計的這個升降機構,被授予全國優(yōu)秀博士論文。