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叉車升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
清華大學(xué)精密儀器和機(jī)械學(xué)部門, 100084, 北京,中國(guó)
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(guān)鍵詞:
叉車,空間多連桿機(jī)構(gòu),連桿
摘要:
在物流中叉車是一種最重要的工具。然而,一個(gè)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(jīng)濟(jì)性。因此,本文主要對(duì)叉車升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先,提議一個(gè)空間多連桿升降機(jī)構(gòu)。然后,根據(jù)約束條件、流動(dòng)性、在理論上研究了叉架。最后,確定升降機(jī)構(gòu),在計(jì)算機(jī)上模擬,證明運(yùn)動(dòng)的可行性。此多連桿式升降機(jī)構(gòu)利用了靈活的電纜驅(qū)動(dòng)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(jīng)濟(jì)性。
1. 介紹：
叉車通常用于火車站、倉(cāng)庫(kù)、港口和工廠裝卸與運(yùn)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(diǎn)。首先,桅桿系統(tǒng)由幾個(gè)大組件組成且在司機(jī)前面,將嚴(yán)重影響司機(jī)的視野。許多叉車碰撞行人的事故本質(zhì)上都是由于可見性[1、2]。此外,在支持負(fù)載和指導(dǎo)叉架垂直提升時(shí),桅桿系統(tǒng)扮演一個(gè)重要的角色,所以它的強(qiáng)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(fèi)。
擴(kuò)大駕駛員的視野一直是一個(gè)重要的研究項(xiàng)目。一些類型的叉車已經(jīng)通過改變桅桿[2、3],而加大了司機(jī)的視野范圍,而其他的利用視覺制導(dǎo)方法空間操作[4]或計(jì)算機(jī)指導(dǎo)[5,6]加大視野范圍。這些叉車司機(jī)有更好的視野,但是對(duì)于通用桅桿結(jié)構(gòu)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(diǎn)考慮叉車升降機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。先提出一個(gè)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,然后確定他的可行性,最后確定方案.這種機(jī)制不僅擴(kuò)展了司機(jī)的視野,也減少了車輛的重量。
2. 機(jī)構(gòu)的提升:
眾所周知,三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和兩個(gè)鏈接,生成平面運(yùn)動(dòng)。假設(shè)兩個(gè)這樣的平面以非零的角度放置,如圖1。兩端的兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)都與同一剛體連接并轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。連桿1是基礎(chǔ)，連桿4是連桿1通過兩個(gè)平行的連桿機(jī)構(gòu)ABC和DEF從而傳遞運(yùn)動(dòng)。很容易發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)之間有很緊密的聯(lián)系。因此,剛體4必須平行于倆個(gè)連桿機(jī)構(gòu)所在的平面α和β。即剛體4只能是直的。
機(jī)制和機(jī)理論45(2010)1892 – 1896
圖1空間多連桿結(jié)構(gòu)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是一種常見的開鏈結(jié)構(gòu)。在汽油和柴油引擎[7]中被廣泛使用。然而,在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中,死點(diǎn)是一個(gè)致命的缺點(diǎn)。為了提高穩(wěn)定性,避免死點(diǎn),本文取代了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)鏈,是由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)副組成, 可以在沒有死點(diǎn)的前提下生成平面運(yùn)動(dòng)。
假設(shè)兩個(gè)垂直平面,滑塊及運(yùn)動(dòng)鏈位于與縱向?qū)ΨQ的平面內(nèi)。兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈如圖2。
對(duì)空間多連桿升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原則進(jìn)行理論分析。研究叉架的自由度,可以建立一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系,來確定A和D對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng),A和D的交點(diǎn)為原點(diǎn),軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副a為x軸 .坐標(biāo)系如圖3。
假設(shè)軸對(duì)D的轉(zhuǎn)動(dòng)角度用φ(0°＜φ＜180°)表示,與 A和D坐標(biāo)系統(tǒng)的起源是相同的。D的坐標(biāo)可以表示為（a 0 0）和（acosφ asinφ所示,兩者之間的對(duì)角用θ(0°bθb180°)表示。每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)運(yùn)動(dòng)副、一連桿和滑道。連桿和滑道都連接在一個(gè)運(yùn)動(dòng)副中，叉架有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。在這個(gè)空間多連桿結(jié)構(gòu)中,軌道和叉架是在一條直線的。此外, 在每一個(gè)垂直平面中添加另一個(gè)類似的運(yùn)動(dòng)鏈可以提高強(qiáng)度和剛度。在該滑塊的位置,連接叉架和叉車底盤，與此同時(shí),上下運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)沁B接約束棒的。隨著軌道的上下運(yùn)動(dòng),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(biāo)可以表示為（a yc zc）和（xF yF zF）。
不難發(fā)現(xiàn),A和C對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是平行的,所以研究D和F對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。A和C對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用s1 =（1 0 0）T表示, D和F對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用s2 =（cosφ sinφ 0）T表示, B對(duì)矢量方向的位移用s3 =（0 yc zc）T表示，E對(duì)矢量方向的位移用s4 =（xF?bcosφ yF? bsinφ zF）T表示。
1894 j- y wang etal。/機(jī)制和機(jī)理論45(2010)1892 - 1896
圖2升降機(jī)構(gòu)
1叉;2叉架;3擠壓轉(zhuǎn)動(dòng)副;4連桿;5約束桿;6導(dǎo)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$是一個(gè)螺旋矩陣,$τ是終端約束螺旋。
ABC是這個(gè)運(yùn)動(dòng)螺旋矩陣的一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(biāo)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(jì)算機(jī)模擬升降機(jī)構(gòu)
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(yùn)動(dòng)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(gè)自由度,即叉架為一條直線。在此約束下的升降機(jī)構(gòu)中，叉架垂直于地面。
3. 實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu):
在計(jì)算機(jī)上模擬叉車升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。如上所述, 升降機(jī)構(gòu)的軌跡和叉架在一條直線上。在不影響司機(jī)視野的前提下,為了提升貨物可以使用錨機(jī)和軟鋼電纜，結(jié)構(gòu)如圖4所示。錨機(jī)在叉車的后面，回輪和支持桿在頂部，每個(gè)電纜的一端連接叉架,另一端固定在錨機(jī)上。當(dāng)錨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),電纜將帶動(dòng)叉架上下運(yùn)動(dòng)。
為了驗(yàn)證這種叉車是否能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng),特別是保證叉架的垂直運(yùn)動(dòng),用Proe來模擬它的運(yùn)動(dòng)，如圖4中(a)、(b)(c)顯示不同的位置時(shí)叉架的運(yùn)動(dòng)。可以看出叉架是在垂直于地面的一條直線上運(yùn)動(dòng)。此外,沒有桅桿系統(tǒng),司機(jī)可以有一個(gè)更好的視野范圍。 這種升降機(jī)構(gòu)有柔性電纜和剛體使它有更好的結(jié)構(gòu)性能。鋼絲繩牽引的機(jī)械手以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如低慣性、低重量等,被廣泛應(yīng)用。貨物的重量主要由電纜支持,因此對(duì)升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)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(jī)、電纜和連桿,他們的重量和重心向后移動(dòng)。因此,后面的重量平衡裝置,大大減小了整個(gè)卡車的重量。所以提出的叉車升降機(jī)構(gòu)降低了能耗,提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。
4. 結(jié)論:
本文基于空間多連桿升降機(jī)構(gòu)，提出了一種新型的叉車升降機(jī)構(gòu)。為了驗(yàn)證升降機(jī)構(gòu)的可行性，對(duì)其進(jìn)行了理論分析和計(jì)算機(jī)模擬。升降機(jī)構(gòu)由靈活的電纜驅(qū)動(dòng)和連桿組成,降低了自重。與一般的叉車對(duì)比,司機(jī)有一個(gè)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(duì)升降機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求低,使的整個(gè)叉車的重量大大降低。提高了叉車的燃油經(jīng)濟(jì)性。
致謝:
作者在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，設(shè)計(jì)的這個(gè)升降機(jī)構(gòu),被授予全國(guó)優(yōu)秀博士論文。