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叉車(chē)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(mén) , 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(kāi)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(chē) ,空間多連桿機(jī)構(gòu) ,連桿 摘 要 : 在物流 中 叉車(chē)是一種最重要的工具。然而 ,一個(gè)叉車(chē) 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(chē)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(chē)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(chē) 重量 ,因此提 高 了燃油經(jīng)濟(jì)性。 1. 介紹 ： 叉車(chē)通常用 于 火車(chē)站、倉(cāng)庫(kù)、港口和工廠裝卸 與 運(yùn)輸。叉車(chē)由底盤(pán)和工作裝置 組成 ,可傾斜 吊 和垂 直 吊。 然而 ,一般的叉車(chē)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(chē)碰撞行人的事故本質(zhì)上都是由于可見(jiàn)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(lèi)型的叉車(chē)已經(jīng)通過(guò)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(jué)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(chē)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(wèn)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(chē)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 擴(kuò)展了司機(jī)的視野 ,也減少了車(chē)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(guò)兩個(gè)平行的連桿機(jī)構(gòu) 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(jiàn)的開(kāi)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(méi)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(chēng)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(lái)確定 對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) ,的交點(diǎn)為原點(diǎn) ,軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副 a為 。 假設(shè)軸對(duì) 0°＜φ＜ 180° )表示 ,與 坐標(biāo)系統(tǒng)的起源是相同的。 a 0 0）和（ 示 ,兩者之間的對(duì)角用θ (0°)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(lèi)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(chē)底盤(pán)，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、 a yc （ xF yF 不難發(fā)現(xiàn) ,對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是平行的 ,所以研究 對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用 （ 1 0 0） 對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)用 （ ） （ 0 yc （ xF? 1894 j- y (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 : $ = 0 其中 $是一個(gè)螺旋矩陣 ,$τ是終端約束螺旋。 可以表示為 : $[ $A $B $C]= 1 0 0 0 0 0 t 0 0 0 0 yC 0 0 0 照 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。 $τA 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 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 : $τ 0 0 0 t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 因此 ,終端約束螺旋矩陣在 $τ [$ττ 根據(jù) (1), 只要 0°＜φ＜ 180° 以表示為： $（ 0 0 0 0 0 1） t 由此證明了：叉架沿 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(chē)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(chē)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(chē)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(méi)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(chē) 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(chē)的重量。所以提出的叉車(chē) 升降機(jī)構(gòu) 降低了能耗 ,提高了車(chē)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(chē)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(chē)對(duì)比 ,司機(jī) 有一個(gè)更廣泛的視野 , 明顯的提高了叉車(chē)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(chē)的重量大大降低。提高了叉車(chē)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。