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叉车升降机构的创新设计 清华大学精密仪器和机械学部门 , 100084, 北京 ,中国 文章历史 : 2010年 6月 17收到题目 ,2010年 8月 3日开始修订到 2010年 8月 4日 ,2010年 9月 1日网上可用 。 关键词 : 叉车 ,空间多连杆机构 ,连杆 摘 要 : 在物流 中 叉车是一种最重要的工具。然而 ,一个叉车 采用 通用桅杆系统 ,不仅影响 驾驶员的视野 ,而且增加了卡车的 重量 ,从而 降低了燃油经济性。因此 ,本文主要对 叉车升降机构进行 创新设计。首先 ,提议 一个空间多连杆 升降机构 。然后 ,根据约束 条件 、流动性、 在 理论上研究了叉架。最后 ,确定 升降机构 ,在 计算机 上模拟 ,证明运动的可行性。 此 多连杆式 升降机构 利用 了 灵活的电缆驱动和 连杆 ,不仅 给 驾驶员 提供了 更大范围的视野 ,也降低了 叉车 重量 ,因此提 高 了燃油经济性。 1. 介绍 ： 叉车通常用 于 火车站、仓库、港口和工厂装卸 与 运输。叉车由底盘和工作装置 组成 ,可倾斜 吊 和垂 直 吊。 然而 ,一般的叉车有以下主要缺点。首先 ,桅杆系统由几个大组件组成且在司机前面 ,将严重影响司机的视野。许多叉车碰撞行人的事故本质上都是由于可见性 1、 2。此外 ,在支持负载和指导叉架垂直提升时 ,桅杆系统扮演一个重要的角色 ,所以它的强度和 刚度必须足够好 ,它的自重也必须增加。后面的重量平衡装置也增加 ,这就造成不必要的浪费。 扩大驾驶员的视野一直是一个重要的研究项目。一些类型的叉车已经通过改变桅杆 2、 3,而加大了司机的视野范围 ,而其他的利用视觉制导方法空间操作 4或计算机指导 5,6加大视野范围。这些叉车司机有更好的视野 ,但是对于通用桅杆结构的不足和自重问题 ,他们不是根本的解决方案。为了提高驾驶的舒适性和驾驶员的安全 ,减少能源消耗 ,重点考虑叉车升降机构的创新设计。先提出一个升降机构的设计方案 ,然后确定他的可行性 ,最后确定方案 扩展了司机的视野 ,也减少了车辆的重量。 2. 机构的提升 : 众所周知 ,三个转动副和两个链接 ,生成平面运动。假设两个这样的平面以非零的角度放置 ,如图 1。两端的两个连杆机构都与同一刚体连接并转动，如图 1所示。连杆 1是基础，连杆 4是连杆 1通过两个平行的连杆机构 容易发现 ,这两个连杆机构之间有很紧密的联系。因此 ,刚体 4必须平行于俩个连杆机构所在的平面和。即刚体 4只能是直的。 机制和机理论 45(2010)1892 1896 图 1 空间多连杆结构 曲柄滑块机构是一 种常见的开链结构。在汽油和柴油引擎 7中被广泛使用。然而 ,在曲柄滑块机构中 ,死点是一个致命的缺点。为了提高稳定性 ,避免死点 ,本文取代了曲柄滑块机构中的运动链 ,是由两个转动副和运动副组成 , 可以在没有死点的前提下生成平面运动。 假设两个垂直平面 ,滑块及运动链位于与纵向对称的平面内。两个运动 链如图 2。 对空间多连杆升降机构的运动原则进行理论分析。研究叉架的自由度 ,可以建立一个笛卡尔坐标系 ,来确定 对轴的转动 ,的交点为原点 ,轴的转动副 a为 。 假设轴对 0 180 )表示 ,与 坐标系统的起源是相同的。 a 0 0）和（ 示 ,两者之间的对角用 (0)表示。每个运动链包括两个转动副和一个运动副、一连杆和滑道。连杆和滑道都连接在一个运动副中，叉架有两个运动链。在这个空间多连杆结构中 ,轨道和叉架是在一条直线的。此外 , 在每一个垂直平面中添加另一个类似的运动链可以提高强度和刚度。在该滑块的位置 ,连接叉架和叉车底盘，与此同时 ,上下运动链是连接约束棒的。随着轨道的上下运动 ,约束棒提供约束 ,提高刚度和稳定性，从而提升 8的承载能力 0）。 C、 a yc （ xF yF 不难发现 ,对轴的转动是平行的 ,所以研究 对轴的转动。 对轴的转动用 （ 1 0 0） 对轴的转动用 （ ） （ 0 yc （ xF 1894 j- y (2010)1892 - 1896 图 2 升降机构 1叉 ;2叉架 ;3 挤压转动副 ;4连 杆 ;5约束杆 ;6导轨 ;7支持块 根据螺旋理论 9,终端约束螺旋矩阵可以得到方程 : $ = 0 其中 $是一个螺旋矩阵 ,$是终端约束螺旋。 可以表示为 : $ $A $B $C= 1 0 0 0 0 0 t 0 0 0 0 yC 0 0 0 照 1)可以得到 ,终端约束螺旋矩阵由一组基本的终端约束螺旋组成。 $A 1 0 0 0 0 0 t 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 图 3 笛卡 尔 坐标系 依照 1)可以得到 ,终端约束螺旋矩阵由一组基本的终端约束螺旋组成。 图 4 计算机模拟升降机构 1叉架 ;2 前皮带轮 ;3前支持杆 ;4 后支持杆 ;5电缆 ;6回轮 同样得到终端约束螺旋矩阵的运动链 : $ 0 0 0 t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 因此 ,终端约束螺旋矩阵在 $ $ 根据 (1), 只要 0 180 以表示为： $（ 0 0 0 0 0 1） t 由此证明了：叉架沿 即叉架为一条直线。在此约束下的升降机构中，叉架垂直于地面。 3. 实现升降机构 : 在计算机上模拟叉车升降机构的运动。如上所述 , 升降机构的轨迹和叉架在一条直线上。在不影响司机视野的前提下 ,为了 提升货物可以使用锚机和软钢电缆，结构如图 4所示。锚机在叉车的后面，回轮和支持杆在顶部，每个电缆的一端连接叉架 ,另一端固定在锚机上。当锚机运动时 ,电缆将带动叉架上下运动。 为了验证这种叉车是否能实现预期的运动 ,特别是保证叉架的垂直运动 ,用图 4中 (a)、 (b)(c)显示不同的位置时叉架的运动。可以看出叉架是在垂直于地面的一条直线上运动。此外 ,没有桅杆系统 ,司机可以有一个更好的视野范围。 这种 升降机构有 柔性电缆和刚体 使它有 更好的结构性能。钢丝绳牵 引 的 机械手 以其独特的优势 ,如低惯性、 低 重量等 ,被广泛 应用。 货物的重量主要由电缆支持 ,因此 对升降机构的 强度和刚度要求是较低的 ,它的重量 也 可以减 轻 。 通用叉车 的 组件 ,如气缸、链条、链轮子和支架系统 ,锚机、电缆和连杆 ,他们的重量和重心向后移动。因此 ,后面的重量平衡装置 ,大大减小了整个卡车的重量。所以提出的叉车 升降机构 降低了能耗 ,提高了车辆的燃油经济性。 4. 结论 : 本文基于空间多连杆升降机构，提出了一种新型的叉车升降机构。为了验证升降机构的可行性，对其进行了理论分析和计算机模拟。升降机构由灵活的电缆驱动和连杆组成 ,降低了自重。与一般的叉车对比 ,司机 有一个更广泛的视野 , 明显的提高了叉车的可靠性和驾驶舒适性。此外对升降机构的强度和刚度要求低 ,使的整个叉车的重量大大降低。提高了叉车的燃油经济性。 致谢 : 作者在中国国家自然科学基金的资助下，设计的这个升降机构 ,被授予全国优秀博士论文。
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