0 引言
物流現狀：貨物批發市場，瓜果蔬菜基地、物流站等一些裝載貨物的場所，必然需要使用起吊設備和搬運設備，設備的使用極大地減輕了人們的勞動強度，提高了物流運作效率和服務質量，降低了物流成本，極大地促進了物流的快速發展。目前的起吊裝置主要有吊車、行車、鏟車等，此類產品的優點是起吊質量大。可用于大型或重型貨物起吊。但是對于小型物流場所較輕貨物(150kg以下)的搬運設備較少，主要還是人工裝載，勞動強度大，且易發生安全事故。
發展趨勢：隨著現代物流的發展。對于適用于小空間，較輕貨物運載的物流設備需求量增大，作為其物質基礎表現出了以下方面的發展趨勢。
1)實用化：對于較輕貨物場合使用，工作并不很繁重，因此應實用、易維護、易操作。
2)輕型化：這類設備批量較大、用途廣。為了提高利用率，設備應輕型、易攜帶。
3)綠色化：“綠色”就是要達到環保要求，要有效利用能源，減少污染排放，使用清潔能源及新型動力。
因此為實現較輕貨物簡易起吊，順應物流發展趨勢，開發了一款新型的物流裝載運輸設備一起吊推車。
設計目標：新型起吊推車主要機械動作是在狹小空間內可搬運貨物，利用起吊懸臂起吊裝運較輕貨物(150 kg以下)。其中，起吊懸臂設計的難度最大，主要為：1)為使貨物在貨運車輛上擺放整齊、穩定可靠，懸臂伸出的行程應足夠。2)為了適用于狹小空間，吊臂結構不宜復雜龐大，在滿足剛度要求下，結構應盡可能緊湊。3)為了方便隨車攜帶，整機可折疊，懸臂可伸縮，吊臂伸縮機構的原動機應盡可能質量輕，體積小。4)為使懸臂起吊搬運動作靈活可靠，懸臂伸縮機構應盡可能減小摩擦阻力，提高效率。
因此。起吊懸臂設計方案是以齒輪齒條為基礎的三級差動伸縮機構，蓄電池電機驅動，實現了實用化、輕型化、綠色化、節能環保的目標。
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定向輪3，前端合適部位裝有可調整高度的滑套4，滑套上裝有圓錐滾子5以減少摩擦力。起吊懸臂7采用電機驅動，懸臂與支撐架之間采用俯仰調整機構6，可以調整懸臂角度，并利用卷筒鋼絲繩系統8起吊貨物。起吊臂利用齒輪齒條，實現起吊臂的差動伸縮。
圖1 起吊推車結構示意圖
1.1 齒輪齒條直線差動機構的工作原理
如圖2所示為1個滾動齒輪與2個齒條組成的差動機構，從動齒條2在滾動齒輪3的上方，根據相對運動原理，滾動齒輪與固定齒條的節點為二者的速度瞬心，當滾動齒輪相對于固定齒條1滾動時。從動齒條2將沿滾動齒輪中心運動方向。以滾動齒輪中心2倍的速度平行移動，這樣，就形成了從動齒條2相對于滾動齒輪中心速度與行程的增倍機構．為滿足起吊推車懸臂伸縮的動作要求提供了保障。
圖2 齒輪齒條差動機構
l.2 三級差動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機構使行程增倍是不夠的，還必須實現三節臂的行程增倍直線差動，因此設計中還增加了同步齒形帶。
三級差動伸縮的起吊懸臂(圖3)，由固定齒條箱l(一節臂)、中滑板5(二節臂)、移動齒條板8(三節臂)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驅動．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。
圖3 三級差動伸縮起吊懸臂原理圖
左扶手下裝有懸臂伸縮觸點開關，直接控制電動機轉動。當微型直流減速電機驅動后，后齒輪3轉動，通過后齒輪3與固定齒條箱4中的齒條2嚙合傳動，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，使中滑板5伸出。同時，與后齒輪同軸的后帶輪4轉動后，通過同步齒形帶驅動前帶輪7與后帶輪4同速同向轉動，即與前帶輪7同軸的前齒輪6轉動，前齒輪6與固定于移動齒條板8上的齒條9嚙合傳動，帶動移動齒條板8相對中滑板5向左移動伸出。
與齒輪齒條傳動時。速度、行程增倍原理相同，當中滑板5水平移動時，通過同步帶傳動，移動齒條板8將沿滾動齒輪(后齒輪)3中心運動相同的方向，以滾動齒輪(后齒輪)3中心兩倍的速度平行移動。這樣，當直流電機驅動滾動齒輪3水平行走一個長度行程時，即此時中滑板5水平移動1個長度行程：而同時移動齒條板8相對中滑板5水平移動1個長度行程。即相對固定齒條箱1水平移動了2個長度行程。最終滿足了吊臂三級伸縮的行程動作要求。同時，為了最大限度的縮小吊臂機構的結構尺寸，在滿足速度及功率的基礎上，選用微型直流減速電機，其體積小，可提供較大轉矩。
本裝置的設計利用齒輪齒條機構和同步帶傳動，實現固定齒條箱1、中滑板5、移動齒條板8三級直線差動伸縮運動。
1.3 三級差動伸縮起吊懸臂結構特點
在三節臂的全部行程中。二節臂相對一節臂行走1個行程；三節臂相對二節臂行走1個行程，每段節臂之間均有合適的導向接觸面長度，保證三節臂伸出時的相對剛度要求。同時，節臂為套筒式伸縮結構，三段節臂相對運動時，采用了滾輪與滾道的純滾動摩擦，最大限度地減小了工作摩擦阻力，間接保障了機構的運動精度和運動靈活性。三級差動伸縮起吊懸臂采用了齒輪齒條組成的三級差動行程增倍機構．在保證基本尺寸不增加的基礎上，大大提高了起吊懸臂的伸縮速度及起吊高度。
2 三級差動伸縮起吊懸臂優勢
2.1 齒輪齒條伸縮裝置
如圖4所示，固定節臂1上安裝有固定齒條和原動機一雙向液壓缸3，在液壓缸活塞桿端安裝2個可轉動的滾動齒輪4，滾動齒輪4上方設置有固定在中層節臂5上的從動齒條，中間節臂端設置有2個可轉的鏈輪。
圖4 原理示意圖
2.2 起吊懸臂三級差動伸縮裝置優勢
與目前使用的齒輪齒條伸縮裝置相比較，三級差動伸縮起吊裝置有以下優勢：
1)采用電機驅動，方便環保。
已有的輪齒齒條伸縮裝置為液壓驅動．雖然液壓驅動的推力大、體積小、調速方便，但系統成本高，可靠性差，不易維修保養，主要用于貨叉等起重質量較大的機械中，而本懸臂伸縮裝置是應用于起重質量相對較小(<150 kg)的起吊推車上，采用電機驅動，效率更高，成本更低。為了方便隨車攜帶，擴大使用范圍，設計采用蓄電池提供動力，使用方便，更加環保，符合物流設備綠色化的發展趨勢。
2)采用同步齒形帶，結構簡單緊湊。
已有的齒輪齒條伸縮機構采用鏈傳動．瞬時轉速和瞬時傳動比不是常數，傳動的平穩性較差，有一定的沖擊和噪聲。裝置設計時為了實現速度與行程翻倍，采用了齒輪齒條組成的直線差動行程增倍機構和同步齒形帶傳動。同步帶傳動為同步帶齒與同步帶輪齒之間的嚙合實現傳動。兩者無相對滑動、傳動比恒定、結構緊湊、帶薄而輕、相對質量小、抗拉強度高，且效率高達98％。因此，本伸縮裝置更適用于起吊推車滿足實用化、輕型化的要求。
3)采用同步伸縮方式，成本低，效率高。
吊臂伸縮機構的伸縮方式為同步伸縮，各節臂以相同的相對速度進行伸縮。同步伸縮機構與順序伸縮機構性能對比如表1所示。采用同步伸縮方式更滿足起吊推車高效率、低成本、穩定性好的綜合要求。
表1 同步伸縮機構與順序伸縮機構性能對比
3 建模
Creo是一款整合了PTC公司的3個軟件Pm／Engineer的參數化技術、CoCreate的直接建模技術和Product．View的三維可視化技術的新型CAD設計軟件包，具備互操作性、開放、易用3大特點，能夠為用戶設計出富有創意的三維產品。Creo 2．0是目前工作中最優秀的2D和3DCAD軟件。
設計采用CreoParametric2．0進行虛擬設計與三維建模，對伸縮懸臂進行建模采用自底向上的方式進行．即先依據相關零部件的結構和尺寸建立起三維模型，再進行裝配體建模，按照各零部件之間的裝配以及約束關系逐個進行組裝，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，對懸臂整體進行靜態干涉檢查，確認無干涉，如圖5所示。懸臂仿真數據可以與其他CAD系統數據共享，建模完成后可以利用CreoSimu1ate2．0模塊對吊臂進行靜態有限元分析與優化設計研究，也可以將建好的模型導人ANSYS軟件進行有限元分析。
圖5 三維仿真圖
4 結語
隨著現代物流的發展，對于適用于小空間，較輕貨物運載的物流設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，結構簡單，操作方便，便于攜帶，能在狹小的場地使用，實用價值巨大。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差動行程增倍機構。不僅成本低，穩定性好。而且大大提高了起吊懸臂的伸縮速度及起吊高度。采用蓄電池提供動力，方便環保，結構簡單緊湊，特別適用于小型起吊裝置。三級差動伸縮懸臂機構的應用為同類產品設計提供了參考。
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本文標題：新型起吊推車三級差動可伸縮式懸臂的設計
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