0 引言
物流现状：货物批发市场，瓜果蔬菜基地、物流站等一些装载货物的场所，必然需要使用起吊设备和搬运设备，设备的使用极大地减轻了人们的劳动强度，提高了物流运作效率和服务质量，降低了物流成本，极大地促进了物流的快速发展。目前的起吊装置主要有吊车、行车、铲车等，此类产品的优点是起吊质量大。可用于大型或重型货物起吊。但是对于小型物流场所较轻货物(150kg以下)的搬运设备较少，主要还是人工装载，劳动强度大，且易发生安全事故。
发展趋势：随着现代物流的发展。对于适用于小空间，较轻货物运载的物流设备需求量增大，作为其物质基础表现出了以下方面的发展趋势。
1)实用化：对于较轻货物场合使用，工作并不很繁重，因此应实用、易维护、易操作。
2)轻型化：这类设备批量较大、用途广。为了提高利用率，设备应轻型、易携带。
3)绿色化：“绿色”就是要达到环保要求，要有效利用能源，减少污染排放，使用清洁能源及新型动力。
因此为实现较轻货物简易起吊，顺应物流发展趋势，开发了一款新型的物流装载运输设备一起吊推车。
设计目标：新型起吊推车主要机械动作是在狭小空间内可搬运货物，利用起吊悬臂起吊装运较轻货物(150 kg以下)。其中，起吊悬臂设计的难度最大，主要为：1)为使货物在货运车辆上摆放整齐、稳定可靠，悬臂伸出的行程应足够。2)为了适用于狭小空间，吊臂结构不宜复杂庞大，在满足刚度要求下，结构应尽可能紧凑。3)为了方便随车携带，整机可折叠，悬臂可伸缩，吊臂伸缩机构的原动机应尽可能质量轻，体积小。4)为使悬臂起吊搬运动作灵活可靠，悬臂伸缩机构应尽可能减小摩擦阻力，提高效率。
因此。起吊悬臂设计方案是以齿轮齿条为基础的三级差动伸缩机构，蓄电池电机驱动，实现了实用化、轻型化、绿色化、节能环保的目标。
1 工作原理
起吊推车主要由可伸缩起吊臂和自由推车铰接组成．如图1所示。自由推车由倾斜一定角度的支撑架2、三角形的后轮支架1和左右扶手10组成。支撑架前下端装有一个定向轮3，前端合适部位装有可调整高度的滑套4，滑套上装有圆锥滚子5以减少摩擦力。起吊悬臂7采用电机驱动，悬臂与支撑架之间采用俯仰调整机构6，可以调整悬臂角度，并利用卷筒钢丝绳系统8起吊货物。起吊臂利用齿轮齿条，实现起吊臂的差动伸缩。
图1 起吊推车结构示意图
1.1 齿轮齿条直线差动机构的工作原理
如图2所示为1个滚动齿轮与2个齿条组成的差动机构，从动齿条2在滚动齿轮3的上方，根据相对运动原理，滚动齿轮与固定齿条的节点为二者的速度瞬心，当滚动齿轮相对于固定齿条1滚动时。从动齿条2将沿滚动齿轮中心运动方向。以滚动齿轮中心2倍的速度平行移动，这样，就形成了从动齿条2相对于滚动齿轮中心速度与行程的增倍机构．为满足起吊推车悬臂伸缩的动作要求提供了保障。
图2 齿轮齿条差动机构
l.2 三级差动伸缩起吊悬臂的组成和工作原理
为了满足起吊推车起吊悬臂的伸缩行程要求，仅采用双层齿轮齿条差动机构使行程增倍是不够的，还必须实现三节臂的行程增倍直线差动，因此设计中还增加了同步齿形带。
三级差动伸缩的起吊悬臂(图3)，由固定齿条箱l(一节臂)、中滑板5(二节臂)、移动齿条板8(三节臂)组成。固定齿条箱1铰接在支撑架上部，中滑板5右端装有后齿轮3，后齿轮3由微型直流减速电机驱动．与固定齿条箱1中的齿条2啮合。中滑板5左端装有前齿轮6，前齿轮6与固定于移动齿条板8上的齿条9啮合。后带轮4和后齿轮3同轴，前带轮7和前齿轮6同轴，两者通过同步齿形带传动。
图3 三级差动伸缩起吊悬臂原理图
左扶手下装有悬臂伸缩触点开关，直接控制电动机转动。当微型直流减速电机驱动后，后齿轮3转动，通过后齿轮3与固定齿条箱4中的齿条2啮合传动，使后齿轮3、前齿轮6和固定在两齿轮上的中滑板5一起向左移动，使中滑板5伸出。同时，与后齿轮同轴的后带轮4转动后，通过同步齿形带驱动前带轮7与后带轮4同速同向转动，即与前带轮7同轴的前齿轮6转动，前齿轮6与固定于移动齿条板8上的齿条9啮合传动，带动移动齿条板8相对中滑板5向左移动伸出。
与齿轮齿条传动时。速度、行程增倍原理相同，当中滑板5水平移动时，通过同步带传动，移动齿条板8将沿滚动齿轮(后齿轮)3中心运动相同的方向，以滚动齿轮(后齿轮)3中心两倍的速度平行移动。这样，当直流电机驱动滚动齿轮3水平行走一个长度行程时，即此时中滑板5水平移动1个长度行程：而同时移动齿条板8相对中滑板5水平移动1个长度行程。即相对固定齿条箱1水平移动了2个长度行程。最终满足了吊臂三级伸缩的行程动作要求。同时，为了最大限度的缩小吊臂机构的结构尺寸，在满足速度及功率的基础上，选用微型直流减速电机，其体积小，可提供较大转矩。
本装置的设计利用齿轮齿条机构和同步带传动，实现固定齿条箱1、中滑板5、移动齿条板8三级直线差动伸缩运动。
1.3 三级差动伸缩起吊悬臂结构特点
在三节臂的全部行程中。二节臂相对一节臂行走1个行程；三节臂相对二节臂行走1个行程，每段节臂之间均有合适的导向接触面长度，保证三节臂伸出时的相对刚度要求。同时，节臂为套筒式伸缩结构，三段节臂相对运动时，采用了滚轮与滚道的纯滚动摩擦，最大限度地减小了工作摩擦阻力，间接保障了机构的运动精度和运动灵活性。三级差动伸缩起吊悬臂采用了齿轮齿条组成的三级差动行程增倍机构．在保证基本尺寸不增加的基础上，大大提高了起吊悬臂的伸缩速度及起吊高度。
2 三级差动伸缩起吊悬臂优势
2.1 齿轮齿条伸缩装置
如图4所示，固定节臂1上安装有固定齿条和原动机一双向液压缸3，在液压缸活塞杆端安装2个可转动的滚动齿轮4，滚动齿轮4上方设置有固定在中层节臂5上的从动齿条，中间节臂端设置有2个可转的链轮。
图4 原理示意图
2.2 起吊悬臂三级差动伸缩装置优势
与目前使用的齿轮齿条伸缩装置相比较，三级差动伸缩起吊装置有以下优势：
1)采用电机驱动，方便环保。
已有的轮齿齿条伸缩装置为液压驱动．虽然液压驱动的推力大、体积小、调速方便，但系统成本高，可靠性差，不易维修保养，主要用于货叉等起重质量较大的机械中，而本悬臂伸缩装置是应用于起重质量相对较小(<150 kg)的起吊推车上，采用电机驱动，效率更高，成本更低。为了方便随车携带，扩大使用范围，设计采用蓄电池提供动力，使用方便，更加环保，符合物流设备绿色化的发展趋势。
2)采用同步齿形带，结构简单紧凑。
已有的齿轮齿条伸缩机构采用链传动．瞬时转速和瞬时传动比不是常数，传动的平稳性较差，有一定的冲击和噪声。装置设计时为了实现速度与行程翻倍，采用了齿轮齿条组成的直线差动行程增倍机构和同步齿形带传动。同步带传动为同步带齿与同步带轮齿之间的啮合实现传动。两者无相对滑动、传动比恒定、结构紧凑、带薄而轻、相对质量小、抗拉强度高，且效率高达98％。因此，本伸缩装置更适用于起吊推车满足实用化、轻型化的要求。
3)采用同步伸缩方式，成本低，效率高。
吊臂伸缩机构的伸缩方式为同步伸缩，各节臂以相同的相对速度进行伸缩。同步伸缩机构与顺序伸缩机构性能对比如表1所示。采用同步伸缩方式更满足起吊推车高效率、低成本、稳定性好的综合要求。
表1 同步伸缩机构与顺序伸缩机构性能对比
3 建模
Creo是一款整合了PTC公司的3个软件Pm／Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和Product．View的三维可视化技术的新型CAD设计软件包，具备互操作性、开放、易用3大特点，能够为用户设计出富有创意的三维产品。Creo 2．0是目前工作中最优秀的2D和3DCAD软件。
设计采用CreoParametric2．0进行虚拟设计与三维建模，对伸缩悬臂进行建模采用自底向上的方式进行．即先依据相关零部件的结构和尺寸建立起三维模型，再进行装配体建模，按照各零部件之间的装配以及约束关系逐个进行组装，完成伸缩悬臂的装配，可以通过Creo装配模式下的分析模块的全局干涉命令，对悬臂整体进行静态干涉检查，确认无干涉，如图5所示。悬臂仿真数据可以与其他CAD系统数据共享，建模完成后可以利用CreoSimu1ate2．0模块对吊臂进行静态有限元分析与优化设计研究，也可以将建好的模型导人ANSYS软件进行有限元分析。
图5 三维仿真图
4 结语
随着现代物流的发展，对于适用于小空间，较轻货物运载的物流设备需求量在急剧增大。新型起吊推车既能推送货物，也可装卸货物。并能将货物整齐地码放在货车上，结构简单，操作方便，便于携带，能在狭小的场地使用，实用价值巨大。伸缩悬臂的伸缩方式为同步伸缩，采用了齿轮齿条组成的三级差动行程增倍机构。不仅成本低，稳定性好。而且大大提高了起吊悬臂的伸缩速度及起吊高度。采用蓄电池提供动力，方便环保，结构简单紧凑，特别适用于小型起吊装置。三级差动伸缩悬臂机构的应用为同类产品设计提供了参考。
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本文标题：新型起吊推车三级差动可伸缩式悬臂的设计
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