雙齒輪與齒條傳動三級貨叉結構設計及應用

李向陽，王 俊

（1.南京康尼電氣技術有限公司，江蘇南京 210023；2.南京農業大學，江蘇南京 210095）

0 引言

隨著現代化物流業全自動立體倉儲系統的廣泛應用，對其核心設備——軌道式巷道堆垛機的結構提出了更高的要求。在中小企業和學校培訓機構場地空間有限的情況下，通用型貨叉因結構復雜，體積龐大，無法滿足使用要求。雙齒輪與齒條傳動的三級貨叉結構設計，整體厚度更薄，寬度較窄，小巧靈活，動力驅動采用主動齒輪帶動兩側傳動齒輪，傳動齒輪再帶動齒條運動的結構，上叉與下叉的差動采用滑輪和連接鋼索結構，中叉移動支撐采用外螺母型軸承和微型萬向球，使其結構緊湊，運動可靠，成本低廉。

1 結構組成

本文設計的雙齒輪與單根齒條配合傳動的三級貨叉結構如圖1 所示，采用上、中、下三層結構[1]，上叉頂板2 與兩側上叉滑動支架4 加上叉中間支架5 構成上叉基體，微型萬向球3 和外螺母型軸承15 固定在上叉滑動支架4 上，鋼索7 的固定端固定在上叉中間支架5 上，上叉通過微型萬向球3 限制側向移動，通過外螺母型軸承15 限制上下攢動并在中叉導槽14 內滑動。中叉主要由滑輪支架10，滑輪11，中叉底板12，貨叉檢測支架13，中叉導槽14 組成，滑輪11 固定在滑輪支架10 中間，滑輪支架10 固定在中叉底板12 兩端特定位置，下叉通過齒輪齒條帶動中叉移動時，兩端的滑輪11 通過鋼索7 帶動上叉移動。托盤檢測支架18，下叉底板19，下叉加強筋20，貨叉安裝支架，驅動電機，主動齒輪，從動齒輪，貨叉限位撞塊，撞塊支架，鋼索調節螺母等構成下叉組件，

2 傳動設計與控制原理

2.1 下叉的驅動設計

下叉作為三級貨叉的固定組件，驅動電機直接固定在底板上，通過直聯主動齒輪帶動兩側從動齒輪進行傳動。為降低成本和設計難度，驅動齒輪與從動齒輪均采用模數1.5 的標準圓柱齒輪進行選型，其中驅動齒輪齒數Z1=25，從動齒輪齒數Z2=30，根據齒輪分度圓直徑d、標準中心距a 和齒距P 的計算公式，計算得出：d1=37.5，d2=45，a=41.25，P=4.71。

齒條選用模數1.5 的標準直齒齒條，若要滿足齒條與2 個從動齒輪同時嚙合[2]，則要滿足Z3=2a/P，式中，Z3是齒條在兩從動齒輪的中心距內的齒數，其值為0.5 的倍數。計算得Z3≈17.516，兩從動齒輪實際中心距A=P×Z3=82.464，齒輪嚙合時的實際中心距a′=41.23，與標準中心距相差約0.02 mm，可忽略不計，最終取Z3=17.5，兩從動齒輪與驅動齒輪嚙及與齒條滿足嚙合條件。

當三級貨叉取放工裝托盤時，齒條固定在中叉底板，與下叉驅動齒輪嚙合，齒條向左右任意一方運動，只要不與運行方向的驅動齒輪脫開，都能保證齒條向相反的方向運動，從而使中叉伸出的盡量長。

2.2 驅動原理

圖1 雙齒輪與單根齒條配合傳動三級貨叉

雙齒輪與齒條傳動的三級貨叉由上、中、下三部分構成，下叉組件通過貨叉安裝支架固定在堆垛機立柱的Z 軸上進行上下移動[3]，下叉通過電機驅動齒輪，與兩側的從動齒輪嚙合；兩側的從動齒輪再與中叉底部的齒條嚙合，驅動中叉左右移動。圖1中兩根鋼索的固定端固定在上叉中間支架兩側，鋼索通過中叉兩端的滑輪固定在下叉兩頭，并通過調節螺母張緊。當下叉直接驅中叉移動時，中叉兩端的滑輪在張緊力使用下，同時通過鋼索驅動上叉移動，由于是通過中叉移動驅動上叉同時移動，下叉與中叉移動速度為1∶1，中叉與上叉移動速度也為1∶1，而中叉相對下叉的移動速度為1∶2，從而實現上叉、中叉與下叉的差速移動，最終實現中叉相對下叉移動距離L，上叉相對下叉移動距離2L。

2.3 控制方式

如圖2 所示，三級貨叉左右移動及中間回零位控制主要由中叉左到位傳感器、中間零位傳感器1、中間零件傳感器2、中叉右到位傳感器、中叉右到位檢測塊、中間零位檢測塊、中叉左到位檢測塊實現。貨叉回零位時，中間零位檢測塊同時要檢測到中間零位傳感器1 和2，當未檢測到中間零位傳感器其中的一個時，電機就向未檢測到的方向帶動中叉移動。當貨叉向左或向右伸出時，左右兩側的到位檢測塊觸發到位傳感器時電機停止，貨叉伸出到位。為防止誤動作，在下叉還安裝有托盤有無的檢測傳感器，提高貨叉運行的安全性。

3 應用特點

雙齒輪與齒條傳動的三級貨叉與齒輪齒條傳動、鏈條傳動等結構的三級貨叉相比，具有結構簡單緊湊，體積薄而小巧，成本低廉等特點，具體體現在以下3 個方面。

（1）采用雙齒輪與齒條傳動可以使中叉伸出的更長，減小貨叉的長度。

（2）使用滑輪和鋼索作為伸縮裝置，減小了貨叉厚度，本方案三級貨叉厚度＜150 mm，節省貨架高度方向的空間。

（3）采用標準圓柱齒輪和標準齒輪傳動，以及采用萬向球和外螺母型軸承作為滑動零件，降低了貨叉的制造成本。

圖2 雙齒輪齒條傳動三級貨叉控制

4 總結

雙齒輪與齒條傳動的三級貨叉結構簡單緊湊，體積薄而小巧，成本低廉，在教學培訓和中小企業的自動倉儲系統中具有良好的應用前景，目前已用于多個自動化項目的自動倉儲系統，使用效果良好，控制簡單可靠，維護方便。不足之處是貨叉結構較適用于小型堆垛機，取放小型托盤，雙齒輪與齒條同時嚙合傳動，只能選取特定齒數的齒輪或變位齒輪。再者，沒有對三級貨叉的受力情況進行分析校核，今后將繼續深入學習研究。