双齿轮与齿条传动三级货叉结构设计及应用

李向阳，王 俊

（1.南京康尼电气技术有限公司，江苏南京 210023；2.南京农业大学，江苏南京 210095）

0 引言

随着现代化物流业全自动立体仓储系统的广泛应用，对其核心设备——轨道式巷道堆垛机的结构提出了更高的要求。在中小企业和学校培训机构场地空间有限的情况下，通用型货叉因结构复杂，体积庞大，无法满足使用要求。双齿轮与齿条传动的三级货叉结构设计，整体厚度更薄，宽度较窄，小巧灵活，动力驱动采用主动齿轮带动两侧传动齿轮，传动齿轮再带动齿条运动的结构，上叉与下叉的差动采用滑轮和连接钢索结构，中叉移动支撑采用外螺母型轴承和微型万向球，使其结构紧凑，运动可靠，成本低廉。

1 结构组成

本文设计的双齿轮与单根齿条配合传动的三级货叉结构如图1 所示，采用上、中、下三层结构[1]，上叉顶板2 与两侧上叉滑动支架4 加上叉中间支架5 构成上叉基体，微型万向球3 和外螺母型轴承15 固定在上叉滑动支架4 上，钢索7 的固定端固定在上叉中间支架5 上，上叉通过微型万向球3 限制侧向移动，通过外螺母型轴承15 限制上下攒动并在中叉导槽14 内滑动。中叉主要由滑轮支架10，滑轮11，中叉底板12，货叉检测支架13，中叉导槽14 组成，滑轮11 固定在滑轮支架10 中间，滑轮支架10 固定在中叉底板12 两端特定位置，下叉通过齿轮齿条带动中叉移动时，两端的滑轮11 通过钢索7 带动上叉移动。托盘检测支架18，下叉底板19，下叉加强筋20，货叉安装支架，驱动电机，主动齿轮，从动齿轮，货叉限位撞块，撞块支架，钢索调节螺母等构成下叉组件，

2 传动设计与控制原理

2.1 下叉的驱动设计

下叉作为三级货叉的固定组件，驱动电机直接固定在底板上，通过直联主动齿轮带动两侧从动齿轮进行传动。为降低成本和设计难度，驱动齿轮与从动齿轮均采用模数1.5 的标准圆柱齿轮进行选型，其中驱动齿轮齿数Z1=25，从动齿轮齿数Z2=30，根据齿轮分度圆直径d、标准中心距a 和齿距P 的计算公式，计算得出：d1=37.5，d2=45，a=41.25，P=4.71。

齿条选用模数1.5 的标准直齿齿条，若要满足齿条与2 个从动齿轮同时啮合[2]，则要满足Z3=2a/P，式中，Z3是齿条在两从动齿轮的中心距内的齿数，其值为0.5 的倍数。计算得Z3≈17.516，两从动齿轮实际中心距A=P×Z3=82.464，齿轮啮合时的实际中心距a′=41.23，与标准中心距相差约0.02 mm，可忽略不计，最终取Z3=17.5，两从动齿轮与驱动齿轮啮及与齿条满足啮合条件。

当三级货叉取放工装托盘时，齿条固定在中叉底板，与下叉驱动齿轮啮合，齿条向左右任意一方运动，只要不与运行方向的驱动齿轮脱开，都能保证齿条向相反的方向运动，从而使中叉伸出的尽量长。

2.2 驱动原理

图1 双齿轮与单根齿条配合传动三级货叉

双齿轮与齿条传动的三级货叉由上、中、下三部分构成，下叉组件通过货叉安装支架固定在堆垛机立柱的Z 轴上进行上下移动[3]，下叉通过电机驱动齿轮，与两侧的从动齿轮啮合；两侧的从动齿轮再与中叉底部的齿条啮合，驱动中叉左右移动。图1中两根钢索的固定端固定在上叉中间支架两侧，钢索通过中叉两端的滑轮固定在下叉两头，并通过调节螺母张紧。当下叉直接驱中叉移动时，中叉两端的滑轮在张紧力使用下，同时通过钢索驱动上叉移动，由于是通过中叉移动驱动上叉同时移动，下叉与中叉移动速度为1∶1，中叉与上叉移动速度也为1∶1，而中叉相对下叉的移动速度为1∶2，从而实现上叉、中叉与下叉的差速移动，最终实现中叉相对下叉移动距离L，上叉相对下叉移动距离2L。

2.3 控制方式

如图2 所示，三级货叉左右移动及中间回零位控制主要由中叉左到位传感器、中间零位传感器1、中间零件传感器2、中叉右到位传感器、中叉右到位检测块、中间零位检测块、中叉左到位检测块实现。货叉回零位时，中间零位检测块同时要检测到中间零位传感器1 和2，当未检测到中间零位传感器其中的一个时，电机就向未检测到的方向带动中叉移动。当货叉向左或向右伸出时，左右两侧的到位检测块触发到位传感器时电机停止，货叉伸出到位。为防止误动作，在下叉还安装有托盘有无的检测传感器，提高货叉运行的安全性。

3 应用特点

双齿轮与齿条传动的三级货叉与齿轮齿条传动、链条传动等结构的三级货叉相比，具有结构简单紧凑，体积薄而小巧，成本低廉等特点，具体体现在以下3 个方面。

（1）采用双齿轮与齿条传动可以使中叉伸出的更长，减小货叉的长度。

（2）使用滑轮和钢索作为伸缩装置，减小了货叉厚度，本方案三级货叉厚度＜150 mm，节省货架高度方向的空间。

（3）采用标准圆柱齿轮和标准齿轮传动，以及采用万向球和外螺母型轴承作为滑动零件，降低了货叉的制造成本。

图2 双齿轮齿条传动三级货叉控制

4 总结

双齿轮与齿条传动的三级货叉结构简单紧凑，体积薄而小巧，成本低廉，在教学培训和中小企业的自动仓储系统中具有良好的应用前景，目前已用于多个自动化项目的自动仓储系统，使用效果良好，控制简单可靠，维护方便。不足之处是货叉结构较适用于小型堆垛机，取放小型托盘，双齿轮与齿条同时啮合传动，只能选取特定齿数的齿轮或变位齿轮。再者，没有对三级货叉的受力情况进行分析校核，今后将继续深入学习研究。