【文章內(nèi)容簡介】 強對電動叉車的結(jié)構(gòu)、功能進行了解掌握。通過對變速器的設(shè)計和校核，可以加強對變速器的密封、潤滑和齒輪的設(shè)計等方面進行掌握，通過對升降油缸的設(shè)計，可以對液壓系統(tǒng)的工作原理和油缸的工作狀態(tài) 等方面進行理解掌握，通過對貨叉的設(shè)計校核，掌握貨叉的材料、結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)等方面的知識。運用 Pro/E 軟件完成電動叉車的整車造型和運動仿真，利用 ANSYS 軟件對貨叉部分關(guān)鍵零件進行有限元分析，提高對軟件運用的熟練程度。 在電動叉車產(chǎn)品設(shè)計中運用了 AutoCAD、 Pro/E、 ANSYS 等軟件，能夠加強對這些軟件的掌握程度，對產(chǎn)品進行模擬仿真、關(guān)鍵零件進行有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計缺陷，完善設(shè)計方案，縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量和效率。 通過對本課題的研究能夠使學生了解叉車總成部件設(shè)計校核的方法，使學生可以完成專 業(yè)課程的實踐總結(jié)，掌握一種流行的設(shè)計方法和軟件，獲得一定的工程設(shè)計工作方法。 運用計算機仿真技術(shù)對電動叉車進行虛擬設(shè)計，在產(chǎn)品制造之前就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計缺陷，完善設(shè)計方案，縮短開發(fā)周期，提高設(shè)計質(zhì)量和效率，為生產(chǎn)實際提供理論支持。 課題的研究現(xiàn)狀 叉車是一種以貨叉為標準取物裝置，通常能將貨物起升 3 米左右的特殊車輛。叉車的機體緊湊，軸距較短，轉(zhuǎn)向靈活，能在狹窄的場地和通道內(nèi)作業(yè)，能通過比較低矮的艙門；貨物的升降采用液壓操控，使操作簡單，動作平穩(wěn)；在采用貨叉搬運成件貨物時自身具有裝卸功能。因此廣泛地利用于車間 、倉庫、港口、車站等場所，進行裝卸、堆垛、拆垛和極短距離的搬運。叉車對于實現(xiàn)裝卸搬運作業(yè)的機械化，提高勞動生產(chǎn)率非常重要，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的重要裝備。電動叉車是以電力直流或交流為動 2 力實施裝卸、起重、搬運、堆垛作業(yè)的車輛。八十年以來 , 由于電動叉車具有易操作、作業(yè)靈活、安全、動力利用率高、噪聲小 , 對環(huán)境污染小等優(yōu)點 , 更適合于工礦企業(yè)作搬運機械使用 , 因而倍受人們重視 , 得到了迅速發(fā)展。 國外發(fā)達國家的叉車行業(yè)在技術(shù)方面基礎(chǔ)穩(wěn)固， 外部環(huán)境中包括原材料、化工、液壓、電子元器件等基礎(chǔ)工業(yè)水平 高，自主研發(fā)能力強，特 別在電動叉車方面，國外叉車行業(yè)在外觀造型和表面處理，人機工程，電器系統(tǒng)，制動系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向的能力特別強。 國外著名叉車公司都生產(chǎn)全系列的電動叉車，包括三支點和四支點平衡重式叉車、前移式叉車、揀選車、三向堆垛機和托盤搬運車等；并投入大量的人力、財力于電動叉車的研發(fā)，使之成為現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品。國外市場特別是歐美發(fā)達國家，由于受環(huán)保法規(guī)影響，電動叉車占到保有量的 50%～ 60%，而我國目前的保有量約占15%～ 20%，有著廣闊的市場前景 。 中國 叉車 產(chǎn)業(yè)是伴隨著中國經(jīng)濟的增長而同步成長起來的，促使中國 叉車 行業(yè)快速壯大的主 要因素有經(jīng)濟增長和社會進步所帶來的旺盛市場需求 ， 對外開放所帶來的技術(shù)和管理能力的提升 ， 充分競爭環(huán)境下本土企業(yè)競爭能力不斷提高 。在我國以安徽叉車集團公司、杭叉集團股份、大連叉車股份公司為首的國內(nèi)叉車行業(yè)蓬勃發(fā)展，隨著一拖、柳工、廈工、山推等著名企業(yè)的加入，伴隨當今的改制、兼并和許多外資企業(yè)及私營企業(yè)股份制的加盟，使我國叉車行業(yè)進入新的春秋戰(zhàn)國時期。 雖然內(nèi)燃叉車應占據(jù)國內(nèi)叉車市場的主導地位，但隨著企業(yè)環(huán)保意識逐漸增強，可靠性更高的電動叉車得到了越來越多的企業(yè)青睞。 電動叉車是以直流電源 (電瓶 )為動力的裝卸及搬運車 輛 ，其 電動平衡叉車產(chǎn)品外形大多采用了流線型設(shè)計，造型更加美觀 。我國電動叉車需求逐年上升，但技術(shù)落后，外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)大部分市場份額。 未來幾年，中國將繼續(xù)采取積極的宏觀經(jīng)濟政策，以保持經(jīng)濟平穩(wěn)較快增長。在宏觀經(jīng)濟全面恢復的背景下，國家的經(jīng)濟總量在穩(wěn)步提高；工業(yè)化程度在不斷加深；物流業(yè)呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢；全社會的固定資產(chǎn)投資將持續(xù)保持在較高水平。這些，都為 叉車 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了更為廣闊的市場空間。宏觀經(jīng)濟因素將保證 叉車 行業(yè)在未來穩(wěn)步前行。 Pro/E 軟件和 ANSYS 軟件是本次設(shè)計所用的關(guān)鍵的兩個軟件，因為他們有各 自的優(yōu)勢和特點。 Pro/E 操作 軟件 是美國參數(shù)技術(shù)公司旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。 Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位， Pro/E 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E 采 用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使 3 用。 ANSYS 軟件是美國 ANSYS 公司研制的大型有限元分析軟件，它是世界范圍內(nèi)增長最快的 CAE 軟件，能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學科的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物制藥、輕工、地礦等領(lǐng)域有著廣泛的應用。 ANSYS 的功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在它已成為國際最流行的有限元分析軟件。目前，中國 100 多所理工院校采用 ANSYS 軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。 本設(shè)計需利用 AutoCAD 軟件完成叉車變速器二維結(jié)構(gòu)設(shè)計、貨叉部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行校核計算，結(jié)合叉車的造型設(shè)計現(xiàn)狀，利用 Pro/E 軟件完成整車的造型設(shè)計，利用 ANSYS 軟件對貨叉部分關(guān)鍵零件進行有限元分析。 研究內(nèi)容 設(shè)計主要內(nèi)容 （ 1）叉車總體方案設(shè)計及校核； （ 2）利用 AutoCAD 軟件完成叉車變速器、貨叉設(shè)計及校核； (3) 利用 Pro/E 軟件完 成 貨叉三維建模及 整車三維造型； （ 4）利用 ANSYS 軟件對貨叉部分 關(guān)鍵零部件進行強度、剛度及穩(wěn)定 性校核。 擬解決的主要問題 （ 1）叉車變速器、 叉車貨叉的設(shè)計及校核； （ 2）叉車變速器、貨叉二維總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 及校核 ； （ 3）貨叉 三維建模、 整車三維造型 、關(guān)鍵零件的有限元分析 。 課題的 研究方法 研究所采用的技術(shù)路線如圖 11技術(shù)路線圖所示 。 4 圖 11技術(shù)路線圖 Auto CAD 叉車變速器器、升降油缸、貨叉的設(shè)計、校核 Pro/E 三維實體建模 Ansys 關(guān)鍵零件分析 Pro/E 整機裝配及干涉檢查 是否合理 N Y 是否合理 N Y 叉車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 調(diào)研、收集資料及總體方案論證 關(guān)鍵零部件和仿真的結(jié)論分析 撰寫設(shè)計說明書 5 第 2章 叉車變速器的設(shè)計及校核 蓄電池的選擇 電動叉車是指以電來進行作業(yè)的叉車，大多數(shù)都是為 蓄電池 工作。而蓄電池是電池中的一種， 蓄電池是一種能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置，充電時，將電能轉(zhuǎn)換為化學能，加以儲存，放電時化學能轉(zhuǎn)換成電能，輸送給電動機。 蓄電池由正、負電極和電解液組成，蓄電池分為酸性蓄電池和堿性蓄電池，實用的酸性蓄電池有鉛蓄電池，以硫酸為電解液。堿性蓄電池由于需要貴重金屬，成本較高，目前很少用作叉車的能源。我國叉車主要用鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池正極板上是活性物質(zhì)氧化鉛，負極板上的活性物質(zhì)是海綿狀的純鉛，電解液是稀硫酸溶液。 蓄電池的主要性能參數(shù)為電壓和 容量，蓄電池在指定的放電條件下所放出的電量稱為容量 Q,其單位為 A h，蓄電池的容量與放電電流及電解液的溫度有關(guān)，還與充電電流、電解液的相對密度和純度有關(guān)。 牽引用的蓄電池工作特點是：持續(xù)放電時間長，放電電流比較均勻，不能隨時充電。為了不使叉車一次停車充電或更換蓄電池后有較長的使用時間，要求這種蓄電池有較大的電容量。 蓄電池組的額定電壓由叉車的起重量選擇決定，起重量為 1～ 2 噸的電動叉車一般選用額定電壓為 48v，每個蓄電池 2v 的電壓，有 12 個電池組成。 對于電動叉車，所有的電機使用同一個電池組，可由下式折算所需 要的功率 ： P= ? ?WJC ?1Pw+PJC ?pP=54KW （ ） 式中 ： wP pP —— 分別為運行電動機和油泵電動機功率 ； w? p? —— 分別為運行電動機和油泵電動機效率 ； JC —— 油泵電動機的工 作持續(xù)率，即叉車一個作業(yè)循環(huán)中，油泵電動機工作持續(xù)時間與叉車工作循環(huán)時間的比值。 已知所需功率，則蓄電池組容量按下式求出： Q= UT .90P =375A h （ ） 式中 ： T—— 每作業(yè)班內(nèi)車輛的凈工作時間 ； U—— 蓄電池組的額定電壓 ； 6 —— 考慮蓄電池放電時電壓降低系數(shù) 。 已知蓄電池組容量，通過查表可以選出蓄電池組的型號為 DG400，容量為 400A h滿足使用要求。 行走電機的選擇 行走電機驅(qū)動傳 動系統(tǒng)最終向車輪提供驅(qū)動力矩， 叉車上驅(qū)動行走機構(gòu)的電動機，稱為牽引電動機，經(jīng)常采用直流串勵電動機。這是由于串勵電動機具有軟的機械特性，能適應車輛的運行要求，且比較經(jīng)濟。這種電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，電樞電流增大時，磁極的磁通也增加，電動機的轉(zhuǎn)矩不僅由于電動機電樞電流增加而提高，同時也由于磁通的增大而提高，在磁極磁通未飽和的情況下，電動機的轉(zhuǎn)矩幾乎和電樞電流的平方成正比。因此，可在電樞電流較小的情況下獲得較大的轉(zhuǎn)矩。這對減小蓄電池的放電電流，充分利用蓄電池的容量，也有好處。直流串勵電動機用于車輛牽引的優(yōu) 點有：可以帶載啟動，傳動系統(tǒng)無需離合器；能正反轉(zhuǎn)，無需倒檔，具有自動適應阻力變化的趨勢；力矩變化倍數(shù)大于電流變化的倍數(shù)，對保護蓄電池、延長其使用壽命有利；與液力傳動相比，在不同轉(zhuǎn)速下高效區(qū)寬。 行走電機的功率計算 。 滿載運行功率： MP =TU?3600gm f maxa = （ ） 式中 ： f—— 滾動阻力系數(shù)， f=； 總質(zhì)量： ma=4500Kg； 最高車 速： maxaU =11Km/h； T? —— 傳動效率，取 。 功率 ： eP =（ ～ 2） MP =～ （ ） 原因是上坡時功率增加 ， 取功率 eP =5KW。 通過查資料選取電機規(guī)格為： XQ51。 電機的基本 參數(shù)如下表 21 電機的基本參數(shù) 。 表 21 電機的基本參數(shù) 規(guī)格 額定功率 額定電壓 額定電流 額定轉(zhuǎn)速 XQ51 5(KW) 45(V) 139(A) 1480(r/min) 勵磁方式 定額 重量 最高工作轉(zhuǎn)速 電機轉(zhuǎn)向 7 串 60min 95kg 3200(r/min) 雙向 基本數(shù)據(jù)的選擇設(shè)計 變速器齒輪的設(shè)計及校核 （ 1）設(shè)計的初始數(shù)據(jù) 最高車速： maxaU =11Km/h； 行走電機功率： maxeP =5KW； 額定轉(zhuǎn)速： en =1480 r/min； 最大爬坡度： max? =18%=； 總質(zhì)量： ma=4500Kg； 前車輪： ； 滾動半徑 r=295mm。 （ 2）變速器各檔傳動比的確定 ① 一檔傳動比 1gi =～ 選擇一檔傳動比 1gi = 電動機轉(zhuǎn)矩 ： maxeT =eemaxnp9550 = N. m （ ） 式中： maxeP —— 行走電機功率 ； en —— 額定轉(zhuǎn)速 。 ② 主減速器傳動比 ： ?0i ? ?TiTfr ?1gem axm axam ?? = （ ） 式中： en —— 額定轉(zhuǎn)速 ； max? —— 最大爬坡度 ； maxeT —— 電動機轉(zhuǎn)矩 ； 1gi —— 一檔傳動比 ； 8 T? —— 傳動效率，取 ； ma—— 總質(zhì)量 ； r—— 滾動半徑 。 ③ 二檔傳動比 ： 2gi =0maxe iUrn? = （ ） 式中： maxaU —— 最高車速 ； en —— 額定轉(zhuǎn)速 ； r—— 滾動半徑 ； 0i —— 主減速器傳動比 ； ? —— 限速影響系數(shù) ? =。 ④ 由于2gg1ii =，傳動比相差較小，換擋平穩(wěn)沖擊小，采用斜齒輪同步器換擋，換擋更加平穩(wěn)。由于行走電動機可以雙向轉(zhuǎn)動，故可以不在變速器上設(shè)置倒檔。 變速器的傳動路線示意圖如圖 22 變速器傳動路線示意圖 。 圖 22 變速器傳動路線示意圖 （ 3）變速器中心距的確定 初選中心距時，可根據(jù)下述經(jīng)驗公式 ： 9 32gm a xiTKA e?= （ ） 式中： A — 變速器中心距（ mm）； K — 中心距系數(shù)， 取 K =17； maxeT —— 電動機轉(zhuǎn)矩 ； 2gi —— 二檔傳動比 。 初選中心距 A =60mm， 對中心距系數(shù) K 進行修正 ： 3 2gm a xiTAK e?= （ ） 齒輪參數(shù) ： ① 模數(shù) 初選模數(shù)時，可參考同類汽車的齒輪模數(shù)確定，也可根據(jù)經(jīng)驗公式： 斜齒輪法向模數(shù) ： 3n 10/T em axKm ? = （ ） 設(shè)計斜齒輪法向模數(shù) nm =3 。 ② 壓力角 ? 國家規(guī)定的標準壓力角為 20176。 ，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為 20176。 。 ③ 螺旋角 ? 初選斜齒輪齒輪螺旋角為 20176。 。 ④ 齒寬 b 對于斜齒輪 ncmkb? ， ck 取為 ～ ，取 ， 齒寬 b=7 3=21。 ⑤ 齒頂高系數(shù) 在齒輪加工精度提高以后，包括我國在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為 。 齒頂高 a1d = a2d = a3d = a4d =3； 齒根高 h1d = h2d = h3d = h4d =3。 （ 4）確定齒輪的齒數(shù) 10 齒數(shù)和 ： ncos2 mAZh ?? = （ ） 式中： A —— 變速器中心距（ mm） ； nm —— 斜齒輪法向模數(shù) =3 ； ? —— 螺旋角 。 螺旋角修正值 ： ? = AZ2marccos nh =176。 （ ） 取齒數(shù)和 ： hZ =38 由公式 ： 121g ZZi ? = hZ = 1Z + 2Z =38 可求得 1Z =20 取齒數(shù) 1Z =20。 2Z =18 2Z =18 由公式 ： 342g ZZi ? = hZ = 3Z + 4Z =38 可求得 3Z = 取齒數(shù) 1Z =17 4Z = 2Z =21。 分度圓直徑： ?cosm 1n1 zd ? = ?cosm 2n2 zd ?= 11 ?cosm 3n3 zd?= ?cosm 4n4 zd ?= 變位系數(shù) ： 通過查機械設(shè)計手冊由手冊表的變位系數(shù)： 1X = 2X = 3X = 4X = 各齒輪參數(shù)如下表： 表 23 齒輪參數(shù) 齒輪 齒數(shù) 分度圓直徑 變位系數(shù) 齒頂高 1 20 2 18 3 17 4 21 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 節(jié)圓直徑 螺旋角 60 176。 54 176。 51 176。 63 176。 （ 5） 變速器齒輪的校核 齒輪壞損形式及避免錯失 變速器齒輪的損壞形式主要有三種：齒輪折斷、齒面點蝕、齒面膠合。 ① 齒輪折斷 齒輪在嚙合過程中，輪齒表面承受有集中載荷的作用?？梢园演嘄X看作懸臂梁，輪齒根部彎曲應力很大，過渡圓角處又有應力集中，故輪齒根部很容易發(fā)生斷裂。齒輪 折斷有兩種情況，一種是齒輪受到足夠大的突然載荷的沖擊作用，導致齒輪斷裂，這種破壞的斷面為粗粒狀。另一種是受到多次重復載荷的作用，齒根受拉面的最大