3噸叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計【說明書+CAD】
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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
3噸叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計
The DESIGN of THE STEERING SYSTEM of A CIRCLE TYPE 3TON FORKLIFT
學(xué)生姓名： 曾 俊
學(xué) 號：200940614422
年級專業(yè)及班級：2009級機制（4）班
指導(dǎo)老師及職稱：楊文敏 教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013 年 5 月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………2
2 叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………2
2.1設(shè)計要求…………………………………………………………2
2. 2基本參數(shù)………………………………………………………………………2
3 方案的擬定 ……………………………………………………………………2
3．1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型……………………………………………………………………2
3.2具體方案的初選 ………………………………………………………3
3.3最大內(nèi)輪轉(zhuǎn)角……………………………………………………………………4
3.4 轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)……………………………………………………………………5
4 叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………………5
4.1轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計 ……………………………………………………………5
4.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………8
4.3轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計計算及強度校核……………………………………………19
4.4軸承的選擇和計算…………………………………………………………26
5結(jié)束語………………………………………………………30
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………30
致謝……………………………………………………………………………31
3噸叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計
學(xué) 生：曾 俊
指導(dǎo)老師：楊文敏
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128
摘 要： 現(xiàn)代叉車技術(shù)發(fā)展的主要趨勢是充分考慮舒適性，安全可靠性和可維護(hù)性，產(chǎn)品專業(yè)化，系列多樣化，大量應(yīng)用新技術(shù)，完善操控系統(tǒng)，重視節(jié)能和環(huán)保，全面提升產(chǎn)品性能和品質(zhì)。
本畢業(yè)設(shè)計要求設(shè)計3噸叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選擇、設(shè)計計算以及轉(zhuǎn)向橋設(shè)計等，通過此次畢業(yè)設(shè)計，要求我們畢業(yè)生對叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計，技術(shù)要求等有了一定的了解和掌握。
關(guān)鍵字：叉車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；設(shè)計；技術(shù)要求。
The Design of The Steering System of A Circle Type 3 Ton Forklift
Student：Zeng jun
Tutor: Yang Wenmin
College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China
Abstract: The major trend of modern technology development of the fork truck is to be fully in consideration ,of the friendly operation, the reliability, the safety, the goodmaintenance, the specialization, the series, and the diversificat , and to adopt new technology , to improve steering system , and to focuson energy saving and environmentprotection in order to promote the truck’s capacity and quality.
The topic of this graduation design is the steering system of a circle type 3 ton forklift. Through this graduation design, the graduations should acquaint the steering system design of forklift, the process of manufacturing craft process, technical requirements etc, in some extent.
Keywords: forklift, steering system, design, technical requirements
1 前言
工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的各種輪式搬運車輛。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC110稱為工業(yè)車輛[1]。
適用范圍：
工業(yè)搬運車輛廣泛應(yīng)用于港口、車站、機場、貨場、工廠車間、倉庫、流通中心和配送中心等，并可進(jìn)入船艙、車廂和集裝箱內(nèi)進(jìn)行托盤貨物的裝卸、搬運作業(yè)。是托盤運輸、集裝箱運輸必不可少的設(shè)備[2]。
叉車在企業(yè)的物流系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色，是物料搬運設(shè)備中的主力軍。廣泛應(yīng)用于車站、港口、機場、工廠、倉庫等國民經(jīng)濟各部門，是機械化裝卸、堆垛和短距離運輸高效設(shè)備。自行式叉車出現(xiàn)于1917年。第二次世界大戰(zhàn)期間，叉車得到發(fā)展。中國從20世紀(jì)50年代初開始制造叉車。特別是隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大部分企業(yè)的物料搬運已經(jīng)脫離了原始人工搬運，取而代之是以叉車為主的機械化搬運。因此，在過去的幾年中，中國叉車市場的需求量每年都以兩位數(shù)的速度增長[3]。
液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) .其中屬于轉(zhuǎn)向加力裝置的部件是：轉(zhuǎn)向液壓泵、轉(zhuǎn)向油管、轉(zhuǎn)向油罐 以及位于整體式轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥及轉(zhuǎn)向動力缸等。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，通過機械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向橫拉桿移動，并帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而改變汽車的行駛方向。與此同時，轉(zhuǎn)向器輸入軸還帶動轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的轉(zhuǎn)向控制閥轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)向動力缸產(chǎn)生液壓作用力，幫助駕駛員轉(zhuǎn)向操作。由于有轉(zhuǎn)向加力裝置的作用，駕駛員只需比采用機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時小得多的轉(zhuǎn)向力矩，就能使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。
優(yōu)缺點：能耗較高,尤其時低速轉(zhuǎn)彎的時候，覺得方向比較沉，發(fā)動機也比較費力氣。又由于液壓泵的壓力很大，也比較容易損害助力系統(tǒng)。
平衡叉車都采用后輪轉(zhuǎn)向，且工作范圍小，轉(zhuǎn)向運動頻繁。采用機械轉(zhuǎn)向， 駕駛員工作強度會很高。如果采用液壓動力轉(zhuǎn)向，勞動強度會降低。因此，現(xiàn)在市場上銷售的叉車基本上實現(xiàn)了動力轉(zhuǎn)向。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛的安全行駛的核心系統(tǒng)之一,其性能關(guān)系到車輛和人身安全。他能改變叉車的行駛方向，在駕駛員的控制下，根據(jù)作業(yè)需要靈活地改變行駛方向，也能保持叉車的直線行駛狀態(tài)，不跑偏，不發(fā)生蛇形和振擺[4]。
總之，一個叉車離不開轉(zhuǎn)向它的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的支持，只有在各個叉車系統(tǒng)的共同作用下才能夠正常運行，完成叉車作業(yè)。
2 叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
2.1設(shè)計要求
本畢業(yè)設(shè)計要求設(shè)計3噸叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向機構(gòu)的選擇、設(shè)計計算以及轉(zhuǎn)向橋設(shè)計等。
2.2基本參數(shù)
(1)額定起重量Q=3t
(2)載荷中心距 C=500mm
(3)最大起升高度=3000mm
(4)自由提升高度H=155mm
(5)滿載行駛速度=13.5km/h
3 方案的擬定
3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型
根據(jù)其動力來源分為液壓助動式動力轉(zhuǎn)向，全液壓式動力轉(zhuǎn)向和機械式人為轉(zhuǎn)向。
3.1.1 液壓助力式
其優(yōu)點是即不斷開原機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，又有液壓動力轉(zhuǎn)向輕便靈活的優(yōu)勢，在液壓系統(tǒng)狀態(tài)下仍能可靠的轉(zhuǎn)向。但由于現(xiàn)在曲柄滑塊橫置液壓缸式轉(zhuǎn)向橋的普及，已經(jīng)很少采用。
3.1.2 全液壓式
其優(yōu)點是轉(zhuǎn)向輕便，靈活，油管布置方便，再加上曲柄滑塊置液壓缸式轉(zhuǎn)向橋的普及，現(xiàn)在即使在中，小噸位總也得到廣泛應(yīng)用。
3.1.3 機械式
可用于小噸位叉車上，轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操作機構(gòu)、機械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三部分組成。
3.2 具體方案的初選
3.2.1 選型
(1)機構(gòu)類型
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)決定了叉車的機動性能，過去叉車多采用交叉式雙梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)，現(xiàn)在大部分叉車采用曲柄滑塊式橫置油缸式轉(zhuǎn)向機構(gòu)。
(2)操縱方式
大噸位叉車采用助力或全液壓式轉(zhuǎn)向操作方式，中小噸位的叉車可采用機械式轉(zhuǎn)向操縱方式，但由于叉車的轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向操作的幅度和強度大，作業(yè)過程中操作頻繁，為了方便操作，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏性，降低司機的勞動強度，隨著曲柄滑塊式橫置油缸轉(zhuǎn)向橋的普及，現(xiàn)在越來越多的中小噸位叉車業(yè)采用全液壓式轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)了。
3.2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體選擇
據(jù)現(xiàn)在的形勢，采用全液壓式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)為曲柄滑塊式。這是一種新型轉(zhuǎn)向機構(gòu)，自上世紀(jì)以來八十年代初在國內(nèi)備采用，又稱橫置油缸式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，由于其轉(zhuǎn)向機構(gòu)性能優(yōu)良，轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)緊湊，等特點，近年來叉車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，這種轉(zhuǎn)向機構(gòu)很適用于叉車。
其特點又如下：
（1）油缸橫置,機構(gòu)緊湊，各件較少，轉(zhuǎn)向橋獨立，油缸只通過軟管于液壓系統(tǒng)連接，布置方便，不會發(fā)生縱置油缸那種由于轉(zhuǎn)向橋擺動和差動活塞桿細(xì)而使活塞桿頭部容易斷裂，主銷沒有傾角。
（2）機構(gòu)參數(shù)少，只有4各獨立參數(shù)；
（3）機構(gòu)特性好，轉(zhuǎn)角誤差小，1-2度左右，有利于間隙轉(zhuǎn)向阻力，減輕輪胎磨損，傳動角大，可以達(dá)到30度，機構(gòu)力學(xué)性能好，容易達(dá)到較大內(nèi)輪轉(zhuǎn)角可以達(dá)到80度以上，有利于減小車窗最小轉(zhuǎn)彎半徑，若維持原來轉(zhuǎn)彎半徑不變，則有可能增大軸距，方便調(diào)整布置，提高行駛性能。
（4）左右轉(zhuǎn)向一致，油缸兩邊出活塞桿，沒有差動現(xiàn)象，左右轉(zhuǎn)向靈敏，完全相同。
（5）油缸結(jié)構(gòu)特殊，雙作用雙活塞桿，由于受橫向力作用，活塞桿應(yīng)比較粗，油缸安裝應(yīng)比較牢固，可以通過調(diào)整油缸偏距來調(diào)整機構(gòu)性能[5]。
布置形式如下圖：
圖 1 布置形式圖
Fig 1 Layout
3.3 最大內(nèi)轉(zhuǎn)角
3.3.1最小轉(zhuǎn)彎半徑
衡量和評價叉車的機動性能(通過性能)的指標(biāo)有最小轉(zhuǎn)彎半徑，最小直角通道寬度，最小堆垛通道寬度，其中最直觀的就是最小轉(zhuǎn)彎半徑；
L是叉車軸距，
M是主銷間距；
圖 2 最大內(nèi)轉(zhuǎn)角
Fig 2 The maximum angle
C是車體最外側(cè)到同側(cè)轉(zhuǎn)向主銷之間的距離；
外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪最大偏轉(zhuǎn)角度；
內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向車輪最大偏轉(zhuǎn)角度；
可見減小軸距，增大外側(cè)轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角度，合理的設(shè)計車體的形狀，能夠減小叉車的轉(zhuǎn)彎半徑，提高機動性能。
3.3.2最大外輪轉(zhuǎn)角
根據(jù)最小外側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑的要求，可以反推出對于最大外輪轉(zhuǎn)角的要求：
（式3-1）
通常在50度到60度之間。
已知：L=1190mm；M=825mm；=1800mm；C=200mm
根據(jù)（式3-1）：
=0.818
=
在50度到60度之間，符合要求。
3.3.3最大內(nèi)輪轉(zhuǎn)角
根據(jù)轉(zhuǎn)向行駛過程中把保持車輪純滾動的條件，
（式3-2）
根據(jù)(式3-2)可求出：，
一般為70度到80度，以此作為選擇或設(shè)計轉(zhuǎn)向機構(gòu)的依據(jù)。
=tan/（1-825/1190tan）
=
在范圍內(nèi)。
3.4 轉(zhuǎn)向操作系統(tǒng)
轉(zhuǎn)向輕便性：要求手力小于100N。
轉(zhuǎn)向靈敏性：要求方向盤單側(cè)回轉(zhuǎn)圈數(shù)n=3-5圈。
4 叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
3.4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計
3.4.2 理論分析
（1）雙軸線轉(zhuǎn)向角的理論關(guān)系式：
（2）軸線轉(zhuǎn)向理論特性曲線
4.1.2 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計
圖 3 曲柄滑塊式機構(gòu)參數(shù)
Fig 3 Parameters of crank slider mechanism
（1）設(shè)計參數(shù)：
R1——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；
a0——轉(zhuǎn)向節(jié)臂初始角；
D——基距；
E——油缸偏距。
參數(shù)的一般范圍：
轉(zhuǎn)向節(jié)臂長R1略小于雙梯形機構(gòu)，可取0.11-0.145m，R1大則機構(gòu)行程大，相應(yīng)的油缸行程也大，可能布置不下，無法實現(xiàn)，R1小則機構(gòu)受力大，相應(yīng)的油缸受力大，而行程太富裕。
轉(zhuǎn)向節(jié)臂初始角a0，可能在90度左右，a0越大，則機構(gòu)特性越好，有時會取到92度，基距變大，要根據(jù)和輪輞是否干涉來決定，該參數(shù)先確定。
基距D,該參數(shù)對于機構(gòu)特性不敏感，約等于轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，他也和油缸的行程有關(guān)。
油缸偏距E，該參數(shù)對于機構(gòu)特性十分名，取值大約為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的一半左右，應(yīng)進(jìn)行精確調(diào)整，以便獲得最佳機構(gòu)特性。
（2）優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗公式
取r1-R1/D，e=E/D，使參數(shù)無量綱化
(a)優(yōu)化設(shè)計，轉(zhuǎn)角誤差，傳動角，力傳動比等為目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在不同的a0和M/L的情況下尋找最優(yōu)的r1和e。
(b)經(jīng)驗公式，整理優(yōu)化結(jié)果，把最優(yōu)的r1和e表達(dá)成a0和M/L的二次函數(shù)，成為優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗公式：
(式4-1)
（式4-2）
表 1 優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗公式的系數(shù)
Table 1 Optimization of the empirical formula design
下標(biāo)
1
2
3
4
5
6
C
-8.807857
+0.1467839
+8.3315333
-0.000562699
-0.069538
-1.20057
G
-7.720729
+0.12650658
+8.1168
-0.000550566
-0.058138
-1.122867
根據(jù)（式4-1）和（式4-2）計算結(jié)果為：
=-8.807857+0.146783a09+8.3315333（M/L）-0.000562699-0.069538（M/L）-1.20057
=0.547318
=-7.720729+0.12650658a0+8.1168（M/L）-0.000550566-0.058138（M/L） -1.122867
=1.001024
由此可得：先取D=100mm，R1=r1×D≈110mm，E=D×e≈60mm
圖 4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖
Fig 4 The steering mechanism sketch
(3)實際尺寸：
a.機構(gòu)的相似性，從機構(gòu)的特性看實際尺寸可大可小，應(yīng)為機構(gòu)是相似的。
b.受力：從受力的角度，機構(gòu)的尺寸越大越好；
c．油缸行程：油缸夾在當(dāng)中，機構(gòu)尺寸過大會造成行程不夠；因此在油缸的行程夠用的前提下，機構(gòu)盡量大一些。
計算油缸行程：
當(dāng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂如下圖轉(zhuǎn)至最右時，其夾角如圖可計算得,其轉(zhuǎn)向極限，夾角為
a=
可知連桿中心距為L===112mm
根據(jù)三角形的直角公式可求出此時的行程
轉(zhuǎn)向節(jié)臂中心的水平距離L1=R1×cosa=89.98，
其垂直高度為：L2=R1×sina=63.26
即可求求出其油缸行程為：
S=L1+D-=101mm
故油缸行程至少為101m，取其行程為100
應(yīng)為其內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角在同一各圓心故其計算行程一樣，
現(xiàn)在用行程校核內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角
當(dāng)油缸行駛到極限時，其如上圖，計算其內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，
可知其逆運算得其轉(zhuǎn)角為==
計算結(jié)果為，相差不多
故油缸行程足夠。
(4)其它結(jié)構(gòu)要素
a.鉸點：使用關(guān)節(jié)軸承，
b.油缸：受橫向力作用，需要加粗活塞桿，加長導(dǎo)向套，采用青銅或耐磨材料。
c.缸蓋：采用內(nèi)卡鍵式或螺紋式
4．2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計
4.2.1 轉(zhuǎn)向阻力矩的計算
（1）轉(zhuǎn)向行駛的阻力距：
只要所有車輪繞同一瞬心轉(zhuǎn)動，就可保證所有車輪作純滾動。這是以輪胎僅一點接觸地為條件的，因為輪胎有一定的寬度，它與地面的接觸為一面積。當(dāng)車輪一轉(zhuǎn)彎半徑R繞瞬心滾動時，輪胎各觸地點應(yīng)有不同的線速度，但各觸地點卻有共同的角速度，故輪胎兩側(cè)，在相對與地面滾動的同時，還有相對滑動。在下圖中，兩側(cè)輪胎相對于O1的滑動速度方向相反，故引起地面對車輪的不同方向的附加阻力△F，這是一對力偶，其矩即轉(zhuǎn)向阻力矩。
設(shè)叉車的轉(zhuǎn)彎時以角速度繞瞬心O轉(zhuǎn)動，車輪以速度v前進(jìn)。車輪滾動時，路面受到壓力，輪胎與地面間產(chǎn)生相對滑動，因而使相對速度為零的點偏移了距離e，由原來的O1點移到E點，這時車輪上E、A兩點的速度可表示為：
——滑轉(zhuǎn)率，即因滑動引起速度降低的系數(shù)
由以上兩式可的滑轉(zhuǎn)率與偏移距的關(guān)系如下
（式4-3）
這時，輪胎各點相對于地面的滑動速度分布為梯形ABCD。若地面的切向力與滑移距離成正比，則地面反力的合力必通過梯形型心。這樣，該車輪的轉(zhuǎn)向阻力距為：
（式4-4）
（式4-4）中：——車輪驅(qū)動力；
a——梯形面積中心至輪胎縱向?qū)ΨQ面的距離。
令梯形中線長度為l，則兩底邊長分別為（e+0.5b）/e和（e-0.5b）/e，則得，b為輪胎寬度。將式代入上兩式得：
由此可得轉(zhuǎn)向行駛時的阻力轉(zhuǎn)矩：
（式4-5）
驅(qū)動輪縱的阻力轉(zhuǎn)矩
在（式4-50中，，B為驅(qū)動輪輪距，為驅(qū)動橋中心點的轉(zhuǎn)彎半徑。
從動輪在轉(zhuǎn)向行駛時的阻力轉(zhuǎn)矩： （式4-6）
（式4-6）中：R——轉(zhuǎn)向橋鉸軸處的轉(zhuǎn)彎半徑
（2）原地轉(zhuǎn)向時的阻力轉(zhuǎn)矩
叉車作業(yè)時，常需原地轉(zhuǎn)向。原地轉(zhuǎn)向阻力可達(dá)行駛轉(zhuǎn)向阻力的2-3倍。為了保證叉車在最不利的情況下轉(zhuǎn)向，通常以原地轉(zhuǎn)向阻力轉(zhuǎn)矩作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的計算轉(zhuǎn)矩。
車輪原地偏轉(zhuǎn)運動包括車路繞主銷的滾動和車輪繞輪胎與地面接觸中心的轉(zhuǎn)動。因此，原地轉(zhuǎn)向阻力轉(zhuǎn)矩包括：車輪繞主銷滾動時的滾動阻力轉(zhuǎn)矩；車輪與地面間的滑動摩擦阻力轉(zhuǎn)矩；主銷，轉(zhuǎn)向桿系鉸軸中的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩。其中以滑動摩擦阻力轉(zhuǎn)矩為主。各鉸軸的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩用效率考慮‘
（3）車輪的滑動摩擦阻力轉(zhuǎn)矩：
車輪繞接觸地面中心的摩擦阻力轉(zhuǎn)矩，與輪胎的構(gòu)造即接觸地面積的形狀、大小有關(guān)。對于充氣輪胎，在所受車重力作用下，接觸地面積如圖所示。為了簡化計算，假設(shè)接觸地面積為以輪胎寬度b為直徑的圓面積，并設(shè)想接觸地面各壓強相等。此時，單個輪胎的滑動摩擦阻力轉(zhuǎn)矩
圖 5 轉(zhuǎn)向阻力矩簡圖
Fig 5 Steering schematic resistance moment
（式4-7）
（式4-7）中P為壓強，而=，故有
（式4-8）
——附著系數(shù)，可取=0.7;
——當(dāng)量半徑，=b/3;
——單輪垂直載荷
已知： =0.55G/2=29209.80.55/2=8030N
=b/3=175/3=58.33mm
=58.330.78030=327.872N·m
（4）車輪的滾動阻力轉(zhuǎn)矩：
由圖可知，單個車輪滾動阻力轉(zhuǎn)矩為：
其中為滾動阻力系數(shù)，良好的路面=0.01-0.02；e為主銷軸線接觸地點與輪胎縱對稱面間的距離。
可得：e=C-B/2=200-175/2=112.5mm
=80300.02112.5
=27.286N·m
（5）車輪的總摩擦阻力轉(zhuǎn)矩：
車輪的總摩擦阻力轉(zhuǎn)矩為：
由式可知，e越大，則在中占的比例愈大。
假定線與車輪滾動方向垂直，則車輪原地轉(zhuǎn)向的阻力轉(zhuǎn)矩可表示為：
式中為綜合摩擦系數(shù)，見下圖：
圖 6 e/B函數(shù)圖
Fig 6 e/B graph of function
上圖是e/B的函數(shù)，曲線是試驗取得的，是在=0.7的干燥混凝土路面上，e/B<1條件下測得的。
e/B=112.5/175=0.643
=234.044N·m
以上分析的是單個車輪的轉(zhuǎn)向阻力轉(zhuǎn)矩。對于一臺叉車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，計入轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各鉸軸的效率后，總的轉(zhuǎn)向阻力轉(zhuǎn)矩為：
式中：m——轉(zhuǎn)向輪個數(shù)；
——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動效率；
=2×234.044/0.9=520.098N
連桿機構(gòu)的受力分析如下圖所示：
圖 7 連桿機構(gòu)受力圖
Fig 7 Linkage mechanism stress
可知在此時其活塞桿受力最大
已知：M=520.098N
根據(jù)曲柄滑塊的受力分析可知：
圖 8 A點受力分析
Fig 8 Analysis A of stress
A點受力分析如下：
活塞桿受力為：
==M/(×sin10
按下式進(jìn)行校核
（式4-9）
式中：D——缸筒外徑
試驗壓力，當(dāng)缸的額定壓力時，取=1.5，取=1.25；
[] ——缸筒材料的許用應(yīng)力，n為安全系數(shù)，一般取為n=5，缸筒采用45鋼，=355MP
[] =355÷5=71MP
帶入（式4-9）計算結(jié)果為：
=1.5×2.138×80÷2÷71=1.81mm
=7.5mm>1.81mm
故合格。
（2）活塞桿直徑d的校核：
按下式進(jìn)行校核：
（式4-10）
上式中：F——活塞桿上的許用應(yīng)力。
[] ——活塞桿材料的許用應(yīng)力，[] =
[] =355MP÷1.4=253.57MP
==8.118mm
d=50mm>8.118mm.
故所選的活塞桿直徑合理。
（3）穩(wěn)定性校核：
活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時，其值F超過某一臨界值時，就會失穩(wěn)，活塞桿穩(wěn)定性能按下式計算：
（式4-11）
上式中：——安全系數(shù)，一般取2-4；
當(dāng)活塞桿的細(xì)長比=625/25=25<90
故按下式計算穩(wěn)定性；
（式4-12）
上式中：l——安裝長度，其值與安裝方式有關(guān)，
——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑，=
——由液壓缸決定的末端系數(shù)，查表得，==1；
E——活塞桿材料彈性模量；E=2.06×Pa；
J——活塞桿截面慣性矩，J=；
A——活塞桿的橫截面積
f——由材料強度決定的試驗值，查表得f=340MP
——系數(shù)，具體數(shù)值查得=1/7500；
代入（式4-11）計算結(jié)果得：
==615923.0769N
F<<,故其穩(wěn)定性良好
轉(zhuǎn)向油缸轉(zhuǎn)到極限位置所需油量為：
V=l
l——為油缸行程，l=100mm；
則：V=100mm×3.14×=306.15ml；
因為方向盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)在3-5圈，故選擇液壓轉(zhuǎn)向器型號為BZZ、2、3-E100，其公稱排量為100m/r，最大入口壓力為16MP;最大連續(xù)背壓為2.5MP。
n=V/100=3.06r故合理。
4.2.3 轉(zhuǎn)向節(jié)及主銷強度計算
因主銷無內(nèi)傾角，故無須考慮。
轉(zhuǎn)向節(jié)危險斷面在軸頸根部：
計算方法與橋體類似，應(yīng)分為兩種工況進(jìn)行。
越過不平路面時：
（式4-13）
——車輪中心至計算截面距離
計算結(jié)果為
=16060N÷2×2.5×55mm=1104.125N·m
=1104.125N·m÷(3.14×÷32)=52.09MP
因為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的材料為鑄鋼，故其許用應(yīng)力為355MP，其附和要求。
側(cè)滑時：
——車輪中心至計算截面距離
計算結(jié)果為：
=15804.687N×55mm-12643.75N×295mm=-4320.36N·m
=256.96N×55mm+205.568N×295mm=112.207N·m
=4321.82N·m
=4321.82 N·m÷(3.14×÷32)=203.9MP
因為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的材料為鑄鋼，故其許用應(yīng)力為355MP，其附和要求。
主銷的計算:
越過不平路面時：
計算節(jié)果為：
=2.5×16060N÷2×76mm÷165mm=9246.67N
主銷受力分析如圖：
圖10 主銷受力分析
Fig 10 Analysis of the main sales forces
計算M=9246.67N×82.5mm=762.85N·M
則其應(yīng)力為：=762.85N·m÷[3.14×÷32]=287.9MP
主銷為20Cr強度為540MP，符合要求。
側(cè)滑時：
（式4-14）
（式4-15）
（式4-16）
（式4-17）
計算結(jié)果:
=（12643.75N×246mm-15804.687N×80mm）÷165mm=16896.54N
=（12643.75N×364mm-15804.687N×80mm）÷165mm
=26015.76N
=（205.568N×246mm+256.96N×80mm）÷165mm
=719.97N
=（205.568N×364mm+256.96N×80mm）÷165mm
=1000.2N·m
M=20075N×82.5mm=1656.187N·m
=1656.187N·m÷[3.14×÷32]=521MP
主銷為20Cr強度為540MP，符合要求。
4.3 轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計計算及強度校核
4.3.1轉(zhuǎn)向橋的計算載荷
轉(zhuǎn)向橋內(nèi)取裝制動器，因此可忽略車輪受到的切向力，只考慮垂直力和因側(cè)滑引起的橫向力。轉(zhuǎn)向橋可以按下面兩種工況選取計算載荷。
（1）最大垂直力工況：
空車運行通過不平路時引起的動載荷使垂直反力達(dá)到最大值。其值與道路不平度，輪胎彈性及行駛速度等有關(guān)，表達(dá)式為：
(式4-18)
式中： ——動載系數(shù)，可取=2.5
——空載時轉(zhuǎn)向橋的靜負(fù)荷。
=2920×0.55××9.8=16060N
計算結(jié)果為：
=2.5×16060÷2=20075N
（2）最大側(cè)向力工況
叉車空載轉(zhuǎn)向行駛，在離心力的作用下，車輪處于臨界側(cè)滑狀態(tài)，這時側(cè)向力達(dá)最大值為：
式中：——側(cè)滑附著系數(shù)，取=0.8-1.0
——一個車輪上的垂直反力.
計算結(jié)果為：
=20075×0.8=16060 N
4.3.2 轉(zhuǎn)向橋的強度計算：
最大垂直力工況：
=2.5×16060÷2=20075N
圖 11 轉(zhuǎn)向橋強度計算
Dig 11 Calculation of strength of steering bridge
危險截面Ⅰ-Ⅰ靠近中心鉸軸，其最大彎矩為；
式中：B——輪距；
計算結(jié)果為：
=20075N×1025mm÷2=19573.125N·m
(2)最大側(cè)向力工況：
由于離心力作用，左、右車輪的垂直反力不在相等，在圖中所示的側(cè)滑方向，有
（式4-19）
式中：h——空載時叉車的重心高度，h=590mm
計算結(jié)果為：
左右車輪的側(cè)向反力：
計算結(jié)果為：
=15804.687N*0.8=12643.75N
=256.96*0.8=205.568N
危險截面在Ⅱ—Ⅱ處靠近主銷，其彎矩為：
計算結(jié)果為：
==30075.83N·m
以上兩種工況，應(yīng)分別計算有關(guān)斷面的應(yīng)力，取最大值進(jìn)行強度校核。
最大垂直力工況下各截面應(yīng)力
圖 12 側(cè)面圖
Dig 12 Side veiw
截面Ⅰ-Ⅰ：
其側(cè)面圖如上圖所示
： 根據(jù)公式計算其
÷12=1.435×
=4.582×
÷12=1.435×
=4.582×
可知
=1.435×+4.582×+1.435×+4.582×+=12.632×
其應(yīng)力為：
=14780.39N·m×102.5mm÷12.632×=11.9MP
所選材料為45鋼，其許用應(yīng)力為355MP符合條件。
截面在Ⅱ—Ⅱ
其側(cè)面圖如圖 13所示
=1.094×
=1.094×
=1.094×+1.094×+0.598×
=2.786×
圖 13 側(cè)面圖
Dig 13 Side veiw
其應(yīng)力為：
=14780.39N·m×102.5mm÷2.786×=54.38MP
最大側(cè)向力工況如下：
截面Ⅰ-Ⅰ如
圖 14 最大側(cè)向力工況
Dig 14 The maximum lateral force conditions
根據(jù)公式計算其
÷12+205×20×=9.85×
=6.605×
÷12+205×20×=16.41×
=6.605×
=9.85×+6.605×+16.41×+6.605×+0.005× =39.475×
其應(yīng)力為：
=14780.39N·m×102.5mm÷2.786×=54.38MP
截面在Ⅱ—Ⅱ
其側(cè)面圖如下圖所示
圖 15 側(cè)面圖
Dig 15 Side veiw
=2.813×
=2.813×
=2.8113×+2.813×+0.005×
=2.631×
其應(yīng)力為：
=30075.835N·m×75mm÷2.631×=79.68MP
所選材料為45鋼，其許用應(yīng)力為355MP符合條件。
4.4 軸承的選擇和計算：
4.4．1 轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷軸承
主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)間的軸承，不僅要承受軸向力，還要承受較大的徑向力，一般可選用一個止推軸承和兩個徑向滑動軸承，或兩個滾針軸承?；瑒虞S承徑向尺寸小，能承受較大的徑向力，價格便宜。但轉(zhuǎn)向阻力大，需要經(jīng)常加注潤滑油。
滾針軸承的徑向尺寸較小，價格較貴，但轉(zhuǎn)向阻力低，潤滑時間間隔和使用壽命長。設(shè)計時應(yīng)注意在滑動軸承的襯套和主銷中開油槽和油孔。因轉(zhuǎn)動速度低，滑動軸承意要按比驗算。滾針軸承按所受最大徑向載荷計算。
圖 16 轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷軸承
Dig 16 Steering knuckle and the main pin bearing
滾動軸承選用滾針軸承，
僅受徑向力，可知其最不利時徑向力為：F=20075N
選取為K303527，其基本參數(shù)為，=33.8，=40，e=0.42
P=F=20075N
=7191.86h
要求工作半年以上，t=24×365÷2=4380h
符合要求。
止推軸承選用：選取為8306，其基本參數(shù)為，=36.2，=66.8，e=0.42
僅受軸向力，可知其最不利時徑向力為：
F=20075N
=23195.2h
要求工作半年以上，t=24×365÷2=4380h
符合要求。
4.4.2 輪轂軸承：
叉車轉(zhuǎn)向輪輪轂安裝在一對圓錐滾珠軸承上，如圖，圓錐滾子軸承可承受較大的軸向和徑向載荷，間隙可調(diào)，能保證一定的剛度。為了避免轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，軸頸根部采用較大的圓角半徑并附加一些墊圈，以確保內(nèi)軸承的正確安裝與傳力。
圖 17 輪轂軸承
Dig 17 Hub bearing
輪轂軸承的使用壽命主要取決與作用在輪上的垂直力，和軸承相對于車輪中心平面的位置。輪轂軸承按額定動載荷選擇。
軸承處的載荷仍需按轉(zhuǎn)向橋的兩種計算工況確定。軸承額定壽命，通常為叉車的一個大修期，可取為4800h-5000h。
軸承選用：2007108，其基本參數(shù)為：
=33.2KN，=30.8KN，e=0.3，Y=2，=1.1
軸承選用：2007112，其基本參數(shù)為：
=54KN，=54.5KN，e=0.33，Y=1.8，=1
最大垂直力工況：
可知在兩軸承的支反力分別為如圖
圖 18 軸承支反力
Dig 18 The bearing reaction force
徑向載荷：
==16060N÷2×25÷36=5576.3889N
==16060÷2×11÷36=2453.6N
軸向載荷：
軸向載荷僅有軸承派生出的力：=/(2Y)
求出：=5576.3889N /（2×2）=1394.09N，方向向左。
=2453.6N /（2×1.8）=681.56N，方向向右。
無軸向力，故=-=1394.09N-681.56N=721.54N
故方向向左，左處軸受壓。右處軸放松；
當(dāng)量動載荷P可求出得
==5576.3889N
==2453.6N
驗算軸承壽命：
驗算軸承1得：=6977.75h
驗算軸承2得：=660406.41h
大于4800h-5000h，軸承的壽命足夠。
5. 結(jié)束語
經(jīng)過這個學(xué)期的設(shè)計，我對叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計步驟，內(nèi)容和方法有了更深入的了解，同事鞏固了經(jīng)過這個學(xué)期的設(shè)計，我對叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計步驟，內(nèi)容和方法有了更深入的了解，同事鞏固了已學(xué)的機械設(shè)計的相關(guān)知識，為以后的工作學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)。
這次設(shè)計叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，特點是其完全采用全液壓式轉(zhuǎn)向。在設(shè)計算是叉車的最小轉(zhuǎn)彎半徑是其主要設(shè)計目的，根據(jù)其相關(guān)計算來滿足設(shè)計要求，在設(shè)計轉(zhuǎn)向橋是，需要對所設(shè)計的橋體做一個全面的了解。另一個收獲就是要學(xué)會根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點應(yīng)用材料，將材料用到該用的地方。而受力小的地方就盡可能少用材料。
由于時間較緊，而且我也是第一次完成這樣完整的 ，加上實踐經(jīng)驗的欠缺，在設(shè)計中一定有許多考慮不周的地方。需要在今后的學(xué)習(xí)和工作中總結(jié)提高，希望各位老師和同學(xué)批評指正。
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致 謝
在論文完成之際，我要對我的指導(dǎo)老師楊文敏表示由衷的感謝并致以崇高的敬意，在畢業(yè)設(shè)計過程中遇到了許許多多這樣那樣的問題，有的是專業(yè)上的問題，有的是論文格式上的問題，一直得到楊文敏老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)，引導(dǎo)我不斷開闊思路，為我解答疑惑，使我的論文可以順利完成。為此，我向熱心幫助過我的所有老師和同學(xué)表示由衷的感謝!
由于時間較緊，而且我也是第一次完成這樣完整的畢業(yè)論文設(shè)計 ，加上實踐經(jīng)驗的欠缺，個人水平的限制，在設(shè)計中一定有許多考慮不周的地方。需要在今后的學(xué)習(xí)和工作中總結(jié)提高，希望各位老師多多批評指正，提出寶貴意見。
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