平衡重式電動叉車設計【說明書+CAD+PROE】

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[2] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000. [3] 王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004. [4] 張魁元，高慶學．叉車變速器掉擋的處理和撥叉桿的改進[J]. 工程機械與維修,2006,(3). [5] 衛(wèi)良保，魯永春．叉車門架三維數(shù)字化設計[J]. 太原科技大學學報,2010,(4). ? [6] 杜峰坡,穆希輝，張寶富．經(jīng)濟型防爆電動叉車設計技術研究[J]. 機械設計與制造,2010,(6). [7]吳迪清,盧炎麟,陳宛兵,傅飛均,. 基于有限元的叉車車架模態(tài)分析及優(yōu)化[J]. 輕工機械,2010,(4). ? [8]楊秀彪,. 伸縮臂式叉車屬具的設計[J]. 叉車技術,2010,(1). ? [9]侯忠明,胡犇,王佑君,. 某型伸縮臂叉車穩(wěn)定性驗算[J]. 起重運輸機械,2010,(2). [10]李建江,. 一種叉車防護機具的設計與應用[J]. 工程機械,2009,(12). 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 本科學生畢業(yè)設計 平衡重式電動叉車設計 院系名稱： 汽車與交通工程學院 專業(yè)班級： 車輛工程 B07-6班 學生姓名： 譚 博 文 指導教師： 王 強 職 稱： 講 師 黑 龍 江 工 程 學 院 二○一一年六月 The Graduation Thesis for Bachelor's Degree Design of counterbalanced electric forklift Candidate： TanBoWen Specialty： Vehicle Engineering Class： B07-6 Supervisor：Lectuer. WangQiang Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘?? 要 平衡重式電動叉車由于其操作控制簡便、靈活，其操作人員的操作強度要求相對內燃叉車而言輕很多，廣泛使用在國民經(jīng)濟的各個部門，其電動轉向系統(tǒng)、加速控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及剎車系統(tǒng)都由電信號控制大大降低了操作人員的勞動強度，這樣一來對于提高其工作效率以及工作的準確性有非常大的幫助且相較于內燃叉車電動車輛的低噪音、無尾氣排放的優(yōu)勢也得到許多用戶的許可。如何更好的發(fā)揮其優(yōu)勢來取代內燃叉車，對環(huán)保有重大意義。本課題研究運用計算機仿真技術對電動叉車進行虛擬設計，在產品制造之前將運用AutoCAD完成平衡重式電動叉車變速器、貨叉及整車裝配的二維繪制，為之后的Pro/E軟件的三維圖繪制做鋪墊，然后將用Pro/E軟件對平衡重式電動叉車的各個零件進行三維繪制并進行整車裝配，為之后的ANSYS分析建立三維模型,最后將運用ANSYS軟件進行仿真研究，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設計缺陷，完善設計方案，縮短開發(fā)周期，提高設計質量和改善，為生產實際提供理論支持。 關鍵詞：電動叉車；變速器；貨叉；三維建模；有限元分析 ? ABSTRACT Counterbalanced electric forklift operation control because of its simple, flexible, and its operator's operations in terms of strength requirements are relatively much lighter internal combustion forklifts, widely used in various sectors of national economy, the electric power steering system, the speed control system, hydraulic control system and control the brake system greatly reduces the signal by the operator's labor intensity, so that its work for improving the efficiency and accuracy of the work has a very big help, and internal combustion forklift electric vehicles compared to the low noise, no exhaust emissions advantage by many users permission. How to better play to their strengths instead of internal combustion forklifts, of great importance to environmental protection. This study is the use of computer simulation technology for electric forklifts for virtual design, manufacturing completed before the use of AutoCAD transmission counterbalanced electric forklift, fork and two-dimensional vehicle assembly drawing for the following Pro/E, three-dimensional map pave the way to draw, and then use the Pro / E software counterbalanced electric forklift parts for all three-dimensional drawing and make the vehicle assembly, after the ANSYS analysis for the establishment of three-dimensional model, and finally the use of ANSYS simulation software, can be found and correct design flaws and improve the design, shorten the development cycle, improve design quality and improvement, provide theoretical support for the actual production. Key words：Electric Forklift; Transmission; Tork; Three-Dimensional Modeling; Finite Element Analysis ? II 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目:平衡重式電動叉車設計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程B07-6 學 生 姓 名: 譚博文 導 師 姓 名: 王強 開 題 時 間: 2011.3.14 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 譚博文 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程 B07-6 指導教師姓名 王強 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 平衡重式電動叉車設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、研究現(xiàn)狀 最近5 年，中國叉車市場的生產和需求量每年的增幅均達到了25％以上，2006 年中國就已經(jīng)成為僅次于美國的全球第二大叉車消費市場。這種快速增長的勢頭持續(xù)到2008 年，直至被金融危機的爆發(fā)打斷。金融危機的突然到來，致使中國叉車的產銷量和出口量都出現(xiàn)了大幅下降。由于中國物流產業(yè)進入了十大產業(yè)振興規(guī)劃，中國叉車業(yè)又蓬勃發(fā)展起來。我國內燃平衡重式叉車約占總銷量的80%，而全球叉車銷量中電動叉車比重超過了50%。這是因為在歐、美、日的叉車市場上，電動叉車已成為主流產品的緣故。由于我國對環(huán)保要求較低、叉車作業(yè)更頻繁、作業(yè)環(huán)境較惡劣以及運行成本等因素，較長時間內我國的叉車需求仍將傾向于使用內燃叉車。近年來，各叉車公司皆以產品種類、系列的多樣化去充分適應不同用戶、不同工作對象和不同工作環(huán)境的需要，并不斷推出新結構、新車型，以多品種小批量滿足用戶的個性化需求。內燃叉車以發(fā)動機為動力，功率強勁，使用范圍廣，缺點是排氣和噪聲污染環(huán)境，有害人類健康。環(huán)保要求推動了動力技術的更新，如：上世紀90年代液化石油氣(LPG)叉車、壓縮天然氣(CNG)叉車、丙烷叉車等低公害叉車面市，且發(fā)展勢頭強勁；現(xiàn)在林德3噸內燃平衡重式叉車尾氣排放符合歐洲Ⅱ號標準。電動叉車具有能量轉換效率高、無廢氣排放、噪聲小等突出優(yōu)點，是室內物料搬運的首選工具，但其受電瓶容量限制，功率小，作業(yè)時間短。對室內作業(yè)、靠近人群作業(yè)以及整個的食品行業(yè)而言，電瓶叉車是最好的選擇；除了完全沒有廢氣污染外，低噪音也使得作業(yè)環(huán)境更令人愉快。未來叉車將廣泛采用電子燃燒噴射和共軌技術。發(fā)動機尾氣催化、凈化技術的發(fā)展將有效降低有害氣體和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉車及混合動力叉車將進一步發(fā)展。新型電瓶燃料電池在各大公司的共同努力下，將克服價格方面的劣勢，批量進入市場，微電子技術、傳感技術、信息處理技術的發(fā)展和應用，對提高叉車業(yè)整體水平，實現(xiàn)復合功能，以及保證整機及系統(tǒng)的安全性、控制性和自動化水平的作用將更加明顯，使電子與機械、電子與液壓的結合更加密切。未來叉車的發(fā)展在于其電子技術的應用水平。如：林德電動前移式叉車采用感應式電子轉向系統(tǒng)，給操作者提供變量扭矩反饋以確保完美的控制性能，所需轉向力極微。實現(xiàn)以微處理器為核心的機電液一體化是未來叉車控制系統(tǒng)發(fā)展的主方向。對于電動車輛，傳統(tǒng)的電阻調速控制器已被淘汰，而新型MＯSFET晶體管因其門極驅動電流小，并聯(lián)控制特性好且有軟、硬件自動保護和硬件自診斷功能等優(yōu)點，得到廣泛采用。串勵和他勵控制器仍是市場的主導產品，交流控制技術則處于起步階段。隨著交流調速控制系統(tǒng)成本的降低與閉式交流電機技術的成熟，交流電機叉車將會因其功率大、維護性能好而取代直流電機叉車。采用電子轉向系統(tǒng)與動力轉向比可節(jié)能25%，它可根據(jù)叉車使用工作狀況，適時控制電機轉速，是叉車節(jié)能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶體管比電阻式調速可節(jié)能20%，釋放式再生制動可節(jié)能5%～8%，采用液壓電機控制器和負載勢能回收技術可分別節(jié)能20%和5%。駕駛員的舒適感對保證叉車高效運行非常重要。叉車的駕駛座具有全方位的調節(jié)功能：座椅靠背可向后或向前傾斜，座椅彈簧可進行調節(jié)，座椅可向后或向前移動。各叉車公司不斷優(yōu)化改進叉車人機界面，使操縱簡便省力、迅速準確，充分發(fā)揮人機效能，提高作業(yè)效率。例如，配備醒目的數(shù)字化儀表、報警裝置以及故障檢測自動儀器，實現(xiàn)工作狀況的在線監(jiān)控；采用浮動駕駛室(可移動、升降)，使操縱者獲得全方位視野；以集中手柄控制替代多個手柄控制，電控替代手控；以及逐漸將電子監(jiān)測器和高度顯示器作為高升程叉車的標準配置。 在全球叉車市場格局中，豐田和林德遙遙領先，年銷售收入超過50億美元；而安叉和杭叉在國內叉車市場上稱雄，合計市場占有率超過50%。于我國叉車出口量占海外市場比重仍較低、性價比優(yōu)勢突出以及出口退稅導致國內企業(yè)出口沖動等理由，預計未來中國叉車出口仍將保持較快增速，未來3年，國內叉車銷量年增速有望保持在20%以上，對海外市場的依賴度將加大。出口已成銷量增長的主要推進力。雖然我國現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產起重量從0.5噸到45噸各種型號的電動叉車，但每年仍有近兩億美元的電動叉車進口。據(jù)1996年的海關統(tǒng)計，當年電動叉車進口1.67億美元，相當于電動叉車行業(yè)的年產值，其中集裝箱電動叉車和電動叉車進口0.5億美元。在這些進口電動叉車當中有些是必要的，有些則完全可以在國內采購。需要指出的是，盡管電動叉車產品已列入進口商檢的目錄，按規(guī)定在1997年7月1日后進口的電動叉車必須進行商檢，但到目前為止進口電動叉車還沒有進行專業(yè)性的商檢。而我國電動叉車出口卻在實行出口許可證制度，需要進行專業(yè)性的商檢，達到一等品后才能出口。以至于在國內投資的外商不解地感嘆道：“向中國進口電動叉車易，從中國出口電動叉車難。”而實際上進口電動叉車的個別項目如“超載25%安全性”是不符合我國電動叉車技術要求的。在目前我國的使用狀況下，極易發(fā)生縱向傾翻，導致人身及財產的損害。由此可看，電動叉車在可靠性、舒適性方面距發(fā)達國家水平依然較大, 因此對平衡重式電動的開發(fā)任重道遠。 當前，平衡重式電動叉車市場的競爭日益激烈，要求平衡重式電動叉車產品技術更新?lián)Q代的速度越來越快，盡管我國物流業(yè)尚處于起步階段, 物流技術和物流設施與物流發(fā)達國家還存在較大的差距, 這些對我國叉車的發(fā)展有一定的阻礙作用, 但是, 隨著我國政府、企業(yè)及民眾對物流設備的認識加深, 我國國際貿易的日益加強, 外國企業(yè)介入中國市場帶來先進的物流經(jīng)驗。我國的平衡重式電動叉車發(fā)展前景非常好。但相對于內燃叉車穩(wěn)定性較差，為滿足機動性能高要求，平衡重式電動叉車設計的非常緊湊，這也帶來了一些布置和散熱方面的問題。為此，本課題基于計算機仿真平臺，應用AutoCAD （AutoCAD是由美國Autodesk公司于二十世紀八十年代初為微機上應用CAD技術而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經(jīng)過不斷的完美，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD可以繪制任意二維和三維圖形，并且同傳統(tǒng)的手工繪圖相比，用AutoCAD繪圖速度更快、精度更高、而且便于個性，它已經(jīng)在航空航天、造船、建筑、機械、電子、化工、美工、輕紡等很多領域得到了廣泛應用，并取得了豐碩的成果和巨大的經(jīng)濟效益）、當前CAD領域應用比較廣泛的三維軟件Pro/E （PRO/E是全世界最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)．被廣泛應用于電子、機械、模具、工業(yè)設計、汽車、機車、自行車、航天、家電、玩具等各行業(yè)．PRO/E可謂是個全方位的三維產品開發(fā)軟件，整合了零件設計、產品裝配、模具開發(fā)、數(shù)控加工、板金設計、鑄造件設計、造型設計、逆向工程、自動測量、機構模擬、應力分析、產品數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體）、有限元軟件ANSYS，進行平衡重式電動叉車的強度、剛度及穩(wěn)定性等方面的計算機仿真研究與分析，為我國電動叉車產品的設計、技術開發(fā)方面提供更多的理論參考，進一步提高電動叉車的穩(wěn)定性和可靠性。 2、目的和意義 平衡重式電動叉車由于其操作控制簡便、靈活，其操作人員的操作強度要求相對內燃叉車而言輕很多，廣泛使用在國民經(jīng)濟的各個部門，其電動轉向系統(tǒng)、加速控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及剎車系統(tǒng)都由電信號控制大大降低了操作人員的勞動強度，這樣一來對于提高其工作效率以及工作的準確性有非常大的幫助且相較于內燃叉車電動車輛的低噪音、無尾氣排放的優(yōu)勢也得到許多用戶的許可。如何更好的發(fā)揮其優(yōu)勢來取代內燃叉車，對環(huán)保有重大意義。本課題研究運用計算機仿真技術對電動叉車進行虛擬設計，在產品制造之前運用AutoCAD， Pro/E, ANSYS進行仿真研究，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設計缺陷，完善設計方案，縮短開發(fā)周期，提高設計質量和改善，為生產實際提供理論支持。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1、設計主要內容 本設計的叉車額定起重量為2000kg，標準載荷中心距為500mm，最大起升高度為3000mm，門架前后傾角為6/12，最大起升速度（滿載）為340mm/s，最大行駛速度為12Km/h，最大爬坡度為18%，最小轉彎半徑為2000mm，前輪胎為6.50-10-10PR，后輪胎為5.00-8-8PR。利用AutoCAD、Pro/E軟件完成叉車變速器、貨叉二維設計及整車三維造型、利用ANSYS軟件對貨叉部分關鍵零部件進行強度、剛度及穩(wěn)定性校核。 2、擬解決的主要問題 （1）利用AutoCAD軟件完成叉車變速器、貨叉設計（2）校核計算（3）叉車整車Pro/E造型設計（4）貨叉部分關鍵零件ANSYS有限元分析 三、技術路線（研究方法） 四、進度安排 （1）調研，資料收集，完成開題報告；　　　　　 第1～2周（2月28日～3月12日） （2）總體二維結構設計及校核； 　 第3～5周（3月13日～4月2日） （3）貨叉部分Pro/E三維建模及裝配；　　　 　　第6～9周（4月3日～4月30日） （4）ANSYS有限元分析及整機造型；　　 第10～12周（5月1日～5月21日） （5）撰寫說明書； 　　　　 　第13～14周（5月22日～6月4日） （6）設計說明書的審核、修改； 　　　 　　　 第15～16周（6月5日～6月18日） （7）畢業(yè)設計答辯準備及答辯。 　　 　　 第17周（6月19日～6月25日） 五、參考文獻 [1]陳家瑞.汽車構造(上，下冊)[M].北京：人民交通出版社，1994. [2]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000. [3]王望予.汽車設計（第四版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004. [4]張魁元，高慶學．叉車變速器掉擋的處理和撥叉桿的改進[J]. 工程機械與維修,2006,(3). [5]衛(wèi)良保，魯永春．叉車門架三維數(shù)字化設計[J]. 太原科技大學學報,2010,(4). ? [6]杜峰坡,穆希輝，張寶富．經(jīng)濟型防爆電動叉車設計技術研究[J].機械設計與制造,2010,(6). [7]吳迪清,盧炎麟,陳宛兵,傅飛均.基于有限元的叉車車架模態(tài)分析及優(yōu)化[J].輕工機械,2010,(4). ? [8]楊秀彪. 伸縮臂式叉車屬具的設計[J].叉車技術,2010,(1). ? [9]侯忠明,胡犇,王佑君.某型伸縮臂叉車穩(wěn)定性驗算[J].起重運輸機械,2010,(2). [10]李建江.一種叉車防護機具的設計與應用[J].工程機械,2009,(12). [11]曹文鋼，吳信麗，龔仁武，游駿.平衡重式三支點叉車全液壓轉向系統(tǒng)設計[J].機械工業(yè)出版社2010,(2). [12]曉青.談幾款國產叉車的結構特點及技術性能[J].山西新富升機器.2007,(9). [13]李剛.國內叉車行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].工程機械,2007(11). [14]Fuel Cells Bulletin.Nestlé Waters converts lift truck fleet to Plug fuel cells.[J]. Jun2009, p2-3,1p. [15]Fuel Cells Bulletin.Raymond updates on fuel cell forklift project.[J].Feb2008, p2-2,1p. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 目 錄 摘?? 要………………………………………………………………………………I Abstract………………………………………………………………………II 第1章 緒 論……………………………………………………………………1 1.1 選題背景、目的及意義……………………………………………………1 1.2 國內外研究現(xiàn)狀……………………………………………………………3 1.3研究內容及研究方法………………………………………………………4 1.3.1 設計主要內容…………………………………………………………4 1.3.2 研究方法………………………………………………………………4 第 2 章 平衡重式電動叉車設計總體方案…………………………………6 2.1 叉車的定義…………………………………………………………………6 2.2 蓄電池的選擇………………………………………………………………9 2.3 行走電機的選擇……………………………………………………………10 2.4 本章小結……………………………………………………………………11 第3章 變速箱設計……………………………………………………………12 3.1變速箱的結構方案…………………………………………………………13 3.1.1中心距的確定…………………………………………………………13 3.1.2齒輪參數(shù)確定…………………………………………………………13 3.1.3 齒輪齒數(shù)確定………………………………………………………14 3.1.4齒輪其他基本幾何參數(shù)………………………………………………14 3.2 對中心距A進行修正………………………………………………………14 3.3齒輪校核……………………………………………………………………15 3.3.1齒輪折斷………………………………………………………………15 3.3.2齒面點蝕………………………………………………………………16 3.3.3齒面膠合………………………………………………………………16 3.3.4齒輪彎曲強度計算……………………………………………………17 3.3.5齒輪接觸應力計算……………………………………………………17 3.4 軸設計………………………………………………………………………18 3.4.1 初選軸的直徑………………………………………………………18 3.4.2 軸的剛度驗算………………………………………………………18 3.4.3 軸的強度計算………………………………………………………21 3.4.4 變速器軸承的選擇…………………………………………………22 3.5 本章小結……………………………………………………………………25 第4章 貨叉、門架、叉架及整車建模……………………………………26 4.1 Pro/E軟件簡介……………………………………………………………26 4.2貨叉尺寸計算………………………………………………………………27 4.3車體尺寸設計………………………………………………………………29 4.3.1車體設計內容…………………………………………………………29 4.3.2車體設計步驟…………………………………………………………30 4.4檔板尺寸設計………………………………………………………………31 4.4.1特征建模思想…………………………………………………………31 4.4.2起升系統(tǒng)的裝配………………………………………………………33 4.4.3元件的約束類型及其放置參照………………………………………33 4.4.4貨叉的建立……………………………………………………………34 4.4.5叉架的建立……………………………………………………………35 4.4.6外門架的建立…………………………………………………………35 4.4.7 Pro/E整機裝配圖……………………………………………………35 4.5叉車穩(wěn)定性計算……………………………………………………………36 4.6 本章小結……………………………………………………………………37 第5章 主要零部件有限元分析………………………………………………38 5.1 ANSYS簡介…………………………………………………………………38 5.1.1 ANSYS的主要技術特點……………………………………………38 5.1.2 軟件功能簡介………………………………………………………39 5.2 ANSYS與Pro／E的接口技術……………………………………………39 5.2.1 使用ANSYS提供的圖形接口………………………………………39 5.2.2 Pro／E與ANSYS的連接方法……………………………………40 5.3對貨叉進行有限元分析……………………………………………………41 5.3.1貨叉的有限元分析……………………………………………………41 5.4 本章小結……………………………………………………………………44 結論…………………………………………………………………………………45 致謝…………………………………………………………………………………46 參考文獻……………………………………………………………………………47 附錄…………………………………………………………………………………49 V 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 第1章 緒 論 1.1 選題背景、目的及意義 最近5 年，中國叉車市場的生產和需求量每年的增幅均達到了25％以上，2006 年中國就已經(jīng)成為僅次于美國的全球第二大叉車消費市場。這種快速增長的勢頭持續(xù)到2008 年，直至被金融危機的爆發(fā)打斷。金融危機的突然到來，致使中國叉車的產銷量和出口量都出現(xiàn)了大幅下降。由于中國物流產業(yè)進入了十大產業(yè)振興規(guī)劃，中國叉車業(yè)又蓬勃發(fā)展起來。我國內燃平衡重式叉車約占總銷量的80%，而全球叉車銷量中電動叉車比重超過了50%。這是因為在歐、美、日的叉車市場上，電動叉車已成為主流產品的緣故。由于我國對環(huán)保要求較低、叉車作業(yè)更頻繁、作業(yè)環(huán)境較惡劣以及運行成本等因素，較長時間內我國的叉車需求仍將傾向于使用內燃叉車。近年來，各叉車公司皆以產品種類、系列的多樣化去充分適應不同用戶、不同工作對象和不同工作環(huán)境的需要，并不斷推出新結構、新車型，以多品種小批量滿足用戶的個性化需求。內燃叉車以發(fā)動機為動力，功率強勁，使用范圍廣，缺點是排氣和噪聲污染環(huán)境，有害人類健康。環(huán)保要求推動了動力技術的更新，如：上世紀90年代液化石油氣(LPG)叉車、壓縮天然氣(CNG)叉車、丙烷叉車等低公害叉車面市，且發(fā)展勢頭強勁；現(xiàn)在林德3噸內燃平衡重式叉車尾氣排放符合歐洲Ⅱ號標準。電動叉車具有能量轉換效率高、無廢氣排放、噪聲小等突出優(yōu)點，是室內物料搬運的首選工具，但其受電瓶容量限制，功率小，作業(yè)時間短。對室內作業(yè)、靠近人群作業(yè)以及整個的食品行業(yè)而言，電瓶叉車是最好的選擇；除了完全沒有廢氣污染外，低噪音也使得作業(yè)環(huán)境更令人愉快。未來叉車將廣泛采用電子燃燒噴射和共軌技術。發(fā)動機尾氣催化、凈化技術的發(fā)展將有效降低有害氣體和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉車及混合動力叉車將進一步發(fā)展。新型電瓶燃料電池在各大公司的共同努力下，將克服價格方面的劣勢，批量進入市場，微電子技術、傳感技術、信息處理技術的發(fā)展和應用，對提高叉車業(yè)整體水平，實現(xiàn)復合功能，以及保證整機及系統(tǒng)的安全性、控制性和自動化水平的作用將更加明顯，使電子與機械、電子與液壓的結合更加密切。未來叉車的發(fā)展在于其電子技術的應用水平。如：林德電動前移式叉車采用感應式電子轉向系統(tǒng)，給操作者提供變量扭矩反饋以確保完美的控制性能，所需轉向力極微。實現(xiàn)以微處理器為核心的機電液一體化是未來叉車控制系統(tǒng)發(fā)展的主方向。對于電動車輛，傳統(tǒng)的電阻調速控制器已被淘汰，而新型MＯSFET晶體管因其門極驅動電流小，并聯(lián)控制特性好且有軟、硬件自動保護和硬件自診斷功能等優(yōu)點，得到廣泛采用。串勵和他勵控制器仍是市場的主導產品，交流控制技術則處于起步階段。隨著交流調速控制系統(tǒng)成本的降低與閉式交流電機技術的成熟，交流電機叉車將會因其功率大、維護性能好而取代直流電機叉車。采用電子轉向系統(tǒng)與動力轉向比可節(jié)能25%，它可根據(jù)叉車使用工作狀況，適時控制電機轉速，是叉車節(jié)能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶體管比電阻式調速可節(jié)能20%，釋放式再生制動可節(jié)能5%～8%，采用液壓電機控制器和負載勢能回收技術可分別節(jié)能20%和5%。駕駛員的舒適感對保證叉車高效運行非常重要。叉車的駕駛座具有全方位的調節(jié)功能：座椅靠背可向后或向前傾斜，座椅彈簧可進行調節(jié)，座椅可向后或向前移動。各叉車公司不斷優(yōu)化改進叉車人機界面，使操縱簡便省力、迅速準確，充分發(fā)揮人機效能，提高作業(yè)效率。例如，配備醒目的數(shù)字化儀表、報警裝置以及故障檢測自動儀器，實現(xiàn)工作狀況的在線監(jiān)控；采用浮動駕駛室(可移動、升降)，使操縱者獲得全方位視野；以集中手柄控制替代多個手柄控制，電控替代手控；以及逐漸將電子監(jiān)測器和高度顯示器作為高升程叉車的標準配置。 在全球叉車市場格局中，豐田和林德遙遙領先，年銷售收入超過50億美元；而安叉和杭叉在國內叉車市場上稱雄，合計市場占有率超過50%。于我國叉車出口量占海外市場比重仍較低、性價比優(yōu)勢突出以及出口退稅導致國內企業(yè)出口沖動等理由，預計未來中國叉車出口仍將保持較快增速，未來3年，國內叉車銷量年增速有望保持在20%以上，對海外市場的依賴度將加大。出口已成銷量增長的主要推進力。雖然我國現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產起重量從0.5噸到45噸各種型號的電動叉車，但每年仍有近兩億美元的電動叉車進口。據(jù)1996年的海關統(tǒng)計，當年電動叉車進口1.67億美元，相當于電動叉車行業(yè)的年產值，其中集裝箱電動叉車和電動叉車進口0.5億美元。在這些進口電動叉車當中有些是必要的，有些則完全可以在國內采購。需要指出的是，盡管電動叉車產品已列入進口商檢的目錄，按規(guī)定在1997年7月1日后進口的電動叉車必須進行商檢，但到目前為止進口電動叉車還沒有進行專業(yè)性的商檢。而我國電動叉車出口卻在實行出口許可證制度，需要進行專業(yè)性的商檢，達到一等品后才能出口。以至于在國內投資的外商不解地感嘆道：“向中國進口電動叉車易，從中國出口電動叉車難。”而實際上進口電動叉車的個別項目如“超載25%安全性”是不符合我國電動叉車技術要求的。在目前我國的使用狀況下，極易發(fā)生縱向傾翻，導致人身及財產的損害。由此可看，電動叉車在可靠性、舒適性方面距發(fā)達國家水平依然較大, 因此對平衡重式電動的開發(fā)任重道遠。 當前，平衡重式電動叉車市場的競爭日益激烈，要求平衡重式電動叉車產品技術更新?lián)Q代的速度越來越快，盡管我國物流業(yè)尚處于起步階段, 物流技術和物流設施與物流發(fā)達國家還存在較大的差距, 這些對我國叉車的發(fā)展有一定的阻礙作用, 但是, 隨著我國政府、企業(yè)及民眾對物流設備的認識加深, 我國國際貿易的日益加強, 外國企業(yè)介入中國市場帶來先進的物流經(jīng)驗。我國的平衡重式電動叉車發(fā)展前景非常好。但相對于內燃叉車穩(wěn)定性較差，為滿足機動性能高要求，平衡重式電動叉車設計的非常緊湊，這也帶來了一些布置和散熱方面的問題。為此，本課題基于計算機仿真平臺，應用AutoCAD （AutoCAD是由美國Autodesk公司于二十世紀八十年代初為微機上應用CAD技術而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經(jīng)過不斷的完美，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD可以繪制任意二維和三維圖形，并且同傳統(tǒng)的手工繪圖相比，用AutoCAD繪圖速度更快、精度更高、而且便于個性，它已經(jīng)在航空航天、造船、建筑、機械、電子、化工、美工、輕紡等很多領域得到了廣泛應用，并取得了豐碩的成果和巨大的經(jīng)濟效益）、當前CAD領域應用比較廣泛的三維軟件Pro/E （PRO/E是全世界最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)．被廣泛應用于電子、機械、模具、工業(yè)設計、汽車、機車、自行車、航天、家電、玩具等各行業(yè)．PRO/E可謂是個全方位的三維產品開發(fā)軟件，整合了零件設計、產品裝配、模具開發(fā)、數(shù)控加工、板金設計、鑄造件設計、造型設計、逆向工程、自動測量、機構模擬、應力分析、產品數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體）、有限元軟件ANSYS，進行平衡重式電動叉車的強度、剛度及穩(wěn)定性等方面的計算機仿真研究與分析，為我國電動叉車產品的設計、技術開發(fā)方面提供更多的理論參考，進一步提高電動叉車的穩(wěn)定性和可靠性。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 我國叉車工業(yè)起步于 20世紀五、六十年代。在原機械工業(yè)部的領導下，挑選國內幾家企業(yè)的技術人員進行共同開發(fā)、聯(lián)合設計，然后以當時計劃經(jīng)濟的模式，根據(jù)叉車的不同型號(噸位)分配給各家企業(yè)進行制造生產。進入 20世紀 80年代后，計劃經(jīng)濟的束縛逐漸減輕，各家企業(yè)根據(jù)自身的技術、資源力量，在原來的型號基礎上向上、向下延伸，普遍建立起一套不同型號的產品系列，技術上主要以動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)作為核心。20世紀90年代中后期，隨著國際上 Linder、Toyota等大公司產品的進入，對我國的叉車制造行業(yè)形成了極大的沖擊。為了迎接挑戰(zhàn)，國內企業(yè)在車身的鈑金工藝、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、裝配加工工藝等領域投入了很大的技改力度，引進了大批數(shù)控加工設備和流水線，在技術、工藝上有了很大的提高。但是國內企業(yè)在設計上相對滯后 ，主要以模仿日本企業(yè)的設計為主。在模仿過程中，由于受到加工工藝的制約，總體效果差強人意 ，特別是在車身形態(tài)方面存在很多不足。 國際叉車制造企業(yè)對形態(tài)更加重視，受汽車形態(tài)設計 新鋒銳 (New Edge)風格的影響，叉車形態(tài)在原流 線型的基礎上增加了一些堅挺的塊狀輪廓明顯的線條，流暢中彰顯力量、圓潤中蘊涵挺拔，叉車形態(tài)隨社會審美情趣的演變不斷地發(fā)展變化并成為叉車更新?lián)Q代的主要手段之一。2003年世界叉車展覽會的4款叉車?？傮w而言，當今世界叉車形態(tài)設計的趨勢可以用8個字概括：流線、遮蓋、高效、舒適。 1.3研究內容及研究方法 1.3.1設計主要內容 本設計的叉車額定起重量為2000kg，標準載荷中心距為500mm，最大起升高度為3000mm，門架前后傾角為6/12，最大起升速度（滿載）為340mm/s，最大行駛速度為12Km/h，最大爬坡度為18%，最小轉彎半徑為2000mm，前輪胎為6.50-10-10PR，后輪胎為5.00-8-8PR。利用AutoCAD、Pro/E軟件完成叉車變速器、升降油缸、貨叉二維設計及整車三維造型、利用ANSYS軟件對貨叉部分關鍵零部件進行強度、剛度及穩(wěn)定性校核。 1.3.2 研究方法 （1）參考內燃叉車的資料確定總體布局，舉升機構及液壓控制系統(tǒng)的設計方案； （2）根據(jù)已經(jīng)確定的相關資料制定平衡重式電動叉車的總體方案設計； （3）選取關鍵零部件進行強度、剛度及穩(wěn)定性的校核。 具體流程如圖1.1所示： 圖1.1 研究流程圖 第2章 平衡重式電動叉車設計總體方案 2.1 叉車的定義與分類 叉車是指對成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的各種輪式搬運車輛。屬于物料搬運機械。廣泛應用于車站、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?shù)母咝гO備。 叉車分類： 1.越野叉車：其基本構造和工作原理與普通叉車相同，但具有較大的離地間隙，較大的爬坡能力，更好的穩(wěn)定性，采用類似于拖拉機的越野輪胎，有時還采用前后橋驅動，其最大特點就在于具有良好的通過性能和越野性能，可用語城鎮(zhèn)建設工地和管道鋪設等工程建設，如圖2-1所示。 2.集裝箱叉車：除起重量較大和往往采用集裝箱吊具外，工作原理和結構特點與普通平衡重式叉車無異，如圖2-2所示。 3.集裝箱空箱堆高機：空箱堆高機的起重量一般不超過8t，常見為4t，結構類似于集裝箱叉車，雖然起重量不大，但起升高度很大，行駛速度較高，采用特殊的空箱側面集裝箱吊具，如圖2-3所示。 4.集裝箱正面吊運機：集裝箱正面吊運機具有機動性強、作業(yè)效率高、操作簡便等優(yōu)點，已成為集裝箱貨場作業(yè)的一種重要機型，如圖2-4所示。 5.叉裝機：叉裝機在結構上類似于集裝箱正面吊運機，知識個頭小一些，取物裝置還原為貨叉，叉裝機在底盤方面類似與越野叉車，如圖2-5所示。 6.伸縮臂式叉車：建筑材料的卸車和短途運輸，將建筑材料直接投放到作業(yè)點，或給汽車吊、塔吊喂料。 工地各種物料的搬運和場地清理整理。 使用貨叉和吊具搬運塊狀、條狀、不規(guī)格形狀建材；使用料斗搬運散料、平整地面；使用高空作業(yè)平臺進行高空安裝；使用玻璃吸盤安裝幕墻；等如圖2-6所示。 7.側面叉車：側面叉車主要用來裝卸和搬運長大物品如電桿、木材等。側叉的門架位于車身的一側，既可以起升下降，也可以伸出和縮回，能夠將貨物擱在車體右半邊的載物臺上搬運。側面叉車在裝卸貨物時為了保證穩(wěn)定性，應伸出支腿液壓缸。側叉的門架系統(tǒng)除伸出機構外與平衡重式叉車無異，轉向系統(tǒng)類似于汽車，傳動系統(tǒng)采用發(fā)動機后置，由于車身的三分之二被門架導軌槽分割，使車架比較特殊，如圖2-7所示。 8.手動托盤搬運車：手動（液壓）托盤搬運車在使用時將其承載的貨叉插入托盤孔內，由人力驅動液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)托盤貨物的起升和下降，并由人力拉動完成搬運作業(yè)。工作時舵柄的上、下運動用來操作一個類似于液壓千斤頂?shù)难b置，帶動貨叉的后部上升，同時通過一套桿系的傳動，使貨叉前部的輪子下壓，使貨叉的前部也同步升起，起升高度一般不超過300mm，僅限于使貨物離開地面，能夠被順利搬運。舵柄在搬運過程中起牽引桿和轉向舵的作用。手動托盤搬運車是托盤運輸工具中最簡便、最有效、最常見的裝卸、搬運工具。該產品雖然技術含量不高，成本低廉，但用量很大，往往成為企業(yè)出口創(chuàng)匯的拳頭產品。如圖2-8所示。 9.平衡重式電動叉車：車體前方裝有升降貨叉、車體尾部裝有平衡重塊的起升車輛，簡稱叉車。叉車適用于港口、車站和企平衡重式叉車業(yè)內部裝卸、堆垛和搬運成件物品。3噸以下的叉車還可在船艙、 火車車廂和集裝箱內作業(yè)。將貨叉換裝各種屬具后，叉車可搬運多種貨物，如換裝鏟斗可搬運散狀物料等。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50年代初期開始制造叉車。 圖2-1 越野叉車 圖2-2 集裝箱叉車 圖2-3 集裝箱空箱堆高機 圖2-4 集裝箱正面吊運機 圖2-5 叉裝機 圖2-6 伸縮臂式叉車 圖2-7 側面叉車 圖2-8 手動托盤搬運車 2.2 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換和儲存裝置，充電時，將電能轉換為化學能，加以儲存，放電時化學能轉換成電能，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氧化鉛，負極板上的活性物質是海綿狀的純鉛，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，還與充電電流、電解液的相對密度和純度有關。 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式中 P=+=54KW （2.1） ——分別為運行電動機和油泵電動機功率， ——分別為運行電動機和油泵電動機效率 ——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==375A·h （2.2） 式中 T——每作業(yè)班內車輛的凈工作時間 U——蓄電池組的額定電壓 已知蓄電池組容量，通過查表可以選出蓄電池組的型號為 DG-400，容量為400A·h滿足使用要求。 2.3 行走電機的選擇 行走電機驅動傳動系統(tǒng)最終向車輪提供驅動力矩，叉車上驅動行走機構的電動機，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，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，在不同轉速下高效區(qū)寬。 1.行走電動機功率 滿載運行功率： Pm=f(G+Q)Vmax/(3600ηt)=0.02（3400+2000）×12×9.8/（3600×0.86） =4.1KW （2.3） Pe=(1.5～2)Pm=2×4.1=8.2KW （2.4） 所以電動機取10KW的XQ-10： Temax=9549×αPemax/N額=9549×1.2×10/1200=95.49（Nm） （2.5） 傳動比確定： Umax=0.377rn/IminIo→Io=0.377rn額/βIminUmax 0.377×0.59/2×1200/(1.1×0.8×12) (β=1.1) Igmax=(G+Q)(αmax+f)r/TemaxIoηt=9.8×(3400+2000)(0.18+0.02)×0.59/2/95.49×12.63806878×0.86=3(0.7 〈Igmin〈0.8取Igmin=0.8) F-滾動阻力系數(shù)，f=0.02 G+Q-滿載叉車總重（N） Vmax-滿載最大車速，一般為10～15KM/H Ηt-傳動效率，可取0.85～0.90 功率P e=（1.5～2）Pm，原因是上坡時功率最大。 由公式得電動機：行走電動機-XQ-10（10KW） 液壓泵電動機XQD-6（6KW） 轉向電動機XQD-0.55（0.55KW） 行走電動機-XQ-10（10KW）：額定功率10KW，額定電壓75V，額定電流165A，額定轉速1200r/min, 最高工作轉速2000r/min,勵磁方式：串勵，工作制60min，防護等級IP20，電機轉向：雙向，結構形式花鍵出軸，重量135KG，推薦適用叉車與功能1.5-2T行走。 電機的基本參數(shù)如表2-1 表2-1電機的基本參數(shù) 規(guī)格 額定功率 額定電壓 額定電流 額定轉速 XQ-10 10(KW) 75(V) 165(A) 1200(r/min) 勵磁方式 定額 重量 最高工作轉速 電機轉向 串 60min 135kg 2000(r/min) 雙向 2.4 本章小結 本章的主要內容就是了解叉車的定義，通過計算確定蓄電池、行走電動機的型號。 第3章 變速箱設計 3.1變速箱的結構方案 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動，故可以不在變速器上設置倒檔。 變速器的傳動路線示意圖如圖3-1所示： 圖3-1 變速器的傳動路線示意圖 一檔：輸入軸→①→②→③ 二檔：輸入軸→①→④→③ 變速器尺寸如圖3-2，3-3，3-4所示： 圖3-2 變速器主視圖 圖3-3 變速器側視圖 圖3-4 變速器俯視圖 3.1.1中心距的確定 中心距：A=Ktemax(1/3)=11×95.49(1/3)=50.2mm （3.1） 3.1.2齒輪參數(shù)確定 1.模數(shù)：定為3.0mm,Mn=3mm兩個擋模數(shù)都取3mm。 2.壓力角20度 3.螺旋角β=20度 3.1.3 齒輪齒數(shù)確定 1.確定一檔齒輪的齒數(shù) 一檔傳動比為Ig1=Z2/Z1=Igmax=3 斜齒Zh=2Acosβ/Mn=2×50.2×cos20/3=31.448取整為32 Z1+Z2=Zh =32得Z1=8，Z2=23 2.確定二檔齒輪的齒數(shù) 二檔傳動比為Igmin=Z4/Z3=0.8 Zh=2Acosβ/Mn=32 Z3+Z4=Zh=32得Z3=18，Z4=14 3.1.4齒輪其他基本幾何參數(shù) 1.對一檔齒輪進行角度變位 端面嚙合角αt：tgαt=tgα/cosβ=tg20/cos20得αt=21.17° 嚙合角α`：cosα`t=Aocosαt/A`=51.08/52cos21.17=0.9得α`t=23.65° Tgαn=tgαtcosβ→α`n=arctg(tgα`t×cosβ)=22.37° 變位系數(shù)X1+X2=(invα`t-invαt)(Z1+Z2)/2tg αn=(0.025158-0.017777)(8+23)/2×0.36=0.318 分配變位系數(shù)：X1=0.418，X2=-0.1 中心距變動系數(shù)Y=（A`-A）/Mn=(52-50.2)/3=0.6 變位系數(shù)之和X=0.318 齒頂降低系數(shù)△Y=x-y=-0.282 2.一檔一軸齒輪 齒頂高系數(shù)fo=1頂隙系數(shù)C=0.25 分度圓直徑：d1=MnZ1/cosβ=3×8/cos20=25.54 齒頂高Ha1=(fo+X1-△Y)Mn=(1+0.418+0.282)×3=5.1 齒根高Hf1=(fo+c-X1)Mn=(1+0.25-0.418)×3=2.496 齒頂圓直徑Da1=D1+2Ha1=25.54+2×5.1=35.74 齒根高直徑Df1=D1-2Hf1=25.54-2×2.496=20.548 3.一檔二軸齒輪 齒頂高系數(shù)fo=1頂隙系數(shù)C=0.25 分度圓直徑：d2=MnZ2/cosβ=3×23/cos20=73.43 齒頂高Ha2=(fo+X2-△Y)Mn=(1+0.1+0.282)×3=3.546 齒根高Hf2=(fo+c-X2)Mn=(1+0.25+0.1)×3=4.05 齒頂圓直徑Da2=D2+2Ha2=73.43+2×3.546=80.522 齒根高直徑Df2=D2-2Hf2=73.43-2×4.05=65.33 4.一檔齒輪的齒寬系數(shù)取Kc=8.0 則齒寬b=8×3=24mm 3.2 對中心距A進行修正 1.Ao=MnZh/2cosβ=3×32/2×cos20=51.08取整A`=52mm 2.對二檔齒輪進行角度變位 端面嚙合角αt：tgαt=tgα/cosβ=tg20/cos20得αt=21.17° 嚙合角α`t：cosα`t=Aocosαt/A=51.08/52cos21.17=0.9得α`n=23.65° Tgαn=tgαtcosβ→α`n=arctg(tgα`t×cosβ)=22.37° 變位系數(shù)X3+X4=(invα`t-invαt)(Z1+Z2)/2tgαn=(0.025158-0.017777)(18+14)/2×0.36=0.328 分配變位系數(shù)：X3=0.028，X4=0.3 中心距變動系數(shù)Y=（A`-A）/Mn=(52-50.2)/3=0.6 變位系數(shù)之和X=0.328 齒頂降低系數(shù)△Y=x-y=-0.272 3.二檔一軸齒輪 齒頂高系數(shù)fo=1頂隙系數(shù)C=0.25 分度圓直徑：d3=MnZ3/cosβ=3×18/cos20=57.46 齒頂高Ha3=(fo+X3-△Y)Mn=(1+0.028+0.272)×3=3.9 齒根高Hf3=(fo+c-X3)Mn=(1+0.25-0.028)×3=3.666 齒頂圓直徑Da3=D3+2Ha3=57.46+2×3.9=65.26 齒根高直徑Df3=D3-2Hf3=57.46-2×3.666=50.128 4.二檔二軸齒輪 齒頂高系數(shù)fo=1頂隙系數(shù)C=0.25 分度圓直徑：d4=MnZ4/cosβ=3×14/cos20=44.69mm 齒頂高Ha4=(fo+X4-△Y)Mn=(1+0.3+0.272)×3=2mm 齒根高Hf4=(fo+c-X4)Mn=(1+0.25-0.3)×3=2.85mm 齒頂圓直徑Da4=D4+2Ha4=44.69+2×4=48.69mm 齒根高直徑Df4=D4-2Hf4=44.69-2×2.85=38.99mm 5.二檔齒輪的齒寬系數(shù)取Kc=8.0 則齒寬b=8×3=24mm 3.3齒輪校核 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。 3.3.1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。可以把輪齒看作懸臂梁，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，齒根受拉面的最大應力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫，裂縫逐漸擴展到一定深度后，齒輪突然折斷。這種破壞的斷面在疲勞斷裂部分呈光滑表面，在突然斷裂部分呈粗粒狀表面。變速器中齒輪的折斷以疲勞破壞居多數(shù)。 3.3.2齒面點蝕 齒面點蝕是閉式齒輪傳動經(jīng)常出現(xiàn)的一種損壞形式。因閉式齒輪傳動齒輪在潤滑油中工作，齒面長期受到脈動的接觸應力作用，會逐漸產生大量與齒面成尖角的小裂縫。面裂縫中充滿了潤滑油，嚙合時，由于齒面互相擠壓，裂縫中油壓增高，使裂縫繼續(xù)擴展，最后導致齒面表層一塊塊剝落，齒面出現(xiàn)大量扇形小麻點，這就是齒面點蝕現(xiàn)象。若以節(jié)圓為界，把齒輪分為根部及頂部兩段，則靠近節(jié)圓的跟部齒面處，較靠近節(jié)圓的頂部齒面處點蝕嚴重；兩個互相嚙合的齒輪中，主動的小齒輪點蝕嚴重。點蝕的后果不僅是齒面出現(xiàn)許多小麻點，而且由此使齒形誤差加大，產生動載荷，也可能引起輪齒折斷。 3.3.3齒面膠合 高速重載齒輪傳動、軸線不平行的螺旋齒輪傳動及雙曲面齒輪傳動，由于齒面相對滑動速度大，接觸壓力大，使齒面間滑動油模破壞，兩齒面間金屬材料直接接觸，局部溫度過高，互相熔焊粘聯(lián)，齒面沿滑動方向形成撕傷痕跡，這種損壞形式叫膠合。在汽車變速器齒輪中，膠合損壞情況不多。 增大輪齒根部齒厚，加大齒根圓角半徑，采用高齒，提高重合度，增多同時嚙合的輪齒對數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質材料等，都是提高輪齒彎曲疲勞強度的措施。合理選擇齒輪參數(shù)及變位系數(shù)，增大齒廓曲率半徑，降低接觸應力，提高齒面強度等，可提高齒面的接觸強度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤滑油，提高油膜強度，提高齒面強度，選擇適當?shù)凝X面表面處理方法和鍍層等，是防止齒面膠合的措施。 齒輪材料的種類很多，在選擇時應考慮的因素也很多，下述幾點可供選擇材料時參考： 1.齒輪材料必須滿足工作條件的要求。 2.應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝。 3.正火碳鋼。 4.合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。 5.飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼。 現(xiàn)代變速器齒輪的常用材料是20CrMnT 現(xiàn)在這種低碳合金鋼都需隨后的滲碳、淬火處理，以提高表面硬度，細化材料晶粒。為消除內應力，還要進行回火。 變速器齒輪輪齒表面滲碳層深度的推薦范圍如下： 滲碳層深度0.8～1.2mm 3.5＜＜5 滲碳層深度0.9～1.3mm 滲碳層深度1.0～1.6mm 滲碳齒輪在淬火、回火后，要求輪齒的表面硬度為58～63HRC，心部硬度為33～48HRC。 變速器齒輪大都采用滲碳合金鋼制造，使輪齒表面的高硬度與輪齒心部的高韌性相結合，大大提高了其接觸強度、彎曲強度及耐磨性。在選擇齒輪的材料及熱處理時也應考慮其加工性能及制造成本。 3.3.4齒輪彎曲強度計算 （1）Z1斜齒輪彎曲應力δw1=F1kδ/BtyKε= 2TemaxcosβKδ/ЛZ1M3nYKcKε=2×95490×cos20×1.5/3.14×8×3×3×3×0.18×8×2=137.8Mpa （2）Z3斜齒輪彎曲應力δw3=2TemaxcosβKδ/ЛZ3M3nYKcKε=2×95490×cos20×1.5/3.14×8×3×3×3×0.11×8×2=100.2Mpa （3）電動機最扭矩為95.49N×M，齒輪傳動效率99%，離合器傳動效率99%，軸承傳動效率96%，二軸Z2斜齒輪T2=Temaxη承η齒Igmax=95.49×0.96×0.99×3=272.261N×N，Z2斜齒輪彎曲應力δw2=2T2cosβKδ/ЛZ2M3nYKcKε=2×272261×cos20×1.5/3.14×23×3×3×3×0.1×8×2=246Mpa （4）電動機最扭矩為95.49N×M，齒輪傳動效率99%，離合器傳動效率99%，軸承傳動效率96%，二軸Z4斜齒輪T4=Temaxη承η齒Igmin=95.49×0.96×0.99×0.8=72.6N×m，Z4斜齒輪彎曲應力δw4=2T4cosβKδ/ЛZ4M3nYKcKε=2×72600×cos20×1.5/3.14×14×3×3×3×0.14×8×12=120.98Mpa （1）（2）（3）（4）許用應力在100~250Mpa范圍內，所以彎曲強度滿足要求。 3.3.5齒輪接觸應力計算 1.一檔一、二軸齒輪的計算 主動齒輪Z1節(jié)圓半徑Rz=D1/2=2A/2(Z2/Z1+1)=52/(23/8+1)=13.41mm 從動齒輪Z2節(jié)圓半徑Rb=D2/2=U1/2=2UA/2（U+1）=AU/U+1=38.58mm 主動齒輪節(jié)點曲率半經(jīng)Pz=Rzsinα/cosβ2=13.4×sin20/cos20/cos20=5.19mm 從動齒輪節(jié)點曲率半徑Pbsinα/cos2=38.58sin20/cos20/cos20=14.94mm 輪齒接觸應力δj=0.418TemaxE/dcosαcosβxb(1/5.19+1/14.94)=1939Mpa將作用在變速器第一軸上的載荷Temax/2作為計算載荷時，對于滲碳齒輪，一檔的許用接觸應力1900~2000Mpa,所以強度滿足要求。 2.二檔齒輪強度校合過程與一檔相同，此處不再列舉。 3.4 軸設計 1.軸的功用及其設計要求 變速器在工作是承受力扭矩、彎矩，因此應具備足夠的強度和剛度。軸的鋼的不足，在負荷作用下，軸會產生過大的變形，影響齒輪的正常嚙合，產生過大的噪聲，并會降低齒輪的使用壽命。這一點很重要，與其它零件的設計不同。 設計變速器軸時主要考慮以下幾個問題：軸的結構形狀，軸直徑、長度、軸的強的和剛度，軸上花鍵型式和尺寸。 軸的結構主要依據(jù)變速器結構布置的要求，并考慮加工工藝，裝配工藝而最后確定。 2. 軸的結構設計 軸的結構形狀應保證齒輪、同步器部件及軸承等安裝、固定。并與工藝要求有密切關系。 第一軸安裝同步器齒轂的花鍵采用漸開線花鍵，漸開線花鍵固定連接的精度要求比矩形花鍵低，定位性能好，承載能力大，花鍵齒短，其小徑相應增大，可提高軸的剛度。選用漸開線花鍵是以大徑定心更合適。第一軸各檔齒輪與軸之間有相對旋轉運動，因此，無論裝滾針軸承、襯套還是鋼件對鋼件直接接觸，軸的表面粗糙度均要求很高，不應低于0.8。表面硬度不應低于58～63HRC。 第二軸通常和齒輪做成一體，為了便于裝拆第二軸，軸承與齒輪之間用花鍵連接，其直徑根據(jù)兩端軸承內徑確定。 3.4.1 初選軸的直徑 第一軸花鍵部分直徑D1=Ktemax1/3=(495.49)1/3=18.28 第二軸D/L=0.18～0.21取第一軸的最細處軸徑為D1=20mm 第二軸中部（最粗）直徑D=23.4mm 支承間距離L=23.4/0.18～0.21=111.4～130mm取120mm. 3.4.2 軸的剛度驗算 1. 若軸在垂直面內撓度為，在水平面內撓度為和轉角為δ，可分別用下式計算 （3.2） （3.3） （3.4） 式中：——齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）； ——齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）； ——彈性模量（MPa），=2.06×105MPa； ——慣性矩（mm4），對于實心軸，； ——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計算； 、——齒輪上的作用力距支座、的距離（mm）； ——支座間的距離（mm）。 軸的全撓度為mm。 軸在垂直面和水平面內撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉角不應超過0.002rad。 一軸的剛度受力變形如圖3-5所示 a b L δ Fr 圖3-5 一軸的剛度受力變形示意圖 一檔時 ，，mm，，mm，mm =0.0465mm =0.0515 =0.00108rad0.002rad 二檔時 ，，mm，mm，，mm， =0.064mm =0.0578 =0.00144rad0.002rad 2. 二軸的剛度受力變形如圖3-6所示 a b L δ Fr 圖3-6 二軸的剛度受力變形示意圖 一檔時 ，，mm，，mm，mm =0.0465mm =0.0515 =0.00108rad0.002rad 二檔時 ，，mm，mm，，mm， =0.067mm =0.0608 =0.00152rad0.002rad 3.4.3 軸的強度計算 作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直平面內彎曲變形，而圓周力使軸在水平面彎曲變形。先求取支點的垂直面和水平面內的反力，計算相應的垂向彎矩、水平彎矩。則軸在轉矩和彎矩的同時作用下，其應力為： (3.5) 式中: (MPa)； 為軸的直徑(mm)，花鍵處取內徑； 為抗彎截面系數(shù)(mm2)，在低擋工作時，≤400MPa。 1．一軸的強度校核 N·mm；；；；；；；； 一檔時撓度最大，最危險，因此校核。 求水平面內支反力、和彎矩 += (3.6) (3.7) 由以上兩式可得=2144.88N，=12268.09N，=547523.52N·mm 求垂直面內支反力、和彎矩 += (3.8) (3.9) 由以上兩式可得=2640.95N，=1838.95N，=674155.93N.mm，=1051917.87N·mm 按第三強度理論得： N·mm 3.4.4 變速器軸承的選擇 圖3-7 一軸軸承受力圖 一軸軸承選擇角接觸球軸承 一軸軸承受力圖如上圖3-7所示 初選軸承的型號為7003AC， d=17mm D=35mm B=10mm =6.3KN =3.68 質量 w=0.36kg 油潤滑時極限轉速為2200r/min 1.初選軸承的型號為32308[14]，正裝；=2467.46N，=2824.24N，=2640.95N。， 2.求豎直面內支反力 += 2640.95+=2467.46 =-173.49 3.內部附加力、，由機械設計手冊查得Y=1.7 4.軸向力和 由于 所以軸承2被放松，軸承1被壓緊 5.求當量動載荷 查機械設計課程設計得，，， 徑向當量動載荷,因為 查機械設計手冊得：， 取所以 6.校核軸承壽命 預期壽命 ，為壽命系數(shù)，對球軸承=3；對滾子軸承=10/3。 =143639h＞=24000h合格 圖3-8 二軸軸承受力圖 二軸軸承選擇角接觸球軸承,二軸軸承受力圖如上圖3-8所示, 初選軸承的型號為7003AC，d=17mm D=35mm B=10mm,=6.3KN =3.68 質量 w=0.36kg,油潤滑時極限轉速為2200r/min。 3.5 本章小結 本章的主要內容就是確定變速箱的結構方案、計算中心距尺寸及修正中心距、各齒輪的尺寸及校合、軸設計及校合、軸承的選擇及校合。 第4章 貨叉、門架、叉架及整車建模 4.1 Pro/E軟件簡介 1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點及主要模塊進行簡單的介紹。 主要特性 全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。 Pro/E是基于草圖特征的三維建模軟件，Pro/E通過對三維實體的精確建模及裝配來生成最終的產品。Pro/E中裝配的模型的構造是由各種特征來組合生成的，零件的設計過程就是特征的累積過程。下面對主要零部件做詳細的建模過程分析，因其尺寸較多在步驟中不作詳細說明。繪圖時參照如圖工具 利用PRO/E軟件構建叉車的模型，主要應用了拉伸、旋轉、鏡像等基本操作。 本次對叉車的設計，主要針對外門架、內門架、貨叉、叉架、整車等部件的設計 4.2貨叉尺寸計算 貨叉應該實現(xiàn)標準化生產，尤其是與掛鉤有關的尺寸和叉架的安裝尺寸等，這樣才便于各種取物裝置的互換。我國根據(jù)國際標準化組織（ISO）的相關標準，制定了掛鉤型貨叉尺寸、掛鉤型貨叉和叉架的安裝尺寸等國家標準。 GB/T5183-2005《叉車 貨叉 尺寸》中，規(guī)定了掛鉤型貨叉的橫截面和貨叉水平段長度的推薦尺寸，見表4-1、表4-2、表4-3中打X的為推薦截面尺寸。 表4-1 貨叉水平段長度系列 長度/mm 750 800 900 950 1000 1050 1150 1200 1350 1500 1600 1650 1800 2000 2400 表4-2 貨叉截面尺寸系列 貨叉厚度/mm 貨叉寬度/mm 80 100 120 130 140 150 160 180 200 25 X 30 X X 35 X X X 40 X X X X 45 X X X X X 50 X X X X X X 60 X X X X X 70 X X X 80 X X 90 X 表4-3 貨叉安裝尺寸 起重量/t 載荷中心距/mm 貨叉形式 a B H1 H2 H3 M1 M2 C1 C2 K1 K2 e q 0.5~ 0.75 400 A 76 331 394 307 305 28 26 17.5 16 14 13 16 8 B 114 432 1~2.5 500 A 76 407 470 383 381 31 29 17.5 16 14 13 16 8 B 152 546 2.7~4.75 500 A 76 508 568 478 476 40 38 23 21.5 17 16 19 10 B 203 695 5~6.3 600 A 127 635 743 599 597 47 45 27 21.5 20 19 19 12 B 254 870 貨叉長度L大于2C=1000mm 見書《叉車構造與設計》P97表6-1，取L=1050mm 貨叉安裝尺寸見書P98表6-3 其重量2t載荷中心距500mm 貨叉形式取B得 a=152mm b=407mm h1=546mm h2=383mm h3=381mm M1=31mm M2=29mm C1=17.5mm C2=16mm K1=14mm K2=13mm e=16mm q=8mm 貨叉截面尺寸：寬度取150mm,厚度取45mm 貨叉的強度計算：彎曲正應力δw=Mmax/W=PC/a2b/6=0.319035983kg/mm P=Q/2=1000 kg 軸向應力：δ1=P/F=P/ab=1000/152×407=0.016164489kg/mm，δmax=δw+δ1≤[δ]= δs/n=0.335200472 貨叉的剛度計算：叉尖的饒度為：fz=pcl/Ei[c/l(3l-c)+6e+2h]小于[f] [f]=l/50=21，P=Q/2=1000kg，I=a3b/12=152×152×152×407/12=119滿足要求。 本設計取值如圖4-4，4-5 所示： 圖4-4 貨叉?zhèn)纫晥D 圖4-5 貨叉正視圖 4.3車體尺寸設計 4.3.1車體設計內容 （1）總體參數(shù) 噸位、起升高度、自由提升高度、轉彎半徑、軸距、輪距、運行速度等。 （2）方案選型 發(fā)動機、轉動形式、轉向形式、制動形式、門架形式等。 （3）總體計算 自重與軸載計算，牽引計算，機動性能計算，制動性能計算、穩(wěn)定性計算。 （4）總體布置安裝、外形、限制尺寸等。 4.3.2車體設計步驟 （1）下達整機設計任務書 總體參數(shù)、技術形式、完成日期等 （2）進行總體計算 由總體參數(shù)計算出所需要的牽引性能、機動性、制動性等總體性能。 （3）進行總體布置 排尺寸鏈、畫總圖、定限制尺寸。 （4）下達各部件設計任務書 傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、門架系統(tǒng)等。 （5）進行部件設計與協(xié)調 檢驗尺寸與性能參數(shù)上的沖突、進行協(xié)調、修改。 （6）總體性能驗算 修改后重新計算，出設計計算書。 （7）出全套圖樣 進行全部技術與工藝設計。 總體設計與部件設計有時是交叉的，當總體設計規(guī)定的性能參數(shù)與尺寸布置與各部件設計時的實際情況有出入，或無法實現(xiàn)，或有沖突是，需要進行協(xié)調、修改，反復設計，直達滿足各方面要求為止。 叉車總體布局尺寸見圖4-6，4-7，4-8： 圖4-6 叉車車體側視圖 圖4-7 叉車車體俯視圖 圖4-8 叉車Pro/E標準方向圖 4.4檔板尺寸設計 4.4.1特征建模思想 “特征’’的概念在現(xiàn)代設計中應用越來越廣泛。在Pro／E中，特征是指構成圖形的一組具有特定含義的圖元，是設計者在一個設計階段完成的全部圖元的總和。 Pro／E的特征建模思想為操作和管理圖形上的圖元提供了極大的方便。一個三維實體模型就是由數(shù)量總多的特征以“搭積木”的方式組織起來。因此，特征是模型結構和操作的基本單位，模型創(chuàng)建過程也就是按一定順序依次向模型中添加各類特征的過程。 一個模型上特征數(shù)量的多少對模型有較大的影響。一般來說，減少特征數(shù)量具有以下優(yōu)點。 （1）減少模型再生時間：再生模型時，要根據(jù)特征創(chuàng)建的先后順序重繪各個特征。因此，特征越多，花費時間也越長，不便于模型的后續(xù)處理。 （2）減少模型文件大小。特征越多，相對來說，模型文件越大，這不便模型文件的存儲。 （3）方便對特征的操作和管理。模型上的特征越少，模型的層次結構越清晰，模型之間的關系越簡單。一方面，便于用戶弄清楚模型的組成；另一方面，減少特征數(shù)量可以減少各個特征之間復雜的父子關系，方便了對模型的編輯和修改，降低模型再生失敗的幾率。因此在使用軟件進行三維實體建模時，一般應該在滿足設計要求的前提下盡量減少模型上特征的數(shù)量。 減少特征數(shù)量的方法較多，例如可以采用以下方法。 （1）通過創(chuàng)建復雜的二維草繪截面來減少特征數(shù)量。將多個特征的草繪截面合并為一個截面，從而減少特征數(shù)量。 （2）一次特征創(chuàng)建中盡量合并參數(shù)相同的結構為一個特征。在一個特征創(chuàng)建過程中因該盡可能多地選取參數(shù)相同的參照來放置特征。例如在創(chuàng)建倒圓角特征時，如果一些邊線處放置的圓角半徑相同，則應將其歸并為一個圓角特征。 （3）使用復制、陣列和鏡像幾何形狀等方法創(chuàng)建特征。例如：在叉車起升系統(tǒng)中，大約有40多個零件組成，由于零件具有結構的對稱性，所以在這里運用了很多鏡像功能?，F(xiàn)以擋貨架為例闡述建模過程。由于當貨架的特征比較多，我們采用截面復雜化來創(chuàng)建拉伸特征，由于左右是對稱，所以只用畫出一半，然后通過中心線鏡像出另一半，如圖4-9，4-10所示： 圖4-9 叉車檔板主視圖 圖4-10 叉車檔板側視圖 4.4.2起升系統(tǒng)的裝配 在Pro／E中，零件裝配是通過定義零件模型之間的裝配約束來實現(xiàn)的，也就是在各零件之間建立的一定的鏈接關系，并對其進行約束，從而確定各個零件在空間的具體位置關系∞。 4.4.3元件的約束類型及其放置參照 零件裝配是通過定義零件模型之間的裝配約束來實現(xiàn)的。用戶可以直接在零件上點選裝配參考幾何，如匹配、對齊、相切等，同時在偏移選項可選擇重合、定向、偏移距，現(xiàn)介紹如下： （1）匹配：兩個曲面或基準平面法線方向相反或相貼合。 （2）對齊：使兩個平面共面重合，兩條軸線同軸以及使其兩個點重合。 （3）相切：控制兩個曲面在切點處接觸。 （4）插入：將～個旋轉曲面插入到另一個旋轉曲面中并同軸。當選取某個軸作為約束參照無效或選取不方便時可以用該約束。 叉車起升系統(tǒng)的裝配采用自頂向下、由里到外的裝配順序，先把起升系統(tǒng)分成三部分，分別為內門架、外門架、門架外