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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
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(chǎn)和需求量每年的增幅均達(dá)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(fèi)市場。這種快速增長的勢頭持續(xù)到2008 年，直至被金融危機(jī)的爆發(fā)打斷。金融危機(jī)的突然到來，致使中國叉車的產(chǎn)銷量和出口量都出現(xiàn)了大幅下降。由于中國物流產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了十大產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃，中國叉車業(yè)又蓬勃發(fā)展起來。我國內(nèi)燃平衡重式叉車約占總銷量的80%，而全球叉車銷量中電動(dòng)叉車比重超過了50%。這是因?yàn)樵跉W、美、日的叉車市場上，電動(dòng)叉車已成為主流產(chǎn)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(yùn)行成本等因素，較長時(shí)間內(nèi)我國的叉車需求仍將傾向于使用內(nèi)燃叉車。近年來，各叉車公司皆以產(chǎn)品種類、系列的多樣化去充分適應(yīng)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(jié)構(gòu)、新車型，以多品種小批量滿足用戶的個(gè)性化需求。內(nèi)燃叉車以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，功率強(qiáng)勁，使用范圍廣，缺點(diǎn)是排氣和噪聲污染環(huán)境，有害人類健康。環(huán)保要求推動(dòng)了動(dòng)力技術(shù)的更新，如：上世紀(jì)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(qiáng)勁；現(xiàn)在林德3噸內(nèi)燃平衡重式叉車尾氣排放符合歐洲Ⅱ號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)叉車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無廢氣排放、噪聲小等突出優(yōu)點(diǎn)，是室內(nèi)物料搬運(yùn)的首選工具，但其受電瓶容量限制，功率小，作業(yè)時(shí)間短。對室內(nèi)作業(yè)、靠近人群作業(yè)以及整個(gè)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(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣催化、凈化技術(shù)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(dòng)力叉車將進(jìn)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(jià)格方面的劣勢，批量進(jìn)入市場，微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對提高叉車業(yè)整體水平，實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能，以及保證整機(jī)及系統(tǒng)的安全性、控制性和自動(dòng)化水平的作用將更加明顯，使電子與機(jī)械、電子與液壓的結(jié)合更加密切。未來叉車的發(fā)展在于其電子技術(shù)的應(yīng)用水平。如：林德電動(dòng)前移式叉車采用感應(yīng)式電子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向力極微。實(shí)現(xiàn)以微處理器為核心的機(jī)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(dòng)車輛，傳統(tǒng)的電阻調(diào)速控制器已被淘汰，而新型MＯSFET晶體管因其門極驅(qū)動(dòng)電流小，并聯(lián)控制特性好且有軟、硬件自動(dòng)保護(hù)和硬件自診斷功能等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛采用。串勵(lì)和他勵(lì)控制器仍是市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，交流控制技術(shù)則處于起步階段。隨著交流調(diào)速控制系統(tǒng)成本的降低與閉式交流電機(jī)技術(shù)的成熟，交流電機(jī)叉車將會(huì)因其功率大、維護(hù)性能好而取代直流電機(jī)叉車。采用電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與動(dòng)力轉(zhuǎn)向比可節(jié)能25%，它可根據(jù)叉車使用工作狀況，適時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)速可節(jié)能20%，釋放式再生制動(dòng)可節(jié)能5%～8%，采用液壓電機(jī)控制器和負(fù)載勢能回收技術(shù)可分別節(jié)能20%和5%。駕駛員的舒適感對保證叉車高效運(yùn)行非常重要。叉車的駕駛座具有全方位的調(diào)節(jié)功能：座椅靠背可向后或向前傾斜，座椅彈簧可進(jìn)行調(diào)節(jié)，座椅可向后或向前移動(dòng)。各叉車公司不斷優(yōu)化改進(jìn)叉車人機(jī)界面，使操縱簡便省力、迅速準(zhǔn)確，充分發(fā)揮人機(jī)效能，提高作業(yè)效率。例如，配備醒目的數(shù)字化儀表、報(bào)警裝置以及故障檢測自動(dòng)儀器，實(shí)現(xiàn)工作狀況的在線監(jiān)控；采用浮動(dòng)駕駛室(可移動(dòng)、升降)，使操縱者獲得全方位視野；以集中手柄控制替代多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)配置。
在全球叉車市場格局中，豐田和林德遙遙領(lǐng)先，年銷售收入超過50億美元；而安叉和杭叉在國內(nèi)叉車市場上稱雄，合計(jì)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(jià)比優(yōu)勢突出以及出口退稅導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)出口沖動(dòng)等理由，預(yù)計(jì)未來中國叉車出口仍將保持較快增速，未來3年，國內(nèi)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(jìn)力。雖然我國現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產(chǎn)起重量從0.5噸到45噸各種型號(hào)的電動(dòng)叉車，但每年仍有近兩億美元的電動(dòng)叉車進(jìn)口。據(jù)1996年的海關(guān)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)年電動(dòng)叉車進(jìn)口1.67億美元，相當(dāng)于電動(dòng)叉車行業(yè)的年產(chǎn)值，其中集裝箱電動(dòng)叉車和電動(dòng)叉車進(jìn)口0.5億美元。在這些進(jìn)口電動(dòng)叉車當(dāng)中有些是必要的，有些則完全可以在國內(nèi)采購。需要指出的是，盡管電動(dòng)叉車產(chǎn)品已列入進(jìn)口商檢的目錄，按規(guī)定在1997年7月1日后進(jìn)口的電動(dòng)叉車必須進(jìn)行商檢，但到目前為止進(jìn)口電動(dòng)叉車還沒有進(jìn)行專業(yè)性的商檢。而我國電動(dòng)叉車出口卻在實(shí)行出口許可證制度，需要進(jìn)行專業(yè)性的商檢，達(dá)到一等品后才能出口。以至于在國內(nèi)投資的外商不解地感嘆道：“向中國進(jìn)口電動(dòng)叉車易，從中國出口電動(dòng)叉車難。”而實(shí)際上進(jìn)口電動(dòng)叉車的個(gè)別項(xiàng)目如“超載25%安全性”是不符合我國電動(dòng)叉車技術(shù)要求的。在目前我國的使用狀況下，極易發(fā)生縱向傾翻，導(dǎo)致人身及財(cái)產(chǎn)的損害。由此可看，電動(dòng)叉車在可靠性、舒適性方面距發(fā)達(dá)國家水平依然較大, 因此對平衡重式電動(dòng)的開發(fā)任重道遠(yuǎn)。
當(dāng)前，平衡重式電動(dòng)叉車市場的競爭日益激烈，要求平衡重式電動(dòng)叉車產(chǎn)品技術(shù)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(shù)和物流設(shè)施與物流發(fā)達(dá)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(shè)備的認(rèn)識(shí)加深, 我國國際貿(mào)易的日益加強(qiáng), 外國企業(yè)介入中國市場帶來先進(jìn)的物流經(jīng)驗(yàn)。我國的平衡重式電動(dòng)叉車發(fā)展前景非常好。但相對于內(nèi)燃叉車穩(wěn)定性較差，為滿足機(jī)動(dòng)性能高要求，平衡重式電動(dòng)叉車設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，應(yīng)用AutoCAD （AutoCAD是由美國Autodesk公司于二十世紀(jì)八十年代初為微機(jī)上應(yīng)用CAD技術(shù)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(gè)性，它已經(jīng)在航空航天、造船、建筑、機(jī)械、電子、化工、美工、輕紡等很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了豐碩的成果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益）、當(dāng)前CAD領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、機(jī)車、自行車、航天、家電、玩具等各行業(yè)．PRO/E可謂是個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，整合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、數(shù)控加工、板金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測量、機(jī)構(gòu)模擬、應(yīng)力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能于一體）、有限元軟件ANSYS，進(jìn)行平衡重式電動(dòng)叉車的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性等方面的計(jì)算機(jī)仿真研究與分析，為我國電動(dòng)叉車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、技術(shù)開發(fā)方面提供更多的理論參考，進(jìn)一步提高電動(dòng)叉車的穩(wěn)定性和可靠性。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國叉車工業(yè)起步于 20世紀(jì)五、六十年代。在原機(jī)械工業(yè)部的領(lǐng)導(dǎo)下，挑選國內(nèi)幾家企業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行共同開發(fā)、聯(lián)合設(shè)計(jì)，然后以當(dāng)時(shí)計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的模式，根據(jù)叉車的不同型號(hào)(噸位)分配給各家企業(yè)進(jìn)行制造生產(chǎn)。進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代后，計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的束縛逐漸減輕，各家企業(yè)根據(jù)自身的技術(shù)、資源力量，在原來的型號(hào)基礎(chǔ)上向上、向下延伸，普遍建立起一套不同型號(hào)的產(chǎn)品系列，技術(shù)上主要以動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)作為核心。20世紀(jì)90年代中后期，隨著國際上 Linder、Toyota等大公司產(chǎn)品的進(jìn)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(nèi)企業(yè)在車身的鈑金工藝、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、裝配加工工藝等領(lǐng)域投入了很大的技改力度，引進(jìn)了大批數(shù)控加工設(shè)備和流水線，在技術(shù)、工藝上有了很大的提高。但是國內(nèi)企業(yè)在設(shè)計(jì)上相對滯后 ，主要以模仿日本企業(yè)的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì) 新鋒銳 (New Edge)風(fēng)格的影響，叉車形態(tài)在原流 線型的基礎(chǔ)上增加了一些堅(jiān)挺的塊狀輪廓明顯的線條，流暢中彰顯力量、圓潤中蘊(yùn)涵挺拔，叉車形態(tài)隨社會(huì)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(huì)的4款叉車?？傮w而言，當(dāng)今世界叉車形態(tài)設(shè)計(jì)的趨勢可以用8個(gè)字概括：流線、遮蓋、高效、舒適。
1.3研究內(nèi)容及研究方法
1.3.1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的叉車額定起重量為2000kg，標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)及整車三維造型、利用ANSYS軟件對貨叉部分關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核。
1.3.2 研究方法
（1）參考內(nèi)燃叉車的資料確定總體布局，舉升機(jī)構(gòu)及液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；
（2）根據(jù)已經(jīng)確定的相關(guān)資料制定平衡重式電動(dòng)叉車的總體方案設(shè)計(jì)；
（3）選取關(guān)鍵零部件進(jìn)行強(qiáng)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(dòng)叉車設(shè)計(jì)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(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸作業(yè)的各種輪式搬運(yùn)車輛。屬于物料搬運(yùn)機(jī)械。廣泛應(yīng)用于車站、港口、機(jī)場、工廠、倉庫等國民經(jīng)濟(jì)各部門，是機(jī)械化裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸?shù)母咝гO(shè)備。
叉車分類：
1.越野叉車：其基本構(gòu)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(jī)的越野輪胎，有時(shí)還采用前后橋驅(qū)動(dòng)，其最大特點(diǎn)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(shè)工地和管道鋪設(shè)等工程建設(shè)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jī)：空箱堆高機(jī)的起重量一般不超過8t，常見為4t，結(jié)構(gòu)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(cè)面集裝箱吊具，如圖2-3所示。
4.集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)：集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，已成為集裝箱貨場作業(yè)的一種重要機(jī)型，如圖2-4所示。
5.叉裝機(jī)：叉裝機(jī)在結(jié)構(gòu)上類似于集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)，知識(shí)個(gè)頭小一些，取物裝置還原為貨叉，叉裝機(jī)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(yùn)輸，將建筑材料直接投放到作業(yè)點(diǎn)，或給汽車吊、塔吊喂料。 工地各種物料的搬運(yùn)和場地清理整理。
使用貨叉和吊具搬運(yùn)塊狀、條狀、不規(guī)格形狀建材；使用料斗搬運(yùn)散料、平整地面；使用高空作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行高空安裝；使用玻璃吸盤安裝幕墻；等如圖2-6所示。
7.側(cè)面叉車：側(cè)面叉車主要用來裝卸和搬運(yùn)長大物品如電桿、木材等。側(cè)叉的門架位于車身的一側(cè)，既可以起升下降，也可以伸出和縮回，能夠?qū)⒇浳飻R在車體右半邊的載物臺(tái)上搬運(yùn)。側(cè)面叉車在裝卸貨物時(shí)為了保證穩(wěn)定性，應(yīng)伸出支腿液壓缸。側(cè)叉的門架系統(tǒng)除伸出機(jī)構(gòu)外與平衡重式叉車無異，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類似于汽車，傳動(dòng)系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)后置，由于車身的三分之二被門架導(dǎo)軌槽分割，使車架比較特殊，如圖2-7所示。
8.手動(dòng)托盤搬運(yùn)車：手動(dòng)（液壓）托盤搬運(yùn)車在使用時(shí)將其承載的貨叉插入托盤孔內(nèi)，由人力驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)托盤貨物的起升和下降，并由人力拉動(dòng)完成搬運(yùn)作業(yè)。工作時(shí)舵柄的上、下運(yùn)動(dòng)用來操作一個(gè)類似于液壓千斤頂?shù)难b置，帶動(dòng)貨叉的后部上升，同時(shí)通過一套桿系的傳動(dòng)，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(yùn)。舵柄在搬運(yùn)過程中起牽引桿和轉(zhuǎn)向舵的作用。手動(dòng)托盤搬運(yùn)車是托盤運(yùn)輸工具中最簡便、最有效、最常見的裝卸、搬運(yùn)工具。該產(chǎn)品雖然技術(shù)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(chǎn)品。如圖2-8所示。
9.平衡重式電動(dòng)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(nèi)部裝卸、堆垛和搬運(yùn)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(nèi)作業(yè)。將貨叉換裝各種屬具后，叉車可搬運(yùn)多種貨物，如換裝鏟斗可搬運(yùn)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(jī) 圖2-4 集裝箱正面吊運(yùn)機(jī)
圖2-5 叉裝機(jī) 圖2-6 伸縮臂式叉車
圖2-7 側(cè)面叉車 圖2-8 手動(dòng)托盤搬運(yùn)車
2.2 蓄電池的選擇
電動(dòng)叉車是指以電來進(jìn)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(chǔ)存裝置，充電時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，加以儲(chǔ)存，放電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，輸送給電動(dòng)機(jī)。
蓄電池由正、負(fù)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(shí)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(fù)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(diǎn)是：持續(xù)放電時(shí)間長，放電電流比較均勻，不能隨時(shí)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(shí)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(dòng)叉車一般選用額定電壓為48v，每個(gè)蓄電池2v的電壓，有12個(gè)電池組成。
對于電動(dòng)叉車，所有的電機(jī)使用同一個(gè)電池組，可由下式折算所需要的功式中
P=+=54KW （2.1）
——分別為運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和油泵電動(dòng)機(jī)功率，
——分別為運(yùn)行電動(dòng)機(jī)和油泵電動(dòng)機(jī)效率
——油泵電動(dòng)機(jī)的工作持續(xù)率，即叉車一個(gè)作業(yè)循環(huán)中，油泵電動(dòng)機(jī)工作持續(xù)時(shí)間與叉車工作循環(huán)時(shí)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(nèi)車輛的凈工作時(shí)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(hào)為
DG-400，容量為400A·h滿足使用要求。
2.3 行走電機(jī)的選擇
行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)最終向車輪提供驅(qū)動(dòng)力矩，叉車上驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，稱為牽引電動(dòng)機(jī)，經(jīng)常采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)。這是由于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有軟的機(jī)械特性，能適應(yīng)車輛的運(yùn)行要求，且比較經(jīng)濟(jì)。這種電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，電樞電流增大時(shí)，磁極的磁通也增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不僅由于電動(dòng)機(jī)電樞電流增加而提高，同時(shí)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(dòng)機(jī)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(lì)電動(dòng)機(jī)用于車輛牽引的優(yōu)點(diǎn)有：可以帶載啟動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)無需離合器；能正反轉(zhuǎn)，無需倒檔，具有自動(dòng)適應(yīng)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(hù)蓄電池、延長其使用壽命有利；與液力傳動(dòng)相比，在不同轉(zhuǎn)速下高效區(qū)寬。
1.行走電動(dòng)機(jī)功率
滿載運(yùn)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(dòng)機(jī)取10KW的XQ-10：
Temax=9549×αPemax/N額=9549×1.2×10/1200=95.49（Nm） （2.5）
傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率，可取0.85～0.90
功率P e=（1.5～2）Pm，原因是上坡時(shí)功率最大。
由公式得電動(dòng)機(jī)：行走電動(dòng)機(jī)-XQ-10（10KW）
液壓泵電動(dòng)機(jī)XQD-6（6KW）
轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)XQD-0.55（0.55KW）
行走電動(dòng)機(jī)-XQ-10（10KW）：額定功率10KW，額定電壓75V，額定電流165A，額定轉(zhuǎn)速1200r/min, 最高工作轉(zhuǎn)速2000r/min,勵(lì)磁方式：串勵(lì)，工作制60min，防護(hù)等級(jí)IP20，電機(jī)轉(zhuǎn)向：雙向，結(jié)構(gòu)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(jī)的基本參數(shù)如表2-1
表2-1電機(jī)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
XQ-10
10(KW)
75(V)
165(A)
1200(r/min)
勵(lì)磁方式
定額
重量
最高工作轉(zhuǎn)速
電機(jī)轉(zhuǎn)向
串
60min
135kg
2000(r/min)
雙向
2.4 本章小結(jié)
本章的主要內(nèi)容就是了解叉車的定義，通過計(jì)算確定蓄電池、行走電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。
第3章 變速箱設(shè)計(jì)
3.1變速箱的結(jié)構(gòu)方案
傳動(dòng)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(dòng)機(jī)可以雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，故可以不在變速器上設(shè)置倒檔。
變速器的傳動(dòng)路線示意圖如圖3-1所示：
圖3-1 變速器的傳動(dòng)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(cè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(jìn)行修正
1.Ao=MnZh/2cosβ=3×32/2×cos20=51.08取整A`=52mm
2.對二檔齒輪進(jìn)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(dòng)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(diǎn)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(yīng)力很大，過渡圓角處又有應(yīng)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(dǎo)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(fù)載荷的作用，齒根受拉面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫，裂縫逐漸擴(kuò)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(diǎn)蝕
齒面點(diǎn)蝕是閉式齒輪傳動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)的一種損壞形式。因閉式齒輪傳動(dòng)齒輪在潤滑油中工作，齒面長期受到脈動(dòng)的接觸應(yīng)力作用，會(huì)逐漸產(chǎn)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(shí)，由于齒面互相擠壓，裂縫中油壓增高，使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最后導(dǎo)致齒面表層一塊塊剝落，齒面出現(xiàn)大量扇形小麻點(diǎn)，這就是齒面點(diǎn)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(diǎn)蝕嚴(yán)重；兩個(gè)互相嚙合的齒輪中，主動(dòng)的小齒輪點(diǎn)蝕嚴(yán)重。點(diǎn)蝕的后果不僅是齒面出現(xiàn)許多小麻點(diǎn)，而且由此使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)、軸線不平行的螺旋齒輪傳動(dòng)及雙曲面齒輪傳動(dòng)，由于齒面相對滑動(dòng)速度大，接觸壓力大，使齒面間滑動(dòng)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(dòng)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(shí)嚙合的輪齒對數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質(zhì)材料等，都是提高輪齒彎曲疲勞強(qiáng)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(yīng)力，提高齒面強(qiáng)度等，可提高齒面的接觸強(qiáng)度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤滑油，提高油膜強(qiáng)度，提高齒面強(qiáng)度，選擇適當(dāng)?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(shí)應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點(diǎn)可供選擇材料時(shí)參考：
1.齒輪材料必須滿足工作條件的要求。
2.應(yīng)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(dòng)，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)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(xì)化材料晶粒。為消除內(nèi)應(yīng)力，還要進(jìn)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(jié)合，大大提高了其接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及耐磨性。在選擇齒輪的材料及熱處理時(shí)也應(yīng)考慮其加工性能及制造成本。
3.3.4齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算
（1）Z1斜齒輪彎曲應(yīng)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(yīng)力δw3=2TemaxcosβKδ/ЛZ3M3nYKcKε=2×95490×cos20×1.5/3.14×8×3×3×3×0.11×8×2=100.2Mpa
（3）電動(dòng)機(jī)最扭矩為95.49N×M，齒輪傳動(dòng)效率99%，離合器傳動(dòng)效率99%，軸承傳動(dòng)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(yīng)力δw2=2T2cosβKδ/ЛZ2M3nYKcKε=2×272261×cos20×1.5/3.14×23×3×3×3×0.1×8×2=246Mpa
（4）電動(dòng)機(jī)最扭矩為95.49N×M，齒輪傳動(dòng)效率99%，離合器傳動(dòng)效率99%，軸承傳動(dòng)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(yīng)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(yīng)力在100~250Mpa范圍內(nèi)，所以彎曲強(qiáng)度滿足要求。
3.3.5齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算
1.一檔一、二軸齒輪的計(jì)算
主動(dòng)齒輪Z1節(jié)圓半徑Rz=D1/2=2A/2(Z2/Z1+1)=52/(23/8+1)=13.41mm
從動(dòng)齒輪Z2節(jié)圓半徑Rb=D2/2=U1/2=2UA/2（U+1）=AU/U+1=38.58mm
主動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)曲率半經(jīng)Pz=Rzsinα/cosβ2=13.4×sin20/cos20/cos20=5.19mm
從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)曲率半徑Pbsinα/cos2=38.58sin20/cos20/cos20=14.94mm
輪齒接觸應(yīng)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(jì)算載荷時(shí)，對于滲碳齒輪，一檔的許用接觸應(yīng)力1900~2000Mpa,所以強(qiáng)度滿足要求。
2.二檔齒輪強(qiáng)度校合過程與一檔相同，此處不再列舉。
3.4 軸設(shè)計(jì)
1.軸的功用及其設(shè)計(jì)要求
變速器在工作是承受力扭矩、彎矩，因此應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。軸的鋼的不足，在負(fù)荷作用下，軸會(huì)產(chǎn)生過大的變形，影響齒輪的正常嚙合，產(chǎn)生過大的噪聲，并會(huì)降低齒輪的使用壽命。這一點(diǎn)很重要，與其它零件的設(shè)計(jì)不同。
設(shè)計(jì)變速器軸時(shí)主要考慮以下幾個(gè)問題：軸的結(jié)構(gòu)形狀，軸直徑、長度、軸的強(qiáng)的和剛度，軸上花鍵型式和尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)主要依據(jù)變速器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)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(guān)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(yīng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(yīng)低于0.8。表面硬度不應(yīng)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(nèi)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(xì)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(yàn)算
1. 若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為δ，可分別用下式計(jì)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(shí)心軸，；
——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)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(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)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(shí)
，，mm，，mm，mm
=0.0465mm
=0.0515
=0.00108rad0.002rad
二檔時(shí)
，，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(shí)
，，mm，，mm，mm
=0.0465mm
=0.0515
=0.00108rad0.002rad
二檔時(shí)
，，mm，mm，，mm，
=0.067mm
=0.0608
=0.00152rad0.002rad
3.4.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算
作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直平面內(nèi)彎曲變形，而圓周力使軸在水平面彎曲變形。先求取支點(diǎn)的垂直面和水平面內(nèi)的反力，計(jì)算相應(yīng)的垂向彎矩、水平彎矩。則軸在轉(zhuǎn)矩和彎矩的同時(shí)作用下，其應(yīng)力為：
(3.5)
式中: (MPa)；
為軸的直徑(mm)，花鍵處取內(nèi)徑；
為抗彎截面系數(shù)(mm2)，在低擋工作時(shí)，≤400MPa。
1．一軸的強(qiáng)度校核
N·mm；；；；；；；；
一檔時(shí)撓度最大，最危險(xiǎn)，因此校核。
求水平面內(nèi)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(nèi)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(qiáng)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(hào)為7003AC，
d=17mm D=35mm B=10mm
=6.3KN =3.68 質(zhì)量 w=0.36kg
油潤滑時(shí)極限轉(zhuǎn)速為2200r/min
1.初選軸承的型號(hào)為32308[14]，正裝；=2467.46N，=2824.24N，=2640.95N。，
2.求豎直面內(nèi)支反力
+=
2640.95+=2467.46
=-173.49
3.內(nèi)部附加力、，由機(jī)械設(shè)計(jì)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(dāng)量動(dòng)載荷
查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)得，，，
徑向當(dāng)量動(dòng)載荷,因?yàn)?
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得：，
取所以
6.校核軸承壽命
預(yù)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(hào)為7003AC，d=17mm D=35mm B=10mm,=6.3KN =3.68 質(zhì)量 w=0.36kg,油潤滑時(shí)極限轉(zhuǎn)速為2200r/min。
3.5 本章小結(jié)
本章的主要內(nèi)容就是確定變速箱的結(jié)構(gòu)方案、計(jì)算中心距尺寸及修正中心距、各齒輪的尺寸及校合、軸設(shè)計(jì)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(lǐng)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(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡單的介紹。
主要特性
全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)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(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)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(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)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(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對同一產(chǎn)品進(jìn)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(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)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(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)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(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)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(xué)習(xí)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(shí)體的精確建模及裝配來生成最終的產(chǎn)品。Pro/E中裝配的模型的構(gòu)造是由各種特征來組合生成的，零件的設(shè)計(jì)過程就是特征的累積過程。下面對主要零部件做詳細(xì)的建模過程分析，因其尺寸較多在步驟中不作詳細(xì)說明。繪圖時(shí)參照如圖工具
利用PRO/E軟件構(gòu)建叉車的模型，主要應(yīng)用了拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等基本操作。
本次對叉車的設(shè)計(jì)，主要針對外門架、內(nèi)門架、貨叉、叉架、整車等部件的設(shè)計(jì)
4.2貨叉尺寸計(jì)算
貨叉應(yīng)該實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，尤其是與掛鉤有關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。
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(gòu)造與設(shè)計(jì)》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(qiáng)度計(jì)算：彎曲正應(yīng)力δw=Mmax/W=PC/a2b/6=0.319035983kg/mm
P=Q/2=1000 kg
軸向應(yīng)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(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
4.3.1車體設(shè)計(jì)內(nèi)容
（1）總體參數(shù) 噸位、起升高度、自由提升高度、轉(zhuǎn)彎半徑、軸距、輪距、運(yùn)行速度等。
（2）方案選型 發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)動(dòng)形式、轉(zhuǎn)向形式、制動(dòng)形式、門架形式等。
（3）總體計(jì)算 自重與軸載計(jì)算，牽引計(jì)算，機(jī)動(dòng)性能計(jì)算，制動(dòng)性能計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算。
（4）總體布置安裝、外形、限制尺寸等。
4.3.2車體設(shè)計(jì)步驟
（1）下達(dá)整機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)書 總體參數(shù)、技術(shù)形式、完成日期等
（2）進(jìn)行總體計(jì)算 由總體參數(shù)計(jì)算出所需要的牽引性能、機(jī)動(dòng)性、制動(dòng)性等總體性能。
（3）進(jìn)行總體布置 排尺寸鏈、畫總圖、定限制尺寸。
（4）下達(dá)各部件設(shè)計(jì)任務(wù)書 傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、門架系統(tǒng)等。
（5）進(jìn)行部件設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào) 檢驗(yàn)尺寸與性能參數(shù)上的沖突、進(jìn)行協(xié)調(diào)、修改。
（6）總體性能驗(yàn)算 修改后重新計(jì)算，出設(shè)計(jì)計(jì)算書。
（7）出全套圖樣 進(jìn)行全部技術(shù)與工藝設(shè)計(jì)。
總體設(shè)計(jì)與部件設(shè)計(jì)有時(shí)是交叉的，當(dāng)總體設(shè)計(jì)規(guī)定的性能參數(shù)與尺寸布置與各部件設(shè)計(jì)時(shí)的實(shí)際情況有出入，或無法實(shí)現(xiàn)，或有沖突是，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)、修改，反復(fù)設(shè)計(jì)，直達(dá)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(cè)視圖
圖4-7 叉車車體俯視圖
圖4-8 叉車Pro/E標(biāo)準(zhǔn)方向圖
4.4檔板尺寸設(shè)計(jì)
4.4.1特征建模思想
“特征’’的概念在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來越廣泛。在Pro／E中，特征是指構(gòu)成圖形的一組具有特定含義的圖元，是設(shè)計(jì)者在一個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)三維實(shí)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(jié)構(gòu)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(gè)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(diǎn)。
（1）減少模型再生時(shí)間：再生模型時(shí)，要根據(jù)特征創(chuàng)建的先后順序重繪各個(gè)特征。因此，特征越多，花費(fèi)時(shí)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(chǔ)。
（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(jié)構(gòu)越清晰，模型之間的關(guān)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(gè)特征之間復(fù)雜的父子關(guān)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(jìn)行三維實(shí)體建模時(shí)，一般應(yīng)該在滿足設(shè)計(jì)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(fù)雜的二維草繪截面來減少特征數(shù)量。將多個(gè)特征的草繪截面合并為一個(gè)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(jié)構(gòu)為一個(gè)特征。在一個(gè)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(shí)，如果一些邊線處放置的圓角半徑相同，則應(yīng)將其歸并為一個(gè)圓角特征。
（3）使用復(fù)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(gè)零件組成，由于零件具有結(jié)構(gòu)的對稱性，所以在這里運(yùn)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(dāng)貨架的特征比較多，我們采用截面復(fù)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(cè)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(shí)現(xiàn)的，也就是在各零件之間建立的一定的鏈接關(guān)系，并對其進(jìn)行約束，從而確定各個(gè)零件在空間的具體位置關(guān)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(shí)現(xiàn)的。用戶可以直接在零件上點(diǎn)選裝配參考幾何，如匹配、對齊、相切等，同時(shí)在偏移選項(xiàng)可選擇重合、定向、偏移距，現(xiàn)介紹如下：
（1）匹配：兩個(gè)曲面或基準(zhǔn)平面法線方向相反或相貼合。
（2）對齊：使兩個(gè)平面共面重合，兩條軸線同軸以及使其兩個(gè)點(diǎn)重合。
（3）相切：控制兩個(gè)曲面在切點(diǎn)處接觸。
（4）插入：將～個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面插入到另一個(gè)旋轉(zhuǎn)曲面中并同軸。當(dāng)選取某個(gè)軸作為約束參照無效或選取不方便時(shí)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(nèi)門架、外門架、門架外