基于ProE與ANSYS的1.5T電動叉車設計【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,含有限元,說明書+CAD+PROE,基于ProE與ANSYS的1.5T電動叉車設計【含有限元】【說明書+CAD+PROE】,基于,proe,ansys,電動叉車,設計,有限元,說明書,仿單,cad 摘 要 電動叉車利用蓄電池作為動力源，由電機將電能轉換為機械能。電動叉車由于其操作控制簡便，靈活外，其操作人員的操作強度要相對內(nèi)燃叉車而言輕很多，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)都由電信號來控制，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(nèi)燃叉車，電動車輛的低噪音，無尾氣排放的優(yōu)勢也已得到許多用戶的認可。電子控制技術的快速發(fā)展使得電動叉車操作變得越來越舒適，適用范圍越廣，解決物流的方案越來越多。 國內(nèi)外用戶對電動叉車的需求量不斷增加，電動叉車在整個叉車銷量中所占比例穩(wěn)步上升。在發(fā)達國家，電動叉車需求遠遠大于內(nèi)燃叉車，尤其是在港口、倉庫以及煙草、食品、輕紡等行業(yè)，電動叉車正在逐步替代內(nèi)燃叉車。 本設計將要運用所學過的知識完成對蓄電池、行走電機的選擇，完成叉車變速器齒輪、軸、軸承和整體尺寸的設計及校核，并對叉車的貨叉、內(nèi)外門架、叉架進行設計及校核，運用AutoCAD軟件完成叉車變速器二維結構、叉車整車和貨叉部分的二維結構圖，利用Pro/E軟件對叉車的內(nèi)外門架、貨叉、叉架等零部件進行建模并完成整機裝配，完成整車的造型設計，運用ANSYS有限元分析軟件對貨叉和外門架進行靜力分析。 關鍵詞：電動叉車； 叉車變速器； 貨叉 ；門架 ；結構設計；三維建模；有限元分析 ABSTRACT Electric forklift battery which converts electrical energy into mechanical energy is used by the motor as a power source. Because electric forklift is simple, flexible, it is relatively lighter internal combustion forklift trucks, the electric power steering system, the speed control system, hydraulic control system and by the electrical signal to control the brake system greatly reduces The operator's labor intensity, so that its work for improving the efficiency and accuracy of the work has a very big help. And compared to internal combustion forklifts, electric vehicles, low noise, no emissions advantage has also been recognized by many users. The rapid development of electronic control technology makes electric forklift operation becomes more and more comfortable the more widely the scope to address the logistics of the program more and more. Domestic and foreign users of the increasing demand for electric forklifts, electric forklift trucks in the percentage of sales increased steadily. In developed countries, demand is far greater than internal combustion electric forklift truck, Especially in ports, warehouses, and tobacco, food, textile and other industries, electric forklift is gradually replaced internal combustion forklifts. The design will have to apply the knowledge to complete the battery, the choice of running the motor to complete the truck transmission gears, shafts, bearings, and the overall size of the design and verification, and forklift forks, internal and external door frame, fork design And check, using AutoCAD software to complete the two-dimensional structure of transmission forklift, forklift fork part of the vehicle and two-dimensional structure, the use of Pro / E, both inside and outside of the truck's door frame, fork, fork and other parts modeling And complete machine assembly, complete vehicle design, finite element analysis using ANSYS software and the outside door frame fork for static analysis. Key words: Electric forklift; Forklift transmission; Fork; Door frame; Structural design; Three-dimensional modeling; Finite element analysis I 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒 論 1 1.1 課題研究目的和意義 1 1.2 課題的研究現(xiàn)狀 1 1.3 課題的研究內(nèi)容 3 1.4 課題的研究方法 3 第2章 叉車變速器的設計及校核 5 2.1 蓄電池的選擇 5 2.2 行走電機的選擇 6 2.3 基本數(shù)據(jù)的選擇設計 7 2.3.1 變速器齒輪的設計及校核 7 2.3.2變速器軸的設計及校核 17 2.3.3變速器軸承的選擇 24 2.4 本章小結 25 第3章 貨叉的設計與校核 26 3.1 貨叉的類型、構造選擇及設計 26 3.2 內(nèi)外門架及叉架的構造設計 28 3.2.1 內(nèi)外門架的構造設計 28 3.2.2 叉架構造的設計 29 3.3 貨叉、叉架的剛度強度校核 30 3.4 叉車整車的穩(wěn)定性校核 33 3.5 本章小結 35 第4章 貨叉三維建模及整車造型 36 4.1 Pro/E軟件簡介 36 4.2 三維模型 36 4.3 Pro/E整機裝配及爆炸圖 40 4.4 本章小結 41 第5章 貨叉有限元分析 42 5.1 有限元分析的簡介 42 5.2 Pro/E和ANSYS接口的創(chuàng)建 44 5.3 貨叉、外門架的有限元分析 46 5.4 本章小結 61 結　　論 62 致　　謝 65 第1章 緒 論 1.1 課題研究目的和意義 我國加入WTO之后，物流行業(yè)發(fā)展的越來越快，叉車是物流領域的主要工具，叉車也迎來巨大的市場需求，但是我國在叉車方面的技術比較落后，目前在歐美國家叉車領域中，電動車輛占了很大比例，而我國的比例仍然較低。但這種反差現(xiàn)象在未來可逐步得到改變，兩者之間的差距就是電動車輛的市場機會。未來中國叉車行業(yè)廠家間競爭的主戰(zhàn)場，將逐漸從當前的內(nèi)燃叉車轉到電動車輛領域，因此對電動叉車的設計研究具有重要意義。 本次設計選此課題的目的是希望通過對叉車的變速箱貨叉的設計，鞏固自己學過的知識，加強對電動叉車的結構、功能進行了解掌握。通過對變速器的設計和校核，可以加強對變速器的密封、潤滑和齒輪的設計等方面進行掌握，通過對升降油缸的設計，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，通過對貨叉的設計校核，掌握貨叉的材料、結構和力學性質等方面的知識。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、關鍵零件進行有限元分析，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計校核的方法，使學生可以完成專業(yè)課程的實踐總結，掌握一種流行的設計方法和軟件，獲得一定的工程設計工作方法。運用計算機仿真技術對電動叉車進行虛擬設計，在產(chǎn)品制造之前就可以發(fā)現(xiàn)并更正設計缺陷，完善設計方案，縮短開發(fā)周期，提高設計質量和效率，為生產(chǎn)實際提供理論支持。 1.2 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)在技術方面基礎穩(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計，造型更加美觀。我國電動叉車需求逐年上升，但技術落后，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軟件是本次設計所用的關鍵的兩個軟件，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)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/E作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領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)品設計領域占據(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、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。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，能夠進行包括結構、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。 本設計需利用AutoCAD軟件完成叉車變速器二維結構設計、貨叉部分結構設計，并進行校核計算，結合叉車的造型設計現(xiàn)狀，利用Pro/E軟件完成整車的造型設計，利用ANSYS軟件對貨叉部分關鍵零件進行有限元分析。 1.3 課題的研究內(nèi)容 1、設計主要內(nèi)容 （1）叉車總體方案設計及校核； （2）利用AutoCAD軟件完成叉車變速器、貨叉設計及校核； (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）叉車變速器、叉車貨叉的設計及校核； （2）叉車變速器、貨叉二維總體結構設計及校核； （3）貨叉三維建模、整車三維造型、關鍵零件的有限元分析。 1.4 課題的研究方法 研究所采用的技術路線如圖1-1技術路線圖所示。 Auto CAD叉車變速器器、升降油缸、貨叉的設計、校核 Pro/E三維實體建模 Ansys關鍵零件分析 Pro/E整機裝配及干涉檢查 是否合理 N Y 是否合理 N Y 叉車總體結構設計 調(diào)研、收集資料及總體方案論證 關鍵零部件和仿真的結論分析 撰寫設計說明書 圖1-1技術路線圖 第2章 叉車變速器的設計及校核 2.1 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率： P=+=54KW （2.1） 式中： ——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(nèi)車輛的凈工作時間； U——蓄電池組的額定電壓； 0.9——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DG-400，容量為400A·h滿足使用要求。 2.2 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。 行走電機的功率計算。 滿載運行功率： ==3.1337 （2.3） 式中： f——滾動阻力系數(shù)，f=0.02； 總質量：ma=4500Kg； 最高車速：=11Km/h； ——傳動效率，取0.86。 功率： =（1.5～2）=4.7～6.267 （2.4） 原因是上坡時功率增加，取功率 =5KW。 通過查資料選取電機規(guī)格為：XQ-5-1。 電機的基本參數(shù)如下表2-1電機的基本參數(shù)。 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-5-1 5(KW) 45(V) 139(A) 1480(r/min) 勵磁方式 定額 重量 最高工作轉速 電機轉向 串 60min 95kg 3200(r/min) 雙向 2.3 基本數(shù)據(jù)的選擇設計 2.3.1 變速器齒輪的設計及校核 （1）設計的初始數(shù)據(jù) 最高車速：=11Km/h； 行走電機功率：=5KW； 額定轉速：=1480 r/min； 最大爬坡度： =18%=0.178； 總質量：ma=4500Kg； 前車輪：6.50-10-10PR ； 滾動半徑r=295mm。 （2）變速器各檔傳動比的確定 ①一檔傳動比 =0.8～0.9 選擇一檔傳動比=0.9 電動機轉矩： ==32.2635 N. m （2.5） 式中： ——行走電機功率； ——額定轉速。 ②主減速器傳動比： =10.5256 （2.6） 式中： ——額定轉速； ——最大爬坡度； ——電動機轉矩； ——一檔傳動比； ——傳動效率，取0.86； ma——總質量； r——滾動半徑。 ③二檔傳動比： =0.377=1.1924 （2.7） 式中： ——最高車速； ——額定轉速； r——滾動半徑； ——主減速器傳動比； ——限速影響系數(shù) =1.1。 ④由于=1.436，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2-2變速器傳動路線示意圖。 圖2-2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： =58.98mm （2.8） 式中：—變速器中心距（mm）； —中心距系數(shù)， 取=17； ——電動機轉矩； ——二檔傳動比。 初選中心距=60mm， 對中心距系數(shù)K進行修正： =17.3 （2.9） 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)： =2.6256 （2.10） 設計斜齒輪法向模數(shù)=3 。 ②壓力角 國家規(guī)定的標準壓力角為20°，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為20°。 ③螺旋角 初選斜齒輪齒輪螺旋角為20°。 ④齒寬 對于斜齒輪，取為6.0～8.5，取7.0， 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1.00。 齒頂高 ====3； 齒根高 ====3。 （4）確定齒輪的齒數(shù) 齒數(shù)和： =37.588 （2.11） 式中：——變速器中心距（mm）； ——斜齒輪法向模數(shù)=3 ； ——螺旋角。 螺旋角修正值： ==18.1949° （2.12） 取齒數(shù)和：=38 由公式： =0.9 =+=38 可求得 =20 取齒數(shù) =20。 =18 =18 由公式： =1.2924 =+=38 可求得 =16.577 取齒數(shù) =17 =21.423 =21。 分度圓直徑： =63.16 =56.84 =53.68 =66.32 變位系數(shù)： 通過查機械設計手冊由手冊表的變位系數(shù)： =-0.04 =0.04 =0.1 =-0.1 各齒輪參數(shù)如下表： 表2-3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 63.16 -0.04 2.88 2 18 56.84 0.04 3.12 3 17 53.68 0.1 3.3 4 21 66.32 -0.1 2.7 齒根高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 節(jié)圓直徑 螺旋角 3.87 68.92 55.42 60 18.1949° 3.63 63.08 49.58 54 18.1949° 3.45 60.28 46.78 51 18.1949° 4.05 71.72 58.22 63 18.1949° （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)。 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(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，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(chǎn)生動載荷，也可能引起輪齒折斷。 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20CrMnTi。 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(nèi)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。 計算各軸的轉矩 齒輪傳動效率99%，軸承傳動效率96%。 Ⅰ軸： ==30.973N·m （2.13） Ⅱ軸： 一檔 ==26.493N·m （2.14） 二檔 ==36.3544N·m （2.15） 斜齒輪的彎曲應力公式為： （2.16） 式中：——圓周力()，； ——計算載荷(N·m)； ——節(jié)圓直徑(mm)，，－法向模數(shù)(mm)，－齒數(shù)， －斜齒輪螺旋角()； ——應力集中系數(shù)，； ——齒面寬(mm)； ——法向齒距(mm)，； ——齒形系數(shù)，可按當量齒數(shù)在圖5-1中查得； ——重合度影響系數(shù)，。 將上述有關參數(shù)代入公式后，可得到斜齒輪的彎曲應力公式為： （2.17） 對齒輪1: =32.056 對齒輪2: =27.828 對齒輪3: =31.523 對齒輪4: =34.64 通過計算以上四個齒輪均滿足要求 輪齒接觸應力： 　　　　 （2.18） 式中：——輪齒的接觸應力（MPa） ——齒面上的法向力（N），； ——端面內(nèi)分度圓切向力，； ——計算載荷(N·m)； ——節(jié)圓直徑(mm)； ——節(jié)點處壓力角()； ——齒輪螺旋角()； ——齒輪材料彈性模量(MPa)，=20.6×104 N·mm-2； ——齒輪接觸實際寬度(mm)； ，——主動及被動齒輪節(jié)圓處齒廓曲率半徑(mm)。 其中： 斜齒輪——； ，； 、 ——主動及被動齒輪節(jié)圓半徑(mm)。 所以： 斜齒輪——，； ——斜齒輪法向模數(shù)； ——斜齒輪當量齒數(shù)。 將所有參數(shù)帶入式得： 斜齒輪： 　 　 （2.19） 對于齒輪1 ： =606.712； 對于齒輪2 ： =591.473； 對于齒輪3 ： =660.83； 對于齒輪4 ： =644.157。 變速器齒輪的許用接觸應力如表2-4。 表2-4齒輪的許用接觸應力 齒輪 /MPa 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一檔和倒檔 1900～2000 950～1000 常嚙合齒輪和高檔 1300～1400 650～700 通過計算以上四個齒輪均滿足要求。 計算各檔齒輪的受力 一檔斜齒輪1,2的受力： mm，mm，=30.973N·m，=26.493N·m，=18.1949° （2.20） （2.21） （2.22） （2.23） （2.24） （2.25） 二檔斜齒輪3，4的受力： mm，mm，=36.3544N·m，=30.973N·m，=18.1949° ； ； ； ； ； 。 2.3.2變速器軸的設計及校核 （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(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(nèi)徑確定。公差一般選 （3）軸的尺寸 可按以下公式初選軸直徑： 各軸的最小直徑： （2.26） 其中：——軸的估算最小徑； ——計算常數(shù)，取決于軸的材料及受載情況，見表2-4軸的材料C值； ——軸傳遞的功率（kW）； ——軸的轉速。 第一軸花鍵部分： （2.27） 其中：——經(jīng)驗系數(shù)，； ——電動機最大轉矩。 表2-4軸的材料C值 軸的材料 Q235、20 Q275、35 45 40Cr、35SiMn 126～149 112～135 103～126 97～112 通過計算得軸的基本尺寸如圖2-5軸的基本尺寸。 圖2-5軸的基本尺寸 1.軸的剛度驗算 若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉角為δ，可分別用下式計算 （2.28） （2.29） （2.30） 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。 （2.31） 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。齒輪所在平面的轉角不應超過0.002rad。 一軸的剛度受力變形如圖2-6所示 a b L δ Fr 圖2-6一軸的剛度受力變形 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2-7所示 a b L δ Fr 圖2-7二軸的剛度受力變形 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 2．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(nèi)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(nèi)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： （2.32） 式中: (MPa) （2.33） 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，≤400MPa。 1． 一軸的強度校核如圖2-8 一軸受力圖 N·mm； ；；； ；；；；。 一檔時撓度最大，最危險，因此校核。 求水平面內(nèi)支反力、和彎矩 += （2.34） （2.35） 由以上兩式可得： =602.717N，=236.2N，=17478.793N·mm 求垂直面內(nèi)支反力、和彎矩。 += （2.36） （2.37） 由以上兩式可得： =582.878N，=346.1N，=16903.462N.mm，=25611.4N·mm。 按第三強度理論得： N·mm （2.38） （2.39） RVA RHB RHA RVB Fa13 Fr13 Ft13 RHA Ft13 RHB L2 L1 L RVA RVB Fr13 M 17478.7939 16903.462 25611.4 26492 1187973.303 圖2-8 一軸受力圖 由于一軸的強度遠遠滿足要求，二軸的直徑與一軸相差不多，且受力也相差不多，也能夠滿足強度要求，故掠去對二軸的校核。 2.3.3變速器軸承的選擇 圖2-9一軸軸承受力圖 一軸軸承受力圖如上圖2-9一軸軸承受力圖所示，軸承受很小的徑向載荷，同時也受到更小的軸向載荷，所以一軸軸承選擇角接觸球軸承，作為該軸兩端的軸承，對稱正裝，滿足使用要求。 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。 圖2-10二軸軸承受力圖 二軸軸承受力圖如上圖2-10二軸軸承受力圖所示，軸承受很小的徑向載荷，同時也受到更小的軸向載荷，所以二軸軸承選擇角接觸球軸承，作為該軸兩端的軸承，對稱正裝，滿足使用要求。 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。 2.4 本章小結 本章的主要內(nèi)容有根據(jù)叉車的基本參數(shù)，對叉車的蓄電池和行走電機進行選擇，然后是通過轉矩和轉速等參數(shù)，對叉車變速器齒輪和變速器軸的設計及校核，最后是通過齒輪形式和轉速，對變速器軸承型號的選擇。設計及校核是很復雜的過程，需要認真仔細進行。通過本章對叉車變速器完成全部整體的設計，為出二維圖做準備。 第3章 貨叉的設計與校核 3.1 貨叉的類型、構造選擇及設計 貨叉裝在叉架上。它的外形是一個L形桿件，分為水平段和垂直段兩部分。一般的貨叉的水平段和垂直段做成整體的，稱為整體式貨叉。如圖3-1所示。 在叉車叉取貨物時，貨叉的水平段用來叉取貨物或托盤的底部，叉起后用來承載貨物。因此貨叉的水平段的上表面必須水平，水平段前段下面略有斜度，以使查尖處厚度較薄，并且前段逐漸變窄，叉尖兩側帶有圓弧，這樣有利于使貨叉插入貨物底部，叉取貨物。貨叉的垂直段用來與叉架鏈接，根據(jù)鏈接形式不同，分為掛鉤式和鉸鏈式兩種。 貨叉是叉車的重要構件，受力大，要求截面小，重量輕。因此需要用低合金鋼、中碳鋼等材料制造（如40Cr），還需經(jīng)適當?shù)臒崽幚恚ㄈ缯{(diào)制），以增加水平段的表面硬度，提高耐磨性能。 貨叉的主要尺寸有貨叉水平長度L、貨叉垂直段高度、貨叉斷面尺寸、掛鉤尺寸和軸孔尺寸等。 圖3-1貨叉的類型 貨叉長度主要決定于載荷中心距，并考慮配合使用的托盤尺寸。一般取L>2C(C為載荷中心距)，也可以稍小于2C。L按標準選取。 貨叉垂直段高度，主要與門架的離地間隙和叉架的尺寸有關。 貨叉的截面尺寸及掛鉤尺寸決定于起重量和載荷中心距，即決定于載荷力矩。 每個貨叉在垂直段側面，應打印標記該貨叉的額定起重量和載荷中心距，以便于更換取物裝置時不致混亂。 貨叉的基本尺寸可以由表3-1貨叉的基本尺寸和圖3-2貨叉的基本構造和查取 圖3-2貨叉的基本構造 表3-1貨叉的基本尺寸 長度/mm 750 800 900 950 1000 1050 1150 1200 1350 1500 1600 1650 1800 2000 2400 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 貨叉的安裝尺寸可以查下表3-2貨叉的安裝尺寸查取 表3-2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 3.2 內(nèi)外門架及叉架的構造設計 3.2.1 內(nèi)外門架的構造設計 內(nèi)外門架是各自分別由左、右兩根立柱，通過上、中、下不同數(shù)量的橫梁鏈接而成的門式框架。立柱即是門架承載的主要構件，又是叉架或內(nèi)門架做起升運動的導軌。立柱截面有槽型（稱C形）、工字型（稱I形）、和其它異形形狀（分別稱作L形和J形）,材料多為低合金16Mn鋼。左右兩立柱通過二到三根橫梁連接，構成框架結構，然后嵌套在一起，依靠裝在內(nèi)、外門架上的滾輪，使內(nèi)門架沿外門架立柱滾動。當使用不同形狀截面的型鋼做門架立柱時，會有多種內(nèi)外門架立柱并列組合。 內(nèi)外門架的高度為： ==（+-）++d+t=1980mm （3.1） 式中：——最大起升高度（mm）； ——滿載時輪胎變形量（大至與相當）（mm）； ——貨叉厚度（mm）； ——叉架（內(nèi)外門架間）的縱向滾輪間距（mm）； d ——縱向滾輪直徑（mm）； t ——構造或焊接工藝結構所需要的尺寸（mm）。 叉車的最低結構高度： =+ （3.2） ——門架最低點到地面的距離。 起升液壓缸的行程： =（+-）/2 （3.3） 液壓缸的安裝高度： =+ （3.4） ——液壓缸的導向、缸蓋、缸底等固定尺寸。 各種組合形式都有不同的優(yōu)缺點。CC型的優(yōu)點是內(nèi)、外門架立柱截面相同，材料規(guī)格單一，制造方便。缺點是供內(nèi)門架升降導向的滾輪只能裝在內(nèi)門架立柱下端腹板上，滾輪間距一定在外載荷一定的條件下無論內(nèi)外門架是否起升，滾輪壓力總是比較大。CI型、CJ型、CL型和II型截面的共同特點是，內(nèi)門架立柱外翼緣均有外伸翼緣插在外門架立柱槽型內(nèi)，這使得有可能在外門架立柱頂端裝設一個內(nèi)門架導向滾輪，內(nèi)門架的外伸翼緣壓在此滾輪上運動。內(nèi)門架的另一個的導向滾輪仍裝在內(nèi)門架立柱下端腹板上，此滾輪壓在外門架立柱的后翼緣內(nèi)壁上。這樣內(nèi)門架受到起重載荷的力矩作用后，由于內(nèi)門架上、下支撐滾輪間距大，滾輪的壓力就小，門架受力情況改善。但隨著內(nèi)門架上升的同時，滾輪間距逐漸變小，滾輪壓力也增大，最大起升高度時，滾輪間距最小，壓力最大。 內(nèi)門架通常具有上橫梁和中橫梁，同時也有下橫梁。內(nèi)門架橫梁的形狀既要考慮可靠的鏈接，又要注意避讓叉架和內(nèi)門架的運動，還要考慮不要與外門架的橫梁發(fā)生運動干涉。 外門架通常具有上橫梁、中橫梁和下橫梁。外門架橫梁的形狀要考慮避讓叉架和內(nèi)門架的運動，外門架的下橫梁要考慮起升液壓缸的支座，還要注意避免與驅動橋發(fā)生干涉，外門架的中橫梁往往與傾斜液壓缸支座相連。 滾輪布置為可變間距式，內(nèi)、外門架之間的縱向滾輪一組安裝在內(nèi)門架的下端，另一組安裝在外門架的上端。滾輪間距隨起升變化，滾輪壓力也隨之變化。起升較低時，滾輪間距大受力小，起升到最大高度時，滾輪間距最小，這時滾輪壓力最大，相當于固定間距式的壓力。其最小滾輪間距與固定間距式相同。這種布置的最大優(yōu)點是門架的疲勞載荷小，缺點是只適應CI型、CJ型、CL型和II型立柱截面 3.2.2 叉架構造的設計 叉架又名為滑架，它的作用是安裝貨叉或其他工作屬具，并帶動貨物一起升降。根據(jù)叉架在門架系統(tǒng)中的相對位置，貨物的重量考叉架傳給起重鏈條，貨物 重量產(chǎn)生的力矩通過叉架傳給門架，當鏈條帶動叉架升降時，叉架要可靠的沿著門架導軌運動。由此，決定了叉架在構造上的一個垂直運動的承載小件，一般由兩部分構成。其前部是一個焊接框架結構，主要用于懸掛貨叉及其他屬具；后部是兩列裝有導向滾輪的滾輪架，與前部框架焊接構成一體，由鏈條牽引，沿門架門架導軌垂直升降。根據(jù)貨叉的形式和他在框架上的安裝方式，叉架有兩種形式，即板式和滑桿式。 當貨叉為掛鉤型時，采用板式叉架。板式叉架的框架有多種形式，但不管哪種一般都是鋼板焊接而成，或整塊鋼板按照所需尺寸結構進行切割，挖去多余部分以減輕重量。貨叉的上掛鉤在框架的上橫梁上，貨叉的下掛鉤鉤住框架的下橫梁。由于掛鉤和叉架間的安裝尺寸已經(jīng)標準化，各種屬具均具有和貨叉相同的掛鉤。板式叉架能方便的更換屬具，因此焊接板式結構應用廣泛。 貨叉或其他屬具可從叉架側面裝上或卸下，當叉架上裝有擋貨叉時，側面不變裝卸，在叉架下橫梁開一個缺口，可以方便裝拆貨叉。為了使貨叉在叉架上定位，在框架上橫梁上對稱的做有若干定位孔或定位槽，在貨叉上端的掛鉤上裝有帶彈簧的定位銷。根據(jù)貨物的尺寸，貨叉可以在叉架上滑動以調(diào)整兩叉間距，并定位在合適的位置上。 叉架上的滾輪是把貨物的重力，以力偶矩的形式傳遞給內(nèi)門架。因為滾輪是固定間距的，對門架立柱的作用力大應合理布置。 3.3 貨叉、叉架的剛度強度校核 1.貨叉的強度和剛度計算 貨叉