基于ProE与ANSYS的1.5T电动叉车设计

摘 要电动叉车利用蓄电池作为动力源，由电机将电能转换为机械能。电动叉车由于其操作控制简便，灵活外，其操作人员的操作强度要相对内燃叉车而言轻很多，其电动转向系统，加速控制系统，液压控制系统以及刹车系统都由电信号来控制，大大降低了操作人员的劳动强度，这样一来对于提高其工作效率以及工作的准确性有非常大的帮助。且相较于内燃叉车，电动车辆的低噪音，无尾气排放的优势也已得到许多用户的认可。电子控制技术的快速发展使得电动叉车操作变得越来越舒适，适用范围越广，解决物流的方案越来越多。国内外用户对电动叉车的需求量不断增加，电动叉车在整个叉车销量中所占比例稳步上升。在发达国家，电动叉车需求远远大于内燃叉车，尤其是在港口、仓库以及烟草、食品、轻纺等行业，电动叉车正在逐步替代内燃叉车。本设计将要运用所学过的知识完成对蓄电池、行走电机的选择，完成叉车变速器齿轮、轴、轴承和整体尺寸的设计及校核，并对叉车的货叉、内外门架、叉架进行设计及校核，运用车整车和货叉部分的二维结构图，利用软件对叉车的内外门架、货叉、叉架等零部件进行建模并完成整机装配，完成整车的造型设计，运用键词：电动叉车； 叉车变速器； 货叉 ；门架 ；结构设计；三维建模；有限元分析is as a is it is by to he s so of a to no by of of of in of In is in is to to to of nd to of E, of s nd 摘 要题研究目的和意义题的研究现状题的研究内容题的研究方法3第2章叉车变速器的设计及校核 电池的选择走电机的选择本数据的选择设计速器齿轮的设计及校核章小结25第3章货叉的设计与校核 叉的类型、构造选择及设计外门架及叉架的构造设计外门架的构造设计架构造的设计叉、叉架的刚度强度校核车整车的稳定性校核章小结35第4章货叉三维建模及整车造型 软件简介维模型整机装配及爆炸图章小结41第5章货叉有限元分析限元分析的简介和 叉、外门架的有限元分析章小结61结 论 62致 谢 65附录A66附录B69第1章绪 题研究目的和意义我国加入流行业发展的越来越快，叉车是物流领域的主要工具，叉车也迎来巨大的市场需求，但是我国在叉车方面的技术比较落后，目前在欧美国家叉车领域中，电动车辆占了很大比例，而我国的比例仍然较低。但这种反差现象在未来可逐步得到改变，两者之间的差距就是电动车辆的市场机会。未来中国叉车行业厂家间竞争的主战场，将逐渐从当前的内燃叉车转到电动车辆领域，因此对电动叉车的设计研究具有重要意义。本次设计选此课题的目的是希望通过对叉车的变速箱货叉的设计，巩固自己学过的知识，加强对电动叉车的结构、功能进行了解掌握。通过对变速器的设计和校核，可以加强对变速器的密封、润滑和齿轮的设计等方面进行掌握，通过对升降油缸的设计，可以对液压系统的工作原理和油缸的工作状态等方面进行理解掌握，通过对货叉的设计校核，掌握货叉的材料、结构和力学性质等方面的知识。运用软件完成电动叉车的整车造型和运动仿真，利用高对软件运用的熟练程度。在电动叉车产品设计中运用了、够加强对这些软件的掌握程度，对产品进行模拟仿真、关键零件进行有限元分析，可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率。通过对本课题的研究能够使学生了解叉车总成部件设计校核的方法，使学生可以完成专业课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的工程设计工作方法。运用计算机仿真技术对电动叉车进行虚拟设计，在产品制造之前就可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为生产实际提供理论支持。常能将货物起升3米左右的特殊车辆。叉车的机体紧凑，轴距较短，转向灵活，能在狭窄的场地和通道内作业，能通过比较低矮的舱门；货物的升降采用液压操控，使操作简单，动作平稳；在采用货叉搬运成件货物时自身具有装卸功能。因此广泛地利用于车间、仓库、港口、车站等场所，进行装卸、堆垛、拆垛和极短距离的搬运。叉车对于实现装卸搬运作业的机械化，提高劳动生产率非常重要，是现代物流系统的重要装备。电动叉车是以电力直流或交流为动力实施装卸、起重、搬运、堆垛作业的车辆。八十年以来, 由于电动叉车具有易操作、作业灵活、安全、动力利用率高、噪声小, 对环境污染小等优点, 更适合于工矿企业作搬运机械使用, 因而倍受人们重视, 得到了迅速发展。国外发达国家的叉车行业在技术方面基础稳固，外部环境中包括原材料、化工、液压、电子元器件等基础工业水平高，自主研发能力强，特别在电动叉车方面，国外叉车行业在外观造型和表面处理，人机工程，电器系统，制动系统和动力转向的能力特别强。国外著名叉车公司都生产全系列的电动叉车，包括三支点和四支点平衡重式叉车、前移式叉车、拣选车、三向堆垛机和托盘搬运车等；并投入大量的人力、财力于电动叉车的研发，使之成为现代高新技术产品。国外市场特别是欧美发达国家，由于受环保法规影响，电动叉车占到保有量的50%60%，而我国目前的保有量约占15%20%，有着广阔的市场前景。中国叉车产业是伴随着中国经济的增长而同步成长起来的，促使中国叉车行业快速壮大的主要因素有经济增长和社会进步所带来的旺盛市场需求，对外开放所带来的技术和管理能力的提升，充分竞争环境下本土企业竞争能力不断提高。在我国以安徽叉车集团公司、杭叉集团股份、大连叉车股份公司为首的国内叉车行业蓬勃发展，随着一拖、柳工、厦工、山推等著名企业的加入，伴随当今的改制、兼并和许多外资企业及私营企业股份制的加盟，使我国叉车行业进入新的春秋战国时期。虽然内燃叉车应占据国内叉车市场的主导地位，但随着企业环保意识逐渐增强，可靠性更高的电动叉车得到了越来越多的企业青睐。电动叉车是以直流电源(电瓶)为动力的装卸及搬运车辆，其电动平衡叉车产品外形大多采用了流线型设计，造型更加美观。我国电动叉车需求逐年上升，但技术落后，外资企业产品占据大部分市场份额。未来几年，中国将继续采取积极的宏观经济政策，以保持经济平稳较快增长。在宏观经济全面恢复的背景下，国家的经济总量在稳步提高；工业化程度在不断加深；物流业呈现高速发展的态势；全社会的固定资产投资将持续保持在较高水平。这些，都为叉车产业的发展提供了更为广阔的市场空间。宏观经济因素将保证叉车行业在未来稳步前行。软件和为他们有各自的优势和特点。操作软件是美国参数技术公司旗下的参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，作为当今世界机械现今主流的别是在国内产品设计领域占据重要位置。采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。是世界范围内增长最快的够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物制药、轻工、地矿等领域有着广泛的应用。作简单方便，现在它已成为国际最流行的有限元分析软件。目前，中国100多所理工院校采用设计需利用叉部分结构设计，并进行校核计算，结合叉车的造型设计现状，利用软件完成整车的造型设计，利用计主要内容（1）叉车总体方案设计及校核；（2）利用叉设计及校核；(3)利用软件完成货叉三维建模及整车三维造型；（4）利用度及稳定性校核。2、拟解决的主要问题（1）叉车变速器、叉车货叉的设计及校核；（2）叉车变速器、货叉二维总体结构设计及校核；（3）货叉三维建模、整车三维造型、关键零件的有限元分析。降油缸、货叉的设计、校核三维实体建模 整机装配及干涉检查是否合理N Y 是否合理 多数都是为蓄电池工作。而蓄电池是电池中的一种，蓄电池是一种能量转换和储存装置，充电时，将电能转换为化学能，加以储存，放电时化学能转换成电能，输送给电动机。蓄电池由正、负电极和电解液组成，蓄电池分为酸性蓄电池和碱性蓄电池，实用的酸性蓄电池有铅蓄电池，以硫酸为电解液。碱性蓄电池由于需要贵重金属，成本较高，目前很少用作叉车的能源。我国叉车主要用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池正极板上是活性物质氧化铅，负极板上的活性物质是海绵状的纯铅，电解液是稀硫酸溶液。蓄电池的主要性能参数为电压和容量，蓄电池在指定的放电条件下所放出的电量称为容量Q,其单位为Ah，蓄电池的容量与放电电流及电解液的温度有关，还与充电电流、电解液的相对密度和纯度有关。牵引用的蓄电池工作特点是：持续放电时间长，放电电流比较均匀，不能随时充电。为了不使叉车一次停车充电或更换蓄电池后有较长的使用时间，要求这种蓄电池有较大的电容量。蓄电池组的额定电压由叉车的起重量选择决定，起重量为12吨的电动叉车一般选用额定电压为48v，每个蓄电池212个电池组成。对于电动叉车，所有的电机使用同一个电池组，可由下式折算所需要的功率：P= 54中： wP 分别为运行电动机和油泵电动机功率；w p 分别为运行电动机和油泵电动机效率；油泵电动机的工作持续率，即叉车一个作业循环中，油泵电动机工作持续时间与叉车工作循环时间的比值。已知所需功率，则蓄电池组容量按下式求出：Q= 90P =375Ah （中： T每作业班内车辆的净工作时间；U蓄电池组的额定电压；考虑蓄电池放电时电压降低系数。已知蓄电池组容量，通过查表可以选出蓄电池组的型号为量为400A车上驱动行走机构的电动机，称为牵引电动机，经常采用直流串励电动机。这是由于串励电动机具有软的机械特性，能适应车辆的运行要求，且比较经济。这种电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流增大时，磁极的磁通也增加，电动机的转矩不仅由于电动机电枢电流增加而提高，同时也由于磁通的增大而提高，在磁极磁通未饱和的情况下，电动机的转矩几乎和电枢电流的平方成正比。因此，可在电枢电流较小的情况下获得较大的转矩。这对减小蓄电池的放电电流，充分利用蓄电池的容量，也有好处。直流串励电动机用于车辆牵引的优点有：可以带载启动，传动系统无需离合器；能正反转，无需倒档，具有自动适应阻力变化的趋势；力矩变化倍数大于电流变化的倍数，对保护蓄电池、延长其使用寿命有利；与液力传动相比，在不同转速下高效区宽。行走电机的功率计算。满载运行功率： 600gm f 中： f滚动阻力系数，f=质量：500高车速： 11Km/h；T 传动效率，率： （） 因是上坡时功率增加，取功率 5过查资料选取电机规格为：机的基本参数如下表22定功率 额定电压 额定电流 额定转速(45(V) 139(A) 1480(r/磁方式 定额 重量 最高工作转速 电机转向串 605200(r/速器齿轮的设计及校核（1）设计的初始数据最高车速： 11Km/h；行走电机功率： 5定转速： 1480 r/大爬坡度： 18%=质量：500车轮：滚动半径r=2952）变速器各档传动比的确定一档传动比 1 e . m （中： 行走电机功率；额定转速。主减速器传动比：0i 1 =中： 额定转速；最大爬坡度；电动机转矩；1一档传动比；T 传动效率，总质量；r滚动半径。二档传动比： 2iU 中： 最高车速；额定转速；r滚动半径；0i 主减速器传动比；限速影响系数 =由于 2动比相差较小，换挡平稳冲击小，采用斜齿轮同步器换挡，换挡更加平稳。由于行走电动机可以双向转动，故可以不在变速器上设置倒档。变速器的传动路线示意图如图22）变速器中心距的确定初选中心距时，可根据下述经验公式：3 2e =中：A变速器中心距（K 中心距系数，取K =17；电动机转矩；2二档传动比。初选中心距A =60中心距系数3 2e =轮参数：模数初选模数时，可参考同类汽车的齿轮模数确定，也可根据经验公式：斜齿轮法向模数： 3n 10/计斜齿轮法向模数 3 。压力角国家规定的标准压力角为20，所以变速器齿轮普遍采用的压力角为20。螺旋角初选斜齿轮齿轮螺旋角为20。齿宽 ， 宽b=73=21。齿顶高系数在齿轮加工精度提高以后，包括我国在内，顶高 3；齿根高 3。（4）确定齿轮的齿数齿数和： 中：A变速器中心距（斜齿轮法向模数=3 ；螺旋角。螺旋角修正值： = （齿数和：38由公式： 121g 1Z + 2Z =38可求得 1Z =20 取齿数 1Z =20。2Z =18 2Z =18由公式：342g 3Z + 4Z =38可求得 3Z =齿数 1Z =174Z =Z =21。分度圆直径： n1 n2 n3 n4 过查机械设计手册由手册表的变位系数：1X =X =X =表2数 分度圆直径 变位系数 齿顶高1 20 8 7 1 顶圆直径 齿根圆直径 节圆直径 0 4 1 3 5）变速器齿轮的校核齿轮坏损形式及避免错失变速器齿轮的损坏形式主要有三种：齿轮折断、齿面点蚀、齿面胶合。齿轮折断齿轮在啮合过程中，轮齿表面承受有集中载荷的作用。可以把轮齿看作悬臂梁，轮齿根部弯曲应力很大，过渡圆角处又有应力集中，故轮齿根部很容易发生断裂。齿轮折断有两种情况，一种是齿轮受到足够大的突然载荷的冲击作用，导致齿轮断裂，这种破坏的断面为粗粒状。另一种是受到多次重复载荷的作用，齿根受拉面的最大应力区出现疲劳裂缝，裂缝逐渐扩展到一定深度后，齿轮突然折断。这种破坏的断面在疲劳断裂部分呈光滑表面，在突然断裂部分呈粗粒状表面。变速器中齿轮的折断以疲劳破坏居多数。齿面点蚀齿面点蚀是闭式齿轮传动经常出现的一种损坏形式。因闭式齿轮传动齿轮在润滑油中工作，齿面长期受到脉动的接触应力作用，会逐渐产生大量与齿面成尖角的小裂缝。面裂缝中充满了润滑油，啮合时，由于齿面互相挤压，裂缝中油压增高，使裂缝继续扩展，最后导致齿面表层一块块剥落，齿面出现大量扇形小麻点，这就是齿面点蚀现象。若以节圆为界，把齿轮分为根部及顶部两段，则靠近节圆的跟部齿面处，较靠近节圆的顶部齿面处点蚀严重；两个互相啮合的齿轮中，主动的小齿轮点蚀严重。点蚀的后果不仅是齿面出现许多小麻点，而且由此使齿形误差加大，产生动载荷，也可能引起轮齿折断。齿面胶合高速重载齿轮传动、轴线不平行的螺旋齿轮传动及双曲面齿轮传动，由于齿面相对滑动速度大，接触压力大，使齿面间滑动油模破坏，两齿面间金属材料直接接触，局部温度过高，互相熔焊粘联，齿面沿滑动方向形成撕伤痕迹，这种损坏形式叫胶合。在汽车变速器齿轮中，胶合损坏情况不多。增大轮齿根部齿厚，加大齿根圆角半径，采用高齿，提高重合度，增多同时啮合的轮齿对数，提高轮齿柔度，采用优质材料等，都是提高轮齿弯曲疲劳强度的措施。合理选择齿轮参数及变位系数，增大齿廓曲率半径，降低接触应力，提高齿面强度等，可提高齿面的接触强度。采用黏度大、耐高温、耐高压的润滑油，提高油膜强度，提高齿面强度，选择适当的齿面表面处理方法和镀层等，是防止齿面胶合的措施。齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。3）正火碳钢。4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。现代变速器齿轮的常用材料是20在这种低碳合金钢都需随后的渗碳、淬火处理，以提高表面硬度，细化材料晶粒。为消除内应力，还要进行回火。变速器齿轮轮齿表面渗碳层深度的推荐范围如下： 5 火后，要求轮齿的表面硬度为5863部硬度为3348速器齿轮大都采用渗碳合金钢制造，使轮齿表面的高硬度与轮齿心部的高韧性相结合，大大提高了其接触强度、弯曲强度及耐磨性。在选择齿轮的材料及热处理时也应考虑其加工性能及制造成本。计算各轴的转矩齿轮传动效率99%，轴承传动效率96%。轴：1T = 承离m （轴： 一档 2T = 121 承 =m （档 ，2T = 341 承 =m （齿轮的弯曲应力公式为： （中：1F圆周力( N )， ；计算载荷(Nm)；d节圆直径( n ， 法向模数(z齿数， 斜齿轮螺旋角( )；K 应力集中系数， K ；b齿面宽(t法向齿距( ；y齿形系数，可按当量齿数 3 在图5K 重合度影响系数， K 。将上述有关参数代入公式后，可得到斜齿轮的弯曲应力公式为：T 齿轮1: T 1 T 2 T 3 T 4 中： j 轮齿的接触应力（齿面上的法向力（N）， )1F端面内分度圆切向力， 计算载荷(Nm)；d节圆直径(节点处压力角( )；齿轮螺旋角( )；E齿轮材料弹性模量(E =04 Nb齿轮接触实际宽度(z ， b 主动及被动齿轮节圆处齿廓曲率半径(其中：斜齿轮 n ； 2r ， 2r ； 主动及被动齿轮节圆半径(所以：斜齿轮 2 2斜齿轮法向模数；斜齿轮当量齿数。将所有参数带入式得：斜齿轮： E 于齿轮1 ： E 于齿轮2 ： E 于齿轮3 ： E 于齿轮4 ： E 速器齿轮的许用接触应力如表22j /体碳氮共渗齿轮一档和倒档 19002000 9501000常啮合齿轮和高档 13001400 650700通过计算以上四个齿轮均满足要求。计算各档齿轮的受力一档斜齿轮1,2的受力：1T =m， 2T =m， 21 =121 212 1 F （1 F （ F （122 F （档斜齿轮3，4的受力：，2T =m， 1T =m， 43 =313 2 34 24 ； F ；3 F ；333 F ；344 F 。）轴的功用及其设计要求变速器在工作是承受力扭矩、弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的钢的不足，在负荷作用下，轴会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪声，并会降低齿轮的使用寿命。这一点很重要，与其它零件的设计不同。设计变速器轴时主要考虑以下几个问题：轴的结构形状，轴直径、长度、轴的强的和刚度，轴上花键型式和尺寸。轴的结构主要依据变速器结构布置的要求，并考虑加工工艺，装配工艺而最后确定。（2）轴的结构设计轴的结构形状应保证齿轮、同步器部件及轴承等安装、固定。并与工艺要求有密切关系。第一轴安装同步器齿毂的花键采用渐开线花键，渐开线花键固定连接的精度要求比矩形花键低，定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可提高轴的刚度。选用渐开线花键是以大径定心更合适。第一轴各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，无论装滚针轴承、衬套还是钢件对钢件直接接触，轴的表面粗糙度均要求很高，面硬度不应低于5863二轴通常和齿轮做成一体，为了便于装拆第二轴，轴承与齿轮之间用花键连接，其直径根据两端轴承内径确定。公差一般选 6f（3）轴的尺寸可按以下公式初选轴直径：各轴的最小直径： 3 中： 轴的估算最小径；C计算常数，取决于轴的材料及受载情况，见表2轴传递的功率（n轴的转速。第一轴花键部分： 3 中：K经验系数， ；电动机最大转矩。表2235、20 5 45 40549 112135 103126 97112通过计算得轴的基本尺寸如图2在水平面内挠度为 转角为，可分别用下式