平衡重式电动叉车设计.doc

第1章 绪 论1.1 选题背景、目的及意义最近5 年，中国叉车市场的生产和需求量每年的增幅均达到了25以上，2006 年中国就已经成为仅次于美国的全球第二大叉车消费市场。这种快速增长的势头持续到2008 年，直至被金融危机的爆发打断。金融危机的突然到来，致使中国叉车的产销量和出口量都出现了大幅下降。由于中国物流产业进入了十大产业振兴规划，中国叉车业又蓬勃发展起来。我国内燃平衡重式叉车约占总销量的80%，而全球叉车销量中电动叉车比重超过了50%。这是因为在欧、美、日的叉车市场上，电动叉车已成为主流产品的缘故。由于我国对环保要求较低、叉车作业更频繁、作业环境较恶劣以及运行成本等因素，较长时间内我国的叉车需求仍将倾向于使用内燃叉车。近年来，各叉车公司皆以产品种类、系列的多样化去充分适应不同用户、不同工作对象和不同工作环境的需要，并不断推出新结构、新车型，以多品种小批量满足用户的个性化需求。内燃叉车以发动机为动力，功率强劲，使用范围广，缺点是排气和噪声污染环境，有害人类健康。环保要求推动了动力技术的更新，如：上世纪90年代液化石油气(LPG)叉车、压缩天然气(CNG)叉车、丙烷叉车等低公害叉车面市，且发展势头强劲；现在林德3吨内燃平衡重式叉车尾气排放符合欧洲号标准。电动叉车具有能量转换效率高、无废气排放、噪声小等突出优点，是室内物料搬运的首选工具，但其受电瓶容量限制，功率小，作业时间短。对室内作业、靠近人群作业以及整个的食品行业而言，电瓶叉车是最好的选择；除了完全没有废气污染外，低噪音也使得作业环境更令人愉快。未来叉车将广泛采用电子燃烧喷射和共轨技术。发动机尾气催化、净化技术的发展将有效降低有害气体和微粒的排放。LPG、CNG等燃料叉车及混合动力叉车将进一步发展。新型电瓶燃料电池在各大公司的共同努力下，将克服价格方面的劣势，批量进入市场，微电子技术、传感技术、信息处理技术的发展和应用，对提高叉车业整体水平，实现复合功能，以及保证整机及系统的安全性、控制性和自动化水平的作用将更加明显，使电子与机械、电子与液压的结合更加密切。未来叉车的发展在于其电子技术的应用水平。如：林德电动前移式叉车采用感应式电子转向系统，给操作者提供变量扭矩反馈以确保完美的控制性能，所需转向力极微。实现以微处理器为核心的机电液一体化是未来叉车控制系统发展的主方向。对于电动车辆，传统的电阻调速控制器已被淘汰，而新型MSFET晶体管因其门极驱动电流小，并联控制特性好且有软、硬件自动保护和硬件自诊断功能等优点，得到广泛采用。串励和他励控制器仍是市场的主导产品，交流控制技术则处于起步阶段。随着交流调速控制系统成本的降低与闭式交流电机技术的成熟，交流电机叉车将会因其功率大、维护性能好而取代直流电机叉车。采用电子转向系统与动力转向比可节能25%，它可根据叉车使用工作状况，适时控制电机转速，是叉车节能降噪的有效措施。另外，MOSFET晶体管比电阻式调速可节能20%，释放式再生制动可节能5%8%，采用液压电机控制器和负载势能回收技术可分别节能20%和5%。驾驶员的舒适感对保证叉车高效运行非常重要。叉车的驾驶座具有全方位的调节功能：座椅靠背可向后或向前倾斜，座椅弹簧可进行调节，座椅可向后或向前移动。各叉车公司不断优化改进叉车人机界面，使操纵简便省力、迅速准确，充分发挥人机效能，提高作业效率。例如，配备醒目的数字化仪表、报警装置以及故障检测自动仪器，实现工作状况的在线监控；采用浮动驾驶室(可移动、升降)，使操纵者获得全方位视野；以集中手柄控制替代多个手柄控制，电控替代手控；以及逐渐将电子监测器和高度显示器作为高升程叉车的标准配置。在全球叉车市场格局中，丰田和林德遥遥领先，年销售收入超过50亿美元；而安叉和杭叉在国内叉车市场上称雄，合计市场占有率超过50%。于我国叉车出口量占海外市场比重仍较低、性价比优势突出以及出口退税导致国内企业出口冲动等理由，预计未来中国叉车出口仍将保持较快增速，未来3年，国内叉车销量年增速有望保持在20%以上，对海外市场的依赖度将加大。出口已成销量增长的主要推进力。虽然我国现在已经能够生产起重量从0.5吨到45吨各种型号的电动叉车，但每年仍有近两亿美元的电动叉车进口。据1996年的海关统计，当年电动叉车进口1.67亿美元，相当于电动叉车行业的年产值，其中集装箱电动叉车和电动叉车进口0.5亿美元。在这些进口电动叉车当中有些是必要的，有些则完全可以在国内采购。需要指出的是，尽管电动叉车产品已列入进口商检的目录，按规定在1997年7月1日后进口的电动叉车必须进行商检，但到目前为止进口电动叉车还没有进行专业性的商检。而我国电动叉车出口却在实行出口许可证制度，需要进行专业性的商检，达到一等品后才能出口。以至于在国内投资的外商不解地感叹道：“向中国进口电动叉车易，从中国出口电动叉车难。”而实际上进口电动叉车的个别项目如“超载25%安全性”是不符合我国电动叉车技术要求的。在目前我国的使用状况下，极易发生纵向倾翻，导致人身及财产的损害。由此可看，电动叉车在可靠性、舒适性方面距发达国家水平依然较大, 因此对平衡重式电动的开发任重道远。当前，平衡重式电动叉车市场的竞争日益激烈，要求平衡重式电动叉车产品技术更新换代的速度越来越快，尽管我国物流业尚处于起步阶段, 物流技术和物流设施与物流发达国家还存在较大的差距, 这些对我国叉车的发展有一定的阻碍作用, 但是, 随着我国政府、企业及民众对物流设备的认识加深, 我国国际贸易的日益加强, 外国企业介入中国市场带来先进的物流经验。我国的平衡重式电动叉车发展前景非常好。但相对于内燃叉车稳定性较差，为满足机动性能高要求，平衡重式电动叉车设计的非常紧凑，这也带来了一些布置和散热方面的问题。为此，本课题基于计算机仿真平台，应用AutoCAD （AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD可以绘制任意二维和三维图形，并且同传统的手工绘图相比，用AutoCAD绘图速度更快、精度更高、而且便于个性，它已经在航空航天、造船、建筑、机械、电子、化工、美工、轻纺等很多领域得到了广泛应用，并取得了丰硕的成果和巨大的经济效益）、当前CAD领域应用比较广泛的三维软件Pro/E （PRO/E是全世界最普及的3D CAD/CAM系统被广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、机车、自行车、航天、家电、玩具等各行业PRO/E可谓是个全方位的三维产品开发软件，整合了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、板金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构模拟、应力分析、产品数据库管理等功能于一体）、有限元软件ANSYS，进行平衡重式电动叉车的强度、刚度及稳定性等方面的计算机仿真研究与分析，为我国电动叉车产品的设计、技术开发方面提供更多的理论参考，进一步提高电动叉车的稳定性和可靠性。1.2 国内外研究现状我国叉车工业起步于 20世纪五、六十年代。在原机械工业部的领导下，挑选国内几家企业的技术人员进行共同开发、联合设计，然后以当时计划经济的模式，根据叉车的不同型号(吨位)分配给各家企业进行制造生产。进入 20世纪 80年代后，计划经济的束缚逐渐减轻，各家企业根据自身的技术、资源力量，在原来的型号基础上向上、向下延伸，普遍建立起一套不同型号的产品系列，技术上主要以动力系统、液压系统作为核心。20世纪90年代中后期，随着国际上 Linder、Toyota等大公司产品的进入，对我国的叉车制造行业形成了极大的冲击。为了迎接挑战，国内企业在车身的钣金工艺、动力系统、液压系统、装配加工工艺等领域投入了很大的技改力度，引进了大批数控加工设备和流水线，在技术、工艺上有了很大的提高。但是国内企业在设计上相对滞后 ，主要以模仿日本企业的设计为主。在模仿过程中，由于受到加工工艺的制约，总体效果差强人意 ，特别是在车身形态方面存在很多不足。国际叉车制造企业对形态更加重视，受汽车形态设计 新锋锐 (New Edge)风格的影响，叉车形态在原流 线型的基础上增加了一些坚挺的块状轮廓明显的线条，流畅中彰显力量、圆润中蕴涵挺拔，叉车形态随社会审美情趣的演变不断地发展变化并成为叉车更新换代的主要手段之一。2003年世界叉车展览会的4款叉车。总体而言，当今世界叉车形态设计的趋势可以用8个字概括：流线、遮盖、高效、舒适。1.3研究内容及研究方法1.3.1设计主要内容本设计的叉车额定起重量为2000kg，标准载荷中心距为500mm，最大起升高度为3000mm，门架前后倾角为6/12，最大起升速度（满载）为340mm/s，最大行驶速度为12Km/h，最大爬坡度为18%，最小转弯半径为2000mm，前轮胎为6.50-10-10PR，后轮胎为5.00-8-8PR。利用AutoCAD、Pro/E软件完成叉车变速器、升降油缸、货叉二维设计及整车三维造型、利用ANSYS软件对货叉部分关键零部件进行强度、刚度及稳定性校核。1.3.2 研究方法（1）参考内燃叉车的资料确定总体布局，举升机构及液压控制系统的设计方案；（2）根据已经确定的相关资料制定平衡重式电动叉车的总体方案设计；（3）选取关键零部件进行强度、刚度及稳定性的校核。具体流程如图1.1所示： 图1.1 研究流程图第2章 平衡重式电动叉车设计总体方案2.1 叉车的定义与分类叉车是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆。属于物料搬运机械。广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备。 叉车分类：1.越野叉车：其基本构造和工作原理与普通叉车相同，但具有较大的离地间隙，较大的爬坡能力，更好的稳定性，采用类似于拖拉机的越野轮胎，有时还采用前后桥驱动，其最大特点就在于具有良好的通过性能和越野性能，可用语城镇建设工地和管道铺设等工程建设，如图2-1所示。2.集装箱叉车：除起重量较大和往往采用集装箱吊具外，工作原理和结构特点与普通平衡重式叉车无异，如图2-2所示。3.集装箱空箱堆高机：空箱堆高机的起重量一般不超过8t，常见为4t，结构类似于集装箱叉车，虽然起重量不大，但起升高度很大，行驶速度较高，采用特殊的空箱侧面集装箱吊具，如图2-3所示。4.集装箱正面吊运机：集装箱正面吊运机具有机动性强、作业效率高、操作简便等优点，已成为集装箱货场作业的一种重要机型，如图2-4所示。5.叉装机：叉装机在结构上类似于集装箱正面吊运机，知识个头小一些，取物装置还原为货叉，叉装机在底盘方面类似与越野叉车，如图2-5所示。6.伸缩臂式叉车：建筑材料的卸车和短途运输，将建筑材料直接投放到作业点，或给汽车吊、塔吊喂料。 工地各种物料的搬运和场地清理整理。 使用货叉和吊具搬运块状、条状、不规格形状建材；使用料斗搬运散料、平整地面；使用高空作业平台进行高空安装；使用玻璃吸盘安装幕墙；等如图2-6所示。7.侧面叉车：侧面叉车主要用来装卸和搬运长大物品如电杆、木材等。侧叉的门架位于车身的一侧，既可以起升下降，也可以伸出和缩回，能够将货物搁在车体右半边的载物台上搬运。侧面叉车在装卸货物时为了保证稳定性，应伸出支腿液压缸。侧叉的门架系统除伸出机构外与平衡重式叉车无异，转向系统类似于汽车，传动系统采用发动机后置，由于车身的三分之二被门架导轨槽分割，使车架比较特殊，如图2-7所示。8.手动托盘搬运车：手动（液压）托盘搬运车在使用时将其承载的货叉插入托盘孔内，由人力驱动液压系统来实现托盘货物的起升和下降，并由人力拉动完成搬运作业。工作时舵柄的上、下运动用来操作一个类似于液压千斤顶的装置，带动货叉的后部上升，同时通过一套杆系的传动，使货叉前部的轮子下压，使货叉的前部也同步升起，起升高度一般不超过300mm，仅限于使货物离开地面，能够被顺利搬运。舵柄在搬运过程中起牵引杆和转向舵的作用。手动托盘搬运车是托盘运输工具中最简便、最有效、最常见的装卸、搬运工具。该产品虽然技术含量不高，成本低廉，但用量很大，往往成为企业出口创汇的拳头产品。如图2-8所示。9.平衡重式电动叉车：车体前方装有升降货叉、车体尾部装有平衡重块的起升车辆，简称叉车。叉车适用于港口、车站和企平衡重式叉车业内部装卸、堆垛和搬运成件物品。3吨以下的叉车还可在船舱、 火车车厢和集装箱内作业。将货叉换装各种属具后，叉车可搬运多种货物，如换装铲斗可搬运散状物料等。自行式叉车出现于1917年。第二次世界大战期间叉车得到发展。中国从50年代初期开始制造叉车。图2-1 越野叉车 图2-2 集装箱叉车 图2-3 集装箱空箱堆高机 图2-4 集装箱正面吊运机图2-5 叉装机 图2-6 伸缩臂式叉车 图2-7 侧面叉车 图2-8 手动托盘搬运车2.2 蓄电池的选择电动叉车是指以电来进行作业的叉车，大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2v的电压，有12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式中P=+=54KW （2.1） 分别为运行电动机和油泵电动机功率， 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=375Ah （2.2）式中 T每作业班内车辆的净工作时间 U蓄电池组的额定电压已知蓄电池组容量，通过查表可以选出蓄电池组的型号为DG-400，容量为400Ah满足使用要求。2.3 行走电机的选择行走电机驱动传动系统最终向车轮提供驱动力矩，叉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。1.行走电动机功率满载运行功率：Pm=f(G+Q)Vmax/(3600t)=0.02（3400+2000）129.8/（36000.86） =4.1KW （2.3）Pe=(1.52)Pm=24.1=8.2KW （2.4）所以电动机取10KW的XQ-10：Temax=9549Pemax/N额=95491.210/1200=95.49（Nm） （2.5）传动比确定：Umax=0.377rn/IminIoIo=0.377rn额/IminUmax 0.3770.59/21200/(1.10.812) (=1.1)Igmax=(G+Q)(max+f)r/TemaxIot=9.8(3400+2000)(0.18+0.02)0.59/2/95.4912.638068780.86=3(0.7 Igmin0.8取Igmin=0.8)F-滚动阻力系数，f=0.02G+Q-满载叉车总重（N）Vmax-满载最大车速，一般为1015KM/Ht-传动效率，可取0.850.90功率P e=（1.52）Pm，原因是上坡时功率最大。由公式得电动机：行走电动机-XQ-10（10KW） 液压泵电动机XQD-6（6KW） 转向电动机XQD-0.55（0.55KW）行走电动机-XQ-10（10KW）：额定功率10KW，额定电压75V，额定电流165A，额定转速1200r/min, 最高工作转速2000r/min,励磁方式：串励，工作制60min，防护等级IP20，电机转向：双向，结构形式花键出轴，重量135KG，推荐适用叉车与功能1.5-2T行走。电机的基本参数如表2-1表2-1电机的基本参数规格额定功率额定电压额定电流额定转速XQ-1010(KW)75(V)165(A)1200(r/min)励磁方式定额重量最高工作转速电机转向串60min135kg2000(r/min)双向2.4 本章小结本章的主要内容就是了解叉车的定义，通过计算确定蓄电池、行走电动机的型号。第3章 变速箱设计3.1变速箱的结构方案表4-3 货叉安装尺寸起重量/t载荷中心距/mm货叉形式aBH1H2H3M1M2C1C2K1K2eq0.50.75400A76331394307305282617.5161413168B11443212.5500A76407470383381312917.5161413168B1525462.74.75500A7650856847847640382321.517161910B20369556.3600A12763574359959747452721.520191912B254870货叉长度L大于2C=1000mm见书叉车构造与设计P97表6-1，取L=1050mm货叉安装尺寸见书P98表6-3其重量2t载荷中心距500mm货叉形式取B得 a=152mm b=407mm h1=546mmh2=383mmh3=381mmM1=31mmM2=29mmC1=17.5mmC2=16mmK1=14mmK2=13mme=16mmq=8mm货叉截面尺寸：宽度取150mm,厚度取45mm货叉的强度计算：弯曲正应力w=Mmax/W=PC/a2b/6=0.319035983kg/mmP=Q/2=1000 kg轴向应力：1=P/F=P/ab=1000/152407=0.016164489kg/mm，max=w+1= s/n=0.335200472货叉的刚度计算：叉尖的饶度为：fz=pcl/Eic/l(3l-c)+6e+2h小于ff=l/50=21，P=Q/2=1000kg，I=a3b/12=152152152407/12=119满足要求。本设计取值如图4-4，4-5 所示：图4-4 货叉侧视图图4-5 货叉正视图4.3车体尺寸设计4.3.1车体设计内容（1）总体参数 吨位、起升高度、自由提升高度、转弯半径、轴距、轮距、运行速度等。（2）方案选型 发动机、转动形式、转向形式、制动形式、门架形式等。（3）总体计算 自重与轴载计算，牵引计算，机动性能计算，制动性能计算、稳定性计算。（4）总体布置安装、外形、限制尺寸等。4.3.2车体设计步骤（1）下达整机设计任务书 总体参数、技术形式、完成日期等（2）进行总体计算 由总体参数计算出所需要的牵引性能、机动性、制动性等总体性能。（3）进行总体布置 排尺寸链、画总图、定限制尺寸。（4）下达各部件设计任务书 传动系统、制动系统、转向系统、门架系统等。（5）进行部件设计与协调 检验尺寸与性能参数上的冲突、进行协调、修改。（6）总体性能验算 修改后重新计算，出设计计算书。（7）出全套图样 进行全部技术与工艺设计。总体设计与部件设计有时是交叉的，当总体设计规定的性能参数与尺寸布置与各部件设计时的实际情况有出入，或无法实现，或有冲突是，需要进行协调、修改，反复设计，直达满足各方面要求为止。叉车总体布局尺寸见图4-6，4-7，4-8：图4-6 叉车车体侧视图图4-7 叉车车体俯视图图4-8 叉车Pro/E标准方向图4.4档板尺寸设计4.4.1特征建模思想“特征的概念在现代设计中应用越来越广泛。在ProE中，特征是指构成图形的一组具有特定含义的图元，是设计者在一个设计阶段完成的全部图元的总和。ProE的特征建模思想为操作和管理图形上的图元提供了极大的方便。一个三维实体模型就是由数量总多的特征以“搭积木”的方式组织起来。因此，特征是模型结构和操作的基本单位，模型创建过程也就是按一定顺序依次向模型中添加各类特征的过程。一个模型上特征数量的多少对模型有较大的影响。一般来说，减少特征数量具有以下优点。（1）减少模型再生时间：再生模型时，要根据特征创建的先后顺序重绘各个特征。因此，特征越多，花费时间也越长，不便于模型的后续处理。（2）减少模型文件大小。特征越多，相对来说，模型文件越大，这不便模型文件的存储。（3）方便对特征的操作和管理。模型上的特征越少，模型的层次结构越清晰，模型之间的关系越简单。一方面，便于用户弄清楚模型的组成；另一方面，减少特征数量可以减少各个特征之间复杂的父子关系，方便了对模型的编辑和修改，降低模型再生失败的几率。因此在使用软件进行三维实体建模时，一般应该在满足设计要求的前提下尽量减少模型上特征的数量。减少特征数量的方法较多，例如可以采用以下方法。（1）通过创建复杂的二维草绘截面来减少特征数量。将多个特征的草绘截面合并为一个截面，从而减少特征数量。（2）一次特征创建中尽量合并参数相同的结构为一个特征。在一个特征创建过程中因该尽可能多地选取参数相同的参照来放置特征。例如在创建倒圆角特征时，如果一些边线处放置的圆角半径相同，则应将其归并为一个圆角特征。（3）使用复制、阵列和镜像几何形状等方法创建特征。例如：在叉车起升系统中，大约有40多个零件组成，由于零件具有结构的对称性，所以在这里运用了很多镜像功能。现以挡货架为例阐述建模过程。由于当货架的特征比较多，我们采用截面复杂化来创建拉伸特征，由于左右是对称，所以只用画出一半，然后通过中心线镜像出另一半，如图4-9，4-10所示：图4-9 叉车档板主视图图4-10 叉车档板侧视图4.4.2起升系统的装配在ProE中，零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的，也就是在各零件之间建立的一定的链接关系，并对其进行约束，从而确定各个零件在空间的具体位置关系。4.4.3元件的约束类型及其放置参照零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的。用户可以直接在零件上点选装配参考几何，如匹配、对齐、相切等，同时在偏移选项可选择重合、定向、偏移距，现介绍如下：（1）匹配：两个曲面或基准平面法线方向相反或相贴合。（2）对齐：使两个平面共面重合，两条轴线同轴以及使其两个点重合。（3）相切：控制两个曲面在切点处接触。（4）插入：将个旋转曲面插入到另一个旋转曲面中并同轴。当选取某个轴作为约束参照无效或选取不方便时可以用该约束。叉车起升系统的装配采用自顶向下、由里到外的装配顺序，先把起升系统分成三部分，分别为内门架、外门架、门架外挂(货叉+滑架)，每一部分又是一个装配体，先固定外门架，再装配内门架，内门架的内基准面F1(ASMGHT)与外门架基准面(ASM RIGHT)是对齐约束，偏移量是重合，这个约束在门架的装配是非常重要的，因为假如中心基准面不是对齐，那么当内门架的尺寸发生改变时，就能够导致门架整体的偏移，而这种门架装配尺寸的调整比较麻烦，有时是无法调整的。相反，当中心基准面对齐后，门架的尺寸改变是以基准面为中心向两边沿伸的，我们只用调整零件的尺寸就可以了，如图44所示；外门架与内门架的外上横梁的约束类型是匹配，偏移量是5；最后是门架外挂，只用对齐和匹配约束关系就可实现装配(图44)。最后就形成叉车起升系统的总图。最后图形如图4-11，4-12所示：图4-11 外门架主视图图4-12 外门架侧视图4.4.4货叉的建立具体步骤如下：新建零件输入文件名 进入零件模式进行草绘通过拉伸命令输入所需拉伸的尺寸完成拉伸操作，在通过在所建立零件上的面进行拉伸操作，在通过倒圆角等操作完成对该部件的三维建模，其建模效果图如图4-13所示：图4-13 货叉三维图4.4.5 叉架的建立具体步骤如下：新建零件输入文件名 进入零件模式进行草绘通过拉伸命令输入所需拉伸的尺寸完成拉伸操作，在通过在所建立零件上的面进行多次的拉伸操作、旋转操作、镜像操作完成对该部件的三维建模，其建模效果图如图4-14所示：图4-14 叉架三维图4.4.6外门架的建立具体步骤如下：新建零件输入文件名 进入零件模式进行草绘通过拉伸命令输入所需拉伸的尺寸完成拉伸操作，在通过在所建立零件上的面进行多次的拉伸操作、旋转操作、镜像操作完成对该部件的三维建模，其建模效果图如图4-15所示：图4-15外门架三维图4.4.7 Pro/E整机装配图图4-16整车三维造型图4-17 整车爆炸图图4-18 干涉检查图4.5叉车稳定性计算1.纵向静稳定计算根据纵向静稳定性试验的通过要求有i=L/h=0.1L/(Hmax+C)Q/(G+Q)+h1G(G+Q)0.040.1L(G+Q)0.04(Hmax+C)Q+h1CH10.1L(G+Q)-0.04(Hmax+C)Q/0.04G0.180.1L(G+Q)0.18(0.3+C)Q+h2CH20.1L(G+Q)-0.18(0.3+C)Q/0.18G0.06其中cos=/=1.7/=0.96160.5B0.9cos(G+Q)0.06(3+C)Q+h3G-0.1kH30.5B0.9cos(G+Q)-0.06(3+G)Q+0.060.1k/0.06G0.282cos=0.96160.5B(1-0.55)cos0.282(h4-0.55k)H40.5B(1-0.55) cos+0.2820.55k/0.370.50.97(1-0.55) 0.957+0.2820.550.235/0.37=0.6630m上述四个自重重心高度限制，显然要按照最苛刻的来，因此该叉车自重重心的高度不应大于663mm,所以本设计稳定性合格。4.6 本章小结本章的主要内容就是对Pro/E软件介绍让我们对Pro/E三维建模有个认识、货叉尺寸设计、车体尺寸设计、档板尺寸设计、内外门架设计及各部件的装配、并对叉车的稳定性进行校合。第5章 主要零部件有限元分析5.1 ANSYS简介ANSYS司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建发展起来的，总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡，目前是世界CAE行业最大的公司。近30年来，ANSYS公司一直致力于分析设计软件的开发、维护及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元元的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。ANSYS公司自建立伊始，便开始了一个“大学工程”，提出了支持教学与研究的院校版本，与代表世界计算技术最高水平的高校及专业研究单位紧密结合，促使ANSYS比任何其他CAE软件更快地吸取最先进的计算方法和研究成果，进而造就了不断推陈出新、技术日新月异的有限元分析软件。目前全球有70以上的高校及研究单位采用ANSYS作为分析软件。ANSYS已经成为世界范围内增长最快的CAD软件，拥有数百家广大的中国用户群。5.1.1 ANSYS的主要技术特点（1）能实现多场及多场耦合功能的软件。（2）实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型FEA软件。（3）独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的CAD软件。（4）融前后处理与分析求解于一身。（5）强大的非线性分析功能。（6）快速求解器。（7）最早采用并行计算技术的FEA软件。（8）从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上全部数据文件兼容。（9）智能网格划分。（10）支持从PC、WS到巨型机的所有硬件平台。（11）从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上统一用户界面。（12）可与人多数的CAD软件集成并有接口。（13）多层次多框架的产品系列。（14）良好的用户开发环境。5.1.2 软件功能简介软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、电压分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质及相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如Pc，SG，H P，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYSlO0，其计算机版本要求的操作系统为Windows 98或Windows NT及其后续版本，也可运行于UNIX系统下。5.2 ANSYS与ProE的接口技术在应用ANSYS进行有限元分析中，有限元建模耗费了工程技术人员大量的时间与精力。虽然ANSYS带有自建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一些相对简单的模型。随着ANSYS的应用日益广泛，它需要处理的模型也越来越复杂，ANSYS自带的建模功能就显得非常不足。ProE拥有强大的参数化设计能力，可以进行复杂的实体造型。因此，如果把ProE与ANSYS结合使用，充分利用Pr0E快速准确建模的特长，就可以很好地解决ANSYS建模能力的不足。许多工程技术人员就利用ProE建模，通过ANSYS与ProE之间的图形接口将模型导人ANSYS。利用ANSYS与ProE快速方便的接口、能有效提高建模速度，提高模型质量，简化分析工作，对工程技术人员来说意义十分重大。5.2.1 使用ANSYS提供的图形接口ANSYS提供了与ProE软件进行数据共享和交换的图形接口，ANSYS自带的图形接口能识别ProE标准的文件。使用这些接口转换模型的方法很简单，只要在ProE中将建好的模型使用“另存为”或者“导出命令”，保存为ANSYS能识别的标准图形文件，通常使用的有IGES和ParaSolid文件。在ANSYS中使用File-)Import。导人模型，然后进行模型拓扑结构修改。对ProE软件，ANSYS能直接识别它的文件，不需要另存其他格式的文件。使用这些图形接口虽然快速方便，但是往往会出现很多问题，甚至会发生不能识别的问题。例如IGES(The Initial Graphics，Exchange Specification)文件是150标准中规定的标准图形交换格式之一，IGES作为一种表达产品数据并将其转换成中性文件格式的行业标准，实现文件之间的交换具有很大的优势，但是ANSYS对IGES的支持不够，在导入IGES文件的时候，无法识别小的几何元素，造成所生成拓扑结构不连续，无法生成实体，导人的模型只是由一些面组成。而且ANSYS读人IGES文件所需的时间很长。对版本ANSYS90来说，这些图形接口还只能处理一些比较简单的模型。复杂模型转换后，总会存在一些问题，例如线面的丢失、图元无法转换等。这时，就要进行修补，这一丢失是转换过程中卅现的，并不是任何转换都会出现，由于使用这些图形接口进行的转换过程中，模型的拓扑结构往往会发生改变，修补后的拓扑结构不能进行下一步的分析。同时，通过接门引入的图形如发生了变化需要先修正几何模型，才能进行有限元网格划分和计算，这就影响了分析的精度和准确性。而且通过大量的计算实例发现，刑于较为复杂的模型，ANSYS提供的罔形接口不能正确等人ProE模型。这样，使用ProE软件与ANSYS之间的接口，快速、方便地获得个合理、有效的有限元模型直被I：程界所关注。5.2.2 ProE与ANSYS的连接方法通过ANSYS对主要零部件的有限元分析时，需要把在ProE中建的三维零件导入ANSYS中进行受理及变形分析。所以我们需要在二者之间建立连接接口。由于目前软件之间的接口建立问题一直比较复杂，其中三维设计软件Pro/E与ANSYS之间的接口建立技术最为成熟。但是ProE与ANSYS之间的接口即使建立了再导入后也会丢失很多特征，所以为了准确的分析零部件，我们将ProE中建好的零件另存为igs格式，然后用Pro/E软件将其打开，这样就可以把Pro/E中的零件导入ANSYS进行分析（这里所做的零件间导入均默认单位mm）。下面是对其具体操作的图解，单击开始命令依次找到相关选项。如图5.1所示：图5.1 第一步命令 单击OK选项后出现如下命令图框5.2，勾选倒数第二项后，单击OK完成创建。图5.2 完成图 上述步骤完成后我们就可以去Pro/E中找到已经建好的接口。如图5.3所示：图5.3 接口建立完毕把事先导入Pro/E中的零件打开后，单击第二项ANSYSGeom即可打开ANSYS进入界面，此时零件已经进入ANSYS中。5.3 对货叉进行有限元分析以三吨的起重量和3米的起升高度进行计算，货叉的材料定义为Q345载荷中心距为500叫，货叉截面宽50mm，长100mm。通过叉车起升系统CAD软件计算可知，货叉危险断面最大应力为183Mpa。对修改后的货叉还要做进一步工作，将模型的单位尺寸进行调整，以米、秒、千克作为单位，因为ANSYS默认的单位就是这样，如果不统一，显示结果就千变万化了，现以表格的形式列出ANSYS的单位 质量 长度 时间 力 压强 弹性模量kg m s N Pa 207e+11kg m ms kN GPa 207e+2模型导入ANSYS后，选择单元类型为Solid 45，弹性模量为206el 1，泊松比为03，密度78e3，通过计算压力为15MN，划分自由网格、定义载荷后通过求解，货叉变形图，应力分部图以及危险点图如下：由图53可知，最大应力在货叉根部如图，应力值为177M a，软件计算值为183MPa，所以基本吻合。5.3.1货叉的有限元分析由前面的受力分析可知，货叉主要的受力在卡钳上，因其直接承受货物载荷。1、定义属性单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性主要包括：弹性模量、泊松比以及材料密度等。零件进入ANSYS界面后，在左侧命令栏里进行如下操作：（1）Preferences/Structural；（2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一对话框选择Structural Solid，第二对话框选择Tet 10node 187；(3)Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值。货叉材料为45钢，主要参数如表6.1所示：表5.1 45钢属性表弹性模量（Pa）泊松比抗拉强度（MPa）密度（g/cm3）2.09e110.2696007.852、网格划分ANSYS为用户提供了两种常用的网格划分类型：自由和映射。自由划分体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。本设计中主要采用自由网格划分，轴模型自由划分可采用以下途径划分网格：Meshing/MeshTool选中Smart Size复选框（精度从1到10，1为最高，网格最细，本此分析均设为5），单击Mesh/Pick All。网格划分后的有限元模型如图5.4所示，有限元模型中共有个1727单元，890个节点。图5.4 网格的划分3、加载求解对夹具卡钳结构分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。加载步骤如下: （1）Solution/Analysis Type/New Analysis/Static；（2）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas；选择卡钳底端面进行约束，这里选择ALL DOF(全约束)；（3） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On areas卡钳上端面/输入加载压强的大小（注意方向），受力输入的为F产生的压强值取243MPa 。（4）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。加载及约束如图5.5所示：图5.5 卡钳的加载及约束4、查看结果及分析（1）查看变形结果：General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok；（PlotCtrls/Animate/ Deformed Shape/Ok，可直接察卡钳的变形情况)General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution；X Y Z 总变形如面5.6所示。图5.6 总位移变形图下面是X Y Z方向位移及总变形量图。 图5.7 X方向变形 图5.8 Y方向变形 图5.9 Z方向变形 图5.10 总变形变形量分析：从上图中可以看出X方向的最大变形量为0.214E+07mm，Y方向0.488E+0.7mm， Z方向最大为0.671E+07mm ，总方向最大变形为0.665E+07mm。可见固定卡钳的变形量主要为Z方向变形。变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX(X方向应力)、SY（Y方向应力）、SZ（Z方向应力）、SEQV（综合应力）。如图所示； 图5.11 X方向应力状况 图5.12 Y方向应力状况 图5.13 Z方向应力状况 图5.14 综合应力状况应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。X方向最大应力为1.105MPa，Y方向最大应力0.00201MPa，Z方向最大应力为0.002941MPa ，综合应力最大值为 0.387225Mpa。 无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均充分满足强度要求。通过有限元分析可知，我们所设计的夹具卡钳尺寸及选用的材料均符合要求。5.4 本章小结本章的主要内容就是利用建好的ProE与