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液压 叉车 设计 CAD

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摘 要随着工业的发展，搬运货物的需求量越来越大，繁重的劳动力，使叉车成为一种不可缺少的搬运工具。而静液压叉车的传动系统有非常好的性能，且静液压传动系统，相比传统叉车减少了离合器、差速器和变速箱等易损部件，大大降低维护成本。静液压叉车操作方便，车身结构简单，通过性好。所以促使静液压叉车的研发与发展。本文所述的静液压叉车设计就是对静液压叉车的一些基本结构的设计。本设计的主要内容为：1、叉车工作装置的设计，其中包括：货叉、叉架、门架系统，起升液压缸，倾斜液压缸，以及链轮、链条等部件。2、叉车转向机构的设计。3、叉车总体设计，其中包括：叉车总体基本数据及参数的确定，稳定性计算，车轮选用等。4、液压系统设计，其中包括：静液压传动系统，起升系统，倾斜系统，转向系统。关键词：静液压叉车；液压系统；工作装置；转向机构AbstractWith the development of industry, the demand for moving goods is growing, the heavy labor force, so that the forklift as an indispensable handling tools. The hydrostatic transmission system has a very good performance, and hydrostatic transmission system, compared to traditional forklifts to reduce the clutch, differential and gearbox and other vulnerable parts, greatly reducing maintenance costs. Hydrostatic forklift easy to operate, the body structure is simple, good through. So to promote the development and development of hydrostatic forklift.The hydrostatic forklift design described herein is a design of some of the basic structures of hydrostatic forklifts. The main contents of this design are:1. forklift work device design, including: fork, fork, gantry system, lifting hydraulic cylinder, tilt hydraulic cylinder, and sprockets, chains and other components.2. forklift steering mechanism design.3. the overall design of the forklift, including: forklift overall basic data and parameter determination, stability calculation, wheel selection and so on.4. hydraulic system design, including: hydrostatic transmission system, lifting system, tilt system, steering system.Key words: Hydrostatic forklift; Hydraulic system; working equipment; Steering mechanism43目 录1 绪论11.1 课题研究的目的与意义11.2 叉车的历史和发展11.3 叉车的分类11.4 叉车的发展趋势21.5 叉车研究的国内外现状21.5.1 国外现状21.5.2 国内现状22 工作装置设计22.1 货叉22.1.1 货叉的构造与选择22.1.2 货叉的制造工艺及材料的选择32.1.3 货叉基本尺寸的确定32.1.4 货叉的计算简图32.1.5 货叉的强度计算32.1.6 货叉的刚度计算42.2 叉架52.2.1 叉架的结构与选择52.2.2 叉架强度62.3 门架系统设计92.3.1 立柱截面设计92.3.2 高度几何尺寸设计102.3.3 宽度几何尺寸设计112.3.4 门架验算122.4 起升液压缸布置162.5 倾斜液压缸布置172.6 纵向滚轮的选择172.6.1 外门架上部纵向滚轮选用172.7 侧向滚轮的选择172.8 链条的选择172.8.1 链条强度校核172.9 链轮选择183 液压缸183.1 起升液压缸设计183.1.1 密封圈的选用193.1.2 缸底厚度的确定193.1.3 缸筒头部193.1.4 柱塞杆长度设计203.1.5 密封圈选用及沟槽设计213.1.6 防尘圈选用及沟槽设计213.1.7 油口设计213.2 倾斜液压缸213.2.1 倾斜液压缸受力分析213.2.2 倾斜液压缸的选用224 转向系统224.1 转向方式的选择224.2 轴距的确定224.3 后轮主销间距的计算224.4 转向液压缸234.4.1 转向液压缸的选择234.4.2 横置液压缸式校核234.5 转向机构设计235 叉车总体设计245.1 重心与轴载的确定及计算245.1.1 叉车自重245.1.2 静轴载245.1.3 叉车重心245.2 轮胎选择255.3 稳定性计算255.3.1 满载叉车纵向静稳定计算255.3.2 空载纵向动稳定性计算265.3.3 横向静稳定性计算265.3.4 横向动稳定性计算266 液压系统设计276.1 静液压传动系统276.1.1 静液压传动概述276.1.2 静液压传动系统方案的选择276.1.3 静液压传动系统设计286.2 工作装置液压系统设计306.2.1 工作装置组成306.2.2 起升液压系统要求306.2.3 倾斜系统要求306.2.4 起升系统基本参数计算316.2.5 倾斜液压缸基本数据计算316.2.6 其他液压元器件的选择316.3 转向液压系统316.3.1 转向系统流量计算326.3.2 液压转向器的选择326.3.3 溢流阀的选择326.3.4 单稳分流阀的选择32参考文献33谢 辞341 绪论1.1 课题研究的目的与意义静液压叉车属于物料搬运机械中的一种，在生产中,物料搬运机械的应用有着重要的意义：如今货物搬运量非常大，在一些钢铁企业，生产每吨钢材都需要搬运高达50吨的原材料、半成品、成品、燃料和废料等物品；搬运物料需要很高的费用，工业国家用25%左右的产品成本用作物料搬运的费用；搬运物料使用了大量的劳动力，有些企业机械化程度不高，企业员工的15%以上都是搬运工人；有些情况下不能使用人力搬运，只能依靠机械，比如：人力不能承担的重物，在高温和有放射性的环境下工作。因此，提高机械化程度使用相适应的机械，是非常重要的。这样不但可以减少产品损伤，更重要的是可以保护工人健康、提高劳动生产效率和改善产品质量，从而使生产成本降低。液压传动及液压系统设计是机械电子工程专业研究的一个方向，所研究课题静液压叉车设计刚好包含有关液压传动和液压设计方面知识，老师为了检验以及巩固我们所学液压方面的知识，专门设置该题目，通过本课题的研究设计让我们充分理解有关液压方面的知识，将液压方面的理论知识应用到实践中去，充分培养我们理论结合实际的能力。1.2 叉车的历史和发展现代用于搬运物料的机械从19世纪开始，在19世纪30年代，出现了使用蒸汽机做动力的起重机械和输送机；在19世纪末，内燃机的使用，搬运物料的机械得到快速发展。最早在1910年出现了既能起升又能搬运的叉车；世界第一台叉车是由美国克拉克公司在1932年投放市场的，1935年后又出现了内燃叉车。在二战期间，因为军事物资的搬运需要，无形中又促进了叉车的发展。20世纪50年代，前苏联的5吨机械传动叉车在国内开始仿制。到了20世纪70年代出现了用计算机来控制搬运物料的机械系统，使物料搬运进入高度自动化作业阶段。1.3 叉车的分类根据叉车的起重量可分为：小吨位叉车（0.5 t和1 t），中吨位叉车（2 t和3 t），大吨位叉车（5 t，当时没有更大的）根据动力源分为：手动叉车，内燃叉车和蓄电池叉车根据叉车与货物的相对位置可分为：正面叉车和侧面叉车，正面叉车又包含平衡重式叉车和前移式叉车；侧面叉车包括多面叉车和集装箱叉车。根据技术特点分为：汽油叉车，柴油叉车，液化石油气叉车；机械传动叉车，液力传动叉车，静液压传动叉车；机械转向叉车，助力式或全液压动力转向叉车；低起升门架叉车，高起升门架叉车，全自由提升叉车，集装箱叉车等。1.4 叉车的发展趋势目前，在叉车技术上向以下几个方向发展: 向用交流电控制驱动电机和电控装置。操作系统向集成化方向发展。发展环保型叉车。节能和机电液一体化高新技术的应用。重视叉车的安全可靠性和可维护性。制动系统向电子化方向发展。向电动叉车发展。1.5 叉车研究的国内外现状1.5.1 国外现状在国外，静液压技术已经可以熟练的应用到叉车上了，不过也只是个别公司能够做到，大部分公司还达不到技术要求，静液压技术在叉车上的应用，使得叉车发展进入一个全新的阶段，很好的改善了叉车的传动系统，使得叉车操作更加方便，操作精度也更高，更加方便控制。在这一方面做的最好最突出的就是德国的林德企业。该企业研发的一种叉车只用两个类似于油门的踏板来控制叉车的前进和后退，并且是完全的无级变速，踏板和现代无级变速的汽车一个工作原理，用踏板的行程改变叉车的行驶速度，当踏板没有被踩压的时候液压传动系统处于密闭状态不形成回路，利用液压油的可压缩性很小的原理，这就使得叉车自动减速，这就比原来的叉车省去了离合器，变速杆，变速箱，以及驻动系统，真正实现结构简单，操作方便得到效果。1.5.2 国内现状相比国外发展状况，国内现状就没有那么乐观了，在国内静液压技术在叉车上应用还没有得到大规模推广更没有得到大规模的生产，不过已经开始研究，不过研究的单位也不太多，只有几个国内知名大学在做这个项目，比如，江苏大学，同济大学等一些名校。但是国内虽然研究已经开始但是在研究的过程中还存在各种各样的问题，比如：发动机的功率与选用的液压元器件的功率不相符合，在叉车运行过程中出现熄火等严重问题；在叉车工作过程中，不能长时间工作，工作时间一长就会出现高温，严重影响叉车性能等情况，散热系统不完善，不能很好地达到降温效果，工作时长得不到保证，严重影响工作效率。2 工作装置设计2.1 货叉2.1.1 货叉的构造与选择货叉是叉车用来拿取物品的最基本最通用的装置。货叉安装在叉架上，它呈现出L形的外形杆件，它由水平和垂直段两部分组成。货叉的水平段和垂直段做成整体的，称为整体式货叉。在一些小吨位叉车上，所选用货叉的水平段和垂直段是分别制成的，用销轴将他们连接起来，水平段既可平置也可向上折叠起来，与垂直段靠拢，称为折叠式货叉。由于折叠式货叉制造比较麻烦，而本设计所设计的叉车属于中型叉车所以货叉形式选择整体式货叉。2.1.2 货叉的制造工艺及材料的选择货叉在制造过程中为了达到强度要求，先对毛坯进行锻造，做成长条形状，然后再进行镦锻，最后完成L形，做出基本形状之后再把与叉架配合的两个钩焊接到货叉上，再进一步进行热处理基本就可以达到要求。货叉对于叉车来说就是就是叉车的双臂，非常重要，由于它要承受较大的力，但是为了减轻工作装置的重量，它还得满足重量轻的要求，又为了叉取货物方便，货叉的横截面积也不能太大。所以，本设计中选用40Cr钢，经过适当的调质处理，增加水平段的表面硬度，提高耐磨性能。2.1.3 货叉基本尺寸的确定设计任务书中给定的荷载中心距C=500 mm，本设计中选用L=2C，即L=1000mm，暂定货叉断面尺寸：货叉厚度为60 mm，货叉宽度为180 mm。确定货叉的安装尺寸为：a=76mm，b=407mm，h1=470mm， h2=383mm， h3=381mm， m131mm，m2=29mm， c1=17.5mm， c2=16mm， k1=14mm，k2=13mm，e=16mm，q=8mm。2.1.4 货叉的计算简图由于所选的货叉类型为挂钩型货叉，则货叉的上端与叉架配合部分，不能移动也不能转动，所以，受力可以简化为固定支座，下端基本不受力，可以简化为活动铰支座，这样货叉就是一次超静定的钢架。如图2-1。但是为了安全起见，计算时按照静定问题进行计算。图2-1 计算简图2.1.5 货叉的强度计算货叉的受力分析图如图2-2所示，在货叉的水平段受到弯矩和剪力，货叉的垂直段受力情况为：弯矩和拉力。那么货叉的危险截面就是垂直段下部分的A处以下的截面，在该截面受到的合力应该是所受的弯曲应力和轴向应力的合力。则弯曲正应力w和轴向应力1分别为： a)计算模型 b) 弯矩图 c)剪力图 d)轴力图图2-2 货叉的强度计算w=MmaxW=PCa2b/6=200010500602180/6=92.59 MPa1=PF=Pab=20001060180=1.85 MPamax=w+1=92.59+1.85=94.44 MPa式中 Mmax最大弯矩； P货叉的计算载荷； C 载荷中心距； W抗弯截面模量，W=a2b/6; a、b截面高和宽； F截面面积，F=ab； 许用应力，= s/n。许用应力和安全系数的选取，与计算载荷的选取密切相关。如果计算载荷比较精确，安全系数可较小。在计算的时候，除了考虑正常的受力情况以外，还要考虑一些其他因素，比如惯性等一些客观存在的因素，但是又没有相关方面的规定，又不得不为安全考虑。因此，本设计采用加大安全系数的办法来达到安全要求。根据货叉试验的有关规定，在本次设计中取n=3，货叉选用40Cr钢， 40Cr钢的屈服强度为：s=785MPa = s/n=785/3=261.7MPamax=w+1=92.59+1.85=94.44MPafE=18.17mm所以货叉强度校核满足要求。式中 E钢的弹性模量，E =210000/MPa； I货叉截面惯性矩，货叉作为等截面看待，I=a3b/12； f许用挠度，f=l/50。货叉的重量计算Ghc=78600.470.180.06+10.180.0610=1248N2.2 叉架2.2.1 叉架的结构与选择叉架就是货叉的一个承载体，它由两部分构成，分为前后两部分，前半部分用来配合货叉的安装，采用钢体焊接出来的框架结构，后半部分主要用来方便叉架带动货叉一起在起升的时候的移动，所以叉架的后半部分用两列钢板焊接而成，在钢板上装有移动时的纵向滚轮和侧向滚轮。用链条固定在叉架的后半部分，带动叉架向上移动。如图2-4。图2-4货叉、叉架构造根据货叉选择的结构，叉架采用板式叉架形状如图2-5所示。叉架的一些基本数据在货叉安装尺寸中已经包括。图2-5叉架形状2.2.2 叉架强度为了简化计算，可将上、下横梁可简化成双悬臂对称简支梁（如图2-6），梁的上、下边缘受力F作用，使梁同时受到弯曲和扭矩。力P作用在框架平面内，从而构成三次对称超静定框架，上横梁悬臂根部受到最大弯矩。因此，危险截面为开口框架上横梁悬臂根部。该截面作用在框架平面内的弯矩为：Mx= Pl作用在垂直于框架平面的弯矩为：Mx= Fl=P c +a+b2lf图2-6叉架强度计算简图A图2-7叉架上横梁横截面计算图该截面的扭矩为：MT= Fh/2 P=Q/2式中 Q起重量；l悬臂长度；c载荷中心距；a货叉厚度；b横梁截面厚度；h横梁截面计算高度；f框架上、下横梁作用力F间的距离。叉架上端的定位槽，使得上端的钢板变薄。承受力强度变弱，截面如图2-7所示，计算时只计算矩形部分，主要验证A、B两点的受力。A点的应力为A=MxWx+WyWy=Plb h26+ Flb2 h6=1000101000bh26+100010(500+60+b2)b2h6407=261.7 MPa由于方程求解难度比较大，所以根据货叉安装尺寸暂取b=32 mm，代入上式得：260h2-82.35h-1.8751060根据二次方程求根公式h=-bb2-4ac2a0h85.08mm为安全起见取：h=90mm截面中B点的扭转剪应力最大，其值为max=MTb2h=100010500+60+169040721.532290=4.61MPa=209MPa式中 经查材料力学，=1.5B点为双向应力状态，按第四强度理论：B=MyWy2+3max2=（100010500+60+16322906407）2+34.612=8.04MPa261.7MPa综上所述，叉架上横梁宽32 mm，高90 mm符合强度要求。下横梁同上横梁基本相同，下横梁下端中间开一缺口方便货叉的拆换。叉架总体宽度定为1100 mm，其他具体数据绘图时确定。叉架重力估算：Gcj=78601.10.470.03210=1300N2.3 门架系统设计2.3.1 立柱截面设计内、外门架都是由左、右两根立柱组成，并用横梁连接形成的门形框架，内外门架的横梁数目不同，分别位于门架的上、中、下位置。门架的立柱主要有两个作用，第一承载门架，第二，用作内门架和叉架的导轨。门架立柱截面的造型有多种多样。比如：槽型，工字型等。内外门架的配合形式为嵌套形式，不同形状的立柱截面组合在一起形成不同形式的组合，这些组合都有各自的优缺点，比如双槽型组合，由于内门门架形式一样制造就相对简单，方便。但是有优点的同时也有缺点，由于截面形状的限制导致滚路间距一定，受到的滚轮压力始终都比较大。其他组合形式的门架系统，会随着起升高度的增加，滚轮间距逐渐变小，直到起升到最高点门架受滚轮压力大小才和双槽型组合受力相同。表2-1C型截面参数H/mmh/mmB/mmb/mmd/mm面积/mm2单位质量/(kg/m)Wx/mm3148110451219303023.8114817.2表2-2L型截面参数B1/mmh1/mmd1/mm面积/mm单位质量/(kg/m)Wx/mm333.513173599.528.3126798.3注：H、h、B、b、d数据与C型截面相同。 图2-8 门架截面几何尺寸与参数综合上述几种门架截面的设计，在本设计中采用CL型截面，使用可变距式滚轮布置。本设计选择采委会设计的新型门架槽钢，根据本次设计的任务书中所给定的数据，选择的CL型截面的具体数据如表2-1，表2-2所示（字母含义如图2-8）。图2-9门架理论高度设计示意图2.3.2 高度几何尺寸设计本次设计的叉车任务书中给定的最大起升高度为3250 mm，最大起升高度为一般高度，普通的二级门架起升系统就可以满足本次设计的要求。如图2-9所示的几何关系，内外门架的立柱高度为：H2=H1=Hmax-+2+L1+d+t式中 Hmax最大起升高度（mm）； 货叉厚度（mm）； 满载时的轮胎变形量（大致与相当）（mm）； L1叉架（内外门架间）的纵向滚轮间距（mm）； d纵向滚轮直径（mm）； t焊接尺寸（mm）。根据CL形截面的选用，现确定滚轮直径为110 mm，经过自己亲自测量额定起重量3.5t，最高起升高度3000 mm，自重4450 kg的叉车，滑动滚轮之间的最小间距为340 mm，为安全起见，本设计中纵向滚轮间距取420 mm，最小离地间隙130 mm，当叉车满载时前轮会有一定的变形量，对起升高度有影响，本设计认为昆泰变形量和货叉厚度相抵消，先不考虑工艺尺寸，把这些数据代入上式可得：H10.5Hmax+L1+d=0.53250+420+110=2155mm由于任务书上没有给定自由提升高度的具体参数和要求，那么在本设计中只要能满足正常叉车通过就可以，自由提升部分采用部分自由提升，自由提升量为d=300 mm，本设计中采用内外门架高低差法来实现自由提升。根据内外门架高低差法特性，可以计算出外门架在原有基础上再的增高0.25 d即可。同样也需要内门架相对原来高度降低0.25 d。所以内外门架的高度为：H2=2155-0.25300=2080mmH1=2155+0.25300=2230mm则门架的最低结构高度Ha为：Ha=H1+amin=2230+130=2360mm内外门架的重量：内门架的重量：Gnm=78602.0801020.0170.0335+0.0190.0452+0.0120.110=1177N外门架的重量：Gwm=78602.2301020.0190.0452+0.0120.110=1062.2N2.3.3 宽度几何尺寸设计2.3.3.1 整体位置叉车前轮在门架之外，所以门架的宽度要小于前轮的轮间距。2.3.3.2 与车轮的侧向间隙门架立柱嵌于两个前轮之间，立柱不能与车轮发生干涉，更何况轮胎有一定的变形量，为防止与变形后的轮胎相干涉，所以立柱和车轮之间一定要留有一定的间隙。上面所说的，门架在叉车的整体位置和门架与车轮的侧向间隙的具体数值如图2-10所示。为方便计算，暂定前后轮距相等（前轮需要安装轮边减速器和内置液压马达，因此前轮比后轮的轮距要大一些，为方便计算赞取相等）。按照图示效果则外门架宽度为：图2-10门架安装示意图Bwm=M-100=725-100=625mm则内门架宽度为：Bnm=Bwm-2（B+46-33）=625-2（45+13）=509mm2.3.3.3 与前桥的位置关系由于本此设计的是静液压叉车，并且本叉车的驱动方式和传统的驱动方式截然不同，所以前桥不再是驱动桥，而只是一个有承重作用的前桥，因此就不用考虑驱动桥中部主传动部分(俗称牙包)与外门架的下横梁发生干涉。2.3.3.4 前后位置布置首先平衡重式叉车的门架位于车轮支撑点之外，门架和货物的重量需要靠叉车其他部分的重量来平衡，才不至于向前倾覆。为了减小倾覆力矩，门架应该尽量靠近车体。另外为了装卸长大的货物，叉车门架必须位于车轮的前面，否则货物会与车轮干涉。因此门架的位置其立柱嵌于两个前轮之间，而货叉垂直段前表面必须位于车轮之前，就如图2-10所示。2.3.3.5 前悬距根据大量的统计数据，本设计的叉车的前悬距（前轮中心到货叉垂直段前表面）B为前轮半径R的1.4倍，即1.4 R。即：B=1.4R=1.40.5750=525mm2.3.4 门架验算2.3.4.1 工况计算把门架系统单独隔离出来，当门架向前倾斜最大角度，即前倾6时，货叉满载起升到最大高度时，倾斜液压缸和外门架铰接的地方是个最大受力点，将受到最大外力矩。但现实中不允许出现这种违规操作，所以设计时按照门架处于竖直状态，被其中的货物的重心与载荷中心相重合工况进行计算。图2-11货叉分离体2.3.4.2 纵向滚轮压力内门架处于竖直状态，在纵向平面内，则内门架受到的垂直方向的力为：叉架纵向滚轮对内门架作用的一对力偶P1、P2，根据作用力与反作用力，则门架同样给叉架滚轮一对支撑力P3、P4。当内门架起升到最大高度时，内门架上的纵向滚轮间距与叉架纵向滚轮相同，那么受力情况也与叉架受力相同。滚动摩擦非常小忽略不计，如图2-11中所示，则：P3=P4=P1=P2=Qc+a-r1+Ghb-r12Ag =200010500+152-58+407122-582420 =14173.87N2.3.4.3 弯矩由于门架受到滚轮的垂直力，则门架产生弯矩载荷：门架的受力简图和截面弯矩图如图2-12所示。外门架和内门架受力情况相似，但是比内门架受力更加复杂。只不过外门架受到的是内门架滚轮给外门架的垂直压力力偶P3、P4，但是不同的地方时，外门架还受到起升液压缸对门架施加向下的压力。同时还受到倾斜液压缸的拉力和支撑铰轴的反作用力。虽然受力比较复杂，但是危险截面是相同的，不用考虑横向平面内的受力情况，因此外门架的计算方法和内门架计图2-12内门架受力分析算方法相同。根据内外门架的受力情况，门架截面采用CL型是比较合理的。2.3.4.4 门架强度a) 整体弯曲应力每根立柱截面的最大弯矩如图2-12所示，其值为Mx=P1Ag=P2Ag=14173.87420=5953025.4Nmm立柱截面处的正应力为x=MxWx=2953025.4126798.3=46.95MPa式中 Wx抗弯模量，取Wx=126798.3/mm3。b) 局部弯曲应力内门架立柱翼缘直接接触滚轮，所以在翼缘部分会产生局部弯曲，和表面接触应力且应力的数值也是比较大的。计算简图如图2-13所示。翼缘与腹板连接处的应力为：x=0.7Pt24cb3=0.714173.87172418.5303=30.88MPa z=1.7Pt24cb3=1.714173.87172418.5303=75MPa图2-13翼缘局部应力计算简图c) 合成应力根据以上的受力情况分析，可以看出最危险截面是叉架下滚轮处和内门架接触的截面，翼缘根部受到最大应力，或略其他较小应力，根据第四强度理论，则有： A=w+z2+x2-xw+z=46.95+752+30.882-30.8846.95+75=109.8MPa230MPa许用应力= s/n，为了安全，安全系数n=3。门架立柱采用16Mn，取=230 MPa。d) 滚轮接触应力j=0.418PEbr=0.41814173.872.110529110=407.77MPa815MPa式中 P滚轮压力（N）; E弹性模量，E=2.1105MPa；b滚轮宽度（mm）；r滚轮半径（mm）；j许用许用应力（MPa）。本设计中，许用应力取材料的布氏硬度值的5倍。取16Mn的布氏硬度为163，则j=1635=815MPa所以校核通过。2.3.4.5 门架刚度计算门架刚度和货叉刚度校核差不多，这里计算时按门架的工况为，门架处于竖直状态时，满载情况下，起升到最大高度且货物重心位于荷载重心处。则：内门架顶端的水平前移量为：f=f1+1l2-Ag+Agl2-Ag+f2f1=P3H13-(H1-Ag)33EI=14173.8722303-2230-42033210000122110=7.3mm同理f2=6.9mm内门架的顶端对垂直线的转角为=1+Ag+22=MxEJH2=5953025.42100000149098002080=3.9510-4同理外门架顶端转角为1=3.7510-6则：f=23.36mm由于最大起升高度小于4m的叉车，允许的水平前移量fH/100=32.5 mm，2所以校核通过。2.4 起升液压缸布置起升液压缸的布置有两种方案：一是采用单起升液压缸，位于门架中间，缺点：液压缸严重影响驾驶员的视野。二是采用双液压缸，液压缸位于门架立柱之后，优点是门架视野比较好，缺点是布置不当是会增大前悬距。为了使驾驶员有个良好的驾驶环境，所以本设计中采用第二种方案。2.5 倾斜液压缸布置倾斜液压缸布置方案有3种：第一，采用单根倾斜液压缸，布置在中间，拉动外门架中横梁。第二，采用双倾斜液压缸，拉动中横梁。第三，采用双倾斜液压缸，布置在高位，比如外门架上横梁与护顶之间，优点是受力小，缺点是行程大且不好布置。根据国内叉车发展的现状，我采用第二种方案，将倾斜液压缸布置在外门架中横梁与车架前轮“挡泥板”之间。由于任务书中对门架的倾斜角度没有给定明确的参数，本设计定倾斜液压缸的动作要保证门架完成前倾6，后倾12。不过因注意的是，在门架前倾和后倾最大程度上不能与叉车的“前脸”发生干涉。2.6 纵向滚轮的选择选择型号为760211KIT的纵向滚轮，基本尺寸为：内径为55 mm，外径110 mm，厚度为29 mm。材料为轴承钢。2.6.1 外门架上部纵向滚轮选用门架配合形式为CL型，因此在外门架的上端纵向滚轮除有个主纵向滚轮外还需要一个副纵向滚轮，主纵向滚轮采用和内门架和叉架上的纵向滚轮一样，副纵向滚轮选择圆柱滚子轴承N205E为副纵向滚轮。2.7 侧向滚轮的选择所选的滚轮的基本数据为：侧滚轮的，轴套内径是20 mm 外径是42 mm，轴承厚度30 mm 总长是80 mm，轴的小孔径是10 mm 两个小孔中心距是60 mm。材料为轴承钢。2.8 链条的选择选择的链条的具体参数如表2-3所示。2.8.1 链条强度校核每根链条拉力：FT=Q+Ghq2=20000+1300+124820.82=28185N6.1链板厚度内链板孔径销轴直径链条通道高度链板高度3.37.967.9418.3418.11铆接销轴高度外链接内宽27.516.52.9 链轮选择根据所选链条的宽度和承重载荷，选得链轮型号为：780308K3，规格：外径138 mm，内径40 mm，槽宽37 mm，槽深100 mm。额定载重3.5t。材质为碳钢。所选的链轮的尺寸数据如表2-4所示。表2-4链轮参数尺寸名称计算公式备注D1D2BD1min=5PD2min=D1+h1Bmin=1.05bP连接节距h1链条通道高度b链条销轴3 液压缸3.1 起升液压缸设计本设计中采用双起升液压缸，通过受力分析得每个液压缸的受力为：Fc=Q+Ghq+Gnm2=20000+1300+124820.8+11772=30333.5N液压缸的柱塞杆面积为：A=FcP10-6m2=30333.52010-6m2=1.5210-3m2又因为：A=d24所以柱塞杆直径为：d=4A=44mm出于安全考虑，暂定柱塞杆直径为52 mm，暂定缸筒内径尺寸为63 mm，确定液压缸的壁厚为7 mm。任务书中给定最大起升速度31.2 m/ min，则起升液压缸内流量为：Qqs=Avmax=3.140.026231.2=0.06623m3/min液压缸内工作压力为：Pn=4Fcd2=430333.53.14522=14.29MPa缸筒壁厚所能承受最大工作压力的验算Pmax=0.35sD12-D2D2=129.6Pn结论：满足工作要求。由于缸径小于80 mm时，导向套的长度为（0.61.0）D，所以导向套的长度取最大，可确定为63 mm。缸筒的材料选用45钢。3.1.1 密封圈的选用确定密封圈的公称内径为58 mm，密封圈厚度为2.650.09 mm。3.1.2 缸底厚度的确定缸底采用平行缸底，无孔，设计则缸底厚度为：h=0.433dP=0.4336315.46230=7.072mm为了安全起见取缸底厚度为10 mm。选取起升液压刚的安装方式为底座安装，考虑到安装螺栓的固定空间，所以底座做成110mm 110 mm的正方形底面，并采用焊接的形式与缸筒相连接。3.1.3 缸筒头部缸筒头部采用法兰连接方式和缸筒连接，连接形式用螺钉连接。法兰材料选用16Mn则其法兰厚度为：h=3FD0-dcpdcp=348168.279-60.53.1460.5230=7.82mm为安全起见法兰厚度取h=8mm。式中 h法兰厚度，mm；F法兰受力总和，N；F=48168.2N；dcp密封环平均直径，mm，dcp=60.5mm；P工作压力，Pa；d密封环内径，mm；d=58 mm；q附加密封压力，Pa；D0螺钉孔分布圆直径，mm；许用应力，Pa。3.1.3.1 螺栓连接计算法兰采用6M12螺钉的方式连接，材料为16Mn，则缸筒与缸盖采用螺栓连接时，螺纹处拉应力为：=4KFd12Z=41.548168.23.141026=153.4MPa螺纹处的切应力为：=K1KFd020.2d12Z=0.121.548168.21220.21026=10404.3N合应力为：n=2+32=153.42+30.01042=153.4MPa 230MPa 校核通过。3.1.4 柱塞杆长度设计柱塞杆定位采用在柱塞杆的末端加工成螺纹，在末端装配上比柱塞杆大的螺母进行定位，为安全起见，螺母规格为最大外径58 mm，螺母厚度40 mm。定柱塞杆和内门架的连接长度为70 mm。起升液压缸行程为：Sc=Hmax-+2=Hmax2=0.53250=1625mm液压缸的安装高度为：Hc=Sc+C1=1625+63+10+8+40=1746mm式中 C1液压缸的导向、缸盖、缸底等固定尺寸柱塞杆的长度为：1625+63+8+40+70+40=1846 mm3.1.5 密封圈选用及沟槽设计3.1.5.1 密封件O型圈设计：本设计中采用最常用的矩形沟槽，这里用于主密封件选用的O型密封圈的尺寸为;公称直径52 mm，密封圈厚度为2.650.09 mm。3.1.5.2 沟槽设计槽宽一般为O型圈截面直径的1.5倍，所以槽宽为3.98 mm，根据经验确定O型圈的变形率为0.2则槽深为，2.12 mm3.1.6 防尘圈选用及沟槽设计所选择的密封圈和对应的沟槽尺寸如表3-1所示。3.1.7 油口设计油口具体数据如表3-2所示。表3-1毡密封圈及沟槽尺寸毡封圈槽Dd1b1D0d0bBmin694985851712表3-2油口安装尺寸ECEEmin方形法兰名义规格DNEE0-0.15EA0.25EDM27x216161529.7M8x1.253.2 倾斜液压缸3.2.1 倾斜液压缸受力分析倾斜液压缸的受力存在两个极限位置，即当门架达到最大后倾角度12时倾斜液压缸受到最大的压应力也是推动门架需要的最大推力。当门架达到最大前倾角6时，倾斜液压缸达到最大拉力。根据实际安装情况，使达到最大后倾角度时倾斜液压缸和门架垂直，则门架前倾至最大角度时倾斜液压缸和门架成75，经受力分析得倾斜液压缸受到的压力和拉力为：Fy=Gnm+Gwm+Ghc+Gcj+Gsin12=1248+1300+1177+1062.2+20000sin12=5153.5NFl=Gnm+Gwm+Ghc+Gcj+Gsin9=1248+1300+1177+1062.2+20000sin9=3877.57N3.2.2 倾斜液压缸的选用由于倾斜所用行程较小，现液压缸已经标准化，因此可直接选定型号，选用HSG型液压缸，缸径63 mm，行程300 mm。就可满足设计需求。4 转向系统4.1 转向方式的选择由于叉车转向工作频繁，转弯半径小，极限转角大，由于工作场地小，转弯半径必须小，为了满足极限转角大的要求，本设计中采用曲柄滑块式转向机构。由于叉车工作时车身较重，为了方便转向，本设计用全液压式控制转向，平衡重式叉车多采用双轴线式转向，本设计也采用同样的方式4.2 轴距的确定暂定本设计的轴距为L=1450mm。4.3 后轮主销间距的计算叉车最大内轮转角nmax=80。本设计确定M/L=0.5，当n=80时w=55.9。则最小转弯半径为：Rmin=Lsinwmax+C根据任务书所给数据最小转弯半径Rmin=2270mm，代入上述公式得：2270=1450sin55.9+CC=518.9mm即，当C小于等于518.9mm时可满足设计要求，根据所选轴距，为了车身相协调，C取300 mm。则实际最小转弯半径为：Rsmin=1450sin55.9+300=2051mm本设计确定M/ L=0.5，且轴距为 L=1450 mm所以M=14502=725 mm4.4 转向液压缸4.4.1 转向液压缸的选择所选横置液压缸具体参数为，活塞杆直径50 mm，内缸径80 mm外径90 mm。连接曲柄滑块的孔的中心距为500 mm。 4.4.2 横置液压缸式校核由上文可知叉车在空载时后轮承受的载荷最大：Gh=0.5G2100010=9350N暂定车轮公转半径e =90 mm，因为选定后轮轮胎断面宽度为160 mm，因为转向综合摩擦系数=0.25；单个车轮测转向阻力矩为：Ms=Z1e+p212=93500.25902+1603212=244.5Nm横置液压缸式表面推力为：Ft=93500.25=2337.5N横置液压缸式的活塞杆直径和起升液压缸的直径相同，而受力远远小于起升液压缸的受力，所以校核通过。4.5 转向机构设计暂取转向节臂初始角0=90，取r1=R1/D, e=E/D根据经验公式：e=C1+C20+C3ML+C402+C50ML+C6ML2r1=G1+G20+G3ML+G402+G50ML+G6ML2式中的系数见表4-1。表4-1经验公式中的系数下表序号123456C-8.807857+0.1467839+8.3315333-0.000562699-0.069538-1.20057G-7.020729+0.12650658+8.11866-0.000550556-0.058138-1.1222867经计算得：e=0.59r1=1.06根据所选的横置液压缸可计算出：D=725-5002=112.5mmE=eD=112.50.59=66.375mmR1=r1D=1.06112.5=119.25mm最后经过数据圆整，D=112.5 mm，E=66 mm，R1=120 mm。5 叉车总体设计5.1 重心与轴载的确定及计算5.1.1 叉车自重叉车的重量大小和重心位置是进行叉车设计的基本参数，非常重要，这些数据决定了选择发动机、计算稳定性和牵引性能。根据设计经验叉车自重暂定为3.4t。5.1.2 静轴载满载：为保证叉车的纵向稳定性，本设计中前桥桥载G1为满载叉车总重量的90%。考虑到转向的时候需要的最小附着力，后桥桥载G2为满载叉车总重量的10%。即：G1=3.4+20.9=4.86tG2=3.4+20.1=0.54t空载：为了保证叉车的横向稳定性，本设计暂定前桥桥载G1=45%G，后桥桥载G2=55%G,。即：G1=3.40.45=1.53tG2=3.40.55=1.87t5.1.3 叉车重心 5.1.3.1 空载时 横向：重心位于中间且两边对称。 纵向：重心位于距前轮中心55%轴距L处。L0=14500.55=797.5mm。高度：h0=560mm5.1.3.2 满载且举升高度达到最大，门架为竖直状态时：纵向：重心距前轮中心的距离为：L0=GiLiG=308mm高度：重心距地面距离为：h0=GihiG=1741.5mm5.2 轮胎选择根据轴载的计算分别算出每个轮胎的负载为：满载时：Gq=0.5G11000=2430kgGh=0.5G21000=270kg空载时：Gq=0.5G11000=765kgGh=0.5G21000=935kg所选择的前后轮轮胎的数据如表5-1所示。表5-1轮胎规格轮胎位置轮胎规格标准轮辋允许轮辋充气压力/MPa断面宽度/mm外直径/mm驱动轮负荷/kg转向轮负荷/kg前轮7.00-15-125.55.50T0.8620075028702420后轮6.00-9-104.00E4.50E0.86160540150512755.3 稳定性计算5.3.1 满载叉车纵向静稳定计算计算时叉车状态：门架垂直，满载，起升到最大高度，叉车静止。根据纵向静稳定性实验的通过要求有：i1=lh0.04h7700mm满载纵向静稳定性通过。5.3.2 空载纵向动稳定性计算计算时叉车状态：门架后倾，起升300 mm，满载，全速前进。i1=lh0.18h1711mm叉车在该状态下工作时叉车的重心高度近似与空载时相同。满载纵向稳定性计算通过。5.3.3 横向静稳定性计算计算时叉车状态，起升到最大高度，门架后倾的堆垛状态。前轮中心距为1045 mm，后轮中心距为925 mm。重心位置和满载起升最大时高度相同则有：i1=lh=0.5B1-3081450cosh0-3081450k0.06cos=L(0.5B)2+L综上：h0.392cos=L(0.5B)2+L综上：h712.3mm横向动稳定性计算通过。综上所述，本设计所设计的叉车结构比较合理，纵向静稳定性、纵向动稳定性、横向静稳定性、横向动稳定性，均能通过，不会出现倾翻和侧翻情况。6 液压系统设计6.1 静液压传动系统6.1.1 静液压传动概述图6-1 高速液压马达静液压传动方案发动机的功率通过液压泵、液压调速控制系统、液压马达，配合机械传动的驱动桥或轮边减速装置实现对车轮的驱动称为液压机械传动，简称静液压传动或静液传动。与液力传动不同，静液压传动是利用工作液体的静液压力来传递动力的，即利用液体的不可压缩性来实现运动的传递。其调速是通过改变泵或同时改变马达的排量来实现的，故称为容积调速。静液压叉车与传统叉车省去离合器，变速杆，变速箱，等诸多部件，所以整体布置比较简单，方便的优点，液压传动可以实现完全无级变速，可以提高发动机功率的利用效率。驾驶操作也相应的编简单了。当然也存在着高速性能差，传递效率较低（总效率50%左右），成本较高，液压元件的质量不过关时容易发生泄漏等缺点。目前静液压传动广泛应用于液压挖掘机，以及一些装载机，军用和进口叉车上。林德内燃叉车一直采用静液压传动，只需一个前进一个后退两个踏板操作，松开踏板即自动减速并停止，操作十分方便，是静液压传动叉车中的典型案例。6.1.2 静液压传动系统方案的选择图6-2 低速液压马达静液压传动方案1-内燃机 2-变量泵 3-管路 4-液压马达 5-驱动车轮静液压传动系统一般有2种方案的选择即：高速液压马达方案和低速液压马达方案，高速液压马达方案如图6-1所示，取消离合器与变速器，保留原机械传动的驱动桥，静液压传动部分只起调速的作用。高速液压马达方案优点是：传动效率高，马达成本低；缺点是保留了机械传动的驱动桥等中间环节，相应的噪声和维修量较大。低速液压马达传动方案如图6-2所示，采用低速大转矩的轮边液压马达直接驱动车轮，完全取消了机械传动部件，能充分体现静液压传动布置方便、中间环节少的特点：其缺点是低速液压马达的尺寸大，效率低，转速有脉动，制造困难。针对上述两种传动方案的缺点，为了更好的实现传动性能，本设计采用了一种综合的方法，即：采用高速液压马达和轮边减速器组合的方法实现低速液压马达传动的功能高速液压马达采用内藏式柱塞马达，安装在轮边减速器里面，这两个装置整体都放置在车轮内部，这样布置也节省了很大空间，叉车结构也变得更加紧凑，这样既实现了上述方案二的功能，又避免了上述的缺点。6.1.3 静液压传动系统设计6.1.3.1 发动机功率静液压传动系统通过变量泵和液压控制系统的调节作用，能够实现恒功率调速，既照顾到最大爬坡度工况，又照顾到最大车速工况，因此可以按最小功率选择发动:Pe=KDvmax vmax(G+Q)/(3600q) =1.20.0222（20000+34000）/(36000.5)kW =15.84kW式中K附件功率的系数，取1.2； Dvmax高档动力因素，静液压传动取0.02； vmax最大车速，22 km/h;G+Q叉车自重加起重量（N）；0传动效率，取0.5。6.1.3.2 发动机选择由于Pe=15.84 kW，所以本设计选择发动机型号为485QC的汽油机，额定功率25.7 kW。6.1.3.3 液压马达本设计中采用大功率的泵和液压马达，使发动机功率充分被利用。传动系统的角功率：Pj=maxvmaxG+Q3600=0.3223.4+23600=99kW行走马达的期望输出角功率：Pjt=PjZL=9920.9=55kW选择A6VE55型内藏式变量马达就可满足要求，其具体数据如表6-1所示。表6-1A6VE55型内藏式变量马达技术参数排量/(mL/r)最大流量/(L/min)最高转速/(r/min)转矩常数/(Nm/MPa)最大转矩/Nm最大输出功率/KW惯性矩/kg质量/kg15.8-54.8206375020511-8.70188-3041200.004226输出角功率为：PP=Pmaxqmaxnmaxt601000=2054.842000.85601000kW=65.2kW6.1.3.4 轮边减速器选择车轮7.00-15-12，车轮最大转矩：TL=G+QmaxrZ=20000+340000.20.375=2025Nm车轮最大转速：nL=1000vmax602r=1000226023.140.375=156r/min选择GFT 17 T2-A6VE55/63W-VZL轮边减速器能满足要求，具体参数见表6-1。表6-2 GFT 17 T2行走减速机技术参数输出转矩/Nm减速比i液压马达质量/kg1700026.4A6VE55956.1.3.5 变量泵的选择变量泵期望输出角功率：Pjt=Pj0=990.5=198kW选择A7V250斜轴式变量柱塞泵，其具体参数如表6-3所示：表6-3A7V250斜轴式变量柱塞泵技术参数排量/(mL/r)摆角变化范围/()排量变化范围/(mL/r)压力/MPa最大转速/(r/min)最大功率/kw转动惯量/(kg/)质量/kg2500-26.50-2503518502700.0881056.2 工作装置液压系统设计6.2.1 工作装置组成本设计中叉车的工作装置为：货叉、叉架、内门架、外门架、滑轮、链条、起升液压缸、倾斜液压缸组成。所以本设计的液压系统中的执行元件为：起升液压缸、倾斜液压缸共两个。动力元件选择变量泵供油，通过各个换向阀对执行元件的动作进行控制，用单向节流阀对起升速度进行限制，利用各个元器件之间的相互约束控制，完成所要执行的任务。6.2.2 起升液压系统要求出于安全考虑，对于起升装置这样承受较大工作负荷的装置，不能让它快速升降，即使液压系统出现故障也应该保证起升装置降落的速度，从而达到安全标准。按照任务书要求，起升速度为0.52 m/s。6.2.3 倾斜系统要求同样倾斜液压缸页要满足同等要求，倾斜角速度限制在1-2，倾斜液压缸的活塞杆移动速度为0.015 m/s可满足要求。6.2.4 起升系统基本参数计算起升液压缸缸内流量：Qqs=Avmax=3.140.025231.2=0.06123m3/min起升装置总流量为：Q=2Qqs=122.46L/min液压缸内工作压力为：P=4Fcd2=430333.53.14522=14.29MPa6.2.5 倾斜液压缸基本数据计算倾斜液压缸缸内流量：Qqx=Avmax=43.140.031520.01560=0.011216m3/min倾斜装置总流量：Q=2Qxs=22.432L/min液压缸内工作压力：P=4Fyd2=45153.53.140.0352=5.36MPa考