叉车门架优化设计及三维建模

叉车门架优化设计及三维建模摘要叉车是物料搬运的一种,属于搬运装卸机械，工作方式是流动性的。叉车的应用也是相当广泛.叉车还可以叫做万能装卸车或者是自动装卸车。叉车是通过在无轨底盘上装备了专用的装卸装置。叉车能够广泛的用于车站、机场、港口、码头、仓库或者是工矿企业等各个部门，用来实现机械式的装载、堆垛和较短距离的运输等，是在物流系统装载机械设备中占有非常重要的地位。针对我国目前叉车的设计，对叉车门架的结构和性能进行优化设计,目前来看，叉车装置在工作当中还存在很多问题。我们要在生产设计当中特别注意，例如:门架会出现过量变形,轨道面磨损和滑痕,滚轮被压碎。从而提高叉车门架的稳定性、可靠性以及使用寿命。在设计的时候，我们应当充分了解叉车门架的结构特性和使用性能,并进行三维建模和有限元分析，从而进行优化并确定最后各参数。关键词：；门架；滚轮；货叉；叉架；三维建模；有限元分析IForklifttruckdoorframeoptimizationdesignand3dmodelingForkliftflowbelongstothetypeoftransportationandhandlingmachinery,isoneofthetypesofmaterialhandling.widely.Forkliftcanalsobecalledaforkliftorautomaticloadingandunloadingofthecar.Forklifttruckisthroughthetracklesschassisisequippedwithaspecialhandlingdevice.Forklifttruckcanbewidelyusedinrailwaystations,airports,ports,docks,warehouses,orindustrialandminingenterprisesandotherdepartments,torealizethemechanicalloading,stackingandtheshortdistancetransportation,isindispensabletothelogisticssystemofloadingmechanicalequipment.AccordingtoChinascurrentinternalcombustionforkliftframestructureperformance,optimizethedesign,becausetherearealotofproblemsforforklift.Forexample:gantrydeformation,trackwearandindentation,orrolleriscrushed,wewanttopayspecialattentiontotheseissuesinthedesign.Forforklifttruckgantryandforkfordesign,improvethestabilityandreliabilityandservicelifeofforklifttruck.Inthedesign,thestructureandperformanceoftheforklifttruckportalframeandtheliftingpartarefullyunderstood,andthe3Dmodelingandfiniteelementanalysisarecarriedout,andthefinalparametersareoptimizedanddetermined.Keywords:Thedoorframe;Roller；Forkliftpalletfork;Fork;3dmodeling;ThefiniteelementanalysisII目录1绪论11.1课题研究的目的及意义11.2国内外叉车发展研究现状21.3叉车种类和使用性能32叉车货叉强度及刚度验算52.1货叉主要结构参数52.2货叉计算简图52.3货叉的强度计算63叉架的设计与计算94门架的设计与计算104.1门架强度的计算状态104.2计算滚轮压力114.3门架立柱截面几何性质124.4内门架强度计算164.5外门架强度计算194.6门架刚度计算215滚轮组件的安装及计算265.1内门架与外门架滚轮的设计265.2叉架与内门架滚轮的设计286确立优化方法并进行优化307有限元分析及三维模型的建立318总结35参考文献36致谢3701绪论1.1课题研究的目的及意义（1）论文研究目的：叉车作为搬运货物的机械，被广泛用于港口、车站、工厂、仓库等各部门。是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效转运设备。随着经济发展，使国内的叉车行业得到了迅速地发展，同时也要注意到叉车产业在迅速发展当中所暴露出来的弊端：叉车产品自主开发能力薄弱致设计方法太过于传统；外观质量差距比较大，叉车整体性能相对较差；产品单一，竞争力不强等，从轻量化角度考虑，对同等起重量的叉车来讲：采用传统设计方法设计的叉车自身重量会比较重；从系列化角度考虑：采用传统设计方法的叉车，受可操作空间的影响，效率低，可用能力有限，不能实现系列化；从需求多样化考虑：客户的需求来自各行业，导致需求形式差异较大，所以也会对产品提出相对更高的要求。综上所述，传统的设计方法已经不能满足现代化社会的需求，所以对叉车门架进行优化设计是非常有必要的。（2）论文研究的意义：叉车门架系统是叉车结构当中最为重要的组成部分，在叉车的生产设计和研发中，叉车门架系统是非常重要的，然而研发过程中出现的问题也都集中在叉车门架系统中，所以对叉车门架系统进行研究和优化设计是非常有意义的。在传统设计中，大多数都是用二维绘图软件进行画图，在进行参数的选定的时候，都是用相同型号的叉车来进行比较，再进行大量的实验，在复杂的实验数据中确定最终的参数。在设计各种型号，承载重量不同的叉车门架时，就会存在很多的问题。随着参数的不断变化，绘制的图纸也需要大量的修改，效率相当低，不能很好地对叉车门架的力学性能进行优化设计。针对以上问题，我们采用现代化设计方法来对叉车门架进行优化设计，采用三维参数化pro-E软件对叉车门架进行三维建模并运用有限元分析法进行优化，与传统设计方法相比，本课题是一个连续的设计过程，缩短了设计时间，提高了产品精度，使叉车产业提高竞争力，满足了社会需求。计算机辅助设计提高了工作效率和产品设计质量，减少了手工绘图的工作量，降低了劳动强度，有利于产品的通用化、系列化和标准化，有助于缩短生产周期，降低1产品成本。有限元设计分析代替大量的实验，提高了设计效率，为升级产品质量提出了解决途径，现阶段，90%的国际设计厂商利用有限元的分析方法。1.2国内外叉车发展研究现状1917年，世界上第一辆内燃叉车是由美国克拉克公司生产的。1990年，全球叉车销量创历史最高，达到了55.9万台，从那以后的几年里，因为西方经济不出现下滑，全世界的叉车销量基本保持在5060万台，全球叉车销量步入上升趋势是在21世纪，2000年的销量为58万多台，2001年的销量为58.5万多台，2007年叉车年销量达到了91万多台，现在大概有250多家叉车制造企业遍布世界各地，欧洲、北美和亚洲是世界上最大的三个叉车销售市场，欧洲和北美都是相对来说需求量趋于稳定，是比较成熟的市场。这几年，全球各地的叉车需求量不断增加主要是由于全球经济的发展。然而中国在亚不断成长的亚洲市场中起着重大作用。我国是在全国解放后才开始了叉车的生产。1950年，最先开始生产叉车的厂家是沈阳电工机械厂和大连叉车厂，从此之后叉车生产厂家不断的增多，叉车的种类和规格也在逐渐完善，对叉车形成规模性生产是在70年代初。在改革开放以后，叉车市场也避免不了国外企业对其的冲击。韩国大宇公司、现代公司，JCB、克拉克公司纷纷进军中国。外资的进入对于中国整个叉车行业都带来了非常好的发展环境，提高了国内叉车的整体生产水平。我国至今有叉车企业已经形成了以杭州叉车和安徽叉车为主的重点企业，骨干企业60余家，已经具有1000余种的叉车类型。2008年年销量达到14万辆,我国的叉车行业得到了飞速发展，我国保持了数年持续增长的叉车产销量。我国的叉车产业现在已经形成了相对比较集中的格局，形成了高端、中端、低端三个层次，以林德为代表的跨国企业主要占据中高端、高端市场;杭州叉车和安徽合力叉车主要占据中端、中低端市场;如意、虎力等民营企业主要占据低端市场，格局基本上稳定。从当今市场来看，国内主要市场被中低端叉车占据着;在不断地发展过程中，国内叉车技术将会逐渐走向更加专业高端的水平。随着经济的持续发展，各行业对叉车的需求量也会持续增长，尤其是近几年物在流不断刺激市场的需求的时候，叉车市场的发展空间会很大。随着各行业不断扩大对叉车性能的要求，需求层次也从最初的小吨位，向大型化、2系列化发展，但新型叉车科技含量很高、研发与生产周期会比较长，核心技术掌握在个别企业手中。叉车的门架型钢、发动机、液压件是制约国内叉车品质提升的三大瓶颈，当前国内叉车行业已经具备了一定的技术基础和发展条件，能够初步满足国内低端产品的需求，但对于国内高端产品竞争力较弱。1.3叉车种类和使用性能（1）叉车的种类根据动力装置的不同，可以把叉车分为内燃叉车和电瓶叉车；根据结构和用途的不同，叉车又可以分为平衡式、前移式、插腿式、侧叉式、跨车和其他特殊叉车等（其中前三种都为正叉式）。（2）叉车主要使用性能装卸性：是叉车的装卸效率和起重能力的主要性能。其中装卸效率的高低对叉车生产率有直接的影响，而装卸性能好主要体现在叉车起重量大、工作速度高、载荷中心距大。牵引性：则是叉车爬坡能力大小、牵引力及行驶速度得快慢等方面的性能。要想牵引性好，那么必须爬坡度大、牵引力强、行驶速度快。制动性：是叉车在行驶的过程中按照需求减小车速或者停车的一种性能。通常是通过在一定的行驶速度下制动时的距离长短来衡量。叉车制动距离的长短一般都是实际测试得出的，有的时候也可以通过计算得出。然而叉车当下行驶的速度是影响叉车制动距离的主要因素，当制动距离越小时，叉车的制动性就越好。我国叉车标准对行驶时的制动能力作出了相应的规定:1.叉车空载时行驶的车速为20km/h时，制动距离应该小于8m；2.叉车满载时行驶的车速为10km/h时，制动距离应该小于4m。机动性：是指叉车在最小空间内转弯和通过曲折、狭窄通道的能力。通常用直角交叉通道宽度、最小转弯半径和直角堆垛通道的宽度来衡量叉车的机动性。叉车的最小转弯半径越大，那么直角交叉通道宽度及直角堆垛通道宽度就越大，这样叉车的机动性就越差。通过性：是叉车克服各种道路障碍，通过复杂路面的一种能力。叉车的尺寸越小，车轮压力及离地间隙越大，驱动轮的牵引力越大，那么叉车的机动性能就越好。操纵性：是指叉车的轻便性和舒适性。如果各类型踏板、操作手柄以及司机座椅3与各操作件之间的位置布置得当、转向盘上的力小，则操纵性也就越好。稳定性：是叉车在行驶和进行作业时，防止横向和纵向倾翻的一种能力。稳定性是保证叉车安全进行作业的必要条件，它分为纵向稳定性和横向稳定性。经济性：主要是指叉车的生产造价及营运时的费用，包括生产率高、动力消耗低、耐用的程度高和使用方便等等。42叉车货叉的强度验算和刚度验算叉车是用来与码头仓库，车站和工厂等地方的的件货堆垛，装卸及短途运输的工具,货叉是叉车非常重要承载部件,所以叉车的强度对于叉车的使用性能影响会很强大。2.1货叉的主要结构参数货叉各个部分的主要尺寸包括货叉的水平段长度；货叉的垂直段高度；货叉lh的断面尺寸(为货叉厚度，为货叉宽度)（如图2.1所示）。abb图2.1货叉的结构和尺寸现以起重量3吨规格的叉车为研究对象，叉车最大承载量Q=3吨，载荷中心距离是c=500mm,货叉的基本参数如下所示：货叉的长度：；10lm货叉的垂直高度：；52h货叉的断面尺寸：；24ab货叉两铰支点中心距：；09d货叉的外伸距：；76e查阅机械设计手册，选择的材料为40Cr钢，40Cr钢热处理工艺的屈服强度。539MPas2.2货叉的计算简图5因为叉架和货叉的连接形式有所不同,支承载荷类型随着连接形式的不同，也会有所不同,根据相关规定，3吨叉车叉架和货叉是以挂钩型上支承为连接形式，可以看成固定支座的形式,货叉可以看作是超静定刚架(见图2.1)，下支承可以简化为活动铰链支座,，考虑到挂钩型的货叉存在安装间隙,所以货叉也可以简化为如图2.2所示：（1）超静定刚架的计算简图（2）静定刚架的计算简图图2.2货叉的受力简图在计算简图中可以看出，危险截面的应力的状态和强度都是相同的,在如所示的A-A剖面处或者是它的下方,在这我们采用静定刚架进行计算，能够使计算更加偏于强度的验算和刚度的校核。2.3货叉的强度验算在集中载荷P作用下，可以看出危险截面应该在下叉钩A-A断面以下位置的垂直段处，在图2.3可以看出水平段受的弯矩和剪力，垂直段受的弯矩和拉力,则危险截面的最大正应力应为:6(2-1)FPWDMHmaxmax拉弯该式中p-货叉的集中载荷-载荷中心距HDW-抗弯截面膜量.W=2/6dbF-货叉垂直段截面积.F=db40rC钢许用应力图2.3货叉所受集中载荷简图（1）确定计算载荷P该式中Q所表示的是起重量重力21KPQ=mg=3000X10=30000N:动载荷系数取为=1.211:偏载荷系数取为=1.322.30340PN（2）确定安全系数n确定安全系数,n通常大于或等于1.5,n取1.7。在有确定的计算载荷的情况下,7安全系数应该取较小值,而在没有确定的计算载荷的时候，安全系数应该取较大值。（3）确定许用应力/539/1.7.06snMPa（4）强度验算，货叉满足强度要求86.21045362max对货叉的刚度进行校核通常是指验算叉尖处静挠度,计算的方法是用简便的弯矩图相乘,计算叉尖处的扰度计算公式为(2-2)EHHEfheDLIDPf26361式中E-40cr钢的弹性模量为29/108.5mNI表示货叉的截面惯性矩,按照等截面计算则3bdI表示货叉的额定截面载荷力，则1PNQ502cmfE68.1423.76)5013(0512.48.635通常情况下叉车的许用挠度为=2cmEfL因为所以满足货叉要求的刚度EEfcmf73.83叉架的设计计算叉架在叉车工作过程中的受力相当复杂，叉架一般情况是由两部分组成的，它的后半部分是有导向滚轮的滚轮架，前半部分是是用来安装悬挂的货叉以及其他工具的焊接框架，与后半部分的滚轮架连为一体，由链条进行牵引，沿着门架导轨来进行竖直升降运动，本设计选择的材料为Q345板型叉架。对叉架进行受力分析：货叉上面的压力，滚轮的反力偶、链条的拉力、载荷产生的力偶、侧向力偶等。主要是计算横梁，这样就能大幅简化设计，如下图所示：在平面框架上横梁悬臂处的弯矩：=3000000NmmlPMx在垂直于平面框架上横梁悬臂处的弯矩：=3547949fbacFly/)2(根据工作性质，货叉装在叉架上，不能让叉架随便移动，所以叉架上通常会有定位槽，又因为开有槽的缘故，平面框架上被削掉了一块，所以在计算时只需计算危险点A和B的应力。A点处的应力状态：(3-1)6/()6/(/22hblFhblPWyMx将数据代入公式得paA3017扭转剪应力最大处是在B点，计算公式为：habtT2/mx矩形截面高度比7.B点的双向应力计算公式为:=143Mpa230Mpa2max3)(WyM所以综上所述，叉架满足设计要求。94门架的设计与计算4.1门架强度的计算状态本课题选择的门架材料为16Mn，剪切弹性模量是：弹性2105Kg/cm8.4=G模量是：；抗拉、抗压强度；抗剪强度26Kg/cm102.=E20/gc；屈服点强度。145/gc2350/sKgcm根据分析可知：当叉车装载为最大重量、货叉上升到最大高度、门架前倾到最大角度时，门架所受的力最大(图4.1)。求出内门架施加给叉车又架滚轮的反压力Pl、P2。（4-1）10011221cosincosinkQabGabsahSGk在该公式中：G1叉车货叉与叉架的自重，Kg；Q额定起重量，Kg；S链条的总拉力，Kg；叉车门架最大的前倾角，度；k动力载荷系数，K=K1（动力系数）K2（货物偏载系数）。10图4.1叉车门架的载荷作用图其中Q=3000Kg、G1=250Kg、h2=370mm、1260am065am、K=1.2。130bm038b4将数据代入式(2-4)可以求出：251.90SKg1.306cos38sin6102cos6103sin690427684PKg21.250si3579通常在一般情况下，链条的拉力所产生的力矩可以达到货物重量力矩的十分之一到九分之一,从而来减小门架所承受的载荷。当门架前倾到最大角度的时候()，6滚轮承受的最大压力要比门架直立时所承受的力增加百分之十左右。因为链条的拉力与门架前倾时对滚轮压力所引起的、数值上几乎相等的减载和增载的影响，为了将计算简化，在这里我们将其忽略不计，进行计算时按门架直立状态。4.2计算滚轮压力11门架直立状态时，因此内门架滚轮的压力为0(4-2)1201.36526074.5kPQaGhKg已知h1=480mm，h2=370mm外门架滚轮的压力为：(4-3)2341370.582PKg图4.2门架滚轮的压力计算简图4.3门架立柱截面的几何性质由于叉车内外门架立柱的截面尺寸是相同的，所以除了计算惯性矩、静矩、抗弯模量等，还需计算其他附加截面的几何特性。12（1）立柱截面（2）扇性坐标(3)扇性静矩图4.3门架立柱截面的几何性质图4.3（1）是门架立柱的截面图，（2）是扇性坐标图，（3）是扇性静矩图。根据机械课程设计简明手册，槽钢型号为16a，则截面的尺寸依次为：b=5.2cm、h=15.2cm、t2=1.8cm、t1=1.4cm、,各个参数值见表1所示。表4.1门架立柱截面的结构尺寸和几何特性13名称符号单位量值截面面积Fcm232.44形心X0cm1.19弯曲中心XAcm1.88截面惯性矩Jxcm41490.98Jycm4109.53截面抗弯模量Wxcm3225.41Wycm327.31纯抗扭惯性矩JKcm439.42扇性惯性矩Jcm64445.07约束扭转特性kcm-10.06静矩Smaxcm4127.23参数的计算如下所示:截面面积：(4-4)21221.4.85tFbhtcm形心位置：22102211.45.841.9.4tbxctht0y弯心位置：221335.81.861.46.Abtxcmh0ycm线性截面惯性矩：3232490.8xthbtJcm14232102023461.88196103ytbJhxtxcm线性抗弯截面模量：3290.825.415xxJWcmht301.37.9yyb纯抗扭惯性矩:331221334.23.5ktJhtcm扇性惯性矩：2226.847AxAbxhtJJcm静矩：22A1max24+815.5.815.4+=27.3hbtxhtSc约束扭转特性：5168.1039.420.67kGJcmE由于Wy和Wx的比值约为百分之十五点五七左右，大于百分之十五，所以此门架平面内的载荷不用计算。154.4内门架强度计算（1）门架立柱的断面翼缘厚度校核按照局部弯曲应力的计算公式：（4-5）23.06P=s局部得到：（4-6）3.06Ps式中：材料屈服极限。16Mn钢的=3500Kg/cm2ssP滚轮的压力，P=P1=P2=3340.54Kg。因此得到3.064.5.7m由于1.71mm小于1.8mm，所以此门架立柱的断面翼缘厚度设计合理。（2）门架立柱断面腹板的高度校核按照滚轮的接触应力来计算腹板高度接触（4-7）PE0.418npkl接触式中：P滚轮的压力，3340.54Kg；滚轮的踏面宽度，50mm；lEnp导轨和滚轮材质的综合当量弹性模量，当为钢制滚轮时24Kg/m102.=np、Pnp导轨和滚轮的当量曲率半径，圆柱形滚轮对平面导轨时，。3R与滚轮材质与导轨表面硬度有关的许用接触应力，常用。k280Kg/m6取270/Kgm代入公式得4234.510.187.5/Kgm接触16由，可以知道能够符合要求。270.5/608/kKgmKgm接触由的等式可以转换为：接触242.418.17534.103.80npkPERl则:R实际=2R，则R实际=234.80=69.60mm（取70mm），所以腹板高度为：02+=270+1.342=.68hm实际由知，所以腹板高度的尺寸设计合格。14.685mh（3）门架立柱的弯矩校核因为滚轮的集中作用，可以计算出在与门架垂直的平面的内门架立柱当中产生的最大弯矩。这样计算得工作量会比较大，所以要根据简化法来进行计算。整体的强度安全系数在简化算法中应大于4，计算局部弯曲强度的安全系数N局应大于1.2时，最危险的截面在B点处(图4.4)。由于约束扭转和整体弯曲的共同作用，如图4.4，与叉架下滚轮接触的截面B是内门架立柱最危险的截面。所以计算截面B的弯矩：max41230.5471239.8bMPhKgcm整体弯曲正应力为：2ax.9.86.0/541bKcW根据已知许用弯曲应力（取N值为4）：23087/4sKgcm由可知整体结构安全。22658./5/wgc17图4.4门架立柱整体弯曲剪应力为（4-8）xPSbJ公式中：P截面剪力，Kg；S所求的应力点以外截面面积对中性轴的静矩，cm3；Jx截面对中性轴X的惯性矩，cm4;b所求应力点处的截面宽度，cm。得到21.4340.5286.714.K/90.xgcm许用剪切应力为：214536./xKgc由满足设计要求。22.8/.5/xxgcmm18局部弯曲应力B点的局部变异应力：（4-9）02=KPt局式中t=t2=1.8cm、K0=2则3234.5=6./18Kgcm局局部许用弯曲应力是（取N局=1.2）2350=96.7/1.2sgc局局由，可以知到局部危险点也在安全范围3226./1.K/Kgcmm局局之内。4.5外门架强度计算把外门架简化成单根立柱来计算，横梁产生的影响可以通过支座的约束来考虑。在垂直门架平面内，外门架立柱产生的整体弯曲，不受门架前倾的影响。受了最大弯矩Mbmax的部位是从立柱与倾斜油缸连接处至门架下滚轮接触点内。外门架强度计算如图4.5所示，能够知道D点为危险截面。由已知、186m=H0、。480m=h152=h19图4.5外门架强度计算简图（1）计算D点处的整体弯曲链条的拉力S对起升油缸会产生力矩，门架弯曲增大是通过内门架及活塞杆使门架滚轮的压力增大来实现的。门架滚轮的压力增量是：（4-10）2maxSPHA其中S链条的拉力，Kg；a2链条与轴的中心距，cm；Hmax最大的起升高度，cm。已知Hmax=300cm，取a2=6cm，可以求出（4-11）1.305390SQGKg460783PKgA则有41529.378gA34.PK20341340.5219.375.91PKgA因而D点的最大弯矩为：max31.80.2Mhcm即整体弯曲应力为：2ax.2.75.937.6/241DKgcW许用弯曲应力为:235087/4sKgcmN由可知，所以符合设计要求。287.6/5/wgc（2）校核局部弯曲应力（4-12）222P39.1=7.4/8Kgct局由前面可知，局部许用弯曲应力为：2350=916.7/.2sgcmN局局由知，所以符合设计要求。322197.4/.K/Kgc局局4.6门架刚度计算（1）门架刚度计算状态所谓门架刚度条件就是是指当满载情况下的货叉上升到最大高度的时候，前倾到最大角度的时候，处在门架顶端的水平挠度应该小于许可值。如图4.6所示、门架计算简图。21图4.6门架刚度计算状态简图其中已知各参数如下所示：起重量是Q=3000Kg、起升高度为H=3000mm、前倾角为、载荷中心距6C=500mm、滑架的重量是G1=250Kg、门架立柱的惯性矩是J0=J=J1=1490cm4。门架的各个尺寸为：、8m=h52h、1830m=H86=、321m=H10030C2l5l7h滑架通过滚轮传给内门架和力按下式计算，如图4.7所示图4.7门架计算简图（4-13）100112cosincosin365s38062i758.PQlCGlChKg2111sin.25sin73.1PKg22在这可以把力P1、P2对门架的作用能够分解为一个集中力和一个力偶，内门架端部的力偶用M1表示，外门架端部的力偶用M0来表示，求解得：2573.367.4hKgcm（4-14）41213607.458.37.183485.PPHhKg041.20.MPhKgcm另外341258.317.1.4伸缩式门架在集中力和端部力偶的作用下，内门架绕外门架端部转动了角的0时候，从内门架端部所引起的水平位移，如图4.8所示。01Hh01011100MPffHhff式中、力偶M作用在外门架端部时产生的水平位移和转角；0Mf、集中力P1-P2作用在外门架端部时产生的水平位移和转角；P、由力偶M及集中力P1-P2作用在内门架端部时产生的水平位移。1f23图4.8门架变形图（2）确定门架端部产生的各水平位移力偶M0作用的时候，求出外门架端部所产生的水平位移fM0:(4-15)2201026368.5.48871.4936HhfEJcm图4.9外门架计算简图24在力偶M1作用的时候，在内门架端部的水平位移fM1为：(4-16)2211226368483707.43.96HhfEJcm力偶M0作用时，求得内门架绕外门架端部转动角度0M0016228071.3286.5.480.73.493HhEJ由集中力P1-P2的作用，在外门架端部所引起的水平位移f0p为：22000600.383349.fhcmJ同理，可以求得在力P1-P2的作用下所引起的内门架端部的水平位移f1p：2126107.18340.373349.PfHhcEJ由于集中力P1、P2的作用，在外门架的端部产生的角度为：0P(4-17)200121022638.6.93605PhJcm（3）校核挠度通过以上计算，对端部产生的水平位移f（挠度）。计算得：(4-18)010101.79385.7432.870.351842MPPMPffHhfHhcm许用挠度值是：(4-19)0186.1348.21610Hhfcm由知，满足设计要求。2.83.2fcfcm255滚轮组件的安装及计算5.1内门架与外门架滚轮的设计滚轮分为侧向和纵向滚轮，由四个滚轮构成。纵向滚轮在垂直于门架的平面内，而侧向滚轮在门架自身的平面内起导行和传力作用。构造如图5.1所示。纵向滚轮的受力会比较大，所以直径也大并且要用滚动轴承，侧向滚轮受力会比较小，所以直径也小，所以用滑动轴承和滚针。26（a）纵向滚轮（b）侧向滚轮图5.1滚轮构造（1）轴的计算但经过分析说明，在门架做垂直运动时，滚轮轴主要受切应力，并且最大弯曲切应力在中性轴上均匀分布的，求得圆截面梁的最大弯曲切应力为：（5-1）,maxaxszFSId已知及3.max12ZSmax于是可得（5-2）43sFR式中R圆形截面半径，mm；SZ,max半圆截面对中性轴的静矩，mm3；IZ圆形截面对中性轴的惯性矩，mm3；轴的材料选择用45号钢，查阅机械设计手册可知=3040MPa，所以取=35MPa。由（5-3）1.2(305)390sFkQGKg得到446.87335sRm考虑门架的重量，所以选择半径为12.5mm，即滚轮轴的直径为25mm。（2）轴承的选择查阅机械设计手册选择深沟球轴承，代号为640527表5.16405轴承相关数值名称单位符号量值d2580B21da(min)34Da(max)71基本尺寸mmra(max)1.5d242.3D262.7其他尺寸mmr(min)1.5基本额定静载荷KNCo38.2基本额定动载荷KNC19.2极限转速(r/min)脂8500极限转速(r/min)油11000重量kgW0.529（3）导轮的设计因为门架宽度为是21mm，轴承外径是80mm，为了保证门架运行时的稳定性，导轮的外径为120mm、内径为80mm。（4）轴用挡圈按照轴的尺寸选择轴用挡圈表5.2轴用挡圈尺寸轴径d025mmd基本尺寸23.2mm极限偏差(+0.21,-0.42)s基本尺寸1.2mm极限偏差(+0.05,-0.13)d12mmb3.32mmh3.32mm28沟槽d2基本尺寸23.9mm极限偏差(0,-0.21)沟槽m基本尺寸1.3mm极限偏差(+0.14,0)沟槽n1.7mm孔d335mm每1000个钢挡圈重量约为1.90kg（5）孔用挡圈表5.3孔用挡圈尺寸孔径d080mm基本尺寸85.5D极限偏差(+1.30,-0.54)mm基本尺寸2.5S极限偏差(+0.07,-0.22)mmd13mmb6.8mm基本尺寸83.5沟槽d2极限偏差(+0.35,0)mm基本尺寸2.7沟槽m极限偏差(+0.14,0)mm沟槽n5.3mm轴d363mm根据导轮内径的尺寸选择孔用挡圈每1000个钢挡圈得重量大约为22.0kg。5.2叉架与内门架滚轮的设计因为滚轮的受力与内门架处的滚轮受力是一样的，所以此处的设计跟上面一样，不再进行计算。296确立优化方法并进行优化（1）门架立柱的优化根据对叉车门架的结构分析和综合的成本来看,减少内外门架之间和滚轮与门架之间的摩擦和撞击是非常有必要的，这样可以减少机械振动，从而减小工作噪音，大大增加了各部件的使用寿命。根据查阅的相关资料和对相关工作人员的咨询，对门架立柱采用的优化方法是去30焊接化和精整加工，这样可以大大提高门架立柱的制造精度，来达到对门架立柱的优化。（2）门架立柱截面的优化优化前，焊接门架立柱所采用的钢材为HRB335，板厚200mm，焊接方式为双边角焊缝，下料焊接，焊缝的宽度为10mm。则根据理论重量计算公式：21210VG可计算出单根外门架重量67.26kg，单根内门架重量80.34kg。优化后，采用热压成型工艺，材质为16Mn，机械性能等同于HRB335，则根据比重法计算：单根外门架重量51.82kg，单根内门架重量61.53kg。优化前和优化后对比，很明显可以看出：叉车门架达到了轻量化设计的目的；以热压成型工艺取代传统的焊接化工艺，提高了整体的生产效率，实现了统一规格的磨具批量化生产。（3）设计方法的优化在传统设计中，采用手工绘图的方法，设计完成后再进行大量的实验进行反复验算，绘制的图纸也需要大量的修改，效率相当低，不能很好地对叉车门架的力学性能进行优化设计。而我们采用的是现代化设计方法来对叉车门架进行设计，采用三维参数化pro-E软件对叉车门架进行三维建模并运用有限元分析法进行验算，与传统设计方法相比，本课题是一个连续的设计过程，缩短了设计时间，提高了产品精度和设计效率，降低了产品的成本，提高叉车产业竞争力，满足了社会需求。7基于ANSYS的叉车门架有限元分析1、建立叉车门架的几何模型运用三维建模软件ProE建立叉车门架的的几何模型，ANSYS有限元分析中，在确保分析精度的前提下，我们需要对模型进行简化，简化的原则就是明确分析的主要部件，将次要部件进行简化或忽略，这样可以提高效率，简便计算，所以建立的实体几何模型如下图所示：31图7.1叉车门架的三维模型2、叉车门架的有限元模型将建立的几何模型导入ANSYS中，由于整体分析体会比较大，所以我们在这里采用分别分析叉车门架各个主要部件的方法，采用智能网格对叉车货叉、叉车内门架、叉车外门架进行网格划分，得到有限元模型如下图所示：图7.2货叉的有限元模型32图7.3内门架的有限元模型图7.4外门架的有限元模型3、施加载荷及约束条件本课题研究的叉车规格为：载荷中心距为500mm，最大起重载荷为3吨，最大起升高度为3米，如前边所述，当叉车达到最大起升高度，前倾角为时进行分析，有o6限元分析时应该注意：滚轮和导轨建立摩擦系数为0.05，根据前文的受力分析与计算，依次对主要部件（即叉车货叉，内、外门架）进行应力分析，应力云图如图所示：33图7.5货叉的应力云图在该运动状态下，叉车货叉的应力分析图如图7.5所示，最大应力值为278MPa，安全系数n取1.7的时候，许用应力为317MPa，所以叉车货叉在安全范围之内，满足设计要求。图7.6内门架的应力云图内门架的应力分析图如图7.6所示，最大应力值为196MPa，已知许用应力值为240MPa，故叉车内门架在安全范围之内，满足设计要求。34图7.7外门架的应力云图外门架的应力分析图如图7.7所示，最大应力值为198MPa，已知许用应力值为240MPa，故叉车外门架同样也在安全范围之内，满足设计要求。通过对叉车门架进行有限元分析，可以准确的判断出叉车门架的变形和整体的应力分布，降低了设计成本，缩短了设计时间，同时避免了人工计算得各种不足之处，使分析的结果一目了然，更加直观，为叉车的轻量化设计和结构的设计提供了保证。358总结本设计工作是针对太原工业学院机械电子工程专业所进行的毕业设计，对叉车的门架系统进行优化设计，并进行三维建模。在设计过程中，主要完成的工作有：查阅相关资料，对叉车的发展和研究现状有了充分了解，明确了设计的目的和意义，然后对叉车门架进行了仔细的观察和分析，也相应做了一些测量工作，并查阅了大量有关叉车的参考资料，对叉车的构造和工作原理有了深刻的认识，对叉车门架参数进行选定，进行各部件的设计计算，运用三维制图软件建立三维模型并进行有限元分析。在设计过程中，从一开始的一知半解到现在完成最后的毕业设计，我学到了很多，同时也丰富了我的设计经验。通过对叉车门架的优化设计，实现了门将结构重量的降低，保证了叉车门架的力学性能，实现了叉车门架轻量化设计的目的；对叉车门架进行精整加工，减小了各部件之间的摩擦，从而降低磨损，增加了叉车门架的使用寿命；运用计算机辅助设计，采用现代化的设计理念，提高了产品设计