基于ProE与ANSYS的1.5T电动叉车设计[三维PROE][ANSYS][含高清CAD图纸和说明书

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Comparison of visibility measurement techniques for forklift truck design factorsM. Applied Ergonomics, Mar2009, Vol. 40 Issue 2, p280-285.15 Fuel Cells Bulletin, Triple-hybrid forklift truck from Proton PowerJ. Nov2007, Vol. 2007 Issue 11, p4-5, 2p.16 Fuel Cells Bulletin, Raymond updates on fuel cell forklift projectJ. Feb2008, Vol. 2008 Issue 2, p2-2, 1p.六、备注指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 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AutoCAD软件完成叉车变速器二维结构、叉车整车和货叉部分的二维结构图，利用Pro/E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ANSYS有限元分析软件对货叉和外门架进行静力分析。关键词：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ABSTRACTElectric 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 operators 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 trucks 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 analysisII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题研究目的和意义11.2 课题的研究现状11.3 课题的研究内容31.4 课题的研究方法3第2章 叉车变速器的设计及校核52.1 蓄电池的选择52.2 行走电机的选择62.3 基本数据的选择设计72.3.1 变速器齿轮的设计及校核72.3.2变速器轴的设计及校核172.3.3变速器轴承的选择242.4 本章小结25第3章 货叉的设计与校核263.1 货叉的类型、构造选择及设计263.2 内外门架及叉架的构造设计283.2.1 内外门架的构造设计283.2.2 叉架构造的设计293.3 货叉、叉架的刚度强度校核303.4 叉车整车的稳定性校核333.5 本章小结35第4章 货叉三维建模及整车造型364.1 Pro/E软件简介364.2 三维模型364.3 Pro/E整机装配及爆炸图404.4 本章小结41第5章 货叉有限元分析425.1 有限元分析的简介425.2 Pro/E和ANSYS接口的创建445.3 货叉、外门架的有限元分析465.4 本章小结61结论62致谢65附录A66附录B69 第1章 绪 论1.1 课题研究目的和意义我国加入WTO之后，物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Pro/E软件完成电动叉车的整车造型和运动仿真，利用ANSYS软件对货叉部分关键零件进行有限元分析，提高对软件运用的熟练程度。在电动叉车产品设计中运用了AutoCAD、Pro/E、ANSYS等软件，能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。1.2 课题的研究现状叉车是一种以货叉为标准取物装置，通常能将货物起升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。Pro/E软件和ANSYS软件是本次设计所用的关键的两个软件，因为他们有各自的优势和特点。Pro/E操作软件是美国参数技术公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是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，Pro/E作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E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。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型有限元分析软件，它是世界范围内增长最快的CAE软件，能够进行包括结构、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。ANSYS的功能强大，操作简单方便，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ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。本设计需利用AutoCAD软件完成叉车变速器二维结构设计、货叉部分结构设计，并进行校核计算，结合叉车的造型设计现状，利用Pro/E软件完成整车的造型设计，利用ANSYS软件对货叉部分关键零件进行有限元分析。1.3 课题的研究内容1、设计主要内容（1）叉车总体方案设计及校核；（2）利用AutoCAD软件完成叉车变速器、货叉设计及校核；(3) 利用Pro/E软件完成货叉三维建模及整车三维造型；（4）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。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。1.4 课题的研究方法 研究所采用的技术路线如图1-1技术路线图所示。Auto CAD叉车变速器器、升降油缸、货叉的设计、校核Pro/E三维实体建模Ansys关键零件分析Pro/E整机装配及干涉检查是否合理NY是否合理NY叉车总体结构设计调研、收集资料及总体方案论证关键零部件和仿真的结论分析撰写设计说明书图1-1技术路线图第2章 叉车变速器的设计及校核2.1 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率：P=+=54KW （2.1）式中： 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； 0.9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DG-400，容量为400Ah满足使用要求。2.2 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。 行走电机的功率计算。 满载运行功率： =3.1337 （2.3） 式中： f滚动阻力系数，f=0.02； 总质量：ma=4500Kg；最高车速：=11Km/h； 传动效率，取0.86。功率： =（1.52）=4.76.267 （2.4）原因是上坡时功率增加，取功率 =5KW。通过查资料选取电机规格为：XQ-5-1。电机的基本参数如下表2-1电机的基本参数。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-5-15(KW)45(V)139(A)1480(r/min)励磁方式定额重量最高工作转速电机转向串60min95kg3200(r/min)双向2.3 基本数据的选择设计2.3.1 变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：=5KW；额定转速：=1480 r/min； 最大爬坡度： =18%=0.178； 总质量：ma=4500Kg；前车轮：6.50-10-10PR ； 滚动半径r=295mm。（2）变速器各档传动比的确定一档传动比 =0.80.9 选择一档传动比=0.9电动机转矩： =32.2635 N. m （2.5）式中： 行走电机功率；额定转速。主减速器传动比：=10.5256 （2.6）式中： 额定转速； 最大爬坡度；电动机转矩；一档传动比；传动效率，取0.86； ma总质量； r滚动半径。二档传动比： =0.377=1.1924 （2.7）式中： 最高车速；额定转速；r滚动半径；主减速器传动比；限速影响系数 =1.1。由于=1.436，传动比相差较小，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2-2变速器传动路线示意图。图2-2变速器传动路线示意图（3）变速器中心距的确定初选中心距时，可根据下述经验公式： =58.98mm （2.8） 式中：变速器中心距（mm）；中心距系数， 取=17；电动机转矩；二档传动比。初选中心距=60mm，对中心距系数K进行修正： =17.3 （2.9）齿轮参数：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： =2.6256 （2.10）设计斜齿轮法向模数=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。齿宽对于斜齿轮，取为6.08.5，取7.0，齿宽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，规定齿顶高系数取为1.00。齿顶高 =3；齿根高 =3。（4）确定齿轮的齿数 齿数和： =37.588 （2.11）式中：变速器中心距（mm）；斜齿轮法向模数=3 ；螺旋角。 螺旋角修正值： =18.1949 （2.12）取齿数和：=38由公式： =0.9=+=38可求得 =20 取齿数 =20。=18 =18 由公式： =1.2924=+=38可求得 =16.577 取齿数 =17=21.423 =21。分度圆直径：=63.16 =56.84 =53.68 =66.32变位系数：通过查机械设计手册由手册表的变位系数：=-0.04 =0.04=0.1 =-0.1各齿轮参数如下表：表2-3齿轮参数齿轮齿数分度圆直径变位系数齿顶高12063.16-0.042.8821856.840.043.1231753.680.13.342166.32-0.12.7齿根高齿顶圆直径齿根圆直径节圆直径螺旋角3.8768.9255.426018.19493.6363.0849.585418.19493.4560.2846.785118.19494.0571.7258.226318.1949（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20CrMnTi。现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： 渗碳层深度0.81.2mm3.55 渗碳层深度0.91.3mm 渗碳层深度1.01.6mm渗碳齿轮在淬火、回火后，要求轮齿的表面硬度为5863HRC，心部硬度为3348HRC。变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： =30.973Nm （2.13）轴： 一档 =26.493Nm （2.14） 二档 =36.3544Nm （2.15）斜齿轮的弯曲应力公式为： （2.16）式中：圆周力()，；计算载荷(Nm)；节圆直径(mm)，法向模数(mm)，齿数， 斜齿轮螺旋角()；应力集中系数，；齿面宽(mm)；法向齿距(mm)，；齿形系数，可按当量齿数在图5-1中查得；重合度影响系数，。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： （2.17）对齿轮1: =32.056对齿轮2: =27.828对齿轮3: =31.523对齿轮4: =34.64通过计算以上四个齿轮均满足要求轮齿接触应力： （2.18）式中：轮齿的接触应力（MPa）齿面上的法向力（N），；端面内分度圆切向力，；计算载荷(Nm)；节圆直径(mm)；节点处压力角()；齿轮螺旋角()；齿轮材料弹性模量(MPa)，=20.6104 Nmm-2；齿轮接触实际宽度(mm)；，主动及被动齿轮节圆处齿廓曲率半径(mm)。其中：斜齿轮； ，；、 主动及被动齿轮节圆半径(mm)。所以：斜齿轮，；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： （2.19）对于齿轮1 ： =606.712；对于齿轮2 ： =591.473；对于齿轮3 ： =660.83；对于齿轮4 ： =644.157。变速器齿轮的许用接触应力如表2-4。表2-4齿轮的许用接触应力齿轮/MPa渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一档和倒档190020009501000常啮合齿轮和高档13001400650700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：mm，mm，=30.973Nm，=26.493Nm，=18.1949 （2.20） （2.21） （2.22） （2.23） （2.24） （2.25）二档斜齿轮3，4的受力：mm，mm，=36.3544Nm，=30.973Nm，=18.1949；。2.3.2变速器轴的设计及校核（1）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，不应低于0.8。表面硬度不应低于5863HRC。第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（3）轴的尺寸可按以下公式初选轴直径：各轴的最小直径： （2.26）其中：轴的估算最小径；计算常数，取决于轴的材料及受载情况，见表2-4轴的材料C值；轴传递的功率（kW）；轴的转速。第一轴花键部分： （2.27） 其中：经验系数，；电动机最大转矩。表2-4轴的材料C值轴的材料Q235、20Q275、354540Cr、35SiMn12614911213510312697112通过计算得轴的基本尺寸如图2-5轴的基本尺寸。图2-5轴的基本尺寸1.轴的刚度验算若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可分别用下式计算 （2.28） （2.29） （2.30） 式中：齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N）；弹性模量（MPa），=2.06105MPa；惯性矩（mm4），对于实心轴，；轴的直径（mm），花键处按平均直径计算；、齿轮上的作用力距支座、的距离（mm）；支座间的距离（mm）。轴的全挠度为： mm。 （2.31）轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为=0.050.10mm，=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。一轴的刚度受力变形如图2-6所示abLFr图2-6一轴的刚度受力变形一档时：，mm，mm，mm=0.0465mm ；=0.0515；=0.00108rad0.002rad。二档时：，mm，mm，mm，=0.064mm ；=0.0578；=0.00144rad0.002rad。（2）二轴的刚度受力变形如图2-7所示abLFr图2-7二轴的刚度受力变形一档时，mm，mm，mm=0.0465mm =0.0515=0.00108rad0.002rad二档时，mm，mm，mm，=0.067mm =0.0608=0.00152rad0.002rad2轴的强度计算作用在齿轮上的径向力和轴向力，使轴在垂直平面内弯曲变形，而圆周力使轴在水平面弯曲变形。先求取支点的垂直面和水平面内的反力，计算相应的垂向弯矩、水平弯矩。则轴在转矩和弯矩的同时作用下，其应力为： （2.32） 式中: (MPa) （2.33）为轴的直径(mm)，花键处取内径；为抗弯截面系数(mm)，在低挡工作时，400MPa。1 一轴的强度校核如图2-8 一轴受力图Nmm； ； ；。一档时挠度最大，最危险，因此校核。求水平面内支反力、和弯矩 += （2.34） （2.35）由以上两式可得：=602.717N，=236.2N，=17478.793Nmm求垂直面内支反力、和弯矩。+= （2.36） （2.37） 由以上两式可得：=582.878N，=346.1N，=16903.462N.mm，=25611.4Nmm。按第三强度理论得：Nmm （2.38） （2.39）RVARHBRHARVBFa13Fr13Ft13RHAFt13RHBL2L1LRVARVBFr13M17478.793916903.46225611.4264921187973.303图2-8 一轴受力图由于一轴的强度远远满足要求，二轴的直径与一轴相差不多，且受力也相差不多，也能够满足强度要求，故掠去对二轴的校核。2.3.3变速器轴承的选择图2-9一轴轴承受力图一轴轴承受力图如上图2-9一轴轴承受力图所示，轴承受很小的径向载荷，同时也受到更小的轴向载荷，所以一轴轴承选择角接触球轴承，作为该轴两端的轴承，对称正装，满足使用要求。初选轴承的型号为7003AC，d=17mm ， D=35mm ， B=10mm，=6.3KN， =3.68 ，质量 w=0.36kg。油润滑时极限转速为2200r/min。图2-10二轴轴承受力图二轴轴承受力图如上图2-10二轴轴承受力图所示，轴承受很小的径向载荷，同时也受到更小的轴向载荷，所以二轴轴承选择角接触球轴承，作为该轴两端的轴承，对称正装，满足使用要求。初选轴承的型号为7003AC，d=17mm ， D=35mm ， B=10mm，=6.3KN ， =3.68 ， 质量 w=0.36kg。油润滑时极限转速为2200r/min。2.4 本章小结本章的主要内容有根据叉车的基本参数，对叉车的蓄电池和行走电机进行选择，然后是通过转矩和转速等参数，对叉车变速器齿轮和变速器轴的设计及校核，最后是通过齿轮形式和转速，对变速器轴承型号的选择。设计及校核是很复杂的过程，需要认真仔细进行。通过本章对叉车变速器完成全部整体的设计，为出二维图做准备。第3章 货叉的设计与校核3.1 货叉的类型、构造选择及设计货叉装在叉架上。它的外形是一个L形杆件，分为水平段和垂直段两部分。一般的货叉的水平段和垂直段做成整体的，称为整体式货叉。如图3-1所示。 在叉车叉取货物时，货叉的水平段用来叉取货物或托盘的底部，叉起后用来承载货物。因此货叉的水平段的上表面必须水平，水平段前段下面略有斜度，以使查尖处厚度较薄，并且前段逐渐变窄，叉尖两侧带有圆弧，这样有利于使货叉插入货物底部，叉取货物。货叉的垂直段用来与叉架链接，根据链接形式不同，分为挂钩式和铰链式两种。货叉是叉车的重要构件，受力大，要求截面小，重量轻。因此需要用低合金钢、中碳钢等材料制造（如40Cr），还需经适当的热处理（如调制），以增加水平段的表面硬度，提高耐磨性能。货叉的主要尺寸有货叉水平长度L、货叉垂直段高度、货叉断面尺寸、挂钩尺寸和轴孔尺寸等。图3-1货叉的类型货叉长度主要决定于载荷中心距，并考虑配合使用的托盘尺寸。一般取L2C(C为载荷中心距)，也可以稍小于2C。L按标准选取。货叉垂直段高度，主要与门架的离地间隙和叉架的尺寸有关。货叉的截面尺寸及挂钩尺寸决定于起重量和载荷中心距，即决定于载荷力矩。每个货叉在垂直段侧面，应打印标记该货叉的额定起重量和载荷中心距，以便于更换取物装置时不致混乱。货叉的基本尺寸可以由表3-1货叉的基本尺寸和图3-2货叉的基本构造和查取图3-2货叉的基本构造表3-1货叉的基本尺寸长度/mm75080090095010001050115012001350150016001650180020002400 货叉厚度/mm货叉宽度/mm8010012013014015016018020025X30XX35XXX40XXXX45XXXXX50XXXXXX60XXXXX70XXX80XX90X货叉的安装尺寸可以查下表3-2货叉的安装尺寸查取表3-2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=1000mm3.2 内外门架及叉架的构造设计3.2.1 内外门架的构造设计内外门架是各自分别由左、右两根立柱，通过上、中、下不同数量的横梁链接而成的门式框架。立柱即是门架承载的主要构件，又是叉架或内门架做起升运动的导轨。立柱截面有槽型（称C形）、工字型（称I形）、和其它异形形状（分别称作L形和J形）,材料多为低合金16Mn钢。左右两立柱通过二到三根横梁连接，构成框架结构，然后嵌套在一起，依靠装在内、外门架上的滚轮，使内门架沿外门架立柱滚动。当使用不同形状截面的型钢做门架立柱时，会有多种内外门架立柱并列组合。内外门架的高度为： =（+-）+d+t=1980mm （3.1）式中：最大起升高度（mm）； 满载时轮胎变形量（大至与相当）（mm）； 货叉厚度（mm）； 叉架（内外门架间）的纵向滚轮间距（mm）；d 纵向滚轮直径（mm）；t 构造或焊接工艺结构所需要的尺寸（mm）。叉车的最低结构高度： =+ （3.2）门架最低点到地面的距离。起升液压缸的行程： =（+-）/2 （3.3）液压缸的安装高度： =+ （3.4）液压缸的导向、缸盖、缸底等固定尺寸。各种组合形式都有不同的优缺点。CC型的优点是内、外门架立柱截面相同，材料规格单一，制造方便。缺点是供内门架升降导向的滚轮只能装在内门架立柱下端腹板上，滚轮间距一定在外载荷一定的条件下无论内外门架是否起升，滚轮压力总是比较大。CI型、CJ型、CL型和II型截面的共同特点是，内门架立柱外翼缘均有外伸翼缘插在外门架立柱槽型内，这使得有可能在外门架立柱顶端装设一个内门架导向滚轮，内门架的外伸翼缘压在此滚轮上运动。内门架的另一个的导向滚轮仍装在内门架立柱下端腹板上，此滚轮压在外门架立柱的后翼缘内壁上。这样内门架受到起重载荷的力矩作用后，由于内门架上、下支撑滚轮间距大，滚轮的压力就小，门架受力情况改善。但随着内门架上升的同时，滚轮间距逐渐变小，滚轮压力也增大，最大起升高度时，滚轮间距最小，压力最大。内门架通常具有上横梁和中横梁，同时也有下横梁。内门架横梁的形状既要考虑可靠的链接，又要注意避让叉架和内门架的运动，还要考虑不要与外门架的横梁发生运动干涉。外门架通常具有上横梁、中横梁和下横梁。外门架横梁的形状要考虑避让叉架和内门架的运动，外门架的下横梁要考虑起升液压缸的支座，还要注意避免与驱动桥发生干涉，外门架的中横梁往往与倾斜液压缸支座相连。滚轮布置为可变间距式，内、外门架之间的纵向滚轮一组安装在内门架的下端，另一组安装在外门架的上端。滚轮间距随起升变化，滚轮压力也随之变化。起升较低时，滚轮间距大受力小，起升到最大高度时，滚轮间距最小，这时滚轮压力最大，相当于固定间距式的压力。其最小滚轮间距与固定间距式相同。这种布置的最大优点是门架的疲劳载荷小，缺点是只适应CI型、CJ型、CL型和II型立柱截面3.2.2 叉架构造的设计叉架又名为滑架，它的作用是安装货叉或其他工作属具，并带动货物一起升降。根据叉架在门架系统中的相对位置，货物的重量考叉架传给起重链条，货物重量产生的力矩通过叉架传给门架，当链条带动叉架升降时，叉架要可靠的沿着门架导轨运动。由此，决定了叉架在构造上的一个垂直运动的承载小件，一般由两部分构成。其前部是一个焊接框架结构，主要用于悬挂货叉及其他属具；后部是两列装有导向滚轮的滚轮架，与前部框架焊接构成一体，由链条牵引，沿门架门架导轨垂直升降。根据货叉的形式和他在框架上的安装方式，叉架有两种形式，即板式和滑杆式。当货叉为挂钩型时，采用板式叉架。板式叉架的框架有多种形式，但不管哪种一般都是钢板焊接而成，或整块钢板按照所需尺寸结构进行切割，挖去多余部分以减轻重量。货叉的上挂钩在框架的上横梁上，货叉的下挂钩钩住框架的下横梁。由于挂钩和叉架间的安装尺寸已经标准化，各种属具均具有和货叉相同的挂钩。板式叉架能方便的更换属具，因此焊接板式结构应用广泛。货叉或其他属具可从叉架侧面装上或卸下，当叉架上装有挡货叉时，侧面不变装卸，在叉架下横梁开一个缺口，可以方便装拆货叉。为了使货叉在叉架上定位，在框架上横梁上对称的做有若干定位孔或定位槽，在货叉上端的挂钩上装有带弹簧的定位销。根据货物的尺寸，货叉可以在叉架上滑动以调整两叉间距，并定位在合适的位置上。叉架上的滚轮是把货物的重力，以力偶矩的形式传递给内门架。因为滚轮是固定间距的，对门架立柱的作用力大应合理布置。3.3 货